Química inorgánica Francisco Higinio Recio del Bosque

Francisco Higinio Recio del Bosque
Universidad Autónoma de Coahuila
QUÍMICA
INORGÁNICA B A C H I L L E R A T O
C u a r t a e d i c i ó n
MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA
MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO
SAO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI
SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO
Revisión técnica
M. en Q. Ana María Muttio Rico
Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Qu´ímica
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Publisher: Jorge Rodríguez Hernández
Director editorial: Ricardo Martín Del Campo
Editor sponsor: Luis Amador Valdez Vázquez
Asistencia editorial: Anastacia Rodríguez Castro
Supervisor de producción: Jacqueline Brieño Álvarez
Diseño de interiores: APHIK, S.A de C.V.
Diseño de portada: José Palacios Hernández
Diagramación: Visión Tipográfica
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,
por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
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A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.
Punta Santa Fe
Prolongación Paseo de la Reforma 1015
Torre A, piso 17
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
ISBN 13: 978-970-10-6406-1
ISBN 10: 970-10-6406-2
ISBN Edición anterior: 970-10-5083-5
1234567890 09765432108
Impreso en China Printed in China
QUÍMICA
INORGÁNICA
C u a r t a e d i c i ó n
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Este libro está dedicado a:
Francisco Daniel
Mariana
Diego Alberto
David Abraham
Ana Karina
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En esta cuarta edición de Química inorgánica se satisfacen, en gran por centaje, los
contenidos programáticos de la disciplina en el nivel medio superior de los diferen-
tes subsistemas educativos, no sólo de México, sino de los países de habla hispana,
principalmente los latinoamericanos.
Desde siempre, la intención ha sido que los estudiantes apr ecien la química, no
sólo en forma teórica, alejada de su realidad, sino que sean conscientes de que es una
ciencia sumamente vinculada a su vida cotidiana.
Con este trabajo no se pr etende formar “químicos”, lo que se busca es cr ear in-
dividuos que tengan conciencia de su entorno, tanto ar tiﬁcial como natural, y que
aprecien los conocimientos que se muestran como herramienta v aliosa en la satis-
facción de sus necesidades presentes y futuras, sin olvidar a las generaciones que nos
van a preceder.
Los conocimientos que conforman lo que llamamos humanidades son tan impor-
tantes como los que se adquieren por medio de las ciencias, y en su conjunto permi-
tirán al alumno tener una visión más amplia de la r
ealidad que vive, para convertirse
en un mejor individuo para sí mismo, su familia y para la sociedad de la cual es par
te,
la que además, construye.
En Química orgánica los conocimientos referidos a la materia se presentan en seis
unidades cuyos contenidos teóricos están íntimamente relacionados con la vida co-
tidiana mediante lecturas, laboratorios, conceptos nuevos, experiencias y ejercicios,
con todo ello el estudiante advertirá el grado de comprensión de los conocimientos
que va obteniendo a lo largo del curso.
Cada tema inicia con un mapa conceptual, para que anticipadamente se advier
tan
las ideas relevantes de su contenido.
Es preciso mencionar que la práctica enseñanza-aprendizaje se fortalece mediante
la interacción docente-alumno cuando se cuestionan y analizan los conocimientos
para profundizar en ellos y enriquecerlos y así lograr el éxito en esta materia.
Agradeceré sobremanera las obser vaciones y/o comentarios que pr ofesores y
alumnos consideren útiles para mejorar el pr esente trabajo, favor de dirigirlos a:
yrm15152@mail.uadec.mx
Francisco Higinio Recio del Bosque
Saltillo, Coahuila, octubre de 2007
Presentación
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Francisco H. Recio del Bosque nació en la ciudad de S
al-
tillo, Coahuila, y su infancia transcurrió en la congr ega-
ción de Jamé, enclavada en la Sierra de Arteaga, Coahuila.
Se graduó como profesor de Educación Primaria en la Es-
cuela Normal de Coahuila, ejerciendo su profesión en la
Alta Tarahumara de Chihuahua. Es graduado como M
aes-
tro en Educación Media y Normal en la Escuela Normal
Superior de Monterrey, Nuevo León, en la especialidad
de Física y Química. Ha sido docente durante más de 30
años en escuelas secundarias y de bachillerato impar
tiendo
matemáticas, física y química. Ha sido presidente de academias de química locales
y regionales en los niveles medio básico y superior y desempeñando puestos admi-
nistrativos como subdirector en el nivel medio básico y dir ector en el nivel medio
superior, además de haber sido Coordinador de la Unidad Saltillo de la Universidad
Autónoma de Coahuila, lo que le ha permitido, sin abandonar la docencia, escribir
libros de química para los tr es grados de secundaria y los de química inorgánica,
orgánica y general para bachillerato.
Su pasión por la enseñanza de la química, ubicándola como par te de la vida co-
tidiana, más allá de la química teórica, le ha pr esentado la oportunidad de escribir
varias obras de esta disciplina editadas por McGraw-Hill Interamericana Editores.
Su pasatiempo consiste en cultivar en un huerto familiar, árboles frutales y verdu-
ras diversas, dedicado a su esposa, hijos y nietos, además de tocar la armónica como
aﬁcionado.
Acerca del autor
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UNIDAD 1 Objeto de estudio de la química 2
1.1 Química: una ciencia interdisciplinaria 6
Deﬁnición de química 6
División de la química 6
Relación con otras ciencias 7
Importancia y campo de acción de la química 7
Manos a la obra La química en la industria 9
Lectura La protección de la capa de ozono 11
1.2 Materia 11
Concepto de materia 11
Otras formas de la materia 16
Propiedades de la materia 17
Clasiﬁcación y composición de la materia 18
Manos a la obra Características de los elementos,
los compuestos y las mezclas 25
1.3 Energía 27
La energía y su relación con los cambios 27
Conservación 31
Manos a la obra ¿Qué ocurre cuando una vela se quema? 35
Lectura Compuestos químicos naturales contra productos sintéticos 36
UNIDAD 2 Estructura atómica y tabla periódica 40
2.1 Partículas subatómicas y modelos atómicos 42
Estructura básica del átomo 43
Partículas subatómicas fundamentales 43
Modelo atómico de Dalton 44
Modelo atómico de Thomson 47
Modelo atómico de Rutherford 47
Modelo atómico de Bohr 48
Modelo atómico de Sommerfeld 55
Lectura Los monitores para TV y computadoras y las luces de neón 46
Manos a la obra Espectros de emisión 56
2.2 Modelo atómico de la mecánica ondulatoria
y números cuánticos 57
Principio de dualidad 58
Principio de incertidumbre 58
Principio de Shrödinger 58
Contenido
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Principio de Dirac 59
Números cuánticos 59
Número cuántico principal 59
Número cuántico por forma 60
Número cuántico por orientación o magnético 63
2.3 Conﬁguraciones electrónicas 66
Principio de Aufbau 66
Estructuras de Lewis 71
2.4 Tabla periódica 73
Símbolos químicos 73
Número atómico 75
Número de masa 77
Isótopos 80
Desarrollo de la tabla periódica 82
Lectura Cuentos de isótopos 82
Manos a la obra Distribución electrónica 85
2.5 Principales familias de elementos 94
Metales alcalinos 96
Metales alcalinotérreos 97
Halógenos 100
Gases raros 101
Metales de transición 102
Metales de transición interna 102
Metaloides 102
Lectura Los ﬂuoruros y la caries dental 107
UNIDAD 3 Enlace químico: modelos de enlaces e
interacciones intermoleculares 112
3.1 Enlace químico 114
Regla del octeto 115
Representación de enlaces con estructura de Lewis 117
Enlace iónico 117
Enlace covalente 121
Enlace por coordinación 129
Enlace metálico 131
Manos a la obra El enlace de los compuestos 124
Lectura El brócoli, ¿un alimento milagroso? 127
3.2 Enlace molecular 133
Atracciones de Van der Waals 133
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Puente de hidrógeno 134
Propiedades asociadas al puente de hidrógeno 135
Nuevos materiales 137
Lectura Origen del horno de microondas 137
Lectura Los fullerenos 139
UNIDAD 4 Nomenclatura de compuestos
químicos inorgánicos 142
4.1 Fórmula química 144
Fórmulas condensadas y desarrolladas 146
Lectura El dióxido de silicio: componente importante
en la corteza terrestre 147
4.2 Funciones químicas inorgánicas 148
Óxidos básicos 148
Óxidos ácidos o anhídridos 151
Hidróxidos 154
Ácidos (oxiácidos) 155
Ácidos (hidrácidos) 158
Sales (oxisales) 158
Sales (haloides) 160
Sales ácidas 161
Hidruros 162
Lectura No hay motivos para reír 153
Manos a la obra Antiácidos 167
Lectura ¿Cómo se inflan las bolsas de aire? 168
UNIDAD 5 Reacciones químicas 172
5.1 Reacciones químicas 174
Definición 177
Tipos de reacciones 179
Representación mediante ecuaciones 179
Clasificación general de las reacciones químicas 180
Reacciones termoquímicas 183
Elementos de termoquímica 183
Velocidad de reacción, definición y factores que la afectan 187
Lectura Consumismo y desarrollo sostenible 176
Manos a la obra Reacciones químicas 177
Manos a la obra Acción de las enzimas 189
Lectura ¿Envejecemos por oxidación? 190
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5.2 Balanceo de ecuaciones químicas 190
Deﬁnición 191
Método de aproximaciones o tanteo 191
Método redox 196
Método algebraico 202
Lectura El lanzamiento del transbordador espacial 199
Manos a la obra Tipos de reacciones químicas 203
Lectura Fertilizantes producidos por los rayos 205
UNIDAD 6 Estequiometría 208
6.1 Estequiometría 210
Leyes fundamentales 210
6.2 Cálculos estequiométricos 219
Composición porcentual 219
Fórmulas empíricas 224
Fórmulas moleculares 224
Fórmula real 225
Relaciones ponderales 229
Relaciones volumétricas 234
Porcentaje de rendimiento 237
Lectura El alcohol metílico: ¿combustible con futuro? 238
6.3 Normalización de volúmenes 239
Ley de Boyle 239
Ley de Charles 240
Ley de Gay-Lussac 241
Ley general de los gases 244
6.4 Contaminación del aire 245
Componentes más importantes del aire 245
Efecto invernadero y calentamiento global del planeta 246
Inversión térmica 247
Esmog 247
Lluvia ácida 247
Índice Metropolitano de la Calidad del Aire (Imeca) 248
Lectura Contaminación del agua 249
Manos a la obra Ley de Boyle 250
Glosario 255
Bibliografía 260
Índice 261
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Unidad 1
Objeto de estudio
de la química
Contenido
¿Cuánto sabes?
1.1 Química: una ciencia interdisciplinaria
Manos a la obra La química en la industria
Lectura La protección de la capa de ozono
1.2 Materia
Manos a la obra Características de los elementos,
los compuestos y las mezclas
1.3 Energía
Manos a la obra ¿Qué ocurre cuando una vela se quema?
Lectura Compuestos químicos naturales contra
productos sintéticos
Actividades Lo que aprendí
Es indispensable conocer el mundo que nos rodea, ya que al
estar conectados con la naturaleza, debemos ser conscientes
de lo que le hacemos, pues nos lo hacemos a nosotros
mismos. En este conocimiento contribuye enormemente la
química.
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Objetivo de la unidad
El estudiante identiﬁcará, de manera crítica y cooperativa, el objeto de estudio de la química
y su relación con otras ciencias, mediante el reconocimiento de problemáticas de la sociedad
actual que involucren el uso de las propiedades de la materia, la energía y su interrelación.
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4
Introducción
El conjunto de todos los seres y hechos que nos rodean forman lo que se llamanatu-
raleza; estos hechos que obser vamos alrededor no se dan aislados y constituy en un
campo de estudio de ciencias que se r elacionan entre sí. Estas ciencias r eciben el
nombre de ciencias naturales y son principalmente: biología, física, química y astro-
nomía. La química es, pues, una ciencia natural.
Podemos definir a la ciencia como un conjunto sistematizado de conocimientos
ordenados lógicamente, que se refieren a hechos relacionados entre sí, que se pueden
comprobar mediante la experimentación, el uso de aparatos o de las matemáticas y
que conducen a la verdad relativa.
Los conocimientos que conforman una ciencia se logran mediante un pr oceso
llamado método científico. El primer paso de este método es la observación, que
consiste en recolectar información acerca de un problema mediante la utilización de
los sentidos; luego, se pr opone una hipótesis, que es una posible explicación de lo
observado. La hipótesis constituye el segundo paso y para saber si es correcta se debe
probar mediante la experimentación; este tercer paso consiste en repetir lo observado.
Los científicos aceptan las hipótesis que han sido compr
obadas mediante experimen-
tos y rechazan aquellas cuya comprobación experimental es insostenible.
La organización de los conocimientos así logrados se llama teoría. Una teoría es
una explicación basada en muchas obser vaciones y apoyada por los r esultados de
muchos experimentos (figura 1.1).
En esta unidad aprenderemos cómo se relaciona la química con otras ciencias; en
qué forma satisface nuestras necesidades, las propiedades mediante las cuales se pue-
