Química de Raymond Chang novena edición.
El famoso Libro muy pedido en las universidades en carreras como medicina, ciencias agrícolas, química farmacéutica, contiene mas que los conocimientos básicos acerca de la química, química orgánica e inorgánica
3. http://carlos2524.jimdo.com/
Lista de elementos
Elemento
Actinio
Aluminio
Americio
Antimonio
Argón
Arsénico
Astato
Azufre
Bario
Berilio
Berkelio
Bismuto
Bohrio
. Boro
Bromo
Cadmio
Calcio
Californio
Carbono
Cerio
Cesio
Cloro
Cobalto
Cobre
Criptón
Cromo
Curio
Darmstadtio
Disprosio
Dubnio
Einstenio
Erbio
Escandio
Estaño
Estroncio
Europio
Fermio
Flúor
Fósforo
Francio
Gadolinio
Galio
Germanio
Hafnio
Hassio
Helio
Hidrógeno
Hierro
Holmio
Indio
Iridio
Iterbio
Itrio
Lantano
Laurencio
Litio
con sus símbolos y masas atómicas*
~mbolo
Ac
Al
Am
Sb
Al'
As
At
S
Ba
Be
Bk
Bi
Bh
B
Br
Cd
Ca
Cf
C
Ce
Cs
CI
Co
Cu'
Kr
Cr
Cm
Ds
Dy
Db
Es
El'
Sc
Sn
Sr
Eu
Fm
F
P
Fr
Gd
Ga
Ge
Hf
Hs
He
H
Fe
Ho
In
Ir
Yb
Y
La
Lr
Li
Número
atómico
89
13
95
51
18
33
85
16
56
4
97
83
107
5
35
48
20
98
6
58
55
17
27
29
36
24
96
110
66
105
99
68
21
50
38
63
100
9
15
87
64
31
32
72
108
2
1
26
67
49
77
70
39
57
103
3
Masa
atómica*
(227)
26.98
(243)
121.8
39.95
74.92
(210)
32.07
137.3
9.012
(247)
209.0
(262)
10.81
79.90
112.4
40.08
(249)
12.01
140.1
132.9
35.45
58.93
63.55
83.80
52.00
(247)
(269)
162.5
(260)
(254)
167.3
44.96
118.7
. 87.62
152.0
(253)
19.00
30.97
(223)
157.3
69.72
72.59
178.5
(265)
4.003
1.008
55.85
164.9
114.8
192.2
173.0
88.91
138.9
(257)
6.941
Elemento
Símbolo
Lutecio
Magnesio
Manganeso
Meitnerio
Mendelevio
Mercurio
Molibdeno
Neodimio
Neón
Neptunio
Niobio
Níquel
Nitrógeno
Nobelio
Oro
Osmio
Oxígeno
Paladio
Plata
Platino
Plomo
Plutonio
Polonio
Potasio
Praseodimio
Proactinio
Prometio
Radio
Radón
Renio
Rodio
Roentgenio
Rubidio
Rutenio
Ruterfordio
Sarnario
Seaborgio
Selenio
Silicio
Sodio
Talio
Tántalo
Tecnecio
Telurio
Terbio
Titanio
Torio
Tulio
Tungsteno
Uranio
Vanadio
Xenón
Yodo
Zinc
Zirconio
Lu
Mg
Mn
Mt
Md
Hg
Mo
Nd
Ne
Np
Nb
Ni
N
No
Au
Os
O
Pd
Ag
Pt
Pb
Pu
Po
K
Pr
Pa
Pm
Ra
Rn
Re
Rh
Rg
Rb
Ru
Rf
Sm
Sg
Se
Si
Na
TI
Ta
Tc
Te
Tb
Ti
Th
Tm
W
U
V
Xe
1
Zn
Zr
Número
atómico
71
12
25
109
101
80
42
60
10
93
41
28
7
102
79
76
8
46
47
78
82
94
84
19
59
91
61
88
86
75
45
111
37
44
104
62
106
34
14
11
81
73
43
52
65
22
90
69
74
92
23
54
53
30
40
Masa
atómica**
175.0
24.31
54.94
(266)
(256)
200.6
95.94
144.2
20.18
(237)
92.91
58.69
14.01
(253)
197.0
190.2
16.00
106.4
107.9
195.1
207.2
(242)
(210)
39.10
140.9
(231)
(147)
(226)
(222)
186.2
102.9
(272)
85.47
101.1
(257)
150.4
(263)
78.96
28.09
22.99
204.4
180.9
(99)
127.6
158.9
47.88
232.0
168.9
183.9
238.0
50.94
131.3
126.9
65.39
91.22
* Todas las masas atómicas tienen cuatro cifras significativas. Estos valores son los que recomienda el Comité para la enseñanza de la química de la lnternational Unian
of Pure and Applied Chemistry,
** Los valores aproximados de las masas atómicas se señalan entre paréntesis.
7. http://carlos2524.jimdo.com/
Q .D31. Z
C. 'f5 '{
;:¿ CJ 0.:;
Química
Novena edición
Raymond
CHANG
Williams College
Revisión técnica:
Rosa Zugazagoitia Herranz
Profesora de Química
Universidad Autónoma Metropolitana, Xochimilco
UNAM, Facultad de Ciencias
...----
.
-José Clemente Reza
Profesor titular de Química General
ESIQIE, Instituto Politécnico Nacional
OD31 .2 C454 2007
RAYMOND CHANG
1111/1111111111111111111111111111111111111111111111111111111
0233006194
OUIMICA
MÉXICO· BOGé>TÁ· BUENOS AIRES· CARACAS· GUATEMALA· LISBOA· MADRID
NUEVA YORK. SAN JUAN • SANTIAGO· AUCKLAND· LONDRES. MILÁN
MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO
9. http://carlos2524.jimdo.com/
Acerca del autor
Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en
Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London University,
en Inglaterra y se doctoró en química en Yale University. Después de realizar su investigación posdoctoral en Washington University y enseñar durante un año en Hunter College of the City University of New York, se
unió al departamento de química en Williams College, donde ha enseñado desde 1968.
El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society Examination Comrnittee, el National Chemistry Olympiad
Examination Comrnittee y. el Graduate Record Examinations (GRE)
Comrnittee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. El profesor Chang ha escrito libros sobre fisicoquímica, química industrial y
ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de literatura juvenil.
Para relajarse, el profesor Chang cultiva un jardín selvático, juega tenis, ping-pong, toca la harmónica y practica el violín.
Imágenes de la portada
A la izquierda complejo Pb 2 + - AEDT. En medio: mapa del potencial electrostático que muestra la conformación del H2 a partir de dos átomos de H. A la derecha:
estructura helicoidal-a de una molécula de proteína.
v
11. http://carlos2524.jimdo.com/
1
Química: el estudio del cambio
2
Átomos, moléculas e iones
3
Relaciones de masa en las reacciones químicas
4
5
6
Reacciones en disolución acuosa
7
8
9
La teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos
Gases
2
40
76
118
168
Termoquímica
222
Relaciones periódicas entre los elementos
Enlace químico 1: Conceptos básicos
266
314
356
10
Enlace químico 11: Geometría molecular e hibridación
de orbitales atómicos 398
11
Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos
12
13
Propiedades físicas de las disoluciones
Cinética química
450
502
544
14 Equilibrio químico 600
15 Ácidos y bases 644
16 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad
17 Química en la atmósfera 750
18 Entropía, energía libre y equilibrio 782
19 Electroquímica 818
20 Metalurgia y la química de los metales 866
21 Elementos no metálicos y sus compuestos 894
22
Química de los metales de transición y compuestos
de coordinación 934
23
24
25
Química nuclear
696
Química orgánica
966
1002
Polímeros orgánicos sintéticos y naturales
1038
Apéndice 1
Derivación de nombres de los elementos
Apéndice 2
Unidades para la constante de los gases
Apéndice 3
Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C
Apéndice 4
Operaciones matemáticas
A-1
A-7
A-8
A -13
vii
13. http://carlos2524.jimdo.com/
Lista de aplicaciones xxi
Prefacio xxiii
Una nota para el estudiante
xxxi
Química: el estudio del cambio 2
1.1
1.2
1.3
Química: una ciencia para el siglo
El estudio de la química
El método científico
4
XXI
7
8
LA QUíMICA en acción
El helio primordial y la teoría del Big-Bang
1.4
1.5
1.6
1.7
Clasificación de la materia
10
11
Los tres estados de la materia
13
Propiedades físicas y químicas de la materia
Mediciones
14
15
LA QUíMICA en acción
La importancia de las unidades
1.8
1.9
El manejo de los números
20
21
Análisis dimensional en la resolución de problemas
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
31
Preguntas y problemas
31
27
31
MISTERIO de la química
La desaparición de los dinosaurios
38
Átomos, moléculas e iones 40
2.1
2.2
2.3
2.4
La teoría atómica
42
La estructura del átomo
43
Número atómico, número de masa e isótopos
La tabla periódica
49
50
LA QUíMICA en acción
Distribución de los elementos en la Tierra
y en los sistemas vivos
2.5
2.6
Moléculas e iones
Fórmulas químicas
52
53
54
IX
14. http://carlos2524.jimdo.com/
x
.Contenido
2.7
2.8
Nomenclatura de los compuestos
59
Introducción a los compuestos orgánkos
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
70
. Preguntas y problemas
70
68
69
Relaciones de masa en las
reacciones químicas 76
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
Masa atómica
78
Número de Avogadro y masa molar de un elemento
Masa molecular
79
83
El espectrómetro de masas
86
Composición porcentual de los compuestos
86
Determinación experimental de fórmulas empíricas
Reacciones químicas y ecuaciones químicas
Cantidades de reactivos y productos
Reactivos limitantes
90
92
97
101
Rendimiento de reacción
103
LA QUíMICA en acción
Fertilizantes químicos
104
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
107
Preguntas y problemas
107
106
Reacciones en disolución acuosa 118
4.1
Propiedades generales de las disoluciones acuosas
4.2
Reacciones de precipitación
122
LA QUíMICA en acción
Una reacción de precipitación indeseable
4.3
4.4
Reacciones ácido-base
127
Reacciones oxidación-reducción
131
LA QUíMICA en acción
Alcoholímetro
143
4.5
4.6
4.7
Concentración de las disoluciones
4.8
Valoraciones redox
Análisis gravimétrico
148
Valoraciones ácido-base
150
153
LA QUíMICA en acción
Metal proven iente del mar
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
156
J57
Preguntas y problemas
155
156
142
126
120
15. http://carlos2524.jimdo.com/
xi
Contenido
MISTERIO de la química
¿Quién asesinó a Napoleón?
