Transcript of Química 11 Ed chang
- 1. Qumica Undcima edicin Raymond Chang Kenneth A. Goldsby
- 2. Qumica
- 3. REVISIN TCNICA MXICO Jess Adrin Baldenebro Lpez Universidad
Autnoma de Sinaloa Ren Barrios Vargas Instituto Tecnolgico de
Mazatln Joel Andrs Caldern Guilln Universidad Autnoma de Sinaloa
Rosa Luz Garnica Gutirrez Universidad Panamericana, Campus Mxico
Ricardo Guerra Trevio Universidad Autnoma de Baja California Mara
Rosario Hernndez Moreno Universidad Autnoma de Sinaloa Luis Antonio
Huerta Tapia Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de
Mxico Jos Arturo Len Velzquez Universidad Autnoma de Sinaloa
Carolina del C. Lpez Suero Instituto Tecnolgico y de Estudios
Superiores de Monterrey, Campus Santa Fe Antonieta Martnez Velasco
Universidad Panamericana Alejandra Montes Servn ESIME Zacatenco,
Instituto Politcnico Nacional Amador Osorio Prez Universidad
Autnoma de Sinaloa Nora Estela Ponce Fernndez Instituto Tecnolgico
Superior de Guasave, Mxico Jos Clemente Reza Garca ESIQIE
Zacatenco, Instituto Politcnico Nacional Juan Homero Roldn Rojas
Universidad Autnoma del Estado de Hidalgo Itzia Carmen Ruiz Nieto
Universidad Politcnica de Sinaloa Rosaura Salazar Lara Universidad
Autnoma de Sinaloa Beatriz Ada Serrano Mungua Instituto Tecnolgico
de Culiacn Enrique Sols Garca Instituto Tecnolgico y de Estudios
Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de Mxico Rogelio Soto Ayala
Facultad de Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma de Mxico Rody
Abraham Soto Rojo Universidad Autnoma de Sinaloa Marco A. Zazueta
Gmez Instituto Tecnolgico de Tijuana ESPAA Ana Isabel Azuaga Fortes
Facultad de Ciencias, Universidad de Granada Victoria Cabaas Criado
Universidad Complutense de Madrid Daniel Collado Martn Universidad
de Mlaga Mara Domingo Garca Universidad de Granada Andrs Garcs
Osado Universidad Rey Juan Carlos Laura Hermosilla Mnguez
Universidad Autnoma de Madrid Da. frica Martnez Alonso Universidad
Complutense de Madrid Jos Manuel Mats Snchez Universidad de Mlaga
Mnica Moreno Barambio Universidad Autnoma de Madrid Natalia frica
Navas Iglesias Universidad de Granada Ricardo Navarrete Casas
Universidad de Granada Ana Mara Parra Alfambra Universidad Autnoma
de Madrid Jess Romn Zaragoza Universidad Complutense de Madrid
Miguel ngel Rodrguez Carvajal Universidad de Sevilla Juan Antonio
Segura Checa Universidad de Mlaga COLOMBIA Henry Crdoba Ruiz
Facultad de Ciencias, Pontificia Universidad Javeriana-Bogot
Rigoberto Gmez Cruz Universidad de los Andes Jaime Jos Isaza
Ceballos Escuela Colombiana de Ingeniera Julio Garavito Juan Carlos
Moreno Pirajn Universidad de Los Andes, Bogot Diana Anglica Varela
Martnes Universidad EAN PER Susana Esther Morales Cabeza
Universidad Nacional de Piura Eduardo Marcial Rodrguez Daz
Universidad Nacional de Cajamarca Tulio Guido Vignolo Boggio
Universidad Nacional de Piura VENEZUELA Marta B. Mediavilla Q.
Universidad Central de Venezuela PUERTO RICO ngel R. Arcelay
Universidad del Este Miriam A. Falero-Gil Universidad Metropolitana
Jos A. Prez Melendez Universidad Interamericana de Puerto Rico
Edgardo Rivera Tirado Universidad de Puerto Rico en Cayey Marisol
Rodrguez Rosario Universidad de Puerto Rico, Recinto de Carolina
Anastacio Emiliano Sosa Universidad del Turabo Rolando Tremont
University of Puerto Rico at Humacao
- 4. Undcima edicin Qumica Raymond Chang Williams College Kenneth
A. Goldsby Florida State University Revisin tcnica Rodolfo lvarez
Manzo Departamento de Qumica Orgnica, Facultad de Qumica, UNAM
Facultad de Ciencias Qumicas, Universidad La Salle Silvia Ponce
Lpez Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey,
Campus Monterrey MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID
NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA
DELHI SAN FRANCISCO SAO PAULO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY
TORONTO
- 5. Director general: Miguel ngel Toledo Castellanos Editor
sponsor: Pablo E. Roig Vzquez Coordinadora editorial: Marcela I.
Rocha Martnez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodrguez
Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Sergio
Sarmiento Ortega, Erika Jasso Hernn QUMICA Undcima edicin Prohibida
la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio,
sin la autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2013,
2010, 2007, 2005, 2002, 1999, 1992, respecto a la sptima 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: 978-607-15-0928-4 ISBN (edicin anterior):
978-607-15-0307-7 Traducido de la undcima edicin en ingls de
Chemistry de Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby 2013 by The
McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN
978-007-340268-0 1234567890 2456789013 Impreso en China Printed in
China
- 6. Acerca de los autores Raymond Chang naci en Hong Kong y
creci en Shanghai y Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en qumica en
London University, Inglaterra, y su doctorado en qumica en Yale
University. Despus de hacer investigacin posdoctoral en la City
University, de Nueva York, ingres al Departamento de Qumica de
Williams College, donde ha impartido clases desde 1968. El profesor
Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society
Examination Committee, el National Chemistry Olympiad Examination
Committe y el Graduate Record Examinations Committee. Es editor de
The Chemical Educator. El profesor Chang ha escrito libros sobre
fisicoqumica, qumica industrial y ciencia fsica. Tambin ha sido
coautor de publicaciones en chino, libros ilustrados para nios y
una novela para lectores jvenes. Para relajarse, el profesor Chang
mantiene un jardn en el bosque, juega tenis y ping-pong, adems de
tocar la armnica y el violn. Ken Goldsby naci y creci en Pensacola,
Florida. Obtuvo la licenciatura en qumica y ciencia matemtica en la
Rice University. Despus de obtener el doctorado en qumica en
University of North Carolina, Chapel Hill, Ken realiz investigacin
posdoctoral en la Ohio State University. Desde que ingres al
Departamento de Qumica y Bioqumica de Florida State University en
1986, Ken ha recibido diversos premios de enseanza y asesora,
incluyendo el Cottrell Family Professorship para la enseanza de la
qumica. En 1998, fue electo como profesor distinguido de la Florida
State University. Cuando no est trabajando, Ken disfruta pasar el
tiempo con su familia, especialmente divirtindose con ellos en la
playa.
- 7. vi 1. Qumica: El estudio del cambio 1 2. tomos, molculas y
iones 38 3. Relaciones de masa en las reacciones qumicas 75 4.
Reacciones en disolucin acuosa 118 5. Gases 172 6. Termoqumica 230
7. Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 276 8.
Relaciones peridicas entre los elementos 328 9. Enlace qumico I:
Conceptos bsicos 370 10. Enlace qumico II: Geometra molecular e
hibridacin de orbitales atmicos 414 11. Fuerzas intermoleculares y
lquidos y slidos 467 12. Propiedades fsicas de las disoluciones 520
13. Cintica qumica 564 14. Equilibrio qumico 623 15. cidos y bases
668 16. Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 722 17.
Entropa, energa libre y equilibrio 778 18. Electroqumica 814 19.