den identificar los tipos de materia, así como la clasificación básica de ésta y la rela-
ción entre materia y energía.
Una ley científica es un hecho de la naturaleza que se observa con tanta frecuencia
que se acepta como verdad.
La palabra y su raíz
ciencia Scientia (latín)
conocimiento.
Conjunto de métodos y técnicas
para adquirir y organizar
conocimientos sobre un cúmulo
de fenómenos objetivos.
1. ¿Qué entiendes por química?
2. Escribe tres ejemplos de cómo inﬂuye la química en tu vida diaria.
3. ¿Qué entiendes por materia?
4. ¿Cuáles son los estados de agregación molecular de la materia?
5. ¿Cuáles ciencias se relacionan para dar lugar a la bioquímica?
6. ¿Es correcta la expresión “el agua, el líquido elemento”? ¿Por qué?
7. ¿Cuál es el concepto de energía?
8. ¿Qué entiendes por energía limpia?
¿Cuánto
sabes?
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Figura 1.1 Los métodos de la ciencia Los científicos realizan una serie de observaciones que los llevan a
varias hipótesis. Cada hipótesis debe comprobarse a través de un sinnúmero de experimentos. Si los resultados
experimentales no son acordes con la hipótesis, nuevas observaciones conducirán a otras hipótesis. La hipótesis
que se apoya en muchos experimentos se convierte en una teoría, la cual explica un hecho o fenómeno natural.
química Κηεμεια (griego)
relativo a los jugos o esencia
de las cosas.
Ciencia natural que estudia la
materia, su estructura, propiedades
y transformación a nivel atómico,
molecular y macromolecular.
Observación Observación Observación
Hipótesis
Experimento Experimento Experimento
Teoría
Tiempo y más experimentos
Teoría revisada
Revisión de hipótesis
Tantas veces como sea necesario
¿Por qué estudiar química?
Aunque en tu futuro profesional no consideres a la química como algo fundamental,
esta ciencia estará presente en tu vida diaria. Por ejemplo, alguna vez te has pregun-
tado: ¿de qué material es el env
ase de un refresco y de dónde proviene? Al desecharlo,
¿cómo afecta a la naturaleza? ¿Por qué ya no deben utilizarse compuestos de plomo
en las gasolinas y cuál es el efecto de este metal tanto en v
egetales como en animales?
¿Qué es y de dónde proviene el material con que se fabrican algunos platos “irrom-
pibles” y otros enseres de cocina? ¿Cuál es la utilidad de algunos disolv entes y por
qué debe controlarse su venta? ¿Por qué algunas prendas de vestir, al contacto con el
fuego se “funden” y otras se “queman”? ¿Por qué no se descomponen los alimentos
que se guardan en envases cerrados herméticamente? ¿Por qué es benéfico para la
agricultura el uso de insecticidas y fer tilizantes y cuál es el riesgo cuando se aplican
de forma indiscriminada? E l sodio y el clor o son elementos tó xicos; sin embargo,
¿por qué la sal de cocina, formada de la unión de estos elementos es una sustancia
indispensable para nuestro organismo? El carbono, el hidrógeno y el oxígeno forman
la aspirina y el azúcar de mesa, ¿por qué no puedes usar la primera para endulzar una
bebida o tomar una cucharada de azúcar para el dolor de cabeza?
La lista de preguntas es interminable. Al estudiar química comprenderás el mun-
do que te r odea, y aprenderás que el uso de las sustancias químicas pr oporciona
grandes beneficios a la humanidad, así como los riesgos que conlleva.
5
5
¿Por qué estudiar química?
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Unidad 1
Objeto de estudio de la química
6
Definición de química
La química es la ciencia que estudia la materia, su estr uctura íntima, sus cambios,
sus relaciones con la energía, las leyes que rigen esos cambios y esas relaciones.
De acuerdo con lo anterior, admitimos que la química estudia cómo está formada la
materia y sus transformaciones; ahora bien, debido a que lo que nos r
odea está constitui-
do de materia, resulta que el universo es objeto de estudio de esta ciencia.
No hay otra rama de la ciencia que tenga un campo de estudio tan amplio como
la química, y al analizar el campo de estudio de otras ramas del saber
, encontraremos
que la química tiene una estrecha relación con cualquier ciencia en particular.
División de la química
Como se indicó anteriormente, el campo de estudio de la química es muy amplio y,
por tanto, resulta imposible que alguien posea todos los conocimientos que consti-
tuyen esta ciencia. Esta razón y otras de carácter didáctico determinan que la quími-
ca se divida en varias ramas, las que comúnmente son:
• Química general Esta rama trata de los principios básicos que se refieren a la es-
tructura íntima de los cuerpos y sus propiedades. Se relaciona estrechamente con
la física.
• Química inorgánica Su campo de estudio se refiere a las sustancias que forman
el reino mineral. No estudia los componentes del carbono a ex cepción de los
compuestos oxigenados de este elemento.
• Química orgánica Estudia los compuestos del carbono. Se llama orgánica ya que
todos los compuestos orgánicos contienen en sus moléculas átomos de carbono.
se divide en
Energía
Cambios
Composición
Materia Alimentación
Vestido
Habitación
Salud
Transporte
Química
analítica
Matemáticas
Biología
Física
Astronomía
Geología
Química
orgánica
Química
inorgánica
Química
general
Química
su y sus
provocados por
que satisface necesidades de se relaciona con
estudia la
Mapa conceptual 1.1
1.1 Química: una ciencia interdisciplinaria
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• Química analítica Comprende los métodos de reconocimiento y determinación
de los constituyentes de los compuestos, tanto en su calidad (análisis cualitativo)
como en su cantidad (análisis cuantitativo).
• Fisicoquímica Comprende las leyes básicas de la química, así como las hipótesis
y teorías que se emplean para explicarlas.
• Bioquímica Su campo se refiere a los procesos químicos que ocurren en los seres
vivos.
Hay otros campos más concretos de aplicación de la química, como la termoquí-
mica, la electroquímica, la cinética química, etcétera.
Relación con otras ciencias
La relación de la química con otras ciencias da origen a ciencias intermedias que le
sirven de enlace, como se especifica en la figura 1.2.
Además, hay muchas otras ciencias que tienen que v er con la química, como la
medicina, la agricultura, la oceanografía, la ingeniería y las matemáticas; esta última,
debido a que el lenguaje matemático es empleado para r epresentar las ecuaciones
químicas, efectuar cálculos y, en general, para interpretar sus leyes.
Bioquímica
Biología
Físicoquímica
Física
Geología
Astronomía Astroquímica
Geoquímica
Transformaciones químicas
que ocurren en los seres
vivos: digestión, crecimiento,
etcétera
Efectos de la energía sobre
la materia.
Estudio del átomo
Cambios químicos ocurridos
en las rocas, en las diferentes
eras geológicas
Estructuras y constitución
de los astros
Química
Importancia y campo de acción de la química
Gracias a la aplicación científica de la química se han obtenido millar
es de sustancias
que el hombre ha creado para su bienestar; por ejemplo, una ayuda poder osa para
nuestro sustento ha sido la fabricación de abonos ar tificiales y productos químicos
que incrementan la cantidad y calidad de los alimentos, así como su conservación y
7
7
1.1
Química: una ciencia interdisciplinaria
Figura 1.2 Relación de la química
con otras ciencias.
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Unidad 1
8
utilización; también contribuye a nuestro vestido al proporcionar fibras artificiales
que sustituyen la demanda de fibras vegetales y animales que, como el algodón y la
seda, casi han sido desplazadas.
Asimismo, favorece nuestra salud al suministrar dr ogas y medicamentos que,
como las vitaminas y hormonas, quinina, sulfamidas, penicilina, anestésicos y desin-
Investiga
Escribe ejemplos de productos que
satisfagan tus necesidades de:
a) alimentación, b) vestido,
c) habitación, d) salud
y e) transporte.
Agrícola
Figura 1.3 La química está presente en la gran mayoría de las industrias.
Papelera
Alimentaria Metalúrgica
Electrónica Industria del vidrio
Textil Petroquímica
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La química en la industria
9
9
1.1
Química: una ciencia interdisciplinaria
fectantes, salvan y prolongan la vida humana al combatir y alejar la enfermedad,
aliviar el dolor y los sufrimientos de los infortunados y, por último, hace más fácil y
agradable la vida, al facilitarnos materiales de constr
ucción, comunicación, transpor-
te y la fabricación de gran número de productos que utilizamos diariamente.
La química es la base de casi 100% de industrias como la agrícola y ganadera, del
papel, de los alimentos, metalúrgica, electr ónica, el vidrio, textil, farmacéutica, pe-
troquímica y muchas otras más (figura 1.3).
En la siguiente lista de productos escribe el nombre de la in-
dustria que los produce (en algunos casos puedes mencionar
más de una industria).
a) Cartón: _________________________________
_______________________________________
b) Oro químicamente puro: _____________________
_______________________________________
c) Computadoras: ____________________________
_______________________________________
d) Fibra óptica: ______________________________
_______________________________________
e) Aspirina: ________________________________
_______________________________________
f) Fertilizantes: ______________________________
_______________________________________
g) Poliéster: ________________________________
_______________________________________
h) Lubricantes: ______________________________
_______________________________________
i) Fibra de algodón para prendas de vestir: __________
_______________________________________
j) Botellas: ________________________________
_______________________________________
k) Sustancias para teñir telas: ____________________
_______________________________________
l) Parabrisas: _______________________________
_______________________________________
m) Calculadoras: _____________________________
_______________________________________
n) Acero: __________________________________
_______________________________________
ñ) Leche condensada: _________________________
_______________________________________
o) Celofán: _________________________________
_______________________________________
p) Alimentos balanceados: ______________________
_______________________________________
q) Vacunas: ________________________________
_______________________________________
r) Mercurio para termómetros: ___________________
_______________________________________
Manos
a la obra
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Como podrás apreciar, la química existe en nuestr o entorno y juega un papel
preponderante en nuestra calidad de vida. Sin embargo, en ocasiones hay imprevis-
tos que nos pueden perjudicar. A continuación mencionamos algunos ejemplos.
DDT, dicloro-difenil-tricloroetano
El ddt es un famoso y potente plaguicida que se utiliz ó para comba-
tir plagas agrícolas y domésticas durante los años sesenta y a princi-
pios de los setenta del siglo pasado. Es un compuesto muy estable
que dura por lo menos ocho años en el ambiente.
No obstante, al acumularse en los tejidos grasos es fatal para
diversas clases de aves y peces y resulta altamente tóxico para el ser
humano.
Se han celebrado acuer dos internacionales para eliminar por
completo su empleo; por ello, se r ealizan experimentos para susti-
tuirlos por otros insecticidas menos tóxicos.
CFCs, clorofluorocarbonos
Con el nombre de freón se conoce a los compuestos gaseosos de metanos y
etanos que contienen flúor y cloro, es decir, son los clorofluorocarbonos (cfcs), los
cuales se han empleado para impulsar sustancias que se encuentran en latas que pr
o-
ducen aerosoles con sólo apretar una pequeña válvula. Como ejemplo podemos citar
perfumes, lacas, aromatizantes de ambiente, insecticidas, etcétera. Los clor ofluoro-
carbonos se licuan fácilmente y por ello también se emplean en refrigeradores y sis-
temas de aire acondicionado.
Como puedes apreciar, son relativamente útiles; no obstante, a últimas fechas se ha
sabido que son peligrosos porque destruyen las moléculas de ozono, un gas formado
por moléculas que contienen tres átomos de oxígeno (O3), en lugar de dos (O2), com-
puesto indispensable para la vida, ya que forma una capa pr otectora que existe en la
atmósfera alta y que absorbe la may or parte de la radiación ultravioleta (uv) pr ove-
niente del Sol.
Figura 1.4 El fue un
insecticida muy utilizado en los
años sesenta del siglo pasado;
sin embargo, fue prohibido a partir
de 1972 por su gran potencial
contaminante.
Figura 1.5 El ozono (O3) es
un alótropo del oxígeno que
constituye una barrera contra los
rayos , dañinos para la vida, y
forma una capa en la atmósfera
terrestre. Sin embargo, el uso
indiscriminado de clorofluorocarbonos
ha provocado el rompimiento de la
capa de ozono, lo cual pone en riesgo
la vida del planeta. En la ilustración
se muestra el “agujero” en la capa de
ozono situado sobre la Antártida.
¿Sabías que...?
El uso del se prohibió desde
1972. A la fecha su utilización está
rigurosamente controlada, y se
restringe al combate de insectos
que producen enfermedades al
hombre como el paludismo, el tifo
y el dengue.
Unidad 1
10
4/20/12 12:25:13 PM