166
Gases 168
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
Sustancias que existen como gases
Presión de un gas
170
171
Las leyes de los gases
175
Ecuación del gas ideal
181
La estequiometría de los gases
190
Ley de Dalton de las presiones parciales
192
La teoría cinética molecular de los gases
197
LA QUíMICA en acción
El buceo y las leyes de los gases
198
LA QUíMICA en acción
Átomos enfriados
205
5.8
Desviación del comportamiento ideal
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
209
209
Pregu:ntas Y problemas
206
209
MISTERIO de la química
Sin oxígeno
220
Termoquímica 222
6.1
6.2
6.3
6.4
Naturaleza y tipos de energía
224
Cambios de energía en las reacciones químicas
Introducción a la termodinámica
Entalpía de las reacciones químicas
232
LA QUíMICA en acción
Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta
6.5
Calorimetría
225
227
233
239
LA QUíMICA en acción
Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias
6.6
246
LA QUíMICA en acción
Cómo se defiende el escarabajo bombardero
6.7
Entalpía estándar de formación y de reacción
251
Calor de disolución y de dilución
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
254
Preguntas y problemas
255
MISTERIO de la química
El neumático explosivo
264
254
252
245
16. http://carlos2524.jimdo.com/
Xll
Contenido
Teoría cuántica y la estructura
electrónica de los átomos 266
7.1
7.2
7.3
7.4
De la física clásica a la teoría cuántica
El efecto fotoeléctrico
Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno
La naturaleza dual del electrón
LA QUíMICA en acción
Láser: la luz esplendorosa
LA QUíMICA en acción
Microscopía electrónica
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
268
272
274
279
280
283
Mecánica cuántica
283
Números cuánticos
286
Orbitales atómicos
288
Configuración electrónica
292
El principio de construcción
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
303
Preguntas y problemas
303
298
302
MISTERIO de la química
Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio
Relaciones periódicas
entre los elementos 314
8.1
8.2
8.3
Desarrollo de la tabla periódica
316
Clasificación periódica de los elementos
318
Variaciones periódicas de las propiedades físicas
LA QUíMICA en acción
¿El tercer elemento líquido?
8.4
Energía de ionización
8.5
8.6
Afinidad electrónica
329
329
333
Variación de las propiedades químicas
de los elementos representativos 335
LA QUíMICA en acción
El descubrimiento de los gases nobles
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
348
348
Preguntas y problemas
347
346
322
312
17. http://carlos2524.jimdo.com/
Contenido
xiii
Enlace químico 1: Conceptos básicos 356
9.1
9.2
9.3
t.:
;zt.. _
~
;..ars...........
J. ~ p~_f-L
11 al
e
ffrld
6 S~
F cttlj
~U~
.®
- t.J~'¡';-- -'&'"
tl}';- ~-,
el
Energía reticular de los compuestos iónicos
~
LA QUíM ICA en acción
Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
El enlace covalente
366
Electronegatividad
369
Símbolos de puntos de Lewis
El enlace iónico
358
359
Escritura de las estructuras de Lewis
Carga formal y estructura de Lewis
El concepto de resonancia
361
365
372
375
377
Excepciones a la regla del octeto
379
LA QU íMICA en acción
Sólo diga NO
384
9.10
Entalpía de enlace
385
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
390
Preguntas y problemas
390
390
Enlace químico II: Geometría molecular
e hibridación de orbitales atómicos 398
10.1
10.2
Geometría molecular
Momento dipolar
400
409
LA QUíM ICA en acción
Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción
10.3
10.4
10.5
Teoría del enlace valencia
10.6
10.7
10.8
Teoría del orbital molecular
412
415
Hibridación de orbitales atómicos
417
Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles
y triples 426
429
Configuraciones de orbitales moleculares
Orbitales moleculares deslocalizados
Resumen de datos y conceptos
432
437
439
LA QUíM ICA en acción
El buckybalón
440
Palabras clave
442
Preguntas y problemas
442
/
18. http://carlos2524.jimdo.com/
xiv
Contenido
Fuerzas intermoleculares
y líquidos y sólidos 450
11.1 La teoría cinética molecular de líquidos y sólidos
11.2 Fuerzas intermoleculares 453
11.3 Propiedades de los líquidos 459
11.4 Estructura cristalina 462
452
LA QUíMICA en acción
¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo?
11.5
11.6
Difracción de rayos X por los cristales
Tipos de cristales
Sólidos amorfos
469
471
LA QUíMICA en acción
Superconductores a altas temperaturas
11.7
463
476
476
LA QUíMICA en acción
y todo por un botón
478
11.8
11.9
Cambios de fase
Diagramas de fase
479
488
LA QUíMICA en acción
Hervir un huevo en la cima de una montaña,
las ollas de presión y el patinaje sobre hielo
490
LA QUíMICA en acción
Cristales líquidos
491
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
493
Preguntas y problemas
494
493
Propiedades físicas
de las disoluciones 502
12.1 Tipos de disoluciones 504
12.2 Enfoque molecular del proceso de disolución 505
12.3 Unidades de concentración 507
12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 511
12.5 Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 513
12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrólitos
515
LA QUíMICA en acción
El lago asesino
516
12.7
Propiedades coligativas de las disoluciones de electrólitos
LA QUíMICA en acción
Desalinización
530
12.8
Coloides
530
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave •534
Preguntas y problemas
534
MISTERIO de la química
El cuchillo equivocado
542
534
528
19. http://carlos2524.jimdo.com/
xv
Contenido
Cinética química 544
13.1
13.2
13.3
La velocidad de una reacción
Ley de la velocidad
546
553
Relación entre la concentración de reactivos y el tiempo
LA QUíMICA en acción
Determinación de la edad del Sudario de Turín
13.4
13.5
568
Constantes de velocidad y su dependencia
de la energía de activación y de la temperatura
557
568
Mecanismos de reacción
575
LA QUíM ICA en acción
Femtoquímica
580
13.6
Catálisis
581
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
589
589
Preguntas y problemas
588
Equilibrio químico 600
14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 602
14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 604
14.3 Relación ente cinética química y equilibrio químico 616
14.4 ¿Qué información proporciona la constante de equilibrio? 617
14.5 Factores que afectan el equilibrio químico 623
LA QUíMICA en acción
La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina
630
LA QUíM ICA en acción
El proceso Haber
631
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
632
Preguntas y problemas
633
632
Ácidos y bases 644
15.1 Ácidos y.bases de Br¡;lnsted 646
15.2 Propiedades ácido-base del agua 647
15.3 El pH: una medida de la acidez 649
15.4 Fuerza de los ácidos y las bases 652
15.5 Ácidos débiles y la constante de ionización de un ácido 656
15.6 Bases débiles y la constante de ionización de una base 663
15.7 Relación entre las constantes de ionización de los ácidos
y sus bases conjugadas
15.8
15.9
15.10
15.11
665
Ácidos dipróticos y polipróticos
666
Estructura molecular y fuerza de los ácidos
Propiedades ácido-base de las sales
670
674
Propiedades ácido-base de los óxidos y los hidróxidos
679
20. http://carlos2524.jimdo.com/
xvi
Contenido
15.12 Ácidos y bases de Lewis
682
LA QUíMICA en acción
Antiácidos y el balance del pH en el estómago
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
686
Preguntas y problemas
686
684
686
MISTERIO de la química
La descomposición de los papeles
694
Equilibrios ácido-base y equilibrios
de solubilidad 696
16.1
Comparación entre los equilibrios homogéneo
y heterogéneo en disolución
698
16.2
16.3
Efecto del ion común
698
Disoluciones amortiguadoras
701
LA QUíMICA en acción
Mantenimiento del pH de la sangre
16.4
16.5
16.6
16.7
16.8
16.9
16.10
Valoraciones ácido-base
706
708
Indicadores ácido-base
716
Equilibrios de solubilidad
718
Separación de iones por precipitación fraccionada
El efecto del ion común y la solubilidad
El pH Y la solubilidad
725
727
728
Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad
LA QUíMICA en acción
¿Cómo se forma un cascarón de huevo
731
737
16.11 Aplicación del principio del producto de solubilidad
al análisis cualitativo
737
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
740
Preguntas y problemas
740
739
MISTERIO de la química
Un duro bocadillo
748
Química en la atmósfera 750
17.1
17.2
17.3
17.4
17.5
17.6
17.7
17.8
La atmósfera terrestre
752
Los fenómenos en las capas externas de la atmósfera
Disminución del ozono en la estratosfera
Los volcanes
762
El efecto invernadero
La lluvia ácida
763
767
El esmog fotoquímico
771
Contaminación doméstica
773
757
755
21. http://carlos2524.jimdo.com/
xvii
Contenido
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
776
Preguntas y problemas
776
776
Entropía, energía libre y equilibrio 782
18.1
18.2
18.3
18.4
Las tres leyes de la termodinámica
Los procesos espontáneos
Entropía
784
784
785
La segunda ley de la termodinámica
790
LA QUíMICA en acción
La eficiencia de las máquinas térmicas
18.5
18.6
La energía libre de Gibbs
796
La energía libre y el equilibrio químico
LA QUíMICA en acción
La termodinámica de una liga
18.7
803
807
La termodinámica en los sistemas vivos
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
810
810
Preguntas y problemas
796
808
809
Electroquímica 818
19.1 Reacciones redox 820
19.2 Celdas electroquímicas 823
19.3 Potenciales estándar de reducción 825
19.4 Espontaneidad de las reacciones redox 831
19.5 Efecto de la concentración sobre la fem de la celda
19.6 Baterías 839
834
LA QUíMICA en acción
Energía bacteriana
843
19.7
19.8
Corrosión
Electrólisis
844
848
LA QUíMICA en acción
Molestia producida por las amalgamas dentales
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
855
Preguntas y problemas
855
MISTERIO de la química
Agua sucia
864
854
853
22. http://carlos2524.jimdo.com/
XVlll
Contenido
Metalurgia y la química
de los metales 866
20.1
20.2
20.3
20.4
20.5
20.6
20.7
Abundancia de los metales
Procesos metalúrgicos
868
868
Teoría de las bandas de conductividad
876
Tendencias periódicas de las propiedades metálicas
Los metales alcalinos
Los metales alcalinotérreos
Aluminio
878
879
883
885
LA QUíMICA en acción
Reciclado de aluminio
888
Resumen de datos y conceptos
889
Palabras clavi;
889
Preguntas y problemas
888
Elementos no metálicos
y sus compuestos 894
21.1
21.2
Propiedades generales de los no metales
Hidrógeno
896
896
LA QUíM ICA en acción
Hidrógeno metálico
901
21.3
Carbono
902
LA QUíMICA en acción
Gas sintético a partir del carbón
21.4
Nitrógeno y fósforo
905
906
LA QU íMICA en acción
Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo
21.5
21.6
Oxígeno y azufre
Los halógenos
913
914
921
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
929
929
Preguntas y problemas
928
Química de los metales de transición
y compuestos de coordinación 934
22.1
22.2
22.3
22.4
22.5
22.6
22.7
Propiedades de los metales de transición 936
La química del hierro y del cobre 939
Compuestos de coordinación
940
Estructura de los compuestos de coordi nación 946
El enlace en los compuestos de coordinación: teoría del campo
cristalino 949
Reacciones de los compuestos de coordinación
955
Aplicaciones de los compuestos de coordinación 955
23. http://carlos2524.jimdo.com/
xix
Contenido
LA QUíMICA en acción
Compuestos de coordinación en los sistemas vivos
LA QUíMICA en acción
Cisplatino: el medicamento anticancerígeno
Resumen de datos y conceptos
960
Palabras clave
Preguntas y problemas • 960
958
959
MISTERIO de la química
Datación de pinturas con el azul de Prusia
964
Química nuclear 966
23.1
23.2
23.3
23.4
23.5
L a naturaleza de las reacciones nucleares
Estabilidad nuclear
Radi actividad natural
Transmutación nuclear
Fisión nuclear
968
970
975
978
981
LA QUíMICA en acción
El reactor de fisión nuclear de la naturaleza
23.6
23.7
23.8
F usión nuclear
987
Ap licaciones de los i sótopos
989
Efectos biológicos de la radiación
LA QUíMICA en acción
Irradiación de los alimentos
991
993
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
994
Preguntas y problemas
994
994
MISTERIO de la química
El arte de la falsificación en el siglo xx
1000
Química orgánica 1002
24.1
24.2
Clases de compuestos orgánicos
Hidrocarburos alifáticos
1004
1004
LA QUíMICA en acción
Hielo que se quema
1016
24.3
24.4
986
1017
Hidrocarburos aromáticos
Química de los grupos f uncionales
LA QUíMICA en acción
La industria del petróleo
1020
1026
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
1029
Preguntas y problemas
1029
1029
MISTERIO de la química
La desaparición de huellas digitales
1036
956
24. http://carlos2524.jimdo.com/
xx
Contenido
Polímeros orgánicos sintéticos
y naturales 1038
25.1
25.2
25.3
Propiedades de los polímeros
Polímeros orgánicos sintéticos
Proteínas
1040
1040
1045
LA QUíMICA en acción
Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular
25.4
Ácidos nucleicos
1052
1054
LA QUíMICA en acción
Huella digital del DNA
1057
Resumen de datos y conceptos
Palabras clave
1058
Preguntas y problemas
1058
1058
MISTERIO de la química
Una historia que le erizará los cabellos
1062
Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos A-1
Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7
Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8
Apéndice 4 Operaciones matemáticas A -13
Glosario G-1
Respuestas a problemas pares
Créditos C-1
Índice 1-1
AP-l
25. http://carlos2524.jimdo.com/
El enunciado de apertura de esta obra es: "La química es una ciencia activa y en evolución,
de una importancia vital para nuestro mundo, tanto en el ámbito de la naturaleza como en
el de la sociedad." A través de este texto, las secciones tituladas La química en acción y
Misterio de la química presentan ejemplos de química específicos que muestran su actividad y su evolución en todas las facetas de nuestras vidas.