Qumica nuclear 864 20. Qumica en la atmsfera 902 21. Metalurgia y
la qumica de los metales 932 22. Elementos no metlicos y sus
compuestos 958 23. Qumica de los metales de transicin y compuestos
de coordinacin 996 24. Qumica orgnica 1027 25. Polmeros orgnicos
sintticos y naturales 1060 Apndice 1 Derivacin de los nombres de
los elementos 1086 Apndice 2 Unidades para la constante de los
gases 1092 Apndice 3 Datos termodinmicos a 1 atm y 25C 1093 Apndice
4 Operaciones matemticas 1098 Contenido breve
- 8. vii Lista de aplicaciones xxi Lista de animaciones xxii
Prefacio xxiii Relevancia de la vida real xxvii Nota para el
estudiante xxx Qumica: El estudio del cambio 1 1.1 Qumica: una
ciencia para el siglo xxi 2 1.2 Estudio de la qumica 2 1.3 El mtodo
cientfico 4 QUMICA en accin El helio primigenio y la teora del Big
Bang 6 1.4 Clasificacin de la materia 6 1.5 Los tres estados de la
materia 9 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 10 1.7
Mediciones 12 QUMICA en accin La importancia de las unidades 17 1.8
Manejo de los nmeros 18 1.9 Anlisis dimensional en la resolucin de
problemas 23 1.10 Resolucin de problemas del mundo real:
informacin, suposiciones y simplificaciones 27 Ecuaciones clave 28
Resumen de conceptos 29 Trminos bsicos 29 Preguntas y problemas 29
MISTERIO de la qumica La desaparicin de los dinosaurios 36
Contenido
- 9. viii Contenido tomos, molculas y iones 38 2.1 Teora atmica
39 2.2 Estructura del tomo 40 2.3 Nmero atmico, nmero de masa e
istopos 46 2.4 La tabla peridica 48 QUMICA en accin Distribucin de
los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 49 2.5 Molculas
y iones 50 2.6 Frmulas qumicas 52 2.7 Nomenclatura de los
compuestos 56 2.8 Introduccin a los compuestos orgnicos 65 Ecuacin
clave 67 Resumen de conceptos 67 Trminos bsicos 67 Preguntas y
problemas 68 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 75 3.1
Masa atmica 76 3.2 Nmero de Avogadro y masa molar de un elemento 77
3.3 Masa molecular 81 3.4 Espectrmetro de masas 84 3.5 Composicin
porcentual de los compuestos 85 3.6 Determinacin experimental de
frmulas empricas 88 3.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 90
3.8 Cantidades de reactivos y productos 95 3.9 Reactivos limitantes
99 3.10 Rendimiento de reaccin 103 QUMICA en accin Fertilizantes
qumicos 105 Ecuaciones clave 106 Resumen de conceptos 106 Trminos
bsicos 107 Preguntas y problemas 107
- 10. Contenido ix ix Reacciones en disolucin acuosa 118 4.1
Propiedades generales de las disoluciones acuosas 119 4.2
Reacciones de precipitacin 121 QUMICA en accin Una reaccin de
precipitacin indeseable 126 4.3 Reacciones cido-base 126 4.4
Reacciones de oxidacin-reduccin 132 QUMICA en accin Alcoholmetro
144 4.5 Concentracin de las disoluciones 145 4.6 Anlisis
gravimtrico 149 4.7 Valoraciones cido-base 151 4.8 Valoraciones
redox 155 QUMICA en accin Metal proveniente del mar 156 Ecuacin
clave 157 Resumen de conceptos 157 Trminos bsicos 158 Preguntas y
problemas 158 MISTERIO de la qumica Quin asesin a Napolen? 170
Gases 172 5.1 Sustancias que existen como gases 173 5.2 Presin de
un gas 174 5.3 Leyes de los gases 178 5.4 Ecuacin del gas ideal 184
5.5 Estequiometra de los gases 193 5.6 Ley de Dalton de las
presiones parciales 195 QUMICA en accin El buceo y las leyes de los
gases 200 5.7 Teora cintica molecular de los gases 202 QUMICA en
accin tomos superenfriados 208 5.8 Desviacin del comportamiento
ideal 210 Ecuaciones clave 213 Resumen de conceptos 214 Trminos
bsicos 214 Preguntas y problemas 215 MISTERIO de la qumica Sin
oxgeno 228
- 11. x Contenido Termoqumica 230 6.1 Naturaleza y tipos de
energa 231 6.2 Cambios de energa en las reacciones qumicas 232 6.3
Introduccin a la termodinmica 234 QUMICA en accin Fabricar nieve e
inar un neumtico de bicicleta 240 6.4 Entalpa de las reacciones
qumicas 240 6.5 Calorimetra 246 QUMICA en accin Clulas grasas
blancas, clulas grasas marrn y una cura potencial para la obesidad
250 6.6 Entalpa estndar de formacin y de reaccin 254 QUMICA en
accin Cmo se deende el escarabajo bombardero 257 6.7 Calor de
disolucin y de dilucin 260 Ecuaciones clave 263 Resumen de
conceptos 263 Trminos bsicos 263 Preguntas y problemas 264 MISTERIO
de la qumica El neumtico explosivo 274 Teora cuntica y la
estructura electrnica de los tomos 276 7.1 De la fsica clsica a la
teora cuntica 277 7.2 El efecto fotoelctrico 281 7.3 Teora de Bohr
del tomo de hidrgeno 284 7.4 La naturaleza dual del electrn 289
QUMICA en accin Lser: la luz esplendorosa 290 7.5 Mecnica cuntica
293 QUMICA en accin Microscopa electrnica 294 7.6 Nmeros cunticos
297 7.7 Orbitales atmicos 299 7.8 Configuracin electrnica 303
- 12. Contenido xi 7.9 El principio de construccin 310 QUMICA en
accin Puntos cunticos 314 Ecuaciones bsicas 315 Resumen de
conceptos 316 Trminos bsicos 317 Preguntas y problemas 317 MISTERIO
de la qumica Descubrimiento del helio y el surgimiento y la cada
del coronio 326 Relaciones peridicas entre los elementos 328 8.1
Desarrollo de la tabla peridica 329 8.2 Clasificacin peridica de
los elementos 331 8.3 Variaciones peridicas de las propiedades
fsicas 335 8.4 Energa de ionizacin 342 QUMICA en accin El tercer
elemento lquido? 343 8.5 Afinidad electrnica 347 8.6 Variacin de
las propiedades qumicas de los elementos representativos 349 QUMICA
en accin El descubrimiento de los gases nobles 360 Ecuacin bsica
361 Resumen de conceptos 361 Trminos bsicos 362 Preguntas y
problemas 362 Enlace qumico I: Conceptos bsicos 370 9.1 Smbolos de
puntos de Lewis 371 9.2 Enlace inico 372 9.3 Energa reticular de
los compuestos inicos 374 QUMICA en accin Cloruro de sodio: un
compuesto inico comn e importante 378 9.4 Enlace covalente 379 9.5
Electronegatividad 382 9.6 Escritura de las estructuras de Lewis
386 9.7 Carga formal y estructura de Lewis 389
- 13. xii Contenido 9.8 El concepto de resonancia 392 9.9
Excepciones a la regla del octeto 394 QUMICA en accin Slo diga NO
399 9.10 Entalpa de enlace 400 Ecuacin bsica 405 Resumen de
conceptos 405 Trminos bsicos 405 Preguntas y problemas 405 Enlace
qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 414
10.1 Geometra molecular 415 10.2 Momento dipolar 425 QUMICA en
accin Los hornos de microondas: el momento dipolar en accin 428
10.3 Teora de enlace-valencia 431 10.4 Hibridacin de orbitales
atmicos 433 10.5 Hibridacin en molculas que contienen enlaces
dobles y triples 442 10.6 Teora de orbitales moleculares 445 10.7
Configuraciones de orbitales moleculares 448 10.8 Orbitales
moleculares deslocalizados 454 QUMICA en accin El buckybaln, un
baln cualquiera? 456 Ecuaciones bsicas 458 Resumen de conceptos 458
Trminos bsicos 458 Preguntas y problemas 459 Fuerzas
intermoleculares y lquidos y slidos 467 11.1 Teora cintica
molecular de lquidos y slidos 468 11.2 Fuerzas intermoleculares 469
11.3 Propiedades de los lquidos 475 11.4 Estructura cristalina 478
QUMICA en accin Por qu los lagos se congelan desde la supercie
hacia el fondo? 479 11.5 Difraccin de rayos X de estructuras
cristalinas 486 11.6 Tipos de cristales 488
- 14. Contenido xiii QUMICA en accin Superconductores a altas
temperaturas 490 QUMICA en accin Y todo por un botn 494 11.7 Slidos
amorfos 494 11.8 Cambios de fase 495 11.9 Diagramas de fases 505
QUMICA en accin Hervir un huevo en la cima de una montaa, las ollas
de presin y el patinaje sobre hielo 507 QUMICA en accin Cristales
lquidos 508 Ecuaciones bsicas 510 Resumen de conceptos 510 Trminos
bsicos 511 Preguntas y problemas 511 Propiedades fsicas de las
disoluciones 520 12.1 Tipos de disoluciones 521 12.2 Enfoque
molecular del proceso de disolucin 522 12.3 Unidades de
concentracin 524 12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad
529 12.5 Efecto de la presin en la solubilidad de los gases 531
QUMICA en accin El lago asesino 533 12.6 Propiedades coligativas de
las disoluciones de no electrlitos 534 12.7 Propiedades coligativas
de las disoluciones de electrlitos 546 QUMICA en accin Dilisis 548
12.8 Coloides 548 Ecuaciones bsica 551 Resumen de conceptos 551
Trminos bsicos 552 Preguntas y problemas 552 MISTERIO de la qumica
El cuchillo equivocado 562
- 15. xiv Contenido Cintica qumica 564 13.1 La rapidez de una
reaccin 565 13.2 La ley de rapidez 573 13.3 Relacin entre la
concentracin de reactivos y el tiempo 577 QUMICA en accin Datacin
con radiocarbono 588 13.4 Constantes de rapidez y su dependencia de
la energa de activacin y de la temperatura 590 13.5 Mecanismos de
reaccin 596 13.6 Catlisis 601 QUMICA en accin Farmacocintica 608
Ecuaciones bsicas 610 Resumen de conceptos 610 Trminos bsicos 611
Preguntas y problemas 611 Equilibrio qumico 623 14.1 El concepto de
equilibrio y la constante de equilibrio 624 14.2 Escritura de las
expresiones de las constantes de equilibrio 627 14.3 Relacin entre
cintica qumica y equilibrio qumico 639 14.4 Qu informacin
proporciona la constante de equilibrio? 640 14.5 Factores que
afectan el equilibrio qumico 646 QUMICA en accin La vida a grandes
alturas y la produccin de hemoglobina 653 QUMICA en accin El
proceso Haber 654 Ecuaciones bsicas 656 Resumen de conceptos 656
Trminos bsicos 657 Preguntas y problemas 657 cidos y bases 668 15.1
cidos y bases de Brnsted 669 15.2 Propiedades cido-base del agua
670 15.3 El pH: una medida de la acidez 672 15.4 Fuerza de los
cidos y las bases 675 15.5 cidos dbiles y la constante de ionizacin
de un cido 679 15.6 Bases dbiles y la constante de ionizacin de una
base 687 15.7 Relacin entre las constantes de ionizacin de los
cidos y sus bases conjugadas 689
- 16. Contenido xv 15.8 cidos diprticos y poliprticos 690 15.9
Estructura molecular y fuerza de los cidos 694 15.10 Propiedades
cido-base de las sales 698 15.11 Propiedades cido-base de los xidos
y los hidrxidos 704 15.12 cidos y bases de Lewis 706 QUMICA en
accin Anticidos y el balance del pH en el estmago 708 Ecuaciones
bsicas 710 Resumen de conceptos 711 Trminos bsicos 711 Preguntas y