La protección de la capa de ozono
Lectura
11
Figura 1.6 La mayoría de los refrigeradores actuales ya usan
sustancias alternas a los , que además de ser más eficientes,
no dañan la capa de ozono.
La destrucción de la capa de oz ono es extremadamente peligrosa, ya que la vida
terrestre se expone a un exceso de dicha radiación, la cual puede producir cáncer de la
piel, cataratas, reducir la respuesta del sistema inmunitario, inferir en el pr oceso de
fotosíntesis de las plantas y afectar el crecimiento del fitoplancton oceánico. La solu-
ción a este problema consiste en dejar de utilizar los clorofluorocarbonos.
En la actualidad se producen compuestos que contienen hidrógeno, flúor y car-
bono para utilizarlos como refrigerantes; es decir, no contienen cloro, que es el res-
ponsable de la destrucción de la capa de ozono.
1.2 Materia
Concepto de materia
En el mundo físico que nos r odea sólo hay materia que se manifiesta en forma de
masa o de energía y éstas se encuentran íntimamente r elacionadas. Pero, ¿qué es la
materia? Resulta difícil dar una definición de materia mediante términos corrientes.
11
11
1.2.
Materia
Los clorofluorocarbonos (s) son compuestos que contie-
nen átomos de cloro y de flúor unidos al carbono, son ideales
para los refrigeradores y acondicionadores de aire por ser no
tóxicos y no corrosivos. Sin embargo, sucede que la gran esta-
bilidad química de estas sustancias, que con anterioridad se
creyó constituía su princi-
pal virtud, es su caracte-
rística más grave. Estos
compuestos se fugan a la
atmósfera,yalsertanpoco
reactivos, persisten ahí du-
rante décadas. Sin embar-
go, a cierta altitud, los
sedescomponenporefec-
to de la luz ultravioleta, lo
que libera átomos de clo-
ro que provocan la des-
trucción de la capa de
ozono en la estratosfera.
Para evitar este problema,
las naciones industrializa-
das firmaron un acuerdo (llamado Protocolo de Montreal) que
prohíbe el uso de a partir de 1996.
Sin embargo, remediar esta situación implica encontrar
sustitutos para los s. Hasta el momento la búsqueda de
tales sustitutos está muy avanzada. La producción mundial de
s ya se ha reducido a la mitad con respecto al nivel de
1986, 1.13 millones de toneladas métricas. Mientras tanto,
una estrategia para el reemplazo de los s es cambiar a
compuestos similares que contienen átomos de carbono e
hidrógeno sustituidos por átomos de cloro. Por ejemplo, la
industria estadounidense de aparatos ha cambiado del freón-
12 (CF2Cl2), al compuesto CH2FCH3 (llamado HFC-134a),
para uso en refrigeradores domésticos, y la mayoría de los
nuevos automóviles y camiones que se venden en Estados
Unidos cuentan con acondicionadores de aire cargados con
HCF-134a.
La industria química de varios países ha respondido rápi-
damente a la emergencia que plantea el agotamiento de la
capa de ozono. Resulta alentador que podamos actuar así
cuando se presenta una crisis ambiental. Ahora necesitamos
mejorar el aspecto de mantener el entorno como una de las
principales prioridades conforme planeamos para el futuro.
Adaptada de Steven Zumdahl, Fundamentos de química, 5a. ed.,
McGraw-Hill Interamericana Editores, México, 2007, p. 486.
4/20/12 12:25:15 PM

Unidad 1
12
Materia
puede ser tiene se presenta en
estados como
Homogénea Heterogénea
Propiedades
está
formada
por
son las son las
que son
Gaseosa
Líquida
Sólida
Átomos
Generales Específicas
Cristales
líquidos
Materiales
amorfos
Plasmas
que
forman
Mezclas
heterogéneas
Sustancias
Mezclas
homogéneas
se clasifican en
se clasifican en
Moléculas
Disoluciones
Físicas Químicas
Elementos Compuestos
se
separan
por
de se separan por
Destilación
Decantación
Filtración
Centrifugación
Evaporación
Métodos
químicos
Métodos
físicos
Para nosotros, materia es todo aquello que constituye a los cuerpos; es la base del
universo, ocupa un espacio, tiene masa y energía. La materia se pr esenta en forma
muy diversa, pero toda ella tiene la misma estr uctura química: está formada por
átomos y moléculas.
La materia se presenta en tres estados de agregación molecular: gaseosa, líquida y
sólida. Durante muchos años el hombre trató de explicarse las diferencias entre estos
tres estados, así como los fenómenos de evaporación, condensación, fusión y solubi-
lidad de las sustancias. Fue hasta fines del siglo xix que se propuso la teoría cinética
molecular, la cual establece que el calor y el mo vimiento están relacionados con el
comportamiento de las moléculas y explica las propiedades de los estados de la ma-
teria. Los postulados de la teoría cinética son:
• La materia está constituida por pequeñas partículas llamadas moléculas.
• Las moléculas se encuentran en constante movimiento produciendo energía ciné-
tica que determina la temperatura del cuerpo.
• Las moléculas interactúan entre sí, interviniendo fuerzas de atracción (cohesión)
y separación (repulsión) entre ellas.
Mapa conceptual 1.2
4/20/12 12:25:16 PM

En los gases
La distancia entre las moléculas es muy grande y las fuer zas intermoleculares son
despreciables. Además, las colisiones entre las moléculas y las paredes del recipiente
son perfectamente elásticas (no pierden energía).
Por lo anterior, los gases presentan las siguientes características:
• Expansión Llenan todo el espacio donde se encuentran.
• Forma y volumen Indefinidos.
• Compresibilidad Se pueden comprimir, esto es, disminuyen su volumen al apli-
cárseles una fuerza.
• Baja densidad Las densidades son inferiores a las de líquidos y sólidos.
• Miscibilidad Si dos o más gases no reaccionan entre sí, al mezclarlos lo hacen de
una manera uniforme.
Figura 1.7 Modelo del
movimiento de una partícula de
gas Un disco de hockey viaja en
línea recta hasta que choca con el
borde de la cancha. Entonces,
rebota en línea recta, pero en una
nueva dirección. De la misma
forma, una partícula de gas se
mueve a través del espacio del
recipiente que lo contiene, en línea
recta. La velocidad del disco de
hockey es de alrededor de 1 m por
segundo, mientras que la partícula
de gas se mueve a una velocidad
mucho mayor, de 102 a 103 m por
segundo.
13
13
1.2
Materia
En los líquidos
La distancia entre las moléculas es pequeña y éstas cambian de lugar ordenadamente
sin ocupar posiciones definidas; es decir , las fuerzas de cohesión y repulsión se en-
cuentran equilibradas.
Por lo anterior, los líquidos presentan las siguientes características:
• Expansión limitada No se expanden indefinidamente como los gases.
• Forma No tienen forma definida, adquieren la forma del recipiente que los con-
tiene.
• Volumen Presentan volumen fijo sin impor tar la forma del r ecipiente que los
contiene.
• Compresibilidad Se comprimen ligeramente cuando ocurr e algún cambio de
temperatura o presión.
• Alta densidad Su densidad es mucho mayor que la de los gases.
• Miscibilidad Un líquido se mezcla con otro en el cual es soluble.
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Unidad 1
14
Figura 1.9 Cambios de estado
a) En un gas las moléculas se
mueven libremente a gran
velocidad. Su atracción mutua es
muy débil. b) En un líquido las
moléculas se atraen fuertemente
unas con otras. Están apiñadas pero
todavía se pueden mover. c) En un
sólido las partículas se atraen
fuertemente. Vibran alrededor de
sus ejes.
Figura 1.8 Modelo de líquidos
a) Las canicas se esparcen hasta
llenar el fondo del recipiente.
El volumen que ocupan no
puede reducirse. b) Cuando se hace
girar el recipiente, las canicas se
mueven en forma circular. c) Cuando
el recipiente se vuelca, las canicas
magnetizadas fluyen por la mesa.
En los sólidos
Las moléculas se encuentran más cercanas entre sí. Las fuerzas que predominan entre
ellas es la de cohesión. Por tanto, el movimiento de las moléculas consiste en la vi-
bración en torno a puntos fijos.
Los sólidos presentan las siguientes características:
• Expansión No se expanden cuando la temperatura varía.
• Forma Tienen forma definida.
• Volumen Su volumen es definido.
• Compresibilidad Los sólidos no se pueden comprimir.
• Alta densidad
• Miscibilidad Se mezclan con gran lentitud de tal forma que no lo podemos
apreciar.
a)
b)
c)
b) Líquido c) Sólido
Solidificación
Fusión
E
v
a
p
o
r
a
c
i
ó
n
C
o
n
d
e
n
s
a
c
i
ó
n
Deposición
S
u
b
l
i
m
a
c
i
ó
n
a) Gas
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Figura 1.10 Redes cristalinas
Las redes cristalinas se repiten a
través de todo el sólido. Aquí se
muestra la red cristalina del sulfuro
de plomo (II), que se encuentra en
el mineral galena.
15
15
1.2
Materia
Figura 1.11 Estructura de los cristales líquidos a) En algunos cristales líquidos, las moléculas están ordenadas
en líneas paralelas. Cuando la sustancia se funde, este ordenamiento se mantiene. b) En otros cristales líquidos,
las líneas paralelas de las moléculas están ordenadas en capas. Cuando estas sustancias se funden, las capas
permanecen en su lugar.
Otras formas de la materia
En ocasiones la materia pr esenta algunas formas que no pueden describirse como
sólido, líquido o gas. A veces son como sólidos o como gases, en otras se comportan
como un líquido. Estas formas de la materia son cristales líquidos, materiales amorfos
y plasmas.
Cristales líquidos
Cuando un sólido se funde, se desintegran sus r edes cristalinas y sus par tículas
pierden su patrón tridimensional. Sin embargo, cuando algunos materiales, llama-
dos cristales líquidos, se funden, pierden su organización rígida sólo en una o dos
dimensiones. Por ejemplo, el cristal líquido que se muestra en la figura 1.11, tiene
moléculas en forma de bastones. Las fuer zas interpartículas de un cristal líquido
son débiles y su ordenamiento se rompe con facilidad. Cuando se rompe la red, el
cristal puede fluir como un líquido. Actualmente se usan pantallas de cristales lí-
quidos (l cd, por sus siglas en inglés) en r
elojes, termómetros, calculadoras y compu-
tadoras portátiles, porque los cristales líquidos cambian de color a temperaturas
específicas.
Pb S Galena PbS
a) b)
4/20/12 12:25:17 PM