LA QUíMICA en acción
El helio primordial y la teoría del Big-Bang
La importancia de las unidades
Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos
Fertilizantes químicos
Una reacción de precipitación indeseable
Alcoholímetro
Metal proveniente del mar
El buceo y las leyes de los gases
Átomos superenfriados
Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta
Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias
Cómo se defiende el escarabajo bombardero
Láser: la luz esplendorosa
Microscopía electrónica
¿El tercer elemento líquido?
El descubrimiento de los gases nobles
Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante
Sólo diga NO
Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción
El buckybalón
¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo?
Superconductores a altas temperaturas
y todo por un botón
Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión
y el patinaje sobre hielo
Cristales líquidos
El lago asesino
Desalinización
Determinación de la edad del Sudario de Turín
Femtoquímica
La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina
El proceso Haber
Antiácidos y el balance del pH en el estómago
10
20
52
104
126
143
155
198
205
233
245
251
280
283
329
346
365
384
412
440
463
476
478
490
491
516
530
568
580
630
631
684
xxi
26. http://carlos2524.jimdo.com/
xxii
Lista de aplicaciones
Mantenimiento del pH de la sange
¿Cómo se forma un cascarón de huevo?
La eficiencia de las máquinas térmicas
La termodinámica de una liga
Energía bacteriana
Molestia producida por las amalgamas dentales
Reciclado del aluminio
Hidrógeno metálico
Gas sintético a partir del carbón
Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo
Compuestos de coordinación en los sistemas vivos
Cisplatino: el medicamento anticancerígeno
El reactor de fisión nuclear de la naturaleza
Irradiación de los alimentos
Hielo que se quema
La industria del petróleo
Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular
Huella digital del ADN
706
736
796
807
843
853
888
901
905
913
956
958
986
993
1016
1026
1052
1057
MISTERIO de la química
La desaparición de los dinosaurios
¿Quién asesinó a Napoleón?
Sin oxígeno
El neumático explosivo
Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio
El cuchillo equivocado
La descomposición de los papeles
Un duro bocadillo
Agua sucia
Datación de pinturas con el azul de Prusia
El arte de la falsificación en el siglo xx
La desaparición de huellas digitales
Una historia que le erizará los cabellos
38
166
220
264
312
542
694
748
864
964
1000
1036
1062
27. http://carlos2524.jimdo.com/
esde la primera edición, mi intención ha sido escribir un libro de química general que proporcionara
una base sólida de los conceptos y principios químicos, y que infundiera en los estudiantes una apreciación de la
parte vital que tiene la química en nuestra vida diaria. Es mi
responsabilidad como a~tor de este libro de texto ayudar tanto a los profesores como a sus estudiantes a alcanzar este objetivo mediante la presentación clara y lógica de una amplia
gama de temas. Siempre que ha sido posible he tratado de
encontrar un balance entre la teoría y la práctica, y de ilustrar los principios básicos con ejemplos cotidianos. Pero
sobre todo, el objetivo principal ha sido escribir un texto
comprensible y claro.
Con cada nueva edición he tratado de mejorar la pedagogía empleada para desarrollar en los estudiantes habilidades de pensamiento crítico y de resolución de problemas, así
como encontrar formas nuevas y efectivas para presentar
conceptos químicos abstractos.
D
porciona a los estudiantes una visión general de los temas que se abordarán en el mismo.
o
o
o
o
o
o
o
Lo nuevo en esta edición
Muchas secciones de este texto han sido revisadas y actualizadas gracias a los comentarios de revisores y usuarios. A
continuación se muestran algunos ejemplos:
o
Las páginas de apertura de cada capítulo cuentan con
una sección titulada "Avance del capítulo", la cual pro-
o
o
Todas las ecuaciones y respuestas para la mayor parte de
los ejercicios resueltos se encuentran sombreadas para
facilitar su ubicación visual en el texto.
Se ha agregado una introducción a los compuestos orgánicos en la sección 2.8.
Se ha revisado el tema del capítulo 4 que trata los tipos
de reacciones (precipitación y ácido-base).
Se ha awpliado el análisis de la difusión y efusión de gases de la sección 5.7.
En la sección 13.3 ahora se analizan las reacciones de
orden cero, además de las reacciones de primer y segundo orden.
En la sección 15.3 se compara la definición del pH con
los conceptos de concentración y actividad.
Se han actualizado varios ensayos de las secciones tituladas La química en acción y se agregaron dos nuevos a
los capítulos 11 y 19.
Se ha añadido un nuevo Misterio de la química al capítulo 7.
Al igual que en la edición anterior se ha logrado una
buena mezcla de problemas fáciles , intermedios y difíciles al final de cada capítulo. Además de los problemas
especiales se agregó una nueva categoría que contiene
otros aún más desafiantes.
xxiii
28. http://carlos2524.jimdo.com/
xxiv
Prefacio
Arte
Como siempre, me he esmerado por lograr un diseño limpio pero atractivo a la vista. Cada
capítulo abre con dos páginas que contienen una foto acompañada de sus correspondientes
modelos moleculares para ilustrar el proceso físico o químico a nivel molecular.
AVANCE DEL CAPíTULO
•
E.~te
<::1(>11110 da ¡nido ron Unol breve ¡nlraducción al estudio de la qulmica)" su función dc mm
de la sociedad moderna. (1 .1 y 1.2)
Un globo leno de tt;drOgenoe~
pIo1aalcalenlarlocoo l1li8 llama.
E1hidrógenogaseosQteaCciona
con el (lldgeno que está en el a;.
re para klrrnar vapor de '9U3-La
quiTOcae$elesIu(Ii;)delaspoo.
piedades de la materia y óGlos
•
C3IT"bios que ésIa e>cpeomeru.
lo&lT"C>deIosp¡-tr.iCf1UInlasrn>
lé<:tJIas de hidlOgeoo. adgeno Y
•
A continuxión se oonoccrnn las bases del rntlodo cien. mm. el ~u.ll es lII13 metodología ';51".
mitic:apamlainvesligacioo cnlotbslasdisciplil:lS.(1.3)
•
Sedefonirj elr.:onceptodcmaccriayseob!;er.;u-:l q ue una sustaOOapur.lpuNo:iiCrundc,""n.
100 un compuesto. Scdi>ti nguir.1 enlre un;¡ mCICla homogáIea y una hclcrogénca. Se apmldcr.lquc.cnprincipio.lO<b lamatcriapunleu¡sti .enClóllqukl'lldctrn~sólido. l fquido
opseoso.(1.4 y I.S )
P3ra~zarunasusunciacsnecesariot'OllOCeTwspropic<bdcsflsic:ls,bsCUJlcs_ob
scr"o':lblcs sin 'luc sus prop;cd:ldes q ufmit:15 e identidad sufran cambio :JIguoo,loqlX' sólo pue.
de demostnrse medianlc cambios qulmiCO!i. ( 1.6)
•
Debidoaquclaquímicacsunacienci;¡uperirnell:>l.implicadusode lasmediciones.Scoo-
nocerán las unidada básicasdcl SI (SiSlem:> Imcmacional de medidas) y se cmple:lrán sus uni·
dJdes dcri,Oldas en cantidades C()OI() el lIOI url"lCn y la densidad. Tambi4!n se estudiar:ln las lres
cscalasdc lempenllur.l: Celsius, Fahmlheil y Kclvin. (1.7)
•
Con rrccucncia,loscllculos químicos implican el usodecantid:xles muy pequclbso mu)' grnndc$, 'j una m.mern ~ieOI~ paro tratar oon algunas de eStaS e ifr.!.' es la nouciÓl1 cie ntífic,..
En los cá!eul<>s O mfflici~..ad.lC"~midaddebe present:lrel núm~~U:ldl)<k cir....~$ sigoi ficali,,,,,, Ia.'queoom:sponden ndrgilos importanles. (1 .8)
•
Por último, se ~nl~ nde¡;j la utilidad del ,'o~I;, i s dimensional para los cálcul os quím i.)!. Al l1e
v;lrc~da unidad a lo I~rgu de la secuencia com pl ' la de cálcul os. lodas I~s lnid,odc s .'C cance bn.
a excepdón de lacmllidad buscada. ( 1.9)
L~~~:!~a ~1::I~~=~~~;:;i:!~~~':s~:~=~~:~g:~ l~nq:~:r;:::~CI:
dos se:midos una ciencia moderna. como se: wr.l poco más adcl,uue.
Se iniciará el estudio de la químic:l en el ni".:! macroscópico. ~-n. el que es posible obsc:r"ar y
mctJir l (X<rn:lcriales q ue formannUCSlromundo.Enestec:tpil ulose:anali"L:U":ielm~UloJocicnlifiro,
que es b rose par.! b im-.::sligac:i6n no sólo en quimic:l, ~no tambi<'n en las dem;b e'eoo:u. I...utgn.
se~brir:i l:!f<lml:l en que losciemifirosdefincnyc:u:tClerizan"lamaleria.Pc&Ieri<trmtn!e.se
conooerán los sistemas de medici<ln U$3doo5 en cll:Ibora'<lrio.. Flr último. se dedicad un poro de
¡iempo:.1 a~ndizajc delllUllll:jo de los resull3dos IllIIllI'rieos de las mcWciooes qufmicas)· a la relOIución de problemas numtriros.. En el capitulo 2 (br:i ínítio la e.p&orociOO del mUfldomicTn:Jcó.
pirodeál{)mO<Y moIm.las.