problemas 711 MISTERIO de la qumica La descomposicin de los papeles
720 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 722 16.1
Comparacin entre los equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin
723 16.2 Efecto del ion comn 723 16.3 Disoluciones amortiguadoras
726 16.4 Valoraciones cido-base 732 QUMICA en accin Mantenimiento
del pH de la sangre 734 16.5 Indicadores cido-base 741 16.6
Equilibrios de solubilidad 744 16.7 Separacin de iones por
precipitacin fraccionada 751 16.8 El efecto del ion comn y la
solubilidad 753 16.9 El pH y la solubilidad 755 16.10 Los
equilibrios de iones complejos y la solubilidad 758 QUMICA en accin
Cmo se forma un cascarn de huevo? 762 16.11 Aplicacin del principio
del producto de solubilidad al anlisis cualitativo 763 Ecuaciones
bsicas 765 Resumen de conceptos 766 Trminos bsicos 766 Preguntas y
problemas 766 MISTERIO de la qumica Un duro bocadillo 776
- 17. xvi Contenido Entropa, energa libre y equilibrio 778 17.1
Las tres leyes de la termodinmica 779 17.2 Procesos espontneos 779
17.3 Entropa 780 17.4 Segunda ley de la termodinmica 785 17.5
Energa libre de Gibbs 791 QUMICA en accin La eciencia de las
mquinas trmicas 792 17.6 Energa libre y equilibrio qumico 798 17.7
Termodinmica en los sistemas vivos 802 QUMICA en accin La
termodinmica de una liga 803 Ecuaciones bsicas 805 Resumen de
conceptos 805 Trminos bsicos 805 Preguntas y problemas 806
Electroqumica 814 18.1 Reacciones redox 815 18.2 Celdas galvnicas
818 18.3 Potenciales estndar de reduccin 820 18.4 Termodinmica de
las reacciones redox 826 18.5 Efecto de la concentracin sobre la
fem de la celda 829 18.6 Bateras 834 QUMICA en accin Energa
bacteriana 839 18.7 Corrosin 840 18.8 Electrlisis 843 QUMICA en
accin Molestia producida por las amalgamas dentales 848 Ecuaciones
bsicas 850 Resumen de conceptos 850 Trminos bsicos 851 Preguntas y
problemas 851 MISTERIO de la qumica Agua sucia 862
- 18. Contenido xvii Qumica nuclear 864 19.1 Naturaleza de las
reacciones nucleares 865 19.2 Estabilidad nuclear 867 19.3
Radiactividad natural 872 19.4 Transmutacin nuclear 876 19.5 Fisin
nuclear 879 QUMICA en accin El reactor de sin nuclear de la
naturaleza 884 19.6 Fusin nuclear 885 19.7 Aplicaciones de los
istopos 888 19.8 Efectos biolgicos de la radiacin 890 QUMICA en
accin Irradiacin de los alimentos 892 Ecuaciones bsicas 892 QUMICA
en accin Terapia por captura neutrnica de boro 893 Resumen de
conceptos 893 Resumen de conceptos 893 Trminos bsicos 894 Preguntas
y problemas 894 MISTERIO de la qumica El arte de la falsicacin en
el siglo xx 900 Qumica en la atmsfera 902 20.1 Atmsfera terrestre
903 20.2 Fenmenos en las capas externas de la atmsfera 906 20.3
Destruccin del ozono en la estratosfera 908 20.4 Volcanes 913 20.5
Efecto invernadero 914 20.6 Lluvia cida 918 20.7 Esmog fotoqumico
921 20.8 Contaminacin domstica 923 Resumen de conceptos 926 Trminos
bsicos 927 Preguntas y problemas 927
- 19. xviii Contenido Metalurgia y la qumica de los metales 932
21.1 Presencia de los metales 933 21.2 Procesos metalrgicos 934
21.3 Teora de las bandas de conductividad elctrica 941 21.4
Tendencias peridicas de las propiedades metlicas 943 21.5 Metales
alcalinos 944 21.6 Metales alcalinotrreos 948 21.7 Aluminio 950
QUMICA en accin Reciclamiento de aluminio 952 Resumen de conceptos
954 Trminos bsicos 954 Preguntas y problemas 954 Elementos no
metlicos y sus compuestos 958 22.1 Propiedades generales de los no
metales 959 22.2 Hidrgeno 960 QUMICA en accin Hidrgeno metlico 964
22.3 Carbono 965 QUMICA en accin Gas sinttico a partir del carbn
968 22.4 Nitrgeno y fsforo 969 QUMICA en accin Nitrato de amonio:
el fertilizante explosivo 976 22.5 Oxgeno y azufre 977 22.6
Halgenos 984 Resumen de conceptos 991 Trminos bsicos 991 Preguntas
y problemas 992
- 20. Contenido xix Qumica de los metales de transicin y
compuestos de coordinacin 996 23.1 Propiedades de los metales de
transicin 997 23.2 La qumica del hierro y el cobre 1000 23.3
Compuestos de coordinacin 1002 23.4 Estructura de los compuestos de
coordinacin 1007 23.5 El enlace en los compuestos de coordinacin:
teora de campo cristalino 1011 23.6 Reacciones de los compuestos de
coordinacin 1017 QUMICA en accin Compuestos de coordinacin en los
sistemas vivos 1018 23.7 Aplicaciones de los compuestos de
coordinacin 1018 QUMICA en accin Cisplatino: el medicamento
anticancergeno 1020 Ecuacin bsica 1022 Resumen de conceptos 1022
Trminos bsicos 1022 Preguntas y problemas 1023 Qumica orgnica 1027
24.1 Clases de compuestos orgnicos 1028 24.2 Hidrocarburos
alifticos 1028 QUMICA en accin El hielo que se quema 1040 24.3
Hidrocarburos aromticos 1041 24.4 Qumica de los grupos funcionales
1044 QUMICA en accin La industria del petrleo 1050 Resumen de
conceptos 1052 Trminos bsicos 1053 Preguntas y problemas 1053
MISTERIO de la qumica Desaparicin de huellas digitales 1058
- 21. xx Contenido Polmeros orgnicos sintticos y naturales 1060
25.1 Propiedades de los polmeros 1061 25.2 Polmeros orgnicos
sintticos 1061 25.3 Protenas 1067 QUMICA en accin Anemia
falciforme: una enfermedad molecular 1074 25.4 cidos nucleicos 1075
QUMICA en accin Huella digital del ADN 1078 Resumen de conceptos
1079 Trminos bsicos 1079 Preguntas y problemas 1079 MISTERIO de la
qumica Una historia que le erizar los cabellos 1084 Apndice 1
Derivacin de los nombres de los elementos 1086 Apndice 2 Unidades
para la constante de los gases 1092 Apndice 3 Datos termodinmicos a
1 atm y 25C 1093 Apndice 4 Operaciones matemticas 1098 Glosario
1100 Respuestas a problemas pares R-1 Crditos C-1 ndice analtico
I-1
- 22. xxi Este libro empieza con la frase: La qumica es una
ciencia activa y en evolucin que tiene im- portancia vital para
nuestro plantea, tanto en la naturaleza como en la sociedad. A lo
largo del libro, las secciones: Qumica en accin y Misterio de la
qumica dan ejem- plos especficos de esta qumica activa y en
evolucin, en todas las facetas de nuestras vidas. Qumica en accin
El helio primigenio y la teora del Big Bang 6 La importancia de las
unidades 17 Distribucin de los elementos en la Tierra y en los
sistemas vivos 49 Fertilizantes qumicos 105 Una reaccin de
precipitacin indeseable 126 Alcoholmetro 144 Metal proveniente del
mar 156 El buceo y las leyes de los gases 200 tomos superenfriados
208 Fabricar nieve e inflar un neumtico de bicicleta 240 Clulas
grasas blancas, clulas grasas marrn y una cura potencial para la
obesidad 250 Cmo se defiende el escarabajo bombardero 257 Lser: la
luz esplendorosa 290 Microscopa electrnica 294 Puntos cunticos 314
El tercer elemento lquido? 343 El descubrimiento de los gases
nobles 360 Cloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante
378 Slo diga NO 399 Los hornos de microondas: el momento dipolar en
accin 428 El buckybaln. un baln cualquiera? 456 Por qu los lagos se
congelan desde la superficie hacia el fondo? 479 Superconductores a
altas temperaturas 490 Y todo por un botn 494 Hervir un huevo en la
cima de una montaa, las ollas de presin y el patinaje sobre hielo
507 Cristales lquidos 508 El lago asesino 533 Dilisis 548 Datacin
con radiocarbono 588 Farmacocintica 608 La vida a grandes alturas y
la produccin de hemoglobina 653 El proceso Haber 654 Anticidos y el
balance de pH en el estmago 708 Mantenimiento del pH de la sangre
734 Cmo se forma un cascarn de huevo? 762 La eficiencia de las
mquinas trmicas 792 La termodinmica de una liga 803 Energa
bacteriana 839 Molestia producida por las amalgamas dentales 848 El
reactor de fisin nuclear de la naturaleza 884 Irradiacin de los
alimentos 892 Terapia por captura neutrnica de boro 893
Reciclamiento de aluminio 952 Hidrgeno metlico 964 Gas sinttico a
partir del carbn 968 Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo
976 Compuestos de coordinacin en los sistemas vivos 1018
Cisplatino: el medicamento anticancergeno 1020 El hielo que se
quema 1040 La industria del petrleo 1050 Anemia falciforme: una
enfermedad molecular 1074 Huella digital del ADN 1078 Misterio de
la qumica La desaparicin de los dinosaurios 36 Quin asesin a
Napolen? 170 Sin oxgeno 228 El neumtico explosivo 274
Descubrimiento del helio y el surgimiento y cada del coronio 326 El
cuchillo equivocado 562 La descomposicin de los papeles 720 Un duro
bocadillo 776 Agua sucia 862 El arte de la falsificacin en el siglo
xx 900 Desaparicin de huellas digitales 1058 Una historia que le
erizar los cabellos 1084 Lista de aplicaciones
- 23. xxii Las animaciones que se enlistan en seguida se
correlacionan con el presente libro. Dentro de cada captulo hay
conos que permiten al estudiante y al profesor saber que hay
disponible una animacin para un tema especfico y que se pueden
encontrar en lnea. Animaciones de Qumica de Chang Absorcin de color
(23.5) Catlisis (13.6) Celdas galvnicas (18.2) Configuraciones
electrnicas (7.8) Desintegracin radiactiva (19.3) Difusin de los
gases (5.7) Disolucin de un compuesto inico y un covalente (12.2)
Disoluciones amortiguadoras (16.3) Dispersin de partculas a (2.2)
Electrlitos fuertes, electrlitos dbiles y no electrlitos (4.1)
Empaquetamiento de esferas (11.4) Energa de activacin (13.4) Enlace
inico contra covalente (9.4) Enlaces sigma y pi (10.5) Equilibrio
dinmico (11.8) Equilibrio qumico (14.1) Espectros de lneas (7.3)
Fisin nuclear (19.5) Flujo de calor (6.2) Gota de aceite de
Millikan (2.2) Hacer una disolucin (4.5) Hibridacin (10.4)
Hidratacin (4.1) Ionizacin de un cido (15.5) Ionizacin de una base
(15.6) La ley de los gases (5.3) Obtencin de un gas en agua (5.6)
Orientacin de la colisin (13.4) smosis (12.6) Polaridad de molculas
(10.2) Preparacin de una disolucin por dilucin (4.5) Presin de
vapor de equilibrio (11.8) Principio de Le Chtelier (14.5)
Quiralidad (23.4, 24.2) Radio atmico y inico (8.3) Rayos alfa, beta
y gamma (2.2) Reacciones de neutralizacin (4.3) Reacciones de
oxidacin-reduccin (4.4) Reacciones de precipitacin (4.2) Reactivo