Unidad 1
16
Materiales amorfos
Un material amorfo tiene una red cristalina fortuita, desarticulada e incompleta. Las
ceras, la mantequilla y el algodón de dulce son ejemplos comunes de materiales
amorfos. Pese a que estos materiales tienen forma y v olumen fijos, no se clasifican
como sólidos, sino como materiales amorfos. En la figura 1.12 se compara la estruc-
tura de un sólido con un material amorfo.
Figura 1.12 Un sólido se
convierte en un material amorfo
a) El dióxido de silicio cristalino,
SiO2, tiene una estructura regular
de panal. b) Si se funde y luego se
enfría rápidamente, el dióxido de
silicio pierde su regularidad y se
convierte en un material amorfo.
amorfo A (griego) negación
y morfo forma.
Que no tiene forma.
Figura 1.13 Foco de luz fluorescente Cuando una pequeña corriente eléctrica calienta el electrodo, algunos
electrones de éste adquieren suficiente energía para abandonar la superficie y chocar con moléculas del argón
gaseoso, que se ioniza. A medida que se liberan más electrones, también se ionizan algunos átomos de mercurio,
con lo cual se forma el plasma. Los electrones y los iones mercurio chocan con los átomos de mercurio y sus
electrones, excitados, adquieren mayores niveles energéticos. Cuando los electrones excitados regresan a niveles
energéticos inferiores, liberan energía en forma de luz ultravioleta invisible. El recubrimiento de los focos
fluorescentes absorbe la luz ultravioleta y genera radiación de luz visible.
Plasmas
La forma más común de la materia en el universo, pero menos común en la Tierra,
es el plasma. El Sol y otras estrellas están formados por plasma, y puede encontrarse
también en las luces fluorescentes (figura 1.13). Un plasma es un gas ionizado que
conduce corriente eléctrica pero, igual que un alambre conductor común, es eléctri-
camente neutro porque contiene el mismo número de electrones libres que de iones
positivos. El plasma se forma a temperatura muy elevada, cuando la materia absorbe
energía y se separa formando iones positiv os y electrones o, en algunas ocasiones,
núcleos atómicos y electrones libres. En las estrellas, la energía que ioniza los gases se
produce como consecuencia de reacciones de fusión nuclear.
Si O
Electrodo
Recubrimiento
de fósforo cristalino
Átomo de
mercurio gaseoso
Átomo de
argón gaseoso
a) b)
¿Sabías que...?
El oxígeno es el elemento más
abundante en la corteza terrestre,
pero en el Universo es el
hidrógeno.
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Propiedades de la materia
Cuando un trascabo sube por el terr eno para vaciar su carga, podrías pr eguntarte:
“¿Qué es todo ese material?” A pesar de que sabes que todo eso son desper dicios de
la vida moderna como papel, vidrio, metal, plástico y más; aún persiste la pregunta:
“¿Qué es esto?” Los químicos quieren saber qué es cada porción de materia. ¿De qué
está formada (composición)? ¿Cómo están distribuidos sus átomos (estructura)? ¿Qué
hará el material ( comportamiento)? Cualquier característica que se pueda usar para
describir o identificar un pedaz o de materia es una pr opiedad de ésta. D e hecho,
cada sustancia tiene un conjunto de propiedades particulares, del mismo modo que
una persona tiene huellas digitales únicas. S i conoces las huellas digitales de una
sustancia, la puedes identificar.
Aunque se ha indicado una definición de materia, la mejor forma de reconocerla
y describirla es mediante sus propiedades.
Las propiedades de la materia son las características que la identifican; es decir
, las
diversas formas como son percibidas por nuestros sentidos, por ejemplo, color, olor,
densidad, estado de agr egación molecular, punto de fusión, punto de ebullición,
etcétera.
Propiedades generales
Las propiedades generales son aquellas características que posee la materia en general,
sin importar su estado de agregación molecular. Son propiedades generales:
• Extensión o volumen La materia ocupa un lugar en el espacio
. En el vacío no hay
materia.
• Peso Es atraída por fuerzas gravitatorias.
• Inercia Se opone a cambiar el estado de mo vimiento rectilíneo uniforme o de
reposo en que se encuentre.
• Impenetrabilidad Dos cuerpos no pueden ocupar al mismo tiempo el mismo lugar.
• Porosidad Entre las partículas que forman la materia existen espacios huecos.
• Divisibilidad La materia puede fragmentarse.
• Elasticidad Dentro de cierto límite, la materia se deforma cuando se le aplica una
fuerza y recupera su forma original al dejar de aplicarle dicha fuerza.
Propiedades específicas
Como ya se indicó, las anteriores características las posee todo tipo de materia, per o
ésta se encuentra formada por infinidad de sustancias que distinguimos debido a que
presentan características particulares llamadas propiedades específicas, como son: color,
olor, sabor, solubilidad, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, peso especí-
fico, etcétera. Por ejemplo, no podríamos difer enciar la sal del azúcar por su color ,
pero sí las distinguimos por su sabor; el agua se difer encia del alcohol por su olor; el
plomo del aluminio, por su densidad; la sal del azufr e, por su solubilidad en agua,
etcétera.
Podemos clasificar a las propiedades en físicas y químicas.
Propiedades físicas
Son propiedades físicas aquellas características que pr esenta la materia sin alterar su
estructura íntima, es decir , sin transformarse en otras sustancias distintas. Como
17
17
1.2
Materia
Investiga
Tu peso es de 55 kg en la Tierra.
Investiga si en la Luna pesarías lo
mismo. Encuentra la diferencia
entre peso y masa.
4/20/12 12:25:18 PM

Unidad 1
18
propiedades físicas podríamos mencionar los cambios de estado, el color , el olor, el
sabor, la dureza (propiedades organolépticas); el punto de fusión, el punto de ebulli-
ción, la densidad, el peso específico (constantes físicas); la maleabilidad, la ductilidad,
la solubilidad, etcétera.
Propiedades químicas
Las propiedades químicas son aquellas que presenta la materia al transformarse de una
sustancia a otras diferentes, alterando su estructura íntima. Como propiedades quí-
micas podríamos mencionar la combustibilidad, la comburencia, la mayor o menor
facilidad con que una sustancia se transforma en otra u otras diferentes, o se combi-
na con otras, etcétera.
Clasificación y composición de la materia
Ahora bien, para estudiar la materia es necesario un ordenamiento sistemático de la
misma. La figura 1.14 indica la clasificación básica de la materia en términos de
heterogénea y homogénea.
Materia
Homogénea Heterogénea
Mezclas
heterogéneas
Sustancias
Mezclas
homogéneas Soluciones
Elementos Compuestos
Figura 1.14 Clasificación básica de la materia.
heterogénea Hetero (griego)
diferente, otro; genes (griego)
origen, fuente.
Una mezcla heterogénea es distinta
en diferentes puntos.
homogénea Homo (griego) lo
mismo, semejante; genes (griego)
origen, fuente.
Una mezcla homogénea siempre es
la misma en todas partes.
Materia homogénea y heterogénea
La materia es heterogénea cuando podemos detectar en ella fácilmente, con la ayuda
de una lupa o microscopio, dos o más partes que la forman, cada una de las cuales
tiene propiedades distintas. Como ejemplo de materia heter ogénea podemos men-
cionar la madera y el granito: en la primera, distinguimos anillos o vetas de diferen-
te color y dureza, lo que hace suponer que se trata de div ersas clases de materia; en
el granito pueden apreciarse partículas de distinto aspecto, unas brillantes y oscuras
que son de mica, otras duras y transparentes que son de cuarzo y algunas traslúcidas
y grisáceas que son de feldespato.
La materia es homogénea cuando no podemos distinguir en ella las par tes que la
forman; por ejemplo, agua salada, acero, aluminio, sal de cocina, cobre, cal, etcétera.
4/20/12 12:25:18 PM

