Quimica_Raymond_Chang_12va_Edicion_Págs_1-67.pdf

QUÍMICA
Chang, R., & Goldsby, K. A. (2017). Química (12a. ed.). Retrieved from http://ebookcentral.proquest.com
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Raymond Chang
Williams College
Kenneth A. Goldsby
Florida State University
Revisión técnica
Paola Malinalli Hernández Hernández
Universidad Simón Bolívar, México
Universidad Nacional Autónoma de México
Rodolfo Álvarez Manzo
Universidad del Valle de México, Plantel Coyoacán
Universidad La Salle, México
Violeta Luz María Bravo Hernández
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional
Autónoma de México
Felipe Córdova Lozano
Universidad de Las Américas,Puebla
Jesús Gracia Mora
Facultad de Química, Universidad Nacional
Autónoma de México
Clemente Reza-García
Instituto Politécnico Nacional
Enrique Solís García
Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de
México
Julián A. Yunes
Tecnológico de Monterrey
Campus Puebla
.9*$0r#0(05Ár#6/04*34r$3$4r(65.-r.%3*%r/67:03,
4/+6/r4/5*(0r4016-0r6$,-/%r-0/%34r.*-¦/r.0/53-
/67%-)*r4/'3/$*4$0r4*/(163r45-06*4r4*%/:r5030/50
QUÍMICA
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Director general de Latinoamérica: Fernando Valenzuela
Director de México y Caribe: Adrián Bravo
Directora de contenido y producción: María Clara Andrade
Gerente de preprensa: Hans Serrano
Editora de desarrollo: Marcela Rocha
Supervisor de producción: Juan Manjarrez
Arte y diseño: José Palacios
Traducción: Gabriel Nagore
QUÍMICA
Duodécima edición
Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida, ni en todo ni en parte, ni registrada en o transmitida
por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea mecánico, fotocopiado, electrónico,
magnético, electroóptico, o cualquier otro, sin el permiso previo y por escrito de la editorial.
DERECHOS RESERVADOS © 2017, respecto a la primera edición en español
por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
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Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 16
Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón
C.P. 01376, México, D. F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736
CTP 09/16
ISBN: 978-1-4562-5705-7
ISBN edición anterior: 978-607-15-0928-4
Traducido de la duodécima edición en inglés de Chemistry de Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby © 2016 by McGraw-Hill
Education. All right reserved. ISBN 978-0-07-802151-0
1234567890 2345689017
Obra original: Química, Duodécima edición © 2017, 2013, 2010, 2007
respecto a la duodécima edición en español, por McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V.
ISBN edición original: 978-607-15-1393-9
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Acerca de los autores
Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shanghai y Hong
Kong. Obtuvo la licenciatura en química en la London University, Inglaterra, y
su doctorado en química en la Yale University. Después de hacer investigación
posdoctoral en la Universidad de Washington y enseñar durante un año en el
Hunter College de la City University, de Nueva York, ingresó al Departamento
de Química de Williams College.
El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical
Society Examination Committee, el National Chemistry Olympiad Examination
Committe y el Graduate Record Examinations Committee. Es editor de The
Chemical Educator. El profesor Chang ha escrito libros sobre fisicoquímica,
química industrial y ciencia física. También ha sido coautor de publicaciones en
chino, libros ilustrados para niños y una novela para lectores jóvenes.
Para relajarse, el profesor Chang hace jardinería, toca la armónica y estudia
piano.
Ken Goldsby nació y creció en Pensacola, Florida. Obtuvo la licenciatura
en química y ciencia matemática en la Rice University. Después de obtener el
doctorado en química en la University of North Carolina, Chapel Hill, Ken
realizó investigación posdoctoral en la Ohio State University.
Desde que ingresó al Departamento de Química y Bioquímica de la Florida
State University en 1986, Ken ha recibido diversos premios de enseñanza y
asesoría, incluyendo el Cottrell Family Professorship para la enseñanza de la
química. En 1998, fue electo como profesor distinguido de la Florida State
University. Ken también trabaja con estudiantes en su laboratorio en un proyec-
to para iniciar colaboraciones entre el Departamento de Ciencias y programas
de artes técnicas.
Cuando no está trabajando, Ken disfruta pasar el tiempo con su familia,
especialmente divirtiéndose con ellos en la playa.
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vi Contenido
vi
1. Química: El estudio del cambio 1
2. Átomos, moléculas y iones 38
3. Relaciones de masa en las reacciones químicas 75
4. Reacciones en disolución acuosa 118
5. Gases 172
6. Termoquímica 230
7. Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 274
8. Relaciones periódicas entre los elementos 326
9. Enlace químico I: Conceptos básicos 368
10. Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 412
11. Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 465
12. Propiedades físicas de las disoluciones 518
13. Cinética química 562
14. Equilibrio químico 621
15. Ácidos y bases 666
16. Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 720
17. Entropía, energía libre y equilibrio 776
18. Electroquímica 812
19. Química nuclear 862
20. Química en la atmósfera 900
21. Metalurgia y la química de los metales 930
22. Elementos no metálicos y sus compuestos 956
23. Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 994
24. Química orgánica 1025
25. Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1058
Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos 1084
Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases 1090
Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C 1091
Apéndice 4 Operaciones matemáticas 1096
Apéndice 5 Elementos de la tabla periódica 1098
Contenido breve
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CAPÍTULO 1
vii
Lista de aplicaciones xxi
Lista de animaciones xxii
Prefacio xxiii
Relevancia de la vida real xxvii
Notas para el estudiante xxx
Química: El estudio del cambio 1
1.1 Química: una ciencia para el siglo XXI 2
1.2 Estudio de la química 2
1.3 El método científico 4
QUÍMICA en Acción
La investigación del bosón de Higgs 6
1.4 Clasificación de la materia 6
1.5 Los tres estados de la materia 9
1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia 10
1.7 Mediciones 12
QUÍMICA en Acción
La importancia de las unidades 17
1.8 Manejo de los números 18
1.9 Análisis dimensional en la resolución de problemas 23
1.10 Resolución de problemas del mundo real: información,
suposiciones y simplificaciones 27
Ecuaciones clave 28
Resumen de conceptos 29
Términos básicos 29
Preguntas y problemas 29
Interpretación, modelación y estimación 35
Respuestas a los ejercicios de práctica 35
MISTERIOS DE LA QUÍMICA
La desaparición de los dinosaurios 36
Contenido
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viii Contenido
CAPÍTULO 3
CAPÍTULO 2 Átomos, moléculas y iones 38
2.1 Teoría atómica 39
2.2 Estructura del átomo 40
2.3 Número atómico, número de masa e isótopos 46
2.4 La tabla periódica 48
QUÍMICA en Acción
Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 49
2.5 Moléculas y iones 50
2.6 Fórmulas químicas 52
2.7 Nomenclatura de los compuestos 56
2.8 Introducción a los compuestos orgánicos 65
Ecuación clave 67
Relaciones de masa
en las reacciones químicas 75
3.1 Masa atómica 76
3.2 Número de Avogadro y masa molar de un elemento 77
3.3 Masa molecular 81
3.4 Espectrómetro de masas 84
3.5 Composición porcentual de los compuestos 85
3.6 Determinación experimental de fórmulas empíricas 88
3.7 Reacciones químicas y ecuaciones químicas 90
3.8 Cantidades de reactivos y productos 95
3.9 Reactivo limitante 99
3.10 Rendimiento de reacción 103
QUÍMICA en Acción
Fertilizantes químicos 105
Ecuaciones clave 106
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Contenido ix
CAPÍTULO 5
CAPÍTULO 4
ix
Reacciones en disolución acuosa 118
4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 119
4.2 Reacciones de precipitación 121
QUÍMICA en Acción
Una reacción de precipitación indeseable 126
4.3 Reacciones ácido-base 126
4.4 Reacciones de oxidación-reducción 132
QUÍMICA en Acción
Alcoholímetro 144
4.5 Concentración de las disoluciones 145
4.6 Análisis gravimétrico 149
4.7 Valoraciones ácido-base 151
4.8 Valoraciones redox 155
QUÍMICA en Acción
Metal proveniente del mar 156
¿Quién asesinó a Napoleón? 170
Gases 172
5.1 Sustancias que existen como gases 173
5.2 Presión de un gas 174
5.3 Leyes de los gases 178
5.4 Ecuación del gas ideal 184
5.5 Estequiometría de los gases 193
5.6 Ley de Dalton de las presiones parciales 195
QUÍMICA en Acción
El buceo y las leyes de los gases 200
5.7 Teoría cinética molecular de los gases 202
QUÍMICA en Acción
Átomos superenfriados 208
5.8 Desviación del comportamiento ideal 210
Sin oxígeno 228
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x Contenido
CAPÍTULO 7
CAPÍTULO 6 Termoquímica 230
6.1 Naturaleza y tipos de energía 231
6.2 Cambios de energía en las reacciones químicas 232
6.3 Introducción a la termodinámica 234
QUÍMICA en Acción
Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 240
6.4 Entalpía de las reacciones químicas 240
6.5 Calorimetría 246
QUÍMICA en Acción
Células grasas blancas, células grasas marrón y una cura
potencial para la obesidad 250
6.6 Entalpía estándar de formación y de reacción 253
QUÍMICA en Acción
Cómo se defiende el escarabajo bombardero 256
6.7 Calor de disolución y de dilución 258
El neumático explosivo 272
Teoría cuántica y la estructura
electrónica de los átomos 274
7.1 De la física clásica a la teoría cuántica 275
7.2 El efecto fotoeléctrico 279
7.3 Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 282
7.4 La naturaleza dual del electrón 287
QUÍMICA en Acción
Láser: la luz esplendorosa 288
7.5 Mecánica cuántica 291
QUÍMICA en Acción
Microscopía electrónica 292
7.6 Números cuánticos 295
7.7 Orbitales atómicos 297
7.8 Configuración electrónica 301
7.9 El principio de construcción 308
QUÍMICA en Acción
Puntos cuánticos 312
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Contenido xi
CAPÍTULO 9
CAPÍTULO 8
Descubrimiento del helio y el surgimiento
y la caída del coronio 324