limitante (3.9) Resonancia (9.8) RPECV (10.1) Tubo de rayos
catdicos (2.2) Valoraciones cido-base (16.4) Ms animaciones de
McGraw-Hill Celdas unitarias cbicas y sus orgenes (11.4) Diagrama
de fases y los estados de la materia (11.9) Enlace inico y
covalente (9.4) Equilibrio dinmico (11.8) Espectros de emisin (7.3)
Espectros de lneas atmicas (7.3) Experimento de Rutherford (2.2)
Forma molecular e hibridacin orbital (10.4) Formacin de Ag2S por
oxidacin-reduccin (4.4) Formacin de compuestos inicos (2.7)
Formacin de un enlace covalente (9.4) Generacin de corriente desde
una celda voltaica (18.2) Influencia de la forma en la polaridad
(10.2) La celda voltaica Cu/Zn (18.2) La disociacin de cidos
fuertes y dbiles (15.4) Operacin de celda voltaica (18.2) Produccin
de aluminio (21.7) Propiedades de amortiguadores (16.3) Reaccin de
Cu con AgNO3 (4.4) Reaccin de magnesio y oxgeno (4.4, 9.2) Teora
del RPECV (10.1) Lista de animaciones
- 24. diatamente despus de terminar con la electroqumica. Adems
de reconocer la creciente importancia de la medi- cina nuclear y el
debate actual sobre el papel que jugar la energa nuclear en la
resolucin de las necesidades energ- ticas futuras, la ubicacin del
tema de energa nuclear antes de la qumica atmosfrica ayuda a
comprender la explica- cin de la contaminacin con radn. En esta
nueva edicin, se han agregado numerosos pro- blemas de final de
captulo. Varios de ellos ponen a prueba la capacidad del estudiante
para interpretar datos grficos y para explicar conceptos. Se ha
agregado un nuevo tipo de problemas llamados Interpretacin,
modelacin y es- timacin, que estn diseados para ensear a los
estudian- tes a resolver problemas del mundo real, y exigen el arte
de la estimacin basada en suposiciones adecuadas, la bs- queda de
la informacin necesaria y la formulacin de un plan para obtener
respuestas de estimacin en muchos casos. En la seccin 1.10 se
describe este tipo de problemas y se da un ejemplo resuelto. Se han
agregado nuevas secciones de Revisin de con- ceptos a la mayora de
los captulos. sta es una prueba rpida de conocimiento para que el
estudiante mida su comprensin del concepto recin presentado. Se han
aadido nuevos ensayos de Qumica en accin a los captulos 7 (Puntos
cunticos), 12 (Dilisis) y 13 (Farmacocintica). Tambin hemos puesto
al da los en- sayos de Qumica en accin sobre Clulas grasas blan-
cas, clulas grasas marrn y una cura potencial para la obesidad en
el captulo 6, Buckybaln y grafeno en el captulo 10 y El sudario de
Turn en el captulo 13. Muchos captulos y secciones tienen contenido
nuevo y revisado con base en los comentarios de revisores y usua-
rios. Algunos ejemplos: Captulo 1. Nueva seccin 1.10 sobre
Resolucin de problemas del mundo real: Informacin, suposiciones y
simplificaciones, incluyendo el nuevo ejemplo 1.9. Captulo 3.
Seccin 3.9, Reactivo limitante, revisada, incluyendo el nuevo
ejemplo 3.16 que muestra cmo los qumicos de sntesis a menudo tienen
que ajustar los reactivos en exceso para compensar reacciones late-
rales. Captulo 4. Nuevo ejemplo 4.4 sobre la escritura de ecua-
ciones molecular, inica y inica neta en las que partici- pan cidos
dbiles diprticos y triprticos. Captulo 6. Tambin es nuevo el cambio
del smbolo E por U para energa interna, para estar de acuerdo con
el uso aprobado. xxiii D esde la primera edicin, mi propsito fue
escribir un texto de qumica general que ofreciera una base firme de
conceptos y principios qumicos, y que inculcara en los estudiantes
una valoracin del rol vital que desempea la qumica en nuestra vida
diaria. Es responsabi- lidad de un autor de libros de texto ayudar
a los instructores y a sus estudiantes en su esfuerzo continuo para
lograr este objetivo, por ello este libro contiene una amplia gama
de temas presentados en secuencia lgica. Siempre que ha sido
posible, he tratado de equilibrar la teora y la prctica, as como de
ilustrar los principios bsicos con ejemplos de la vida diaria. En
esta undcima edicin, como en las anteriores, mi propsito ha sido
crear un texto que sea claro al explicar los conceptos abstractos,
conciso de modo que no abrume a los lectores con informacin
innecesaria y, al mismo tiempo, suficientemente amplio de modo que
prepare a los estudian- tes para avanzar al siguiente nivel de
aprendizaje. La reali- mentacin alentadora que he recibido de
instructores y estudiantes me ha convencido de la eficacia de este
mtodo. Qu es nuevo en esta edicin? Ken Goldsby, de la Florida State
University, se ha asocia- do con Raymond Chang como autor en la
undcima edicin de Qumica. La experiencia de Ken en qumica orgnica
ha aadido profundidad al contenido y a los problemas, y su amplio
trabajo con estudiantes de licenciatura, tanto en el aula como en
el laboratorio, refuerza la larga tradicin de Raymond de
entendimiento y respeto de la perspectiva del estudiante sobre el
material, as como la del profesor. Nueva organizacin de los
captulos en la parte final del texto, como sigue: Captulo 17:
Entropa, energa libre y equilibrio Captulo 18: Electroqumica
Captulo 19: Qumica nuclear Captulo 20: Qumica en la atmsfera
Captulo 21: Metalurgia y la qumica de los metales Captulo 22:
Elementos no metlicos y sus compuestos Captulo 23: Qumica de los
metales de transicin y compuestos de coordinacin Captulo 24: Qumica
orgnica Captulo 25: Polmeros orgnicos sintticos y naturales La
reorganizacin de estos captulos permite a quie- nes ensean qumica
nuclear introducir este material inme- Prefacio
- 25. xxiv Prefacio Visualizacin Las grficas y los 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. Un nmero importante de problemas
y revisiones de conceptos, incluyendo mu- chos nuevos de esta
edicin, incluyen datos grficos. La representacin molecular aparece
en varios for- matos y tiene diferentes funciones. Los modelos
molecula- res ayudan a visualizar la disposicin tridimensional de
los tomos en una molcula. Los mapas de potencial electros- ttico
ilustran la distribucin de densidad electrnica en las molculas.
Finalmente estn las ilustraciones que relacio- nan lo macroscpico
con lo microscpico, para ayudar a los estudiantes a comprender los
procesos a nivel molecu- lar. Las fotografas se usan para ayudar a
los estudiantes a familiarizarse con los productos qumicos y a
entender cmo se ven las reacciones qumicas en la realidad. Las
imgenes de aparatos permiten al estudiante vi- sualizar la
distribucin real en un laboratorio de qumica. Ayudas para el
estudio Ambientacin Cada captulo comienza con un Sumario y con un
Avan- ce del captulo. El Sumario permite al estudiante captar
rpidamente el panorama completo y enfocarse en las ideas principa-
les del captulo. El Avance del captulo ofrece al estudiante una
sntesis de los conceptos que se presentarn en el captulo.
Herramientas didcticas En Qumica abundan las ayudas tiles para el
estudio, y se deben usar constantemente para reforzar la comprensin
de los conceptos qumicos. Las notas al margen se usan para dar
sugerencias y retro- alimentacin con el fin de enriquecer la base
cognitiva del estudiante. Los ejemplos resueltos, junto con el
Ejercicio de prctica correspondiente, son herramientas muy
importantes para aprender y dominar la qumica. Los pasos de la
resolucin de problemas guan al estudiante a travs del pensamiento
crtico necesario para dominar esta materia. El uso de esquemas
ayuda al estudiante a es- tudiar la estructura interna de un
problema (vea el ejemplo 6.1 en la pgina 238). La nota al margen
en- lista problemas similares que se incluyen en la seccin de
problemas de final de captulo, lo que permite al estudiante aplicar
un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo. Las respuestas a
los Ejercicios de prc- Captulo 7. Nuevo ejemplo 7.6 sobre mecnica
cunti- ca. Captulo 9. El ejemplo 9.11 proporciona discernimiento
para dibujar estructuras de Lewis en compuestos que contienen
elementos en el tercer periodo y ms all, y se refiere a la
controversia respecto al dibujo de estas estructuras. Captulo 13.
Nueva seccin sobre reacciones de seu- doprimer orden. Captulo 19.
Cobertura ampliada y puesta al da de la aplicacin mdica de la
datacin mediante carbono 14, y nuevo contenido sobre la isla de
estabilidad. Resolucin de problemas El desarrollo de habilidades
para la resolucin de proble- mas ha sido siempre un objetivo
principal de este texto. A continuacin se muestran las dos
principales categoras de aprendizaje. Los ejemplos resueltos siguen
una probada estructura de estrategia y resolucin paso a paso. El
planteamiento del problema es la mencin de los datos necesarios
para resolver el problema con base en la pregunta que se hace. La
estrategia es un plan o mtodo cuidadosamente ideado que sirve como
una importante funcin de apren- dizaje. La solucin es el proceso
paso a paso para resolver un problema. La verificacin permite al
estudiante comparar y verifi- car con la informacin original para
asegurarse de que la respuesta sea razonable. El ejercicio de
prctica brinda la oportunidad de resol- ver un problema similar con
objeto de adquirir expe- riencia en este tipo de problemas. Las
notas al margen enlistan problemas similares adicionales para
trabajar con ellos en la seccin de problemas de final de captu- lo.
Los problemas de fin de captulo estn organizados de varias maneras.
Cada seccin, comprendida debajo de un encabezado temtico, comienza
con Preguntas de repa- so y contina con Problemas. La seccin de
Problemas adicionales ofrece problemas adicionales que no estn or-
ganizados por seccin, seguidos por un nuevo tipo de pro- blemas
llamado: Interpretacin, modelacin y estimacin. Muchos de los
ejemplos y de los problemas de final de captulo presentan
probaditas extra de conocimiento y capacitan al estudiante para
resolver un problema qumico como lo hara un profesional. Los
ejemplos y los problemas muestran a los estudiantes el mundo real
de la qumica y sus aplicaciones en situaciones de la vida
diaria.