El estudio del camb io
1. 1
Qufmíc;l: una cicneia p::I1Lc:I siglo XXI
l'ropied3desfisic;lsyquími«lSdelamaleria
f;l csloo iodelaqu[mic:l
Mediciones
I'.lmé(oOOciemifico
F..1m;.ncjodeIOllnÚmeros
Cla~; tkacióndc lamnl"ria
103
An~li.~ i s
dimc<lsio<lal en In resoluci ón de problcrnas
L<)l lrcscsla<k,,<ielamatcria
,:
I
Figura 10.7 Formació n de cuatro orbitales hibridos srr a partir de un orbital
los vértices de un tetraed ro.
2s y tres
orbitales
2p. Los o rbitales srr ap untan hacia
Gran parte de los dibujos y esquemas
tienen una nueva apariencia, no obstante,
siguen conservando la información química exacta. Por ejemplo, los orbitales híbridos que se ilustran en el capítulo 10,
tienen un diseño nuevo y actualizado.
También se han agregado nuevos diseños moleculares a los dibujos, las fotos
y a varios problemas de cierre de capítulo. Además, se ha actualizado el programa
fotográfico para complementar la distribución visual del diseño. Por último, el
formato de todas las tablas periódicas en
el texto también se ha renovado.
29. http://carlos2524.jimdo.com/
xxv
Prefacio
Problemas
El desarrollo de las habilidades para la resolución de problemas siempre ha sido una meta
fundamental en este texto. Por ejemplo, en la sección 3.8, el método general para resolver
problemas de estequiometría se dividió en varios procesos escalonados. Este método se pone en práctica inmediatamente después en el ejemplo 3.13. Asimismo, el ejemplo 3.14 requiere que los estudiantes utilicen por sí mismos este mismo tipo de procedimiento.
Los comentarios al margen permiten aplicar nuevas habilidades a otros problemas similares que se han ubicado al final del capítulo. A cada ejemplo resuelto le sigue un ejercicio de práctica donde se requiere que los alumnos resuelvan un problema similar por su
cuenta. Las respuestas a estos ejercicios se presentan al final de la sección de preguntas y
problemas al final de cada capítulo.
El método ge neml pam resolver problemas de cstcquiOl11ctría se resume a continuaPa50 2: Para C<.lllvcrtir gmmos de C~H,;:ü~ a moles del mismo compuesto, se esc ri be
ción
Escriba unnecuación balanceada de la reneci ón.
856 g..cr,H"Go;, x
COllv icI1a la cantidad cOl1ocidadel rcactivo(en gra mos II otras unid ades) a mímero de
llloles.
1~~~;1g..~~~ '" 4.750 mol Cr,H I".!O~
Uti lice la relación rnolnr de la ecuación bal:mceada para calcular el nú mero de moles
4.
3; En la relación molar, se observa que CJ11l0f, "" 6 moles CO" Por lo tanto. el numcro
de moles de CO¡ formado es
P(I;'O
3.
P(1 .(J
4; Por llltilHO, el oúmero de gramos de COI formado resulta de
Convierta los mo les de producto en gramos (u otras unidades) de producto
del producto formado.
4.150ruol·~ x 1 :;~io;." 28.50 mol COl
28.50Ino¡..eo;x4~.~Z
"" 1.25 x
16'gCO~
Con un poco de práctiea, se podráncombinur los rmsosde eonversión
Ejemplo 3.13
gmmos de C6 Hll O,. _
Los alimcntu, quc sc ingieron son dcgmdados, o desdoblados. en el cuerpo pamproporcionllr
Inenergínneces.ariapamelcrecimientoyotrasfuncioncs.L'IlX'uaci6ngeneral global pmaeste
C{llllplicndo proceso está representnda por la degmdaciónde la glucosa ( C.H Il 0 6) en dióxido
de carbono (CO¡l yagua(H,O) '
C 6H,P.
Si una persona cons ume 856 g de
producida?
durante cierto periodo.
gramos de COl
ma,adeC02=8S6g.C~X l~~~~X 1~~~x ~'~~;eC~2
= 1.25 x lO! gCO!
+ 6O¡_6CO. + 6H¡O
C~H'IO.
moles de C6H,206- moles de CO 2 _
enllnueewción:
~cuál
será la masa de COl
ESlrlllegia Segllll la ecuación balnnccada. ¿cómo se compamn las cantidades de C;H 110 6 y
COl? Se pueden comparar con b.1se en la re!"ciÓlllllo/"r de la ecuación balanceada, ¿Cómo se
convierten lo, gmmos de C.H 11 0 6 en moles de este compuesto? Una vez que se determinan los
moles de COl mediante la relación 110lar de la ecuación balanceada, ¿cómo se convienen cn
gmmos de CO¡?
CJi1206?
Ejercido de práctica El metanol (CHJOH) se quema en ai re de acuerdo con la ecuación
Si se utiliz.'11l 209 g de metallol en IIn procesu de combustión. ¿cuál será la m~a de H,O pro·
Solución Se siguen los pasos de la figllm 3.!!.
ducida?
Paso 1: Luccuaci,ínbala neeadaseproporcionaenel problema
(colllimia)
Como profesor, siempre aconsejo a mis estudiantes que elaboren un diagrama del funcionamiento interno de un problema,
lo cual es una valiosa herramienta de aprendizaje. En algunos de
los ejemplos resueltos he incluido este tipo de dibujos (por
ejemplo, vea ejemplo 16.10 en la página 724). Esto es lo que un
científico haría al trabajar en un determinado problema.
Ejemplo 16. 10
Exactamente 200 mL de BaCl2 0.0040 M sc mezclan con exacta mente 600 mL de K ZS04
0.0080 M. ¿Se formará un precipitado?
Estrategia ¿En qué condiciones un compuesto iónico se precipita a partir de una disolución?
Los iones en disolución son Bah , CI - , K+ Y SO~ - . De fI(:uerdo con las regla~ de solubilidad
enumeradas en la tabla 4.2 (página 123), el único precipitado que se puede formar es BaS0 4 . A
partir de la infomlación dada, se puede calcular rBa2+1 y [SO¡- ] debido a que se conoce el nú·
mero de moles de los iones en las disoluciones originales y el volumen de la disolución combinada. Después, se calcula el cociente de reacción Q(Q = lBa2+Jo[SO¡-]u) y se compara el
valor de Q con K ¡>< de BaS0 4 para ver si se formará un prec ipitado, es decir, si la disolución es
sobresaluJ"flda. Es de utilidad realizar un diagrama de la situación .
'}.tltlHlL..
MfJWIl18aCCt.
~
C6tl.»J~ "'?
[SO~-Jp:: '!
Soluci6n El número de moles de BaH presentes en los 200 mL originales de disolución es
(colllil1úa)
30. http://carlos2524.jimdo.com/
xxvi
Prefacio
La sección "Problemas
especiales", i lo nuevo en esta edición! , se ha formulado
para presentar un desafío al
alumno. Varios de estos problemas se han incluido al fi- .
nal de cada capítulo.
Problemas especiales
1.94 A un cajero bancario se le pide que anne juegos de un
dólar cada uno en monedas para los clientes. Cada
juego está compuesto de tres monedas de 25 centavos ,
una moneda de ci nco centavos y dos monedas de 10
centavos cada una. Las masas de las monedas son:
5.645 g para la de 25 centavos, 4 .967 g para la de do·
co centavos y 2.316 g para la de 10 centavos . ¿Cuál es
el número máximo de juegos que pueden armarse a
partir de 33.871 kg de monedas de 25 centavos ,
10.432 kg de monedas de cinco centavos y 7.990 kg
de monedas de 10 centavos? ¿Cuál es la masa total (en
gramos) de esta colecc ión de monedas?
1.98 Una química mezcla dos líquidos, A y B, para fonnar
una mezcla homogénea. Las den sidades de los líquidos son 2.05 14 g/mL para A y 2.6678 g/mL para B.
Cuando deja caer un pequeño objeto dentro de la mezcla, descubre que éste queda suspendido en el líquido,
es decir, que ni fl ota ni se hunde. Si la mezcla se compone de 41.37% de A y 58.63 % de B, en volu men,
¿cuál es la densidad del metal? ¿Puede emplearse este
procedimiento, en general , para determ inar las densidades de los sólidos? ¿Qué consideraciones se obtienen al aplicar este método?
1.99 Suponga que se le proporciona un líquido. Describa
brevemente los pasos que reali zaría para demostrar
Pedagogía
Cada capítulo contiene una sección de apeltura titulada "Avance del capítulo" que proporciona a los estudiantes una visión
general de los temas que se presentarán en ese capítulo.
AVANCE DEL CAPÍTULO
•
Se iniciaclcsucaphuloconunape .... pecli'lllúS!6ri.cadel3bU"'uN:Idel"'uni~fund..3men.
taJes de la maleria. La versióll moderna de la lrorea MÓmic:a fue ~ula.da por JoIUIlñlton en
el Si&lOXIX, quien ;a!irm6qIC los elementOS enaban eon~liluidos por p;mICllh.$ e:<I",rn:Kbmen.
le pequeftas. l1arnadall ~Iomos.. TodO'llos ~omos de un elememo delcnt'linado son id~micol. pe.
ro son di fe",ntcsde los:litom05de tOOos l05dem:is el emenloo . (2.1)
•
Se observará que. mediante la e~perimentac ión.los c ientllico! hJn aprendido que un átomo es·
lá constituido por tres partlc ulas elementales; protón. electron yne utTÓn . El protÓII tiene una
carlla ~ti'... elcleclrÓn una""gativ¡¡y c l""ulrónnO lie""Car¡¡¡&.Lo. procOllCsylos""ulrol1CS se locali zan en una pequc/la "'tiónen el « ntrodol :!tomo.denominada noclea. en ",moque
•
Se analizarán las sllluicmes formas de idenli licar ~ el numero:u6mico es el nUmero de
prolOnes en un DUel=. los 'tnmos de diferentes elementos tienen numeros at6micos difeTCntes
Los iSÓlopos WIl : ornO'< del mismo elemento con un nGmero diferente de neutrones. El numch
ro de masa es I:J. suma del mlmer,) de protoncs y ncutrone s e n un áto-mo. Dcbi do a que uo dto .
moes el~ct ri camenteneut ro, ccntjencunmln1<'roi g ualdeelcct ro "" s ydeprotones. ( 2.3)
•
Se obse ....'31á cómo se pueden Igrup3J 10$ elememos de acuerdo con sus propiedades fJ.ieas y
qufmias en UmI. tabla oooocidl como labia periódic:a. La labia periódica permi.. c1:tsirocar los
elememos (axoo melalts. metaloides y no metales) y CQlTeI~ S!U propieobdcs de m;IIICra
siSlCmitica. (2.4)
•
Se ,~n1 que los ¡¡tomos de la maror p"nc de los elC1!lenl05 intmIClPan para rOfma' compucs1M. lo¡ cuajes se clasi fiC3Jl como mol&:ulas OCOfll¡>UCSt05 ióniCO$ formados por Iones posili>'Os
(cationes) e iones negativos (anione.). (2. S)
Im~acolord.laerniaOn
radiaclivaool radio (Ra). Los modeosmuestranelnúcleo oelf8 '
d io y los prod uctos de su
descnmposicOOrlradiactil8; r¡.
dón(Rn) y una parliculaaWa.la
cual toene dos protones y dos
losel«tmnes~ndlspersosalmledotdetlllldco.c;eiUldi.stanc:iadefl.(2.2)
IIII!ronO!s.EI~udiodela'.·
diactrvidad ayudO a me;orar al
conocomien:o da los coentllicos
aCQICadetaestruclUfa alOmlca.
•
Se anaJiur.i un COfIjunl<! de ",gi3s 'IIe ayld:uán 3 di! nom~ a los compuestos inor¡::l.nicos..