Sustancias
Las sustancias son aquellas clases de materia homogénea que tienen composición
definida e invariable y que presentan las mismas propiedades en todas sus partes. Son
sustancias, por ejemplo, el hierro, el agua, la sal, la plata, la cal, pero no el agua sala-
da, ya que esta última está formada por sustancias que poseen características difer
en-
tes (agua y sal) que pueden separarse por medios mecánicos.
Elementos
Por elemento entendemos una sustancia simple, elemental, que puede descompo-
nerse en otras más sencillas mediante procedimientos químicos ordinarios. Son ele-
mentos el hierro, el aluminio, la plata, el cobre, el carbono, el oxígeno, etcétera. (En
la actualidad se conocen 114 elementos.)
En la figura 1.15 podemos apreciar la abundancia relativa aproximada de los ele-
mentos en la corteza terrestre y en el cuerpo humano.
19
19
1.2
Materia
Figura 1.15 Composición del
cuerpo humano y de la corteza
terrestre La composición del
cuerpo humano es muy distinta a la
de la corteza terrestre. Los números
representan los porcentajes en
masa de cada componente. Los
elementos oxígeno e hidrógeno se
encuentran en la corteza y en el
cuerpo humano, pero el carbono
se concentra en los seres vivos.
Elemento Composición (%)
Oxígeno 46.0
Silicio 28.0
Aluminio 8.0
Hierro 6.0
Magnesio 4.0
Calcio 2.4
Potasio 2.3
Sodio 2.1
Hidrógeno 0.9
Otros 0.3
Compuestos
Un compuesto es una sustancia homogénea que resulta de la unión química de dos
o más elementos, por tanto, puede experimentar descomposición ulterior
. Son com-
puestos: el agua, la sal, el ácido sulfúrico, el dióxido de carbono, el alcohol etílico, el
azúcar, el benceno, el butano y cientos de miles más. A las par tes que forman un
compuesto se les llama constituyentes; así, por ejemplo, los constituy entes del agua
son hidrógeno y oxígeno; de la sal común (cloruro de sodio) son el sodio y el cloro;
del ácido sulfúrico son el hidrógeno, el azufre y el oxígeno.
Elemento Composición (%)
Oxígeno 65.0
Carbono 18.5
Hidrógeno 9.5
Nitrógeno 3.3
Calcio 1.5
Fósforo 1.0
Azufre 0.3
Otros 0.9
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Unidad 1
20
Como características de los compuestos podríamos mencionar las siguientes:
• Las partes que los forman pierden sus propiedades originales.
• Durante su formación hay manifestaciones de energía.
• La proporción de los constituyentes que forman un compuesto es fija.
• Los constituyentes sólo se pueden separar por medios químicos. (Compara estas
características con las de las mezclas que se mencionan más adelante.)
Respecto de las características de que los compuestos únicamente se pueden sepa-
rar por medios químicos, es posible afirmar que, por ejemplo, al separar los consti-
tuyentes del agua se obtienen dos sustancias completamente difer
entes. Las otras son
gaseosas; una de ellas es combustible (el hidrógeno) y la otra comburente (el oxígeno).
Esto indica que el agua se ha transformado en otras sustancias cuya estr
uctura íntima
es distinta: ha ocurrido un cambio químico. Al llevarse a cabo esta operación, deci-
mos que se ha efectuado el análisis del agua.
Hasta ahora hemos establecido algunos conceptos generales, par tiendo de la cla-
sificación de la materia y de que ésta tiene la misma estructura química: está forma-
da por átomos y moléculas, pero ¿qué es un átomo?, ¿qué es una molécula?
Cuadro 1.1 Algunos compuestos comunes.
Nombre del compuesto Fórmula Usos
Acetaminofén C8H9NO2 Analgésico
Ácido acético C2H4O2 Ingrediente del vinagre
Amoniaco NH3 Fertilizantes, limpiadores domésticos cuando está disuelto en agua
Ácido ascórbico C6H8O6 Vitamina C
Aspartame C14H18N2O5 Edulcorante artiﬁcial
Aspirina C9H8O4 Analgésico
Bicarbonato de sodio NaHCO3 Para cocinar
Butano C4H10 Combustible de encendedores
Cafeína C8H10N4O2 Estimulante del café, té y algunas bebidas
Carbonato de calcio CaCO3 Antiácido
Dióxido de carbono CO2 Para carbonatar bebidas gaseosas
Etanol C2H6O Desinfectante, bebidas alcohólicas
Etilenglicol C2H6O2 Anticongelante
Ácido clorhídrico HCl Llamado ácido muriático, limpia morteros para los tabiques
Hidróxido de magnesio Mg(OH)2 Antiácido
Metano CH4 Gas natural, combustible
Ácido fosfórico H3PO4 Saborizante de bebidas
Tartrato de potasio K2C4H4O6 Crema tártara, para cocinar
Propano C3H8 Combustible para cocinar
Sal NaCl Saborizante
Carbonato de sodio Na2CO3 Sosa para lavar
Hidróxido de sodio NaOH Limpieza de cañerías
Sacarosa C12H22O11 Edulcorante
Ácido sulfúrico H2SO4 Ácido de las baterías
Agua H2O Para lavar, cocinar, limpiar
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Átomos
El átomo es la partícula más pequeña en que se puede dividir la materia mediante
procedimientos químicos, que interviene en los cambios o reacciones químicas.
Moléculas
Para dar respuesta a estas preguntas, consideremos las siguientes sustancias: agua, sal
(cloruro de sodio) y oxígeno. Las tres están constituidas pormoléculas, es decir, si las
dividimos hasta obtener la última partícula de agua, sal y oxígeno, lo que tendríamos
sería una molécula de cada una de estas sustancias.
Una molécula de agua es la par tícula más pequeña que sigue siendo agua; una
molécula de oxígeno es la partícula más pequeña de esta sustancia que sigue siendo
oxígeno. En resumen, una molécula es la menor por ción en que la materia puede
dividirse por medios físicos conservando las características de las sustancias.
Dada la pequeñez de estas partículas es difícil imaginar su tamaño; su diámetr o es
del orden de diez millonésimos de milímetro. La unidad para medir las moléculas es el
angström.
Å =
1
10 000 000
mm = 1×10−10
m
Las dimensiones de las diferentes moléculas dependen de su clase. Para imaginar
su tamaño consideremos una gota agrandada hasta el v olumen de la Tierra, cada
molécula de agua tendría aproximadamente el tamaño de una naranja.
En cualquier estado de agregación molecular, éstas no se tocan; entre ellas existen
espacios huecos (poros) llamados espacios intermoleculares. La aparente continuidad
de la materia se debe al limitado poder separador de nuestros sentidos.
Ahora bien, considerando las moléculas de las sustancias que hemos mencionado
como ejemplo (agua, sal y oxígeno), las del agua están formadas por tr
es partículas más
pequeñas; las de sal, por dos y las del o xígeno por dos partículas. Estas partículas que
forman las moléculas son los átomos.
La molécula del agua está formada por dos átomos de hidr
ógeno y uno de oxígeno
(figura 1.16) la de sal por uno de sodio y otr o de cloro, y la del o xígeno por dos
átomos de oxígeno.
Como puedes deducir, las moléculas de agua están formadas por átomos de dis-
tinta clase, lo mismo las de sal, ya que estas sustancias son compuestos. Las de o
xíge-
no, que es un elemento, están formadas por átomos de la misma clase.
En general, los compuestos son sustancias cuyas moléculas están formadas por dos
o más tipos de átomos.
Soluciones
El ejemplo mencionado en el apartado “Sustancias” (agua salada), representa lo que
en química se llama solución y de acuer do con la figura 1.14, una solución es una
mezcla homogénea que puede tener composición v ariable. Fundamentalmente las
soluciones constan de dos partes: el disolvente y el soluto. El disolvente es la parte que
existe en mayor proporción, y el soluto la que se encuentra en menor pr oporción. Las
soluciones pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas, siendo las más comunes las líquidas.
Puede haber soluciones gaseosas, por ejemplo, de gas en gas (air e); de líquido en
gas (niebla) y de sólido en gas (humo); líquidas, de gas en líquido (bebidas gaseosas);
21
21
1.2
Materia
Figura 1.16 Dos átomos de
hidrógeno y uno de oxígeno
forman una molécula de agua.
átomo Atoms (latín), y éste del
griego atomos, indivisible o no
divisible.
Unidad más pequeña en que se
puede dividir la materia.
O
H
H2O
H
4/20/12 12:25:19 PM

Unidad 1
22
de líquido en líquido (alcohol en agua) y de sólido en líquido (sal en agua), y
sólidas, de gas en sólido (hidrógeno en platino), de líquido en sólido (amalgama de
plata) y de sólido en sólido (acero).
Cuadro 1.2 Algunas aleaciones comunes.
Nombre de la
aleación
Composición como porcentaje en masa
Usos
Acero inoxidable
Hierro (Fe) 73-79%
Cromo (Cr) 14-18%
Níquel (Ni) 7-9%
Utensilios de cocina, cuchillos,
cubiertas inoxidables
Bronce
Cobre (Cu) 70-95%
Zinc (Zn) 1-25%
Estaño (Sn) 1-18%
Esculturas, películas
Latón
Cobre (Cu) 50-80%
Zinc (Zn) 20-50%
Plateado, adornos
Platería
Plata (Ag) 92.5%
Cobre (Cu) 7.5%
Joyería, vajillas
Oro de 14 kilates
Oro (Au) 58%
Plata (Ag) 14-28%
Cobre (Cu) 14-28%
Joyería
Oro blanco de 18
kilates
Oro (Au) 75%
Plata (Ag) 12.5%
Cobre (Cu) 12.5%
Joyería
Soldadura (para
electrónica)
Estaño (Sn) 63%
Plomo (Pb) 37%
Conexiones eléctricas
Mezclas
Hemos visto que las soluciones son mezclas homogéneas y en general podemos definir las
mezclas, ya sean homogéneas o heterogéneas, como la materia que resulta de la unión apa-
rente (no química) de dos o más sustancias, las cuales reciben el nombre de componentes.
Como característica de las mezclas podríamos mencionar las siguientes:
• Las partes que las forman no pierden sus propiedades originales.
• Durante su formación no hay manifestaciones de energía.
• La proporción de los componentes es variable.
• Sus componentes se pueden separar por medios físicos.
Métodos de separación de mezclas
Existen varios métodos de separación de mezclas y su uso depende de las características
de los componentes que las forman. C uando se aprovecha la diferente densidad de
los componentes se emplea la decantación, la filtración o la centrifugación.
Decantación En este método se deja reposar durante cierto tiempo una mezcla de com-
ponentes sólidos y líquidos, para que la acción de la gravedad los separe (figura 1.17).
Filtración Este procedimiento se basa en el empleo de material por oso que retiene
las partículas sólidas, mientras deja pasar el líquido en el que estas partículas estaban
en suspensión. Por lo general, el material por oso se acomoda en un embudo para
facilitar la separación (figura 1.18).
4/20/12 12:25:19 PM

23
23
1.2
Materia
Centrifugación En ocasiones la sedimentación del sólido es muy lenta y se acelera
mediante la acción de la fuerza centrífuga. Se coloca la mezcla en recipientes que se
hacen girar a gran velocidad; los componentes más densos se depositan en el fondo
(figura 1.19).
Figura 1.17 Decantación Para
separar los componentes de una
mezcla, se aprovecha la fuerza de
gravedad.
Figura 1.19 Centrífuga eléctrica La fuerza
centrífuga acelera la sedimentación de los
componentes sólidos de una mezcla.
Figura 1.18 Filtración Utiliza un
material poroso para separar
partículas sólidas de un líquido.
Hay otros procedimientos en los que se apr
ovecha el diferente punto de ebullición
de los componentes: tales pr ocedimientos son la ev aporación, la sublimación y la
destilación.
Evaporación Este método se emplea para separar un sólido de un líquido, cuando
se quiere recuperar el sólido. Simplemente se calienta la mez cla y al ev aporarse el
componente líquido queda el sólido en el recipiente.
Arena
Agua
Aceite
Agua
Aceite
Agua
Filtro
Embudo
4/20/12 12:25:19 PM

Unidad 1
24
Figura 1.22 Alambique común
para la destilación del agua.
Sublimación Este procedimiento se utiliza para separar al yodo de otros materiales
sólidos, ya que el yodo se sublima al calentarlo, es decir, pasa directamente del esta-
do sólido al gaseoso y se condensa en una superficie fría (figura 1.20).
Destilación Este método consta de dos procesos fundamentales: evaporación (paso
de líquido a vapor) y condensación (paso de vapor a líquido). Mediante este proce-
dimiento se puede separar un líquido de un sólido, evaporando el líquido y conden-
sándolo en un aparato especial llamado r efrigerante. También se puede separar un
líquido de otro (agua y acetona), aprovechando sus diferentes puntos de ebullición.
Por este método se obtiene el agua químicamente pura, llamada agua destilada. Ob-
serva las figuras 1.21 y 1.22.
Figura 1.21 Destilación
Mediante procesos de evaporación
y condensación se separan los
componentes de una mezcla. En
dos líquidos, se aprovecha la
diferencia entre sus puntos de
ebullición.
Termómetro
Residuo
Desagüe
Condesador
Entrada de agua Destilado
Receptor
Trozos de vidrio
o porcelana
para impedir la
ebullición violenta
Mechero
Rejilla metálica
que distribuye
el calor
Salida de
agua fría
Agua destilada
Entrada de
agua fría
Vapor
Agua en
ebullición
Figura 1.20 Sublimación Al
calentar el yodo, éste pasa al estado
gaseoso y luego se condensa.
4/20/12 12:25:20 PM

25
25
1.2
Materia
Características de los elementos, los compuestos y las mezclas
Manos
a la obra
Materiales y sustancias
• mechero
• tubo de ensayo
• imán
• azufre en polvo (2 g)
• limadura de hierro (2 g)
Procedimiento
1. Revuelve la mitad del azufre en la mitad del hierro.
Ahora tienes: azufre en polvo, hierro en polvo, azufre y
hierro revueltos, y sulfuro de hierro.
2. Mezcla parte de la otra mitad del hierro y del azufre y co-
lócalo en el tubo de ensayo, ahora caliéntalo con cuidado.
3. Escribe las características que se piden en la tabla de
resultados de la página siguiente.
4. Analicemos estas observaciones, en especial, las dos
últimas ﬁlas de la tabla mencionada.
a) ¿Es soluble el azufre en bisulfuro de carbono?
____________________________________
____________________________________
b) ¿Se disuelve el hierro en bisulfuro de carbono?
____________________________________
____________________________________
c) Del azufre y hierro revueltos ¿qué parte es la que se
disuelve en bisulfuro de carbono?
____________________________________
____________________________________
Hay otro procedimiento que combina algunos de los ya descritos y que r ecibe el
nombre de separación por solubilidad. Si, por ejemplo, queremos separar una mezcla
cuyos componentes sean sal y carbón en polvo, se le agrega agua que disolverá sólo
la sal y, más tarde, la mezcla se filtra para separar el carbón, y el líquido filtrado (agua
salada) se separa por evaporación.
Hemos mencionado que la sal, el agua y el carbón (carbono cuando es química-
mente puro), son sustancias que en general se dividen en compuestos y elementos
(véase figura 1.14).
Separación de compuestos
El análisis es el procedimiento químico que permite conocer los constituy entes de un
compuesto. La síntesis es un proceso contrario al de análisis y consiste en formar un com-
puesto a partir de sustancias más sencillas.
El análisis puede ser cualitativo o cuantitativo. Es cualitativo cuando sólo interesa
conocer la clase de constituyentes que forman un compuesto, y cuantitativo cuando
se indica la cantidad de esos constituyentes.
Si la cantidad de los constituyentes se da en unidades de volumen, es análisis cuan-
titativo volumétrico y si se da en unidades de peso, es análisis cuantitativo gravimétrico.
Cuando se indica que el agua está constituida por hidr ógeno y oxígeno, se ha
hecho el análisis cualitativ o de esta sustancia. S i se determina que en el agua, por
cada 2 cm3 de hidrógeno existe 1 cm3 de oxígeno, el análisis es cuantitativo volumé-
trico, y será cuantitativo gravimétrico cuando se indica que por cada gramo de hi-
drógeno hay ocho de oxígeno.
4/20/12 12:25:22 PM