Relaciones periódicas
entre los elementos 326
8.1 Desarrollo de la tabla periódica 327
8.2 Clasiﬁcación periódica de los elementos 329
8.3 Variaciones periódicas de las propiedades físicas 333
8.4 Energía de ionización 340
QUÍMICA en Acción
¿El tercer elemento líquido? 341
8.5 Aﬁnidad electrónica 345
8.6 Variación de las propiedades químicas
de los elementos representativos 347
QUÍMICA en Acción
El descubrimiento de los gases nobles 358
Ecuación clave 359
Enlace químico I: Conceptos básicos 368
9.1 Símbolos de puntos de Lewis 369
9.2 Enlace iónico 370
9.3 Energía reticular de los compuestos iónicos 372
QUÍMICA en Acción
Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 376
9.4 Enlace covalente 377
9.5 Electronegatividad 380
9.6 Escritura de las estructuras de Lewis 384
9.7 Carga formal y estructura de Lewis 387
9.8 El concepto de resonancia 390
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xii Contenido
CAPÍTULO 11
CAPÍTULO 10
9.9 Excepciones a la regla del octeto 392
QUÍMICA en Acción
Sólo diga NO 397
9.10 Entalpía de enlace 398
Ecuación clave 403
Enlace químico II: Geometría molecular
e hibridación de orbitales atómicos 412
10.1 Geometría molecular 413
10.2 Momento dipolar 423
QUÍMICA en Acción
Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 426
10.3 Teoría de enlace-valencia 429
10.4 Hibridación de orbitales atómicos 431
10.5 Hibridación en moléculas que contienen
enlaces dobles y triples 440
10.6 Teoría de orbitales moleculares 443
10.7 Conﬁguraciones de orbitales moleculares 446
10.8 Orbitales moleculares deslocalizados 452
QUÍMICA en Acción
El buckybalón, ¿un balón cualquiera? 454
Fuerzas intermoleculares y líquidos
y sólidos 465
11.1 Teoría cinética molecular de líquidos y sólidos 466
11.2 Fuerzas intermoleculares 467
11.3 Propiedades de los líquidos 473
QUÍMICA en Acción
Un betún muy lento 475
11.4 Estructura cristalina 477
QUÍMICA en Acción
¿Por qué los lagos se congelan desde la superﬁcie hacia el fondo? 478
11.5 Difracción de rayos X de estructuras cristalinas 484
11.6 Tipos de cristales 486
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Contenido xiii
CAPÍTULO 12
QUÍMICA en Acción
Superconductores a altas temperaturas 488
QUÍMICA en Acción
Y todo por un botón 492
11.7 Sólidos amorfos 492
11.8 Cambios de fase 493
11.9 Diagramas de fases 503
QUÍMICA en Acción
Hervir un huevo en la cima de una montaña,
las ollas de presión y el patinaje sobre hielo 505
QUÍMICA en Acción
Cristales líquidos 506
Propiedades físicas
de las disoluciones 518
12.1 Tipos de disoluciones 519
12.2 Enfoque molecular del proceso de disolución 520
12.3 Unidades de concentración 522
12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 527
12.5 Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 529
QUÍMICA en Acción
El lago asesino 531
12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones
de no electrólitos 532
12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones
de electrólitos 544
QUÍMICA en Acción
Diálisis 546
12.8 Coloides 546
El cuchillo equivocado 560
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xiv Contenido
CAPÍTULO 15
CAPÍTULO 13
CAPÍTULO 14
Cinética química 562
13.1 La rapidez de una reacción 563
13.2 La ley de rapidez 571
13.3 Relación entre la concentración
de reactivos y el tiempo 575
QUÍMICA en Acción
Datación con radiocarbono 586
13.4 Constantes de rapidez y su dependencia de la energía
de activación y de la temperatura 588
13.5 Mecanismos de reacción 594
13.6 Catálisis 599
QUÍMICA en Acción
Farmacocinética 606
Equilibrio químico 621
14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 622
14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 625
14.3 Relación entre cinética química y equilibrio químico 637
14.4 ¿Qué información proporciona la constante de equilibrio? 638
14.5 Factores que afectan el equilibrio químico 644
QUÍMICA en Acción
La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 651
QUÍMICA en Acción
El proceso Haber 652
Ácidos y bases 666
15.1 Ácidos y bases de Brønsted 667
15.2 Propiedades ácido-base del agua 668
15.3 El pH: una medida de la acidez 670
15.4 Fuerza de los ácidos y las bases 673
15.5 Ácidos débiles y la constante de ionización de un ácido 677
15.6 Bases débiles y la constante de ionización de una base 685
15.7 Relación entre las constantes de ionización de los
ácidos y sus bases conjugadas 687
15.8 Ácidos dipróticos y polipróticos 688
15.9 Estructura molecular y fuerza de los ácidos 692
15.10 Propiedades ácido-base de las sales 696
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Contenido xv
CAPÍTULO 16
15.11 Propiedades ácido-base de los óxidos
y los hidróxidos 702
15.12 Ácidos y bases de Lewis 704
QUÍMICA en Acción
Antiácidos y el balance del pH en el estómago 706
La descomposición de los papeles 718
Equilibrios ácido-base y equilibrios
de solubilidad 720
16.1 Comparación entre los equilibrios homogéneo
y heterogéneo en disolución 721
16.2 Efecto del ion común 721
16.3 Disoluciones amortiguadoras 724
16.4 Valoraciones ácido-base 730
QUÍMICA en Acción
Mantenimiento del pH de la sangre 732
16.5 Indicadores ácido-base 739
16.6 Equilibrios de solubilidad 742
16.7 Separación de iones por precipitación fraccionada 749
16.8 El efecto del ion común y la solubilidad 751
16.9 El pH y la solubilidad 753
16.10 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 756
QUÍMICA en Acción
¿Cómo se forma un cascarón de huevo? 760
16.11 Aplicación del principio del producto de solubilidad
al análisis cualitativo 761
Un duro bocadillo 774
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xvi Contenido
CAPÍTULO 18
CAPÍTULO 17 Entropía, energía libre y equilibrio 776
17.1 Las tres leyes de la termodinámica 777
17.2 Procesos espontáneos 777
17.3 Entropía 778
17.4 Segunda ley de la termodinámica 783
17.5 Energía libre de Gibbs 789
QUÍMICA en Acción
La eﬁciencia de las máquinas térmicas 790
17.6 Energía libre y equilibrio químico 796
17.7 Termodinámica en los sistemas vivos 800
QUÍMICA en Acción
La termodinámica de una liga 801
Electroquímica 812
18.1 Reacciones redox 813
18.2 Celdas galvánicas 816
18.3 Potenciales estándar de reducción 818
18.4 Termodinámica de las reacciones redox 824
18.5 Efecto de la concentración sobre la fem de la celda 827
18.6 Baterías 832
QUÍMICA en Acción
Energía bacteriana 837
18.7 Corrosión 838
18.8 Electrólisis 841
QUÍMICA en Acción
Molestia producida por las amalgamas dentales 846
Agua sucia 860
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Contenido xvii
CAPÍTULO 20
CAPÍTULO 19 Química nuclear 862
19.1 Naturaleza de las reacciones nucleares 863
19.2 Estabilidad nuclear 865
19.3 Radiactividad natural 870
19.4 Transmutación nuclear 874
19.5 Fisión nuclear 877
QUÍMICA en Acción
El reactor de ﬁsión nuclear de la naturaleza 882
19.6 Fusión nuclear 883
19.7 Aplicaciones de los isótopos 886
19.8 Efectos biológicos de la radiación 888
QUÍMICA en Acción
Irradiación de los alimentos 890
QUÍMICA en Acción
Terapia por captura neutrónica de boro 891
El arte de la falsiﬁcación en el siglo xx 898
Química en la atmósfera 900
20.1 Atmósfera terrestre 901
20.2 Fenómenos en las capas externas de la atmósfera 904
20.3 Destrucción del ozono en la estratosfera 906
20.4 Volcanes 911
20.5 Efecto invernadero 912
20.6 Lluvia ácida 916
20.7 Esmog fotoquímico 919
20.8 Contaminación doméstica 921
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xviii Contenido
CAPÍTULO 22
CAPÍTULO 21
Metalurgia y la química de los
metales 930
21.1 Presencia de los metales 931
21.2 Procesos metalúrgicos 932
21.3 Teoría de las bandas de conductividad eléctrica 939
21.4 Tendencias periódicas de las propiedades
metálicas 941
21.5 Metales alcalinos 942
21.6 Metales alcalinotérreos 946
21.7 Aluminio 948
QUÍMICA en Acción
Reciclamiento de aluminio 950
Elementos no metálicos y sus
compuestos 956
22.1 Propiedades generales de los no metales 957
22.2 Hidrógeno 958
QUÍMICA en Acción
Hidrógeno metálico 962
22.3 Carbono 963
QUÍMICA en Acción
Gas sintético a partir del carbón 966
22.4 Nitrógeno y fósforo 967
QUÍMICA en Acción
Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 974
22.5 Oxígeno y azufre 975
22.6 Halógenos 982
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Contenido xix
CAPÍTULO 24
CAPÍTULO 23
Química de los metales de transición
y compuestos de coordinación 994
23.1 Propiedades de los metales de transición 995
23.2 La química del hierro y el cobre 998
23.3 Compuestos de coordinación 1000
23.4 Estructura de los compuestos de coordinación 1005
23.5 Enlace en los compuestos de coordinación:
teoría de campo cristalino 1009
23.6 Reacciones de los compuestos de coordinación 1015
QUÍMICA en Acción
Compuestos de coordinación en los sistemas vivos 1016
23.7 Aplicaciones de los compuestos de coordinación 1016
QUÍMICA en Acción
Cisplatino: el medicamento anticancerígeno 1018
Ecuación clave 1020
Química orgánica 1025
24.1 Clases de compuestos orgánicos 1026
24.2 Hidrocarburos alifáticos 1026
QUÍMICA en Acción
El hielo que se quema 1038
24.3 Hidrocarburos aromáticos 1039
24.4 Química de los grupos funcionales 1042
QUÍMICA en Acción
La industria del petróleo 1048
Desaparición de huellas digitales 1056
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xx Contenido
CAPÍTULO 25
Polímeros orgánicos sintéticos
y naturales 1058
25.1 Propiedades de los polímeros 1059
25.2 Polímeros orgánicos sintéticos 1059
25.3 Proteínas 1065
QUÍMICA en Acción
Anemia falciforme: una enfermedad molecular 1072
25.4 Ácidos nucleicos 1073
QUÍMICA en Acción
Huella digital del ADN 1076
Una historia que le erizará los cabellos 1082
Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos 1084
Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases 1090
Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C 1091
Apéndice 4 Operaciones matemáticas 1096
Apéndice 5 Elementos de la tabla periódica 1098
Glosario 1102
Respuestas a problemas pares R-1
Créditos C-1
Índice analítico I-1
Copyright
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xxi
Este libro empieza con la frase: “La química es
una ciencia activa y en evolución que tiene im-
portancia vital para nuestro planeta, tanto en la naturaleza
como en la sociedad”. A lo largo del libro, las secciones:
“Química en acción” y “Misterios de la química” dan ejem-
plos específicos de esta química activa y en evolución, en
todas las facetas de nuestras vidas.