( 2.7)
•
Átomos, moléculas
e iones
Despu~s se aprender.! a utiliu r fÓ<mu las qulmic3.'l (moleculall" y empírkas) p;1m "'presenlnr
moIkulas y oom puestos iónicos y mode los pilr:l representar moI~culllS. (2.6)
•
E!.ce o;$pftulo termina 00II
en el o;$phulo24. (2.8)
UIIOI
bre,,,, imrocluc:ción al tc/lU del mundo orgánico 'Iue se rt1om~rá
D~e~':::~::~:m:lde~ ~::~n:=~~~.::,:!:!! ~~~:. !:~:~
piM del ,i lllo XIX . En la aOlualid~d se ~be que toda la matona esm form~da por átomos, molk ulas
e iones. La qulmica siempre se relaci ona, de una u otro forma. con " SIM especies.
La loorlalU6miCl
Laestrucl uradel4tomo
Numero atómie<l. numero de masa e isóto pos
,..
Ul labla periódica
Fómml;uqllfm;o;:a..
Nomenclatura de los compuestos
ImroducciÓll a los compuest05 0rgáni cos
"
"
' ,,-1
31. http://carlos2524.jimdo.com/
Prefacio
Los comentarios al margen proporcionan información adicional sobre datos importantes, o remiten a alguna sección posterior en la cual se detallará con mayor
profundidad determinado concepto o a una sección útil
para repasar el material.
Las imágenes de modelos moleculares abundan en
los márgenes, lo que permite a los estudiantes "ver" la
molécula que se está analizando en el texto.
El icono de tabla periódica en el margen ilustra las
propiedades de los elementos de acuerdo con sus posiciones en la tabla.
1'22
xxvü
Reacdoncs en di sol ución acoosa
nium por completo. es decir, son electróli tos dé bi les. La iOlli zaci6n del ácido a<;tlioo se representa como
donde CHJCOO' es el ion acetato. El tf nnino iOlli:JJción se utiJi u para describir la separ.:!-
ción de k idos y bases en iones.. Al escribir la fórmula del ácido acéti ro como CH,cOOH.
se indi ca que e l protón ionizable está e ll el grupo COOH.
La ionización del ácido acético se escribe con doble flecha ¡»m ind icar que la refJcci6n
es rCI'crsible, es deci r. la rtucci6n puede $Iu::eder en ambos l'l mtido:f. Inicialmellle, varias
CH,COOH
moléculas de CH¡COOH se separan en iones C H)COO' y H+, Con el ti e mpo. ulgun os ione s CHJCOO' y H ~ vuelven a combin3rse pora forma r moléclllns de C H1COOH. finalm en te, se llega a un es t~do en e l qu e las mol~cu l as de ácido se ioni ziln con la misma rnp id cz
con laqu e vue lve n n combina rse los iones. A es te estado químico, cnc l quc no se obseTVa
ca mbio ne to alguno (aunque a nivel molecu la r continúa la actividad) se le ll ama equilibrio
qu(mico. El ácido acético es, entonce,o¡, un e lectról ito débil porque su ion ización en agua es
incompleta. En cont rnste, en una disoluc ió n de ácido clorhídrico los iones H ' Y CI- no tienden a 'olver a combinarse para formar HCI molecular. Por lo tanto, se util iza una sola n echa para indicar q ue su ionización es completa.
4.2 R eacciones de precipitación
La reacci6n de precipitaci6n es un tipo común de reacción en disolución acuosa que u cu·
mcteri<fl por luforl/loci6n de urr prool/cto insoluble o precipitado. Un pruipitada es un s6·
lido irlSolub/e que se separu de lu düo{uci611. En las reacciones de precipitación por lo
lA
H 2A
8A
genera l partidpM compuestos iónicos. Por ejemplo, cuando se agrega una disolución acuo·
sa de nitrato de plomo [Pb(NO J )2[ a una disol ución acuosa de yoduro de potas io (KI), se
fonna un prec ip itado nmarillo de yodllro de pl omo (Pbl l ):
3A4ASA6A 7A
N
o
F
el
S ementos que existen como moléculas
diatómicas.
Al final del capítulo se proporcionan instrumentos
de apoyo para el estudio adicional, como el Resumen de
datos y conceptos y también las Palabras clave, los cuales proporcionan al estudiante una visión instantánea del
capítulo que se está revisando.
El nitmlo de pobsio queda en disolución. L.. fi gura 4.3 muest ra cI progreso de esta r~c
ción.
La reacción nnterior es un ejemplo de una reacci6n de metótesis (ta mbi f n se denomi na reacción de doble desplazamien to), (JI/a "occi6" qlfe implica ti imen:wnbio de partes
em" dos compuestos. (En este caso, los cationes en los dos oompuestos intercambi an a.nio-
32. http://carlos2524.jimdo.com/
XXV IlJ
Prefacio
MATERIALES DE APOYO
Esta obra cuenta con interesantes complementos que fo rtalecen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la evaluación de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que
adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más informaci ón y conocer la po lítica de entrega de estos materiales,
contacte a su representante McGraw-Hill.
Reconocimientos
Me gustaría reconocer el trabajo de los siguientes revisores y
grupo de participantes, cuyos comentarios fueron de gran
ayuda para InÍ en la preparación de esta nueva edición:
Rex D. Ackerson Northern Oklahoma College
Jeff Anderson Murray State University
Jeff Appling Clemson University
Elizabeth Arendt Community College of Rhode [sland
Alexandru Bajaban Texas A & M University-Galveston
David Ball Cleveland S/ate University
Mufeed Basti North Carolina A & T Sta/e University
Alan Bates University of MassachusettsDartmouth College
Colin Bateman Brevard Community CoLlege
Sr. Joanne Bauer Xavier University
Paul Benoit University of Arkansas
Laine Berghout Weber State University
Conrad Bergo East Stroudsburg University
Richard Biagioni Missouri State University
Christine Bilicki Pasadena City College
Dan Black Snow College
John Blaha Columbia State Community College
Jeffrey O. Boles Tennessee Technological University
Wayne Bosma Bradley University
David Boyajain Palomar College
Robert G. Bryant University o.fVirginia
Brian Buffin Western Michigan University
Stuart Burris Western Kentucky University
Bindy Chakravarty l-Jouston Community College
David Chatfi eld Florida International University
Joann Chickering Bellevue Community College
Paul Ch irik Cornell University
Bill Cleaver University of Vermont
W. Lin Coker III Campbell University
Robert Cordell Heidelberg College
Ray Crawford San Jacinto College, Soulh
Gary DeBoer LeTorneau University
Pat Delaney Worcester Polytechnic lnstitute
Yuanjian Deng Texas Southern University
Mary Kate Donais Saint Anselm College
Bill Durham University of Arkansas
Jeffrey Evans University of Southem Mississippi
Dr. Ewane Houston Community College
"red Fickel Los Angeles Valley College
Neil Fitzgerald Marist College
Doug F lournoy lndian HilLs Community College
Krishna Foster California Slate University-Los Ángeles
Kristeen Fukunaga Palomar College
Daquing Gao Queensborough Com.munity College
Roy Garvey North Dakota State University
Natarajan Geetha Palomar College
Alicia Glatfelter Wilkes University
Joel Goldberg University of Vermont
Haro ld Goldwhite Cal!fornia State University-Los Ángeles
Lisa Goss ldaho State University
Gary Gray University o.f Alabama-Birnúngharn
Gregory R. Hale University o.f Texas at Arlington
Dale Hawley Kansas State University
Sherman Henzel Monroe Communiry College
arayan Hosmane Northern Illinois Un iversity
Larry Houk University of Memphis
Byron Howell 7:yler Junior College
Wendy Innis-WhitehoLl se Universiry
of Texas-Pan American
Richard Jarman College of DuPage
Eric Johnson Ball Sta te University
Stacy Jones Northwest Mississippi Community College
Carolyn Judd Houston Community College
Don Jurkowitz Community College of Rhode [sland
Kirk Kawagoe Fresno City College
Robert Keil Moorpark College
Neil Kestner Louisiana Stare Universiry
Tracy Knowles Lexington Community College
Patrick Ko lniak Louisiana State University
Gerald Korenowski Rensselaer Polytechnic Institute
Peter Krieger Palm Beach Community College
Bette A. Kreuz University of Miclúgan-Dearborn
Lennart H. Kullberg Winthrop Uni versily
Jothi V. Kumar North Carolina A & T State University
Brian Lamp Truman State University
John Larese University ofTennessee-Kn.oxville
33. http://carlos2524.jimdo.com/
Prefacio
Laurence Lavelle University of California-Los Ángeles
Daniel Lawson University of Michigan-Dearborn
Clifford LeMaster Boise State University
Michael Lerner Oregon State
Shannon Lieb Butler University
Gerhard Lind Metro State College of Denver
Arthur Low Tarleton University
Rudy Luck Michigan Technological University
Yinfa Ma University of Missouri-Rolla
Mark Matthews Jefferson Community College
Richard Nafshun Oregon State University
Brian McBurnett California State University-Chico
Debbie McClinton Brevard Community College
Donald Mencer Wilkes University
Dave Metcalf University ofVirginia
Joyce Miller San Jacinto College
Randy Miller California State University-Chico
Renee R. Muro Oakland Community College
Chip Nataro LaFayette College
David Newman Bowling Creen State University
Anne Nickel Milwaukee School of Engineering
Daphne Norton Emory University
Greg Oswald North Dakota State University
Tom Otieno Eastern Kentucky University
Jason Overby College ofCharleston
Gholam Pahlavan Houston Community College
Ruben Dario Parra DePaul University
Manoj Patil Western Iowa Technical Community College
Les Pesterfield Western Kentucky University
Karl Peterson University ofWisconsin-River Falls
Gary Pfeiffer Ohio University-Athens
Joanna Piotrwoska Normandale Community College
Henry Po California State University-Long Beach
Steve Pruett Jefferson Community College
Judy Ratliff Murray State University
Carey S. Reed Penn State-Altoona
JelTy Reed-Mundell Cleveland State University
Michelle Richards-Babb West Virginia University
B. Ken Robertson University of Missouri-Rolla
Rhonda Robertson Jones Junior College
Ellen Roskes Villa Julie College
Tim Royappa University ofWest Florida
James Rozell Tyler Junior College
Susan Rutkowsky Drexel University
Arthur Salido Mercer University
xxix
Karen Sanchez Florida Community College at Jacksonville
Dennis Sardella Boston College
Paul Schumacher United Sta tes Military Academy
Nelson Scott California State Polytechnic University
Will Seltzer University of Alabama-Huntsville
Supriya Sihi Houston Community College
Alka Shukla Houston Community College
Shyam Shukla Lamar University
Andy Slagle Rose State College
Sheila Smith University of Michigan-Dearborn
Kathie Snyder Winthrop University
LalTy O. Spreer University ofthe Pacific
Alan Stolzenberg West Virginia University
Kathy Thrush Villanova University
Wayne Tikkanen California State UniversityLos Ángeles
Richard Toomey Northwest Missouri State University
Frank TOlTe Springfield College
Anthony Toste Missouri State University
Kris Varazo Francis Marion University
Maria Villarba Glendale Community College
Dragic Vukomanovic University of MassachusettsDartmouth
Rosie Walker Metropolitan State College of Denver
Sheryl Wallace South Plains College
Jeffrey Wardeska East Tennessee State University
Phil Watson Oregon State University
David Weiss University of Colorado at Colorado Springs
Tracy Willis Texas Southern University
Klaus Woelk University of Missouri-Rolla
Frank Woodruff University of Southern Mississippi
John Young Mississippi Sta te University
James Zirnmerman Missouri Sta te University
También quisiera agradecer a las siguientes personas por
su contribución en los problemas al final de cada capítulo:
Nancy Gardner California State University-Long Beach
John Hagen California Polytechnic State University-San
Luis Obispo
Michael Jones Texas Tech University
Jason Overby College ofCharleston
Philip Reid University ofWashington
Como siempre, me he beneficiado de las pláticas con
mis colegas en Williams College y de la cOlTespondencia con
muchos profesores internos y externos.
