Transcript of Química, raymond chang
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- 2. q u m i c a 00_FRONT MATTER.indd 1 12/22/09 6:04:53 PM
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- 3. RevisoRes tcnicos MXico Alicia Blanco Aquino universidad de
Guadalajara Alejandra Montes servn Escuela Superior de ingeniera
mecnica y Elctrica del instituto Politcnico Nacional Rosario Alicia
Glvez chan instituto Tecnolgico de Sonora violeta Luz Mara Bravo
Hernndez Facultad de contadura, uNam Randall Gregory Jesus coffie
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Sonora Fredy cullar Robles instituto Tecnolgico de Toluca Ma. Luisa
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- 4. q u m i c a Dcima EDicin Raymond chang Williams College
Revisin tcnica Rodolfo lvarez Manzo Departamento de Qumica Orgnica
Facultad de Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico silvia
Ponce Lpez Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de
Monterrey, Campus Monterrey Rosa Zugazagoitia Herranz Universidad
Autnoma Metropolitana Unidad Xochimilco MXICO BOGOT BUENOS AIRES
CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO pAULO
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ST. LOUIS SIDNEY TORONTO 00_FRONT MATTER.indd 3 12/22/09 6:04:59 PM
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- 5. Director Higher education: miguel ngel Toledo castellanos
editor sponsor: Pablo E. Roig V. coordinadora editorial: marcela i.
Rocha martnez editora de desarrollo: ana L. Delgado Rodrguez
supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca traduccin: Erika
Jasso Hernn DBorneville QuMicA Dcima edicin Prohibida la
reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin
la autorizacin escrita del editor. DEREcHOS RESERVaDOS 2010
respecto a la sexta edicin en espaol por mcGRaW-HiLL/iNTERamERicaNa
EDiTORES, S.a. DE c.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies,
Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongacin Paseo de la Reforma 1015,
Torre a Piso 17, colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro
Obregn c.P. 01376, mxico, D. F. miembro de la cmara Nacional de la
industria Editorial mexicana, Reg. Nm. 736 isBn: 978-607-15-0307-7
(iSBN edicin anterior: 970-10-6111-X) Traducido de la dcima edicin
de: chemistry, by Raymond chang, copyright 2010 by The mcGraw-Hill
companies, inc. all rights reserved. iSBN: 978-007-351109-2
1234567890 19876543210 impreso en mxico Printed in Mexico 00_FRONT
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- 6. acERca DEL auTOR Raymond chang naci en Hong Kong y creci en
Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en qumica por la
London uni- versity, en inglaterra y se doctor en qumica en Yale
university. Despus de realizar su investigacin posdoctoral en
Washington univer- sity y ensear durante un ao en Hunter college of
the city university of New York, se uni al Departamento de qumica
en Williams college, donde ha enseado desde 1968. El profesor chang
ha prestado sus servicios en el american chemical Society
Examination committee, el National chemistry Olympiad Exa- mination
committee y el Graduate Record Examinations (GRE) commit- tee. Es
editor de la obra titulada The Chemical Educator. chang ha escrito
libros sobre fisicoqumica, qumica industrial y ciencia fsica.
Tambin ha participado como autor de libros sobre el idioma chino,
libros infantiles de fotografas y una novela de literatura juvenil.
