1. 1. www.FreeLibros.com
2. 2. q u m i c a 00_FRONT MATTER.indd 1 12/22/09 6:04:53 PM www.mundoindustrial.net
3. 3. RevisoRes tcnicos MXico Alicia Blanco Aquino universidad de Guadalajara Alejandra Montes servn Escuela Superior de ingeniera mecnica y Elctrica del instituto Politcnico Nacional Rosario Alicia Glvez chan instituto Tecnolgico de Sonora violeta Luz Mara Bravo Hernndez Facultad de contadura, uNam Randall Gregory Jesus coffie Goedhoop Tecnolgico de monterrey, campus Guadalajara teresita Guadalupe Avalos Mungua universidad de Guadalajara Jos Arturo Len velzquez universidad autnoma de Sinaloa Julio scar Quintana Grado universidad autnoma de chihuahua Luis Alfonso Guerrero Rodrguez universidad Panamericana campus Bonaterra nely Ros Donato universidad de Guadalajara oralia orduo Fragoza universidad de Sonora Fredy cullar Robles instituto Tecnolgico de Toluca Ma. Luisa Martnez Medel universidad iberoamericana Len vctor Hugo del valle Muoz universidad anhuac Amador osorio Prez universidad autnoma de Sinaloa coLoMBiA carlos Alberto Arango M universidad icesi scar eduardo osorno Reyes universidad Nacional de colombia Jorge Hernando castaeda Lizarazo universidad de amrica Germn viveros cobo colegio Lacordaire - Dominicos Jorge e. Granados A Fundacin universidad autnoma de colombia PeR susana esther Morales cabeza universidad Nacional de Piura tulio Guido vignolo Boggio universidad Nacional de Piura csar Augusto Loayza Morales universidad Nacional del centro del Per 00_FRONT MATTER.indd 2 12/22/09 6:04:54 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
4. 4. q u m i c a Dcima EDicin Raymond chang Williams College Revisin tcnica 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 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 00_FRONT MATTER.indd 3 12/22/09 6:04:59 PM www.mundoindustrial.net
5. 5. Director Higher education: miguel ngel Toledo castellanos editor sponsor: Pablo E. Roig V. coordinadora editorial: marcela i. Rocha martnez editora de desarrollo: ana L. Delgado Rodrguez supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca traduccin: Erika Jasso Hernn DBorneville QuMicA Dcima edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor. DEREcHOS RESERVaDOS 2010 respecto a la sexta edicin en espaol por mcGRaW-HiLL/iNTERamERicaNa EDiTORES, S.a. DE c.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre a Piso 17, colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn c.P. 01376, mxico, D. F. miembro de la cmara Nacional de la industria Editorial mexicana, Reg. Nm. 736 isBn: 978-607-15-0307-7 (iSBN edicin anterior: 970-10-6111-X) Traducido de la dcima edicin de: chemistry, by Raymond chang, copyright 2010 by The mcGraw-Hill companies, inc. all rights reserved. iSBN: 978-007-351109-2 1234567890 19876543210 impreso en mxico Printed in Mexico 00_FRONT MATTER.indd 4 12/22/09 6:04:59 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
6. 6. 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 Yale university. Despus de realizar su investigacin posdoctoral en Washington univer- sity y ensear durante un ao en Hunter college of the 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 fisicoqumica, 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. 00_FRONT MATTER.indd 5 12/22/09 6:05:01 PM www.mundoindustrial.net
7. 7. 1 qumica. El estudio del cambio 2 2 tomos, molculas y iones 40 3 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 78 4 Reacciones en disolucin acuosa 120 5 Gases 172 6 Termoqumica 228 7 Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 274 8 Relaciones peridicas entre los elementos 322 9 Enlace qumico i: conceptos bsicos 364 10 Enlace qumico ii: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 408 11 Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 460 12 Propiedades fsicas de las disoluciones 512 13 cintica qumica 556 14 Equilibrio qumico 614 15 cidos y bases 658 16 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 712 17 qumica en la atmsfera 768 18 Entropa, energa libre y equilibrio 800 19 Electroqumica 836 20 metalurgia y la qumica de los metales 884 21 Elementos no metlicos y sus compuestos 912 22 qumica de los metales de transicin y compuestos de coordinacin 952 23 qumica nuclear 986 24 qumica orgnica 1024 25 Polmeros orgnicos sintticos y naturales 1060 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 00_FRONT MATTER.indd 6 12/22/09 6:05:03 PM www.FreeLibros.com
8. 8. Prefacio xxi Herramientas para obtener mayor provecho xxvi Nota para el estudiante xxx qumica. El estudio del cambio 2 1.1 qumica: una ciencia para el siglo xxi 2 1.2 Estudio de la qumica 7 1.3 El mtodo cientfico 8 QUMICA en accin El helio primordial y la teora del Big Bang 10 1.4 clasificacin de la materia 10 1.5 Los tres estados de la materia 13 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 14 1.7 mediciones 16 QUMICA en accin La importancia de las unidades 21 1.8 manejo de los nmeros 22 1.9 anlisis dimensional en la resolucin de problemas 27 Ecuaciones bsicas 31 Resumen de conceptos 31 Trminos bsicos 31 Preguntas y problemas 32 MISTERIO de la qumica La desaparicin de los dinosaurios 38 tomos, molculas y iones 40 2.1 Teora atmica 42 2.2 Estructura del tomo 43 2.3 Nmero atmico, nmero de masa e isotopos 49 2.4 La tabla peridica 51 QUMICA en accin Distribucin de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 52 2.5 molculas y iones 53 2.6 Frmulas qumicas 55 2.7 Nomenclatura de los compuestos 59 00_FRONT MATTER.indd 7 12/22/09 6:05:07 PM www.mundoindustrial.net
9. 9. viii contenido 2.8 introduccin a los compuestos orgnicos 68 Ecuaciones bsicas 70 Resumen de conceptos 70 Trminos bsicos 70 Preguntas y problemas 71 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 78 3.1 masa atmica 80 3.2 Nmero de avogadro y masa molar de un elemento 81 3.3 masa molecular 85 3.4 Espectrmetro de masas 88 3.5 composicin porcentual de los compuestos 88 3.6 Determinacin experimental de frmulas empricas 92 3.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 94 3.8 cantidades de reactivos y productos 99 3.9 Reactivo limitante 103 3.10 Rendimiento de reaccin 106 QUMICA en accin Fertilizantes qumicos 108 Ecuaciones bsicas 109 Resumen de conceptos 109 Trminos bsicos 109 Preguntas y problemas 110 Reacciones en disolucin acuosa 120 4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 122 4.2 Reacciones de precipitacin 124 QUMICA en accin Una reaccin de precipitacin indeseable 129 4.3 Reacciones cido-base 129 4.4 Reacciones de oxidacin-reduccin 135 QUMICA en accin Alcoholmetro 146 4.5 concentracin de las disoluciones 147 4.6 anlisis gravimtrico 151 4.7 Valoraciones cido-base 153 4.8 Valoraciones redox 156 QUMICA en accin Metal proveniente del mar 158 Ecuaciones bsicas 159 Resumen de conceptos 159 00_FRONT MATTER.indd 8 12/22/09 6:05:10 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
10. 10. ixcontenido Trminos bsicos 160 Preguntas y problemas 160 MISTERIO de la qumica Quin asesin a Napolen? 170 Gases 172 5.1 Sustancias que existen como gases 174 5.2 Presin de un gas 175 5.3 Leyes de los gases 179 5.4 Ecuacin del gas ideal 185 5.5 Estequiometra de los gases 194 5.6 Ley de Dalton de las presiones parciales 196 5.7 Teora cintica molecular de los gases 201 QUMICA en accin El buceo y las leyes de los gases 202 QUMICA en accin tomos superenfriados 210 5.8 Desviacin del comportamiento ideal 211 Ecuaciones bsicas 214 Resumen de conceptos 214 Trminos bsicos 215 Preguntas y problemas 215 MISTERIO de la qumica Sin oxgeno 226 Termoqumica 228 6.1 naturaleza y tipos de energa 230 6.2 cambios de energa en las reacciones qumicas 231 6.3 introduccin a la termodinmica 233 QUMICA en accin Fabricar nieve e inflar un neumtico de bicicleta 239 6.4 Entalpa de las reacciones qumicas 239 6.5 calorimetra 245 QUMICA en accin Valores energticos de los alimentos y otras sustancias 251 6.6 Entalpa estndar de formacin y de reaccin 252 QUMICA en accin Cmo se defiende el escarabajo bombardero 257 6.7 calor de disolucin y de dilucin 258 Ecuaciones bsicas 261 Resumen de conceptos 261 00_FRONT MATTER.indd 9 12/22/09 6:05:13 PM www.mundoindustrial.net
