raymond chang quimica general 7ma edicion part1

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Quimica General 7ma Edicion de Raymond Chang

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  • Qu ... ,i sptima edicin

  • IX lA Kt\ jJ 24 NLilllcro ;IIlllic() 2 2 Cr 1 .\ 1-+ 15 16 17 He

    2A 52.00 Pc:-.o dlt')lllicu .1;\ 4A 5/\ 6A 7/\ 4.003

    3 4' 5 6 7 Jid 9 Li Be B C N O F

    6.941 9.012 JO.81 12.01 14.01 16.00 19.00 L:.-..... ' . '~.

  • Lista de los elementos con sus simbolos y pesos atmicos*

    Nmero Peso Nmero Peso Elemento Sfmbolo atmico atmico't Elemento Sfmbolo atmico atmicot

    Litio li 3 6.941 Actinio Ac 89 (227) Lutecio Lu 71 175.0 Aluminio Al 13 26.98 Magnesio Mg 12 24.31 Americio Am 95 (243) Manganeso Mn 25 54.94 Antimonio Sb 51 121.8 Meitnerium Mt 109 (266) Argn Ar 18 39.95 Mendelevio Md 101 (256) Arsnico As 33 74.92 Mercurio Hg 80 200.6 Astato At 85 (210) Molibdeno Mo 42 95.94 Azufre S 16 32.07 Neodimio Nd 60 144.2 Bario Ba 56 137.3 Nen Ne 10 20.18 Berilio Be 4 9.012 Neptunio Np 93 (237) Berkelio Bk 97 (247) Niobio Nb 41 92.91 Bismuto Bi 83 209.0 Nquel Ni 28 58.69 Bohrium ah 107 (262) Nitrgeno N 7 14.01 Boro B 5 10.81 NobeHo No 102 (253) Bromo Br 35 79.90 Oro Au 79 197.0 Cadmio Cd 48 112.4 Osmio Os 76 190.2 Calcio Ca 20 40.08 Oxgeno O 8 16.00 Californio Cf 98 (249) Paladio Pd 46 106.4 Carbono C 6 12.01 Plata Ag 47 107.9 Cerio Ce 58 140.1 Platino pt 78 195.1 Cesio Cs 55 132.9 Plomo Pb 82 207.2 Circonio Zr 40 91.22 Plutonio Pu 94 (242) Cloro CI 17 35.45 Polonio Po 84 (210) Cobalto Co 27 58.93 Potasio K 19 39.10 Cobre Cu 29 63.55 Praseodimio Pr 59 140.9 Cromo Cr 24 52.00 Prometo Pm 61 (147) Curio Cm 96 (247) Protactinio Pa 91 (231) Disprosio Dy 66 162.5 Radio Ra 88 (226) Dubnium Db 105 (260) Radn Rn 86 (222) Einstenio Es 99 (254) Renio Re 75 186.2 Erbio Er 68 167.3 Rodio Rh 45 102.9 Escandio Se 21 44.96 Rubidio Rb 37 85.47 Estarlo Sn 50 118.7 Rutenio Ru 44 101.1 Estroncio Sr 38 87.62 Ruterfodio Rf 104 (257) Europio Eu 63 152.0 Samario Sm 62 150.4 Fermio Fm 100 (253) Seaborgium Sg 106 (263) Fierro Fe 26 55.85 Selenio Se 34 78.96 Flor F 9 19.00 Silicio Si 14 28.09 Fsforo P 15 30.97 Sodio Na 11 22.99 Francio Fr 87 (223) Talio TI 81 204.4 Gadolino Gd 64 157.3 Tanta lo Ta 73 180.9 Galio Ga 31 69.72 Tecnecio Te 43 (99) Germanio Ge 32 72.59 Teluro Te 52 127.6 Hafnio Hf 72 178.5 Terbio Tb 65 158.9 Hassium Hs 108 (265) Titanio TI 22 47.88 Helio He 2 4.003 Torio Th '90 232.0 Hidrgeno H 1 1.008 Tulio Tm 69 168.9 Holmio Ho 67 164.9 Tungsteno W 74 183.9 Indio In 49 114.8 Uranio U 92 238.0 lodo I 53 126.9 Vanadio V 23 50.94 Iridio Ir 77 192.2 .Xenn Xe 54 131.3 Kriptn Kr 36 83.80 Yterbio Yb 70 173.0 Lantano La 57 138.9 Ytrio Y 39 88.91 Laurencio Lr 103 (257) Zinc Zn 30 65.39

    Todos los pesos atmicos tienen cuatro cifras significativas. Estos valores son los recomendados por el Comit de Enseanza de la Qumica de la Unin Internacional de Quffilca Pura y Aplicada, t Los pesos atmicos aproximados para los elementos radiactivos se dan entre parntesis"

  • '" QUIMICA Sptima edicin

    RAVMOND CHANG WILLIAMS COLLEGE

    TRADUCCiN:

    Ma. del Carmen Ramrez Medeles CINVESTAV dellPN

    Profesora UAM-Xochimilco

    Rosa Zugazagolta Herranz Maestra en Qumica

    Profesora UAM-Xochimilco/UNAM

    M. en C. Mara Aurora Lanto Arrlola Escuela Nacional de Ciencias Biolgicas Instituto Politcnico Nacional

    Dr. Anbal Bascun Blaset Depto. de Qumica Inorgnica y Nuclear Facultad de Qumica-UNAM

    M. en C. Silvia Ponce Lpez Coordinadora de Qumica General Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey-CM

    Dr. Ing. Javier Ramrez Angulo Departamento de Ciencias Bsicas Divisin de Profesional y Graduados Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey-CEM

    REVISiN TCNICA:

    Ing. Jos Clemente Reza Garca Profesor titular de Qumica y Operaciones Unitarias ESIQIE-Instituto Politcnico Nacional

    I.Q. Flix Nez Orozco Depto. de Ciencias Bsicas Facultad de Ingeniera-UNAM

    M. en C. Enrique Sols Garca Coordinador de la materia de Qumica Profesor del Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey-CCM

    M. en C. Jos Salvador Pantoja Magaa Departamento de Ciencias Bsicas Divisin Profesional y Graduados Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey-CEM

    Dr. Eduardo Gayoso Andrade Departamento de Qumica Inorgnica

    Universidad de Santiago de Compostela

    McGRAW-HILL MXICO BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID

    NUEVA YORK SAN JUAN SANTAF DE BOGOT. SANTIAGO sAo PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI

    SAN FRANCISCO SINGAPUR STo LOUIS SIDNEY TORONTO

  • Gerente de producto: Francisco E. Vargas reyes Supervisor de edicin: Felipe Hemndez Carrasco Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

    QUMICA Sptima edicin

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

    DERECHOS RESERVADOS 2002, respecto a la sptima edicin en espaol por McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S. A. de C. V. A Subsidiary ofThe McGraw-Hill Companies

    Cedro Nm. 512, Col. Atlampa Delegacin Cuauhtmoc, c.P. 06450, Mxico, D. F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736

    ISBN 970-10-3894-0

    Translated of the seventh English edition of Chemistry By Raymond Chang Copyright 2002, by the McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved ISBN 0-07-365601-1

    1234567890

    Impreso en Colombia Impreso por D'vinni Ltda.

    09876543102

    Printed in Colombia

  • Contenido breve

    CAPTULO 1

    CAPTULO 2

    CAPITULO 3

    CAPITULO 4

    CAPTULO 5

    CAPTULO 6

    CAPTULO 7

    CAPTULO 8

    CAPTULO 9

    CAPiTULO 10

    CAPTULO 11

    CAPTULO 12

    CAPTULO 13

    CAPTULO 14

    CAPTULO 15

    CAPiTULO 16

    CAPiTULO 17

    CAPiTULO 18

    CAPTULO 19

    CAPiTULO 20

    CAPiTULO 21

    CAPTULO 22

    CAPiTULO 23

    CAPiTULO 24

    CAPTULO 25

    Qumica: el estudio de los cambios 1

    tomos, molculas y iones 35 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 67

    Reacciones en disolucin acuosa 105

    Gases 153

    Termoqumica 205

    La teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 245

    Relaciones peridicas de los elementos 289

    Enlace qumico 1: conceptos bsicos 329

    Enlace qumico 11: geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 367

    Las fuerzas intermoleculares y los lquidos y slidos 417

    Propiedades fsicas de las disoluciones 467

    Cintica qumica 509

    Eq~uilibrio qumico 561

    cidos y bases 601 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 651

    La qumica de la atmsfera 701

    Entropa, energa libre y equilibrio 733

    Electroqumica 765

    Metalurgia y qumica de los metales 811

    Elementos no metlicos y sus compuestos 839

    La qumica de los metales de transicin y los compuestos de coordinacin 877

    Qumica nuclear 909

    Qumica orgnica 945

    Polmeros orgnicos sintticos y naturales 977

  • Aplicaciones XXIII Prefacio XXV Herramientas XXXIV

    Contenido

    CAPTULO 1 Qumica: el estudio de los cambios

    1.1 Qumica: una ciencia para el siglo XXI 2 1.2 El estudio de la qumica 5 1.3 El mtodo cientfico 6

    La qumica en accin El helio primitivo y la teora del Big Bang 12

    1.4 Clasificacin de la materia 8 Sustancias y mezclas I Elementos y compuestos

    1.5 Los tres estados de la materia 10 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 11 1.7 Mediciones 13

    Unidades del SI I Masa y peso I Volumen I Densidad I Escalas de temperatura

    La qumica en accin La importancia de las unidades 19

    1.8 El manejo de los nmeros 18 Notacin cientfica I Cifras significativas I Exactitud y precisin

    1.9 El mtodo del factor unitario para la resolucin de problemas 25

    Ecuaciones clave 28 I Resumen de hechos y conceptos 29 I Palabras clave 29 I Preguntas y problemas 29

    CAPiTULO 2 tomos, molculas y iones 35

    2.1 La teora atmica 36 Z.2 La estructura del tomo 37

    El electrn I Radiactividad I El protn y el ncleo I El neutrn

    2.3 Nmero atmico, nmero de masa e istopos 43 2.4 La tabla peridica 45

    La qumica en accin Distribucin de los elementos en la corteza terrestre y en los sistemas vivos 47

    2.5 Molculas y iones 46 Molcu las I Iones

  • 2.6 Frmulas qumicas 49 Frmulas moleculares I Frmulas empricas I Frmulas de los compuestos nicos

    2.7 Nomenclatura de los compuestos 53 Compuestos nicos I Compuestos moleculares I Acidos y bases I Hidratos I Compuestos inorgnicos comunes

    Resumen de hechos y conceptos 61 I Palabras clave 62 I Preguntas y problemas 62

    CAPTULO 3 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 67

    3.1 Masa atmica 68 Masa atmica promedio

    3.2 Masa molar de un elemento y nmero de Avogadro 69 3.3 Masa molecular 12 3.4 El espectrmetro de masas 14

    La qumica en accin Las huellas digitales del oro por espectrometria de masas 16

    3.5 Composicin porcentual de los compuestos 15 3.6 Determinacin experimental de frmulas empricas 80

    Determinacin de frmulas moleculares

    3.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 82 Escritura de las ecuaciones qulmicas I Balanceo de ecuaciones qufmicas