Unidad 1
26
d) ¿Perdió sus propiedades el azufre al revolverse con
el hierro?
____________________________________
____________________________________
e) ¿Se disuelve el sulfuro de hierro en bisulfuro de car-
bono?
____________________________________
____________________________________
f) ¿Perdió sus propiedades el hierro al formar sulfuro
de carbono?
____________________________________
____________________________________
g) ¿Es atraído el azufre por el imán?
____________________________________
h) ¿Atrae el imán al hierro?
____________________________________
i) Del azufre y hierro revueltos ¿qué parte es la que
atrae el imán?
____________________________________
____________________________________
j) ¿Perdió propiedades el hierro?
____________________________________
____________________________________
k) ¿Es atraído el sulfuro de hierro por el imán?
____________________________________
____________________________________
l) ¿Perdió sus propiedades el hierro al formar esta sus-
tancia?
____________________________________
____________________________________
5. Ahora toma la mitad del azufre y hierro revueltos y
colócalos en un tubo de ensayo.
6. Aplícale calor y espera unos minutos. Después compa-
ra la sustancia que se formó con el sulfuro de hierro
que tienes. ¿Es la misma sustancia?
____________________________________
____________________________________
7. Acércale un imán.
a) ¿Es atraída por el imán la sustancia que formaste?
____________________________________
____________________________________
b) ¿Hubo desprendimiento de energía cuando ésta se
formó?
____________________________________
____________________________________
c) ¿Conservó el hierro sus propiedades?
____________________________________
Azufre Hierro Azufre y hierro revueltos Sulfuro de hierro
Color
Olor
¿Se disuelve el bisulfuro de
carbono?
¿Es atraída por el imán?

27
27
1.3
Energía
8. Después de comentar con tus compañeros las siguien-
tes características, escribe sobre la línea si pertenecen a
un elemento, a un compuesto o a una mezcla.
a) El azufre está formado por átomos de la misma clase.
b) El azufre es una sustancia simple.
c) El azufre no se puede descomponer en sustancias
más sencillas.
Entonces el azufre es ______________________
a) El hierro está formado por átomos de la misma clase.
b) El hierro es una sustancia simple.
c) El hierro no se puede descomponer en sustancias
más sencillas.
Entonces el hierro es ______________________
a) En el azufre y el hierro revueltos hay átomos de
distinta clase.
b) El azufre y el hierro se pueden separar fácilmente
por medios físicos.
c) El azufre y el hierro al revolverse no pierden sus
propiedades.
d) Al revolver el azufre con el hierro no hay manifesta-
ciones de energía.
Entonces el azufre y el hierro revueltos son
____________________________________
a) El sulfuro de hierro está formado por átomos de
distinta clase que son átomos de hierro y átomos
de azufre.
b) El azufre y el hierro no se pueden separar por
medios físicos cuando forman el sulfuro de hierro.
c) El azufre y el hierro pierden sus propiedades al
formar sulfuro de hierro.
d) Al unirse el azufre con el hierro para formar sulfuro
de hierro se presentan manifestaciones de ener-
gía.
Entonces el sulfuro de hierro es _____________
1.3 Energía
La energía y su relación con los cambios
Se ha indicado que la masa y la energía están íntimamente r
elacionadas. Ahora bien,
la materia no se encuentra estática, constantemente se generan cambios en ella. Estos
cambios pueden ser de orden físico o químico.
Cambios físicos
Son fenómenos físicos aquellos cambios que sufre la materia sin alterar su estructura
íntima, es decir, sin que haya transformación de sustancias. Son cambios físicos do-
blar un alambre, fragmentar un trozo de madera, los cambios de estado (figura 1.9),
etcétera.
Cambios químicos
Los fenómenos químicos son aquellos cambios que producen alteraciones en la es-
tructura íntima de la materia, y ocurren cuando una o más sustancias se transforman
4/20/12 12:25:22 PM

Unidad 1
28
en otra u otras diferentes. En química denominamos a estos cambios reacciones quí-
micas. Son cambios químicos la combustión, la oxidación del hierro, el agriado de la
leche, etcétera.
En estos cambios, ya sean físicos o químicos, está pr esente la energía, por lo que
no es posible concebirla separada de la masa. U sualmente definimos a la energía
como la capacidad para efectuar un trabajo.
La energía mecánica sólo puede existir en dos formas: potencial y cinética.
Energía potencial Es aquella que se encuentra almacenada en un cuerpo en vir
tud de
su posición con respecto a otros cuerpos; es la energía disponible para efectuar un
trabajo en un momento dado. Tiene energía potencial desde el punto de vista físico,
el agua almacenada en una pr esa, un martillo que se encuentra a cier ta altura, un
resorte de acero, etcétera; y desde el punto de vista químico, podemos indicar que
toda la materia posee energía en estado potencial a la que se llama energía química,
la que se manifiesta cuando las sustancias reaccionan.
Energía cinética Es la que tienen los cuerpos en virtud de encontrarse en movimien-
to. La energía cinética depende de dos factores: la masa y la velocidad.
Cuando ocurre la transformación de energía potencial a cinética, apar ecen las
manifestaciones de energía que conocemos (calor, luz, electricidad, sonido, energía
nuclear, energía química, etcétera).
Por ejemplo, el agua almacenada en una presa (Ep) al poner en movimiento (Ec) a
una planta hidroeléctrica produce electricidad, la que en nuestr os hogares puede
transformarse en calor, sonido, luz, etcétera. Podemos mencionar también el sistema
de sustancias que forman un cerillo, las que poseen Ep en reserva (energía química)
que al reaccionar produce luz y calor.
provoca
Cambios
que son
Físicos
Químicos
Nucleares
Potencial y Cinética
Energía eléctrica
Energía luminosa
Energía caloríﬁca
Energía sonora
Energía química
Energía nuclear
Energía mecánica
Energía magnética
existe en forma
Energía
sus manifestaciones son
Mapa conceptual 1.3
¿Sabías que...?
La energía hidroeléctrica se origina
por el movimiento del agua, y la
energía termoeléctrica por la
combustión del material fósil,
como el carbón o los derivados
del petróleo.
4/20/12 12:25:22 PM

La energía que inter viene en las r eacciones químicas casi siempr e es calorífica,
aunque en ocasiones incluye energía eléctrica o luminosa.
Las reacciones químicas se denominan exotérmicas cuando hay desprendimiento
de calor y endotérmicas cuando lo absorben.
La rama de la química que estudia exclusivamente la energía calorífica que acom-
paña a un proceso químico se denomina termoquímica.
La unidad que se emplea para medir el calor es la caloría. Una caloría es la canti-
dad de calor necesario para elev ar 1°C la temperatura de un gramo de agua; 1 000
calorías constituyen una kilocaloría (kcal). La caloría corresponde al sistema métrico
de unidades. En el Sistema Internacional de Unidades (si) la unidad deriv ada de
energía es el joule (J).
1 cal = 4.184 J
El calor específico (Ce), propiedad específica de la materia, es la cantidad de calor
que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de sustancia.
Ce = cal/g°C
En el caso del agua es de 1 cal/g°C.
Figura 1.24 Una reacción
endotérmica Cuando los dos
compuestos tiocianato de amonio y
octahidrato de hidróxido de bario
se mezclan, se produce una
reacción en la cual se absorbe el
calor de los alrededores. El matraz
se enfría tanto, que si en el fondo
del matraz hubiera una película de
agua ésta se congelaría haciendo
que el matraz se adhiera a un
bloque de madera.
29
29
1.3
Energía
Figura 1.23 Una reacción
exotérmica La energía liberada
durante una explosión de
nitroglicerina rompe y mueve las
rocas. La compleja molécula de
nitroglicerina es transformada en
cuatro productos gaseosos: dióxido
de carbono, nitrógeno, oxígeno y
vapor de agua.
Sustancia J/g°C
Alcohol etílico 2.138
Hielo 2.03
Aluminio 0.88
Hierro 0.45
Plata 0.24
Mercurio 0.14
Oro 0.13
Cuadro 1.3 Calor específico de
algunas sustancias.
4/20/12 12:25:23 PM

Unidad 1
30
La cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de cierta cantidad
de materia se calcula multiplicando la masa (m) por el cambio de temperatura (∆t)
por el calor específico (Ce). Las unidades empleadas son: para la masa (m), el gramo
(g), para la temperatura (∆ t), el grado Celsius (°C) y para el calor específico (cal/
g°C). (El símbolo ∆ es la letra griega “ delta” y se emplea para indicar la v ariación
entre dos cantidades.)
Problemas resueltos
1. ¿Qué cantidad de energía calorífica, en joules y en calorías, se r equiere para calentar un
pedazo de hierro cuya masa es de 1.3 g de 25°C a 46°C?
Solución
Al consultar el cuadro 1.3 sabemos que el calor específico del hierro es de 0.45 J/g°C.
Sustituimos los valores conocidos en:
Calor = m Δt Ce
= (1.3 g) (46C – 25°C) (0.45 J/g°C)
= (1.3 g) (21°C) (0.45 J/g°C)
= 12 J
y sabiendo que 1 cal = 4.184 J, entonces:
12 J ⋅1 cal
4.184 J
= 2.87cal
Se necesitan 12 J o 2.87 cal.
2. Una muestra de metal puro de 2.8 g requiere 10.1 J de energía para que su temperatura
cambie de 21°C a 36°C. ¿De qué metal se trata?
Solución
En este caso necesitamos investigar el Ce.
Calor = m Δt Ce
Entonces:
Ce =
Calor
m Δt
Sustituyendo, tenemos:
Ce =
10.1 J
(2.8 g) (36 C − 21C)
=
10.1 J
(2.8 g) (15C)
=
10.1 J
42 g C
= 0.24 J / g C
Al consultar el cuadro 1.3 sabemos que la muestra se trata de plata.
4/20/12 12:25:24 PM

