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*Todas las masas atmicas tienen cuatro cifras signifi cativas. Estos valores son los que recomienda el Comit para la Enseanza de la Qumica de la International Union of Pure and Applied Chemistry.**Los valores aproximados de las masas atmicas se sealan entre parntesis.

Lista de elementos con sus smbolos y masas atmicas*

Nmero MasaElemento Smbolo atmico atmica**

Actinio Ac 89 (227)Aluminio Al 13 26.98Americio Am 95 (243)Antimonio Sb 51 121.8Argn Ar 18 39.95Arsnico As 33 74.92Astato At 85 (210)Azufre S 16 32.07Bario Ba 56 137.3Berilio Be 4 9.012Berkelio Bk 97 (247)Bismuto Bi 83 209.0Bohrio Bh 107 (262)Boro B 5 10.81Bromo Br 35 79.90Cadmio Cd 48 112.4Calcio Ca 20 40.08Californio Cf 98 (249)Carbono C 6 12.01Cerio Ce 58 140.1 Cesio Cs 55 132.9Cloro Cl 17 35.45Cobalto Co 27 58.93Cobre Cu 29 63.55Criptn Kr 36 83.80Cromo Cr 24 52.00Curio Cm 96 (247)Darmstadtio Ds 110 (269)Disprosio Dy 66 162.5Dubnio Db 105 (260)Einstenio Es 99 (254)Erbio Er 68 167.3Escandio Sc 21 44.96Estao Sn 50 118.7Estroncio Sr 38 87.62Europio Eu 63 152.0Fermio Fm 100 (253)Flor F 9 19.00Fsforo P 15 30.97Francio Fr 87 (223)Gadolinio Gd 64 157.3Galio Ga 31 69.72Germanio Ge 32 72.59Hafnio Hf 72 178.5Hassio Hs 108 (265)Helio He 2 4.003Hidrgeno H 1 1.008Hierro Fe 26 55.85Holmio Ho 67 164.9Indio In 49 114.8Iridio Ir 77 192.2Iterbio Yb 70 173.0Itrio Y 39 88.91Lantano La 57 138.9Laurencio Lr 103 (257)Litio Li 3 6.941

Nmero MasaElemento Smbolo atmico atmica**

Lutecio Lu 71 175.0Magnesio Mg 12 24.31Manganeso Mn 25 54.94Meitnerio Mt 109 (266)Mendelevio Md 101 (256)Mercurio Hg 80 200.6Molibdeno Mo 42 95.94Neodimio Nd 60 144.2Nen Ne 10 20.18Neptunio Np 93 (237)Niobio Nb 41 92.91Nquel Ni 28 58.69Nitrgeno N 7 14.01Nobelio No 102 (253)Oro Au 79 197.0Osmio Os 76 190.2 Oxgeno O 8 16.00Paladio Pd 46 106.4Plata Ag 47 107.9Platino Pt 78 195.1Plomo Pb 82 207.2Plutonio Pu 94 (242)Polonio Po 84 (210)Potasio K 19 39.10Praseodimio Pr 59 140.9Proactinio Pa 91 (231)Prometio Pm 61 (147)Radio Ra 88 (226)Radn Rn 86 (222)Renio Re 75 186.2Rodio Rh 45 102.9Roentgenio Rg 111 (272)Rubidio Rb 37 85.47Rutenio Ru 44 101.1Ruterfordio Rf 104 (257)Samario Sm 62 150.4Seaborgio Sg 106 (263)Selenio Se 34 78.96Silicio Si 14 28.09Sodio Na 11 22.99Talio Tl 81 204.4Tntalo Ta 73 180.9Tecnecio Tc 43 (99)Telurio Te 52 127.6Terbio Tb 65 158.9Titanio Ti 22 47.88Torio Th 90 232.0Tulio Tm 69 168.9Tungsteno W 74 183.9Uranio U 92 238.0Vanadio V 23 50.94Xenn Xe 54 131.3Yodo I 53 126.9Zinc Zn 30 65.39Zirconio Zr 40 91.22

Nmero de Avogadro 6.0221415 3 1023

Carga electrnica (e) 1.60217653 3 10219 C

Masa electrnica 9.1093826 3 10228 g

Constante de Faraday (F) 96 485.3383 C/mol e2

Constante de los gases (R) 8.314472 J/K ? mol (0.082057 L ? atm/K ? mol)

Masa de neutrones 1.67492728 3 10224 g

Constante de Planck (h) 6.6260693 3 10234 J ? s

Masa de protn 1.672621 3 10224 g

Constante de Rydberg (RH) 2.179872 3 1028 J

Velocidad de la luz en el vaco 2.99792458 3 108 m/s

Constantes fundamentales

Factores de conversin tiles y relaciones

1 lb 5 453.6 g

1 gal 5 3.785 L 5 4 quarts

1 in 5 2.54 cm (exactamente)

1 mi 5 1.609 km

1 km 5 0.6215 mi

1 pm 5 1 3 10212 m 5 1 3 10210 cm

1 atm 5 760 mmHg 5 760 torr 5 101 325 N/m2 5 101 325 Pa

1 cal 5 4.184 J (exactamente)

1 L atm 5 101.325 J

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tera (T) 1012 centi (c) 1 0 2 2

giga (G) 109 mili (m) 1 0 2 3

mega (M) 106 micro (m) 1 0 2 6

kilo (k) 103 nano (n) 1 0 2 9

deci (d) 1021 pico (p) 10212

Algunos pre jos utilizados con unidades SI

FUNDAMENTOS DE QUMICA

FUNDAMENTOS DE QUMICA

Raymond ChangWilliams College

MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL

NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TORONTO

Adaptacin

Pedro Ibarra EscutiaInstituto Tecnolgico de Toluca

Revisin tcnica

Isaas de la Rosa GmezInstituto Tecnolgico de Toluca

Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosEditor sponsor: Pablo E. Roig V. Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha MartnezEditora de desarrollo: Ana L. Delgado RodrguezSupervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

Traduccin: Erika Jasso Hernn DBorneville

FUNDAMENTOS DE QUMICA

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS 2011 respecto a la primera edicin en espaol porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edifi cio Punta Santa Fe

Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre APiso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D. F.

Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736

ISBN: 978-607-15-0541-5

Adaptado de la dcima edicin de: Qumica de Raymond Chang. 2010 McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de C.V.

ISBN: 978-607-15-0307-7

1234567890 1098765432101

Impreso en Mxico Printed in Mexico

ACERCA DEL AUTOR

Raymond Chang naci en Hong Kong y creci en Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en qumica por la London Uni-

versity, en Inglaterra y se doctor en qumica en la Yale University.

Despus de realizar su investigacin posdoctoral en Washington Univer-

sity y ensear durante un ao en el Hunter College de la City University

of New York, se uni al Departamento de Qumica en Williams College,

donde ha enseado desde 1968.

El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical

Society Examination Committee, el National Chemistry Olympiad Exa-

mination Committee y el Graduate Record Examinations (GRE) Commit-

tee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. Chang ha escrito

libros sobre fi sicoqumica, qumica industrial y ciencia fsica. Tambin ha

participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de

fotografas y una novela de literatura juvenil.

Para relajarse, el doctor Chang cultiva un jardn selvtico, juega tenis,

ping-pong, toca la armnica y practica el violn.

Prlogo del adaptador xviii Prefacio xix Nota al estudiante xxiv 1 Qumica. El estudio del cambio 1 2 tomos, molculas y iones 15 3 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 51 4 Reacciones en disolucin acuosa 91 5 Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 131 6 Relaciones peridicas entre los elementos 177 7 Enlace qumico I: Conceptos bsicos 217 8 Enlace qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 253

9 Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 303 10 Equilibrio qumico 325 11 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 361 12 Electroqumica 403 13 Metalurgia y la qumica de los metales 415 14 Qumica orgnica 439

Apndice 1 Derivacin de los nombres de los elementos A-1Apndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7Apndice 3 Datos termodinmicos a 1 atm y 25C A-8Apndice 4 Operaciones matemticas A-13

Prlogo del adaptador xviiiPrefacio xixNota al estudiante xxiv

Qumica. El estudio del cambio 11.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi 2

QUMICA en accinEl helio primordial y la teora del Big Bang 5

1.2 Clasifi cacin de la materia 61.3 Los tres estados de la materia 91.4 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 10

Desarrollo de competencias 11Problemas especiales 12

MISTERIO de la qumicaLa desaparicin de los dinosaurios 12

tomos, molculas y iones 152.1 Teora atmica 162.2 Estructura del tomo 172.3 Nmero atmico, nmero de masa e istopos 232.4 La tabla peridica 25

QUMICA en accinDistribucin de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 26

2.5 Molculas y iones 272.6 Frmulas qumicas 292.7 Nomenclatura de los compuestos 332.8 Introduccin a los compuestos orgnicos 42

Ecuaciones bsicas 44Resumen de conceptos 44Desarrollo de competencias 44Problemas especiales 49Respuestas a los ejercicios de prctica 50

xii Contenido

Relaciones de masa en las reacciones qumicas 51

3.1 Masa atmica 523.2 Nmero de Avogadro y masa molar de un elemento 533.3 Masa molecular 573.4 Espectrmetro de masas 603.5 Composicin porcentual de los compuestos 603.6 Determinacin experimental de frmulas empricas 643.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 663.8 Cantidades de reactivos y productos 713.9 Reactivo limitante 753.10 Rendimiento de reaccin 78