    3.8 Cantidades de reactivos y productos 81 3.9 Reactivo limitante 90

    3.10 Rendimiento de reaccin 93

    La qumica en accin Fertilizantes qumicos 94

    Ecuaciones clave 96 I Resumen de hechos y conceptos 96 I Palabras clave 96 I Preguntas y problemas 97

    CAPTULO 4 Reacciones en disolucin acuosa 105

    4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 106 Propiedades electrolfticas

    4.2 Reacciones de precipitacin 108 Solubilidad I Ecuaciones moleculares y ecuaciones inicas

    La qumica en accin Una indeseable reaccin de precipitacin 112

    4.3 Reacciones cido-base 111 Propiedades generales de cidos y bases I Acidos y bases de Br"nsted I Neutralizacin cido-base

    4.4 Reacciones de oxidacin-reduccin 116 Nmero de oxidacin I Tipos de reacciones redox

    la qumica en accin Analizador del aliento 129

    CONTENIDO IX

  • X CONTENIDO

    4.5 Concentracin de disoluciones 128 Dilucin de disoluciones

    4.6 Anlisis gravimtrico 133 4.7 Valoraciones cido-base 135 4.8 Valoraciones redox 138

    la qumica en accin Metal a partir del mar 140

    Ecuaciones clave 140 I Resumen de hechos y conceptos 140 I Palabras clave 141 1 Preguntas y problemas 141

    Misterio qu~ico lQuien Mat a Wal'o(en1 150

    CAPTULO 5 Gases 153

    5.1 Sustancias que existen como gases 154 5.2 Presin de un gas 155

    Unidades del sistema internacional (SI) para la presin I PreSin atmosfrica

    5.3 Las leyes de los gases 158 la relacin presin-volumen: ley de Boyle I la relacin temperatura-volumen: ley de Charles y de Gay-Lussac I La relacin entre volumen y cantidad: ley de Avogadro

    5.4 La ecuacin del gas ideal 166 Clculos de densidad I La masa molar de una sustancia gaseosa

    5.5 La estequiometra de los gases 173 5.6 Ley de Dalton de las presiones parciales 175

    la qumica en accin Buceo y las leyes de los gases 180

    5.7 La teora cintica molecular de los gases 179 Aplicacin de las leyes de los gases I Distribucin de las velocidades moleculares I Ralz de la velocidad cuadrtica media I Difusin de los gases

    la qumica en accin Atomos sobreenfriados 188

    5.8 Desviacin del comportamiento ideal 187 Ecuaciones clave 191 I Resumen de hechos y conceptos 192 I Palabras clave 193 I Preguntas y problemas 193

    Misterio qu~ico Sin oxgeno 2.02.

    CApITULO 6 Termoqumica 205

    6.1 La naturaleza de la energa y los tipos de energa 206 6.2 Cambios de energa en las reacciones qumicas 206

  • 6.3 Entalpa 208 Ecuaciones termoqumicas

    6.4 Calorimetra 211 Calor especfico y capacidad calorfica I Calorimetra a volumen constante I Calorimetra a presin constante

    la qumica en accin Valor energtico de los alimentos y otras sustancias 217

    6.5 Entalpa estndar de formacin y reaccin 216

    la qumica en accin Cmo se defiende un escarabajo bombardero 223

    6.6 Calor de disolucin y dilucin 222 Calor de disolucin I Calor de dilucin

    6.7 Introduccin a la termodinmica 225 La primera ley de la termodinmica I Trabajo y calor I Entalpa y la primera ley de la termodinmica

    la qumica en accin La fabricacin de nieve y el inflado de un neumtico de bicicleta 233

    Ecuaciones clave 234 I Resumen de hechos y conceptos 234 I Palabras clave 234 I Preguntas y problemas 235

    Misterio quMico f( "eu~Hco explosivo 1.!h.

    CAPTULO 7 La teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 245

    7.1 De la fsica clsica a la teora cuntica 246 Propiedades de las ondas I Radiacin electromagntica I Teora cuantica de Planck

    7.2 El efecto fotoelctrico 250 7.3 Teora de Bohr del tomo de hidrgeno 252

    Espectros de emisin I Espectro de emisin del tomo de hidrgeno

    la qumica en accin El elemento del Sol 258

    la qumica en accin El lser: la esplndida luz 260

    7.4 La naturaleza dual del electrn 257

    la qumica en accin El microscopio electrnico 262

    CONTENIDO XI

  • XII CONTENIDO

    7.5 Mecnica cuntica 263 Descripcin mecnico-cuntica del tomo de hidrgeno

    7.6 Los nmeros cunticos 265 El nmero cuntico principal (n) I El nmero cuntico del momento angular (e) I El nmero cuntico magntico (m,) I El nmero cuntico de espln del electrn (m,)

    7.7 Orbitales atmicos 267 las energas de los orbitales

    7.8 Configuracin electrnica 271 El principio de exclusin de Pauli I Diamagnetismo y paramagnetismo I El efecto pantalla en los tomos polielectrnicos I Regla de Hund I Reglas generales para la asignacin de electrones en los orbitales atmicos

    7.9 El principio de construccin 217

    Ecuaciones dave 281 I Resumen de hechos y conceptos 281 I Palabras clave 282 I Preguntas y problemas 283

    CAPTULO 8 Relaciones peridicas de los elementos 289

    8.1 Desarrollo de la tabla peridica 290 8.2 Clasificacin peridica de los elementos 292

    Representacin de los elementos libres en las ecuaciones qurmicas I Configuracin electrnica de cationes y aniones

    8.3 Variaciones peridicas de las propiedades fsicas 296 Carga nuclear efectiva I Radio atmico I Radio inico I Variacin de las propiedades peridicas a lo largo de un periodo y en un grupo

    La qumica en accin El tercer elemento liquido? 304

    8.4 Energa de ionizacin 303 8.5 Afinidad electrnica 307 8.6 Variacin de las propiedades qumicas de los elementos

    representativos 310 Tendencias generales de las propiedades qumicas I Comparacin de los elementos del grupo 1 A con los del grupo 1 B I Propiedades de los xidos a lo largo de un periodo

    La qumica en accin El descubrimiento de los gases nobles 321

    Resumen de hechos y conceptos 322 I Palabras dave 323 I Preguntas y problemas 323

    CAPTULO 9 Enlace qumico 1: conceptos bsicos 329

    9.1 Smbolos de puntos de Lewis 330 9.2 El enlace inico 330 9.3 Energa reticular de los compuestos inicos 333

    El ciclo de Born-Haber para determinar energas reticulares I Energla reticular y frmulas de los compuestos inicos

    La qumica en accin El cloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante 337

  • 9.4 El enlace coyalente 337 Comparacin de las propiedades de los compuestos covalentes y los compuestos inicos

    9.5 ElectronegatiYidad 340 Electronegatividad y nmero de oxidacin

    9.6 Escritura de las estructuras de Lewis 343 9.7 Carga formal y estructura de Lewis 346 9.8 El concepto de resonancia 349 9.9 Excepciones a la regla del octeto 351

    El octeto incompleto I Molculas con nmero impar de electrones I El octeto expandido

    La qumica en accin Slo diga NO 353

    9.10 Energa de enlace 355 Aplicacin de las energas de enlace en termoqulmica

    Ecuaciones clave 359 I Resumen de hechos y conceptos 359 I Palabras clave 360 I Preguntas y problemas 360

    CAPITULO 10 Enlace qumico 11: geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 367

    10.1 Geometra molecular 368 Molculas en las que el tomo central no tiene pares de electrones libres I Molculas en las que el tomo central tiene uno o ms pares de electrones libres I Geometra de molculas con ms de un tomo central I Reglas para la aplicacin del modelo RPECV

    10.2 Momento dipolar 377

    La qumica en accin Los hornos de microondas: trabajo de los momentos dipolares 382

    10.3 Teora del enlace yalencia 381 10.4 Hibridacin de orbitales atmicos 385

    Hibridacin Sp3 I Hibridacin sp I Hibridacin sp' I Procedimiento para la hibridacin de orbitales atmicos I Hibridacin de orbitales s, p y d

    10.5 Hibridacin en molculas que contienen dobles y triples enlaces 394

    La qumica en accin Son reales los orbitales? 397

    10.6 Teora del orbital molecular 397 Orbitales moleculares de enlace y de antienlace

    10.7 Configuraciones de orbitales moleculares 401 Reglas que gobiernan las configuraciones electrnicas moleculares y la estabilidad I las molculas de hidrgeno y de helio I Molculas diatmicas homonucleares de elementos del segundo periodo I la molcula de litio (,) I la molcula de carbono (C,) I la molcula de oxgeno (O,)

    10.8 Orbitales moleculares deslocalizados 406 la molcula de benceno I El ion carbonato

    CONTENIDO XIII

  • XIV CONTENIDO

    La qumica en accin El buckyball algn otro? 408

    Ecuaciones clave 409 I Resumen de hechos y conceptos 409 I Palabras clave 410 I Preguntasyproblemas411

    CAPITULO 11 Las fuerzas intermoleculares y los lquidos y slidos 417

    11.1 La teora cintica molecular de liquidos y slidos 418 11.2 Fuerzas intermoleculares 419

    Fuerzas dipolo-dipolo I Fuerzas ion-dipolo I Fuerzas de dispersin I El enlace de hidrgeno

    11.1 Propiedades de 105 lquidos 424 Tensin superficial I Viscosidad I Estructura y propiedades del agua

    La qumica en accin Por qu 105 lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 429

    11.4 Estructura cristalina 429 Empaquetamiento de esferas I Empaquetamiento compacto

    11.5 Difraccin de rayos X por 105 cristales 435 11.6 Tipos de cristales 438

    Cristales jnicos I Cristales covalentes I Cristales moleculares I Cristales metlicos

    11.7 Slidos amorfos 442

    La qumica en accin Superconductores de alta temperatura 444

    11.8 Cambios de fase 442 Equilibrio lquido-vapor I Calor de vaporizacin y punto de ebullicin I Equilibrio lquido-slido I Equilibrio slido-vapor

    11.9 Diagramas de fase 453 El agua I Dixido de carbono

    La qumica en accin Cocimiento de un huevo en la cima de una montaa, ollas de presin y patinaje sobre hielo 455

    La qumica en accin Cristales lquidos 456

    Ecuaciones clave 458 I Resumen de hechos y conceptos 458 I Palabras clave 459 I Preguntas y problemas 459

    CAPTULO 12 Propiedades fsicas de las disoluciones 467

    12.1 Tipos de disoluciones 468 12.2 Una visin molecular del proceso de disolucin 469

  • 12.1 Unidades de concentracin 471 Tipos de unidades de concentracin I Comparacin entre las unidades de concentracin

    12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 475 La solubilidad de los slidos y la temperatura I La solubilidad de los gases y la temperatura

    12.5 Efecto de la presin en la solubilidad de 105 gases 477

    La qumica en accin El lago asesino 480

    12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrlitos 479 Disminucin de la presin de vapor I Elevacin del punto de ebullicin Disminucin del punto de congelacin I Presin osmtica I Empleo de las propiedades coligativas en la determinacin de la masa molar

    12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrlitos 491

    La qumica en accin Desalinizacin 494

    12.8 Coloides 493 Coloides hidrofflicos y coloides hidrofbicos

    Ecuaciones clave 497 I Resumen de hechos y conceptos 498 I Palabras clave 498 I Preguntas y problemas 498