Ejercicios
1. ¿Cuántos joules se necesitan para elev ar la temperatura de 7.40 g de agua de 29.0°C a
46°C?
2. Calcula las calorías necesarias para elev ar la temperatura de 10 g de aluminio de 15°C
a 35°C.
3. Una muestra de 12.5 g de una aleación r equiere 145 J para elev ar su temperatura de
25°C a 110°C. Calcula el calor específico de la aleación.
En general, las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones que sólo
se refieren a la transformación de las sustancias, per
o no indican el cambio de energía
que tiene lugar en ellas. Cuando en esas ecuaciones se indica, en el segundo miem-
bro, el calor producido o absorbido, reciben el nombre de ecuaciones termoquímicas.
Por ejemplo:
H2SO4(ac) + Zn(s) → ZnSO4(ac) + H2(g) + 37.63 kcal*1
2H2(g) + ½O2 (g) → H2O(l) + 68.32 kcal
C(s) + O2(g) → CO2(g) + 94.05 kcal
BaO2(s) → BaO(s) + ½O2(g) – 18.6 kcal
H2O(g) + Cl2(g) → 2HCl(g) + ½O2(g) – 27.36 kcal
Así, las tres primeras reacciones son exotérmicas, mientras las dos últimas son en-
dotérmicas. Observa el signo positivo en las exotérmicas y el signo negativ o en las
endotérmicas.
Conservación
Leyes de conservación
En una reacción química con desprendimiento de energía, la masa no se altera, de
ahí que Antoine Laurent Lavoisier, al introducir el uso de la balanza para el estudio
de los cambios químicos, haya establecido la ley que lleva su nombre o ley de la con-
* La abreviatura (ac) signiﬁca que la sustancia se encuentra en solución acuosa, (l) en forma de
líquido, (s) como sólido y (g) en estado gaseoso.
Figura 1.25 Conservación de la
masa (átomos) Dos moléculas
de agua contienen dos áto-
mos de oxígeno y cuatro
átomos de hidrógeno. Cuando se
descomponen, forman una
molécula de oxígeno que tiene dos
átomos de oxígeno y dos moléculas
de hidrógeno que contiene cuatro
átomos de hidrógeno. Como toda
la materia está compuesta de
átomos y el número de átomos es
el mismo antes y después del
cambio químico, puedes decir que
la materia se conserva.
31
31
1.3
Energía
Átomo de hidrógeno
Moléculas de agua Moléculas de hidrógeno Moléculas de oxígeno
Átomo de hidrógeno
Átomo de oxígeno
Átomo de oxígeno
+
m
4/20/12 12:25:24 PM

servación de la masa : “En todo cambio químico, la cantidad de materia antes de
efectuarse dicho cambio, es la misma que resulta después de que se efectúa.” Se co-
noce más comúnmente de la siguiente manera: “La materia no se cr
ea ni se destruye,
sólo se transforma.”
Una ley semejante a la de la conservación de la energía indica que: “La energía no
se crea ni se destruye, sólo se transforma.”
En 1905, el destacado científico Alber t Einstein estableció que una pér dida en
masa corresponde a un desprendimiento de energía, y concluyó que “la masa es de
por sí transformable en energía”. La fórmula que establece esta relación es:
E = mc2
donde E = energía, m = masa y c2 = el cuadrado de la velocidad de la luz.
Como c tiene un valor muy grande (300 000 km/s), un valor muy pequeño de m
corresponde a una cantidad muy grande de energía (E).
Por ejemplo, un gramo de materia que se transforma totalmente en energía “
man-
tendría encendido un foco de 100 watts durante 40 000 años ”. La energía liberada
en las reacciones nucleares es tan grande, que resulta ser la fuerza más potente cono-
cida hasta ahora.
Las reacciones nucleares son de fisión. Se llama fisión al proceso de escisión (divi-
sión) de un núcleo pesado en dos partículas aproximadamente iguales. La fusión es
el proceso opuesto a la fisión y consiste en fundir (unir) átomos ligeros para formar
otro u otros de más peso. Por ejemplo:
Fisión de uranio
92
235
U + 0
1
n → 56
143
Ba + 36
90
Kr + 30
1
n + 4.6×1012
cal/mol
Fusión del hidrógeno
Unidad 1
32
Figura 1.26 Fisión del uranio En
esta fisión se produce una reacción
en cadena: un neutrón entra en el
núcleo de uranio-235 y provoca la
división del núcleo en núcleos más
pequeños. Al mismo tiempo se
liberan más neutrones que a su vez
son absorbidos por otros núcleos
de uranio.
9 neutrones
liberados
141
56 Ba
92
36 Kr
141
56 Ba
92
36 Kr
141
56 Ba
92
36 Kr
3 neutrones
liberados
Núcleo de
92
36 Kr
Núcleo de 141
56 Ba
Núcleo de 235
92 U
Un neutrón
se aproxima
3 neutrones
más de 235
92
U
4/20/12 12:25:24 PM

1
2
H + 1
3
H → 2
4
He + 0
1
n + Energía
Lo indicado anteriormente ha llevado al hombre a unificar las leyes de la conser-
vación de la masa y de la conservación de la energía en una sola, que establece: “En
cualquier reacción la masa-energía de los reactores (sistema inicial) es la misma que
la masa-energía de los productos (sistema final).” A esta ley se reconoce como ley de la
conservación de la materia. La comprobación experimental de la ecuación de Eins-
tein (E = mc2), tuvo lugar en forma trágica en la llamada bomba atómica.
En la actualidad, es de gran impor tancia para la humanidad la pr oducción de
energía por reacciones de fisión nuclear que se utilizan con fines pacíficos en plantas
eléctricas, industrias, barcos, naves espaciales, etcétera.
33
33
1.3
Energía
Figura 1.27 Fusión del hidrógeno Cuando un núcleo de hidrógeno-2 (deuterio) y uno de hidrógeno-3 (tritio)
experimentan una fusión nuclear, se forma un núcleo de helio-4 y un neutrón.
33
33
2
1 H 3
1 H 4
2 He n
1
0
+ +
+
m
+
m
Fuentes de energía
Las fuentes de energía primarias son aquellas donde un recurso natural se aprovecha
directamente para producir energía. Dentro de éstas encontramos: la energía prove-
niente del Sol, el petróleo, el carbón natural y el átomo.
La electricidad es una fuente secundaria, ya que se obtiene mediante la transfor-
mación de fuentes primarias a través de procesos físicos, químicos o nucleares.
Las plantas termoeléctricas producen electricidad mediante el calor que se produce
usando combustibles como el carbón y el petr óleo. Mientras que las plantas hidro-
eléctricas la producen aprovechando el movimiento del agua. Las nucleoeléctricas
aprovechan para producir la fisión del átomo del uranio.
Casi toda la energía proviene del Sol; por ejemplo, para producir electricidad con
las llamadas celdas solares como las que hacen funcionar a algunas calculadoras. N o
obstante, la eficiencia de estas celdas es r elativamente baja, está sujeta a variaciones
estacionales y es obstr uida por la pr esencia de nubes. P or ello, se inv estiga cómo
convertirla en una fuente común de electricidad para el consumo humano.
Otra forma de aprovechar la energía solar consiste en utilizar los vientos, laenergía
eólica, que hacen girar grandes aspas montadas en una torre, y que conectadas a una
turbina pueden producir electricidad.
Energía limpia
Las dos formas de energía citadas pr oducen lo que se denomina energía limpia, lo
cual no ocurre al utilizar carbón o petróleo.
33
33
4/20/12 12:25:26 PM

Unidad 1
34
34
En la actualidad, la mayor parte de la energía que utilizamos proviene de reaccio-
nes químicas como la combustión de sustancias fósiles (carbón y petr óleo). Es la
forma más barata; sin embargo, ha contribuido en gran medida a la contaminación
del ambiente al producirse gases como el bióxido de carbono (CO2) cuyo exceso en
la atmósfera produce el efecto invernadero; además del monóxido de carbono (CO)
que es altamente tóxico y óxidos de nitrógeno y azufre que son los causantes de la
“lluvia ácida” que deteriora el ambiente por su acción corrosiva. El dióxido de azufre
(SO2), al contacto con el oxígeno (O2) del aire produce trióxido de azufre (SO3), el
cual, al reaccionar con el vapor de agua que existe en la atmósfera, forma el ácido
sulfúrico (H2SO4), uno de los ácidos más fuertes.
No olvidemos que tanto el petróleo como el carbón mineral son recursos natura-
les no renovables y de continuar su explotación, como se ha v enido haciendo, se
agotarán.
Actualmente se investiga para producir combustibles que no provengan del petró-
leo o que no sean obtenidos en laboratorios químicos; por ejemplo, en gas metano y
alcoholes aprovechando la fermentación de la materia orgánica, ya que al entrar en
combustión producen una cantidad considerablemente menor comparada con
la combustión de la gasolina. También se ha estudiado el uso de la combustión de
hidrógeno para producir energía. Esta combustión es la menos contaminante, ya que
cuando el hidrógeno reacciona con el oxígeno sólo se produce agua.
En resumen, la energía solar constituirá un recurso importante en lo futuro, debi-
do a que, como se indicó anteriormente, genera “energía limpia”.
4/20/12 12:25:26 PM

35
35
1.3
Energía
Materiales y sustancias
• vela • plato hondo
• cerillos • cápsula de porcelana
• tubo de ensayo • popote
• matraz Erlenmeyer
• solución de hidróxido de
calcio (agua de cal, 200 mL)
Procedimiento
1. Enciende la vela.
2. Colócala horizontalmente de tal manera que caigan
varias gotas en el centro del plato.
3. Coloca inmediatamente la base de la vela sobre esas
gotas antes de que se solidifiquen, con el fin de fijarla
de manera firme.
4. Observa y contesta:
a) Dibuja la flama y descubre las regiones que aprecias;
indica su aspecto o color.
b) ¿Conserva la parafina su estado físico?
____________________________________
c) ¿Qué es lo que se quema y en qué forma ocurre la
combustión?
____________________________________
____________________________________
____________________________________
5. Coloca sobre la flama una cápsula de porcelana sin tocar la
parafina o el pabilo, retírala y observa lo que se depositó.
a) ¿Qué color tiene? _______________________
b) ¿Qué sustancia supones que es? ____________
6. Vierte en el tubo de ensayo la solución de hidróxido de
calcio hasta que se cubra la tercera parte.
7. Haz una inspiración profunda con el popote y usando
el tubo burbujea lentamente el gas que expeles en esa
solución.
a) ¿Qué color toma? _______________________
b) ¿Qué gas se expele durante el proceso respiratorio?
___________________________________
8. El dióxido de carbono reacciona con el hidrógeno de
calcio contenido en el tubo de ensayo formando carbo-
nato de calcio, el cual hace que se enturbie la solución.
9. Vierte el agua en el recipiente que contiene la vela de
manera que suba poco más de 1 cm.
10. Coloca el matraz Erlenmeyer invertido sobre la vela de
tal modo que quede bajo la superficie del agua.
a) ¿Se extiende la llama? ____________________
b) ¿Qué más observaste? ___________________
c) ¿Qué componente del aire permite la combustión?
____________________________________
¿Qué ocurre cuando una vela se quema?
Manos
a la obra
4/20/12 12:25:26 PM

Unidad 1
36
Compuestos químicos naturales contra productos sintéticos
Lectura
¿Son mejores las vitaminas, los fármacos y otras sustancias na-
turales que las purificadas o las sintéticas que producen las
compañías farmacéuticas? Algunos empaques de vitaminas tie-
nen un rótulo que dice completamente natural. Casi todas estas
vitaminas se extraen de fuentes vegetales o animales.
Cuando tienes dolor de cabeza, ¿qué tomas para calmarlo,
una taza de corteza de sauce o dos aspirinas? Los ingredientes
activos de los dos remedios tienen estructuras químicas se-
mejantes y los dos alivian el dolor de cabeza, pero el ácido
salicílico, el compuesto químico de la corteza del sauce, pro-
duce varios efectos colaterales dañinos, como dolor de estó-
mago, por ejemplo. Con la aspirina ocurre lo mismo, pero es
un analgésico más eficaz y se puede tomar en dosis más ba-
jas. La corteza del sauce contiene además otras sustancias
químicas.
Curar el cáncer Los científicos descubrieron que el taxol,
una sustancia química que se encuentra en la corteza del ár-
bol del tejo del Pacífico, disminuye el tamaño de los tumores
cancerosos de ovarios y mamas en 30 por ciento.
Este hallazgo traería como consecuencia que al presentar
dicho fármaco gran demanda podría destruir la población de
árboles del tejo, por tal razón se comenzaron a buscar otras
fuentes de taxol. Los investigadores Andrea y Donald Stierle
descubrieron un hongo que crece en el tejo y que produce
taxol. Otros encontraron que las agujas del tejo europeo con-
tienen un compuesto químico semejante al taxol. Los quími-
cos intentaron descifrar la estructura del taxol, y en 1994
lograron obtener taxol puro en el laboratorio.
¿Cuál taxol es mejor: el purificado naturalmente o el sinté-
tico? En realidad, la estructura química y la pureza de ambos
es idéntica; sin embargo, el hecho de que se pueda sintetizar
taxol es una gran ventaja porque las compañías farmacéuticas
pueden producirlo a menor costo y quizá modificar su estruc-
tura para aumentar su eficacia.
1. Investiga si el uso del taxol pudiera ser una amenaza para
el árbol del tejo del Pacífico y si el riesgo aún es preocu-
pante.
2. Construye ¿En qué se parecen las estructuras del ácido sali-
cílico y del ácido acetilsalicílico (aspirina)? ¿En qué difieren?
3. Analiza las ventajas y desventajas del uso de las yerbas
medicinales, de los fármacos naturales purificados y de los
fármacos sintéticos.
Adaptada de John S. Phillips, Victor S. Strozak y Cheryl Wistrom,
Química. Conceptos y aplicaciones, McGraw-Hill Interamericana
Editores, México, 2007, p. 32.
Figura 1.28 Compuestos químicos naturales contra sintéticos
En caso de un fuerte dolor de cabeza, ¿qué preferirías tomar,
una aspirina o una taza de té de corteza de sauce?
Después de años de investigación, los científicos produje-
ron aspirina en el laboratorio a partir de ácido salicílico y an-
hídrido acético, contiene un solo ingrediente activo, el ácido
acetilsalicílico. La aspirina no es una sustancia pura, su estruc-
tura es distinta y no produce el dolor de estómago tan agudo
que provoca el ácido salicílico.
Nuevos fármacos Cuando los científicos descubren en la
naturaleza un nuevo compuesto químico que puede ser un
tratamiento potencial o curar una enfermedad, ¿qué se hace?
El procedimiento para elaborar fármacos seguros y eficaces es
el siguiente: aislar y purificar el fármaco, determinar su com-
posición y estructura, investigar cómo sintetizarlo, buscar una
manera fácil y económica de producirlo en grandes cantida-
des y tratar de cambiar la composición y estructura del com-
puesto original para mejorar el modelo de la naturaleza.
4/20/12 12:25:26 PM