- 26. Prefacio xxv En cada captulo aparecen los recuadros: Qumica
en ac- cin, cada uno sobre diversos temas y con su propia historia
de cmo puede la qumica afectar una parte de la vida. El estudiante
aprender sobre la ciencia del buceo y la medicina nuclear, entre
otros muchos casos interesantes. La seccin: Misterio de la qumica
presenta al estudiante un caso de misterio. Una serie de preguntas
qumicas da pistas sobre cmo se podra resolver el misterio. Esta
seccin fomentar un alto nivel de pensamiento crtico gracias a los
pasos bsicos para la resolucin de problemas desarrollados a lo
largo del texto. Agradecimientos Nos gustara agradecer a los
siguientes revisores y partici- pantes en simposios, cuyos
comentarios fueron de gran ayuda para nosotros al preparar esta
edicin: William K. Adeniyi North Carolina Agricultural and
Technical State University Rachel J. Allenbaugh Murray State
University Yiyan Bai Houston Community College Mufeed M. Basti
North Carolina Agricultural and Technical State University Shuhsien
Batamo Houston Community College Ilan Benjamin University of
CaliforniaSanta Cruz John Blaha Columbus State Community College
Stuart Burris Western Kentucky University Tabitha Ruvarashe
Chigwada West Virginia University Guy Dadson Fullerton College Jay
Deiner New York City College of Technology Jerome Delhommelle
University of North Dakota Fredesvinda Dura New York City College
of Technology Jahangir Emrani North Carolina Agricultural and
Technical State University Theodore Fickel Los Angeles Valley
College Sheree J. Finley Alabama State University Jason F. Fuller
Eastern Kentucky University Eric Goll Brookdale Community College
Byron Howell Tyler Junior College Mark D. Kernen University of
TennesseeMartin Edith Kippenhan University of Toledo James F. Kirby
Quinnipiac University Evguenii Kozliak University of North Dakota
Michael Langoh, Tarrant County College Estelle Lebea, Central
Michigan University Joan Lebsack Fullerton College Douglas P.
Linder Southwestern Oklahoma State University Karen Lou Union
College tica se presentan despus de los problemas al final de
captulo. La revisin de conceptos permite a los estudiantes evaluar
si han comprendido el concepto presentado en cada seccin. Las
ecuaciones bsicas se presentan dentro de cada cap- tulo y se
resaltan para captar la atencin del estudian- te hacia el material
que necesita entender y retener. Las ecuaciones bsicas se incluyen
tambin como parte del resumen del captulo y son fcilmente
identificables para facilitar el repaso y el estudio. El resumen de
conceptos ofrece un repaso rpido de los conceptos presentados y
analizados a detalle dentro del captulo. Las listas de trminos
bsicos, con todos los conceptos importantes, ayudan al estudiante a
entender el lengua- je de la qumica. Ponga a prueba su conocimiento
La revisin de conceptos permite a los estudiantes hacer una pausa y
poner a prueba su comprensin del con- cepto presentado y analizado
en determinada seccin. Las preguntas y problemas permiten al
estudiante poner en prctica el pensamiento crtico y las habilidades
pa- ra la resolucin de problemas. Los problemas se divi- den en
varios tipos: Por seccin del captulo. Las Preguntas de repaso ponen
a prueba la comprensin conceptual bsica, seguidas por los
Problemas, que sirven para probar la habilidad del estudiante para
la resolucin de problemas pertene- cientes a esa seccin especfica
del captulo. Los Problemas adicionales apelan al conocimiento
adquirido en las diversas secciones y captulos previos para su
resolucin. Los Problemas de interpretacin, modelacin y esti- macin
ensean a los estudiantes el arte de formular modelos y de estimar
respuestas de aproximacin basa- das en suposiciones adecuadas.
Relevancia prctica En todo el texto se usan ejemplos interesantes
de las dife- rentes aplicaciones de la qumica en la vida cotidiana.
Cuando es oportuno, se emplean analogas para fomentar la comprensin
de conceptos qumicos abstractos. Las preguntas y problemas plantean
muchos cuestiona- mientos pertinentes para el estudiante. Algunos
ejem- plos: Por qu los entrenadores de natacin a veces vierten una
gota de alcohol en el odo del nadador para sacarle el agua? Cmo se
puede estimar la pre- sin en una envase de refresco carbonatado
antes de destaparlo?
- 27. xxvi Prefacio obra maestra como autora de sugerencias y
retroalimenta- cin para enriquecer todos los problemas de tareas
del sis- tema. Las siguientes personas ayudaron a escribir y
revisar el contenido didctico orientado a metas para LearnSmart for
General Chemistry: Margaret Ruth Leslie, Kent State University;
David G. Jones, North Carolina Central University; Erin Whitteck;
Margaret Asirvatham, University of ColoradoBoulder; Alexander J.
Seed, Kent State University; Benjamin Martin, Texas State
UniversitySan Marcos; Claire Cohen, University of Toledo; Manoj
Patil, Western Iowa Tech Community College; Adam I. Keller,
Columbus State Community College; Peter de Lijser, California State
UniversityFullerton; Lisa Smith, North Hennepin Community College.
Han sido de gran beneficio las discusiones con nues- tros colegas
de Williams College y Florida State University, y la
correspondencia con muchos instructores dentro y fue- ra del pas.
Es un placer reconocer el apoyo que nos han brindado los siguientes
miembros de la Divisin Universitaria de McGraw-Hill: Tammy Ben,
Annette Doerr, Kara Kudronowicz, Marty Lange, Thomas Timp, Scott
Stewart y Kurt Strand. En particular, nos gustara mencionar a Sandy
Wille por supervisar la produccin, David Hash por el diseo del
libro, John Leland por la investigacin icono- grfica, Judi David
por los medios de comunicacin y Tami Hodge, gerente de
comercializacin, por sus sugerencias y su estmulo. Tambin
agradecemos a nuestro editor spon- sor, Jeff Huettmann y al editor,
Ryan Blankenship, por sus consejos y su apoyo. Finalmente, nuestro
especial agrade- cimiento a Shirley Oberbroeckling, editora de
desarrollo, por su cuidado y entusiasmo por el proyecto y su
supervi- sin en cada etapa de la escritura de esta edicin. Raymond
Chang y Ken Goldsby Mary K. Lovato J. Sargeant Reynolds Community
College Yin Mao Camden County College Angela McGuirk Central
Michigan University Dennis McMinn Gonzaga University Jeremy T.
Mitchell-Koch Emporia State University Svetlana Mitrovski Eastern
Illinois University David Nachman Mesa Community College Elijah
Nyairo Alabama State University Manoj Patil Western Iowa Tech
Community College Les L. Pesterfield Western Kentucky University
Karla Radke North Dakota State University Michael E. Rennekamp
Columbus State Community College Arun Royappa University of West
Florida Diana Samaroo New York City College of Technology Mark
Schraf West Virginia University Rhodora Snow J. Sargeant Reynolds
Community College David Son Southern Methodist University Lothar
Stahl University of North Dakota Jeffrey Temple Southeastern
Louisiana University Kristofoland Varazo Francis Marion University
Cheryl B. Vaughn Columbus State Community College Anthony Wren
Butte College Wei Zhou Southern Polytechnic State University
Asimismo, Connect se enriqueci mucho por los esfuerzos de Yasmin
Patell, de la Kansas State University; MaryKay Orgill de la
University of Nevada, en Las Vegas; Mirela Krichten, de The College
of New Jersey, quien hizo una
- 28. xxvii Relevancia de la vida real A lo largo del libro se
emplean ejemplos interesantes sobre cmo la qumica se aplica en la
vida cotidiana. Asimismo se usan analogas, donde es conveniente,
para reforzar la compren- sin de conceptos qumicos abstractos. Los
recuadros titulados Qumica en accin apa- recen en cada captulo, con
diversos temas, y cuentan historias de cmo la qumica puede afectar
algn aspecto de la vida. El estudiante puede aprender acerca de la
ciencia del buceo y de medicina nuclear, entre muchos otros fasci-
nantes temas. El misterio de la qumica son, como su nombre lo
indica, casos de misterios para el estudiante. Mediante una serie
de preguntas de qumica se van dando pistas para resolver el
misterio. Estos recuadros promueven un nivel superior de pen-
samiento crtico mediante el empleo de los pasos bsicos de resolucin
de problemas que se usan a lo largo del texto. Visualizacin Grficas
y Arte molecular tablas de flujo La piedra caliza (CaCO3) y la
dolomita (CaCO3 MgCO3), dispersas en la superficie de la Tierra,
con frecuencia ingre- san en los mantos acuferos. De acuerdo con la
tabla 4.2, el carbonato de calcio es insoluble en agua. No
obstante, en pre- sencia del dixido de carbono disuelto (de la
atmsfera), el car- bonato de calcio se convierte en bicarbonato de
calcio soluble [Ca(HCO3)2]: donde HCO3 2 es el ion bicarbonato. El
agua que contiene iones Ca21 , Mg21 , o ambos, se cono- ce como
agua dura, y el agua que carece de estos iones se deno- mina agua
blanda. El agua dura no es adecuada para usos domsticos ni
industriales. Cuando el agua que contiene iones de Ca21 y HCO3 2 se
calienta o se lleva a ebullicin, la reaccin de disolucin se
invierte para producir el precipitado CaCO3 y se libera dixido de
carbono gaseoso: El carbonato de calcio slido que se forma de esta
manera es el principal componente de los depsitos que se acumulan
en los calentadores de agua, tuberas y cafeteras. Una delgada capa
de depsito reduce la transferencia de calor y la eficacia y
durabili- dad de los calentadores de agua, tuberas y aparatos. En
las Una reaccin de precipitacin indeseable tuberas domsticas de
agua caliente el flujo del agua se puede restringir o bloquear por
completo. Un mtodo sencillo que los plomeros utilizan para remover
estos depsitos es agregar una pequea cantidad de cido clorhdrico,
el cual reacciona con el CaCO3 (y por lo tanto disuelve): De esta
forma, CaCO3 se convierte en CaCl2 soluble. QUMICA en accin Los
depsitos de los calentadores casi obstruyen por completo esta
tubera de agua caliente. Estos depsitos estn compuestos en su mayor
parte por CaCO3 y un poco de MgCO3. CaCO3(s) 1 CO2(ac) 1 H2O(l)
Ca21 (ac) 1 2HCO2 3 (ac) Ca21 (ac) 1 2HCO2 3 (ac) CaCO3(s) 1
CO2(ac) 1 H2O(l) CO2(ac) CO2(g) CaCO3(s) 1 2HCl(ac) CaCl2(ac) 1
H2O(l) 1 CO2(g) PV RT 0 P (atm) 1 2001 000800600400200 2.0 1.0 Gas
ideal NH3 H2 CH4 Antes del inicio de la reaccin Despus que se ha
completado la reaccin H2 CH3OHCO Relevancia de la vida real
- 29. xxviii Relevancia de la vida real Herramientas para el
estudio Ecuaciones clave: material para recordar Resumen de
conceptos: repaso rpido a los trminos relevantes Trminos bsicos:
conceptos importantes de aprender Ecuacin clave Nmero de masa 5
nmero de protones 1 nmero de neutrones 5 nmero atmico 1 nmero de
neutrones (2.1) cido, p. 62 Altropo, p. 52 Anin, p. 51 tomo, p. 40
Base, p. 64 Catin, p. 51 Compuesto binario, p. 56 Compuesto inico,
p. 51 Compuesto orgnico, p. 56 Compuesto ternario, p. 57 Compuestos
inorgnicos, p. 56 Electrn, p. 41 Familias, p. 48 Frmula emprica, p.