    Misterio qu~ico f( cuchiUo equivocado SO~

    CAPTULO 13 Cintica qumica 509

    11.1 La velocidad de una reaccin 510 Reaccin de bromo molecular y cido frmico I Descomposicin del perxido de hidrgeno I Velocidades de reaccin yestequiometria

    11.2 La ley de la velocidad 516 11.1 Relacin entre la concentracin de reactivos y el tiempo 519

    Reacciones de primer orden I Reacciones de segundo orden

    La qumica en accin Determinacin de la edad del sudario de Turn 530

    11.4 Constantes de velocidad y su dependencia de la energa de activacin y de la temperatura 529 La teora de las colisiones en la cintica qumica I La ecuacin de Arrhenius

    11.5 Mecanismos de reaccin 535 Las leyes de velocidad y los pasos elementales I Confirmacin experimental de los mecanismos de reaccin

    La qumica en accin Femtoqumica 542

    CONTENIDO xv

  • XVI CONTENIDO

    131.6 Catlisis 541 Catlisis heterognea I Catlisis homognea I Catlisis enzimtica

    Ecuaciones clave 550 I Resumen de hechos y conceptos 550 I Palabras clave 551 I Preguntas y problemas 551

    CAPTULO 14 Equilibrio qumico 561

    14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 562 La constante de equilibrio

    14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 564 Equilibrios homogneos I Equilibrios heterogneos I Equilibrios mltiples I la representacin de {( y la ecuacin de equilibrio I Resumen de las reglas para escribir las expresiones de las constantes de equilibrio

    14.3 Relacin entre cintica qumica y equilibrio qufmico 575 14.4 Qu informacin proporciona la constante de

    equilibri07 577 Prediccin de la direccin de una reaccin I Clculo de las concentraciones de equilibrio

    14.$ Factores que alteran el equilibrio quJmico 582 Principio de le Ch.1itelier I Cambios en la concentracin I CambiOS en el volumen y la presin I Cambios en la temperatura I Efecto de un catalizador I Resumen de los factores que pueden modificar la posicin del equilibrio

    La qumica en accin La vida en las grandes altitudes y la produccin de hemoglobina 589

    La qumica en accin El proceso Haber 590

    Ecuaciones clave 590 I Resumen de hechos y conceptos 590 I Palabras clave 592 I Preguntas y problemas 592

    CAPTULO 15 cidos y bases 601 15.1 Acidos y bases de Br.nsted 602 15.2 Propiedades cido-base del agua 603

    El producto jnico del agua 15.3 El pH: una medida de la acidez 605 15.4 Fuerza de los cidos y las bases 607 15.5 Acidos dbiles y su constante de ionizacin cida 611

    15.6 15.7

    15.8 15.9

    15.10

    la ecuacin de segundo grado I El mtodo de la aproximacin sucesiva I Porcentaje de ionizacin

    Bases dbiles y su'constante de ionizacin bsica 618 Relacin entre la constante de ionizacin de los cidos y sus bases conjugadas 620 Acidos diprticos y poliprticos 621 Estructura molecular y fuerza de los cidos 625 Propiedades cido-base de las sales 628 Sales que producen disoluciones neutras I Sales que producen disoluciones bsicas I Sales que producen disoluciones cidas I Sales en las que se hidrolizan tanto el catin como el anin

  • 15.11 Propiedades cido-base de los xidos y los hidrxidos 633 Hdrxidos bsicos y anfteros

    15.12 cidos y bases de Lewis 636

    La qumica en accin Anticidos y el balance del pH en el estmago 638

    Ecuaciones clave 640 I Resumen de hechos y' conceptos 640 I Palabras clave 641 I Preguntas y problemas 641

    M.is+erio qu~ico La desco~posicin de (os pape(es &'1-8

    CAPITULO 16 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 651

    16.1 Comparacin entre los equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin 652

    16.2 El efecto del ion comn 652 16.3 Disoluciones amortiguadoras 655

    Preparacin de una disolucin amortiguadora con un pH especfico

    16.4 Valoraciones cido-base 660 Valoraciones cido fuerte-base fuerte I Valoraciones cido dbil-base fuerte I Valoraciones cido fuerte-base dbil

    16.5 Indicadores cido-base 668

    La qumica en accin Mantenimiento del pH de la sangre 662

    16.6 Equilibrios de solubilidad 671

    16.7 16.8 16.9

    16.10 16.11

    El producto de solubilidad I Solubilidad molar y solubilidad I Prediccin de las reacciones de precipitacin

    Separacin de iones por precipitacin fraccionada 677 El efecto del ion comn y la solubilidad 679 El pH Y la solubilidad 681 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 683 Aplicacin del principio del producto de solubilidad al anlisis cualitativo 687

    La qumica en accin Cmo se forma el cascarn de un huevo 689

    Ecuaciones clave 691 I Resumen de hechos y conceptos 691 I Palabras clave 691 I Preguntas y problemas 692

    M.is+erio qu~;co Un bocadiUo cocido &98

    CAP(TULO 17 La qumica de la atmsfera 701 17.1 La atmsfera terrestre 702 17.2 Los fenmenos en las capas externas de la atmsfera 704

    Aurora boreal y aurora austral I El misterio del resplandor de los transbordadores espaciales

    CONTENIDO XVII

  • XVIII CONTENIDO

    17.3 Disminucin del ozono en la estratosfera 708 Agujeros en la capa de ozono polar

    17.4 Los volcanes 712 17.5 El efecto invernadero 713 17.6 La lluvia cida 718 17.7 El esmog fotoqumico 122 17.8 Contaminacin domstica 124

    El riesgo del radn I Dixido y mOl1xido de carbono I Formaldehdo

    Resumen de hechos y conceptos 727 I Palabras clave 728 I Preguntas y problemas 728

    CAPTULO 18 Entropa, energa libre y equilibrio 733

    18.1 Las tres leyes de la termodinmica 734 18.2 Los procesos espontneos y la entropa 734

    Entropa'

    18.3 La segunda ley de la termodinmica 739 Cambios de entropa en el sistema I Cambios de entropa en los alrededores I La tercera ley de la termodinmica y la entropa absoluta

    la qumica en accin La eficiencia de los motores trmicos 748

    18.4 La energa libre de Gibbs 743 Cambios de energa libre estndar I Aplicaciones de la ecuacin (18.7)

    18.5 La energa libre y el equilibrio qumico 751 18.6 La termodinmica en los sistemas vivos 755

    la qumica en accin La termodinmica de una banda de hule 756

    Ecuaciones clave 758 I Resumen de hechos y conceptos 758 I Palabras clave 758 I Preguntas y problemas 758

    CAPTULO 19 Electroqumica 765

    19.1 Reacciones redox 766 Balanceo de las ecuaciones redox

    19.2 Celdas electroqumicas 769 19.3 Potenciales estndar de electrodo 111 19.4 Espontaneidad de las reacciones redox 777 19.5 Efecto de la concentracin en la fem de la celda 780

    La ecuacin de Nernst I Celdas de concentracin

    19.6 Bateras 784 La bateria de celda seca I La batera de mercurio I El acumulador de plomo I Batera de estado slido de litio I Celdas de combustible

    19.7 Corrosin 789

    la qumica en accin Molestias causadas por las obturaciones dentales 799

  • 19.8 Electrlisis 793 Electrlisis del cloruro de sodio fundido I Electrlisis del agua I Electrlisis de una disolucin acuosa de cloruro de sodio I Aspectos cuantitativos de la electrlisis

    Ecuaciones clave 800 I Resumen de hechos y conceptos 800 I Palabras clave 800 I Preguntas y problemas 801

    Misterio qu~;co E.( agua contaMinada 808

    CAPTULO 20 Metalurgia y qumica de los metales 811

    20.1 Abundancia de los metales 812 20.2 Procesos metalrgicos 812

    Preparacin de la mena I Produccin de metales I La metalurgia del hierro I Manufactura del acero I Purificacin de metales

    20.3 Teoria de bandas de conductividad 820 Conductores I Semiconductores

    20.4 Tendencias peridicas de las propiedades metlicas 823 20.5 Los metales alcalinos 824 20.6 Los metales alcalinotrreos 828

    Magnesio I Calcio

    20.7 Aluminio 830

    La qumica en accin Reciclado del aluminio 832

    Resumen de hechos y conceptos 834 I Palabras clave 834 I Preguntas y problemas 834

    CAPTULO 21 Elementos no metlicos y sus compuestos 839

    21.1 Propiedades generales de 105 no metales 840 21.2 Hidrgeno 840

    Hidruros binarios I Istopos del hidrgeno I Hidrogenacin I La economa del hidrgeno

    La qumica en accin Hidrgeno metlico 846

    21.3 Carbono 845

    La qumica en accin Gas sinttico a partir del carbn 849

    21.4 Nitrgeno y fsforo 850 Nitrgeno I Fsforo

    La qumica en accin Nitrato de amonio. el fertilizante explosivo 857

    21.5 Oxgeno y azufre 858 Oxgeno I Azufre

    CONTENIDO XIX

  • xx CONTENIDO

    21.6 Los halgenos 865 Preparacin y propiedades generales de los halgenos I Compuestos de 105 halgenos I Usos de los halgenos

    Resumen de hechos y conceptos 872 I Palabras clave 873 I Preguntas y problemas 873

    CAPTULO 22 La qumica de los metales de transicin y los compuestos de coordinacin 877

    22.1 Propiedades

  • 23.5 Fisin nuclear 923 La bomba atmica I Reactores nucleares

    La qumica en accin El reactor de fisin natural 928

    23.6 Fusin nuclear 929 Reactores de fusin I La bomba de hidrgeno

    23.7 Aplicaciones de los istopos 932 Resolucin de estructuras I Estudio de la fotosntesis I Los iStopos en la medicina

    23.8 Efectos biolgicos de la radiacin 934

    La qumica en accin Alimentos irradiados 936

    Ecuaciones clave 937 I Resumen de hechos y conceptos 937 I Palabras clave 937 I Preguntas y problemas 937 '

    Misterio

  • XXII CONTENIDO

    la qumica en accin La anemia de clulas falciformes: una enfermedad molecular 994

    25.4 Acidos nucleicos 991

    la qumica en accin Las huellas digitales del DNA 996

    Resumen de hechos y conceptos 994 I Palabras clave 996 I Preguntas y problemas 996

    Mis-terio quiMico Una hiS'toria q(je te rizar el eafleUo 1000

    APNDICE 1 Los elementos y la derivacin de sus nombres y smbolos A-1

    APNDICE 2 Unidades de la constante de los gases A-7 APNDICE 3 Seleccin de datos termodinmicos a 1 atm y 25( A-S APNDICE 4 Operaciones matemticas A-14

    Glosario G-1

    Respuestas a los problemas con nmero par RP-1

    (rditos fotogrficos (-1

    ndice 1-1

  • Aplicaciones

    La qumica en accin El helio primitivo y la teora del Big Bang 12 La importancia de las unidades 19 Distribucin de los elementos en la corteza terrestre y

    en los sistemas vivos 47 Las huellas digitales del oro por espectrometra de

    masas 76 Fertilizantes qumicos 94 Una indeseable reaccin de precipitacin 112 Analizador del aliento 129 Metal a partir del mar 140 Buceo y las leyes de los gases 180 tomos sobreenfriados 188 Valor energtico de los alimentos y de otras

    sustancias 217 Cmo se defiende un escarabajo bombardero 223 La fabricacin de nieve y el inflado de un neumtico de

    bicicleta 233 El elemento del Sol 258 El lser: la esplndida luz 260 El microscopio electrnico 262 El tercer elemento lquido? 304 El descubrimiento de los gases nobles 321