I. Anota en el paréntesis el inciso correcto y escribe en la
línea la respuesta que complete la cuestión.
1. Fundamentalmente, la química estudia… ( )
a) la energía
b) el núcleo atómico
c) los alimentos
d) la materia
2. La fotosíntesis es un ejemplo en el que se relaciona la
química con la… ( )
a) física
b) biología
c) matemáticas
d) astronomía
3. Necesidad básica del hombre que se satisface
con el uso del cemento, entre otros productos… ( )
a) alimentación
b) comunicación
c) habitación
d) vestido
4. Estudia los compuestos del carbono. ( )
a) química orgánica
b) química inorgánica
c) química analítica
d) química general
Palabras clave
Lo que aprendí
átomo, 21
calor específico, 29
caloría, 29
ciencia, 4
compuesto, 19
cristal líquido, 15
elemento, 19
energía, 28
energía limpia, 33
fenómeno físico, 27
fenómeno químico, 27
fisión, 32
fuentes de energía, 33
fusión, 32
gas, 13
heterogénea, 18
homogénea, 18
ley de la conservación de
la materia, 33
líquido, 13
materia, 12
material amorfo, 16
método científico, 4
mezcla, 22
molécula, 21
plasma, 16
propiedad de la materia, 17
química, 6
reacción endotérmica, 29
reacción exotérmica, 29
sólido, 14
solución, 21
sustancia, 19
teoría, 4
teoría cinética molecular, 12
37
37
Lo que aprendí
4/20/12 12:25:27 PM

Unidad 1
38
5. Constituyente de los que contribuye
a la reducción de la capa de ozono… ( )
a) flúor
b) hidrógeno
c) cloro
d) carbono
6. Tiene volumen y forma definidos… ( )
a) gas natural
b) alcohol
c) agua
d) oxígeno
7. Materia cuyas partes se pueden separar
mediante procedimientos físicos… ( )
a) compuesto
b) elemento
c) solución
d) sustancia
8. Materia cuyas partes se pueden separar
mediante procedimientos químicos… ( )
a) compuesto
b) elemento
c) solución
d) mezcla
9. Ejemplo de elemento químico… ( )
a) alcohol
b) agua
c) sal de cocina
d) dióxido de carbono
10. Sustancia que está formada por átomos
de la misma clase… ( )
a) hierro
b) agua
c) azúcar
d) monóxido de carbono
11. Escribe sobre la línea si el enunciado se refiere a ener-
gía potencial o energía cinética.
a) Una cucharada de azúcar __________________
b) Hule de un globo inflado
c) Un aerolito
d) Un litro de gasolina
e) Una roca en lo alto de una montaña
f) Un automóvil en movimiento
12. Indica qué cambios o manifestaciones de energía
ocurren en los siguientes casos:
a) Al encender la radio
b) Al quemar un trozo de carbón
c) Al usar un soplete de oxiacetileno
d) Al prender una linterna
13. Escribe a la derecha de cada enunciado, si se trata de
un fenómeno físico o químico.
a) La oxidación de un clavo de hierro
b) La evaporación del agua
c) La formación de nubes
d) Una vela quemándose
e) El empañamiento de la plata
14. Escribe un ejemplo de cómo el hombre utiliza para su
beneficio los cambios de la materia.
a) Físicos
b) Químicos
c) Nucleares
4/20/12 12:25:28 PM

39
39
Lo que aprendí
15. Se tiene una mezcla formada por azufre, sal de cocina
y agua. Enumera en orden los procedimientos que
emplearías para separar estos componentes.
decantación
ﬁltración
sublimación
evaporación
destilación
centrifugación
separación por solubilidad
4/20/12 12:25:28 PM

Unidad 2
Contenido
¿Cuánto sabes?
2.1 Partículas subatómicas y modelos atómicos
Lectura Los monitores para TV y computadoras
y las luces de neón
Manos a la obra Espectros de emisión
2.2 Modelo atómico de la mecánica ondulatoria
y números cuánticos
2.3 Conﬁguraciones electrónicas
2.4 Tabla periódica
Lectura Cuentos de isótopos
Manos a la obra Distribución electrónica
2.5 Principales familias de elementos
Lectura Los ﬂuoruros y la caries dental
Actividades Lo que aprendí
Los átomos son los bloques de construcción de la materia,
pero éstos son grandes pedazos de vacío, ya que si
imaginamos a uno de ellos del tamaño de una casa, su
núcleo tendría la proporción de una canica, que es donde
se concentra la masa del átomo.
Estructura atómica
y tabla periódica
4/20/12 12:39:41 PM

Objetivo de la unidad
El estudiante explicará la estructura y propiedades del átomo identiﬁcándolo como partícula
fundamental de la materia, reconociendo su importancia, describiendo e interpretando los
experimentos que llevaron a establecer los modelos atómicos y resaltando la importancia de
la clasiﬁcación de los elementos químicos, para que de manera crítica y responsable valore
el uso de modelos y las implicaciones de las investigaciones atómicas en el desarrollo de la
disciplina y sus repercusiones en la sociedad.
4/20/12 12:39:47 PM

Introducción
Aunque no podemos verlos toda la materia está formada por átomos. E
n esta unidad
estudiaremos con detalle cómo es su estructura y el llenado de los subniveles electró-
nicos. Hablaremos de la clasificación de los elementos químicos a la que se le llama
tabla periódica y en ella identificaremos a los elementos r epresentativos, de transi-
ción y de transición interna, además localizaremos por sus propiedades a los metales,
metaloides, no metales y gases nobles.
2.1 Partículas subatómicas y modelos atómicos
ciencia Scientia (latín)
conocimiento.
Conjunto de métodos y técnicas
para adquirir y organizar
conocimientos sobre un cúmulo
de fenómenos objetivos.
1. Menciona las partículas fundamentales que forman el átomo.
2. ¿Qué entiendes por radio?
3. Describe o dibuja lo que para ti es un átomo.
4. ¿Qué entiendes por incertidumbre?
5. Escribe lo que recuerdes de la tabla periódica.
6. ¿A qué te reﬁeres cuando hablas de un grupo en la vida cotidiana?
7. ¿Qué entiendes por símbolo?
8. Escribe el nombre y símbolo de diez elementos químicos.
9. ¿Dónde has oído de semiconductores en tu vida diaria?
¿Cuánto
sabes?
Átomo
se presenta mediante
Modelos
consta de
Núcleo Envoltura
como los de
formado por formada por
Protones Neutrones Electrones
Dalton
se les llama
Nucleones
Thomson
Rutherford
Bohr
Sommerfeld
Moderno
Mapa conceptual 2.1
4/20/12 12:39:53 PM
Que averiguen los
modelos

Estructura básica del átomo
En la actualidad sabemos que el átomo consta de dos partes: el núcleo y la corteza o
envoltura. Las partículas que interesan en el estudio de química general son el elec-
trón, el protón y el neutrón, a las que llamamospartículas subatómicas fundamentales
(figuras 2.1 y 2.2).
Partículas subatómicas fundamentales
A continuación se describen estas partículas subatómicas:
• Electrón Los electrones son estables y forman la envoltura del átomo, su masa es
prácticamente nula (9.11 × 10–28 g o 1/1830 la masa de un átomo de hidr ó-
geno).
• Protón Es estable y forma parte del núcleo de todos los átomos; su carga eléctrica
es positiva y su masa es de 1.67 × 10–24 g.
• Neutrón Junto con los protones, los neutrones constituyen el núcleo de los áto-
mos (debido a esto a ambas par tículas se les llama nucleones). Los neutr ones no
tienen carga eléctrica y su masa es ligeramente may or a la del pr otón (1.675 ×
10–24 g).*
* María del Consuelo Alcántara Barbosa, Química inorgánica moderna, México, ecl aisa, p . 68.
Figura 2.1 Los electrones y
protones son las unidades
fundamentales de carga. La materia
es de naturaleza eléctrica.
43
43
2.1
Partículas subatómicas y modelos atómicos
Figura 2.2 Partículas
fundamentales de los átomos.
Electrón
(e–
)
–
+
Protón
(p+
)
Neutrón
(n)
Electrones
(carga negativa)
Protones
(carga positiva)
4/20/12 12:39:53 PM

Modelo atómico de Dalton
Ya hemos indicado que el átomo está constituido por un núcleo positiv o formado
por protones y neutrones, rodeado por una env oltura o corteza de electrones. Sin
embargo, para llegar a esta conclusión, el hombr
e tuvo que seguir un camino bastan-
te laborioso.
A la civilización griega le debemos el concepto filosófico de átomo. Hace más de
2000 años el filósofo griego Demócrito, entre otros, indicó que al dividir la materia
se tendría que llegar a una última partícula, la cual ya no se podría dividir; a ésta la
llamó átomo, palabra que significa “indivisible”.
Esta idea cayó en el olvido al no demostrarse, y fue hasta los años 1803-1808 que
el químico inglés John Dalton la hizo renacer para explicar las r elaciones de masa
que guardan entre sí todas las sustancias.
La teoría atómica de Dalton se basa en los siguientes enunciados:
1. Las sustancias simples (elementos) están formadas por la unión de átomos iguales,
cuyo peso es invariable y característico.
2. Las sustancias compuestas se forman al unirse átomos de diversos elementos, áto-
mos que nunca se dividen, sino que entran enteros en la combinación formada.
3. Todos los átomos de un elemento son exactamente iguales entr
e sí, particularmen-
te en peso, pero diferentes a los átomos de otros elementos.
Aun cuando en la actualidad conocemos ciertas inexactitudes de la teoría atómica
de Dalton, su importancia es indiscutible e influyó, de manera extraordinaria, en la
forma de pensar de los químicos durante más de un siglo.
Después de Dalton y principalmente a finales del siglo xix, se realizaron descubri-
mientos muy importantes.
Rayos catódicos
En 1875, sir Wiliam Crookes inventó el tubo de rayos catódicos (figuras 2.4 y 2.5).
Los rayos catódicos son electrones que se dirigen del cátodo (–) al ánodo (+).
¿Sabías que...?
Demócrito creía que la materia
estaba formada por pequeñas
partículas indivisibles llamadas
átomos.
Figura 2.3 Representación del
átomo de Dalton. Se caracteriza
por su masa.
Figura 2.4 Tubo de rayos
catódicos.
Figura 2.5 Tubo de rayos
catódicos con rehilete.
Unidad 2
Estructura atómica y tabla periódica
44
A la bomba de vacío
–
+
+
Fuente
de corriente eléctrica
de alto voltaje
– +
4/20/12 12:39:54 PM

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