11. 11. x contenido Trminos bsicos 262 Preguntas y problemas 262 MISTERIO de la qumica El neumtico explosivo 272 Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 274 7.1 De la fsica clsica a la teora cuntica 276 7.2 El efecto fotoelctrico 280 7.3 Teora de Bohr del tomo de hidrgeno 282 QUMICA en accin Lser: la luz esplendorosa 288 7.4 La naturaleza dual del electrn 288 QUMICA en accin Microscopia electrnica 292 7.5 mecnica cuntica 293 7.6 Nmeros cunticos 294 7.7 Orbitales atmicos 297 7.8 configuracin electrnica 300 7.9 El principio de construccin 307 Ecuaciones bsicas 311 Resumen de conceptos 311 Trminos bsicos 312 Preguntas y problemas 312 MISTERIO de la qumica Descubrimiento del helio y el surgimiento y cada del coronio 320 Relaciones peridicas entre los elementos 322 8.1 Desarrollo de la tabla peridica 324 8.2 clasificacin peridica de los elementos 326 8.3 Variaciones peridicas de las propiedades fsicas 330 QUMICA en accin El tercer elemento lquido? 337 8.4 Energa de ionizacin 337 8.5 afinidad electrnica 341 8.6 Variacin de las propiedades qumicas de los elementos representativos 344 QUMICA en accin El descubrimiento de los gases nobles 355 00_FRONT MATTER.indd 10 12/22/09 6:05:16 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
12. 12. xicontenido Ecuaciones bsicas 356 Resumen de conceptos 356 Trminos bsicos 356 Preguntas y problemas 356 Enlace qumico i: conceptos bsicos 364 9.1 Smbolos de puntos de Lewis 366 9.2 Enlace inico 367 9.3 Energa reticular de los compuestos inicos 369 QUMICA en accin Cloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante 373 9.4 Enlace covalente 374 9.5 Electronegatividad 377 9.6 Escritura de las estructuras de Lewis 380 9.7 carga formal y estructura de Lewis 383 9.8 El concepto de resonancia 386 9.9 Excepciones a la regla del octeto 389 QUMICA en accin Slo diga NO 393 9.10 Entalpa de enlace 394 Ecuaciones bsicas 399 Resumen de conceptos 399 Trminos bsicos 399 Preguntas y problemas 399 Enlace qumico ii: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 408 10.1 Geometra molecular 410 10.2 momento dipolar 420 QUMICA en accin Los hornos de microondas: el momento dipolar en accin 424 10.3 Teora de enlace valencia 424 10.4 Hibridacin de orbitales atmicos 428 10.5 Hibridacin en molculas que contienen enlaces dobles y triples 437 10.6 Teora de orbitales moleculares 440 10.7 configuraciones de orbitales moleculares 443 10.8 Orbitales moleculares deslocalizados 448 QUMICA en accin El buckybaln un baln cualquiera? 450 Ecuaciones bsicas 452 Resumen de conceptos 452 Trminos bsicos 453 Preguntas y problemas 453 00_FRONT MATTER.indd 11 12/22/09 6:05:19 PM www.mundoindustrial.net
13. 13. xii contenido Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 460 11.1 Teora cintica molecular de lquidos y slidos 462 11.2 Fuerzas intermoleculares 463 11.3 Propiedades de los lquidos 469 11.4 Estructura cristalina 472 QUMICA en accin Por qu los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 473 11.5 Difraccin de rayos X de estructuras cristalinas 480 11.6 Tipos de cristales 482 QUMICA en accin Superconductores a altas temperaturas 486 11.7 Slidos amorfos 486 QUMICA en accin Y todo por un botn 488 11.8 cambios de fase 489 11.9 Diagramas de fases 498 QUMICA en accin Hervir un huevo en la cima de una montaa, las ollas de presin y el patinaje sobre hielo 500 QUMICA en accin Cristales lquidos 501 Ecuaciones bsicas 503 Resumen de conceptos 503 Trminos bsicos 504 Preguntas y problemas 504 Propiedades fsicas de las disoluciones 512 12.1 Tipos de disoluciones 514 12.2 Enfoque molecular del proceso de disolucin 515 12.3 unidades de concentracin 517 12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 521 12.5 Efecto de la presin en la solubilidad de los gases 524 QUMICA en accin El lago asesino 526 12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrlitos 526 12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrlitos 539 QUMICA en accin Desalinizacin 541 00_FRONT MATTER.indd 12 12/22/09 6:05:22 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
14. 14. xiiicontenido 12.8 coloides 541 Ecuaciones bsicas 545 Resumen de conceptos 545 Trminos bsicos 545 Preguntas y problemas 546 MISTERIO de la qumica El cuchillo equivocado 554 cintica qumica 556 13.1 La rapidez de una reaccin 558 13.2 La ley de rapidez 565 13.3 Relacin entre la concentracin de reactivos y el tiempo 569 QUMICA en accin Determinacin de la edad del Sudario de Turn 580 13.4 constantes de rapidez y su dependencia de la energa de activacin y de la temperatura 582 13.5 mecanismos de reaccin 588 QUMICA en accin Femtoqumica 593 13.6 catlisis 594 Ecuaciones bsicas 601 Resumen de conceptos 602 Trminos bsicos 602 Preguntas y problemas 602 Equilibrio qumico 614 14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 616 14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 618 14.3 Relacin entre cintica qumica y equilibrio qumico 630 14.4 qu informacin proporciona la constante de equilibrio? 632 14.5 Factores que afectan el equilibrio qumico 638 QUMICA en accin La vida a grandes alturas y la produccin de hemoglobina 645 QUMICA en accin El proceso Haber 646 Ecuaciones bsicas 646 Resumen de conceptos 646 Trminos bsicos 647 Preguntas y problemas 648 00_FRONT MATTER.indd 13 12/22/09 6:05:25 PM www.mundoindustrial.net
15. 15. xiv contenido cidos y bases 658 15.1 cidos y bases de Brnsted 660 15.2 Propiedades cido-base del agua 661 15.3 El pH: una medida de la acidez 663 15.4 Fuerza de los cidos y las bases 666 15.5 cidos dbiles y la constante de ionizacin de un cido 670 15.6 Bases dbiles y la constante de ionizacin de una base 678 15.7 Relacin entre las constantes de ionizacin de los cidos y sus bases conjugadas 680 15.8 cidos diprticos y poliprticos 681 15.9 Estructura molecular y fuerza de los cidos 685 15.10 Propiedades cido-base de las sales 689 15.11 Propiedades cido-base de los xidos y los hidrxidos 695 15.12 cidos y bases de Lewis 697 QUMICA en accin Anticidos y el balance del pH en el estmago 698 Ecuaciones bsicas 701 Resumen de conceptos 701 Trminos bsicos 702 Preguntas y problemas 702 MISTERIO de la qumica La descomposicin de los papeles 710 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 712 16.1 comparacin entre los equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin 714 16.2 Efecto del ion comn 714 16.3 Disoluciones amortiguadoras 717 16.4 Valoraciones cido-base 723 QUMICA en accin Mantenimiento del pH de la sangre 724 16.5 indicadores cido-base 732 16.6 Equilibrios de solubilidad 735 16.7 Separacin de iones por precipitacin fraccionada 742 16.8 El efecto del ion comn y la solubilidad 744 16.9 El pH y la solubilidad 746 16.10 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 749 QUMICA en accin Cmo se forma un cascarn de huevo? 753 00_FRONT MATTER.indd 14 12/22/09 6:05:28 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
16. 16. xvcontenido 16.11 aplicacin del principio del producto de solubilidad al anlisis cualitativo 754 Ecuaciones bsicas 756 Resumen de conceptos 757 Trminos bsicos 757 Preguntas y problemas 757 MISTERIO de la qumica Un duro bocadillo 766 qumica en la atmsfera 768 17.1 atmsfera terrestre 770 17.2 Fenmenos en las capas externas de la atmsfera 773 17.3 Destruccin del ozono en la estratosfera 775 17.4 Volcanes 780 17.5 Efecto invernadero 781 17.6 Lluvia cida 785 17.7 Esmog fotoqumico 789 17.8 contaminacin domstica 791 Resumen de conceptos 794 Trminos bsicos 794 Preguntas y problemas 794 Entropa, energa libre y equilibrio 800 18.1 Las tres leyes de la termodinmica 802 18.2 Procesos espontneos 802 18.3 Entropa 803 18.4 Segunda ley de la termodinmica 808 QUMICA en accin La eficiencia de las mquinas trmicas 814 18.5 Energa libre de Gibbs 814 18.6 Energa libre y equilibrio qumico 821 18.7 Termodinmica en los sistemas vivos 825 QUMICA en accin La termodinmica de una liga 826 Ecuaciones bsicas 828 Resumen de conceptos 828 Trminos bsicos 828 Preguntas y problemas 829 00_FRONT MATTER.indd 15 12/22/09 6:05:31 PM www.mundoindustrial.net
17. 17. xvi contenido Electroqumica 836 19.1 Reacciones redox 838 19.2 celdas galvnicas 841 19.3 Potenciales estndar de reduccin 843 19.4 Termodinmica de las reacciones redox 849 19.5 Efecto de la concentracin sobre la fem de la celda 852 19.6 Bateras 857 QUMICA en accin Energa bacteriana 861 19.7 corrosin 862 19.8 Electrlisis 866 QUMICA en accin Molestia producida por las amalgamas dentales 871 Ecuaciones bsicas 872 Resumen de conceptos 873 Trminos bsicos 873 Preguntas y problemas 873 MISTERIO de la qumica Agua sucia 882 metalurgia y la qumica de los metales 884 20.1 Presencia de los metales 886 20.2 Procesos metalrgicos 886 20.3 Teora de las bandas de conductividad elctrica 894 20.4 Tendencias peridicas de las propiedades metlicas 896 20.5 metales alcalinos 897 20.6 metales alcalinotrreos 901 20.7 aluminio 903 QUMICA en accin Reciclamiento de aluminio 906 Resumen de conceptos 906 Trminos bsicos 907 Preguntas y problemas 908 00_FRONT MATTER.indd 16 12/22/09 6:05:34 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