    Desalinizacin 494 Determinacin de la edad del sudario de Turn 530 Femtoqumica 542 La vida en las grandes altitudes y la produccin de

    hemoglobina 589 El proceso Haber 590 Anticidos y el balance del pH en el estmago 638 Mantenimiento del pH de la sangre 662 Cmo se forma el cascarn de un huevo 689 La eficiencia de los motores trmicos 748 La termodinmica de una banda de hule 756 Molestias causadas por las obturaciones dentales 799 Reciclado del aluminio 832 Hidrgeno metlico 846 Gas sinttico a partir del carbn 849 Nitrato de amonio, el fertilizante explosivo 857 Compuestos de coordinacin en los sistemas vivos 898 Cisplatino: el frmaco anticancergeno 900 El reactor de fisin natural 928 Alimentos irradiados 936 El hielo que arde 948 La industria del petrleo 968 La anemia de clulas falciformes: una enfermedad

    molecular 994 Las huellas digitales del DNA 996 El cloruro de sodio: un compuesto inico comn e

    importante 337 Slo diga NO 353 Los hornos de microondas: trabajo de los momentos ~ Misterios qumicos

    dipolares 382 Son reales los orbitales? 397 El buckyball algn otro? 408 Por qu los lagos se congelan desde la superficie hacia

    el fondo? 429 Superconductores de alta temperatura 444 Cocimiento de un huevo en la cima de una montaa,

    ollas de presin y patinaje sobre hielo 455 Cristales lquidos 456 El lago asesino 480

    Quin mat a Napolen? 150 Sin oxgeno 202 El neumtico explosivo 242 El cuchillo equivocado 506 La descomposicin de los papeles 648 Un bocadillo cocido 698 El agua contaminada 808 Fechado de las pinturas con azul de Prusia La falsificacin de arte del siglo 942 Una historia que le rizar el cabello 1000

    906

  • pt

    Cuando escrib el prefacio para la edicin anterior de este libro, consider los retos que supone el hecho de preparar estudiantes en una poca de la historia caracterizada por su amplia orientacin tecnolgica y por los rpidos cambios que la misma tiene. Unos cuantos aos ms tarde, los retos son los mismos: cmo inspirar e instruir a los estudiantes en torno a los hechos bsicos de la qumica, mientras tomamos ventaja de toda esa tecnolo-ga? La respuesta es clara: hay que utilizar muchas herramientas y extraer lo mejor de cada una de ellas. En este sentido, la tecnologa les ayudar a visualizar la qumica y a explorar ideas en un ambiente interactivo; aunque antes de dicha exploracin. necesitan construir un fundamento, un marco de referencia para las ideas. El libro de texto es an la mejor herramienta para que los estudiantes aprendan los nuevos conceptos de la qu-mica.

    La fortaleza de esta obra radica en la integracin de varias herramientas diseadas para inspirar tanto a los estudiantes como a los profesores. Tales herramientas sustentan su utilidad en el libro de texto que va ms all de lo tradicional. De modo que la revisin para la sptima edicin y la inclusin de tecnologa de punta dan respuesta a los retos que enfrenta el profesor al ensear qumica general.

    Lo novedoso de la sptima edicin* Las tecnologas totalmente nuevas, descritas en las siguientes pginas de este prefacio, incluyen:

    Essential Study Partner (ESP), un tutorial interactivo para el estudiante. e-Text 2.0. OnLine Learning Center, un sitio Web para profesores y estudiantes. WebCT Course, creado especficamente para Qumica, sptima edicin, con el ob

    jetivo de ayudar al profesor a impartir el curso. PageOut, para ayudar al profesor a administrar el curso. PowerPoint Lecture Presentation, creada especialmente para la sptima edicin de

    Qumica. Visual Resource Library, con todas las ilustraciones y fotografas de la sptima edi-

    cin de Qumica. Chemistry Animations Visual Resource Library, para las presentaciones del profe-

    sor.

    Se crearon nuevas imgenes de arte con el programa de modelamiento molecular Spartan. Dichas ilustraciones permiten a los estudiantes tener una mejor visualiza-cin de las molculas en tres dimensiones, as como de los detalles de las reacciones qumicas. Buena parte del programa de arte ha sido revisado, o bien, es nuevo, con nfasis en el uso didctico del color. Por ejemplo, vase figuras 5.6, 5.14, 10.6, 13.26 y 25.13. Se incluy un nuevo icono en la tabla peridica, el cual ilustra las propiedades de los elementos de acuerdo con su posicin en dicha tabla.

    Se revisaron muchos de los ejemplos con la finalidad de que muestren con mayor claridad los pasos en la resolucin del problema.

    * El material auxiliar est disponible en ingls. Para mayor informacin, pngase en contacto con un representante de McGraw-Hill.

    Prefacio

  • xxvi PREFACIO

    Raymond Chang

    Se agregaron nuevos ensayos de "La qumica en accin" y muchos otros se han actualizado.

    En el captulo 25 viene un nuevo "Misterio qumico", "Una historia que le rizar el cabello".

    El texto se revis para mejorar la claridad y legibilidad, que son dos de sus fortale-zas.

    El nuevo icono de animacin bI:l seala el material que se ilustra mediante una animacin. El icono pedaggico @ resalta las estrategias de resolucin de problemas en el texto.

    Apreciara enormemente sus comentarios y sugerencias.

    Raymond Chang Williams College

    [email protected]

    Una nota para el estudiante La qumica general se percibe, comnmente, como una materia ms difcil que otras. Existe cierta justificacin para tal creencia. Por una parte, tiene un lenguaje muy espe-cializado. Al principio, estudiar qumica es como aprender un nuevo idioma. Ms ade-lante, algunos de los conceptos son abstractos. Sin embargo, con cierto esmero, el estu-diante completar con xito este curso e incluso lo disfrutar. He aqu sugerencias que le ayudarn a formar buenos hbitos de estudio y a dominar el material de este texto:

    Asista a cIases regularmente y tome notas con cuidado. Si es posible, repase siempre los temas analizados en clase el mismo da que se

    cubrieron. El libro le ayudar a completar sus apuntes. Piense crticamente. Pregntese si en verdad comprendi el significado de un trmi-no o el uso de una ecuacin. Una buena manera de comprobar su comprensin es explicar un concepto a un compaero de cIase o a otra persona.

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

    Las herramientas de la sptima edicin de Qumica fueron diseadas para capacitarlo en el buen desempeo en su curso de qumica generaL La siguiente gua explica cmo obtener plena ventaja del texto, la tecnologa y otras herramientas.

    Antes de entrar de lleno a un captulo, revise la organizacin del mismo y lea la introduccin para darse una idea de los temas importantes. Tome apuntes en clase con base en la organizacin del captulo.

    Ready Notes es til para tomar apuntes. Se trata de un folleto que incluye todas las ilustraciones del texto y lneas para escribir en ellas. Esta herramienta le permitir agregar a sus apuntes ilustraciones previamente diseadas, en lugar de tener que dibujar usted mismo las imgenes.

    El icono pedaggico @ resalta las estrategias para resolver problemas matemti-cos de manera lgica. Busque este smbolo cuando estudie para los exmenes. Utilice el icono de animacin bI:l como una gua para repasar los conceptos con animacin. La mayor parte de las animaciones son interactivas.

    Al final de cada captulo aparecen las ecuaciones clave, un resumen de hechos y conceptos, as como una lista de palabras clave, que le ayudarn a prepararse para los exmenes. Las definiciones de las palabras clave pueden estudiarse en contexto

  • en las pginas sealadas en la lista al final del captulo, o bien, en el glosario del libro.

    Utilice las Key-Word flashcards en el sitio web (OnLine Leaming Center u OLC) para adquirir mayor prctica. Las flashcards incluyen audio, de modo que tambin podr mejorar su pronunciacin. El OLC alberga una extraordinaria cantidad de recursos.

    Visite la direccin mnulIhhe.com/p/nssci/chemisln/chang7 para tener acceso a cuestionarios sobre cada captulo, sesiones de e-learning, oportunidades, Essential Study Partner y ms. El estudio cuidadoso de los ejemplos numerados, que se intercalan en el cuerpo de cada captulo, mejorar su habilidad para analizar los problemas y efectuar los clcu-los necesarios para resolverlos. Tmese su tiempo para trabajar en el ejercicio que sigue a cada ejemplo, pues le servir para asegurarse de haber comprendido la forma de resolver el tipo de problema en tumo. Las respuestas a los ejercicios aparecen al final del captulo, despus de los problemas de tarea. Para una prctica adicional, remtase a los problemas similares indicados en el margen junto al ejemplo.

    Las preguntas y los problemas al final de captulo fueron organizados por seccin. En general, para las preguntas de repaso no se necesita hacer clculos. Su objetivo con-siste en ayudar al estudiante a valorar su comprensin de los nuevos conceptos pre-sentados en el captulo. Los problemas le permitirn poner a prueba sus habilidades analticas y de cmputo; aquellos de nmeros pares son similares en naturaleza a los de nmeros nones que les preceden, excepto en la seccin titulada "Problemas adicio-nales". Estos ltimos requieren que usted decida cmo abordar la solucin y muchos se relacionan con conceptos que vienen en ms de una seccin del captulo. Aunque es muy probable que su profesor no le pida que resuelva todos los problemas como tarea, le resultar benfico trabajar en ellos para asegurarse que domina el tema. Con-sulte la parte final del libro; ah encontrar las respuestas a los problemas de numera-cin par; soluciones completas para los problemas de nmero non. Los tutoriales de resolucin de problemas estn disponibles en el Student Solutions Manual. Para practicar ms, consulte el ChemSkill Builder, un tutorial de resolucin con cientos de problemas que incluyen retroalimentacin.

    Si necesita ayuda, recurra al NetTutor en el OLe. El NetTutor lo ayudar con cual-quier pregunta y trabajar con usted, tanto en sesiones en vivo como a travs de correo electrnico.

    Uno de los mejores recursos es el Essential Study Partner (ESP), un tutorial que le servir para repasar cada captulo y corroborar su nivel de comprensin. Trae ani-maciones, ejercicios interactivos, revisiones de temas y cuestionarios, as como ex-menes de unidad. wJ.vl1'.mhhe.com/physscilchemistrv/chang 7!l'tlldellt/olc/esl).mhlllll

    Se aadieron dos tipos de aplicaciones para ayudar al estudiante a relacionar la qumica con el mundo reaL Los recuadros "La qumica en accin" en cada captulo dan cuenta de las aplicaciones en otras ciencias y en actividades cotidianas. La sec-cin "Misterios qumicos" se enfoca a eventos enigmticos que tienen explicacio-nes qumicas y brinda la oportunidad de aplicar el conocimiento de la qumica, as como de agudizar las habilidades de pensamiento. Tal vez su profesor no le deje leer todos estos breves ensayos; pero, si toma en serio la parte prctica de la qumica, revise la lista de la pgina xx y vea cules temas le interesan.

    Utilice el e-Text para organizar todas las herramientas para este curso; le ser til, pues combinatexto, tecnologa y otros elementos de manera no lineal en un lugar ade-cuado. Podr explorar el texto, tomar notas y hacer los vnculos pertinentes en la Web.