QUMICA en accinFertilizantes qumicos 80

Ecuaciones bsicas 81Resumen de conceptos 81Desarrollo de competencias 81Problemas especiales 90Respuestas a los ejercicios de prctica 90

Reacciones en disolucin acuosa 914.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 924.2 Reacciones de precipitacin 94

QUMICA en accinUna reaccin de precipitacin indeseable 99

4.3 Reacciones cido-base 994.4 Reacciones de oxidacin-reduccin 105

QUMICA en accinAlcoholmetro 116

4.5 Concentracin de las disoluciones 117

QUMICA en accinMetal proveniente del mar 121

Ecuaciones bsicas 122Resumen de conceptos 122Trminos bsicos 122Desarrollo de competencias 123Problemas especiales 128Respuestas a los ejercicios de prctica 129

MISTERIO de la qumicaQuin asesin a Napolen? 129

xiiiContenido

Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 131

5.1 De la fsica clsica a la teora cuntica 1325.2 El efecto fotoelctrico 1365.3 Teora de Bohr del tomo de hidrgeno 138

QUMICA en accinLser: la luz esplendorosa 144

5.4 La naturaleza dual del electrn 144

QUMICA en accinMicroscopia electrnica 148

5.5 Mecnica cuntica 1495.6 Nmeros cunticos 1505.7 Orbitales atmicos 1535.8 Confi guracin electrnica 1565.9 El principio de construccin 163

Ecuaciones bsicas 167Resumen de conceptos 167Trminos bsicos 168Desarrollo de competencias 168Problemas especiales 174Respuestas a los ejercicios de prctica 175

MISTERIO de la qumicaDescubrimiento del helio y el surgimiento y cada del coronio 175

Relaciones peridicas entre los elementos 177

6.1 Desarrollo de la tabla peridica 1786.2 Clasifi cacin peridica de los elementos 1806.3 Variaciones peridicas de las propiedades fsicas 184

QUMICA en accinEl tercer elemento lquido? 191

6.4 Energa de ionizacin 1916.5 Afi nidad electrnica 1956.6 Variacin de las propiedades qumicas de los elementos representativos 198

QUMICA en accinEl descubrimiento de los gases nobles 209

Ecuaciones bsicas 209Resumen de conceptos 210Trminos bsicos 210Desarrollo de competencias 210Problemas especiales 216Respuestas a los ejercicios de prctica 216

xiv Contenido

Enlace qumico I: Conceptos bsicos 2177.1 Smbolos de puntos de Lewis 2187.2 Enlace inico 2197.3 Energa reticular de los compuestos inicos 221

QUMICA en accinCloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante 225

7.4 Enlace covalente 2267.5 Electronegatividad 2297.6 Escritura de las estructuras de Lewis 2327.7 Carga formal y estructura de Lewis 2357.8 El concepto de resonancia 2387.9 Excepciones a la regla del octeto 241

QUMICA en accinSlo diga NO 245

Resumen de conceptos 246Trminos bsicos 247Desarrollo de competencias 247Problemas especiales 251Respuestas a los ejercicios de prctica 252

Enlace qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 2538.1 Geometra molecular 2548.2 Momento dipolar 264

QUMICA en accinLos hornos de microondas: el momento dipolar en accin 268

8.3 Teora de enlace valencia 2688.4 Hibridacin de orbitales atmicos 2728.5 Hibridacin en molculas que contienen enlaces dobles y triples 2818.6 Teora de orbitales moleculares 2848.7 Confi guraciones de orbitales moleculares 2878.8 Orbitales moleculares deslocalizados 292

QUMICA en accinEl buckybaln un baln cualquiera? 294

Ecuaciones bsicas 295Resumen de conceptos 296Trminos bsicos 296Desarrollo de competencias 297Problemas especiales 302Respuestas a los ejercicios de prctica 302

xvContenido

Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 3039.1 Teora cintica molecular de lquidos y slidos 3049.2 Fuerzas intermoleculares 3059.3 Propiedades de los lquidos 3119.4 Estructura cristalina 314

QUMICA en accinPor qu los lagos se congelan desde la super cie hacia el fondo? 315

Resumen de conceptos 322Trminos bsicos 322Desarrollo de competencias 322Problemas especiales 324Respuestas a los ejercicios de prctica 324

Equilibrio qumico 32510.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 32610.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 32810.3 Qu informacin proporciona la constante de equilibrio? 34010.4 Factores que afectan el equilibrio qumico 346

QUMICA en accinLa vida a grandes alturas y la produccin de hemoglobina 353

QUMICA en accinEl proceso Haber 354

Ecuaciones bsicas 354Resumen de conceptos 354Trminos bsicos 355Desarrollo de competencias 356Problemas especiales 360Respuestas a los ejercicios de prctica 360

xvi Contenido

Equilibrios cido-base y equilibriosde solubilidad 36111.1 cidos y bases de Brnsted 36211.2 Propiedades cido-base del agua 36311.3 El pH: una medida de la acidez 36511.4 Fuerza de los cidos y las bases 36811.5 cidos dbiles y la constante de ionizacin de un cido 37211.6 Bases dbiles y la constante de ionizacin de una base 37811.7 Comparacin entre los equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin 380

11.8 Efecto del ion comn 38011.9 Disoluciones amortiguadoras 38411.10 Equilibrios de solubilidad 389

QUMICA en accinMantenimiento del pH de la sangre 390

Ecuaciones bsicas 397Resumen de conceptos 397Trminos bsicos 397Desarrollo de competencias 397Respuestas a los ejercicios de prctica 400

MISTERIO de la qumicaUn duro bocadillo 401

Electroqumica 40312.1 Reacciones redox 40412.2 Celdas galvnicas 40712.3 Bateras 409

QUMICA en accinEnerga bacteriana 412

Resumen de conceptos 413Trminos bsicos 413Desarrollo de competencias 413Respuestas a los ejercicios de prctica 414

xviiContenido

Metalurgia y la qumica de los metales 41513.1 Presencia de los metales 41613.2 Procesos metalrgicos 41613.3 Teora de las bandas de conductividad elctrica 42213.4 Tendencias peridicas de las propiedades metlicas 42413.5 Metales alcalinos 42513.6 Metales alcalinotrreos 42913.7 Aluminio 431

QUMICA en accinReciclamiento de aluminio 434

Resumen de conceptos 434Trminos bsicos 435Desarrollo de competencias 436

Qumica orgnica 43914.1 Clases de compuestos orgnicos 44014.2 Hidrocarburos alifticos 44014.3 Hidrocarburos aromticos 446

QUMICA en accinEl hielo que se quema 447

14.4 Qumica de los grupos funcionales 449

QUMICA en accinLa industria del petrleo 455

Resumen de conceptos 457Trminos bsicos 457Desarrollo de competencias 457Respuestas a los ejercicios de prctica 459

MISTERIO de la qumicaDesaparicin de huellas digitales 460

Apndice 1 Derivacin de los nombres de los elementos A-1

Apndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7

Apndice 3 Datos termodinmicos a 1 atm y 25C A-8

Apndice 4 Operaciones matemticas A-13

Respuestas a problemas pares R-1ndice analtico I-1

V ivimos tiempos de cambio y la educacin no es ajena a este proceso. Los planes de estudio de las instituciones de educacin superior se renuevan constantemente para estar a la altura de las necesidades actuales y se establecen nuevas metodologas que deben ser respaldadas con obras editoriales de calidad.

Como una contribucin a esta revolucin educativa, se desarrolla esta obra, dirigida al rea bsica, cursada en las principales escuelas de ciencias e ingeniera.

Aunado a lo anterior, nuestros reconocidos autores siguen ofreciendo el estilo cientfi co preciso y de fcil comprensin que ha caracterizado a cada una de las obras.

Entre las principales caractersticas de esta serie, se pueden mencionar:

Adaptacin al nuevo modelo de competencias. Ejemplos y ejercicios renovados. Utilizacin de las tecnologas de la informacin y comunicacin (TIC). Notas histricas que fundamentan los conceptos bsicos. Notacin formal de fcil accesibilidad para los alumnos. Estructura que contribuye a desarrollar un pensamiento lgico, heurstico y algortmico

para modelar fenmenos y resolver problemas. Actividades encaminadas al desarrollo de competencias genricas, instrumentales, sist-

micas y especfi cas.

Joel IbarraInstituto Tecnolgico de Toluca

Mi intencin ha sido escribir un texto de qumica general que siempre ofrezca una base fi rme de conceptos y principios qumicos, y que inculque en los estudiantes el reconocimiento de la funcin tan vital que la qumica desempea en nuestra vida cotidiana. Es responsabilidad del autor del libro de texto ayudar tanto al estudiante como al maestro a lograr este objetivo; por eso, este libro contiene una amplia gama de temas presen-tados en una secuencia lgica. Siempre que ha sido posible, he intentado equilibrar la teora y la prctica, as como ilustrar los principios bsicos con ejemplos comunes.

En esta edicin, mi meta ha sido crear un texto que explique con claridad conceptos abs-tractos, lo bastante conciso para no abrumar a los estudiantes con informacin extraa e inne-cesaria, pero lo sufi cientemente amplio para prepararlos para el siguiente nivel de aprendizaje. Los comentarios alentadores que he recibido de maestros y estudiantes me han convencido de la efi cacia de este mtodo.

Importante en esta edicin

Contiene muchos problemas de fi nal de captulo con la representacin grfi ca de molcu-las, para poner a prueba las habilidades de comprensin conceptual y razonamiento crti-co del estudiante. Los problemas ms desafi antes se incluyen bajo la seccin Desarrollo de competencias.