Química en acción
La investigación del bosón de Higgs 6
La importancia de las unidades 17
Distribución de los elementos en la Tierra y en los
sistemas vivos 49
Fertilizantes químicos 105
Una reacción de precipitación indeseable 126
Alcoholímetro 144
Metal proveniente del mar 156
El buceo y las leyes de los gases 200
Átomos superenfriados 208
Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 240
Células grasas blancas, células grasas marrón y una cura
potencial para la obesidad 250
Cómo se defiende el escarabajo bombardero 256
Láser: la luz esplendorosa 288
Microscopía electrónica 292
Puntos cuánticos 312
¿El tercer elemento líquido? 341
El descubrimiento de los gases nobles 358
Cloruro de sodio: un compuesto iónico común
e importante 376
Sólo diga NO 397
Los hornos de microondas: el momento dipolar
en acción 426
El buckybalón. ¿Un balón cualquiera? 454
Un betún muy lento 475
¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia
el fondo? 478
Superconductores a altas temperaturas 488
Y todo por un botón 492
Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas
de presión y el patinaje sobre hielo 505
Cristales líquidos 506
El lago asesino 531
Diálisis 546
Datación con radiocarbono 586
Farmacocinética 606
La vida a grandes alturas y la producción
de hemoglobina 651
El proceso Haber 652
Antiácidos y el balance de pH en el estómago 706
Mantenimiento del pH de la sangre 732
¿Cómo se forma un cascarón de huevo? 760
La eficiencia de las máquinas térmicas 790
La termodinámica de una liga 801
Energía bacteriana 837
Molestia producida por las amalgamas dentales 846
El reactor de fisión nuclear de la naturaleza 882
Irradiación de los alimentos 890
Terapia por captura neutrónica de boro 891
Reciclamiento de aluminio 950
Hidrógeno metálico 962
Gas sintético a partir del carbón 966
Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 974
Compuestos de coordinación en los sistemas vivos 1016
Cisplatino: el medicamento anticancerígeno 1018
El hielo que se quema 1038
La industria del petróleo 1048
Anemia falciforme: una enfermedad molecular 1072
Huella digital del ADN 1076
Misterios de la química
La desaparición de los dinosaurios 36
¿Quién asesinó a Napoleón? 170
Sin oxígeno 228
El neumático explosivo 272
Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída
del coronio 324
El cuchillo equivocado 560
La descomposición de los papeles 718
Un duro bocadillo 774
Agua sucia 860
El arte de la falsificación en el siglo xx 898
Desaparición de huellas digitales 1056
Una historia que le erizará los cabellos 1082
Lista de aplicaciones
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xxii
Las animaciones que se enlistan en seguida se
correlacionan con el presente libro. Dentro de
cada capítulo hay íconos que permiten al estudiante y al
profesor saber que hay disponible una animación para un
tema específico y que se puede encontrar en línea.
Animaciones de Química de Chang
Absorción de color (23.5)
Catálisis (13.6)
Celdas galvánicas (18.2)
Configuraciones electrónicas (7.8)
Desintegración radiactiva (19.3)
Difusión de los gases (5.7)
Disolución de un compuesto iónico y un covalente (12.2)
Disoluciones amortiguadoras (16.3)
Dispersión de partículas a (2.2)
Electrólitos fuertes, electrólitos débiles y no
electrólitos (4.1)
Empaquetamiento de esferas (11.4)
Energía de activación (13.4)
Enlace iónico contra covalente (9.4)
Enlaces sigma y pi (10.5)
Equilibrio dinámico (11.8)
Equilibrio químico (14.1)
Espectros de líneas (7.3)
Fisión nuclear (19.5)
Flujo de calor (6.2)
Gota de aceite de Millikan (2.2)
Hacer una disolución (4.5)
Hibridación (10.4)
Hidratación (4.1)
Ionización de un ácido (15.5)
Ionización de una base (15.6)
La ley de los gases (5.3)
Obtención de un gas en agua (5.6)
Orientación de la colisión (13.4)
Ósmosis (12.6)
Polaridad de moléculas (10.2)
Preparación de una disolución por dilución (4.5)
Presión de vapor de equilibrio (11.8)
Principio de Le Châtelier (14.5)
Quiralidad (23.4, 24.2)
Radio atómico y iónico (8.3)
Rayos alfa, beta y gamma (2.2)
Reacciones de neutralización (4.3)
Reacciones de oxidación-reducción (4.4)
Reacciones de precipitación (4.2)
Reactivo limitante (3.9)
Resonancia (9.8)
RPECV (10.1)
Tubo de rayos catódicos (2.2)
Valoraciones ácido-base (16.4)
Más animaciones de McGraw-Hill
Celdas unitarias cúbicas y sus orígenes (11.4)
Diagrama de fases y los estados de la materia (11.9)
Enlace iónico y covalente (9.4)
Equilibrio dinámico (11.8)
Espectros de emisión (7.3)
Espectros de líneas atómicas (7.3)
Experimento de Rutherford (2.2)
Forma molecular e hibridación orbital (10.4)
Formación de Ag2S por oxidación-reducción (4.4)
Formación de compuestos iónicos (2.7)
Formación de un enlace covalente (9.4)
Generación de corriente desde una celda voltaica (18.2)
Influencia de la forma en la polaridad (10.2)
La celda voltaica Cu/Zn (18.2)
La disociación de ácidos fuertes y débiles (15.4)
Operación de celda voltaica (18.2)
Producción de aluminio (21.7)
Propiedades de amortiguadores (16.3)
Reacción de Cu con AgNO3 (4.4)
Reacción de magnesio y oxígeno (4.4, 9.2)
Teoría del RPECV (10.1)
Lista de animaciones
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A continuación se muestran las dos principales categorías
de aprendizaje.
Los ejemplos resueltos siguen una probada estructura
de estrategia y resolución paso a paso.
• El planteamiento del problema es la mención de los
datos necesarios para resolver el problema con base en
la pregunta que se hace.
• La estrategia es un plan o método cuidadosamente
ideado que sirve como una importante función de apren-
dizaje.
• La solución es el proceso paso a paso para resolver un
problema.
• La verificación permite al estudiante comparar y verifi-
car con la información original para asegurarse de que
la respuesta sea razonable.
• El ejercicio de práctica brinda la oportunidad de resol-
ver un problema similar con objeto de adquirir experien-
cia en este tipo de problemas. Las notas al margen
enlistan problemas similares adicionales para trabajar
con ellos en la sección de problemas de final de capítulo.
Los problemas de fin de capítulo están organizados
de varias maneras. Cada sección, comprendida debajo de
un encabezado temático, comienza con “Preguntas de repa-
so” y continúa con “Problemas”. La sección de “Problemas
adicionales” ofrece problemas adicionales que no están or-
ganizados por sección, seguidos por un nuevo tipo de pro-
blemas llamado: “Interpretación, modelación y estimación”.
Muchos de los ejemplos y de los problemas de final
de capítulo presentan “probaditas” extra de conocimiento y
capacitan al estudiante para resolver un problema químico
como lo haría un profesional. Los ejemplos y los problemas
muestran a los estudiantes el mundo real de la química y
sus aplicaciones en situaciones de la vida diaria.
Visualización
Las gráficas y los diagramas de flujo son importantes en
ciencia. En Química, los diagramas de flujo muestran el
proceso mental de un concepto, y las gráficas presentan
datos para comprender el concepto. Un número importante
de problemas y revisiones de conceptos, incluyendo mu-
chos nuevos de esta edición, incluyen datos gráficos.