53 Frmula estructural, p. 53 Frmula molecular, p. 52 Frmula qumica,
p. 52 Gases nobles, p. 50 Grupos, p. 48 Halgenos, p. 50 Hidrato, p.
64 Ion, p. 50 Ion monoatmico, p. 51 Ion poliatmico, p. 51 Istopo,
p. 46 Ley de la conservacin de la masa, p. 40 Ley de las
proporciones definidas, p. 40 Ley de las proporciones mltiples, p.
40 Metal, p. 48 Metales alcalinos, p. 50 Metales alcalinotrreos, p.
50 Metaloide, p. 48 Molcula, p. 50 Molcula diatmica, p. 50 Molcula
poliatmica, p. 50 Neutrn, p. 45 No metal, p. 48 Ncleo, p. 44 Nmero
atmico (Z), p. 46 Nmero de masa (A), p. 46 Oxicido, p. 62 Oxianin,
p. 63 Partculas alfa (a), p. 43 Partculas beta (b), p. 43 Periodos,
p. 48 Protn, p. 44 Radiacin, p. 41 Radiactividad, p. 43 Rayos alfa
(a), p. 43 Rayos beta (b), p. 43 Rayos gamma (g), p. 43 Tabla
peridica, p. 48 Trminos bsicos 1. La qumica moderna empez con la
teora atmica de Dalton, que establece que toda la materia est
compuesta por partculas pequeas e indivisibles llamadas tomos; que
todos los tomos del mismo elemento son idnti- cos; que los
compuestos contienen tomos de diferentes elementos combinados en
proporcin de nmeros enteros, y que los tomos no se crean ni se
destruyen durante las reacciones qumicas (ley de la conservacin de
la masa). 2. Los tomos de los elementos que constituyen un compues-
to en particular siempre se combinan en la misma propor- cin en
masa (ley de las proporciones definidas). Cuando dos elementos se
combinan para formar ms de un com- puesto, la masa del elemento que
se combina con una can- tidad fija de masa del otro elemento
siempre es una relacin de nmeros enteros pequeos (ley de las
proporciones ml- tiples). 3. Un tomo est constituido por un ncleo
central muy den- so, que contiene protones y neutrones, y por
electrones que se mueven alrededor del ncleo a una distancia
relativa- mente grande. 4. Los protones estn cargados
positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones estn
cargados negativa- mente. Los protones y neutrones tienen casi la
misma masa, que es alrededor de 1 840 veces mayor que la masa de un
electrn. 5. El nmero atmico de un elemento es el nmero de proto-
nes presentes en el ncleo de un tomo de ese elemento, y determina
su identidad. El nmero de masa es la suma del nmero de protones y
de neutrones presentes en el ncleo. 6. Los istopos son tomos de un
mismo elemento, con el mismo nmero de protones pero diferente nmero
de neu- trones. 7. Las frmulas qumicas combinan los smbolos de los
ele- mentos que las forman, con nmeros enteros como subn- dices
para indicar el tipo y nmero de tomos contenidos en la unidad ms
pequea de un compuesto. 8. La frmula molecular indica el nmero y
tipo especfico de tomos combinados en cada molcula de un compuesto.
La frmula emprica muestra la relacin ms sencilla de los tomos que
forman una molcula. 9. Los compuestos qumicos pueden ser compuestos
molecu- lares (en los que la unidad ms pequea son molculas
individuales discretas), o bien compuestos inicos, consti- tuidos
por cationes y aniones. 10. Los nombres de muchos compuestos
inorgnicos se dedu- cen a partir de algunas reglas sencillas. Las
frmulas se pueden escribir a partir de los nombres de los
compuestos. 11. Los compuestos orgnicos contienen carbono y
elementos como hidrgeno, oxgeno y nitrgeno. Los hidrocarburos son
el tipo ms sencillo de compuestos orgnicos. Resumen de conceptos
Sistema de aprendizaje de Chang Repase el contenido con esta rpida
prueba de conocimientos. a) b) c) d) Revisin de conceptos El
diagrama en a) muestra un compuesto integrado por tomos de dos
elementos (representados por las esferas rojas y verdes) en estado
lquido. Cul de los diagramas en b) a d) representa un cambio fsico
y cul un cambio qumico?
- 30. Relevancia de la vida real xxix Ejemplo 4.3 Clasifique cada
una de las siguientes especies como un cido o una base de Brnsted:
a) HBr, b) NO2 2, c) HCO3 2 . Estrategia Qu caracteriza a un cido
de Brnsted? Contiene al menos un tomo de H? Salvo el amoniaco, la
mayora de las bases de Brnsted que usted encontrar hasta esta etapa
son aniones. Solucin a) Sabemos que HCl es un cido. Debido a que
tanto el Br como el Cl son halgenos (grupo 7A), esperamos que el
HBr, al igual que el HCl, se ionicen en agua como sigue: Por lo
tanto, HBr es un cido de Brnsted. b) El ion nitrito en disolucin
puede aceptar un protn para formar cido nitroso: Esta propiedad
hace al NO2 2 una base de Brnsted. c) El ion bicarbonato es un cido
de Brnsted porque se ioniza en disolucin de la siguiente manera:
Tambin es una base de Brnsted porque puede aceptar un protn para
formar cido carbnico: Comentario Se dice que la especie HCO2 3 es
un anftero porque posee ambas propiedades, cidas y bsicas. La doble
flecha indica que ambas reacciones son reversibles. Ejercicio de
prctica Clasifique cada una de las siguientes especies como un cido
o una base de Brnsted: a) SO4 22 , b) HI. HBr(ac) H1 (ac) 1 Br2
(ac) NO2 2 (ac) 1 H1 (ac) HNO2(ac) HCO2 3 (ac) H1 (ac) 1 CO22 3
(ac) HCO2 3 (ac) 1 H1 (ac) H2CO3(ac) Aprenda el proceso de
resolucin de problemas y compruebe sus resultados. Utilice el
enfoque de resolucin de problemas en aquellos ejemplos que son de
la vida real. Son una novedad en esta undcima edicin de Qumica los
problemas de Interpretacin, modelacin y estimacin, que proveen al
estudiante la oportunidad de resolverlos como un qumico. 4.171 Los
suministros pblicos de agua a menudo se fluo- ran mediante la
adicin de compuestos como NaF, H2SiF6 y Na2SiF6. Est bien
establecido que el fluoruro ayuda a evitar la caries dental, sin
embargo, se debe tener cuidado de no exceder el lmite seguro de
fluoru- ro, que puede manchar o rayar el esmalte dental (fluo-
rosis dental). Generalmente se considera que la concentracin segura
y eficaz de fluoruro en el agua potable es alrededor de 1 mg/L.
Cunto fluoruro con- sumira una persona bebiendo agua fluorurada en
un ao? Cul sera la masa equivalente como fluoruro de sodio?
- 31. xxx L a qumica general suele considerarse como una mate-
ria ms difcil que las dems. En cierto sentido esto es justificable
por una razn: la qumica tiene un vocabulario muy especializado. En
primer lugar, estudiar qumica es como aprender un nuevo idioma.
Adems, algu- nos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si
es per- severante completar este curso exitosamente y hasta es
posible que lo disfrute. Aqu se presentan algunas sugeren- cias 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. Use el pensamiento crtico. Pregntese si
realmente comprendi el significado de un trmino o el uso de una
ecuacin. Una buena forma de probar lo que ha apren- dido 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 undcima edicin de Qumica estn diseadas para permitirle
aprovechar mejor su curso de qu- mica general. La siguiente gua
explica cmo obtener el mayor provecho del texto, la tecnologa y
otras herramientas. Antes de ahondar en el captulo, lea el sumario
y la introduccin del captulo para darse una idea de los temas
importantes. Utilice el sumario para organizar sus apuntes en
clase. Al final de cada captulo encontrar un resumen de con-
ceptos, ecuaciones bsicas y una lista de trminos bsi- cos, todo lo
cual le servir como un repaso para los exmenes. Las definiciones de
las palabras clave se pueden estu- diar en su contexto en las
pginas indicadas en la lista al final de captulo o en el glosario
al final del libro. Un estudio detallado de los ejemplos
solucionados en el cuerpo de cada captulo mejorar su capacidad para
ana- lizar problemas y hacer los clculos necesarios para
resolverlos. Tambin, tmese el tiempo para resolver el ejercicio de
prctica que sigue a cada ejemplo y asegu- rarse de que ha entendido
cmo resolver el tipo de pro- blema ilustrado en el ejemplo. Las
respuestas a los ejercicios de prctica aparecen al final de cada
captulo, despus de la lista de problemas. Como prctica adicio- nal,
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 las pginas finales del libro
encontrar una lista de figuras y tablas con referencias de pginas.