34. http://carlos2524.jimdo.com/
xxx
Prefacio
Es un placer agradecer el apoyo que me han brindado
los siguientes miembros de la división de estudios universitarios: Tammy Ben, Doug Dinardo, Chad Grall, Tracy Konrardy, Kara Kudronowicz, Marty Lange, Michael Lange y
Kurt Strand. En particular, me gustaría mencionar a Gloria
Schiesl por supervisar la producción en condiciones de tiempo muy limitadas, a David Hash por el diseño del libro, a
John Leland por la investigación fotográfica, a Jake Theobald y Judi David por los recursos multimedia y a Tami Hod-
ge, directora de marketing, por sus sugerencias y estímulo.
También agradezco al editor de patrocinio, Thomas Timp, y
al editor, Kent Peterson, por su apoyo y consejos. Por último,
mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasm~ en el proyecto,
y por su supervisión en cada etapa de la elaboración de esta
edición.
Agradecemos la valiosa contribución de los siguientes profesores
que participaron en la asesoría técnica de la versión en español de
la novena edición:
Randall Coffie Goedhoop ITESM, campus Guadalajara
Susana Francisca Llesuy Universidad de Buenos Aires
María del Carmen Grande Universidad de Buenos Aires
Javier Ramírez Angulo ITESM, campus Estado de México
Silvia Ponce López ITESM, campus Monterrey
Nancy Martin Guaregua Universidad Autónoma MetropolitanaIztapalapa
Verónica Martínez Miranda Universidad Autónoma del Estado de
México campus Toluca
Jorge Noriega Gaxiola Instituto Tecnológico de Culiacán
Teresa Ávalos Munguía CUCEI, Universidad de Guadalajara e
ITESM, campus Guadalajara
Ma. del Carmen Doria Serrano Universidad Iberoamericana, Ciudad de México
Raymond Chang
Eduardo Zárate Márquez ITESM, campus Sinaloa
Irma Salgado Escobar ITESM, campus Ciudad de México
Ana María Mutio ITESM, Campus Toluca
PaoJa Zarate Segura ESIME, Instituto Politécnico Nacional-Culhuacán
Daisy Escobar Castillejos Universidad Autónoma de Chiapas
Geolar Fetter Universidad de las Américas Puebla y Benemérita
Universidad Autónoma de Puebla
Araceli Florido Segoviano ITESM, campus Querétaro
Carmen Ma. Bojórquez Aldapa Instituto Tecnológico de Culiacán
35. http://carlos2524.jimdo.com/
a química general se percibe, comúnmente, como una
materia más difíc.il que otras. Existe cierta justificación para tal creencia. Por una parte, tiene un lenguaje muy especializado. Al prinCIpIO, estudiar qUllllica es
como aprender un nuevo idioma. Más adelante, algunos de
los conceptos son abstractos. Sin embargo, con cierto
esmero, el estudiante completará con éxito este curso e incluso lo disfrutará. He aquí sugerencias que le ayudarán a formar buenos hábitos de estudio y a dominar el material de este
texto:
L
• Asista a clases regularmente y tome notas con cuidado.
• Si es posible, repase siempre los temas analizados en
clase el mismo día que se cubrieron. El libro le ayudará
a completar sus apuntes.
• Piense de manera crítica. Pregúntese si en verdad comprendió el significado de un término o el, uso de una
ecuación. Una buena manera de comprobar su comprensión es explicar un concepto a un compañero de clase o
a otra persona.
• No dude en pedir ayuda al profesor o a su asistente.
Las henamientas de la novena edición de Química fueron diseñadas para capacitarlo en el buen desempeño dentro de su
curso de química general. La siguiente guía explica cómo
obtener plena ventaja del texto, la tecnología y otras herramientas.
• Antes de entrar de lleno a un capítulo, revise la organización del mismo y lea la introducción para darse una
idea de los temas importantes. Tome apuntes en clase
con base en la organización del capítulo.
• Al final de cada capítulo aparece un resumen de datos y
conceptos, así como una lista de palabras clave, que le
ayudarán a prepararse para los exámenes.
• Las definiciones de las palabras clave pueden estudiarse
en contexto en las páginas señaladas en la lista al final
del capítulo, o bien, en el glosario del libro.
• El estudio cuidadoso de los ejemplos numerados, que se
intercalan en el cuerpo de cada capítulo, mejorará su habilidad para analizar los problemas y efectuar los cálculos necesarios para resolverlos. Tómese su tiempo para
trabajar en el ejercicio que sigue a cada ejemplo, pues le
servirá para asegurarse de haber comprendido la forma
de resolver el tipo de problema en turno. Las respuestas
a los ejercicios aparecen al final del capítulo, después de
los problemas de tarea. Para una práctica adicional, remítase a los problemas similares indicados en el margen
junto al ejemplo.
• Las preguntas y los problemas al final de capítulo fueron organizados por sección.
• La parte interior de la cubierta muestra una lista de
cifras importantes y de tablas con referencias a las páginas. Este índice facilita buscar con rapidez la información cuando usted se encuentra resolviendo problemas
o estudiando problemas relacionados en diferentes capítulos.
Si sigue estas sugerencias, y se mantiene al día con sus
tareas, encontrará que la química es desafiante, pero menos
difícil y mucho más interesante de lo que imaginó.
Raymond Chang
xxxi
38. http://carlos2524.jimdo.com/
Un globo lleno de hidrógeno explota al calentarlo con una flama.
El hidrógeno gaseoso reacciona
con el oxígeno que está en el aire para formar vapor de agua. La
química es el estudio de las propiedades de la materia y de los
cambios que ésta experimenta.
Los modelos presentan las moléculas de hidrógeno, oxígeno y
agua.
Química
El estudio del cambio
1.1
Química: una ciencia para el siglo
1.2
El estudio de la química
1.3
. El método científico
1.4
Clasificación de la materia
1.5
Los tres estados de la materia
XXI
1.6
Propiedades físicas y químicas de la materia
1.7
Mediciones
1-8
El manejo de los números
1.9
Análisis dimensional en la resolución de problemas
39. http://carlos2524.jimdo.com/
AVANCE DEL CAPÍTULO
•
Este capítulo da inicio con una breve introducción al estudio de la química y su función dentro
de la sociedad moderna. (1.1 y 1.2)
•
A continuación se conocerán las bases del método científico, el cual es una metodología sistemática para la investigación en todas las disciplinas. (1.3)
•
Se definirá el concepto de materia y se observará que una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Se distinguirá entre una mezcla homogénea y una heterogénea. Se aprenderá que, en principio, toda la materia puede existir en cualquiera de tres estados: sólido, líquido
o gaseoso. (1 04 Y 1.5)
•
Para caracterizar una sustancia es necesario conocer sus propiedades físicas, las cuales son observables sin que sus propiedades químicas e identidad sufran cambio alguno, lo que sólo puede demostrarse mediante cambios químicos. (1.6)
•
Debido a que la química es una ciencia experimental, implica el uso de las mediciones. Se conocerán las unidades básicas del SI (Sistema Internacional de medidas) y se emplearán sus unidades derivadas en cantidades como el volumen y la densidad. También se estudiarán las tres
escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. (1.7)
•
Con frecuencia, los cálculos químicos implican el uso de cantidades muy pequeñas o muy grandes, y una manera conveniente para tratar con algunas de estas cifras es la notación científica.
En los cálculos o mediciones cada cantidad debe presentar el número adecuado de cifras significativas, las que corresponden a dígitos importantes. (1.8)
•
Por último, se entenderá la utilidad del análisis dimensional para los cálculos químicos. Alllevar cada unidad a lo largo de la secuencia completa de cálculos, todas las unidades se cancelan,
a excepción de la cantidad buscada. (1.9)
a química es una ciencia activa y en evolución que tiene importancia vital en nuestro planeta,
tanto en la naturaleza como en la sociedad. Aunque sus raíces son antiguas, la química es en todos sentidos una ciencia moderna, como se verá poco más adelante.
Se iniciará el estudio de la química en el nivel macroscópico, en el que es posible observar y
medir los materiales que forman nuestro mundo. En este capítulo se analizará el método científico,
que es la base para la investigación no sólo en química, sino también en las demás ciencias. Luego,
se descubrirá la forma en que los científicos definen y caracterizan a la materia. Posteriormente, se
conocerán los sistemas de medición usados en el laboratorio. Por último, se dedicará un poco de
tiempo al aprendi zaje del manejo de los resultados numéricos de las mediciones químicas y a la resolución de problemas numéricos. En el capítulo 2 dará inicio la exploración del mundo microscópico de átomos y moléculas.
L
3
40. http://carlos2524.jimdo.com/
4
Química: El estudio del cambio
1.1 Química: una ciencia para el siglo
El ideograma chino para el término química significa "el estudio del cambio".
XXI
La química es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que
se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos básicos de química son
indispensables para los estudiantes de biología, física, geología, ecología .y muchas otras
disciplinas. De hecho, la química es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella,
nuestra vida sería más breve en lo que llamaríamos condiciones primitivas, sin automóviles, electricidad, computadoras, discos compactos ni muchas otras comodidades modernas.
Aunque la química es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al
siglo XIX, cuando los adelantos intelectuales y tecnológicos permitieron que los científicos
separaran sustancias en sus componentes y, por lo tanto, explicaran muchas de sus características físicas y químicas. El desarrollo acelerado de tecnología cada vez más refinada
durante el siglo xx nos ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es inapreciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios especiales, por citar
un ejemplo, permite que los químicos analicen la estructura de los átomos y las moléculas
-las unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la química- y diseñen nuevas sustancias con propiedades específicas, como fármacos y productos de consumo no
contaminantes.
En este principio del siglo XXI conviene preguntarse qué función tendrá la ciencia central en esta centuria. Es casi indudable que la química mantendrá una función fundamental
en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformación, consideremos algunas fronteras que los químicos exploran actualmente (figura l.1). Sin importar las razones por las que el estudiante tome un curso de
introducción a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitirá apreciar
sus efectos en la sociedad y en su propia persona.
Salud y medicina
Tres logros importantes en el siglo xx han permitido la prevención y tratamiento de enfermedades. Se trata de medidas de salud pública que establecieron sistemas sanitarios para
proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la cirugía con anestesia,
que ha posibilitado a los médicos para curar enfermedades posiblemente mortales, como la
apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibióticos, que hicieron factible la prevención
de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia génica al parecer será la cuarta revolución en la medicina. (Los genes son la unidad básica de la herencia.) Se cuentan
por miles las enfermedades conocidas, entre ellas la fibrosis quística y la hemofilia, ocasionadas por un daño heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cáncer, enfermedades cardiacas, SIDA y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o
más genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia génica se
inserta un gen sano específico en las células del paciente para curar o aminonu: esos trastornos. A fin de ejecutar esos procedimientos, el médico debe tener conocimientos sólidos
de las propiedades químicas de los componentes mOleculare,s implicados. La descodificació n del genoma humano, que comprende todo el material genético de nuestro organismo y
desempeña una función esencial en la terapia génica, se basa principalmente en técnicas
químicas.