La representación molecular aparece en varios forma-
tos y tiene diferentes funciones. Los modelos moleculares
xxiii
L
a duodécima edición sigue con la tradición de ofrecer
una base firme de conceptos y principios químicos, y
que inculcará en los estudiantes una valoración del
rol vital que desempeña la química en nuestra vida diaria. Es
responsabilidad de los autores de libros de texto ayudar a los
instructores y a sus estudiantes en su esfuerzo continuo para
lograr este objetivo, por ello este libro contiene una amplia
gama de temas presentados en secuencia lógica. Siempre
que ha sido posible, tratamos de equilibrar la teoría y la prác-
tica, así como de ilustrar los principios básicos con ejemplos
de la vida diaria.
Como en ediciones anteriores, nuestro propósito ha si-
do crear un texto que sea claro al explicar los conceptos
abstractos, conciso, de tal manera que no abrume a los lec-
tores con información innecesaria y, al mismo tiempo, sufi-
cientemente amplio de modo que prepare a los estudiantes
para avanzar al siguiente nivel de aprendizaje. La realimen-
tación alentadora que hemos recibido de instructores y es-
tudiantes nos ha convencido de la eficacia de este método.
¿Qué es nuevo en esta edición?
El programa de arte se ha revisado ampliamente en esta
edición. Muchos de los aparatos de laboratorio e instrumen-
tos científicos se redibujaron para mejorar el realismo de los
componentes. Varios de los dibujos se actualizaron para re-
flejar avances en la ciencia y las aplicaciones descritas en
el texto; véase, por ejemplo, la batería de ion litio descrita
en la figura 18.10. Las estructuras moleculares se crearon
usando ChemDraw, el estándar de oro en el software de
dibujo químico. La realización de estas estructuras no sólo
introduce a los estudiantes a la convención utilizada para
representar estructuras químicas en tres dimensiones que
verán en el trabajo del curso adicional, sino que también
proporciona una mejor continuidad con la aplicación de
ChemDraw que usará en Connect, el sistema de tareas y
práctica línea de nuestro texto.
Además de revisar el programa de arte, se agregaron
más de 100 nuevas fotografías en esta edición. Estas fotos
proporcionan una visión llamativa en los procesos que pue-
den entenderse estudiando la química subyacente (véase,
por ejemplo, la figura 19.15, la cual muestra el último in-
tento de usar láseres para inducir la fusión nuclear).
Resolución de problemas
El desarrollo de habilidades para la resolución de proble-
mas ha sido siempre un objetivo principal de este texto.
Prefacio
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xxiv Prefacio
resumen del capítulo y son fácilmente identificables
para facilitar el repaso y el estudio.
El resumen de conceptos ofrece un repaso rápido de los
conceptos presentados y analizados a detalle dentro del
capítulo.
Las listas de términos básicos, con todos los conceptos
importantes, ayudan al estudiante a entender el lengua-
je de la química.
Ponga a prueba su conocimiento
La revisión de conceptos permite a los estudiantes hacer
una pausa y poner a prueba su comprensión del con-
cepto presentado y analizado en determinada sección.
Las preguntas y problemas permiten al estudiante poner
en práctica el pensamiento crítico y las habilidades pa-
ra la resolución de problemas. Los problemas se divi-
den en varios tipos:
• Por sección del capítulo. Las Preguntas de repaso ponen
a prueba la comprensión conceptual básica, seguidas
por los Problemas, que sirven para probar la habilidad
del estudiante para la resolución de problemas pertene-
cientes a esa sección específica del capítulo.
• Los Problemas adicionales apelan al conocimiento
adquirido en las diversas secciones y capítulos previos
para su resolución.
• Los Problemas de interpretación, modelación y esti-
mación enseñan a los estudiantes el arte de formular
modelos y de estimar respuestas de aproximación basa-
das en suposiciones adecuadas.
Relevancia práctica
En todo el texto se usan ejemplos interesantes de las dife-
rentes aplicaciones de la química en la vida cotidiana.
Cuando es oportuno, se emplean analogías para fomentar
la comprensión de conceptos químicos abstractos.
Las preguntas y problemas plantean muchos cuestiona-
mientos pertinentes para el estudiante. Algunos ejem-
plos: ¿Por qué los entrenadores de natación a veces
vierten una gota de alcohol en el oído del nadador
para sacarle el agua? ¿Cómo se puede estimar la pre-
sión en una envase de refresco carbonatado antes de
destaparlo?
En cada capítulo aparecen los recuadros: Química en ac-
ción, cada uno sobre diversos temas y con su propia
historia de cómo puede la química afectar una parte de
la vida. El estudiante aprenderá sobre la ciencia del
buceo y la medicina nuclear, entre otros muchos casos
interesantes.
La sección: Misterio de la química presenta al estudiante
un caso de misterio. Una serie de preguntas químicas
da pistas sobre cómo se podría resolver el misterio.
ayudan a visualizar la disposición tridimensional de los áto-
mos en una molécula. Los mapas de potencial electrostático
ilustran la distribución de densidad electrónica en las molé-
culas. Finalmente están las ilustraciones que relacionan lo
macroscópico con lo microscópico, para ayudar a los estu-
diantes a comprender los procesos a nivel molecular.
Las fotografías se usan para ayudar a los estudiantes
a familiarizarse con los productos químicos y a entender
cómo se ven las reacciones químicas en la realidad.
Las imágenes de aparatos permiten al estudiante vi-
sualizar la distribución real en un laboratorio de química.
Ayudas para el estudio
Ambientación
Cada capítulo comienza con un “Sumario” y con un “Avan-
ce del capítulo”.
El Sumario permite al estudiante captar rápidamente el
panorama completo y enfocarse en las ideas principa-
les del capítulo.
El Avance del capítulo ofrece al estudiante una síntesis de
los conceptos que se presentarán en el capítulo.
Herramientas didácticas
En Química abundan las ayudas útiles para el estudio, y se
deben usar constantemente para reforzar la comprensión de
los conceptos químicos.
Las notas al margen se usan para dar sugerencias y retro-
alimentación con el fin de enriquecer la base cognitiva
del estudiante.
Los ejemplos resueltos, junto con el Ejercicio de práctica
correspondiente, son herramientas muy importantes
para aprender y dominar la química. Los pasos de la
resolución de problemas guían al estudiante a través
del pensamiento crítico necesario para dominar esta
materia. El uso de esquemas ayuda al estudiante a es-
tudiar la estructura interna de un problema (vea el
ejemplo 6.1 en la página 238). La nota al margen en-
lista problemas similares que se incluyen en la sección
de problemas de final de capítulo, lo que permite al
estudiante aplicar un nuevo enfoque a otros problemas
del mismo tipo. Las respuestas a los Ejercicios de prác-
tica se presentan después de los problemas al final de
capítulo.
La revisión de conceptos permite a los estudiantes evaluar
si han comprendido el concepto presentado en cada
sección.
Las ecuaciones básicas se presentan dentro de cada capí-
tulo y se resaltan para captar la atención del estudian-
te hacia el material que necesita entender y retener. Las
ecuaciones básicas se incluyen también como parte del
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Prefacio xxv
Tracy Hamilton, University of Alabama-Birmingham
Tony Hascall, Northern Arizona University
Lindsay M. Hinkle, Harvard University
Rebecca Hoenigman, Community College of Aurora
T. Keith Hollis, Mississippi State University
Byron Howell, Tyler Junior College
Michael R. Ivanov, Northeast Iowa Community College
David W. Johnson, University of Dayton
Steve Johnson, University of New England
Mohammad Karim, Tennessee State University-Nashville
Jeremy Karr, College of Saint Mary
Vance Kennedy, Eastern Michigan University
Katrina Kline, University of Missouri
An-Phong Lee, Florida Southern College
Debbie Leedy, Glendale Community College
Willem R. Leenstra, University of Vermont
Barbara S. Lewis, Clemson University
Scott Luaders, Quincy University
Vicky Lykourinou, University of South Florida
Yinfa Ma, Missouri University of Science and Technology
Sara-Kaye Madsen, South Dakota State University
Sharyl Majorski, Central Michigan University
Roy McClean, United States Naval Academy
Helene Maire-Afeli, University of South Carolina-Union
Tracy McGill, Emory University
David M. McGinnis, University of Arkansas-Fort Smith
Thomas McGrath, Baylor University
Deb Mlsna, Mississippi State University
Patricia Muisener, University of South Florida
Kim Myung, Georgia Perimeter College
Anne-Marie Nickel, Milwaukee School of Engineering
Krista Noren-Santmyer, Hillsborough Community College-
Brandon
Greg Oswald, North Dakota State University
John W. Overcash, University of Illinois-Urbana-
Champaign
Shadrick Paris, Ohio University
Manoj Patil, Western Iowa Technical College
John Pollard, University of Arizona
Ramin Radfar, Wofford College
Betsy B. Ratcliff, West Virginia University
Mike Rennekamp, Columbus State Community
College
Thomas G. Richmond, University of Utah
Steven Rowley, Middlesex County College
Joel W. Russell, Oakland University
Raymond Sadeghi, University of Texas-
San Antonio
Esta sección fomentará un alto nivel de pensamiento
crítico gracias a los pasos básicos para la resolución
de problemas desarrollados a lo largo del texto.