18. 18. xviicontenido Elementos no metlicos y sus compuestos 912 21.1 Propiedades generales de los no metales 914 21.2 Hidrgeno 914 QUMICA en accin Hidrgeno metlico 919 21.3 carbono 920 QUMICA en accin Gas sinttico a partir del carbn 923 21.4 Nitrgeno y fsforo 924 QUMICA en accin Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 931 21.5 Oxgeno y azufre 932 21.6 Halgenos 939 Resumen de conceptos 946 Trminos bsicos 946 Preguntas y problemas 947 qumica de los metales de transicin y compuestos de coordinacin 952 22.1 Propiedades de los metales de transicin 954 22.2 La qumica del hierro y del cobre 957 22.3 compuestos de coordinacin 959 22.4 Estructura de los compuestos de coordinacin 964 22.5 El enlace en los compuestos de coordinacin: teora de campo cristalino 967 22.6 Reacciones de los compuestos de coordinacin 973 22.7 aplicaciones de los compuestos de coordinacin 974 QUMICA en accin Compuestos de coordinacin en los sistemas vivos 976 Ecuaciones bsicas 976 Resumen de conceptos 976 QUMICA en accin Cisplatino: el medicamento anticancergeno 978 Trminos bsicos 978 Preguntas y problemas 978 MISTERIO de la qumica Datacin de pinturas con el azul de Prusia 984 00_FRONT MATTER.indd 17 12/22/09 6:05:37 PM www.mundoindustrial.net
19. 19. xviii contenido qumica nuclear 986 23.1 Naturaleza de las reacciones nucleares 988 23.2 Estabilidad nuclear 990 23.3 Radiactividad natural 995 23.4 Transmutacin nuclear 999 23.5 Fisin nuclear 1001 QUMICA en accin El reactor de fisin nuclear de la naturaleza 1006 23.6 Fusin nuclear 1007 23.7 aplicaciones de los istopos 1010 23.8 Efectos biolgicos de la radiacin 1012 QUMICA en accin Irradiacin de los alimentos 1014 QUMICA en accin Terapia por captura neutrnica de boro 1015 Ecuaciones bsicas 1015 Resumen de conceptos 1016 Trminos bsicos 1016 Preguntas y problemas 1016 MISTERIO de la qumica El arte de la falsificacin en el siglo xx 1022 qumica orgnica 1024 24.1 clases de compuestos orgnicos 1026 24.2 Hidrocarburos alifticos 1026 QUMICA en accin El hielo que se quema 1038 24.3 Hidrocarburos aromticos 1039 24.4 qumica de los grupos funcionales 1042 QUMICA en accin La industria del petrleo 1048 Resumen de conceptos 1051 Trminos bsicos 1051 Preguntas y problemas 1051 MISTERIO de la qumica Desaparicin de huellas digitales 1058 00_FRONT MATTER.indd 18 12/22/09 6:05:40 PM www.mundoindustrial.net www.FreeLibros.com
20. 20. xixcontenido Polmeros orgnicos sintticos y naturales 1060 25.1 Propiedades de los polmeros 1062 25.2 Polmeros orgnicos sintticos 1062 25.3 Protenas 1067 QUMICA en accin Anemia falciforme: una enfermedad molecular 1074 25.4 cidos nucleicos 1076 QUMICA en accin Huella digital del ADN 1079 Resumen de conceptos 1080 Trminos bsicos 1080 Preguntas y problemas 1080 MISTERIO de la qumica Una historia que le erizar los cabellos 1084 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 Glosario G-1 Respuestas a las preguntas pares R-1 Crditos C-1 ndice I-1 00_FRONT MATTER.indd 19 12/22/09 6:05:41 PM www.mundoindustrial.net
21. 21. D esde la primera edicin, mi intencin ha sido es- cribir un texto de qumica general que ofrezca una base firme de conceptos y principios qumicos, y que inculque en los estudiantes el reconocimiento de la fun- cin tan vital que la qumica desempea en nuestra vida coti- diana. 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 pre- sentados en una secuencia lgica. Siempre que ha sido posi- ble, he intentado equilibrar la teora y la prctica, as como ilustrar los principios bsicos con ejemplos comunes. En esta dcima edicin, como en las anteriores, mi meta ha sido crear un texto que explique con claridad con- ceptos abstractos, lo bastante conciso para no abrumar a los estudiantes con informacin extraa e innecesaria, pero lo suficientemente amplio para prepararlos para el siguiente nivel de aprendizaje. Los comentarios alentadores que he recibido de maestros y estudiantes me han convencido de la eficacia de este mtodo. Lo nuevo en esta edicin Se han agregado muchos problemas nuevos de final de captulo con la representacin grfica de molculas, para poner a prueba las habilidades de comprensin conceptual y razonamiento crtico del estudiante. Los problemas ms desafiantes se incluyen bajo la seccin Problemas especiales. En el captulo 10 se incluyeron nuevos diagramas orbitales moleculares generados por computadora. Se han revisado y actualizado muchas secciones con base en los comentarios de revisores y usuarios. algu- nos ejemplos incluyen: Tratamiento revisado de las cantidades de reacti- vos y productos en el captulo 3. Explicacin revisada de las ecuaciones termoqu- micas en el captulo 6. cobertura ampliada de la carga nuclear efectiva en el captulo 8. Tratamiento revisado del factor de orientacin en el captulo 13. anlisis revisado de la entropa en el captulo 18. Nueva seccin agregada de qumica en accin (Te- rapia por captura neutrnica de boro) en el captulo 23. 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 proble- mas de final de captulo. muchos de ellos presentan piezas adicionales de conocimiento y permiten al estudiante resol- ver 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 solucin. 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 didc- tica. solucin es el proceso de resolver por etapas un problema determinado. verificacin permite al estudiante verificar y com- parar con la fuente de informacin para asegurarse de que la respuesta sea razonable. ejercicio de prctica ofrece la oportunidad de re- solver un problema similar con el fin de obtener destreza en la resolucin de este tipo de problemas. La nota al margen enlista problemas similares adi- cionales para trabajar en la seccin de problemas al final del captulo. Problemas de final de captulo estn organizados de varias formas. cada seccin comprendida debajo de un encabezado temtico comienza con Preguntas de repaso seguidas por Problemas. La seccin de Problemas adi- cionales ofrece ms problemas no organizados por sec- ciones. Por ltimo, la seccin Problemas especiales contiene problemas con un mayor grado de dificultad. xxi 00_FRONT MATTER.indd 21 12/22/09 6:05:43 PM www.FreeLibros.com
22. 22. xxii Prefacio visualizacin Grficas y diagramas de flujo son importantes en ciencia. En Qumica, los diagramas de flujo muestran el proceso mental de un concepto y las grficas 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 tridi- mensionales de las molculas. Finalmente, la represen- tacin macroscpica a microscpica, ayuda a los estu- diantes 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 visuali- zar la distribucin real de un laboratorio qumico. Ayudas para el estudio ambientacin un despliegue de dos pginas al inicio de cada captulo consta de las secciones: sumario del captulo y avance del captulo. sumario del captulo permite al estudiante captar r- pidamente el panorama de las principales ideas que se exponen en l. Avance del captulo ofrece al estudiante una sntesis de los conceptos que se presentarn en el mismo. Herramientas didcticas 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, pis- tas e informacin con el fin de enriquecer la base cog- nitiva 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 es- quemas lo ayudar a comprender el funcionamiento in- terno de un problema (vea el ejemplo 6.1 de la pgina 237). una nota al margen muestra problemas similares en la seccin de problemas al final del captulo, lo que permite aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo. Las respuestas a los Ejercicios de prctica se presentan al final de los problemas del captulo. Revisin de conceptos permite al estudiante evaluar si ha comprendido el concepto presentado en cada sec- cin. ecuaciones bsicas se presentan dentro de cada captu- lo y se resaltan para captar la atencin del estudiante en cuanto al material que necesita comprender y recordar. Tambin se presentan como parte del resumen de cada captulo y son fcilmente identificables para fines de repaso y estudio. Resumen de conceptos ofrece un repaso rpido de los conceptos presentados y analizados a detalle dentro de cada captulo. Palabras