Los químicos de la industria farmacéutica investigan fármacos potentes con pocos o nulos efectos adversos para el tratamiento del cáncer, SIDA y muchas otras enfermedades, además de fármacos para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una escala
más amplia, mejorar nuestra comprensión sobre el mecanismo del envejecimiento permitirá
lograr esperanza de vida más prolongada y saludable para los habitantes del planeta.
Energía y ambiente
La energía es un producto secundario de muchos procesos químicos, y al continuar el aumento en su demanda, tanto en países industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en
41. http://carlos2524.jimdo.com/
1.1 Química: una ciencia para el siglo
a)
b)
e)
Figura 1.1 a) Resultado de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada línea
muestra una secuenc ia (indicada por colores distintos) obtenida de muestras distintas de ADN .
b) Celdas fotovoltaicas. c) Oblea de silic io en fabricac ión. d) La hoja de la izquierda se tomó de
una planta de tabaco no sometida'a ingeniería genéti ca y expuesta a la acción del gusano del
tabaco. La hoja de la derecha sí fue someti da a ingeniería genéti ca y apenas la atacaron los
gusanos. Es facti bl e aplicar la misma técnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas.
naciones en vías de desarrollo, como China, los químicos intentan activamente encontrar
nuevas fuentes de energía. En la actualidad, las principales fuentes de energía son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarán otros 50 a 100 años con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente
encontrar fuentes alternas.
La energía solar al parecer es una fuente viable de energía para el futuro . Cada año, la
superficie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energía contenida en todas las reservas conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energía se "desperdicia" al reflejarse hacia el espacio exterior. En
los últimos 30 años , las intensas actividades de investigación han mostrado que la energía
solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversión directa en electricidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra
consiste en usar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. Luego, el hidrógeno
alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado adelantos en los conocimientos del proceso científico de conversión de la energía solar en electricidad, la tecnología todavía no ha mejorado al punto de que sea factible producir
electricidad en gran escala y con costo económicamente aceptable. Sin embargo, se ha predicho que para el año 2050 la energía solar satisfará más de 50% de las necesidades energéticas.
XXI
5
42. http://carlos2524.jimdo.com/
6
Química: El estudio del cambio
Otra posible fuente de energía es la fisión nuclear, si bien el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos y otros países es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre los desechos radiactivos de los procesos de fisión. Los químicos pueden ayudar en
el mejoramiento del destino final de los desechos nucleares. La fusión nuclear, el proceso
que ocurre en el sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energía.sin producir muchos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusión
nuclear se convierta en una fuente significativa de energía.
La producción y utilización de la energía se relacionan estrechamente con la calidad del
ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fósiles es que se produce dióxido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el calentamiento de la atmósfera terrestre), además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno,
que producen la lluvia ácida y el esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no tiene esos
efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automóviles eficientes en el consumo de combustibles y de convertidores catalíticos más efectivos debe pennitir una reducción considerable
de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmósfera en las
áreas con tránsito vehicular intenso. Además, debe aumentar el uso de automóviles eléctricos
equipados con baterías duraderas y de automóviles híbridos, alimentados por baterías y gasolina, lo que ayudará a minimizar la contaminación atmosférica.
Materiales y tecnología
La investigación y el desarrollo de la química en el siglo xx han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a mejorar la
tecnología de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son lbs polímeros (incluidos el caucho y el nailon) , la cerámica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales líquidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (como los usados en notas
adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de látex).
¿Qué nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que
no son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energía eléctrica se pierde
en forma de calor entre la planta generadora de electricidad y los hogares u oficinas, lo que
constituye un desperdicio enorme. Los superconductores son materiales desprovistos de resistencia eléctrica, y por lo tanto conducen la electricidad sin pérdida de energía. Aunque el
fenómeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (más de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelación del agua) se ha conocido durante más de 80 años,
un adelanto importante a mediados del decenio de 1980 reveló que es posible fabricar materiales que actúen como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de ella. Los
químicos han ayudado en el diseño y síntesis de nuevos materiales promisorios en dicha
búsqueda. En los 30 años siguientes, veremos la aplicación en gran escala de superconductores a altas temperaturas en la resonancia magnética de imágenes (RMI) , trenes de levitación magnética y fusión nuclear.
Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnológico que ha conformado nuestras vidas más que ningún otro, habría que señalar a las computadoras. El "motor" que impulsa la
revolución de las computadoras es el microprocesador -el diminuto chip de silicio que ha
servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras portátiles y apamtos
de fax-. La eficiencia de los microprocesadores se juzga según la velocidad con la que realizan operaciones matemáticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal que desde su advenimiento se ha duplicado la velocidad de los microprocesadores cada 18 meses. La
calidad de un microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad
para agregar la cantidad necesaria de otras sustancias, situación en que los químicos desempeñan una función importante en la investigación y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los científicos empezarán a explorar las perspectivas de la "computación molecular",
es decir, la sustitución del silicio con moléculas. Las ventajas radican en que puede lograrse que ciertas moléculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendrían
43. http://carlos2524.jimdo.com/
1.2 El estudio de la química
computadoras ópticas, no electrónicas. Con base en la ingeniería genética apropiada, los
científicos pueden sintetizar esas moléculas con microorganismos, que sustituirían a grandes fábricas. Las computadoras ópticas también tendrían una capacidad mucho mayor de
almacenamiento que las electrónicas.
Alimentos y agricultura
¿Cómo alimentar a la creciente población mundial? En países pobres, casi 80% de la fuerza laboral se dedica a la producción agrícola y la mitad del presupuesto familiar promedio
se gasta en alimentos. Ello constituye una carga enorme para los recursos de esas naciones.
Los factores que afecta~l a la producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y enfermedades que dañan a los cultivos, y otras plantas que compiten por los nutrientes. Además de la irrigación, los agricultores recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la
productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el tratamiento de los cultivos infestados por plagas ha consistido a veces en la aplicación indiscriminada de compuestos
químicos potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos nocivos graves en
el ambiente. Inclusive el uso excesivo de fertilizantes es dañino para el suelo, el agua y la
atmósfera.
A fin de satisfacer la demanda de alimentos en el siglo XXI, deben idearse estrategias
novedosas para la actividad agrícola. Se ha demostrado ya que con la biotecnología es posible obtener cultivos más abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas se han aplicado a
muchos productos agrícolas , no sólo para mejorar su producción, sino también para obtener más cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una proteína tóxica para las orugas que comen hojas. La inclusión del gen que codifica la toxina en las
plantas cultivadas les brinda protección contra ellas, de modo que no se requieran los pesticidas. Los investigadores también han encontrado la forma de prevenir la reproducción de
las plagas de insectos. Los insectos se comunican entre sí al emitir moléculas especiales,
llamadas feromonas, ante las cuales reaccionan. La identificación y la síntesis de feromonas
implicadas en el apareamiento permite interferir en el ciclo reproductivo normal de plagas comunes, por ejemplo, al inducir el apareamiento reproductivo prematuro de los insectos o engañar a las hembras para que se acoplen con machos estériles. Por añadidura, los
químicos pueden idear formas de aumentar la producción de fertilizantes menos dañinos
para el ambiente y sustancias que eliminen selectivamente a las hierbas nocivas.
1.2 El estudio de la química
En comparación con otras disciplinas, es habitual la idea de que la química es más difícil,
al menos en el nivel básico. Dicha percepción se justifica hasta cierto punto; por ejemplo,
es una disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo, inclusive si éste es
el primer curso de química que toma el estudiante, ya está familiarizado con el tema mucho
más de lo que supone. En las conversaciones cotidianas, se escuchan palabras relacionadas
con la química, si bien no necesariamente usadas en el sentido científicamente correcto. Son
ejemplo de ello términos como "electrónica", "salto cuántico", "equilibrio", "catalizador",
"reacción en cadena" y "masa crítica". Además, si el lector cocina, ¡entonces es un químico en ejercicio! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el aceite y el agua no se
mezclan y que si deja hervir el agua en la estufa llega un momento en que se evapora por
completo. También aplica los principios de la química y la física cuando usa el bicaóonato de sodio en la elaboración de pan; una olla a presión para abreviar el tiempo de preparación de guisos, y añade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limón sobre
rebanadas de pera para evitar que se tornen parduscas o sobre el pescado para minimizar su
olor, o añade vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los días observamos esos cambios sin pensar en su naturaleza química. El propósito de este curso es hacer que el estu-
7
44. http://carlos2524.jimdo.com/
8
Química: El estudio del cambio
Figura 1.2 Vista mo lecular simp lificada de la formación de la herru mbre (Fe 20 3 ) a parti r de átomos de hierro (Fe) y moléculas de oxígeno (0 2 ), En realidad, el proceso requ iere agua y la herrumbre también contiene moléculas de agua.
diante piense como químico, que vea el mundo macroscópico -lo que podemos ver y tocar directamente- y visualice las partículas y fenómenos del mundo microscópico que no
podemos experimentar sin la tecnología moderna y nuestra imaginación.
Al principio es factib le que al estudiante le resulte confuso que su profesor de química
y este libro alternen continuamente entre los mundos microscópico y macroscópico. Simplemente debe tener en mente que los datos de las investigaciones químicas suelen provenir de observaciones de fenómenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en
el mundo microscópico invisible e imaginario de átomos y moléculas. En otras palabras, los
químicos frecuentemente ven algo (en el mundo macroscópico) y piensan en algo más (en
el mundo microscópico). Por ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un
químico pensaría en las propiedades básicas de los átomos individuales de hierro y la forma en que interaccionan dichas unidades con otros átomos y moléculas para producir el
cambio observado.
1.3 El método científico
Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de lo que se denomina método científico, que es un enfoque sistemático para la investigación. Por ejemplo, un psicólogo que pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender
química y un químico interesado en medir el calor liberado por la combustión del hidrógeno gaseoso en presencia de aire utilizarían aproximadamente el mismo procedimiento en
sus investigaciones. El primer paso consiste en definir minuciosamente el problema. El siguiente es realizar experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la información, o datos, concernientes al sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En
los ejemplos recién mencionados, los sistemas son el grupo de personas que estudia el psicólogo y una mezcla de hidrógeno y aire, respectivamente.)
Los datos obtenidos en una investigación pueden ser cualitativos, o sea, consistentes
en observaciones generales acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los nú-
45. http://carlos2524.jimdo.com/
1.3 El método científico
11
Observación
I:-------.¡;I
Representación
l:-------.¡-I
t
meros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los químicos usan símbolos y ecuaciones estandarizados en el registro de sus mediciones y observaciones. Esta forma de representación-no sólo simplifica el proceso de registro, sino que también constituye
una base común para la comunicación con otros químicos.
Una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el paso siguiente del método científico es la interpretación, en la que el científico intenta explicar el fenómeno observado. Con base en los datos recopilados, el investigador formula una hipótesis, .9ue es
...!!:!!:.a explicación te!!:.ta ~iva de un conjunto de observaciones .r L~ego, se diseñan experimentos adicionales para verificar la validez de la hipótesis en tantas formas como sea posible y
el proceso se inicia de nuevo. En "la figura 1.3 se resumen los pasos principales del proceso
de investigación.