En el captulo 8 se incluyeron diagramas orbitales moleculares generados por computa-dora.

Resolucin de problemas

Desarrollar las habilidades de resolucin de problemas siempre ha sido uno de los objetivos primordiales de este texto. Las dos principales categoras de instrumentos para el aprendizaje son los ejemplos solucionados y los problemas de fi nal de captulo. Muchos de ellos presentan piezas adicionales de conocimiento y permiten al estudiante enfrentarse con un problema que un qumico resolvera. Los ejemplos y problemas muestran a los estudiantes el mundo real de la qumica y aplicaciones para las situaciones cotidianas.

Ejemplos resueltos siguen una estrategia probada de resolucin paso por paso y su solu-cin.

Enunciacin del problema es la presentacin de los datos necesarios para resolver el problema con base en la pregunta formulada.

Estrategia es un plan o mtodo cuidadosamente diseado para tener una importante funcin didctica.

Solucin es el proceso de resolver por etapas un problema determinado.

Verifi cacin permite al estudiante verifi car y comparar con la fuente de informacin para asegurarse de que la respuesta sea razonable.

Ejercicio de prctica ofrece la oportunidad de resolver un problema similar con el fi n de obtener destreza en la resolucin de este tipo de problemas. La nota al margen enlista problemas similares adicionales para trabajar en la seccin de problemas al fi nal del captulo.

xx Prefacio

Problemas de fi nal de captulo estn organizados de varias formas. Cada seccin com-prendida debajo de un encabezado temtico comienza con Preguntas de repaso seguidas por Problemas. La seccin de Problemas adicionales ofrece ms problemas no orga-nizados por secciones. Por ltimo, la seccin Problemas especiales contiene problemas con un mayor grado de difi cultad.

Visualizacin

Grfi cas y diagramas de fl ujo son importantes en ciencia. En Fundamentos de qumica, los diagramas de fl ujo muestran el proceso mental de un concepto y las grfi cas presentan datos para comprender el concepto.

Representacin molecular aparece en varios formatos y tiene diferentes funciones. Los modelos moleculares ayudan a visualizar las distribuciones atmicas tridimensionales de las molculas. Finalmente, la representacin macroscpica a microscpica, ayuda a los estudiantes a comprender procesos en el nivel molecular.

Fotografas ayudan a los estudiantes a familiarizarse con los qumicos y a comprender cmo se presentan realmente las reacciones qumicas.

Imgenes de aparatos permiten al estudiante visualizar la distribucin real de un labora-torio qumico.

Ayudas para el estudio

Herramientas didcticas

Fundamentos de qumica abunda en ayudas didcticas tiles que se deben usar de manera constante para reforzar la comprensin de los conceptos qumicos.

Notas al margen se utilizan para dar sugerencias, pistas e informacin con el fi n de enri-quecer la base cognitiva del estudiante.

Ejemplos resueltos junto con el Ejercicio de prctica, son una herramienta didctica muy importante para el dominio de la qumica. Los pasos para la resolucin de problemas guan al estudiante a travs del pensamiento crtico necesario para dominar esta materia. Usar esquemas lo ayudar a comprender el funcionamiento interno de un problema. Una nota al margen muestra problemas similares en la seccin de problemas al fi nal del cap-tulo, lo que permite aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo. Las res-puestas a los Ejercicios de prctica se presentan al fi nal de los problemas del captulo.

Revisin de conceptos permite al estudiante evaluar si ha comprendido el concepto pre-sentado en cada seccin.

Ecuaciones bsicas se presentan dentro de cada captulo y se resaltan para captar la aten-cin del estudiante en cuanto al material que necesita comprender y recordar. Tambin se presentan como parte del resumen de cada captulo y son fcilmente identifi cables para fi nes de repaso y estudio.

Resumen de conceptos ofrece un repaso rpido de los conceptos presentados y analiza-dos a detalle dentro de cada captulo.

Palabras clave son listas de todos los trminos importantes para ayudar al estudiante a comprender el lenguaje de la qumica.

Ponga a prueba sus conocimientos

Revisin de conceptos permite al estudiante hacer una pausa y poner a prueba su com-prensin del concepto presentado y analizado en determinada seccin.

xxiPrefacio

Problemas de fi nal de captulo permiten al estudiante poner en prctica sus habilidades de pensamiento crtico y resolucin de problemas. Los problemas se dividen en diferentes tipos:

Por seccin de captulo. Desde las Preguntas de repaso que ponen a prueba la comprensin conceptual bsica, hasta los Problemas que prueban la habilidad del estudiante para la resolucin de problemas pertenecientes a esa seccin particular del captulo.

Los Problemas adicionales utilizan el lenguaje obtenido de las diferentes secciones y captulos previos para su resolucin.

La seccin de Problema especial contiene problemas ms difciles idneos para proyectos grupales.

Relevancia prctica

En todo el libro se presentan ejemplos interesantes de las diferentes manifestaciones coti-dianas de la qumica. Se usan analogas para ayudar a mejorar la comprensin de conceptos qumicos abstractos.

Problemas de fi nal de captulo presentan muchas preguntas relevantes para el estudian-te. Ejemplos: Por qu en ocasiones los entrenadores de natacin vierten una gota de alcohol en el odo de los nadadores para extraer el agua? Cmo se estima la presin en un envase de refresco carbonatado antes de destaparlo?

Qumica en accin son recuadros que aparecen en cada captulo y que presentan una variedad de temas, cada uno con su propia historia de la manera en que la qumica puede afectar una parte de la vida. El estudiante aprender aspectos de la ciencia del buceo y la medicina nuclear, entre muchos otros temas interesantes.

Misterio qumico presenta al estudiante un caso misterioso. Varias preguntas qumicas ofrecen pistas acerca de cmo se podra resolver el misterio. Misterio qumico fomen-tar un grado de nivel de pensamiento crtico gracias a los pasos bsicos para la resolu-cin de problemas desarrollados a lo largo del texto.

Agradecimientos

Me gustara agradecer a los siguientes revisores y participantes de simposios cuyos comenta-rios fueron muy valiosos para m en la preparacin de esta revisin:

Michael Abraham University of Oklahoma

Michael Adams Xavier University of Louisiana

Elizabeth Aerndt Community College of Rhode Island

Francois Amar University of Maine

Taweechai Amornsakchai, Mahidol University

Dale E. Arrington Colorado School of Mines

Mufeed M. Basti North Carolina A&T State University

Laurance Beauvais San Diego State University

Vladimir Benin University of Dayton

Miriam Bennett San Diego State University

Christine V. Bilicki Pasadena City College

John J. Blaha Columbus State Community College

Mary Jo Bojan Pennsylvania State University

Steve Boone Central Missouri State University

Timothy Brewer Eastern Michigan University

Michelle M. Brooks College of Charleston

Philip Brucat University of Florida

John D. Bugay Kilgore College

Maureen Burkhart Georgia Perimeter College

William Burns Arkansas State University

Stuart Burris Western Kentucky University

Les Butler Louisiana State University

Bindu Chakravarty Houston Community College

Liwei Chen Ohio University

Tom Clausen University of Alaska-Fairbanks

Allen Clabo Francis Marion University

Barbara Cole University of Maine

W. Lin Coker III Campbell University

xxii Prefacio

Darwin Dahl Western Kentucky University

Erin Dahlke Loras College

Gary DeBoer LeTourneau University

Dawn De Carlo University of Northern Iowa

Richard Deming California State University-Fullerton

Gregg Dieckman University of Texas at Dallas

Michael Doughty Southeastern Louisiana University

Bill Durham University of Arkansas

David Easter Texas State University-San Marcos

Deborah Exton University of Oregon

David Frank California State University-Fresno

John Gelder Oklahoma State University

Leanna C. Giancarlo University of Mary Washington

Kenneth Goldsby Florida State University

Eric Goll Brookdale Community College

John Gorden Auburn University

Todor Gounev University of Missouri-Kansas City

Thomas Gray University of Wisconsin-Whitewater

Alberto Haces Florida Atlantic University

Michael Hailu Columbus State Community College

Randall Hall Louisiana State University

Ewan Hamilton Ohio State University at Lima

Gerald Handschuh Kilgore College

Michael A. Hauser St. Louis Community College

Daniel Lee Heglund South Dakota School of Mines

Brad Herrick Colorado School of Mines

Huey Hoon HNG, Nanyang Technological University

Byron E. Howell Tyler Junior College

Lee Kim Hun, NUS High School of Math and Science

Tara Hurt East Mississippi Community College

Wendy Innis-Whitehouse University of Texas at Pan American

Jongho Jun, Konkuk University

Jeffrey Keaffaber University of Florida

Michael Keck Emporia State University

MyungHoon Kim Georgia Perimeter College

Jesudoss Kingston Iowa State University

Pamela Kraemer Northern Virginia Community College

Bette A. Kreuz University of Michigan-Dearborn

Jothi V. Kumar North Carolina A&T State University

Joseph Kushick Amherst College

Richard H. Langley Stephen F. Austin State University

William Lavell Camden County College

Daniel B. Lawson University of Michigan-Dearborn

Young Sik Lee, Kyung Hee University

Clifford LeMaster Ball State University

Neocles Leontis Bowling Green State University

Alan F. Lindmark Indiana University Northwest

Teh Yun Ling, NUS High School of Maths and Science

Arthur Low Tarleton State University

Jeanette Madea Broward Community College

Steve Malinak Washington Jefferson College

Diana Malone Clarke College

C. Michael McCallum University of the Pacifi c

Lisa McCaw University of Central Oklahoma

Danny McGuire Carmeron University

Scott E. McKay Central Missouri State University

John Milligan Los Angeles Valley College

Jeremy T. Mitchell-Koch Emporia State University

John Mitchell University of Florida

John T. Moore Stephan F. Austin State University

Bruce Moy College of Lake County

Richard Nafshun Oregon State University

Jim Neilan Volunteer State Community College

Glenn S. Nomura Georgia Perimeter College

Frazier Nyasulu Ohio University

MaryKay Orgill University of Nevada-Las Vegas

Jason Overby College of Charleston

M. Diane Payne Villa Julie College

Lester L. Pesterfi eld Western Kentucky University

Richard Petersen University of Memphis

Joanna Piotrowska Normandale Community College

Amy Pollock Michigan State University-East Lansing

William Quintana New Mexico State University

Edward Quitevis Texas Tech University

Jeff Rack Ohio University

Lisa Reece Ozarks Technical Community College

Michelle Richards-Babb West Virginia University

Jim D. Roach Emporia State University

Rojrit Rojanathanes, Chulalongkorn University

Steve Rowley Middlesex County College

Kresimir Rupnik Louisiana State University

Somnath Sarkar Central Missouri State University

Jerry Sarquis Miami University

Susan Scheble Metropolitan State College of Denver

Raymond Scott University of Mary Washington

Thomas Selegue Pima Community College

Sheila R. Smith University of Michigan-Dearborn

David Speckhard Loras College

Rick Spinney Ohio State University

David Son Southern Methodist University

Larry O. Spreer University of the Pacifi c

xxiiiPrefacio

Shane Street University of AlabamaSatoshi Takara University of HawaiiKimberly Trick University of DaytonBridget Trogden Mercer UniversityCyriacus Uzomba Austin Community CollegeJohn B. Vincent University of AlabamaThomas Webb Auburn UniversityLyle Wescott University of MississippiWayne Wesolowski University of ArizonaKen Williams Francis Marion UniversityW.T. Wong, The University of Hong KongTroy Wood University of BuffaloGloria A. Wright Central Connecticut State UniversityStephanie Wunder Temple UniversityChristine Yerkes University of Illinois

Timothy Zauche University of Wisconsin-PlattevilleWilliam Zoller University of Washington

Tambin agradezco a las siguientes personas por todos sus comentarios y sugerencias:Mufeed Basti North Carolina A&TKen Goldsby Florida State UniversityJohn Hagen California Polytechnic UniversityJoseph Keane Muhlenberg CollegeRichard Nafshun Oregon State UniversityMichael Ogawa Bowling Green State UniversityJason Overby College of CharlestonJohn Pollard University of ArizonaWilliam Quintana New Mexico State UniversityTroy Wood University of BuffaloKim Woodrum University of Kentucky

Tambin me gustara agradecer al doctor Enrique Peacock-Lopez y Desire Gijima por los diagramas orbitales generados por computadora del captulo 8.

Como siempre, me he benefi ciado de las discusiones con mis colegas del Williams Colle-ge y de la correspondencia con los profesores de ah y del extranjero.

Es un placer agradecer el apoyo que me han otorgado los siguientes miembros de la di-visin de Higher Education de McGraw-Hill: Tammy Ben, Doug Dinardo, Chad Grall, Kara Kudronowicz, Mary Jane Lampe, Marty Lange, Michael Lange, Kent Peterson y Kurt Strand. En particular, me gustara mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la produccin, a David Hash por el diseo del libro, a John Leland por la investigacin fotogrfi ca, a Daryl Brufl odt y Judi David por el formato multimedia y a Todd Turner, gerente de marketing, por sus su-gerencias y aliento. Vaya tambin mi agradecimiento a mis editores comerciales Tami Hodge y Thomas Timp, por sus consejos y ayuda. Por ltimo, mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, la editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasmo en el proyecto, y la supervisin en cada etapa de la elaboracin de esta edicin.

Fundamentos de qumica es una adaptacin del libro Qumica, dcima edicin, de Chang, el cual se benefi ci con la revisin tcnica de los siguientes profesores:

Rodolfo lvarez Manzo, Departamento de Qumica Orgnica, Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de Mxico.

Silvia Ponce Lpez, Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores, de Monterrey, Campus Monterrey.

Rosa Zugazagoitia Herranz, Universidad Autnoma Metropolitana, Unidad Xochimilco.

La qumica general suele considerarse como una materia ms difcil que las dems. En cierto sentido esto es justifi cable por una razn: la qumica tiene un vocabulario muy especializado. En primer lugar, estudiar qumica es como aprender un nuevo idioma. Adems, algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es perseverante completar este curso exitosamente y hasta es posible que lo disfrute. Aqu le presento algunas sugerencias que lo ayudarn a formar buenos hbitos de estudio y a dominar el material de este libro.

Asista regularmente a clases y tome apuntes detallados.

Si es posible, repase a diario los apuntes de los temas que se cubrieron ese da en clase. Utilice su libro para complementar sus notas.

Pensamiento crtico. Pregntese si realmente comprendi el signifi cado de un trmino o el uso de una ecuacin. Una buena forma de probar lo que ha aprendido es explicar un concepto a un compaero de clases o a otra persona.

No dude en pedir ayuda al maestro o a su asistente.

Las herramientas de esta edicin de Fundamentos de qumica estn diseadas para permitirle aprovechar mejor su curso de qumica general. La siguiente gua explica cmo obtener el mayor provecho del texto, la tecnologa y otras herramientas.

Al fi nal de cada captulo, encontrar un resumen de conceptos, ecuaciones bsicas y una lista de trminos clave, todo lo cual le servir como un repaso para los exmenes.

Los trminos clave estn acompaados de la pgina donde aparecen, de manera que pue-da remitirse al captulo y estudie su contexto.

Un estudio detallado de los ejemplos solucionados en cada captulo mejorar su capaci-dad para analizar problemas y hacer los clculos necesarios para resolverlos. Tambin, tmese el tiempo para resolver el ejercicio de prctica que sigue a cada ejemplo y aseg-rese de que ha entendido cmo resolver el tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios de prctica aparecen al fi nal de cada captulo, despus de la lista de problemas. Como prctica adicional, puede recurrir a problemas similares como los que aparecen al margen del ejemplo.

Las preguntas y problemas al fi nal del captulo estn organizados por secciones.

En el ndice podr encontrar rpidamente conceptos cuando est resolviendo problemas o estudiando temas relacionados en diferentes captulos.

Si sigue estas sugerencias y cumple asiduamente con sus tareas, encontrar que la qumi-ca es una materia desafi ante, pero menos difcil y mucho ms interesante de lo que esperaba.

Raymond Chang

Qumica El estudio del cambio

Un globo lleno de hidrgeno explota al calentarlo con una fl ama. El hidrgeno gaseoso reacciona con el oxgeno que est en el aire para formar vapor de agua. La qu-mica es el estudio de las propieda-des de la materia y de los cambios que sta experimenta. Los modelos muestran las molculas de hidr-geno, oxgeno y agua.

2 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio

1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi

La qumica es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos bsicos de qumica son indis-pensables para los estudiantes de biologa, fsica, geologa, ecologa y muchas otras discipli-nas. De hecho, la qumica es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sera ms breve en lo que llamaramos condiciones primitivas, sin automviles, electricidad, computadoras, discos compactos y muchas otras comodidades modernas.

Aunque la qumica es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo xix, cuando los adelantos intelectuales y tecnolgicos permitieron que los cientfi cos separaran sustancias en sus componentes y, por tanto, explicaran muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El desarrollo acelerado de tecnologa cada vez ms refi nada durante el si-glo xx nos brind medios cada vez mayores para estudiar lo que es inapreciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los qumicos analicen la estructura de los tomos y las molculas (las unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la qumica) y diseen nuevas sustancias con propiedades espec-fi cas, como frmacos y productos de consumo no contaminantes.

En este principio del siglo xxi conviene preguntarnos qu funcin tendr la ciencia cen-tral en esta centuria. Es casi indudable que la qumica mantendr una funcin fundamental en todas las reas de la ciencia y la tecnologa. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformacin, consideremos algunas fronteras que los qumicos exploran actualmente (fi gura 1.1). Sin importar las razones por las que tome un curso de introduccin a la qumica, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitir apreciar sus efectos en la sociedad y en usted.

Salud y medicina

Tres logros importantes en el siglo xx han permitido la prevencin y tratamiento de enfer-medades. Se trata de medidas de salud pblica que establecieron sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la ciruga con anestesia, que ha posibilitado a los mdicos curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibiticos, que hicieron factible la prevencin de enferme-dades causadas por microorganismos. La terapia gnica al parecer ser la cuarta revolucin en la medicina. (Los genes son la unidad bsica de la herencia.) Se cuentan por miles las en-fermedades conocidas, entre ellas la fi brosis qustica y la hemofi lia, ocasionadas por un dao heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cncer, enfermedades cardiacas, sida y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o ms genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia gnica se inserta un gen sano espe-cfi co en las clulas del paciente para curar o aminorar esos trastornos. A fi n de ejecutar esos procedimientos, el mdico debe tener conocimientos slidos de las propiedades qumicas de los componentes moleculares implicados. La descodifi cacin del genoma humano, que com-prende todo el material gentico de nuestro organismo y desempea una funcin esencial en la terapia gnica, se basa principalmente en tcnicas qumicas.