    Si sigue estas sugerencias, y se mantiene al da con sus tareas, encontrar que la qumica es desafiante, pero menos difcil y mucho ms interesante de lo que imagin.

    Raymond Chang

    PREFACIO xxvii

  • xxviii PREFACIO

    Recursos para el maestro* Test Bank Este banco de pruebas contiene ms de 2 000 preguntas de opcin mltiple y de respues-ta corta. Las preguntas, ordenadas por grados de dificultad, son comparables a los pro-blemas que vienen en el texto e incluyen algunos de los pasos que requieren anlisis conceptual.

    MicroTest Computerized Test Bank Este banco de pruebas trae todas las preguntas en el Test Bank impreso, lo mismo que algoritmos y ms de 200 preguntas basadas en ellos, que los instructores pueden editar para crear sus propias plantillas de pruebas. La herramienta est disponible en versiones para Windows y Macintosh.

    Instructor's Manual Escrito por Brandon J. Cruickshank (Northern Arizona University), Daryl Doyle (GMI! Engineering and Management Institute) y Raymond Chango Este manual completo para la enseanza de un curso de qumica general, basado en el libro Qumica, contiene un resumen del contenido de cada captulo, as como metas de aprendizaje y referencias para apuntalar los conceptos. A continuacin se presenta una lista completa de los pro-blemas que entraan mayor reto en cada captulo y de aquellos que se trabajan en detalle en el Student Solutions Manual. Se presentan las soluciones a todos los problemas del final de captulo, incluidas aquellas contenidas en el Solutions Manual. Tambin se res-ponde a algunas de las preguntas de repaso que aparecen al final de los captulos. El recurso viene con preguntas de anlisis, consejos, informacin sobre aplicaciones rele-vantes y referencias a otros elementos del paquete de texto.

    Transparencias Aproximadamente 250 ilustraciones a todo color del texto se reproducen en acetatos para realizar proyecciones.

    Chang Animations Diseadas por Brandon Cruickshank, estas 28 animaciones son interactivas y apoyan especficamente el contenido y los conceptos en Qufmica. Sus iconos muestran cules son los conceptos animados. Tanto profesores como alumnos tienen acceso a tales ani-maciones en el OnLine Learning Center, Essential Study Partner, e-Source y en la Animations Visual Resource Library.

    Chemistry Animations Visual Resource Library La organizacin de este recurso corri a cargo de Eric Johnson (BaH State University). Se trata de un CD-ROM que permite al profesor utilizar las animaciones en el saln de clases de acuerdo con sus necesidades. Este multi-CD incluye ms de 150 animaciones que pueden reproducirse directamente del CD o incluirse con facilidad en una presenta-cin tipo conferencia. La biblioteca de animaciones simplifica la bsqueda, adems de que muchas de las imgenes son del tamao de la pantalla.

    Visual Resource Library (VRL) Este CD-ROM para el instructor viene con archivos electrnicos de imgenes a color (ilustraciones y fotografas), pues fue diseado para ayudarle a efectuar presentaciones

    *El material auxiliar est disponible en ingls. Para mayor informacin, pngase en contacto con un repre-sentante de McGraw-Hill.

  • visualmente atractivas. Ayudar tambin a incorporar imgenes seleccionadas en pro-gramas de procesamiento de texto para distribuir como material para los estudiantes. Es posible remover con facilidad los pies de las fotografas. Adems, la herramienta incluye presentaciones en PowerPoint para cada captulo.

    PowerPoint Ledure Presentation El autor de este recurso es J. David Robertson (University of Missouri). Los profesores que se basen en el libro Qumica, encontrarn que la presentacin no slo les ahorra tiempo, sino tambin les ayuda a realizar presentaciones atractivas. La conferencia PowerPoint. basada en la Web, incluye notas para todo el curso, imgenes de la sptima edicin y animaciones distribuidas en puntos apropiados. Utilice el esquema de la confe-rencia completa o modifquelo para que se acople a su propio curso.

    Online Learning Center Website (OLC) Localizado en ,n\I\.fllile.C'iilllpl!rsscik/emistrylcwlIg;, este sitio Web ofrece excelen-tes herramientas, tanto para el profesor como para el estudiante. Los profesores podrn crear un curso ms interactivo con la integracin del sitio, mientras el Instructor Center guarda sus materiales esenciales del curso y les ahorra tiempo de preparacin antes de clase. Este centro tambin ofrece esquemas organizadores de las exposiciones, descrip-ciones adicionales para las animaciones y ms.

    Media Integration Guide Diseada por Scott S. Perry (University of Houston), la gua explica qu medios estn disponibles y describe cmo utilizarlos de manera eficiente durante la exposicin y fuera del saln de clases.

    WebCT Los creadores son Renee Cole y Steve Boone (Central Missouri State University). A los profesores que emplean el WebCT, les encantar el contenido WebCT del curso espec-fico que ofrecemos junto con Qumica, el cual incluye el Test Bank completo formateado para utilizarse fcilmente, exmenes, tareas en lnea con retroalimentacin detallada, gua interactiva de estudio y preguntas sobre cuestiones de actualidad.

    Course-Specific PageOut Diseado especficamente para ayudar con las necesidades individuales del curso, PageOut permitir integrar el programa de estudio con el libro Qumica y con las herramientas de arte de los nuevos medios. En el corazn de PageOut encontrar multimedia integrada, el Online Learning Center y una lntegration Guide, que le servir para incorporar la tecnologa en el saln de clases. Ms de 20 000 profesores eligieron PageOut para crear sitios Web en su curso. Es muy fcil de usar y es GRATIS para los instructores que utilicen un libro de texto de McGraw-Hill en cualquiera de sus cursos.

    Primis LabBase Fue diseada por Joseph Lagowski (University of Texas en Austin). Ms de 40 experi-mentos de qumica general estn disponibles en esta base de datos, la cual incluye expe-rimentos del Joumal 01 Chemical Education y de los que utiliza el profesor Lagowski en la institucin en la que imparte clases. El recurso permitir a los profesores organizar sus manuales de laboratorio.

    Cooperative Chemistry Laboratory Manual Desarrollada por Melanie Cooper (Clemson University), esta novedosa gua contiene problemas abiertos, creados para simular la experiencia en un laboratorio de investiga-

    PREFACIO xxix

  • xxx PREFACIO

    cin. Al trabajar en grupos, los estudiantes investigan un problema durante varias sema-nas, de modo que al terminar el semestre habrn concluido tres o cuatro proyectos, en lugar de un solo experimento preprogramado por clase. El nfasis aqu est en el diseo experimental, el anlisis del problema y la comunicacin.

    Recursos para el estudiante* Essential Study Partner Recurso ideado por David Harwell (University of Hawaii en Manoa), Laura Muller (Wheaton College), Norbert Pienta (University of Iowa), Kathleen Robins (University ofLas Vegas-Nevada) y Brandon Cruickshank (NorthernArizona University). Este com-paero de estudio le permitir investigar y reforzar lo aprendido en el libro de texto. Adems, encontrar que el Essential Study Partner de Qumica es una herramienta muy completa e interactiva que trae cientos de animaciones y actividades de aprendiza-je. Incluye desde cuestionarios a diagramas interactivos. El alumno encontrar que no hay mejor compaero de estudi para asegurar el dominio de los conceptos clave. Lo mejor de todo es que es GRATIS por el solo hecho de adquirir su libro de texto.

    OLC (OnLine Learning Center) Un sitio Web exclusivo que proporciona una riqueza de recursos electrnicos, tanto para profesores como para estudiantes. Incluye cuestionarios interactivos para los estudian-tes; sesiones e-Ieaming;flashcards de trminos clave; NetTutor; glosario interactivo con audio; ChemQuest, con ejercicios de bsqueda; Visual Chemistry, con ejercicios que obligan a los estudiantes a buscar y manipular molculas; se vincula con bases de datos de qumica, y numera las oportunidades profesionales en Qumica. Se localiza en \1'1 \'\1 '. /l///e. Ci !/n/phrssc ilchelll isll'vlc/wJlg 7.

    Course Ready Notes Escrito por Eric Johnson (Ball State University), este folleto reproduce imgenes a las que se les quitaron las leyendas de ilustracin. En lugar de ocupar tiempo copiando material que ya est en el libro, con su ayuda, los alumnos se pueden enfocar en los aspectos ms importantes de la exposicin del profesor.

    Student Solutions Manual Escrito por Brandon J. Cruickshank (Northern Arizona Universty) y Raymond Chang, este suplemento contiene soluciones y explicaciones detalladas para todos los proble-mas de nmero par del texto principal. Incluye tambin un anlisis detallado de los pro-blemas, as como enfoques para resolver problemas qumicos y soluciones tutoriales que vienen al final de cada captulo.

    Student Study Guide Diseado por Kenneth W. Watkins (Colorado State University), este valioso auxiliar contiene material que le ayudar al estudiante a organizar su tiempo de estudio, ejercitar sus habilidades de resolucin de problemas y autoexaminarse. Para cada seccin del captulo, el autor seala objetivos de estudio y aade un resumen del texto correspon-diente. Despus del resumen aparece una serie de problemas con soluciones detalladas. Cada captulo trae preguntas verdadero-falso y exmenes con respuestas al final.

    *El material auxiliar est disponible en ingls. Para mayor informacin, pngase en contacto con un repre-sentante de McGraw-Hill. '

  • e-Text 2.0 El e-Text interactivo es un recurso excitante para el estudiante que combina material impreso de McGraw-Hill, multimedia, materiales de estudio y algunos otros basados en la Web, todo en un CD-ROM de fcil acceso. Esta herramienta invaluable se ajusta a los estilos de aprendizaje y complementa el texto impreso. Proporciona una experiencia de aprendizaje no lineal mediante el uso de animaciones, audio y arte, as como materiales basados en la Web y algunos otros que ayudan a los estudiantes a organizar su estudio. Las siguientes caractersticas ilustran los beneficios del e-Text:

    El libro y los archivos de gua de estudio PDF estn vinculados. Esto incluye el texto, arte y fotografas, adems de las mejores animaciones.

    Los vnculos facilitan la investigacin en la Web. Un recurso de bsqueda sirve a los estudiantes para mejorar su estudio, al permitir-les localizar el contenido deseado en forma fcil y rpida.

    El CD hbrido es compatible tanto con plataformas Macintosh como Windows. Los programas requeridos, Acrobat Reader y QuickTime, vienen en el CD-ROM.

    Los bookmarks, que aparecen en el lado izquierdo de la pantalla, numeran todos los vnculos disponibles en esa pgina.

    Los vnculos del men principal se encuentran en la parte inferior de cada pantalla y en la seccin de bookmark.

    La pgina de ayuda brinda una explicacin de las caractersticas de esta herramienta. Los trminos en negritas vinculan las definiciones del glosario.

    ChemSkill Builder Creado por Electronic Homework Systems, este CD-ROM de gran utilidad genera pre-guntas para los estudiantes sobre cada tema del curso de qumica general. Las preguntas se presentan al azar con una constante mezcla de variables, de modo que dos estudiantes nunca recibirn las mismas preguntas. Proporciona retroalimentacin para los estudian-tes cuando sus respuestas son incorrectas y las respuestas pueden ser remitidas al profe-sor para que las califique.