Agradecimientos
Nos gustaría agradecer a los siguientes revisores y partici-
pantes en simposios, cuyos comentarios fueron de gran
ayuda para nosotros al preparar esta edición:
Kathryn S. Asala, University of North Carolina, Charlotte
Mohd Asim Ansari, Fullerton College
Keith Baessler, Suffolk County Community College
Christian S. Bahn, Montana State University
Mary Fran Barber, Wayne State University
H. Laine Berghout, Weber State University
Feri Billiot, Texas AM University Corpus Christi
John Blaha, Columbus State Community College
Marco Bonizzoni, University of Alabama-Tuscaloosa
Christopher Bowers, Ohio Northern University
Bryan Breyfogle, Missouri State University
Steve Burns, St. Thomas Aquinas College
Mark L. Campbell, United States Naval Academy
Tara Carpenter, University of Maryland
David Carter, Angelo State
Daesung Chong, Ball State University
Elzbieta Cook, Louisiana State University
Robert L. Cook, Louisiana State University
Colleen Craig, University of Washington
Brandon Cruickshank, Northern Arizona University-
Flagstaff
Elizabeth A. Clizbe, SUNY Buffalo
Mohammed Daoudi, University of Central Florida
Jay Deiner, New York City College of Technology
Dawn Del Carlo, University of Northern Iowa
Milagros Delgado, Florida International University,
Biscayne Bay Campus
Michael Denniston, Georgia Perimeter College
Stephanie R. Dillon, Florida State University
Anne Distler, Cuyahoga Community College
Bill Donovan, University of Akron
Mathilda D. Doorley, Southwest Tennessee Community
College
Jack Eichler, University of California-Riverside
Bradley D. Fahlman, Central Michigan University
Lee Friedman, University of Maryland-College Park
Tiffany Gierasch, University of Maryland-Baltimore
County
Cameon Geyer, Olympic College
John Gorden, Auburn University
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University; Erin Whitteck; Margaret Asirvatham, University
of Colorado-Boulder; Alexander J. Seed, Kent State
University; Benjamin Martin, Texas State University-San
Marcos; Claire Cohen, University of Toledo; Manoj Patil,
Western Iowa Tech Community College; Adam I. Keller,
Columbus State Community College; Peter de Lijser,
California State University-Fullerton; Lisa Smith, North
Hennepin Community College.
Han sido de gran beneficio las discusiones con nues-
tros colegas de Williams College y Florida State University,
y la correspondencia con muchos instructores dentro y fue-
ra del país.
Es un placer reconocer el apoyo que nos han brindado
los siguientes miembros de la División Universitaria de
McGraw-Hill: Tammy Ben, Thomas Timp, Marty Lange y
Kurt Strand. En particular, nos gustaría mencionar a Sandy
Wille por supervisar la producción, David Hash por el diseño
del libro, John Leland, el especialista en autorización de con-
tenidos, y Tami Hodge, gerente de comercialización, por sus
sugerencias y su estímulo. También agradecemos a nuestro
editor sponsor, David Spurgeon, por sus consejos y su apoyo.
Nuestro especial agradecimiento a Jodi Rhomberg, la desa-
rrolladora de productos, por su supervisión del proyecto en
cada etapa de la escritura de esta edición.
Finalmente, nos gustaría dar reconocimiento a Toni
Michaels, la investigadora iconográfica, por su iniciativa en
la adquisición de nuevas imágenes en un periodo muy corto.
—Raymond Chang y Ken Goldsby
Richard Schwenz, University of Northern Colorado
Allison S. Soult, University of Kentucky
Anne M. Spuches, East Carolina University
John Stubbs, University of New England
Katherine Stumpo, University of Tennessee-Martin
Jerry Suits, University of Northern Colorado
Charles Taylor, Florence Darlington Technical College
Mark Thomson, Ferris State University
Eric M. Todd, University of Wisconsin-Stevens Point
Yijun Tang, University of Wisconsin-Oshkosh
Steve Theberge, Merrimack College
Lori Van Der Sluys, Penn State University
Lindsay B. Wheeler, University of Virginia
Gary D. White, Middle Tennessee State University
Stan Whittingham, Binghamton University
Troy Wolfskill, Stony Brook University
Anthony Wren, Butte College
Fadi Zaher, Gateway Technical College
Asimismo, Connect se enriqueció mucho por los esfuerzos
de Yasmin Patell, de la Kansas State University; MaryKay
Orgill, de la University of Nevada, en Las Vegas; Mirela
Krichten, de The College of New Jersey, quien hizo una obra
maestra como autora de sugerencias y retroalimentación pa-
ra enriquecer todos los problemas de tareas del sistema.
Las siguientes personas ayudaron a escribir y revisar
el contenido didáctico orientado a metas para LearnSmart
for General Chemistry: Margaret Ruth Leslie, Kent State
University; David G. Jones, North Carolina Central
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Relevancia de la vida real
A lo largo del libro se emplean ejemplos interesantes sobre cómo la química se aplica en la
vida cotidiana. Asimismo se usan analogías, donde es conveniente, para reforzar la compren-
sión de conceptos químicos abstractos.
Los recuadros titulados Química en acción apa-
recen en cada capítulo, con diversos temas, y
cuentan historias de cómo la química puede
afectar algún aspecto de la vida. El estudiante
puede aprender acerca de la ciencia del buceo y
de medicina nuclear, entre muchos otros fasci-
nantes temas.
Misterios de la química son, como su nombre
lo indica, casos de misterios para el estudiante.
Mediante una serie de preguntas de química se
van dando pistas para resolver el misterio. Estos
recuadros promueven un nivel superior de pen-
samiento crítico mediante el empleo de los pasos
básicos de resolución de problemas que se usan
a lo largo del texto.
Visualización
Gráficas y Arte molecular
tablas de flujo
QUÍMICA en Acción
La piedra caliza (CaCO3) y la dolomita (CaCO3 · MgCO3),
dispersas en la superficie de la Tierra, con frecuencia ingre-
san en los mantos acuíferos. De acuerdo con la tabla 4.2, el car-
bonato de calcio es insoluble en agua. No obstante, en presencia
del dióxido de carbono disuelto (de la atmósfera), el carbona-
to de calcio se convierte en bicarbonato de calcio soluble
[Ca(HCO3)2]:
donde HCO3
2
es el ion bicarbonato.
El agua que contiene iones Ca21
, Mg21
, o ambos, se conoce
como agua dura, y el agua que carece de estos iones se denomi-
na agua blanda. El agua dura no es adecuada para usos domésti-
cos ni industriales.
Cuando el agua que contiene iones de Ca21
y HCO3
2
se
calienta o se lleva a ebullición, la reacción de disolución se invier-
te para producir el precipitado CaCO3
y se libera dióxido de carbono gaseoso:
El carbonato de calcio sólido que se forma de esta manera es el
principal componente de los depósitos que se acumulan en los
calentadores de agua, tuberías y cafeteras. Una delgada capa de
depósito reduce la transferencia de calor y la eficacia y durabili-
dad de los calentadores de agua, tuberías y aparatos. En las tube-
rías domésticas de agua caliente el flujo del agua se puede
Una reacción de precipitación indeseable
restringir o bloquear por completo. Un método sencillo que los
plomeros utilizan para remover estos depósitos es agregar una
pequeña cantidad de ácido clorhídrico, el cual reacciona con el
CaCO3 (y por lo tanto disuelve):
De esta forma, CaCO3 se convierte en CaCl2 soluble.
Los depósitos de los calentadores casi obstruyen por
completo esta tubería de agua caliente. Estos depósitos
están compuestos en su mayor parte por CaCO3 y un
poco de MgCO3.
CaCO3(s) 1 CO2(ac) 1 H2O(l) ¡
Ca21
(ac) 1 2HCO2
3 (ac)
Ca21
(ac) 1 2HCO2
3 (ac) ¡
CaCO3(s) 1 CO2(ac) 1 H2O(l)
CO2(ac) ¡ CO2(g)
CaCO3(s) 1 2HCl(ac) ¡
CaCl2(ac) 1 H2O(l) 1 CO2(g)
PV
RT
0
P (atm)
1 200
1 000
800
600
400
200
2.0
1.0 Gas ideal
NH3
H2
CH4
Antes del inicio de la reacción
Después que se ha
completado la reacción
H2 CH3OH
CO
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xxviii Relevancia de la vida real
Herramientas para el estudio
Ecuaciones clave: material para
recordar
Resumen de conceptos: repaso
rápido a los términos relevantes
Términos básicos: conceptos
importantes de aprender
Número de masa 5 número de protones 1 número de neutrones
5 número atómico 1 número de neutrones (2.1)
Ácido, p. 62
Alótropo, p. 52
Anión, p. 51
Átomo, p. 40
Base, p. 64
Catión, p. 51
Compuesto binario, p. 56
Compuesto iónico, p. 51
Compuesto orgánico, p. 56
Compuesto ternario, p. 57
Compuestos inorgánicos,
p. 56
Electrón, p. 41
Familias, p. 48
Fórmula empírica, p. 53
Fórmula estructural, p. 53
Fórmula molecular, p. 52
Fórmula química, p. 52
Gases nobles, p. 50
Grupos, p. 48
Halógenos, p. 50
Hidrato, p. 64
Ion, p. 50
Ion monoatómico, p. 51
Ion poliatómico, p. 51
Isótopo, p. 46
Ley de la conservación de la
masa, p. 40
Ley de las proporciones
definidas, p. 40
Ley de las proporciones
múltiples, p. 40
Metal, p. 48
Metales alcalinos, p. 50
Metales alcalinotérreos, p. 50
Metaloide, p. 48
Molécula, p. 50
Molécula diatómica, p. 50
Molécula poliatómica, p. 50
Neutrón, p. 45
No metal, p. 48
Núcleo, p. 44
Número atómico (Z), p. 46
Número de masa (A), p. 46
Oxiácido, p. 62
Oxianión, p. 63
Partículas alfa (a), p. 43
Partículas beta (b), p. 43
Periodos, p. 48
Protón, p. 44
Radiación, p. 41
Radiactividad, p. 43
Rayos alfa (a), p. 43
Rayos beta (b), p. 43
Rayos gamma (g), p. 43
Tabla periódica, p. 48
1. La química moderna empezó con la teoría atómica de
Dalton, que establece que toda la materia está compuesta
por partículas pequeñas e indivisibles llamadas átomos;
que todos los átomos del mismo elemento son idénti-
cos; que los compuestos contienen átomos de diferentes
elementos combinados en proporción de números enteros,
y que los átomos no se crean ni se destruyen durante las
reacciones químicas (ley de la conservación de la masa).