clave son listas de todos los trminos impor- tantes para ayudar al estudiante a comprender el len- guaje de la qumica. Ponga a prueba sus conocimientos Revisin de conceptos permite al estudiante hacer una pausa y poner a prueba su comprensin del concepto presentado y analizado en determinada seccin. Problemas de final de captulo Permiten al estudiante poner en prctica sus habilidades de pensamiento crti- co y resolucin de problemas. Los problemas se divi- den en diferentes tipos: Por seccin de captulo. Desde las Preguntas de repaso que ponen a prueba la comprensin con- ceptual bsica, hasta los Problemas que prueban la habilidad del estudiante para la resolucin de pro- blemas pertenecientes a esa seccin particular del captulo. Los Problemas adicionales utilizan el lenguaje ob- tenido de las diferentes secciones y captulos pre- vios para su resolucin. La seccin de Problema especial contiene proble- mas ms difciles idneos para proyectos grupales. Relevancia prctica En todo el libro se presentan ejemplos interesantes de las di- ferentes manifestaciones cotidianas de la qumica. Se usan analogas para ayudar a mejorar la comprensin de concep- tos qumicos abstractos. Problemas de final de captulo presentan muchas pre- guntas relevantes para el estudiante. Ejemplos: Por qu en ocasiones los entrenadores de natacin vierten 00_FRONT MATTER.indd 22 12/22/09 6:05:43 PM
23. 23. xxiiiPrefacio una gota de alcohol en el odo de los nadadores para ex- traer el agua? cmo se estima la presin en un envase de refresco carbonatado antes de destaparlo? Qumica en accin son recuadros que aparecen en ca- da captulo y que presentan una variedad de temas, cada uno con su propia historia de la manera en que la qu- mica puede afectar una parte de la vida. El estudiante aprender aspectos de la ciencia del buceo y la medici- na nuclear, entre muchos otros temas interesantes. Misterio qumico presenta al estudiante un caso mis- terioso. Varias preguntas qumicas ofrecen pistas acer- ca de cmo se podra resolver el misterio. misterio qumico fomentar un grado de nivel de pensamien- to crtico gracias a los pasos bsicos para la resolucin de problemas desarrollados a lo largo del texto. Agradecimientos me gustara agradecer a los siguientes revisores y partici- pantes de simposios cuyos comentarios 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 AlaskaFairbanks allen clabo Francis Marion University Barbara cole University of Maine W. Lin coker iii Campbell University Darwin Dahl Western Kentucky University Erin Dahlke Loras College Gary DeBoer LeTourneau University Dawn De carlo University of Northern Iowa Richard Deming California State UniversityFullerton Gregg Dieckman University of Texas at Dallas michael Doughty Southeastern Louisiana University Bill Durham University of Arkansas David Easter Texas State UniversitySan Marcos Deborah Exton University of Oregon David Frank California State UniversityFresno 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 MissouriKansas City Thomas Gray University of WisconsinWhitewater 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 MichiganDearborn 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 00_FRONT MATTER.indd 23 12/22/09 6:05:44 PM www.FreeLibros.com
24. 24. xxiv Prefacio Daniel B. Lawson University of MichiganDearborn 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 Pacific 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 NevadaLas Vegas Jason Overby College of Charleston m. Diane Payne Villa Julie College Lester L. Pesterfield Western Kentucky University Richard Petersen University of Memphis Joanna Piotrowska Normandale Community College amy Pollock Michigan State UniversityEast 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 MichiganDearborn David Speckhard Loras College Rick Spinney Ohio State University David Son Southern Methodist University Larry O. Spreer University of the Pacific Shane Street University of Alabama Satoshi Takara University of Hawaii Kimberly Trick University of Dayton Bridget Trogden Mercer University cyriacus uzomba Austin Community College John B. Vincent University of Alabama Thomas Webb Auburn University Lyle Wescott University of Mississippi Wayne Wesolowski University of Arizona Ken Williams Francis Marion University W.T. Wong, The University of Hong Kong Troy Wood University of Buffalo Gloria a. Wright Central Connecticut State University Stephanie Wunder Temple University christine Yerkes University of Illinois Timothy Zauche University of WisconsinPlatteville William Zoller University of Washington Tambin agradezco a las siguientes personas por todos sus comentarios y sugerencias: mufeed Basti North Carolina A&T Ken Goldsby Florida State University John Hagen California Polytechnic University Joseph Keane Muhlenberg College Richard Nafshun Oregon State University michael Ogawa Bowling Green State University Jason Overby College of Charleston John Pollard University of Arizona William quintana New Mexico State University Troy Wood University of Buffalo Kim Woodrum University of Kentucky Tambin me gustara agradecer al doctor Enrique Pea- cock-Lopez y Desire Gijima por los diagramas orbitales ge- nerados por computadora del captulo 10. como siempre, me he beneficiado de las discusiones con mis colegas del Williams college y de la corresponden- cia con los profesores de ah y del extranjero. Es un placer agradecer el apoyo que me han otorgado los siguientes miembros de la divisin de estudios universi- tarios 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, 00_FRONT MATTER.indd 24 12/22/09 6:05:44 PM
25. 25. xxvPrefacio me gustara mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la produccin, a David Hash por el diseo del libro, a John Leland por la investigacin fotogrfica, a Daryl Bruflodt y Judi David por el formato multimedia y a Todd Turner, gerente de marketing, por sus sugerencias y aliento. Vaya tambin mi agradecimiento a mis editores comerciales Tami Hodge y Thomas Timp, por sus consejos y ayuda. Por lti- mo, 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. Raymond Chang. 00_FRONT MATTER.indd 25 12/22/09 6:05:44 PM www.FreeLibros.com
26. 26. Herramientas para obtener mayor provecho Herramientas didcticas Pgina de apertura de cada captulo: Preprese para un mayor aprovechamiento con el sumario del captulo. Examine avance del captulo para familiarizarse con los conceptos del captulo. Relaciones de masa en las reacciones qumicas Azufre en combustin con el ox- geno para formar dixido de azu- fre. Los modelos muestran molcu- las de azufre elemental (S8), de oxgeno y de dixido de azufre. Cada ao, alrededor de 50 millones de toneladas de SO2 se liberan a la atmsfera. Avance del captulo Iniciaremos este captulo con el estudio de la masa de un tomo, la cual est basada en la escala del istopo de carbono-12. A un tomo del istopo de carbono-12 se le asigna una masa de exactamente 12 unidades de masa atmica (uma). A fin de trabajar con la escala de gramos, ms conveniente, se utiliza la masa molar. La masa molar del carbono-12 tiene una masa de exactamente 12 gramos y contiene el nmero de Avogadro (6.022 1023 ) de tomos. Las masas moleculares de otros elementos tambin se expresan en gramos y contienen el mismo nmero de tomos. (3.1 y 3.2) El anlisis de la masa atmica se relaciona con la masa molecular, la cual es la suma de las masas de los tomos presentes. Aprenderemos que la forma ms directa de de- terminar la masa atmica y molecular es mediante el uso de un espectrmetro de ma- sas. (3.3 y 3.4) Para continuar con el estudio de las molculas y compuestos inicos, aprenderemos a calcular la composicin porcentual de estas especies a partir de sus frmulas qu- micas. (3.5) Estudiaremos cmo se determinan, mediante experimentacin, la frmula emprica y molecular de un compuesto. (3.6) Despus aprenderemos a escribir una ecuacin qumica para describir el resultado de una reaccin qumica. Una ecuacin qumica se debe balancear de manera que se pueda tener el mismo nmero y clase de tomos para los reactivos, las materias primas, y los productos, las sustancias formadas al final de la reaccin. (3.7) Con base en el conocimiento adquirido de las ecuaciones qumicas, continuaremos con el estudio de las relaciones de masa de las reacciones qumicas. Una ecuacin qumica permite el uso del mtodo del mol para predecir la cantidad de producto(s) formado(s), una vez conocida la cantidad de reactivo(s) utilizado(s). Observaremos que el rendimiento de una reaccin depende de la cantidad del reactivo limitante (el reactivo que se consume primero) presente. (3.8 y 3.9) Aprenderemos que el rendimiento real de una reaccin es casi siempre menor que el pronosticado a partir de la ecuacin, conocido como rendimiento terico, debido a diversas complicaciones. (3.10) Sumario En este captulo estudiaremos las masas de los tomos y de las molculas y lo que les ocurre cuando se realizan cambios qumicos. El anlisis se basar en la ley de la conservacin de la masa. 79 3.1 Masa atmica 3.2 Nmero de Avogadro y masa molar de un elemento 3.3 Masa molecular 3.4 Espectrmetro de masas 3.5 Composicin porcentual de los compuestos 3.6 Determinacin experimental de frmulas empricas 3.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 3.8 Cantidades de reactivos y productos 3.9 Reactivo limitante 3.10 Rendimiento de reaccin xxvi 00_FRONT MATTER.indd 26 12/22/09 6:06:04 PM