    CyberChem CD-ROM Los creadores de este recurso son Maha Ashour-Abdalla (University of California at Los Angeles) y Raymond Chango El novedoso CD-ROM provee un paquete de estudio interactivo y tutorial para el curso de qumica general. Contiene 60 animaciones de con-ceptos, 25 simulaciones interactivas de laboratorio y 25 animaciones centradas en apli-caciones del mundo real, junto con mdulos de resolucin interactiva paso a paso y cuestionarios. CyberChem viene con secciones conceptuales hipervinculadas basadas en los captulos de Qumica. Adems, sin importar en qu parte del programa se encuen-tren, los estudiantes tendrn acceso a una tabla peridica hipervinculada, con fotogra-fas, informacin sobre los elementos, una funcin de bsqueda y referencias cruzadas. Se han vendido ms de 59000 copias!

    Schaum's Outline of College Chemistry Se trata de un recurso desarrollado por Jerome Rosenberg (Michigan State University) y Lawrence Epstein (University ofPittsburgh). Esta valiosa herramienta proporciona a los estudiantes cientos de problemas resueltos y complementarios para el curso de qumica general.

    PREFACIO xxxi

  • xxxii PREfACIO

    Reconocimientos Quiero agradecer a las siguientes personas, cuyos comentarios fueron de gran ayuda para m al preparar esta revisin:

    Susmita Acharya Cardinal Striteh University Klaus Adam Galveston College Alexander Altman Sto Joseph 's College Christopher Anukwuem Prairie View A & M

    University Marsi E. Archer Missouri Southem State

    University Satinder Bains Arkansas State University-Beebe Stanley Bajue Medgar Evers College. The City

    University of New York Dave Baker Delta Col/ege Mufeed Basti North Carolina A & T State

    University Terri Beam Mt. San Antonio College Jean Bowdan Somerset Community College James R. Bowser Stale University of New

    York-Fredonia Edward Brown Lee University Andrew Burns Kent State University-Stark Stuart Burris Belmont University G. Lynn Carlson University of

    Wiseonsin-Parkside Lisa Emily Chirlian Bryn Mawr College Paul Cohen The CoUege of New Jersey Harry Conley Murray State University Wheeler Conover Soulheast Community Coi/ege Felicia Corsaro-Barbieri Gwynedd-Mercy

    Col/ege Philip W. Crawford Southeast Missouri State

    University BiII Davis University ofTexas-Brownsville Son Do University of Louisiana-Lafayette Michael Eastman Northem Arizona University Eldon Eckard Bainbridge College Richard Fiore Gateway Community Col/ege Paul A. Flowers University of North

    Carolna-Pembroke Michelle Fossurn Loney Col/ege Andrea Gorczyca Brookhaven CoUege G. WiIliam Griffin Bunker HiU Community

    College Larry D. Groth Lake Regon State Col/ege Mildred Hall Clark State Community Col/ege Lois Hansen-Polcar Cuyahoga Community

    College-Westem Campus Ryan Harden Central Lakes Col/ege David Harwell University of Hawaii Shirley Hoenigman Newman Unversity Paul Horton lndian River Community Col/ege Narayan S. Hosmane Northem lllinois University Michael O. Hurst Georga Southem University Ramee Indralingam Stetson University Christine M. Ingersoll Muhlenberg College Thomas V. Jeffries Campbel/sville University David W. Johnson University of Dayton Martha R. Joseph Westmnster Col/ege David S. Karpovich Saginaw Valley State

    University

    Paul Kan Wayne State College Michael Ketterer Northem Arizona University Igor Khudyakov Catawba Valley Community

    College Pamela Kimbrough Chaffey College Sr. Beata Knoedler Springfield Col/ege Robert Kolodny Armstrong Atlantie State

    University Lawrence J. Krebaum Missouri llilley Col/ege Brian Lamp Truman State University Richard F. Langley Stephen F. Austin State

    University Andrew Langrehr Jefferson College Richard LavaIlee St. Cloud State University Zhaohui Li University of Wiseonsin-Parkside Clarence W. Linsey Mid Ameriea Nazarene

    University Kirby Lowery, Jr. Wharton County Junior

    College Jeffry D. Madura Duquesne University Ruhullah Massoudi South Carolina State

    University Mark Masthay Murray State University Lyle V. McAfee The Citodel Brian McBurnett Northem Atizona University Michael McClure HopkinsviUe Community

    Col/ege Daniel M. McInnes East Central University Jack F. McKenna Sto Cloud State University Michael Moran West Chester University Richard Nafshun Oregon State University David Newman Bowling Green State University William R. Oliver Northern Kentueky University Mark Ott Westem "yoming Col/ege H. Blake Otwell Jacksonville Stafe University Cynthia N. Peck Delta College David Peitz Wayne State University Glenn Petrie Central Missouri State University Walda J. Powell Meredith Col/ege Sr. Carol Quinn Dominican College of San

    Rafael Don Rufus Ranatunga Oakwood Col/ege Fred Redmore Highland Community College Jeanette K. Rice Georgia Southem University Michael A. Russell Mt. Hood Community

    College Elaine L. Schalck Alvemia College Amit Sharma Columbia Basin College Joseph F. Sinski Bellarmne College Joseph Sneddon MeNeese Stafe Col/ege Max Stappler Queensborough Community

    Col/ege James D. Stickler Allegany Col/ege of Maryland Sam Subramaniam Miles Col/ege Paris Svoronos Queensborough Community

    College ofThe City University of New York _ - Nicholas E. Takach The University of Tulsa

    Erach R. Talaty Wiehifa State University

  • Agnes Tenney University of Portland Tanya B. To Pennsula College Richard S. Treptow Chicagv State University Shashi Unnithan Front Range Community

    College Phillip D. Voegel Midwestem State University Elizabeth Mahan Wallace Eastem Oklahoma

    State University Mark Waner John Carroll University

    Randall Wanke Augusta/Ul College Neil H. Weinstein Santa Fe Community College Daniel J. WlIiams Kennesaw State University Anthony Wren Butte College Robert S. Yolles De Ama College Chewki Ziani-Cherif Florida Community

    College-Kent Susan Moyer Zirpoli Slippery Rock Universl)' Lisa Zuraw The Otadel

    Las siguientes personas revisaron el material va Inquisite:

    Michael R. Adams Xavier University of Louisiana Robert Allendoerfer State University of New

    York-Buffalo Patricia Amateis Virginia Tech Salah Blaih Kent State University-Trumbull Paul Charlesworth Michigan Technological

    University Jenny S. Chen Mt. San Antonio College Harry Conley Murra)' State University Daryl J. Doyle Kettering University BiIl Durham University of Arkansas Evelyn Erenrich Rutgers University Ed Farquhar Northwest Missouri State University

    David W. Grainger Colorado State University Palmer Graves Florida lnternational University David O. Harris University ofCalifornia-Santa

    Barbara Grant N. Holder Appalachian State University Stephen A. Matchett Graad Valley State

    University William H. McMahan. Mississippi State University Grace Ann Neff California Polytechnic State

    University John H. Smith University of Maryland-Baltimore

    County David R. Wirz University of California-Riverside

    Agradezco a Norbert Pienta, de la University of Iowa, y a los siguientes estudiantes su participacin como grupo de enfoque:

    Sara Juvenal, Georgette Stern, Crystal Panages, Emilie Lough, Gina Patnaik, Whitney MiIIigan, Brad Conlan. Seott Marsh, Ryan Loukota, Nathan Reckman y Gabriel D' Amore.

    Asimismo, a Dick Morel, su invaluable asistencia con el programa de arte. Las animaciones de Brandon Cruickshank ayudarn mucho a los estudiantes a visualizar conceptos abstractos. Como siempre, me benefici mucho de las discusiones con mis colegas en el Williams College y de la correspondencia con muchos profesores de Esta-dos Unidos y de otros pases.

    Es un placer reconocer el apoyo que me brindaron los siguientes miembros de la Divisin de Universidades de McGraw-Hill: Jennifer Bensink, Kevin Kane, Marty Lange, Craig Marty, Sherry Padden, Tami Petsche, James Smith y Thomas Timp. En particular, quiero mencionar a Gloria Schiesl, quien supervis la produccin; a Stuart Paterson, por el diseo del libro, y a John Leland, por la bsqueda de material fotogrfico. Kent Peter-son, el editor de qumica, me brind consejo y apoyo siempre que lo necesit. Mi respeto para l aumenta con cada nuevo proyecto. Por ltimo, mi especial agradecimiento a Suzanne Guinn, editora de desarrollo, por su entusiasmo, aliento y supervisin en cada paso de la elaboraci6n del libro.

    PREFACIO xxxiii

  • xxxiv MEDIOS DISPONIBLES

    Medios disponibles Esta seccin se enca rga de presentar los medios electrn icos que apoyan a la spt ima edi cin de Qumica y muest ra cmo conviene formar un paquete co n ellos . Utilice los que ms se aj usten a sus necesidades o todos! Consulte las pginas xxiv-xxviii para te ner una descripcin completa de todos los productos

    ~-g e-Texf El libro es la base de todas las herramientas del curso. Utilic el texto impreso o el e- Text, que incluye muchas de las herramientas qu se presentan a continuacin o se vincula con ellas.

    - Onlne Learning Center (OLC)

    Medios para el profesor

    Media In tegration

    Guide

    Esta gua explica los recursos disponibles y proporciona sugerencias para utilizar los medios de manera eficiente en el saln de clases.

    El Online Learning Center (OLe) es un sitio Web seguro y especfico para el profesor acerca del libro.

    Es la puerta abierra a una biblioteca de recursos para los profesores y 105 estudiantes, a quien es les permite tener acceso a casi todos los medios de Qumica, sptima edicin. Asimismo, viene con exmenes de autoevaluacin, recursos, flashcards de trminos clave con pronunciacin en audio y ms. Consltelo l

    Teora atmica de Oalton

    A,omo. elel elemento X

    tomos del Compuu,;IO ele los ctlemeoto Y olemenlos X y 't

    .) .)

    Ley de la conservaCIn de la ma teria

    La oresentacin en PowerPoint, organizada por captulo y seccin, est lista para su exposicin en el saln de clases. Se trata de una conferencia interesante que va ms all de la presentacin realizada en Qumica, Sp tima edicin.

    Medios para el estudiante

    Essential Study Partner (ESP) Es una herramienta esencial de repaso, interaccin y autoevaluacin. Los estudiantes tienen acceso a todo el ESP o a cada captulo de la sptima edicin de Qumica para realizar un repaso bsico de los conceptos esenciales en 10 unidades.

    www.webct.com

    El contenido disponible especificamente para usuarios de Weber, incluye:

    Gua interactiva de estudio para el estudiante

    Cuestionarios Tareas para hacer en

    casa

    Las animaciones ESP permiten a los estudiantes observa r la actividad detrs de los conceptos qumicos.

    Tambin vienen en el e-Text.

  • Las siguientes herramientas estn disponibles en el OLC o en un cartucho.