2. Los átomos de los elementos que constituyen un compues-
to en particular siempre se combinan en la misma propor-
ción en masa (ley de las proporciones definidas). Cuando
dos elementos se combinan para formar más de un com-
puesto, la masa del elemento que se combina con una can-
tidad fija de masa del otro elemento siempre es una relación
de números enteros pequeños (ley de las proporciones múl-
tiples).
3. Un átomo está constituido por un núcleo central muy den-
so, que contiene protones y neutrones, y por electrones que
se mueven alrededor del núcleo a una distancia relativa-
mente grande.
4. Los protones están cargados positivamente, los neutrones
no tienen carga y los electrones están cargados negativa-
mente. Los protones y neutrones tienen casi la misma
masa, que es alrededor de 1840 veces mayor que la masa
de un electrón.
5. El número atómico de un elemento es el número de proto-
nes presentes en el núcleo de un átomo de ese elemento, y
determina su identidad. El número de masa es la suma del
número de protones y de neutrones presentes en el núcleo.
6. Los isótopos son átomos de un mismo elemento, con el
mismo número de protones pero diferente número de neu-
trones.
7. Las fórmulas químicas combinan los símbolos de los ele-
mentos que las forman, con números enteros como subín-
dices para indicar el tipo y número de átomos contenidos
en la unidad más pequeña de un compuesto.
8. La fórmula molecular indica el número y tipo específico de
átomos combinados en cada molécula de un compuesto. La
fórmula empírica muestra la relación más sencilla de los
átomos que forman una molécula.
9. Los compuestos químicos pueden ser compuestos molecu-
lares (en los que la unidad más pequeña son moléculas
individuales discretas), o bien compuestos iónicos, consti-
tuidos por cationes y aniones.
10. Los nombres de muchos compuestos inorgánicos se dedu-
cen a partir de algunas reglas sencillas. Las fórmulas se
pueden escribir a partir de los nombres de los compuestos.
11. Los compuestos orgánicos contienen carbono y elementos
como hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Los hidrocarburos
son el tipo más sencillo de compuestos orgánicos.
Ecuación clave
Resumen de conceptos
Términos básicos
Sistema de aprendizaje de Chang
Repase el contenido con esta rápida prueba de conocimientos.
Revisión de conceptos
Los diagramas siguientes muestran tres compuestos disueltos en agua: a) AB2, b) AC2 y
c) AD2. ¿Cuál es el electrólito más fuerte y cuál el más débil? (Por simplicidad, las
moléculas de agua no se muestran.)
a) b) c)
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Relevancia de la vida real xxix
Ejemplo 4.6
Clasifique las siguientes reacciones redox e indique los cambios ocurridos en los números de
oxidación de los elementos:
a) 2N2O(g) ¡ 2N2(g) 1 O2(g)
b) 6Li(s) 1 N2(g) ¡ 2Li3N(s)
c) Ni(s) 1 Pb(NO3)2(ac) ¡ Pb(s) 1 Ni(NO3)2(ac)
d) 2NO2(g) 1 H2O(l) ¡ HNO2(ac) 1 HNO3(ac)
Estrategia Revise las definiciones de las reacciones de combinación, de descomposición, de
desplazamiento y de desproporción.
Solución a) Ésta es una reacción de descomposición, ya que un solo tipo de reactivo se
convierte en dos productos distintos. El número de oxidación del N cambia desde 11 a
0, en tanto que el del O cambia de 22 a 0.
b) Ésta es una reacción de combinación (dos reactivos forman un solo producto). El número
de oxidación del Li cambia de 0 a 11, en tanto que el del N cambia de 0 a 23.
c) Ésta es una reacción de desplazamiento de metal. El Ni metálico reemplaza (reduce) al
ion Pb21
. El número de oxidación del Ni aumenta desde 0 a 12, en tanto que el del Pb
disminuye desde 12 a 0.
d) El número de oxidación del N es 14 en el NO2, 13 en HNO2 y 15 en HNO3. Puesto
que el número de oxidación del mismo elemento se incrementa tanto como disminuye,
ésta es una reacción de desproporción.
Ejercicio de práctica Identifique los siguientes tipos de reacciones redox:
a) Fe 1 H2SO4 ¡ FeSO4 1 H2
b) S 1 3F2 ¡ SF6
c) 2CuCl ¡ Cu 1 CuCl2
d) 2Ag 1 PtCl2 ¡ 2AgCl 1 Pt
Aprenda el proceso de resolución de
problemas y compruebe sus resultados.
Utilice el enfoque de resolución de problemas en aquellos ejemplos
que son de la vida real. Los problemas de Interpretación, modelación
y estimación dan al estudiante la oportunidad
de resolverlos como un químico. 4.171 Los suministros públicos de agua a menudo se “fluo-
ran” mediante la adición de compuestos como NaF,
H2SiF6 y Na2SiF6. Está bien establecido que el fluoruro
ayuda a evitar la caries dental, sin embargo, se debe
tener cuidado de no exceder el límite seguro de fluoru-
ro, que puede manchar o rayar el esmalte dental (fluo-
rosis dental). Generalmente se considera que la
concentración segura y eficaz de fluoruro en el agua
potable es alrededor de 1 mg/L. ¿Cuánto fluoruro con-
sumiría una persona bebiendo agua fluorurada en un
año? ¿Cuál sería la masa equivalente como fluoruro de
sodio?
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xxx
L
a química general suele considerarse como una mate-
ria más difícil que las demás. En cierto sentido esto
es justificable por una razón: la química tiene un
vocabulario muy especializado. En primer lugar, estudiar
química es como aprender un nuevo idioma. Además, algu-
nos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es per-
severante completará este curso exitosamente y hasta es
posible que lo disfrute. Aquí se presentan algunas sugeren-
cias que lo ayudarán a formar buenos hábitos de estudio y a
dominar el material de este libro.
• Asista regularmente a clases y tome apuntes detallados.
• Si es posible, repase a diario los apuntes de los temas
que se cubrieron ese día en clase. Utilice su libro para
complementar sus notas.
• Use el pensamiento crítico. Pregúntese si realmente
comprendió el significado de un término o el uso de una
ecuación. Una buena forma de probar lo que ha apren-
dido es explicar un concepto a un compañero de clases
o a otra persona.
• No dude en pedir ayuda al maestro o a su asistente.
Las herramientas para la duodécima edición de Química
están diseñadas para permitirle aprovechar mejor su curso de
química general. La siguiente guía explica cómo obtener el
mayor provecho del texto, la tecnología y otras herramientas.
• Antes de ahondar en el capítulo, lea el sumario y la
introducción del capítulo para darse una idea de los
temas importantes. Utilice el sumario para organizar
sus apuntes en clase.
• Al final de cada capítulo encontrará un resumen de con-
ceptos, ecuaciones básicas y una lista de términos bási-
cos, todo lo cual le servirá como un repaso para los
exámenes.
• Las definiciones de las palabras clave se pueden estu-
diar en su contexto en las páginas indicadas en la lista al
final de capítulo o en el glosario al final del libro.
• Un estudio detallado de los ejemplos solucionados en el
cuerpo de cada capítulo mejorará su capacidad para ana-
lizar problemas y hacer los cálculos necesarios para
resolverlos. También, tómese el tiempo para resolver el
ejercicio de práctica que sigue a cada ejemplo y asegu-
rarse de que ha entendido cómo resolver el tipo de pro-
blema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los
ejercicios de práctica aparecen al final de cada capítulo,
después de la lista de problemas. Como práctica adicio-
nal, puede recurrir a problemas similares como los que
aparecen al margen del ejemplo.
• Las preguntas y problemas al final del capítulo están
organizados por secciones.
• En las páginas finales del libro encontrará una lista de
figuras y tablas con referencias de páginas. En este índi-
ce podrá encontrar rápidamente información cuando
esté resolviendo problemas o estudiando temas relacio-
nados en diferentes capítulos.
Si sigue estas sugerencias y cumple asiduamente con
sus tareas, encontrará que la química es una materia desa-
fiante, pero menos difícil y mucho más interesante de lo que
esperaba.
—Raymond Chang y Ken Grosby
Notas para el estudiante
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Química
El estudio del cambio
Este capítulo inicia con una breve introducción al estudio de la química y su función
dentro de la sociedad moderna. (1.1 y 1.2)
A continuación conoceremos las bases del método científico, que es una metodolo-
gía sistemática para la investigación en todas las disciplinas científicas. (1.3)
Definiremos el concepto de materia y observaremos que una sustancia pura puede
ser un elemento o un compuesto. Distinguiremos entre una mezcla homogénea y
una heterogénea. Aprenderemos que, en principio, toda la materia puede existir en
cualquiera de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. (1.4 y 1.5)
Para caracterizar una sustancia necesitamos 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 se trata de una ciencia experimental, la química involucra el uso de las
mediciones. Conoceremos las unidades básicas del Sistema Internacional de Medi-
das (SI) y emplearemos sus unidades derivadas en cantidades como el volumen y la
densidad. También estudiaremos 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 importan-
tes. (1.8)
Por último, entenderemos la utilidad del análisis dimensional para los cálculos quí-
micos. Al considerar las unidades a lo largo de la secuencia completa de cálculos,
todas las unidades se cancelarán, a excepción de aquella que se busca. (1.9)
La resolución de problemas del mundo real frecuentemente significa hacer suposi-
ciones y simplificaciones. (1.10)
C A P Í T U L O
SUMARIO AVANCE DEL C APÍTULO
1
Al aplicar campos eléctricos para lograr que las
moléculas de ADN se muevan a través de los poros
creados en el grafeno, los científicos han
desarrollado una técnica que algún día se usará para
el secuenciamiento rápido de las cuatro bases
químicas.