Para relajarse, el doctor chang cultiva un jardn selvtico, juega
tenis, ping-pong, toca la armnica y practica el violn. 00_FRONT
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- 7. 1 qumica. El estudio del cambio 2 2 tomos, molculas y iones
40 3 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 78 4 Reacciones
en disolucin acuosa 120 5 Gases 172 6 Termoqumica 228 7 Teora
cuntica y la estructura electrnica de los tomos 274 8 Relaciones
peridicas entre los elementos 322 9 Enlace qumico i: conceptos
bsicos 364 10 Enlace qumico ii: Geometra molecular e hibridacin de
orbitales atmicos 408 11 Fuerzas intermoleculares y lquidos y
slidos 460 12 Propiedades fsicas de las disoluciones 512 13 cintica
qumica 556 14 Equilibrio qumico 614 15 cidos y bases 658 16
Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 712 17 qumica en
la atmsfera 768 18 Entropa, energa libre y equilibrio 800 19
Electroqumica 836 20 metalurgia y la qumica de los metales 884 21
Elementos no metlicos y sus compuestos 912 22 qumica de los metales
de transicin y compuestos de coordinacin 952 23 qumica nuclear 986
24 qumica orgnica 1024 25 Polmeros orgnicos sintticos y naturales
1060 APnDice 1 Derivacin de los nombres de los elementos a-1
APnDice 2 unidades para la constante de los gases a-7 APnDice 3
Datos termodinmicos a 1 atm y 25c a-8 APnDice 4 Operaciones
matemticas a-13 00_FRONT MATTER.indd 6 12/22/09 6:05:03 PM
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- 8. Prefacio xxi Herramientas para obtener mayor provecho xxvi
Nota para el estudiante xxx qumica. El estudio del cambio 2 1.1
qumica: una ciencia para el siglo xxi 2 1.2 Estudio de la qumica 7
1.3 El mtodo cientfico 8 QUMICA en accin El helio primordial y la
teora del Big Bang 10 1.4 clasificacin de la materia 10 1.5 Los
tres estados de la materia 13 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de
la materia 14 1.7 mediciones 16 QUMICA en accin La importancia de
las unidades 21 1.8 manejo de los nmeros 22 1.9 anlisis dimensional
en la resolucin de problemas 27 Ecuaciones bsicas 31 Resumen de
conceptos 31 Trminos bsicos 31 Preguntas y problemas 32 MISTERIO de
la qumica La desaparicin de los dinosaurios 38 tomos, molculas y
iones 40 2.1 Teora atmica 42 2.2 Estructura del tomo 43 2.3 Nmero
atmico, nmero de masa e isotopos 49 2.4 La tabla peridica 51 QUMICA
en accin Distribucin de los elementos en la Tierra y en los
sistemas vivos 52 2.5 molculas y iones 53 2.6 Frmulas qumicas 55
2.7 Nomenclatura de los compuestos 59 00_FRONT MATTER.indd 7
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- 9. viii contenido 2.8 introduccin a los compuestos orgnicos 68
Ecuaciones bsicas 70 Resumen de conceptos 70 Trminos bsicos 70
Preguntas y problemas 71 Relaciones de masa en las reacciones
qumicas 78 3.1 masa atmica 80 3.2 Nmero de avogadro y masa molar de
un elemento 81 3.3 masa molecular 85 3.4 Espectrmetro de masas 88
3.5 composicin porcentual de los compuestos 88 3.6 Determinacin
experimental de frmulas empricas 92 3.7 Reacciones qumicas y
ecuaciones qumicas 94 3.8 cantidades de reactivos y productos 99
3.9 Reactivo limitante 103 3.10 Rendimiento de reaccin 106 QUMICA
en accin Fertilizantes qumicos 108 Ecuaciones bsicas 109 Resumen de
conceptos 109 Trminos bsicos 109 Preguntas y problemas 110
Reacciones en disolucin acuosa 120 4.1 Propiedades generales de las
disoluciones acuosas 122 4.2 Reacciones de precipitacin 124 QUMICA
en accin Una reaccin de precipitacin indeseable 129 4.3 Reacciones
cido-base 129 4.4 Reacciones de oxidacin-reduccin 135 QUMICA en
accin Alcoholmetro 146 4.5 concentracin de las disoluciones 147 4.6
anlisis gravimtrico 151 4.7 Valoraciones cido-base 153 4.8
Valoraciones redox 156 QUMICA en accin Metal proveniente del mar
158 Ecuaciones bsicas 159 Resumen de conceptos 159 00_FRONT