Los qumicos de la industria farmacutica investigan frmacos potentes con pocos o nulos efectos adversos para el tratamiento del cncer, sida y muchas otras enfermedades, adems de frmacos para aumentar el nmero de trasplantes exitosos de rganos. En una escala ms amplia, mejorar nuestra comprensin sobre el mecanismo del envejecimiento permitir lograr esperanza de vida ms prolongada y saludable para los habitantes del planeta.

Energa y ambiente

La energa es un producto secundario de muchos procesos qumicos, y al continuar el aumento en su demanda, tanto en pases industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en nacio-

El ideograma chino para el trmino qumica signi ca el estudio del cambio.

31.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi

nes en vas de desarrollo, como China, los qumicos intentan activamente encontrar nuevas fuentes de energa. En la actualidad, las principales fuentes de energa son los combustibles fsiles (carbn, petrleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarn otros 50 a 100 aos con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas.

La energa solar al parecer es una fuente viable de energa para el futuro. Cada ao, la superfi cie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energa contenida en todas las reservas conocidas de carbn, petrleo, gas natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energa se desperdicia al refl ejarse hacia el espacio exterior. En los ltimos 30 aos, las intensas actividades de investigacin han mostrado que la energa solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversin directa en electri-cidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrgeno a partir del agua. Luego, el hidrgeno alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado adelantos en los conocimientos del proceso cientfi co de conversin de la energa solar en electricidad, la tecnologa todava no ha mejorado al punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y con costo econmicamente aceptable. Sin embargo, se ha predicho que para el ao 2050 la energa solar satisfar ms de 50% de las necesidades energticas.

Otra posible fuente de energa es la fi sin nuclear, si bien el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos y otros pases es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre los desechos radiactivos de los procesos de fi sin. Los qumicos pueden ayudar en el mejo-

Figura 1.1 a) Salida de datos de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada lnea muestra una secuencia obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas fotovoltaicas. c) Oblea de silicio en fabricacin. d ) La hoja de la izquierda se tom de una planta de tabaco no sometida a ingeniera gen-tica y expuesta a la accin del gusano del tabaco. La hoja de la derecha s fue sometida a ingeniera gentica y apenas la atacaron los gusanos. Es factible aplicar la misma tcnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas.

a)

c)

b)

d )

4 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio

ramiento del destino fi nal de los desechos nucleares. La fusin nuclear, el proceso que ocurre en el Sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energa sin producir muchos dese-chos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusin nuclear se convierta en una fuente signifi cativa de energa.

La produccin y utilizacin de la energa se relacionan estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fsiles es que se produce dixido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el calentamiento de la atmsfera terrestre), adems de dixido de azufre y xidos de nitrgeno, que producen la lluvia cida y el esmog. (El aprovechamiento de la energa solar no tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automviles efi cientes en el consumo de combus-tibles y de convertidores catalticos ms efectivos debe permitir una reduccin considerable de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmsfera en las reas con trnsito vehicular intenso. Adems, debe aumentar el uso de automviles elctricos equipados con bateras duraderas y de automviles hbridos, alimentados por bateras y gaso-lina, lo que ayudar a minimizar la contaminacin atmosfrica.

Materiales y tecnologa

La investigacin y el desarrollo de la qumica en el siglo xx han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a la tecnologa de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son los polmeros (incluidos el caucho y el nailon), la cermica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales lquidos (como los de las pantallas electrnicas), los adhesivos (como los usados en notas adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de ltex).

Qu nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de materiales supercon-ductores a temperatura ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que no son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energa elctrica se pierde en forma de calor entre la planta generadora de electricidad y los hogares u ofi cinas, lo que constitu-ye un desperdicio enorme. Los superconductores son materiales desprovistos de resistencia elctrica, y por tanto conducen la electricidad sin prdida de energa. Aunque el fenmeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (ms de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelacin del agua) se ha conocido durante ms de 90 aos, un adelanto im-portante a mediados del decenio de 1980 revel que es posible fabricar materiales que acten como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de ella. Los qumicos han ayudado en el diseo y sntesis de nuevos materiales promisorios en dicha bsqueda. En los 30 aos siguientes, veremos la aplicacin en gran escala de superconductores a altas temperaturas en la resolucin de imgenes por resonancia magntica (IRM), trenes de levitacin magntica y fusin nuclear.

Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnolgico que ha conformado nuestras vidas ms que ningn otro, habra que sealar a las computadoras. El motor que impulsa la revo-lucin de las computadoras es el microprocesador, el diminuto chip de silicio que ha servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras porttiles y aparatos de fax. La efi ciencia de los microprocesadores se juzga segn la velocidad con la que realizan operacio-nes matemticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal que desde su advenimiento se ha duplicado la velocidad de los microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un micropro-cesador depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para agregar la cantidad ne-cesaria de otras sustancias, situacin en que los qumicos desempean una funcin importante en la investigacin y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los cientfi cos empezarn a explorar las perspectivas de la computacin molecular, es decir, la sustitucin del silicio con molculas. Las ventajas radican en que puede lograrse que ciertas molculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendran computadoras pticas, no electrnicas. Con base en la ingeniera gentica apropiada, los cientfi cos pueden sintetizar esas molculas con microorganismos, que sustituiran a grandes fbricas. Las computadoras pticas tambin ten-dran una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las electrnicas.

51.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi

Alimentos y agricultura

Cmo alimentar a la creciente poblacin mundial? En pases pobres, casi 80% de la fuerza laboral se dedica a la produccin agrcola y la mitad del presupuesto familiar promedio se gasta en alimentos. Ello constituye una carga enorme para los recursos de esas naciones. Los factores que afectan la produccin agrcola son la riqueza del suelo, los insectos y enferme-dades que daan los cultivos, y otras plantas que compiten por los nutrientes. Adems de la irrigacin, los agricultores recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el tratamiento de los cultivos infestados por plagas ha consistido a veces en la aplicacin indiscriminada de compuestos qumicos potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos nocivos graves en el ambiente. Inclusive el uso excesivo de fertilizantes es daino para el suelo, el agua y el aire.

A fi n de satisfacer la demanda de alimentos en el siglo xxi, deben idearse estrategias novedosas para la actividad agrcola. Se ha demostrado ya que con la biotecnologa es po-sible obtener cultivos ms abundantes y de mejor calidad. Estas tcnicas se han aplicado a muchos productos agrcolas, no slo para mejorar su produccin, sino tambin para obtener ms cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una protena txica para las orugas que comen hojas. La inclusin del gen que codifi ca la toxina en las plantas cultivadas les brinda proteccin contra ellas, de modo que no se requieran los pesticidas. Los investigadores tambin han encontrado la forma de prevenir la reproduccin de las plagas de insectos. Los insectos se comunican entre s al emitir molculas especiales, llamadas fero-monas, ante las cuales reaccionan. La identifi cacin y la sntesis de feromonas implicadas en el apareamiento permiten interferir en el ciclo reproductivo normal de plagas comunes, por ejemplo, al inducir el apareamiento reproductivo prematuro de los insectos o engaar a las hembras para que copulen con machos estriles. En adicin, los qumicos pueden idear for-mas de aumentar la produccin de fertilizantes menos dainos para el ambiente y sustancias que eliminen selectivamente las hierbas nocivas.

Foto de alguna galaxia distante, incluyendo la posicin de un quasar.

El helio primordial y la teora del Big Bang

De dnde venimos? Cmo se origin el universo? Los seres humanos nos hemos hecho estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La bsqueda de res-puestas constituye un ejemplo del mtodo cientfi co. En el decenio de 1940, el fsico ruso-estadounidense George Gamow plante la hiptesis de que el universo se inici miles de millones de aos atrs con una explosin gi-gantesca, el Big Bang. En esos primeros momentos, el uni-verso ocupaba un volumen diminuto y su temperatura era ms alta de lo imaginable. Esta brillante bola de fuego de ra-diacin mezclada con partculas microscpicas de materia se enfri gradualmente, hasta que se formaron los tomos. Por la infl uencia de la fuerza de gravedad, estos tomos se agru-paron para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Va Lctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provoca-tivo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas

Q U M I C A

en accin

6 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio

1.2 Clasifi cacin de la materia

Al principio del captulo defi nimos la qumica como el estudio de la materia y los cambios que experimenta. La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La materia incluye lo que podemos ver y tocar (como el agua, la tierra y los rboles) y lo que no podemos ver ni tocar (como el aire). As pues, todo en el universo tiene una conexin qumica.

Los qumicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composicin y pro-piedades. La clasifi cacin de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, adems de los tomos y molculas, que estudiaremos en el captulo 2.

Sustancias y mezclas

Una sustancia es una forma de materia que tiene composicin defi nida (constante) y propie-dades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azcar de mesa (sacarosa), oro y oxgeno. Las sustancias difi eren entre s por su composicin y se pueden identifi car segn su aspecto, color, sabor y otras propiedades.

Una mezcla es una combinacin de dos o ms sustancias en la que stas conservan sus propiedades. Algunos ejemplos familiares de ello son el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no poseen composicin constante. Por tanto, las muestras de aire obtenidas en distintas ciudades probablemente diferirn en su composicin a causa de diferen-cias de altitud, contaminacin atmosfrica, etctera.