1.1 Química: una ciencia para
el siglo XXI
1.2 Estudio de la química
1.3 El método científico
1.4 Clasificación de la materia
1.5 Los tres estados de la materia
1.6 Propiedades físicas y químicas
de la materia
1.7 Mediciones
1.8 Manejo de los números
1.9 Análisis dimensional en la
resolución de problemas
1.10 Resolución de problemas del
mundo real: información,
suposiciones y simplificaciones
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2 Capítulo 1 ■
Química: el estudio del cambio
El ideograma chino para el término
química signiﬁca “el estudio del
cambio”.
La 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 veremos más adelante.
Iniciaremos el estudio de la química en el nivel macroscópico, donde es posible observar y
medir los materiales que forman nuestro mundo. En este capítulo analizaremos el método científico,
que es la base para la investigación no sólo en química, sino también en las demás ciencias. Luego,
descubriremos la forma en que los científicos definen y caracterizan la materia. Por último, dedica-
remos tiempo al aprendizaje del manejo de los resultados numéricos de las mediciones químicas y
a la resolución de problemas numéricos. En el capítulo 2 iniciaremos la exploración del mundo
microscópico de átomos y moléculas.
1.1 Química: una ciencia para el siglo 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 llamaremos condiciones primitivas: sin
automóviles, sin electricidad, sin computadoras, ni discos compactos y muchas otras como-
didades.
Aunque la química es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan
al siglo xix, cuando los adelantos intelectuales y tecnológicos permitieron que los cien-
tíficos 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 computadoras y microscopios especiales,
por citar un ejemplo, permite que los químicos analicen la estructura de los átomos y
las moléculas (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 preguntarnos qué función tendrá la ciencia
central en esta centuria. Es casi indudable que la química mantendrá una función deter-
minante en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estu-
dio de la materia y su transformación, consideremos algunas fronteras que los químicos
exploran actualmente (figura 1.1). Sin importar las razones por las que tome un curso de
introducción a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitirá apre-
ciar sus efectos en la sociedad y en usted.
1.2 Estudio de la química
En comparación con otras disciplinas, es común 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, si éste es el primer
curso de química que toma usted, ya está familiarizado con el tema mucho más de lo que
supone. En las conversaciones cotidianas escuchamos palabras relacionadas con la quími-
ca, si bien no necesariamente usadas en el sentido científicamente correcto. Ejemplo de
ello son términos como “electrónica”, “salto cuántico”, “equilibrio”, “catalizador”, “reac-
ción en cadena” y “masa crítica”. Además, si usted cocina, ¡entonces es un químico en
acción! 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 com-
pleto. También aplica los principios de la química y la física cuando usa el bicarbonato
de sodio en la elaboración de pan; una olla a presión para abreviar el tiempo de prepara-
ción de guisos, añade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limón sobre rebana-
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1.2 Estudio de la química 3
das de pera para evitar que se tornen oscuras o sobre el pescado para minimizar su olor,
o agrega 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 usted piense
como químico, que vea el mundo macroscópico, lo que podemos ver y tocar directamen-
te, y visualice las partículas y fenómenos del mundo microscópico que no podemos expe-
rimentar sin la tecnología moderna y nuestra imaginación.
Al principio es factible que le confunda que su profesor de química y este libro alter-
nen de manera continua entre los mundos microscópico y macroscópico. Simplemente
debe tener presente que los datos de las investigaciones químicas provienen de observa-
ciones 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 quími-
cos con frecuencia 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.
Figura 1.1 a) Salida de datos de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada línea muestra
una secuencia (indicada por colores distintos) obtenida de muestras distintas de ADN. b) Un
supercapacitor de grafeno. Estos materiales proporcionan algunas de las tasas más altas conocidas
de energía-volumen y tiempos de respuesta. c) Producción de celdas fotovoltaicas utilizadas para
convertir luz en corriente eléctrica. d) La hoja de la izquierda se tomó de una planta de tabaco no
sometida a ingeniería genética y expuesta a la acción del gusano del tabaco. La hoja de la derecha sí
fue sometida a ingeniería genética y apenas la atacaron los gusanos. Es posible aplicar la misma
técnica para proteger las hojas de otras clases de plantas.
a) b)
c) d)
Grafeno
Óxido de grafito
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4 Capítulo 1 ■
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 proce-
dimiento en sus investigaciones. El primer paso consiste en definir de manera minuciosa
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 univer-
so que se investiga. (En los ejemplos anteriores 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
números 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, que
es una explicación tentativa de un conjunto de observaciones. Luego, se diseñan experi-
mentos 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, a menudo es aconsejable resumir la
información de manera concisa, como una ley. En la ciencia, una ley es un enunciado
conciso, verbal o matemático, de una relación entre fenómenos que es siempre la misma
bajo iguales condiciones. Por ejemplo, la segunda ley del movimiento de sir Isaac Newton,
que 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 ley es que el aumento en la masa o en la
88n
Fe
Fe2O3
O2
Figura 1.2 Vista molecular simpliﬁcada de la formación de la herrumbre (Fe2O3) a partir de átomos de hierro (Fe) y moléculas de
oxígeno (O2). En realidad, el proceso requiere agua y la herrumbre también contiene moléculas de agua.
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1.3 El método cientíﬁco 5
aceleración de un objeto siempre incrementa en forma proporcional 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 con-
vertirse 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 sometidas a valoración cons-
tante. 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 tardar 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 de esto. Se precisaron más
de 2000 años para confirmar este principio fundamental de la química que propuso
Demócrito, un filósofo de la antigua Grecia. Un ejemplo más contemporáneo es la inves-
tigación del bosón de Higgs, que se comenta en la página 6.
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 termi-
nen con enfoques distintos. Después de todo los científicos son seres humanos, y su forma
de pensar y trabajar está sujeta a la influencia considerable de sus antecedentes, su capa-
citación y su personalidad.
El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y, a veces, ilógico. Los grandes descubri-
mientos son resultado de las contribuciones y las 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 prepara-
das”. Se requiere atención y capacidad para reconocer la importancia de un descubrimien-
to 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 proyectos 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
desapercibidos. 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 a muchos científicos en el laboratorio.
¿Cuál de los siguientes enunciados es verdadero?
a) Una hipótesis siempre conduce a la formulación de una ley.
b) El método científico es una secuencia rigurosa de pasos para la resolución de
problemas.
c) Una ley resume una serie de observaciones experimentales; una teoría ofrece una
explicación de esas observaciones.
Representación
Observación Interpretación
Figura 1.3 Los tres niveles del estudio de la química y su relación. La observación corresponde a
fenómenos en el mundo macroscópico; los átomos y moléculas conforman el mundo microscópico. La
representación es una escritura cientíﬁca abreviada que describe un experimento con símbolos y
ecuaciones químicas. Los químicos usan su conocimiento de los átomos y moléculas para explicar un
fenómeno observado.
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6 Capítulo 1 ■
1.4 Clasiﬁcación de la materia
En la sección 1.1 definimos 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 podemos ver y tocar (como el agua, la tierra y los árboles) y lo que no podemos
ver ni tocar (como el aire). Así pues, todo en el universo tiene una conexión “química”.
6
QUÍMICA en Acción
En este capítulo identificamos a la masa como una propiedad
fundamental de la materia, pero se ha preguntado: ¿por qué
incluso la materia tiene masa? Podría parecer obvio que “todo”
tiene masa, pero, ¿es eso un requisito de la naturaleza? Veremos
más adelante, en nuestros estudios, que la luz se compone de
partículas que no tienen masa cuando están en reposo, y la física
nos dice que bajo diferentes circunstancias el universo podría no
contener nada con masa. De hecho sabemos que nuestro univer-
so está conformado por una cantidad incontable de partículas
con masa, y estos bloques constitutivos son necesarios para for-
mar los elementos que permiten a la gente plantear tales pregun-
tas. La investigación que se lleva a cabo para responder esta
pregunta ilustra bien el proceso que conocemos como el método
científico.
Los modelos teóricos actuales nos dicen que todo en el uni-
verso se basa en dos tipos de partículas elementales: bosones y
fermiones. Podemos distinguir las funciones de estas partículas
si consideramos que los bloques constitutivos de la materia se
construyen a partir de los fermiones, en tanto que los bosones
son las partículas responsables de la fuerza que mantiene a los
fermiones unidos. En 1964, tres diferentes equipos de investiga-
ción propusieron, independientemente, mecanismos en los que
un campo de energía permea el universo y la interacción de la
materia con este campo se debe a un bosón específico asociado
con el campo. Cuanto mayor sea la cantidad de estos bosones,
mayor será la interacción con el campo. Esta interacción es la
propiedad que conocemos como masa, y el campo y bosón aso-
ciados fueron nombrados por Peter Higgs, uno de los físicos
originales que propuso este mecanismo.
Esta teoría desató una investigación frenética por el “bosón
de Higgs” que se convirtió en una de las misiones más proclama-
das de la ciencia moderna. El Gran Colisionador de Hadrones en
la CERN de Ginebra, Suiza (descrito en la página 875), se cons-
truyó con la intención de efectuar experimentos diseñados para
encontrar evidencia del bosón de Higgs. En estos experimentos,
los protones se aceleran a casi la velocidad de la luz en direccio-
nes opuestas en un túnel circular de 17 millas, y luego se dejan
colisionar, lo que genera partículas aún más fundamentales a
energías muy altas. Estos datos se examinan para encontrar evi-
dencia de un exceso de partículas a una energía consistente con
las predicciones teóricas del bosón de Higgs. El proceso teórico
en curso va sugiriendo experimentos que den resultados a partir
de los cuales se evalúe y, en última instancia, se refine una y otra
vez esta teoría, lo cual constituye la esencia del método científico.