27. 27. Herramientas visuales: comprenda los principios qumicos por medio de los diferentes estilos de ayudas visuales y el desglose de conceptos importantes. Herramientas para la resolucin de problemas ejemplos: Domine el pensamiento lgico y sistemtico para la resolucin de problemas. Revisin de conceptos: compruebe su comprensin mediante la herramienta Revisin de conceptos que se encuentra despus de las secciones correspondientes en cada captulo. xxvii 00_FRONT MATTER.indd 27 12/22/09 6:06:19 PM www.FreeLibros.com
28. 28. Problemas al final del captulo: Practique su habilidad y conocimiento de los conceptos resolviendo los problemas que se encuentran al final de cada captulo. 110 CAPTULO 3 Relaciones de masa en las reacciones qumicas Masa atmica Preguntas de repaso 3.1 Qu es una unidad de masa atmica? Por qu es necesa- ria la introduccin de dicha unidad? 3.2 Cul es la masa (en uma) del tomo de carbono-12? Por qu la masa del carbono aparece como 12.01 uma en la tabla peridica de la segunda de forros de este libro? 3.3 Explique de manera clara el significado del enunciado la masa atmica del oro es 197.0 uma. 3.4 Qu informacin se necesita para calcular la masa at- mica promedio de un elemento? Problemas 3.5 Las masas atmicas de 35 Cl (75.53%) y 37 Cl (24.47%) son 34.968 uma y 36.956 uma, respectivamente. Calcule la masa atmica promedio del cloro. Los porcentajes entre parntesis indican la abundancia relativa. 3.6 Las masas atmicas de 6 Li y 7 Li son 6.0151 uma y 7.0160 uma, respectivamente. Calcule la abundancia natural de estos dos istopos. La masa atmica promedio del Li es 6.941 uma. 3.7 Cul es la masa (en gramos) de 13.2 uma? 3.8 Cuntas uma existen en 8.4 g? Nmero de Avogadro y masa molar Preguntas de repaso 3.9 Defina el trmino mol. Cul es la unidad para el mol en los clculos? Qu tiene en comn el mol con el par, la docena y la gruesa? Qu representa el nmero de Avo- gadro? 3.10 Qu es la masa molar de un tomo? Cules son las uni- dades comnmente utilizadas para masa molar? Problemas 3.11 La poblacin mundial es aproximadamente de 65 mil mi- llones. Suponga que cada persona sobre la Tierra participa en un proceso de contar partculas idnticas a una rapidez de dos partculas por segundo. Cuntos aos llevara contar 6.0 1023 partculas? Suponga aos de 365 das. 3.12 El espesor de una hoja de papel es 0.0036 pulgadas. Con- sidere que cierto libro tiene el nmero de Avogadro de hojas; calcule el grosor de dicho libro en aos-luz. (Suge- rencia: Vea el problema 1.47 para la definicin de ao- luz.) 3.13 Cuntos tomos hay en 5.10 moles de azufre (S)? 3.14 Cuntos moles de tomos de cobalto (Co) hay en 6.00 109 (6 mil millones) de tomos de Co? 3.15 Cuntos moles de tomos de calcio (Ca) hay en 77.4 g de Ca? 3.16 Cuntos gramos de oro (Au) hay en 15.3 moles de Au? 3.17 Cul es la masa en gramos de un solo tomo de cada uno de los siguientes elementos? a) Hg, b) Ne. 3.18 Cul es la masa en gramos de un solo tomo de cada uno de los siguientes elementos? a) As, b) Ni. 3.19 Cul es la masa en gramos de 1.00 1012 tomos de plomo (Pb)? 3.20 Cuntos tomos estn presentes en 3.14 g de cobre (Cu)? 3.21 Cul de las siguientes cantidades contiene ms tomos: 1.10 g de tomos de hidrgeno o 14.7 g de tomos de cromo? 3.22 Cul de las siguientes cantidades tiene mayor masa: 2 tomos de plomo o 5.1 1023 moles de helio. Masa molecular Problemas 3.23 Calcule la masa molecular (en uma) de cada una de las siguientes sustancias: a) CH4, b) NO2, c) SO3, d) C6H6, e) NaI, f) K2SO4, g) Ca3(PO4)2. 3.24 Calcule la masa molar de cada una de las siguientes sus- tancias: a) Li2CO3, b) CS2, c) CHCl3 (cloroformo), d) C6H8O6 (cido ascrbico, o vitamina C), e) KNO3, f) Mg3N2. 3.25 Calcule la masa molar de un compuesto si 0.372 moles de l tienen una masa de 152 g. 3.26 Cuntas molculas de etano (C2H6) estn presentes en 0.334 g de C2H6? 3.27 Calcule el nmero de tomos de C, H y O en 1.50 g del azcar glucosa (C6H12O6). 3.28 La urea [(NH2)2CO] se utiliza, entre otras cosas, como fertilizante. Calcule el nmero de tomos de N, C, O e H en 1.68 104 g de urea. 3.29 Las feromonas son un tipo especial de compuestos secre- tadas por las hembras de muchas especies de insectos con el fin de atraer a los machos para aparearse. Una feromona tiene la frmula molecular C19H38O. Normalmente, la cantidad de esta feromona secretada por un insecto hem- bra es de alrededor de 1.0 1012 g. Cuntas molculas hay en esta cantidad? 3.30 La densidad del agua es 1.00 g/mL a 4C. Cuntas mo- lculas de agua estn presentes en 2.56 mL de agua a di- cha temperatura? Espectrometra de masas Preguntas de repaso 3.31 Describa cmo funciona un espectrmetro de masas. 3.32 Describa cmo podra determinar la abundancia isotpica de un elemento a partir de su espectro de masas. Preguntas y problemas 17 17 3 3 111Preguntas y problemas Problemas 3.33 El carbono tiene dos istopos estables, 12 C y 13 C, en tanto que el flor tiene slo un istopo estable, 19 F. Cuntas seales esperara observar en el espectro de masas del ion positivo de CF+ ? Suponga que dicho ion no se rompe en fragmentos ms pequeos. 3.34 El hidrgeno tiene dos istopos estables, 1 H y 2 H, en tanto que el azufre tiene cuatro istopos estables, 32 S, 33 S, 34 S y 36 S. Cuntas seales esperara observar en el espectro de masas del ion positivo sulfuro de hidrgeno H2S+ ? Su- ponga que el ion no se descompone en fragmentos ms pequeos. Composicin porcentual y frmulas qumicas Preguntas de repaso 3.35 Utilice el amoniaco (NH3) para explicar el significado de la composicin porcentual en masa de un compuesto. 3.36 Describa cmo el conocimiento de la composicin por- centual en masa de un compuesto desconocido puede ayu- dar a su identificacin. 3.37 Cul es el significado de la palabra emprica en el tr- mino frmula emprica? 3.38 Si conocemos la frmula emprica de un compuesto, cul otra informacin adicional necesitamos para determinar su frmula molecular? Problemas 3.39 El estao (Sn) existe en la corteza terrestre como SnO2. Calcule la composicin porcentual en masa de Sn y de O en el SnO2. 3.40 Durante muchos aos se utiliz el cloroformo (CHCl3) como anestsico de inhalacin a pesar de ser tambin una sustancia txica que puede daar el hgado, los riones y el corazn. Calcule la composicin porcentual en masa de este compuesto. 3.41 El alcohol cinmico se utiliza principalmente en perfume- ra, en especial en jabones y cosmticos. Su frmula mo- lecular es C9H10O. a) Calcule la composicin porcentual en masa de C, H y O del alcohol cinmico. b) Cuntas molculas de alcohol cinmico estn presentes en una muestra de 0.469 g? 3.42 Todas las sustancias que aparecen a continuacin se utili- zan como fertilizantes que contribuyen a la nitrogenacin del suelo. Cul de ellas representa una mejor fuente de nitrgeno, de acuerdo con su composicin porcentual en masa? a) Urea (NH2)2CO b) Nitrato de amonio, NH4NO3 c) Guanidina, HNC(NH2)2 d) Amoniaco, NH3 3.43 La alicina es el compuesto responsable del olor caracters- tico del ajo. Un anlisis de dicho compuesto muestra la siguiente composicin porcentual en masa: C: 44.4%; H: 6.21%; S: 39.5%; O: 9.86%. Calcule su frmula emprica. Cul es su frmula molecular si su masa molar es aproxi- madamente de 162 g? 3.44 El peroxiacilnitrato (PAN) es uno de los componentes del esmog. Est formado por C, H, N y O. Determine la com- posicin porcentual de oxgeno y la frmula emprica, a partir de la siguiente composicin porcentual en masa: 19.8% de C, 2.50% de H y 11.6% de N. Cul es su fr- mula molecular si su masa molar es aproximadamente de 120 g? 3.45 La frmula de la herrumbre se puede representar como Fe2O3. Cuntas moles de Fe estn presentes en 24.6 g del compuesto? 