En este ndi- ce podr encontrar rpidamente informacin cuando est
resolviendo problemas o estudiando temas relacio- nados 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 y Ken Grosby Nota para el estudiante
- 32. Al aplicar campos elctricos para empujar las molculas de
ADN a travs de poros creados en grafeno, los cientficos han
desarrollado una tcnica, que algn da se usar, para el
secuenciamiento rpido de cuatro bases qumicas de acuerdo con sus
propiedades elctricas nicas. Qumica El estudio del cambio 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 metodolo- ga 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 tres estados: slido, lquido o
gaseoso. (1.4 y 1.5) Para caracterizar una sustancia necesitamos
conocer sus propiedades fsicas, las cua- les 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 Sistema
Internacional de Medidas (SI) y emplearemos sus unidades derivadas
en cantidades como el volumen 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
resolucin de problemas del mundo real frecuentemente significa
hacer suposi- ciones y simplificaciones. (1.10) 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 1.10 Resolucin de problemas del mundo real:
informacin, suposiciones y simplificaciones
- 33. 2 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio El ideograma
chino para el trmino qumica signica el estudio del cambio. 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 ms adelante. Iniciaremos
el estudio de la qumica en el nivel macroscpico, donde es posible
observar y medir los materiales que forman nuestro mundo. En este
captulo analizaremos 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 cientficos definen y
caracterizan la materia. Por ltimo, dedica- remos 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. 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 indispensables para los
estudiantes de biologa, fsica, geologa, ecologa y muchas otras
disciplinas. De hecho, la qumica es parte central de nuestro estilo
de vida; a falta de ella, nuestra vida sera ms breve en lo que
llamaremos condiciones primitivas: sin automviles, sin
electricidad, sin computadoras, ni discos compactos y muchas otras
como- didades. Aunque la qumica es una ciencia antigua, sus
fundamentos modernos se remontan al siglo xix, cuando los adelantos
intelectuales y tecnolgicos permitieron que los cien- tficos
separaran sustancias en sus componentes y, por lo tanto, explicaran
muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El desarrollo
acelerado de tecnologa cada vez ms refinada durante el siglo xx nos
ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es
inapreciable a simple vista. El uso de computadoras y microscopios
especiales, por citar un ejemplo, permite que los qumicos analicen
la estructura de los tomos y las molculas (unidades fundamentales
en las que se basa el estudio de la qumica), y diseen nuevas
sustancias con propiedades especficas, como frmacos y productos de
consumo no contaminantes. En este principio del siglo xxi conviene
preguntarnos qu funcin tendr la ciencia central en esta centuria.
Es casi indudable que la qumica mantendr una funcin deter- minante
en todas las reas de la ciencia y la tecnologa. Antes de
profundizar en el estu- dio 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 apre- ciar sus efectos en la sociedad y en
usted. 1.2 Estudio de la qumica En comparacin con otras
disciplinas, es comn 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, si ste es el primer curso de qumica que
toma usted, ya est familiarizado con el tema mucho ms de lo que
supone. En las conversaciones cotidianas escuchamos palabras
relacionadas con la qumi- ca, si bien no necesariamente usadas en
el sentido cientficamente correcto. Ejemplo de ello son trminos
como electrnica, salto cuntico, equilibrio, catalizador, reac- cin
en cadena y masa crtica. Adems, si usted cocina, entonces es un
qumico en accin! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el
aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua en la
estufa llega un momento en que se evapora por com- pleto. 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 prepara- cin de guisos, aade ablandador
de carnes a un platillo, exprime un limn sobre rebana-
- 34. 1.2 Estudio de la qumica 3 das de pera para evitar que se
tornen oscuras o sobre el pescado para minimizar su olor, o agrega
vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los 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 directamen- te, y visualice
las partculas y fenmenos del mundo microscpico que no podemos expe-
rimentar sin la tecnologa moderna y nuestra imaginacin. Al
principio es factible que le confunda que su profesor de qumica y
este libro alter- nen de manera continua entre los mundos
microscpico y macroscpico. Simplemente debe tener presente que los
datos de las investigaciones qumicas provienen de observa- ciones
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 qumi- cos con frecuencia ven algo (en el
mundo macroscpico) y piensan en algo ms (en el mundo microscpico).
Por ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un
qumico pensara en las propiedades bsicas de los tomos individuales
de hierro y la forma en que interaccionan dichas unidades con otros
tomos y molculas para producir el cambio observado. 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 fotovoltaicas. c)
Fabricacin de oblea de silicio. 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
posible aplicar la misma tcnica para proteger las hojas de otras
clases de plantas. a) b) c) d)
- 35. 4 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio 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 proce- dimiento en sus
investigaciones. El primer paso consiste en definir de manera
minuciosa el problema. El siguiente es realizar experimentos,
elaborar observaciones detalladas y registrar la informacin, o
datos, concernientes al sistema, es decir, a la parte del univer-
so que se investiga. (En los ejemplos anteriores los sistemas son
el grupo de personas que estudia el 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 nmeros 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 explicacin tentativa
de un conjunto de observaciones. Luego, se disean experi- mentos
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. 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 conciso, verbal o
matemtico, de una relacin entre fenmenos que es siempre la misma
bajo iguales condiciones. Por ejemplo, la segunda ley del
movimiento de sir Isaac Newton, que tal vez recuerde de sus cursos
de 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 88n Fe Fe2O3 O2 Figura 1.2 Vista molecular simplicada 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.
- 36. 1.3 El mtodo cientfico 5 aceleracin de un objeto siempre
incrementa en forma proporcional su fuerza, en tanto que una
disminucin en la masa o en la aceleracin invariablemente reduce su
fuerza. Las hiptesis que resisten muchas pruebas experimentales de
su validez pueden con- vertirse 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
cons- tante. Si una teora es refutada en un experimento se debe
desechar o modificar para hacerla compatible con las observaciones
experimentales. Aprobar o descartar una teora puede tardar 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 de esto. 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
6. 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 distintos. Despus de todo los cientficos son
seres humanos, y su forma de pensar y trabajar est sujeta a la
influencia considerable de sus antecedentes, su capacitacin y su
personalidad. El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y, a
veces, ilgico. Los grandes descubri- mientos son resultado de las
contribuciones y las 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 prepara-
das. Se requiere atencin y capacidad para reconocer la importancia
de un descubrimien- to accidental y sacar mximo provecho de l. Es
muy frecuente que el pblico general se entere slo de los adelantos
cientficos 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
desapercibidos. 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
a muchos cientficos en el laboratorio. 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.
RepresentacinObservacin Interpretacin Figura 1.3 Los tres niveles
del estudio de la qumica y su relacin. La observacin corresponde a
fenmenos en el mundo macroscpico; los tomos y molculas conforman el
mundo microscpico. La representacin es una escritura cientca
abreviada que describe un experimento con smbolos y ecuaciones
qumicas. Los qumicos usan su conocimiento de los tomos y molculas
para explicar un fenmeno observado.
- 37. 6 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio De dnde venimos?
Cmo se origin el universo? Los seres humanos nos hemos formulado
estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La
bsqueda de respuestas constituye un ejemplo del mtodo cientfico. En
la dcada de 1940 George Gamow, fsico ruso-esta- dounidense, 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 diminuto y su temperatura
era ms alta de lo imagina- ble. Esta brillante bola de fuego de
radiacin mezclada con par- tculas microscpicas de materia se enfri
gradualmente, hasta que se formaron los tomos. Por la influencia de
la fuerza de gravedad, estos tomos se agruparon para formar miles
de millo- nes 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 explosivo del
universo. Al imaginar tal expansin en retroceso, como cuando se
rebobina una pelcula, los astrnomos han dedu- cido que el universo
se inici hace unos 13 000 millones de aos. La segunda observacin
que sustenta la hiptesis de Gamow es la deteccin de radiacin csmica
de fondo. A lo largo de miles de millones de aos, el universo
inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de
3 K (o sea, 2270C)! A esta temperatura, gran parte de la energa
corresponde a la regin de microondas. Puesto que el Big Bang habra
ocurrido simultnea- mente en todo el diminuto 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 ob- servamos. De hecho, las seales de microondas que
registran los astrnomos son independientes de la direccin. El
tercer dato que sustenta la hiptesis de Gamow es el descubrimiento
del helio primigenio. 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, el nitrgeno y el
oxgeno, se formaron ms adelante por reacciones nucleares en las que
participaron el hidrgeno y el helio, en el centro de las
estrellas.) De ser as, un gas difuso for- mado por hidrgeno y helio
se habra diseminado por todo el El helio primigenio y la teora del
Big Bang Fotografa a color de alguna galaxia distante y un quasar.
universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias.
En 1995, los astrnomos que analizaron la luz ultravio- leta
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 reco- rre la luz en un ao),
la luz que llega a la Tierra corresponde a fenmenos que ocurrieron
hace ms de 10 000 millones de aos. Por qu el hidrgeno no fue el
elemento ms abundante que se detect? El tomo de hidrgeno tiene un
solo electrn, que se desprende por la luz de un quasar en el
proceso llamado ioniza- cin. Los tomos de hidrgeno ionizados no
pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el
tomo de helio tiene dos electrones. La radiacin puede quitarle al
helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los tomos de
helio ioniza- dos todava absorben luz y, por lo 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. 1.4 Clasificacin de la materia En la seccin 1.1
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. 6
QUMICA en accin
- 38. 1.4 Clasificacin de la materia 7 Los qumicos distinguen
varios subtipos de materia con base en su composicin y propiedades.
La clasificacin de la materia incluye sustancias, mezclas,
elementos y com- puestos, 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
propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, el amoniaco,
el azcar de mesa (sacarosa), el oro y el oxgeno. Las sustancias
difieren entre ellas 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 distintivas. Algunos ejemplos familiares son el aire,
las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no poseen
composicin constante. As, las muestras de aire obtenidas en
distintas ciudades probablemente diferirn en su composicin a causa
de diferencias de altitud, contaminacin atmosfrica, etctera. Las
mezclas pueden ser homogneas o heterogneas. Cuando se disuelve una
cucha- rada 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 cuan- to 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 iden-
tificado 118 elementos. La mayora de stos se encuentran de manera
natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios
cientficos mediante procesos nucleares, que son tema del captulo
19. a) b) Figura 1.4 a) La mezcla contiene virutas de hierro y
arena. b) Un imn permite separar las virutas de hierro de la
mezcla. Esta misma tcnica se usa en mayor escala para separar
hierro y acero de objetos no magnticos, como aluminio, vidrio y
plsticos.
- 39. 8 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio Por conveniencia,
los qumicos usan smbolos de una o dos letras para representar los
elementos. Cuando son dos letras la primera siempre es mayscula.