Las mezclas pueden ser homogneas o heterogneas. Cuando se disuelve una cucharada de azcar en agua, se obtiene una mezcla homognea, en la que la composicin de la mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar arena con virutas de hierro, tanto una como las otras se

maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demos-traron que el universo est en expansin, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran velocidad. Este he-cho es compatible con el nacimiento explosivo del universo. Al imaginar tal expansin en retroceso, como cuando se rebobina una pelcula, los astrnomos han deducido que el universo se inici hace unos 13 000 millones de aos. La segunda observacin que sustenta la hiptesis de Gamow es la deteccin de radiacin csmica de fondo. A lo largo de miles de millones de aos, el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, 2270C)! A esta temperatura, gran parte de la energa co-rresponde a la regin de microondas. Puesto que el Big Bang habra ocurrido simultneamente en todo el diminuto volu-men del universo en formacin, la radiacin que gener debe haber llenado todo el universo. As pues, la radiacin debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las seales de microondas que registran los astrnomos son independientes de la direccin. El tercer dato que sustenta la hiptesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordial. Los cientfi cos piensan que el helio y el hidrgeno (los elementos ms ligeros) fue-ron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolucin csmica. (Se cree que otros elementos ms pesa-dos, como el carbono, nitrgeno y oxgeno, se formaron ms adelante por reacciones nucleares en las que participaron el hidrgeno y el helio, en el centro de las estrellas.) De ser

as, un gas difuso formado por hidrgeno y helio se habra diseminado por todo el universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los astrnomos que analizaron la luz ultravioleta proveniente de un lejano quasar (poderosa fuente de luz y de seales de radio que se considera como una galaxia en explosin en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los tomos de helio en su trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en cuestin dista de nuestro planeta ms de 10 000 millones de aos luz (un ao luz es la distancia que recorre la luz en un ao), la luz que llega a la Tierra co-rresponde a fenmenos que ocurrieron hace ms de 10 000 millones de aos. Por qu el hidrgeno no fue el elemento ms abundante que se detect? El tomo de hidrgeno tiene un solo electrn, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionizacin. Los tomos de hidrgeno ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el tomo de helio tiene dos electrones. La radiacin puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los tomos de helio ionizados todava absorben luz y, por tanto, son detectables. Los defensores de la explicacin de Gamow se regoci-jaron ante la deteccin de helio en los confi nes distantes del universo. En reconocimiento de todos los datos sustentado-res, los cientfi cos ahora se refi eren a la hiptesis de Gamow como teora del Big Bang.

71.2 Clasifi cacin de la materia

mantienen separadas (fi gura 1.2). En tal caso, se habla de una mezcla heterognea porque su composicin no es uniforme.

Cualquier mezcla, sea homognea o heterognea, se puede formar y luego separar por medios fsicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes. As pues, el azcar se puede recuperar de una disolucin acuosa al calentar esta ltima y evaporarla por completo. La condensacin del vapor permite recuperar el agua. En cuanto a la separacin de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imn para separar las virutas de hierro, ya que el imn no atrae a la arena misma [fi gura 1.2b)]. Despus de la separacin, los componentes de la mezcla tendrn la misma composicin y propiedades que al principio.

Elementos y compuestos

Las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un elemento es una sustancia que no se puede separar en otras ms sencillas por medios qumicos. Hasta la fecha se han identifi cado 117 elementos. La mayora de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios cientfi cos mediante procesos nucleares.

a) b)

Figura 1.2 a) La mezcla con-tiene virutas de hierro y arena. b) Un imn permite separar las virutas de hierro de la mezcla. Esta misma tcnica se usa en mayor escala para separar hierro y acero de objetos no magn-ticos, como aluminio, vidrio y plsticos.

TABLA 1.1 Algunos elementos comunes y sus smbolos

Nombre Smbolo Nombre Smbolo Nombre Smbolo

Aluminio Al Cromo Cr Oro Au

Arsnico As Estao Sn Oxgeno O

Azufre S Flor F Plata Ag

Bario Ba Fsforo P Platino Pt

Bismuto Bi Hidrgeno H Plomo Pb

Bromo Br Hierro Fe Potasio K

Calcio Ca Magnesio Mg Silicio Si

Carbono C Manganeso Mn Sodio Na

Cloro Cl Mercurio Hg Tungsteno W

Cobalto Co Nquel Ni Yodo I

Cobre Cu Nitrgeno N Zinc Zn

8 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio

Mezclashomogneas

Mezclas

Separacin pormtodos qumicos

Separacin pormtodos fsicos

Materia

Sustanciaspuras

Mezclasheterogneas Compuestos Elementos

Figura 1.3 Clasi cacin de la materia.

Por conveniencia, los qumicos usan smbolos de una o dos letras para representar a los elementos. La primera letra del smbolo siempre es mayscula, no as la letra siguiente. Por ejemplo, Co es el smbolo del elemento cobalto, en tanto que CO es la frmula de la molcula monxido de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y smbolos de algunos de los elementos ms comunes. Los smbolos de algunos elementos se derivan de su nombre en latn, por ejemplo, Au de aurum (oro), Fe de ferrum (hierro) y Na de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre en ingls. En el apndice 1 se incluye una lista del origen de los nombres de los elementos y de los cientfi cos que los descubrieron.

Los tomos de muchos elementos pueden interactuar entre s para formar compuestos. Por ejemplo, la combustin del hidrgeno gaseoso con el oxgeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades difi eren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrgeno por una de oxgeno. Esta composicin no se modifi -ca, sin importar que el agua provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en Mongolia o de las capas de hielo de Marte. As pues, el agua es un compuesto, o sea, una sustancia formada por tomos de dos o ms elementos unidos qumicamente en proporciones fi jas. A diferencia de las mezclas, los compuestos slo se pueden separar en sus componentes puros por medios qumicos.

Las relaciones entre los elementos, compuestos y otras categoras de materia se resumen en la fi gura 1.3.

Revisin de conceptosCul de los siguientes diagramas representa elementos y cul representa compuestos? Cada esfera (o esfera truncada) representa a un tomo.

a) c)b) d )

91.3 Los tres estados de la materia

1.3 Los tres estados de la materia

Al menos en principio, todas las sustancias pueden existir en tres estados: slido, lquido y gaseoso. Como se muestra en la fi gura 1.4, los gases difi eren de los lquidos y slidos en la distancia que media entre las molculas. En un slido, las molculas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa libertad de movimiento. Las molculas de un lquido estn cerca unas de otras, sin que se mantengan en una posicin rgida, por lo que pueden moverse. En un gas, las molculas estn separadas entre s por distancias grandes en comparacin con el tamao de las molculas mismas.

Son posibles las conversiones entre los tres estados de la materia sin que cambie la com-posicin de la sustancia. Al calentar un slido (por ejemplo, el hielo) se funde y se transforma en lquido (agua). (La temperatura en la que ocurre esa transicin se denomina punto de fusin.) Su calentamiento adicional convierte al lquido en gas. (Esta conversin sobreviene en el punto de ebullicin del lquido.) Por otra parte, el enfriamiento de un gas hace que se condense en la forma de lquido. Al enfriar adicionalmente este lquido, se congela a su forma slida. Los tres estados de la materia se muestran en la fi gura 1.5. Advierta que las propie-dades del agua son nicas entre las sustancias comunes, ya que las molculas en su estado lquido estn ms cerca unas de otras que en el estado slido.

Figura 1.4 Representacin microscpica de un slido, un lquido y un gas.

Figura 1.5 Los tres estados de la materia. Un lingote caliente transforma el hielo en agua y luego en vapor de agua.

Slido Lquido Gas

10 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio

Combustin del hidrgeno en el aire para formar agua.

Revisin de conceptosUn cubo de hielo se coloc en un recipiente cerrado. Cuando se calienta, el cubo de hielo primero se derrite y despus el agua hierve hasta formar vapor. Cul de los siguientes enunciados es verdadero?

a) La apariencia fsica del agua es diferente en cada etapa de cambio.b) La masa de agua es la mayor para el cubo de hielo y la menor para el vapor.

1.4 Propiedades fsicas y qumicas de la materia

Se identifi can las sustancias por sus propiedades y su composicin. El color, punto de fusin y punto de ebullicin son propiedades fsicas. Una propiedad fsica se puede medir y obser-var sin que se modifi que la composicin o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible medir el punto de fusin del hielo al calentar un bloque de hielo y registrar la temperatura en la que se convierte en agua. El agua difi ere del hielo slo en su aspecto, no en su composicin, de modo que se trata de un cambio fsico; es posible congelar el agua para obtener de nuevo hielo. De esta manera, el punto de fusin de una sustancia es una propiedad fsica. De manera similar, cuando se afi rma que el helio gaseoso es ms ligero que el aire se hace referencia a una propiedad fsica.

Por otra parte, la aseveracin: el hidrgeno se quema en presencia de oxgeno para for-mar agua, describe una propiedad qumica del hidrgeno, ya que a fi n de observar esta propiedad debe ocurrir un cambio qumico, en este caso, la combustin. Despus del cambio, desaparece la sustancia qumica original, el hidrgeno, y slo queda otra sustancia qumica distinta, el agua. Es imposible recuperar el hidrgeno a partir del agua mediante un cambio fsico, como la ebullicin o congelacin.