La investigación del bosón de Higgs
Ilustración de los datos obtenidos en la descomposición del bosón de Higgs en otras
partículas luego de una colisión de 8 TeV en el Gran Colisionador de Hadrones de la
CERN.
El 4 de julio de 2012, los científicos de la CERN anunciaron
el descubrimiento del bosón de Higgs. Les llevó casi un billón de
colisiones protón-protón el producir un evento de bosón de Higgs,
lo que supone una enorme cantidad de datos obtenidos de dos
conjuntos de experimentos independientes para confirmar los
hallazgos. En ciencia, la búsqueda de respuestas nunca termina
por completo. Nuestro entendimiento siempre puede mejorarse o
refinarse, y algunas veces principios enteros de ciencia aceptada
se sustituyen por otra teoría que permite explicar mejor las
observaciones. Por ejemplo, los científicos no están seguros de si
el bosón de Higgs es la única partícula que confiere masa a la
materia, o si es sólo uno de los varios bosones de ese tipo predi-
chos por otras teorías.
Pero con el paso del tiempo, el método científico ha demos-
trado ser nuestra mejor manera de entender el mundo físico. Se
necesitaron 50 años para que la ciencia experimental validara la
existencia del bosón de Higgs. Este descubrimiento fue recibido
con fanfarrias y reconocido al año siguiente con el Premio Nobel
2013 de Física para Peter Higgs y François Englert, otro de los
seis científicos originales que propusieron la existencia de un
campo universal que da a las partículas sus masas. Es imposible
imaginar a dónde conducirá la ciencia nuestro entendimiento del
universo en los próximos 50 años, pero podemos estar casi segu-
ros de que muchas de las teorías y los experimentos que impul-
saron este descubrimiento científico serán muy diferentes de los
que empleamos hoy en día.
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1.4 Clasiﬁcación de la materia 7
Los químicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composición y
propiedades. La clasificación de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y com-
puestos, además de los átomos y moléculas, que estudiaremos en el capítulo 2.
Sustancias y mezclas
Una sustancia es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y
propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, el amoniaco, el azúcar de mesa
(sacarosa), el oro y el oxígeno. Las sustancias difieren entre ellas 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 son el aire, las bebidas gaseosas,
la leche y el cemento. Las mezclas no poseen composición constante. Así, las muestras
de aire obtenidas en distintas 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 cucha-
rada 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 acuosa al calentar esta última y
evaporarla por completo. La condensación del vapor permite recuperar el agua. En cuan-
to a la separación de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imán para separar las
virutas de hierro, ya que el imán no atrae a la arena misma [figura 1.4b)]. 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 iden-
tificado 118 elementos. La mayoría de éstos se encuentran de manera natural en la Tierra.
Los otros se han obtenido por medios científicos mediante procesos nucleares, que son
tema del capítulo 19.
a) b)
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, vidrio y plásticos.
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8 Capítulo 1 ■
Por conveniencia, los químicos usan símbolos de una o dos letras para representar los
elementos. Cuando son dos letras la primera siempre es mayúscula. Por ejemplo, Co es
el símbolo del elemento cobalto, en tanto que CO es la fórmula de la molécula monóxido
de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y símbolos de algunos de los ele-
mentos más comunes; en las páginas finales de este libro aparece una lista completa de
los elementos y sus símbolos. Los símbolos de algunos elementos se derivan de su nom-
bre 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 la mayoría de
los elementos y de sus descubridores.
Los átomos de una gran cantidad de 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 resu-
men en la figura 1.5.
¿Cuál de los siguientes diagramas representa elementos y cuál representa compuestos?
Cada esfera de color (o esfera truncada) representa un átomo.
Diferentes átomos coloreados indican diferentes elementos.
Nombre 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 Cl Mercurio Hg Tungsteno W
Cobalto Co Níquel Ni Yodo I
Cobre Cu Nitrógeno N Zinc Zn
Tabla 1.1 Algunos elementos comunes y sus símbolos
a) b) c) d)
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1.5 Los tres estados de la materia 9
1.5 Los tres estados de la materia
Por lo menos en principio, todas las sustancias pueden existir en tres estados: sólido, lí-
quido y gas. Como se muestra en la figura 1.6, los gases difieren de los líquidos y sólidos
en la distancia que media entre las moléculas. En un sólido, las moléculas se mantienen
juntas de manera ordenada, con escasa libertad de movimiento. Las moléculas de un
líquido están cerca unas de otras, sin que se mantengan en una posición rígida, por lo que
pueden moverse. En un gas, las moléculas están separadas entre sí por distancias grandes
en comparación con el tamaño de las moléculas mismas.
Son posibles las conversiones entre los tres estados de la materia sin que cambie la
composición de la sustancia. Al calentar un sólido (por ejemplo, el hielo) se funde y se
transforma en líquido (agua). (La temperatura en la que ocurre esa transición se denomi-
na punto de fusión.) Su calentamiento adicional convierte el líquido en gas. (Esta conver-
sión sobreviene en el punto de ebullición del líquido.) Por otra parte, el enfriamiento de
un gas hace que se condense en la forma de líquido. Al enfriar adicionalmente éste, se
congela, es decir, toma una forma sólida. Los tres estados de la materia se muestran en
Mezclas
homogéneas
Mezclas
Separación por
métodos químicos
Separación por
métodos físicos
Materia
Sustancias
Mezclas
heterogéneas
Compuestos Elementos
Figura 1.5 Clasiﬁcación de la materia.
Sólido Gas
Líquido
Figura 1.6 Representación microscópica de un sólido, un líquido y un gas.
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10 Capítulo 1 ■
la figura 1.7. Advierta que las propiedades del agua son únicas entre las sustancias comu-
nes, ya que las moléculas en su estado líquido están más cerca unas de otras que en el
estado sólido.
Un cubo de hielo se coloca en un recipiente cerrado. Cuando se calienta, el cubo de
hielo primero se derrite y después el agua hierve hasta formar vapor. ¿Cuál de los
siguientes enunciados es verdadero?
a) La apariencia física del agua es diferente en cada etapa de cambio.
b) La masa de agua es la mayor para el cubo de hielo y la menor para el vapor.
1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia
Se identifica a las sustancias por sus propiedades y su composición. El color, punto de
fusión y punto de ebullición son propiedades físicas. Una propiedad física se puede medir
Figura 1.7 Los tres estados de la materia. Un lingote caliente transforma el hielo en agua y luego en
vapor de agua.
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1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia 11
Combustión del hidrógeno en el
aire para formar agua.
a) b) c) d)
y observar sin que se modifique la composición o identidad de la sustancia. Por ejemplo,
es posible medir el punto de fusión del hielo al calentar un bloque de hielo y registrar la
temperatura en la que se convierte en agua. El agua difiere del hielo sólo en su aspecto,
no en su composición, de modo que se trata de un cambio físico; es posible congelar el
agua para obtener de nuevo hielo. De esta manera, el punto de fusión de una sustancia es
una propiedad física. De modo similar, cuando se afirma que el helio gaseoso es más
ligero que el aire se hace referencia a una propiedad física.
Por otra parte, la aseveración: “el hidrógeno se quema en presencia de oxígeno para
formar agua” describe una propiedad química del hidrógeno, ya que a fin de observar
esta propiedad debe ocurrir un cambio químico, en este caso, la combustión. Después del
cambio desaparece la sustancia química original, el hidrógeno, y sólo queda otra sustancia
química distinta, el agua. Es imposible recuperar el hidrógeno a partir del agua mediante
un cambio físico, como la ebullición o congelación.
Cada vez que se cuece un huevo ocurre un cambio químico. Cuando la yema y la
clara se someten a temperaturas cercanas a 1008C, experimentan cambios que no sólo
modifican su aspecto físico, sino también su composición química. Después al comerse el
huevo se modifica de nuevo, por efecto de sustancias del cuerpo humano llamadas enzimas.
Esta acción digestiva es otro ejemplo de un cambio químico. Lo que ocurre durante la
digestión depende de las propiedades químicas de las enzimas y los alimentos.
Todas las propiedades mensurables de la materia corresponden a una de dos categorías
adicionales: propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de una pro-
piedad extensiva depende de la cantidad de materia que se considere. La masa, que es
la cantidad de materia en una muestra dada de una sustancia, es una propiedad extensi-
va. Más materia significa más masa. Los valores de una misma propiedad extensiva pue-
den sumarse. Por ejemplo, dos monedas de cobre tienen la misma masa combinada que
la suma de las masas de cada moneda, en tanto que la longitud de dos canchas de tenis
es la suma de las longitudes de ambas canchas. El volumen, que se define como la lon-
gitud elevada al cubo, es otra propiedad extensiva. El valor de una cantidad extensiva
depende de la cantidad de materia.
El valor medido de una propiedad intensiva no depende de cuánta materia se consi-
dere. La densidad, que se define como la masa de un objeto dividida entre su volumen,
es una propiedad intensiva. También lo es la temperatura. Suponga que se tienen dos
matraces llenos de agua que están a la misma temperatura. Si se combinan para tener un
solo volumen de agua en un matraz más grande, la temperatura de este mayor volumen
de agua será la misma que en los dos matraces separados. A diferencia de la masa, lon-
gitud y volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas.
El diagrama en a) muestra un compuesto integrado por átomos de dos elementos
(representados por las esferas rojas y verdes) en estado líquido. ¿Cuál de los diagramas
en b) a d) representa un cambio físico y cuál un cambio químico?
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