    Qumica, sptima edicin, Test Bank

    Instructor's Solutions Manual (problemas impares de este manual)

    Instructor's Manual

    Motiva a los estudiantes a probar su nivel de comprensin y proporciona una manera divertida de repasar los conceptos

    www.webct.com

    Imgenes de la Visual Resource Library

    Descripciones de animaciones especificas

    Vnculo del Essential Study Partner con la pgina principal

    Lista de las preguntas ms frecuentes en torno a c.nemistry Ammations VRL

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    Los trminos clave vienen con definiciones y audio para mejorar la pronunciacin, con la finalidad de que los estudiantes se familiaricen con el lenguaje de la quimica. Tambi[en se incluye en el e-Text

    Chemistry Animations Visual Resource library

    El CD-ROM incluye ms de 300 animaciones que pueden utilizarse directamente o incluirse en su exposicin.

    Las sesiones e-Learning basadas en Qumica, sptima edicin, vienen con animaciones y ejercicios interactivos del ESP Lo anterior permite un repaso fcil, con apoyos visuales del contenido de cada capitulo A todas las animaciones en la sesin e-Learning se les agreg un breve cuestionario.

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    Raymond Chang

    Trae archivos electrnicos de imgenes a todo color en el texto. Utilice las imgenes o las presentaciones en PowerPoint dlse/7adas para cada capitulo.

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    Haga un clic en NetTutor cuando necesite ayuda adicional para resolver algn problema del fina! de captulo.

  • JUUl.wi MEDIOS DISPONIB LES

    Una gua para la sptima edicin

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    Programa de arte: El arte, a lo largo del texto, fue enriquecido con imgenes de las molculas creadas por Raymond Chang mediante el programa de modelami nto molecular Spartan. Las imgenes les permiten a los estudiantes obtener un mayor entendimiento de la tridimensionalidad de las molculas y de los detalles de las reacciones qumicas. Buena parte del programa se revis o es nuevo, y se destaca el uso de color

    ..------ CI:l Icono de animacin: Este nuevo icono indica el material que se ilustra mediante una animacin. Lo anterior les sirve a los estudiantes para repasar los conceptos ms difciles. Se hace referencia a 29 animaciones.

    Icono de tabla peridica: Este nuevo icono ilustra las propiedades de los elementos, de acuerdo con sus posiciones en la tabla

    ~}~~!!~ ~r-=_O=-_~_' -'-____ p_e_ri__~--,ica. La qumica en accin: Se agregaron nueves textos de "La qumica en accin" y se actualizaron muchos otros.

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    ~ Icono pedaggico: Explicaciones paso a paso de las estrategias de resolucin de --__ __ 'el problemas se resaltan mediante un icono especial puesto al margen.

    Ejemplos trabajados y ejercicios: El estudio cuidadoso de ejemplos resueltos y numerados a lo largo de cada captulo les ayudar a los estudiantes a desarrollar sus habilidades de resolucin de problemas El ejercicio que sigue a cada ejemplo les permite a los estudiantes comprobar su habilidad para resolver el tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios se encuentran al final de cada capitulo, despus de las preguntas y los problemas. El nmero de un problema similar se indica en el margen, Junto al ejemplo, para prooiciar la prctica adicional. Muchos de los ejemplos expuestos se revisaron de tal modo que es posible seguir con claridad los pasos de su resolucin .

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    Un .. histor_

  • CAPiTULO 1

    Qumica: el estudio de los cambios

    Los tres estados de la materia. Una varilla caliente transforma el hielo en agua y vapor

    Introduccin La qumica es una ciencia activa y en continuo crecimiento; tiene una importancia fundamental para nuestro mundo, tanto en el mbito de la naturaleza como de la sociedad. Sus orgenes son muy antiguos, pero como se ver pronto, es tambin una ciencia moderna.

    El estudio de la qumica empezar en un nivel macroscpico, en el cual se puede observar y medir los materiales de los que est formado el universo. En este captulo se analizar el mtodo cientfico, que proporciona los cimientos para la investigacin no slo en la qumica, sino en todas las dems ciencias. A continuacin se estudiar cmo los cientficos definen y caracterizan a la materia; luego se analizarn los sistemas de medicin que se utilizan en el laboratorio. Finalmente, se dedicar un tiempo al aprendizaje del manejo de los resultados de las mediciones qumicas y a la resolucin de problemas. En el captulo 2 se empezar a explorar el mundo microscpico de los tomos y las molculas.

    1.1

    1.2

    1.3

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    1.5

    1.6

    17

    1.8

    1.9

    Qumica: una ciencia para el siglo XXI

    El estudio de la qumica

    El mtodo cientfico

    Clasficacin de la materia

    Los tres estados de la materia

    Propiedades fsicas y qumicas de la materia

    Mediciones

    El manejo de los nmeros

    El mtodo del factor unitario para la resolucin de problemas

    ,

  • :2 QUfMICA: EL ESTUDIO DE LOS CAMBIOS

    Los caracteres chinos para la qumica significan "el estudio del cambio ".

    1.1 Qumica: una ciencia para el siglo XXI

    La qumica es el estudio de la materia y de los cambios que experimenta. Es muy fre-cuente que a la qumica se le considere la ciencia central, ya que para los estudiantes de biologa, fsica, geologa, ecologa y otras disciplinas, es esencial tener un conocimiento bsico de la qumica. En efecto, la qumica es fundamental para nuestro estilo de vida; sin ella, tendramos una vida ms efmera en el sentido de vivir en condiciones primiti-vas: sin automviles, electricidad, computadoras, discos compactos (CD) y muchos otros satisfactores cotidianos.

    Aunque la qumica es una ciencia ancestral, sus fundamentos modernos se institu-yeron en el siglo XIX, cuando los avances tecnolgicos e intelectuales permitieron a los cientficos separar sustancias en componentes aun ms pequeos y, por consiguien-te, explicr muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El rpido desarrollo de una tecnologa cada vez ms sofisticada a lo largo del siglo XX, ha proporcionado inclu-so ms medios para estudiar cosas que no pueden verse a simple vista. Mediante el uso de computadoras y microscopios electrnicos, los qumicos pueden analizar, por ejem-plo, la estructura de los tomos y las molculas, unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la qumica, as como disear nuevas sustancias con propiedades especficas, como frmacos y productos que hagan ms agradable el ambiente del con-sumidor.

    A medida que avanza el siglo XXI, es conveniente preguntarse qu parte de cien-cia fundamental tendr la qumica en este siglo. Es casi seguro que conservar una fun-cin fundamental en todas las reas de la ciencia y la tecnologa. Antes de empezar con el estudio de la materia y su transformacin, se considerarn algunas de las fronte-ras que los qumicos estn explorando actualmente (figura 1.1). Cualesquiera que sean las razones para tomar un curso introductorio de qumica, al adquirir un buen conoci-miento en este tema se podr apreciar mejor su impacto en la sociedad y en los indivi-duos.

    Salud y medicina

    Tres logros principales en el siglo pasado han permitido prevenir y tratar las enferme-dades: las medidas de salud pblica que establecen los sistemas de sanidad para prote-ger de enfermedades infecciosas a gran cantidad de gente; la ciruga con anestesia, que permite a los mdicos curar casos potencialmente fatales, como una apendicitis, y la introduccin de vacunas y antibiticos que hacen posible prevenir la diseminacin de enfermedades microbianas. La terapia gnica promete ser la cuarta revolucin en la medicina. (Un gen es la unidad fundamental de la herencia.) Varios miles de situacio-nes conocidas, que incluyen la fibrosis qustica y la hemofilia, son ocasionadas por un dao heredado a un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cncer, enfermeda-des cardiovasculares, SIDA y artritis, provocan que el dao se propague a uno o ms genes implicados en las defensas del organismo. En la terapia gnica, un gen sano selec-cionado se introduce a la clula de un paciente para curar o aliviar estos trastornos. Para llevar a cabo este procedimiento, un mdico debe tener un conocimiento slido de las propiedades qumicas de los componentes moleculares que estn implicados. El conocimiento del genoma humano, que contiene todo el material gentico de nuestro cuerpo y una funcin esencial en terapia gnica, se apoya fuertemente en las tcnicas qumicas.

    En la industria farmacutica, los qumicos investigan frmacos potentes con pocos o nulos efectos colaterales para tratar el cncer, SIDA y muchas otras enfermedades, as como frmacos para aumentar el nmero de trasplantes exitosos de rganos. En una escala ms amplia, los adelantos en el conocimiento de los mecanismos del envejeci-miento llevarn a una vida ms prolongada y saludable para la poblacin mundial.

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    1.1 QUIMICA UNA CIENCIA PARA EL SIGLO XXI 1

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    La energa y el ambiente

    La energa es un producto secundario de muchos procesos qumicos, y a medida que la demanda d energa va en aumento tanto en los pases con tecnologa avanzada , por ejemplo Estados Unidos de Amrica, como en aquellos que estn en desarrollo, como China, los qumicos trabajan afanosamente para encontrar nuevas fuentes de energa. Actualmente las principales fuentes de energa ms comunes son los combustibles fsi-les (carbn, petrleo y gas natural). A la velocidad actual de consumo, se estima que las reservas de estos combus tibles alcanzarn para otros SO o 100 aos, de ah la urgencia para encontrar ruc ntes ltemativas de energa.

    I.a energa so lar promete ser una fue nte viable de energa para el futuro. Cada ao la supert'icie de la Tierra recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energa contenida en todas las reservas conjuntas conocidas ele carbn, aceite, gas natural y uranio. Sin em-bargo, mucha de esta energa es "desperdiciada" porque se vuelve a reflejar al espacio. Los enormes esfuerzos realizados en investigacin durante los ltimos 30 aos, mostra-ron que la energa so lar puede aprovecharse eficientemente de dos maneras. Una es la transformacin directa de la luz solar en electricidad mediante el uso de di sposi tivos denominados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en utilizar la luz solar para obtener hidrgeno a partir del agua. El hidrgeno generado alimenta posteriormente a una ce/da combustible para generar electricidad. Aunque han aumentado los conocimientos en los procesos cientficos para convertir la energa solar a e lectri cidad, la tecnologa an no se ha perfeccionado hasta el punto de que pueda produci r electricidad a gran escala a un costo econmicamente aceptable. Sin embargo , se proyecta que para el ao 2050 la energa solar contribuir con poco ms del 50% para satisfacer las neces idades energti-cas del mundo.

    Otra fuente potencial de energa es la fisin nuclear, pero debido a la preocupacin por los desechos radiactivos de Jos procesos de fisin para el ambiente, el futuro de la

    FIGURA 1.1 a) Parle final de un equipo secuenciador de ONA Cada caml muestra la secuenCia (que se indica con diferentes colores) qUE' se obtiene de muestras separadas de ONA b) Celdos forovoltoicas. c) Una oblea de silicio en proceso de fabocacin. d) La hOJa de la izqUierda proviene de una planta de tabaco que no se someti a modificacin genrICa y se expuso a la accin de los gusanos del tabaco. L hoja de la derecha se modific genticamente y apenas la atacaron 105 gusanos. Se odria aplIcar la misma tcnica para proreger las hojas de otros rlpos d plan tas.

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  • 4 QUIMICA: El ESTUDIO DE lOS CAMBIOS

    industria nuclear en Estados Unidos de Amrica es incierto. Los qumicos pueden ayu-dar a desarrollar mejores mtodos para la eliminacin de los desechos nucleares. La fusin nuclear, proceso que ocurre en el Sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energa sin producir demasiados desechos radiactivos peligrosos. Dentro de unos 50 aos, la fusin nuclear probablemente ser una fuente sustancial de energa.