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- 10. ixcontenido Trminos bsicos 160 Preguntas y problemas 160
MISTERIO de la qumica Quin asesin a Napolen? 170 Gases 172 5.1
Sustancias que existen como gases 174 5.2 Presin de un gas 175 5.3
Leyes de los gases 179 5.4 Ecuacin del gas ideal 185 5.5
Estequiometra de los gases 194 5.6 Ley de Dalton de las presiones
parciales 196 5.7 Teora cintica molecular de los gases 201 QUMICA
en accin El buceo y las leyes de los gases 202 QUMICA en accin
tomos superenfriados 210 5.8 Desviacin del comportamiento ideal 211
Ecuaciones bsicas 214 Resumen de conceptos 214 Trminos bsicos 215
Preguntas y problemas 215 MISTERIO de la qumica Sin oxgeno 226
Termoqumica 228 6.1 naturaleza y tipos de energa 230 6.2 cambios de
energa en las reacciones qumicas 231 6.3 introduccin a la
termodinmica 233 QUMICA en accin Fabricar nieve e inflar un
neumtico de bicicleta 239 6.4 Entalpa de las reacciones qumicas 239
6.5 calorimetra 245 QUMICA en accin Valores energticos de los
alimentos y otras sustancias 251 6.6 Entalpa estndar de formacin y
de reaccin 252 QUMICA en accin Cmo se defiende el escarabajo
bombardero 257 6.7 calor de disolucin y de dilucin 258 Ecuaciones
bsicas 261 Resumen de conceptos 261 00_FRONT MATTER.indd 9 12/22/09
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- 11. x contenido Trminos bsicos 262 Preguntas y problemas 262
MISTERIO de la qumica El neumtico explosivo 272 Teora cuntica y la
estructura electrnica de los tomos 274 7.1 De la fsica clsica a la
teora cuntica 276 7.2 El efecto fotoelctrico 280 7.3 Teora de Bohr
del tomo de hidrgeno 282 QUMICA en accin Lser: la luz esplendorosa
288 7.4 La naturaleza dual del electrn 288 QUMICA en accin
Microscopia electrnica 292 7.5 mecnica cuntica 293 7.6 Nmeros
cunticos 294 7.7 Orbitales atmicos 297 7.8 configuracin electrnica
300 7.9 El principio de construccin 307 Ecuaciones bsicas 311
Resumen de conceptos 311 Trminos bsicos 312 Preguntas y problemas
312 MISTERIO de la qumica Descubrimiento del helio y el surgimiento
y cada del coronio 320 Relaciones peridicas entre los elementos 322
8.1 Desarrollo de la tabla peridica 324 8.2 clasificacin peridica
de los elementos 326 8.3 Variaciones peridicas de las propiedades
fsicas 330 QUMICA en accin El tercer elemento lquido? 337 8.4
Energa de ionizacin 337 8.5 afinidad electrnica 341 8.6 Variacin de
las propiedades qumicas de los elementos representativos 344 QUMICA
en accin El descubrimiento de los gases nobles 355 00_FRONT
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- 12. xicontenido Ecuaciones bsicas 356 Resumen de conceptos 356
Trminos bsicos 356 Preguntas y problemas 356 Enlace qumico i:
conceptos bsicos 364 9.1 Smbolos de puntos de Lewis 366 9.2 Enlace
inico 367 9.3 Energa reticular de los compuestos inicos 369 QUMICA
en accin Cloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante 373
9.4 Enlace covalente 374 9.5 Electronegatividad 377 9.6 Escritura
de las estructuras de Lewis 380 9.7 carga formal y estructura de
Lewis 383 9.8 El concepto de resonancia 386 9.9 Excepciones a la
regla del octeto 389 QUMICA en accin Slo diga NO 393 9.10 Entalpa
de enlace 394 Ecuaciones bsicas 399 Resumen de conceptos 399
Trminos bsicos 399 Preguntas y problemas 399 Enlace qumico ii:
Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 408 10.1
Geometra molecular 410 10.2 momento dipolar 420 QUMICA en accin Los
hornos de microondas: el momento dipolar en accin 424 10.3 Teora de
enlace valencia 424 10.4 Hibridacin de orbitales atmicos 428 10.5
Hibridacin en molculas que contienen enlaces dobles y triples 437
10.6 Teora de orbitales moleculares 440 10.7 configuraciones de
orbitales moleculares 443 10.8 Orbitales moleculares deslocalizados