3.46 Cuntos gramos de azufre (S) se necesitan para reaccio- nar completamente con 246 g de mercurio (Hg) para for- mar HgS? 3.47 Calcule la masa en gramos de yodo (I2) que reaccionar completamente con 20.4 g de aluminio (Al) para formar yoduro de aluminio (AlI3). 3.48 Frecuentemente se agrega fluoruro de estao(II) (SnF2) a los dentfricos como un ingrediente para evitar las caries. Cul es la masa de F en gramos que existe en 24.6 g de este compuesto? 3.49 Cul es la frmula emprica de cada uno de los compues- tos que tiene la siguiente composicin? a) 2.1% de H, 65.3% de O y 32.6% de S, b) 20.2% de Al y 79.8% de Cl. 3.50 Cul es la frmula emprica de cada uno de los compues- tos que tiene la siguiente composicin? a) 40.1% de C, 6.6% de H y 53.3% de O, b) 18.4% de C, 21.5% de N y 60.1% de K. 3.51 El agente antiaglutinante agregado a la sal de Morton es el silicato de calcio, CaSiO3. Este compuesto puede absorber hasta 2.5 veces su masa en agua y sigue conservando su textura de polvo fino. Calcule la composicin porcentual de CaSiO3. 3.52 La frmula emprica de un compuesto es CH. Si la masa molar de este compuesto es aproximadamente de 78 g, cul ser su frmula molecular? 3.53 La masa molar de la cafena es 194.19 g. Cul es la fr- mula molecular de la cafena, C4H5N2O o bien C8H10N4O2? 3.54 Se sospecha que el glutamato monosdico (MSG), un po- tenciador de sabor de alimentos, es el causante del sn- drome del restaurante chino, ya que puede causar dolores de cabeza y de pecho. El MSG tiene la siguiente composi- cin porcentual en masa: 35.51% de C, 4.77% de H, 37.85% de O, 8.29% de N y 13.60% de Na. Cul ser su frmula molecular si su masa molar es aproximadamente de 169 g? Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas Preguntas de repaso 3.55 Utilice la formacin de agua a partir de hidrgeno y ox- geno para explicar los siguientes trminos: reaccin qu- mica, reactivo, producto. 6 6 9 4 16 1616 16 1 1 xxviii 00_FRONT MATTER.indd 28 12/22/09 6:06:27 PM
29. 29. Final del captulo: al prepararse para los exmenes, ponga a prueba sus conocimientos con la ayuda de las siguientes herramientas: Ecuaciones bsicas, Resumen, Trminos bsicos, Preguntas y problemas. 356 CAPTULO 8 Relaciones peridicas entre los elementos Zefect = Z s (8.2) Definicin de carga nuclear efectiva. Ecuaciones bsicas Resumen de conceptos Trminos bsicos Preguntas y problemas 1. Los qumicos del siglo xix desarrollaron la tabla peridica acomodando los elementos en orden creciente de sus masas atmicas. Se resolvieron algunas discrepancias de las pri- meras versiones de la tabla peridica acomodando los ele- mentos en orden creciente de sus nmeros atmicos. 2. La configuracin electrnica determina las propiedades de los elementos. La tabla peridica moderna clasifica los ele- mentos de acuerdo con sus nmeros atmicos y tambin segn su configuracin electrnica. La configuracin de los electrones de valencia afecta de manera directa las propie- dades de los tomos de los elementos representativos. 3. Las variaciones peridicas de las propiedades fsicas de los elementos reflejan diferencias en la estructura atmica. El carcter metlico de los elementos disminuye a lo largo de un periodo: empieza con metales, contina con metaloides y termina con no metales; adems, aumenta de arriba abajo dentro de un grupo especfico de elementos representativos. 4. El radio atmico vara peridicamente con la posicin de los elementos en la tabla peridica. Disminuye de izquierda a derecha y aumenta de arriba abajo. 5. La energa de ionizacin es una medida de la tendencia de un tomo a evitar la prdida de un electrn. A mayor ener- ga de ionizacin, es mayor la fuerza de atraccin del n- cleo sobre el electrn. La afinidad electrnica es una medida de la tendencia de un tomo a ganar un electrn. Cuanto ms positivo sea el valor de la afinidad electrnica, mayor la tendencia del tomo a ganar un electrn. Por lo general, los metales tienen bajas energas de ionizacin, y los no metales altas afinidades electrnicas. 6. Los gases nobles son muy estables debido a que sus subni- veles externos ns y np estn completamente llenos. Los me- tales de los elementos representativos (de los grupos 1A, 2A y 3A) tienden a perder electrones hasta que sus cationes se vuelven isoelectrnicos con el gas noble que los precede en la tabla peridica. Los no metales de los grupos 5A, 6A y 7A tienden a aceptar electrones hasta que sus aniones se vuelven isoelectrnicos con el gas noble que les sigue en la tabla peridica. Afinidad electrnica, p. 341 Carga nuclear efectiva (Zefect), p. 330 Electrones internos, p. 327 Electrones de valencia, p. 327 Elementos representativos, p. 326 Energa de ionizacin, p. 337 Isoelectrnicos, p. 330 xido anftero, p. 353 Radio atmico, p. 331 Radio inico, p. 333 Relaciones diagonales, p. 344 Desarrollo de la tabla peridica Preguntas de repaso 8.1 Describa brevemente la importancia de la tabla peridica de Mendeleev. 8.2 Cul fue la contribucin de Moseley a la tabla peridica moderna? 8.3 Describa los lineamientos generales de la tabla peridica moderna. 8.4 Cul es la relacin ms importante entre los elementos de un mismo grupo en la tabla peridica? Clasificacin peridica de los elementos Preguntas de repaso 8.5 Cules de los siguientes elementos son metales, cules no metales y cules metaloides?: As, Xe, Fe, Li, B, Cl, Ba, P, I, Si. 8.6 Compare las propiedades fsicas y qumicas de los metales y de los no metales. 8.7 Dibuje un esquema general de una tabla peridica (no se requieren detalles). Indique dnde se localizan los meta- les, los no metales y los metaloides. Herramientas para obtener mayor provecho xxix 00_FRONT MATTER.indd 29 12/22/09 6:06:35 PM www.FreeLibros.com
30. 30. L a qumica general suele considerarse como una ma- teria ms difcil que las dems. En cierto sentido esto es justificable, por una razn: la qumica tiene un vo- cabulario muy especializado. En primer lugar, estudiar qu- mica es como aprender un nuevo idioma. adems, algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es perseve- rante 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 compren- di el significado de un trmino o el uso de una ecua- cin. 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 para la dcima edicin de Qumica estn diseadas para permitirle aprovechar mejor su curso de qu- mica general. La siguiente gua explica cmo obtener el ma- yor provecho del texto, la tecnologa y otras herramientas. antes de ahondar en el captulo, lea el sumario y el avance del captulo para darse una idea de los temas im- portantes. utilice el sumario para organizar sus apuntes en clase. al final de cada captulo, encontrar un resumen de conceptos, ecuaciones bsicas y una lista de trminos bsicos, todo lo cual le servir como un repaso para los exmenes. Los trminos bsicos estn acompaados de la pgina, de manera que pueda remitirse al captulo y estudie su contexto, o bien lo revise en el glosario al final del li- bro. un estudio detallado de los ejemplos solucionados en cada captulo mejorar su capacidad para analizar pro- blemas y hacer los clculos necesarios para resolverlos. Tambin, tmese el tiempo para resolver el ejercicio de prctica que sigue a cada ejemplo y asegrese de que ha entendido cmo resolver el tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios de prcti- ca aparecen al final 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 final 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 qumica es una materia desa- fiante, pero menos difcil y mucho ms interesante de lo que esperaba. Raymond Chang xxx 00_FRONT MATTER.indd 30 12/22/09 6:06:36 PM
31. 31. Qumica 01_CHAPTER 01.indd 1 12/20/09 11:52:52 AM www.FreeLibros.com
32. 32. un globo lleno de hidrgeno explota al calentarlo con una flama. 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. Qumica El estudio del cambio 01_CHAPTER 01.indd 2 12/20/09 11:53:03 AM