Cada vez que se cuece un huevo, ocurre un cambio qumico. Cuando se someten a tem-peraturas cercanas a 100C, la yema y la clara experimentan cambios que no slo modifi can su aspecto fsico, sino tambin su composicin qumica. Despus, al comerse, el huevo se modifi ca de nuevo, por efecto de sustancias del cuerpo humano llamadas enzimas. Esta accin digestiva es otro ejemplo de un cambio qumico. Lo que ocurre durante la digestin depende de las propiedades qumicas de las enzimas y los alimentos.

Todas las propiedades mensurables de la materia corresponden a una de dos categoras adicionales: propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de una propie-dad extensiva depende de la cantidad de materia que se considere. La masa, que es la canti-dad de materia en una muestra dada de una sustancia, es una propiedad extensiva. Ms ma-teria signifi ca ms masa. Los valores de una misma propiedad extensiva pueden sumarse. Por ejemplo, dos monedas de cobre tienen la misma masa combinada que la suma de las masas de cada moneda, en tanto que la longitud de dos canchas de tenis es la suma de las longitudes de ambas canchas. El volumen, que se defi ne como la longitud elevada al cubo, es otra propie-dad extensiva. El valor de una cantidad extensiva depende de la cantidad de materia.

El valor medido de una propiedad intensiva no depende de cunta materia se considere. La densidad, que se defi ne como la masa de un objeto dividida entre su volumen, es una pro-piedad intensiva. Tambin lo es la temperatura. Suponga que se tienen dos matraces llenos de agua que estn a la misma temperatura. Si se combinan para tener un solo volumen de agua en un matraz ms grande, la temperatura de este mayor volumen de agua ser la misma que en los dos matraces separados. A diferencia de la masa, longitud y volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas.

11Desarrollo de competencias

Revisin de conceptosEl diagrama en a) muestra un compuesto integrado por tomos de dos elementos (representados por las esferas en color y grises) en estado lquido. Cul de los diagramas en b) a d ) representa un cambio fsico y cul un cambio qumico?

a) c)b) d )

Clasifi cacin y propiedades de la materia

Preguntas de repaso

1.1 Indique un ejemplo de cada uno de los trminos siguien-tes: a) materia; b) sustancia, c) mezcla.

1.2 Seale un ejemplo de mezcla homognea y otro de mezcla heterognea.

1.3 Use ejemplos para explicar la diferencia entre propieda-des fsicas y qumicas.

1.4 En qu difi ere una propiedad extensiva de una intensiva? Indique cules de las propiedades siguientes son intensi-vas y cules extensivas: a) longitud; b) volumen; c) tem-peratura, d ) masa.

1.5 Seale ejemplos de un elemento y de un compuesto. En qu se distinguen los elementos de los compuestos?

1.6 Cul es el nmero de elementos conocidos?

Problemas

1.7 Indique si cada una de las afi rmaciones siguientes des-cribe una propiedad fsica o una qumica: a) El oxgeno gaseoso permite la combustin. b) Los fertilizantes ayu-dan a incrementar la produccin agrcola. c) El agua hierve a menos de 100C en la cima de una montaa. d ) El plomo es ms denso que el aluminio. e) El uranio es un elemento radiactivo.

1.8 Seale si cada una de las afi rmaciones siguientes describe un cambio fsico o un cambio qumico: a) El helio ga-seoso contenido en el interior de un globo tiende a escapar despus de unas cuantas horas. b) Un rayo de luz tiende a atenuarse y fi nalmente desaparecer. c) El jugo de naranja congelado se reconstituye al aadirle agua. d ) El creci-miento de las plantas depende de la energa solar en un

proceso llamado fotosntesis. e) Una cucharada de sal de mesa se disuelve en un plato de sopa.

1.9 Indique los nombres de los elementos representados con los smbolos qumicos Li, F, P, Cu, As, Zn, Cl, Pt, Mg, U, Al, Si, Ne. (Vea la tabla 1.1 y la segunda de forros de este texto.)

1.10 Seale los smbolos qumicos de los elementos siguientes: a) potasio; b) estao; c) cromo; d ) boro; e) bario; f ) plu-tonio; g) azufre; h) argn, i ) mercurio. (Vea la tabla 1.1.)

1.11 Clasifi que cada una de las sustancias siguientes como ele-mento o compuesto: a) hidrgeno; b) agua; c) oro, d ) az-car.

1.12 Clasifi que cada uno de los siguientes como elemento, compuesto, mezcla homognea o mezcla heterognea: a)agua salada; b) helio gaseoso; c) cloruro de sodio (sal de mesa); d ) una botella de refresco; e) una malteada; f ) aire en una botella, g) concreto.

Problemas adicionales

1.13 Proporcione una afi rmacin cuantitativa y otra cualitativa acerca de cada una de las siguientes sustancias: a) agua; b) carbono; c) hierro; d ) hidrgeno gaseoso; e) sacarosa az-car de caa); f ) sal de mesa (cloruro de sodio); g) mercu-rio; h) oro, i) aire.

1.14 Indique cules de las afi rmaciones siguientes describen propiedades fsicas y cules propiedades qumicas: a) el hierro tiende a oxidarse; b) el agua pluvial de regiones industrializadas tiende a ser cida; c) las molculas de hemoglobina son de color rojo; d ) cuando se deja un vaso con agua al sol, el agua desaparece gradualmente, e) du-rante la fotosntesis las plantas convierten el dixido de carbono de la atmsfera en molculas ms complejas.

Desarrollo de competencias

12 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio

M I S T E R I O D E L A

qumica

L os dinosaurios predominaron en la Tierra durante millones de aos y luego desaparecieron repentina-mente. A fi n de resolver este misterio, los paleontlogos estudiaron fsiles y esqueletos encontrados en las rocas de

diversas capas de la corteza terrestre. Sus descubrimientos les permitieron identifi car especies que existieron en el pla-neta durante periodos geolgicos especfi cos. Adems, revelaron la ausencia de esqueletos de dinosaurios en las

La desaparicin de los dinosaurios

Problemas especiales

1.15 Un qumico del siglo xix prepar una sustancia descono-cida. En trminos generales, piensa usted que sera ms difcil demostrar que se trata de un compuesto o de un elemento? Explique su repuesta.

1.16 Suponga que se le proporciona un lquido. Describa bre-vemente los pasos que realizara para demostrar que se trata de una sustancia pura o de una mezcla homognea.

rocas formadas inmediatamente despus del periodo Cret-cico, que data de hace 65 millones de aos. Por tanto, se supone que los dinosaurios se extinguieron hace 65 millo-nes de aos.

Entre las muchas hiptesis planteadas para explicar su desaparicin, se cuentan alteraciones de la cadena alimen-taria y un cambio brusco del clima resultante de erupciones volcnicas violentas. Sin embargo, no se tenan datos con-vincentes en favor de ninguna hiptesis sino hasta 1977. Fue entonces cuando un grupo de paleontlogos que traba-jaba en Italia obtuvo algunos datos desconcertantes en un sitio cercano a Gubbio. El anlisis qumico de una capa de arcilla depositada por arriba de sedimentos formados durante el periodo Cretcico (y, por tanto, una capa que registra lo ocurrido despus de ese periodo) mostr un con-tenido sorprendentemente alto del elemento iridio (Ir), poco comn en la corteza terrestre y comparativamente abun-dante en asteroides.

Esa investigacin llev a la hiptesis de que la extin-cin de los dinosaurios ocurri como sigue. A fi n de expli-car la cantidad de iridio encontrada, los cientfi cos plantearon que un gran asteroide, de varios kilmetros de dimetro, impact la Tierra en la poca de la desaparicin de los dinosaurios. Dicho impacto debe haber sido tan fuerte que literalmente vaporiz una gran cantidad de rocas, suelo y otros objetos circundantes. El polvo y desechos resultantes fl otaron en la atmsfera y bloquearon la luz solar durante meses o quizs aos. A falta de luz solar abundante, muchas de las plantas no pudieron crecer, y el registro fsil confi rma que, de hecho, muchos tipos de plan-tas se extinguieron en esa poca. De tal suerte, por supuesto que muchos animales herbvoros perecieron y, a su vez, los

carnvoros sufrieron hambre. La carencia de fuentes de ali-mento al parecer afectaba a los grandes animales, que nece-sitaban grandes volmenes de comida, ms rpida y notablemente que a los animales ms pequeos. As pues, los enormes dinosaurios, de los cuales el ms grande habra pesado hasta 30 toneladas, desaparecieron a falta de ali-mento.

Indicios qumicos 1. De qu manera el estudio de la extincin de los dino-

saurios ilustra el mtodo cientfi co?

2. Plantee dos maneras en las que podra comprobar la hiptesis de la colisin del asteroide.

3. En su opinin, se justifi ca referirse a la explicacin del asteroide como la teora de la extincin de los dinosaurios?

4. La informacin disponible hace pensar que casi 20% de la masa del asteroide se convirti en polvo y se distribuy uniformemente sobre la Tierra despus de descender de la atmsfera superior. La cantidad de polvo fue de casi 0.02 g/cm2 de la superfi cie terrestre. Es muy probable que el asteroide haya tenido una den-sidad cercana a 2 g/cm3. Calcule la masa (en kilogra-mos y en toneladas) del asteroide y su radio en metros, en el supuesto de que era una esfera. (El rea de la Tierra es de 5.1 3 1014 m2; 1 lb = 453.6 g.) (Fuente: Consider a Spherical CowA Course in Environmen-tal Problem Solving, de J. Harte, University Science Books, Mill Valley, CA 1988. Con autorizacin.)