448 QUMICA en accin El buckybaln un baln cualquiera? 450 Ecuaciones
bsicas 452 Resumen de conceptos 452 Trminos bsicos 453 Preguntas y
problemas 453 00_FRONT MATTER.indd 11 12/22/09 6:05:19 PM
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- 13. xii contenido Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos
460 11.1 Teora cintica molecular de lquidos y slidos 462 11.2
Fuerzas intermoleculares 463 11.3 Propiedades de los lquidos 469
11.4 Estructura cristalina 472 QUMICA en accin Por qu los lagos se
congelan desde la superficie hacia el fondo? 473 11.5 Difraccin de
rayos X de estructuras cristalinas 480 11.6 Tipos de cristales 482
QUMICA en accin Superconductores a altas temperaturas 486 11.7
Slidos amorfos 486 QUMICA en accin Y todo por un botn 488 11.8
cambios de fase 489 11.9 Diagramas de fases 498 QUMICA en accin
Hervir un huevo en la cima de una montaa, las ollas de presin y el
patinaje sobre hielo 500 QUMICA en accin Cristales lquidos 501
Ecuaciones bsicas 503 Resumen de conceptos 503 Trminos bsicos 504
Preguntas y problemas 504 Propiedades fsicas de las disoluciones
512 12.1 Tipos de disoluciones 514 12.2 Enfoque molecular del
proceso de disolucin 515 12.3 unidades de concentracin 517 12.4
Efecto de la temperatura en la solubilidad 521 12.5 Efecto de la
presin en la solubilidad de los gases 524 QUMICA en accin El lago
asesino 526 12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no
electrlitos 526 12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de
electrlitos 539 QUMICA en accin Desalinizacin 541 00_FRONT
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- 14. xiiicontenido 12.8 coloides 541 Ecuaciones bsicas 545
Resumen de conceptos 545 Trminos bsicos 545 Preguntas y problemas
546 MISTERIO de la qumica El cuchillo equivocado 554 cintica qumica
556 13.1 La rapidez de una reaccin 558 13.2 La ley de rapidez 565
13.3 Relacin entre la concentracin de reactivos y el tiempo 569
QUMICA en accin Determinacin de la edad del Sudario de Turn 580
13.4 constantes de rapidez y su dependencia de la energa de
activacin y de la temperatura 582 13.5 mecanismos de reaccin 588
QUMICA en accin Femtoqumica 593 13.6 catlisis 594 Ecuaciones bsicas
601 Resumen de conceptos 602 Trminos bsicos 602 Preguntas y
problemas 602 Equilibrio qumico 614 14.1 El concepto de equilibrio
y la constante de equilibrio 616 14.2 Escritura de las expresiones
de las constantes de equilibrio 618 14.3 Relacin entre cintica
qumica y equilibrio qumico 630 14.4 qu informacin proporciona la
constante de equilibrio? 632 14.5 Factores que afectan el
equilibrio qumico 638 QUMICA en accin La vida a grandes alturas y
la produccin de hemoglobina 645 QUMICA en accin El proceso Haber
646 Ecuaciones bsicas 646 Resumen de conceptos 646 Trminos bsicos
647 Preguntas y problemas 648 00_FRONT MATTER.indd 13 12/22/09
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- 15. xiv contenido cidos y bases 658 15.1 cidos y bases de
Brnsted 660 15.2 Propiedades cido-base del agua 661 15.3 El pH: una
medida de la acidez 663 15.4 Fuerza de los cidos y las bases 666
15.5 cidos dbiles y la constante de ionizacin de un cido 670 15.6
Bases dbiles y la constante de ionizacin de una base 678 15.7
Relacin entre las constantes de ionizacin de los cidos y sus bases
conjugadas 680 15.8 cidos diprticos y poliprticos 681 15.9
Estructura molecular y fuerza de los cidos 685 15.10 Propiedades
cido-base de las sales 689 15.11 Propiedades cido-base de los xidos
y los hidrxidos 695 15.12 cidos y bases de Lewis 697 QUMICA en
accin Anticidos y el balance del pH en el estmago 698 Ecuaciones
bsicas 701 Resumen de conceptos 701 Trminos bsicos 702 Preguntas y
problemas 702 MISTERIO de la qumica La descomposicin de los papeles
710 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 712 16.1