33. 33. Media Player chapter Summary ARIS Example Practice Problems End of chapter Problems Quantum Tutors End of chapter Problems 3 Avance del captulo Este captulo inicia con una breve introduccin al estudio de la qumica y su funcin dentro de la sociedad moderna (1.1 y 1.2) a continuacin conoceremos las bases del mtodo cientfico, que es una metodologa sistemtica para la investigacin en todas las disciplinas cientficas. (1.3) Definiremos el concepto de materia y observaremos que una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Distinguiremos entre una mezcla homognea y una heterognea. aprenderemos que, en principio, toda la materia puede existir en cualquiera de los tres estados: slido, lquido o gaseoso. (1.4 y 1.5) Para caracterizar una sustancia necesitamos conocer sus propiedades fsicas, las cuales son observables sin que sus propiedades qumicas e identidad sufran cambio alguno, lo que slo puede demostrarse mediante cambios qumicos. (1.6) Debido a que se trata de una ciencia experimental, la qumica involucra el uso de las mediciones. conoceremos las unidades bsicas del Si (Sistema internacional de medidas) y emplearemos sus unidades derivadas en cantidades como el volu- men y la densidad. Tambin estudiaremos las tres escalas de temperatura: celsius, Fahrenheit y Kelvin. (1.7) con frecuencia, los clculos qumicos implican el uso de cantidades muy pequeas o muy grandes, y una manera conveniente para tratar con algunas de estas cifras es la notacin cientfica. En los clculos o mediciones cada cantidad debe presentar el nmero adecuado de cifras significativas, las que corresponden a dgitos importan- tes. (1.8) Por ltimo, entenderemos la utilidad del anlisis dimensional para los clculos qu- micos. al considerar las unidades a lo largo de la secuencia completa de clculos, todas las unidades se cancelarn, a excepcin de aquella que se busca. (1.9) La qumica es una ciencia activa y en evolucin que tiene importancia vital en nuestro planeta, tanto en la naturaleza como en la sociedad. aunque sus races son antiguas, la qumica es en todos sentidos una ciencia moderna, como veremos un poco ms adelante. iniciaremos el estudio de la qumica en el nivel macroscpico, en el que es posible observar y medir los materiales que forman nuestro mundo. En este captulo analiza- remos el mtodo cientfico, que es la base para la investigacin no slo en qumica, sino tambin en las dems ciencias. Luego, descubriremos la forma en que los cient- ficos definen y caracterizan a la materia. Por ltimo, dedicaremos un poco de tiempo al aprendizaje del manejo de los resultados numricos de las mediciones qumicas y a la resolucin de problemas numricos. En el captulo 2 iniciaremos la exploracin del mundo microscpico de tomos y molculas. Sumario 1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi 1.2 Estudio de la qumica 1.3 El mtodo cientfico 1.4 clasificacin de la materia 1.5 Los tres estados de la materia 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 1.7 mediciones 1.8 manejo de los nmeros 1.9 anlisis dimensional en la resolucin de problemas 01_CHAPTER 01.indd 3 12/20/09 11:53:15 AM www.FreeLibros.com
34. 34. 4 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 cientficos separaran sustancias en sus componentes y, por tanto, explicaran muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El desarrollo acelerado de tecnologa cada vez ms refinada durante el si- glo xx nos ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es inapreciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los 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 espe- cficas, 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 (figura 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 fibrosis qustica y la hemofilia, 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- cfico en las clulas del paciente para curar o aminorar esos trastornos. a fin de ejecutar esos procedimientos, el mdico debe tener conocimientos slidos de las propiedades qumicas de los componentes moleculares implicados. La descodificacin 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 significa el estudio del cambio. 01_CHAPTER 01.indd 4 12/20/09 11:53:17 AM
35. 35. 51.1 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 superficie 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 reflejarse 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 cientfico 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 fisin 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 fisin. 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 (indicada por colores distintos) obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas fotovol- taicas. c) Oblea de silicio en fabricacin. d) La hoja de la izquierda se tom de una planta de tabaco no sometida a ingeniera gentica 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) 01_CHAPTER 01.indd 5 12/20/09 11:53:22 AM www.FreeLibros.com
36. 36. 6 caPTuLo 1 Qumica: El estudio del cambio ramiento del destino final 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 significativa 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 eficientes 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 mejorar la tecno- loga 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 oficinas, 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 eficiencia 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 cientficos 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 cientficos 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. 01_CHAPTER 01.indd 6 12/20/09 11:53:23 AM
37. 37. 71.2 Estudio de la qumica 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 fin 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 codifica 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 identificacin 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. 1.2 Estudio de la qumica En comparacin con otras disciplinas, es habitual la idea de que la qumica es ms difcil, al menos en el nivel bsico. Dicha percepcin se justifica hasta cierto punto; por ejemplo, es una disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo, inclusive si ste es el primer curso de qumica que toma usted, ya est familiarizado con el tema mucho ms de lo que su- pone. En las conversaciones cotidianas escuchamos palabras relacionadas con la qumica, si bien no necesariamente usadas en el sentido cientficamente correcto. Ejemplo de ello son tr- minos como electrnica, salto cuntico, equilibrio, catalizador, reaccin en cadena y masa crtica. adems, si usted cocina, entonces es un qumico en ejercicio! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua en la estufa llega un momento en que se evapora por completo. Tambin aplica los principios de la qumica y la fsica cuando usa el bicarbonato de sodio en la elaboracin de pan; una olla a presin para abreviar el tiempo de preparacin de guisos, aade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limn sobre rebanadas de pera para evitar que se tornen oscuras o sobre el pescado para minimizar su olor, o aade vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los das observamos esos cambios sin pensar en su naturaleza qumica. El propsito de este curso es hacer que usted piense como qumico, que vea el mundo macroscpico, lo que podemos ver y tocar directamente, y visualice las partculas y fenmenos del mundo microscpico que no podemos experimentar sin la tecnologa moderna y nuestra imaginacin. al principio es factible que le confunda que su profesor de qumica y este libro alter- nen continuamente entre los mundos microscpico y macroscpico. Simplemente debe tener presente que los datos de las investigaciones qumicas suelen provenir de observaciones de fenmenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en el mundo microscpico invisible e imaginario de tomos y molculas. En otras palabras, los qumicos frecuentemente ven algo (en el mundo macroscpico) y piensan en algo ms (en el mundo microscpico). Por 01_CHAPTER 01.indd 7 12/20/09 11:53:24 AM www.FreeLibros.com