13Misterio de la qumica

Imgenes de la emisin radiactiva del radio (Ra). Los modelos muestran el ncleo del radio y los productos de su descomposicin radiactiva: radn (Rn) y una partcula alfa, la cual tiene dos protones y dos neutrones. El estudio de la radiactividad ayud a mejorar el conocimiento de los cientficos acerca de la estructura atmica.

tomos, molculas y iones

16 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones

2.1 Teora atmica

En el siglo v a.C., el filsofo griego Demcrito expres la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partculas pequeas e indivisibles que llam tomos (que significa in-destructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demcrito no fue aceptada por muchos de sus contemporneos (entre ellos Platn y Aristteles), sta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones cientficas apoyaron el concepto del atomismo, lo que condujo, de manera gradual, a las definiciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, el cientfico ingls, profesor John Dalton,1 formul una definicin precisa de las unidades indivisibles con las que est formada la materia y que llamamos tomos.

El trabajo de Dalton marc el principio de la era de la qumica moderna. Las hiptesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teora atmica de Dalton, pueden resu-mirse como sigue:

1. Los elementos estn formados por partculas extremadamente pequeas llamadas to-mos.

2. Todos los tomos de un mismo elemento son idnticos, tienen igual tamao, masa y pro-piedades qumicas. Los tomos de un elemento son diferentes a los tomos de todos los dems elementos.

3. Los compuestos estn formados por tomos de ms de un elemento. En cualquier com-puesto, la relacin del nmero de tomos entre dos de los elementos presentes siempre es un nmero entero o una fraccin sencilla.

4. Una reaccin qumica implica slo la separacin, combinacin o reordenamiento de los tomos; nunca supone la creacin o destruccin de los mismos.

En la figura 2.1 se muestra una representacin esquemtica de las tres ltimas hiptesis.El concepto de Dalton sobre un tomo es mucho ms detallado y especfico que el con-

cepto de Demcrito. La segunda hiptesis establece que los tomos de un elemento son dife-rentes de los tomos de todos los dems elementos. Dalton no intent describir la estructura o composicin de los tomos. Tampoco tena idea de cmo era un tomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrgeno y el oxgeno slo se puede explicar a partir de la idea de que los tomos de hidrgeno son distintos de los tomos de oxgeno.

La tercera hiptesis sugiere que para formar determinado compuesto no slo se necesi-tan los tomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un nmero especfico de dichos tomos. Esta idea es una extensin de una ley publicada en 1799 por el qumico

1 John Dalton (1766-1844). Qumico, matemtico y filsofo ingls. Adems de la teora atmica, tambin formul varias leyes sobre los gases y proporcion la primera descripcin detallada de la ceguera al color, la cual padeca. Se ha descrito a Dalton como un experimentador indiferente con muy pocas habilidades en las reas del lenguaje y la ilustracin. Su nico pasatiempo era el juego de bolos en csped los jueves por la tarde. Tal vez la visin de esos bolos de madera fue lo que inspir su idea de la teora atmica.

Figura 2.1 a) De acuerdo con la teora atmica de Dalton, los tomos del mismo elemento son idnticos, pero los tomos de un elemento son distintos de los tomos de otros. b) Compuesto formado por tomos de los elementos X y Y. En este caso, la proporcin de los tomos del elemento X con respecto a la del elemento Y es de 2:1. Observe que la reaccin qumica produce slo un reordenamiento de tomos, no su destruccin o creacin.

b)

Compuestos formados por los elementos X y Ytomos del elemento X tomos del elemento Y

a)

172.2 Estructura del tomo

francs Joseph Proust.2 La ley de las proporciones definidas de Proust establece que muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporcin de masa. As, si se analizan muestras de dixido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes fuentes, en todas las muestras se encontrar la misma proporcin de masa de carbono y oxgeno. Entonces, si la proporcin de las masas de los diferentes elementos de un compuesto es una cantidad fija, la proporcin de los tomos de los elementos en dicho com-puesto tambin debe ser constante.

La tercera hiptesis de Dalton confirma otra importante ley, la ley de las proporciones mltiples. Segn esta ley, si dos elementos pueden combinarse para formar ms de un com-puesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa fija del otro mantiene una relacin de nmeros enteros pequeos. La teora de Dalton explica la ley de las propor-ciones mltiples de manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos elementos difieren en el nmero de tomos de cada clase. Por ejemplo, el carbono forma dos compuestos estables con el oxgeno, llamados monxido de carbono y dixido de carbono. Las tcnicas modernas de medicin indican que un tomo de carbono se combina con un tomo de oxgeno en el monxido de carbono, y con dos tomos de oxgeno en el dixido de carbono. De esta manera, la proporcin de oxgeno en el monxido de carbono y en el dixido de carbono es 1:2. Este resultado concuerda con la ley de las proporciones mltiples (figura 2.2).

La cuarta hiptesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la conservacin de la masa,3 la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia est formada por tomos, que no cambian en una reaccin qumica, se concluye que la masa tambin se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la naturaleza de la materia fue el principal estmulo para el rpido progreso de la qumica durante el siglo xix.

Revisin de conceptosLos tomos de los elementos A (en color) y B (gris) forman los dos compuestos mostrados aqu. Estos compuestos obedecen la ley de las proporciones mltiples?

2.2 Estructura del tomo

Con base en la teora atmica de Dalton, un tomo se define como la unidad bsica de un elemento que puede intervenir en una combinacin qumica. Dalton describi un tomo como una partcula extremadamente pequea e indivisible. Sin embargo, una serie de investigacio-nes iniciadas alrededor de 1850, y que continuaron hasta el siglo xx, demostraron claramente que los tomos tienen una estructura interna, es decir, que estn formados por partculas an ms pequeas, llamadas partculas subatmicas. Estas investigaciones condujeron al descu-brimiento de tres partculas: electrones, protones y neutrones.

Figura 2.2 Ilustracin de la ley de las proporciones mltiples.

Monxido de carbono

Dixido de carbono

OC

21

OC

11

5 5

5 5

Oxgeno en el monxido de carbono en relacin con el oxgeno en el dixido de carbono: 1:2

2 Joseph Louis Proust (1754-1826). Qumico francs. Fue el primero en aislar el azcar de las uvas.3 De acuerdo con Albert Einstein, la masa y la energa son aspectos alternos de una entidad nica denominada masa-energa. Por lo comn, las reacciones qumicas implican una ganancia o prdida de calor u otras formas de energa. As, cuando la energa se pierde en una reaccin, por ejemplo, tambin se pierde masa. No obstante, salvo en el caso de las reacciones nucleares, los cambios de masa en las reacciones qumicas son demasiado pequeos para ser detec-tados. Por consiguiente, para fines prcticos, la masa se conserva.

18 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones

El electrn

En la dcada de 1890, muchos cientficos estaban interesados en el estudio de la radiacin, la emisin y transmisin de la energa a travs del espacio en forma de ondas. La informacin obtenida por estas investigaciones contribuy al conocimiento de la estructura atmica. Para investigar este fenmeno se utiliz un tubo de rayos catdicos, precursor de los tubos utiliza-dos en los televisores (figura 2.3). Consta de un tubo de vidrio del cual se ha evacuado casi todo el aire. Si se colocan dos placas metlicas y se conectan a una fuente de alto voltaje, la placa con carga negativa, llamada ctodo, emite un rayo invisible. Este rayo catdico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada nodo, que pasa por una perforacin y contina su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo alcanza la superficie, recubierta de una manera especial, produce una fuerte fluorescencia o luz brillante.

En algunos experimentos se colocaron, por fuera del tubo de rayos catdicos, dos pla-cas cargadas elctricamente y un electroimn (vea la figura 2.3). Cuando se conecta el cam-po magntico y el campo elctrico permanece desconectado, los rayos catdicos alcanzan el punto A del tubo. Cuando est conectado solamente el campo elctrico, los rayos lle- gan al punto C. Cuando tanto el campo magntico como el elctrico estn desconectados, o bien cuando ambos estn conectados pero se balancean de forma que se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan el punto B. De acuerdo con la teora electromagntica, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imn y puede interactuar con los campos magnticos y elctricos que atraviesa. Debido a que los rayos catdicos son atrados por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en partculas con car- ga negativa. Actualmente, estas partculas con carga negativa se conocen como electrones. En la figura 2.4 se muestra el efecto de un imn sobre los rayos catdicos.

El fsico ingls J. J. Thomson4 utiliz un tubo de rayos catdicos y su conocimiento de la teora electromagntica para determinar la relacin entre la carga elctrica y la masa de un electrn. El nmero que obtuvo fue de 21.76 3 108 C/g, en donde C corresponde a coulombs, la unidad de carga elctrica. Ms tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan5 llev a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrn con gran precisin. Su trabajo demostr que la carga de cada electrn era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analiz el movimiento de minsculas gotas de aceite que adquiran carga esttica a partir de los iones del aire. Suspenda en el aire las gotas cargadas mediante la aplicacin de un campo elctrico

Figura 2.3 Tubo de rayos cat-dicos con un campo elctrico perpendicular a la direccin de los rayos catdicos y un campo magntico externo. Los smbolos N y S denotan los polos norte y sur del imn. Los rayos catdicos golpearn el extremo del tubo en el punto A en presencia de un campo magntico, en el punto C en presencia de un campo elctrico y en el punto B cuando no existan campos externos presentes o cuando los efectos del campo elctrico y del campo magntico se cancelen mutua-mente.

Alto voltaje

+

nodo CtodoA

B

C

S