    La produccin y utilizacin de energa estn estrechamente relacionadas con la ca-lidad del ambiente. La desventaja principal de los combustibles fsiles es que, al que-marse, desprenden dixido de carbono, un gas de invernadero (es decir, que promueve el calentamiento de la atmsfera terrestre), adems de dixido de azufre y xidos de nitrgeno, lo que ocasiona lluvia cida y esmog. (El aprovechamiento de la energa solar no tiene tales efectos dainos para el ambiente.) Los automviles que consuman un com-bustible eficaz y que estn provistos de convertidores catalticos ms eficientes, ayuda-rn a reducir en forma drstica las perniciosas emisiones de los automviles y a mejorar la calidad del aire en reas con demasiado trfico. Adicionalmente deber predominar el uso de automviles elctricos equipados con bateras de larga duracin, con lo cual tam-bin disminuir la contaminacin del aire.

    Materiales y tecnologa

    En el siglo XX la investigacin y el desarrollo de la qumica han dado nuevos materiales para mejorar notoriamente la calidad de vida, y contribuido con infinidad de mtodos, al avance de la tecnologa. Algunos ejemplos son los polmeros (incluidos el caucho y el nailon), la cermica (como los utensilios de cocina), los cristales lquidos (como los de las pantallas electrnicas), los adhesivos (utilizados en el papel para notas), y los mate-riales de recubrimiento (por ejemplo, pinturas vinlicas).

    Qu otros avances tecnolgicos se esperan para el futuro inmediato? Una posibili-dad son los materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se trans-porta por cables de cobre que no son conductores perfectos y, por consiguiente, se pier-de, en forma de calor, alrededor del 20% de la energa elctrica entre la planta de energa y el hogar, lo cual es un enorme desperdicio. Los superconductores son materiales que no tienen resistencia elctrica y, por tanto, pueden conducir la electricidad sin prdida de energa. Aunque se conoce desde hace 80 aos el fenmeno de superconductividad a muy bajas temperaturas (ms de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congela-cin del agua) no fue sino hasta mediados de la dcada de 1980 cuando se logr un avance importante al demostrar que es posible fabricar materiales que se comportan como superconductores a (o casi) la temperatura ambiente. En esta bsqueda, ha sido importante la contribucin de los qumicos en el diseo y la sntesis de nuevos materia-les que prometen ser tiles. En los prximos 30 aos se vern superconductores'de alta temperatura aplicados a gran escala en imgenes de resonancia magntica (IRM), en trenes elevados y en fusin nuclear.

    Si se tuviera que mencionar un avance tecnolgico que haya moldeado la vida ms que ningn otro, se sera la computadora. La "mquina" que dirige la constante revolu-cin de las computadoras, es el microprocesador, diminuto chip de silicio que ha inspira-do incontables inventos, como las computadoras porttiles y los equipos de fax. La efi-ciencia de un microprocesador se juzga por la velocidad con la que hace operaciones matemticas, como la adicin. El ritmo del progreso es tal que, desde su introduccin, los microprocesadores han duplicado su velocidad cada 18 meses. La calidad de cual-quier microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la habilidad para aadir la cantidad necesaria de otras sustancias, por lo cual los qumicos desempean una funcin importante en la investigacin yen el desarrollo de los chips de silicio. Para el futuro, los cientficos han empezado a explorar la posibilidad de la "computacin molecular"; es decir, reemplazar el silicio con molculas. Las ventajas de esto son que a ciertas molculas se les puede inducir para que respondan a la luz y no a los electrones, de tal manera que en vez de computadoras electrnicas se tendran computadoras pti-

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  • caso Con la ingeniera gentica apropiada, los cientficos pueden sintetizar dichas mo-lculas utilizando microorganismos en lugar de grandes fbricas. Las computadoras p-ticas tambin podran tener una capacidad de memoria mucho mayor que las electr-nicas.

    Alimentos y agricultura Cmo se podra lograr alimentar a la poblacin mundial que aumenta con rapidez? En los pases pobres, la agricultura ocupa alrededor de 80% de la fuerza laboral y la mitad del presupuesto de una familia promedio se gasta en comestibles. sta es una tremenda derrama de los recursos de una nacin. Los factores que afectan la produccin agrcola son la riqueza del suelo, los insectos y las enfermedades que daan a los cultivos y la maleza que compite por los nutrientes. Adems de la irrigacin, los granjeros dependen de los fertilizantes y de los pesticidas para aumentar el rendimiento de los cultivos. Des-de 1950, se ha utilizado la aplicacin indiscriminada de potentes productos qumicos para el tratamiento de los cultivos que son atacados por plagas. Con frecuencia, estas medidas han tenido graves efectos en el ambiente; aun el uso excesivo de fertilizantes es daino para la tierra, el agua y el aire.

    Para satisfacer las demandas de alimentacin del siglo XXI, deben idearse nuevas estrategias para la agricultura. Ya se ha demostrado que, por medio de la biotecnologa, es posible obtener cultivos ms abundantes y de mejor calidad. Estas tcnicas pueden aplicarse a diferentes productos agrcolas, no slo para mejorar la produccin, sino tam-bin para aumentar las cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que un tipo de bacteria produce una molcula proteica que es txica para las orugas. Al incorporar en los culti-vos el gen que codifica esta toxina, las plantas pueden protegerse por s mismas sin necesidad de utilizar pesticidas. Los cientficos tambin han encontrado un modo de prevenir la reproduccin de la plaga de insectos. Los insectos se comunican entre s al producir y reaccionar ante molculas especiales llamadas feromonas. Con la identifica-cin y sntesis de las feromonas implicadas en el apareamiento de los insectos, es posible interferir con el ciclo reproductivo normal de las plagas comunes; por ejemplo, se puede inducir el apareamiento temprano de los insectos o engaar a las hembras para que se apareen con machos estriles. Adems, los qumicos tienen la posibilidad de idear los medios para aumentar la produccin de fertilizantes que sean menos nocivos para el ambiente, as como producir sustancias que eliminen selectivamente a las hierbas no-civas.

    1.2 El estudio de la qumica

    En comparacin con otros temas, es comn creer que la qumica es ms difcil, al menos en el nivel introductorio. Hay algo de justificacin para esta creencia: por un lado, la qumica tiene un vocabulario muy especializado. Sin embargo, aunque para el lector este curso de qumica fuera el primero, en realidad est ms familiarizado con el tema de lo que piensa. En todas las conversaciones se escuchan trminos que tienen relacin con la qumica, aunque no se utilicen en el sentido cientfico correcto. Algunos ejemplos son "electrnica", "salto cuntico", "equilibrio", "catalizador", "reaccin en cadena" y "masa crtica". Adems, cuando alguien cocina alimentos, est haciendo qumica! Por la expe-riencia adquirida en la cocina, se sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que el agua se evapora cuando se hierve en la estufa. Los principios de la qumica y de la fsica se aplican cuando se utiliza bicarbonato de sodio para fermentar el pan, se elige una olla de presin para reducir el tiempo de coccin de la sopa, se aade ablandador de carne a un asado, se exprime jugo de limn a las rebanadas de peras para evitar que se pongan cafs o al pescado para quitarle su olor, o cuando se aade vinagre al agua en los huevos escalfados. Todos los das observamos estos cambios sin pensar en su naturaleza qumi-

    1.2 El ESTUDIO DE LA QUIMICA 5

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  • 6 QUIMICA. EL ESTUDIO DE LOS CAMBIOS

    FIGURA 1.2 Un autom6vll con /a arroceria m uy oxidada. La corrosi6n

    del hierro cuesta, a /a economa de Es tados Unidos, derenas de mi/es de millones' de d6/ares cada ao.

    ca. El propsito de este texto es hacer que el lector piense como un qumico. que busque en el mundo macroscpico, las cosas que podemos ver, tocar y medir directamente, y que visualice las partculas y acontecimientos del mundo microscpico que no se pueden experimentar sin la tecnologa moderna y sin la imaginacin.

    Al principio, a algunos estudiantes les parecer confuso que su instructor de qumi-ca y los libros de texto parecen ir y venir entre el mundo macroscpico y el microscpi-co. Slo debe tenerse en cuenta que los datos de la mayora de las investigaciones qumi-cas, prov ienen de observaciones de fenmenos a gran escala; pero las explicaciones por lo general se encuentran en lo que no se ve, y en parte, en el mundo microscpico imagi-nado de los tomos y de las molculas. En otras palabras , los qumicos con frecuencia ven una cosa (en el mundo macroscpico) y piensan otra (en el mundo microscpico). Por ejemplo, al observar la carrocera oxidada del automvil de la figura 1.2, un qumico podra pensar en las propiedades fundamentales de los tomos individuales de hierro y cmo interactan estas unidades con otros tomos y molculas para producir el cambio observado.

    1.3 El mtodo cientfico

    Todas las ciencias , incluidas las soc iales. utilizan variantes de lo que se denomina el mtodo cientfico, un enfoque sistemtico para la investigacin. Por ejemplo, un psic-logo que quiere saber cmo afecta el ruido la capacidad de las personas para aprender qumica , y un qumico interesado en medir el calor liberado cuando se quema hidrgeno en presencia de aire, seguirn ms o menos el mismo procedimiento para llevar a cabo sus investigaciones. El primer paso es definir con claridad el problema; el siguiente radica en desarrollar experimentos, hacer observaciones cuidadosas y anotar la informa-cin o datos del sistema, que es la parte del universo que se investiga. (En los dos ejem-plos anteriores, los sistemas son el grupo de gente que estudiarn los psiclogos y una mezcla de hidrgeno y aire.)

    Los datos obtenidos en una investigacin pueden ser tanto cualitativos , es decir, observaciones generales acerca del sistema, como cuantitativos, que consisten en m-meros obtenidos al hacer diversas mediciones del sistema. En general, los qumicos utilizan smbolos estandarizados y ecuaciones para anotar sus mediciones y observacio-

  • nes. Esta forma de representacin no slo simplifica el proceso de llevar los registros, sino que tambin forma la base comn para la comunicacin con otros qumicos.

    Una vez que los experimentos se han completado y se cuenta con los datos suficien-tes, el siguiente paso en el mtodo cientfico es la interpretacin, lo que significa que los cientficos intentan explicar el fenmeno observado. Con fundamento en los datos reuni-dos, el investigador formula una hiptesis, es decir, una explicacin tentativa para una serie de observaciones. Se programan otros experimentos para probar la validez de la hiptesis en tantas formas como sea posible, yel procedimiento empieza de nuevo. En la figura 1.3 se resumen las principales etapas del proceso de investigacin.

    Una vez que se haya reunido una cantidad suficiente de datos, es aconsejable resu-mir la informacin en forma concisa, como una ley. En la ciencia, una leyes un enuncia-do conciso, verbal o matemtico, de una relacin entre fenmenos que siempre se repite bajo las mismas condiciones. Por ejemplo, la segunda ley del movimiento formulada por Sir Isaac Newton, conocida desde el nivel bachillerato, establece que la fuerza es igual a la masa por la aceleracin (F = ma). El significado de esta leyes que un aumento en la masa o en la aceleracin de un objeto siempre llevar a un aumento proporcional de su fuerza; y por el contrario, una disminucin en la masa o en la aceleracin, siempre se acompaar de una disminucin de la fuerza.

    Las hiptesis que resisten muchas pruebas experimentales para verificar su validez se convierten en teoras. Una teora es un principio unificador que expl