38. 38. 8 caPTuLo 1 Qumica: El estudio del cambio ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un qumico pensara en las propie- dades bsicas de los tomos individuales del hierro y la forma en que interaccionan dichas unidades con otros tomos y molculas para producir el cambio observado. 1.3 El mtodo cientfico Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de lo que se denomina mtodo cientfico, que es un enfoque sistemtico para la investigacin. Por ejemplo, un psiclogo que pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender qumica y un qumico interesado en medir el calor liberado por la combustin del hidrgeno gaseoso en presencia de aire utilizaran aproximadamente el mismo procedimiento en sus investiga- ciones. El primer paso consiste en definir de manera minuciosa el problema. El siguiente es realizar experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la informacin, o datos, concernientes al sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En los ejemplos recin mencionados, los sistemas son el grupo de personas que estudia el psiclogo y una mezcla de hidrgeno y aire, respectivamente.) Los datos obtenidos en una investigacin pueden ser cualitativos, o sea, consistentes en observaciones generales acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los nme- ros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los qumicos usan smbolos y ecuaciones estandarizados en el registro de sus mediciones y observaciones. Esta forma de representacin no slo simplifica el proceso de registro, sino que tambin constituye una base comn para la comunicacin con otros qumicos. una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el paso siguiente del mtodo cientfico es la interpretacin, en la que el cientfico intenta explicar el fenmeno observado. con base en los datos recopilados, el investigador formula una hiptesis, que es una explica- cin tentativa de un conjunto de observaciones. Luego, se disean experimentos adicionales para verificar la validez de la hiptesis en tantas formas como sea posible y el proceso se inicia de nuevo. En la figura 1.3 se resumen los pasos principales del proceso de investigacin. Figura 1.2 Vista molecular simplificada de la formacin de la herrumbre (Fe2O3) a partir de tomos de hierro (Fe) y molculas de oxgeno (O2). En realidad, el proceso requiere agua y la herrumbre tambin contiene molculas de agua. 88n Fe Fe2O3 O2 01_CHAPTER 01.indd 8 12/20/09 11:53:32 AM
39. 39. 91.3 El mtodo cientfico Despus de recopilar un gran volumen de datos, a menudo es aconsejable resumir la informacin de manera concisa, como una ley. En la ciencia, una ley es un enunciado conci- so, verbal o matemtico, de una relacin entre fenmenos que es siempre la misma bajo las mismas condiciones. Por ejemplo, la segunda ley del movimiento de Sir isaac Newton, que tal vez recuerde de sus cursos de fsica, afirma que la fuerza es igual a la masa por la aceleracin (F = ma). El significado de esta ley es que el aumento en la masa o en la aceleracin de un objeto siempre incrementa proporcionalmente su fuerza, en tanto que una disminucin en la masa o en la aceleracin indudablemente reduce su fuerza. Las hiptesis que resisten muchas pruebas experimentales de su validez pueden conver- tirse en teoras. una teora es un principio unificador que explica un conjunto de hechos o las leyes basadas en esos hechos. Las teoras tambin son sometidas a valoracin constante. Si una teora es refutada en un experimento, se debe desechar o modificar para hacerla com- patible con las observaciones experimentales. aprobar o descartar una teora puede tardarse aos o inclusive siglos, en parte por la carencia de la tecnologa necesaria. La teora atmica, que es tema del captulo 2, es un ejemplo al respecto. Se precisaron ms de 2 000 aos para confirmar este principio fundamental de la qumica que propuso Demcrito, un filsofo de la antigua Grecia. un ejemplo ms contemporneo es la teora del Big Bang sobre el origen del universo, que se comenta en la pgina 10. Los adelantos cientficos pocas veces, si acaso, se logran de manera rgida, paso a paso. En ocasiones, una ley precede a la teora correspondiente, o viceversa. Es posible que dos cientficos empiecen a trabajar en un proyecto exactamente con el mismo objetivo y terminen con enfoques del todo distintos. Despus de todo, los cientficos son seres humanos, y su for- ma de pensar y trabajar est sujeta a influencia considerable de sus antecedentes, capacitacin y personalidad. El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y a veces ilgico. Los grandes descubrimien- tos son resultado de las contribuciones y experiencias acumuladas de muchos investigadores, pese a que el crdito por la formulacin de una teora o ley por lo regular se otorga a una sola persona. Por supuesto, la suerte es un factor en los descubrimientos cientficos, si bien se ha afirmado que las oportunidades favorecen a las mentes preparadas. Se requiere atencin y capacidad para reconocer la importancia de un descubrimiento accidental y sacar mximo provecho de l. Es muy frecuente que el pblico general se entere slo de los adelantos cien- tficos espectaculares. Sin embargo, por cada una de esas historias muy conocidas existen cientos de casos de cientficos que han dedicado aos a trabajar en proyectos que finalmente terminaron siendo infructuosos, y en los que se logran resultados positivos slo despus de muchos errores y a un ritmo tan lento que pasan inadvertidos. inclusive esas investigaciones infructuosas contribuyen de alguna manera al avance continuo del conocimiento del universo fsico. Es el amor por la investigacin lo que mantiene en el laboratorio a muchos cientficos. Figura 1.3 Los tres niveles del estudio de la qumica y su relacin. La observacin corres- ponde a fenmenos en el mundo macroscpico; los tomos y molculas conforman el mundo microscpico. La representacin es una escritura cientfica abre- viada que describe un experi- mento con smbolos y ecuaciones qumicas. Los qumicos usan su conocimiento de los tomos y molculas para explicar un fen- meno observado. RepresentacinObservacin Interpretacin Revisin de conceptos cul de los siguientes enunciados es verdadero? a) una hiptesis siempre conduce a la formulacin de una ley. b) El mtodo cientfico es una secuencia rigurosa de pasos para la resolucin de problemas. c) una ley resume una serie de observaciones experimentales; una teora ofrece una explicacin de esas observaciones. 01_CHAPTER 01.indd 9 12/20/09 11:53:35 AM www.FreeLibros.com
40. 40. 10 caPTuLo 1 Qumica: El estudio del cambio 1.4 Clasificacin de la materia al principio del captulo definimos 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. q u m i c a en accin Foto a color 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 respuestas constituye un ejemplo del mtodo cientfico. 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 gigantesca, el Big Bang. En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen dimi- nuto y su temperatura era ms alta de lo imaginable. Esta brillante bola de fuego de radiacin mezclada con partculas microscpicas de materia se enfri gradualmente, hasta que se formaron los to- mos. Por la influencia de la fuerza de gravedad, estos tomos se agruparon para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Va Lctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo est en expansin, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento ex- plosivo 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, 270c)! a esta temperatura, gran parte de la energa corresponde a la regin de microondas. Puesto que el Big Bang habra ocurrido simultneamente en todo el dimi- nuto volumen 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 descu- brimiento del helio primordial. Los cientficos piensan que el helio y el hidrgeno (los elementos ms ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolucin csmica. (Se cree que otros elementos ms pesados, como el carbono, nitrgeno y ox- geno, 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 corresponde a fenme- nos 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 qua- sar. Por otra parte, el tomo de helio tiene dos electrones. La radia- cin 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 regocijaron ante la deteccin de helio en los confines distantes del universo. En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los cientfi- cos ahora se refieren a la hiptesis de Gamow como teora del Big Bang. 01_CHAPTER 01.indd 10 12/20/09 11:53:39 AM
41. 41. 111.4 clasificacin de la materia Los qumicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composicin y pro- piedades. La clasificacin 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 definida (constante) y propie- dades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azcar de mesa (sacarosa), oro y oxgeno. Las sustancias difieren entre s por su composicin y se pueden identificar 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 mantienen separadas (figura 1.4). 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 [figura 1.4b)]. 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 identificado 117 elementos. La mayora de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han