Después de recopilar un gran volumen de datos, es frecuente que sea aconsejable resumir la información de manera concisa, como una ley. En la ciencia, una leyes un enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre f enómenos que es siempre la
misma bajo las mismas condicio'!!!.§J Por ejemplo, la segunda ley del movimiento de Sir
Isaac Newton , que el lector tal vez recuerde de sus cursos de física, afirma que la fuerza es
igual a la masa por la aceleración (F = ma). El significado de esta leyes que el aumento
en la masa o en la aceleración de un objeto siempre incrementa proporcionalmente su fuerza, en tanto que una disminución en la masa o en la aceleración invariablemente reduce su
fuerza.
Las hipótesis que resisten muchas pruebas experimentales de su validez pueden convertirse en teorías. Una teoría es un principio unificador que explica un conjunto de hechos
o las leyes basadas' en esos hechos. Las teorías también son so metid;:;s a valoración constanú~ . Si una teoría es refutada en un experimento, se debe desechar o modificar para hacerla compatible con las observaciones experimentales. Aprobar o descartar una teoría puede
tardarse años o inclusive siglos, en parte por la carencia de la tecnología necesaria. La teoría atómica, que es tema del capítulo 2, es un ejemplo al respecto. Se precisaron más de
2 000 años para confirmar este principio fundamental de la química que propuso Demócrito, un filósofo de la antigua Grecia. Un ejemplo más contemporáneo es la teoría del Big
Bang sobre el origen del universo, que se comenta en la página 10.
Los adelantos científicos pocas veces, si acaso, se logran de manera rígida, paso a paso. En ocasiones, una ley precede a la teoría correspondiente, o viceversa. Es posible que
dos científicos empiecen a trabajar en un proyecto exactamente con el mismo objetivo y terminen con enfoques del todo distintos. Después de todo, los científicos son seres humanos
y su forma de pensar y trabajar está sujeta a influencia considerable de sus antecedentes,
capacitación y personalidad.
El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y a veces ilógico. Los grandes descubrimientos son resultado de las contribuciones y experiencias acumuladas de muchos investigadores., pese a que el crédito por la formulación de una teoría o ley por lo regular se otorga
a una sola persona. Por supuesto, la suerte es un factor en los descubrimientos científicos,
si bien se ha afirmado que "las oportunidades favorecen a las mentes preparadas". Se requiere atención y capacidad para reconocer la importancia de un descubrimiento accidental
y sacar máximo provecho de él. Es muy frecuente que el público general se entere sólo de
los adelantos científicos espectaculares. Sin embargo, por cada una de esas historias muy
conocidas existen cientos de casos de científicos que han dedicado años a trabajar en pro-
o.
9
Figura 1.3 Los tres niveles del
estudio de la química y su relaCión. La ob servación corresponde a fenómenos en el mundo
macroscópico; los átomos y moléculas conforman el mundo microscópicoo La rep resentación es
una escritura científica abreviada
que describe un experi mento
con símbolos y ecuaciones químicas. Los químicos usan su conocimiento de los átomos y
moléculas para explicar un fenómeno observado.
46. http://carlos2524.jimdo.com/
L A
Q
.
u í
/
M I
e
A
· n aCClon
e
El helio primordial y la teoría del Big Bang
lIi De dónde venimos? ¿Cómo se originó el universo? Los seres
{;, humanos nos hemos hecho estas preguntas desde que tenemos
capacidad de raciocinio. La búsqueda de respuestas constituye un
ejemplo del método científico.
En el decenio de 1940, el físico ruso-estadounidense George
Gamow planteó la hipótesis de que el universo se inició miles de
millones de años atrás con una explosión gigantesca, el Big Bang.
En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen
diminuto y su temperatura era más alta de lo irrw.ginable. Esta brillante bola de fuego de radiación mezclada con partículas microscópicas de materia se enfrió gradualmente, hasta que se formaron
los átomos. Por la influencia de la fuerza de gravedad, estos átomos se agruparon para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Vía Láctea.
El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se
ha puesto a prueba experimentalmente de diversas maneras. Por
principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo
está en expansión, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras
a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento
explosivo del universo. Al imaginar tal expansión en retroceso,
como cuando se rebobina una película, los astrónomos han deducido que el universo se inició hace unos 13 000 millones de años.
La segunda observación que sustenta la hipótesis de Gamow es la
detección de radiación cósmica de fondo. A lo largo de miles de
millones de años, ¡el universo inimaginablemente caliente se ha
enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, -270°C)! A esta
temperatura, gran parte de la energía corresponde a la región de
microondas. Puesto que el Big Bang habría ocurrido simultáneamente en todo el diminuto volumen del universo en formación, la
radiación que generó debe haber llenado todo el universo. Así
pues, la radiación debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las señales de microondas que registran los
astrónomos son independientes de la dirección.
El tercer dato que sustenta la hipótesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordiaL Los científicos piensan que el
helio y el hidrógeno (los elementos más ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolución cósmica. (Se cree que otros elementos más pesados, como el carbono,
nitrógeno y oxígeno, se formaron más adelante por reacciones
nucleares en las que participaron el hidrógeno y el helio, en el
centro de las estrellas.) De ser así, un gas difuso formado por hidrógeno y helio se habría diseminado por todo el universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los
Foto a color de alguna galaxia distante, incluyendo la posición
de un quasar.
astrónomos que analizaron la luz ultravioleta proveniente de un
lejano quasar (poderosa fuente de luz y de señales de radio que
se considera como una galaxia en explosión en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los
átomos de helio en su trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en
cuestión dista de nuestro planeta más de 10 000 millones de años
luz (un año luz es la distancia que recorre la luz en un año), la luz
que llega a la Tierra corresponde a fenómenos que ocurrieron hace más de 10 000 millones de años. ¿Por qué el hidrógeno no fue
el elemento más abundante que se detectó? El átomo de hidrógeno tiene un solo electrón, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionización. Los átomos de hidrógeno
ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por
otra parte, el átomo de helio tiene dos electrones. La radiación
puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los átomos de helio ionizados todavía absorben luz y, por lo
tanto, son detectables.
Los defensores de la explicación de Gamow se regocijaron
ante la detección de helio en los confines distantes del universo.
En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los científicos ahora se refieren a la hipótesis de Gamow como teoría del Big
Bang.
yectos que finalmente terminaron siendo infructuosos, y en los que se logran resultados positivos sólo después de muchos errores y a un ritmo tan lento que pasan inadvertidos. Sín
embargo, inclusive esas investigaciones infructuosas contribuyen de alguna manera al avance continuo del conocimiento del universo físico. Es el amor por la investigación lo que
mantiene en el laboratorio a muchos científicos.
10
47. http://carlos2524.jimdo.com/
1.4 Clasificación de la materia
11
1.4 Clasificación de la materia
Al principio del capitulo se define la química como el estudio de la materia y los cambios
que experimenta. La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La materia incluye lo que se puede ver y tocar (como el agua, la tierra y los árboles) y lo que no se puede
ver ni tocar (como el aire). Así pues, todo en el universo tiene una conexión "química".
Los químicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composición y propiedades. La clasificación de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, además de los átomos y moléculas, que se estudian en el capítulo 2.
Sustancias y mezcias
Una sustancia es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azúcar de mesa (sacarosa),
oro y oxígeno. Las sustancias difieren entre sí por su composición y se pueden identificar
según su aspecto, color, sabor y otras propiedades.
Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la que éstas conservan sus
propiedades distintivas. Algunos ejemplos familiares de ello son el aire, los refrescos, la leche y el cemento. ~as mezclas no poseen composición constante. Por lo tanto, las muestras
de aire obtenidas en diferentes ciudades probablemente diferirán en su composición a causa de diferencias de altitud, contaminación atmosférica, etcétera.
Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando se disuelve una cucharada de azúcar en agua, se obtiene una mezcla homogénea, en la que la composición de la
mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar arena con virutas de hierro, tanto una como
las otras se mantienen separadas (figura 1.4). En tal caso, se habla de una mezcla heterogénea porque su composición no es uniforme.
Cualquier mezcla, sea homogénea o heterogénea, se puede formar y luego separar por
medios físicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes.
Así pues, el azúcar se puede recuperar de una disolución en agua al calentar esta última y
evaporarla por completo. La condensación del vapor permite recuperar el agua. En cuanto
a la separación de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imán para separar las virutas
Figura 1.4
a) La mezcla contiene virutas de hierro y arena.
b) Un imán permite separar las
virutas de hierro de la mezcla.
Esta misma técnica se usa en
mayor escala para separar hierro
y acero de objetos no magnéticos, como aluminio, vi drio y plásticos .
a)
b)
48. http://carlos2524.jimdo.com/
12
Química: El estudio del cambio
TABLA 1.1
Nombre
Algunos elementos comunes y sus símbolos
Símbolo
Nombre
Símbolo
Nombre
Símbolo
Aluminio
Al
Cromo
Cr
Oro
Au
Arsénico
As
Estaño
Sn
Oxígeno
O
Azufre
S
Flúor
F
Plata
Ag
Bario
Ba
Fósforo
P
Platino
Pt
Bismuto
Bi
Hidrógeno
H
Plomo
Pb
Bromo
Br
Hierro
Fe
Potasio
K
Calcio
Ca
Magnesio
Mg
Silicio
Si
Carbono
C
Manganeso
Mn
Sodio
Na
Cloro
CI
Mercurio
Hg
Tungsteno
W
Cobalto
Co
Níquel
Ni
Yodo
1
Cobre
Cu
Nitrógeno
N
Zinc
Zn
de hierro, ya que el imán no atrae a la arena misma (figura l.4b). Después de la separación, los componentes de la mezcla tendrán la misma composición y propiedades que al
principio.
Elementos y compuestos
Las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un elemento es una sustancia que no
se puede separar en otras más sencillas por medios químicos. Hasta la fecha se han identificado 114 elementos. La mayoría de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los
otros se han obtenido por medios científicos mediante procesos nucleares, que son tema del
capítulo 23 de este texto.
Por.conveniencia, los químicos usan símbolos de una o dos letras para representar a los
elementos. La primera letra del símbolo siempre es mayúscula, no así la letra siguiente. Por
ejemplo, Co es el símbolo del elemento cobalto, en tanto que ca es la fórmula de la molécula monóxido de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y símbolos de algunos de los elementos más comunes, y en la segunda de forros de este texto aparece una lista
completa de los elementos y sus símbolos. Los símbolos de algunos elementos se derivan
de su nombre en latín, por ejemplo; Au de aurum (oro), Fe de ferrum (hierro) y Na de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre
en inglés. En el apéndice 1 se incluye una lista del origen de los nombres de los elementos
y de los científicos que los descubrieron.
Los átomos de muchos elementos pueden interactuar entre sí para formar compuestos.
Por ejemplo, la combustión del hidrógeno gaseoso con el oxígeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades difieren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman.
El agua consiste en dos partes de hidrógeno por una de oxígeno. Esta composición no se
modifica, sin importar que el agua provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en
Mongolia Exterior o de las capas de hielo de Marte. Así pues, el agua es un compuesto, o
sea, una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en
proporciones fijas. A diferencia de las mezclas, los compuestos sólo se pueden separar en
sus componentes puros por medios químicos.
Las relaciones entre los elementos, compuestos y otras categorías de materia se resumen en la figura 1.5.