Por ejemplo, Co es el smbolo del elemento cobalto, en tanto que CO
es la frmula de la molcula monxido de carbono. En la tabla 1.1 se
muestran los nombres y smbolos de algunos de los ele- mentos ms
comunes; en las pginas finales de este libro aparece una lista
completa de los elementos y sus smbolos. Los smbolos de algunos
elementos se derivan de su nom- bre en latn, por ejemplo, Au de
aurum (oro), Fe de ferrum (hierro) y Na de natrium (sodio), en
cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre
en ingls. En el apndice 1 se incluye una lista del origen de los
nombres de la mayora de los elementos y de sus descubridores. Los
tomos de una gran cantidad de elementos pueden interactuar entre s
para formar compuestos. Por ejemplo, la combustin del hidrgeno
gaseoso con el oxgeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades
difieren claramente de las correspondientes a los elementos que la
forman. El agua consiste en dos partes de hidrgeno por una de
oxgeno. Esta composicin no se modifica, sin importar que el agua
provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en Mongolia
Exterior o de las capas de hielo de Marte. As pues, el agua es un
compuesto, o sea, una sustancia formada por tomos de dos o ms
elementos unidos qumicamente en proporciones fijas. A diferencia de
las mezclas, los compuestos slo se pueden separar en sus
componentes puros por medios qumicos. Las relaciones entre los
elementos, compuestos y otras categoras de materia se resu- men en
la figura 1.5. Revisin de conceptos Cul de los siguientes diagramas
representa elementos y cul representa compuestos? Cada esfera de
color (o esfera truncada) representa un tomo. Nombre Smbolo Nombre
Smbolo Nombre Smbolo Aluminio Al Cromo Cr Oro Au Arsnico As Estao
Sn Oxgeno O Azufre S Flor F Plata Ag Bario Ba Fsforo P Platino Pt
Bismuto Bi Hidrgeno H Plomo Pb Bromo Br Hierro Fe Potasio K Calcio
Ca Magnesio Mg Silicio Si Carbono C Manganeso Mn Sodio Na Cloro Cl
Mercurio Hg Tungsteno W Cobalto Co Nquel Ni Yodo I Cobre Cu
Nitrgeno N Zinc Zn Tabla 1.1 Algunos elementos comunes y sus
smbolos a) b) c) d)
- 40. 1.5 Los tres estados de la materia 9 1.5 Los tres estados
de la materia Por lo menos al principio, todas las sustancias
pueden existir en tres estados: slido, l- quido y gas. Como se
muestra en la figura 1.6, los gases difieren de los lquidos y
slidos en la distancia que media entre las molculas. En un slido,
las molculas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa
libertad de movimiento. Las molculas de un lquido estn cerca unas
de otras, sin que se mantengan en una posicin rgida, por lo que
pueden moverse. En un gas, las molculas estn separadas entre s por
distancias grandes en comparacin con el tamao de las molculas
mismas. Son posibles las conversiones entre los tres estados de la
materia sin que cambie la composicin de la sustancia. Al calentar
un slido (por ejemplo, el hielo) se funde y se transforma en lquido
(agua). (La temperatura en la que ocurre esa transicin se denomi-
na punto de fusin.) Su calentamiento adicional convierte el lquido
en gas. (Esta conver- sin sobreviene en el punto de ebullicin del
lquido.) Por otra parte, el enfriamiento de un gas hace que se
condense en la forma de lquido. Al enfriar adicionalmente ste, se
congela, es decir, toma una forma slida. Los tres estados de la
materia se muestran en Mezclas homogneas Mezclas Separacin por
mtodos qumicos Separacin por mtodos fsicos Materia Sustancias
Mezclas heterogneas Compuestos Elementos Figura 1.5 Clasicacin de
la materia. Slido GasLquido Figura 1.6 Representacin microscpica de
un slido, un lquido y un gas.
- 41. 10 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio la figura 1.7.
Advierta que las propiedades del agua son nicas entre las
sustancias comu- nes, ya que las molculas en su estado lquido estn
ms cerca unas de otras que en el estado slido. Revisin de conceptos
Un cubo de hielo se coloca en un recipiente cerrado. Cuando se
calienta, el cubo de hielo primero se derrite y despus el agua
hierve hasta formar vapor. Cul de los siguientes enunciados es
verdadero? a) La apariencia fsica del agua es diferente en cada
etapa de cambio. b) La masa de agua es la mayor para el cubo de
hielo y la menor para el vapor. 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de
la materia Se identifica a las sustancias por sus propiedades y su
composicin. El color, punto de fusin y punto de ebullicin son
propiedades fsicas. Una propiedad fsica se puede medir Figura 1.7
Los tres estados de la materia. Un lingote caliente transforma el
hielo en agua y luego en vapor de agua.
- 42. 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 11 Combustin
del hidrgeno en el aire para formar agua. a) b) c) d) y observar
sin que se modifique la composicin o identidad de la sustancia. Por
ejemplo, es posible medir el punto de fusin del hielo al calentar
un bloque de hielo y registrar la temperatura en la que se
convierte en agua. El agua difiere del hielo slo en su aspecto, no
en su composicin, de modo que se trata de un cambio fsico; es
posible congelar el agua para obtener de nuevo hielo. De esta
manera, el punto de fusin de una sustancia es una propiedad fsica.
De modo similar, cuando se afirma que el helio gaseoso es ms ligero
que el aire se hace referencia a una propiedad fsica. Por otra
parte, la aseveracin: el hidrgeno se quema en presencia de oxgeno
para formar agua describe una propiedad qumica del hidrgeno, ya que
a fin de observar esta propiedad debe ocurrir un cambio qumico, en
este caso, la combustin. Despus del cambio desaparece la sustancia
qumica original, el hidrgeno, y slo queda otra sustancia qumica
distinta, el agua. Es imposible recuperar el hidrgeno a partir del
agua mediante un cambio fsico, como la ebullicin o congelacin. Cada
vez que se cuece un huevo ocurre un cambio qumico. Cuando la yema y
la clara se someten a temperaturas cercanas a 100C, experimentan
cambios que no slo modifican su aspecto fsico, sino tambin su
composicin qumica. Despus al comerse el huevo se modifica de nuevo,
por efecto de sustancias del cuerpo humano llamadas enzimas. Esta
accin digestiva es otro ejemplo de un cambio qumico. Lo que ocurre
durante la digestin depende de las propiedades qumicas de las
enzimas y los alimentos. Todas las propiedades mensurables de la
materia corresponden a una de dos categoras adicionales:
propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de
una pro- piedad extensiva depende de la cantidad de materia que se
considere. La masa, que es la cantidad de materia en una muestra
dada de una sustancia, es una propiedad extensi- va. Ms materia
significa ms masa. Los valores de una misma propiedad extensiva
pue- den sumarse. Por ejemplo, dos monedas de cobre tienen la misma
masa combinada que la suma de las masas de cada moneda, en tanto
que la longitud de dos canchas de tenis es la suma de las
longitudes de ambas canchas. El volumen, que se define como la lon-
gitud elevada al cubo, es otra propiedad extensiva. El valor de una
cantidad extensiva depende de la cantidad de materia. El valor
medido de una propiedad intensiva no depende de cunta materia se
consi- dere. La densidad, que se define como la masa de un objeto
dividida entre su volumen, es una propiedad intensiva. Tambin lo es
la temperatura. Suponga que se tienen dos matraces llenos de agua
que estn a la misma temperatura. Si se combinan para tener un solo
volumen de agua en un matraz ms grande, la temperatura de este
mayor volumen de agua ser la misma que en los dos matraces
separados. A diferencia de la masa, lon- gitud y volumen, la
temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas. Revisin
de conceptos El diagrama en a) muestra un compuesto integrado por
tomos de dos elementos (representados por las esferas rojas y
verdes) en estado lquido. Cul de los diagramas en b) a d)
representa un cambio fsico y cul un cambio qumico?
- 43. 12 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio Probeta graduada
Matraz volumtricoPipetaBureta mL 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 mL
0 1 2 3 4 15 16 17 18 20 19 25mL 1 litro Figura 1.8 Algunos
dispositivos de medicin comunes en los laboratorios de qumica. No
se ilustran a escala proporcional. Los usos de estos dispositivos
de medicin se analizan en el captulo 4. 1.7 Mediciones Los qumicos
frecuentemente realizan mediciones que usan en clculos para obtener
otras cantidades relacionadas. Los diferentes instrumentos permiten
medir las propiedades de una sustancia: con una cinta mtrica se
mide la longitud; con la bureta, pipeta, probeta graduada y matraz
volumtrico, el volumen (figura 1.8); con la balanza, la masa, y con
el termmetro, la temperatura. Estos instrumentos proporcionan
mediciones de propiedades macroscpicas que pueden determinarse
directamente. Las propiedades microscpicas, en la escala atmica o
molecular, tienen que determinarse con un mtodo indirecto, como
analizaremos en el captulo 2. Una cantidad medida suele describirse
como un nmero con una unidad apropiada. Afirmar que la distancia en
automvil entre Nueva York y San Francisco por cierta carre- tera es
de 5 166 no tiene sentido. Se requiere especificar que la distancia
es de 5 166 km. Lo mismo es vlido en qumica; las unidades son
esenciales para expresar correctamente las mediciones. Unidades del
Sistema Internacional (SI) Durante muchos aos, los cientficos
registraron las mediciones en unidades mtricas que se relacionan de
manera decimal, es decir, con base en potencias de 10. Sin embargo,
en 1960 la Conferencia General de Pesos y Medidas, que es la
autoridad internacional en cuanto a unidades, propuso un sistema
mtrico revisado, al que se llam Sistema Internacional de Unidades
(SI, del francs Systme Internationale dUnites). En la tabla 1.2 se
muestran las siete unidades bsicas del SI. Todas las dems unidades
de medicin se derivan de ellas. Al igual que las unidades mtricas,
las del SI se modifican de mane- ra decimal con prefijos, como se
ilustra en la tabla 1.3. En este texto se utilizan tanto las
unidades mtricas como las del SI.
- 44. Las mediciones que se utilizan frecuentemente en el estudio
de la qumica son las de tiempo, masa, volumen, densidad y
temperatura. Masa y peso Aunque los trminos masa y peso suelen
usarse indistintamente, en sentido estricto se trata de cantidades
diferentes. Mientras que la masa es una medicin de la cantidad de
materia en un objeto, el peso, en sentido tcnico, es la fuerza que
ejerce la gravedad sobre un objeto. Una manzana que cae de un rbol
es atrada hacia abajo por la gravedad de la Tierra. La masa de la
manzana es constante y no depende de su ubicacin, en tanto que el
peso s. Por ejemplo, en la superficie de la Luna la manzana pesara
apenas una sexta parte de lo que pesa en la Tierra, ya que la
gravedad lunar equivale a un sexto de la terrestre. La menor
gravedad de la Luna permiti que los astronautas saltara