comparacin entre los equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin
714 16.2 Efecto del ion comn 714 16.3 Disoluciones amortiguadoras
717 16.4 Valoraciones cido-base 723 QUMICA en accin Mantenimiento
del pH de la sangre 724 16.5 indicadores cido-base 732 16.6
Equilibrios de solubilidad 735 16.7 Separacin de iones por
precipitacin fraccionada 742 16.8 El efecto del ion comn y la
solubilidad 744 16.9 El pH y la solubilidad 746 16.10 Los
equilibrios de iones complejos y la solubilidad 749 QUMICA en accin
Cmo se forma un cascarn de huevo? 753 00_FRONT MATTER.indd 14
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- 16. xvcontenido 16.11 aplicacin del principio del producto de
solubilidad al anlisis cualitativo 754 Ecuaciones bsicas 756
Resumen de conceptos 757 Trminos bsicos 757 Preguntas y problemas
757 MISTERIO de la qumica Un duro bocadillo 766 qumica en la
atmsfera 768 17.1 atmsfera terrestre 770 17.2 Fenmenos en las capas
externas de la atmsfera 773 17.3 Destruccin del ozono en la
estratosfera 775 17.4 Volcanes 780 17.5 Efecto invernadero 781 17.6
Lluvia cida 785 17.7 Esmog fotoqumico 789 17.8 contaminacin
domstica 791 Resumen de conceptos 794 Trminos bsicos 794 Preguntas
y problemas 794 Entropa, energa libre y equilibrio 800 18.1 Las
tres leyes de la termodinmica 802 18.2 Procesos espontneos 802 18.3
Entropa 803 18.4 Segunda ley de la termodinmica 808 QUMICA en accin
La eficiencia de las mquinas trmicas 814 18.5 Energa libre de Gibbs
814 18.6 Energa libre y equilibrio qumico 821 18.7 Termodinmica en
los sistemas vivos 825 QUMICA en accin La termodinmica de una liga
826 Ecuaciones bsicas 828 Resumen de conceptos 828 Trminos bsicos
828 Preguntas y problemas 829 00_FRONT MATTER.indd 15 12/22/09
6:05:31 PM www.mundoindustrial.net
- 17. xvi contenido Electroqumica 836 19.1 Reacciones redox 838
19.2 celdas galvnicas 841 19.3 Potenciales estndar de reduccin 843
19.4 Termodinmica de las reacciones redox 849 19.5 Efecto de la
concentracin sobre la fem de la celda 852 19.6 Bateras 857 QUMICA
en accin Energa bacteriana 861 19.7 corrosin 862 19.8 Electrlisis
866 QUMICA en accin Molestia producida por las amalgamas dentales
871 Ecuaciones bsicas 872 Resumen de conceptos 873 Trminos bsicos
873 Preguntas y problemas 873 MISTERIO de la qumica Agua sucia 882
metalurgia y la qumica de los metales 884 20.1 Presencia de los
metales 886 20.2 Procesos metalrgicos 886 20.3 Teora de las bandas
de conductividad elctrica 894 20.4 Tendencias peridicas de las
propiedades metlicas 896 20.5 metales alcalinos 897 20.6 metales
alcalinotrreos 901 20.7 aluminio 903 QUMICA en accin Reciclamiento
de aluminio 906 Resumen de conceptos 906 Trminos bsicos 907
Preguntas y problemas 908 00_FRONT MATTER.indd 16 12/22/09 6:05:34
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- 18. xviicontenido Elementos no metlicos y sus compuestos 912
21.1 Propiedades generales de los no metales 914 21.2 Hidrgeno 914
QUMICA en accin Hidrgeno metlico 919 21.3 carbono 920 QUMICA en
accin Gas sinttico a partir del carbn 923 21.4 Nitrgeno y fsforo
924 QUMICA en accin Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo
931 21.5 Oxgeno y azufre 932 21.6 Halgenos 939 Resumen de conceptos
946 Trminos bsicos 946 Preguntas y problemas 947 qumica de los
metales de transicin y compuestos de coordinacin 952 22.1
Propiedades de los metales de transicin 954 22.2 La qumica del
hierro y del cobre 957 22.3 compuestos de coordinacin 959 22.4
Estructura de los compuestos de coordinacin 964 22.5 El enlace en
los compuestos de coordinacin: teora de campo cristalino 967 22.6
Reacciones de los compuestos de coordinacin 973 22.7 aplicaciones
de los compuestos de coordinacin 974 QUMICA en accin Compuestos de
coordinacin en los sistemas vivos 976 Ecuaciones bsicas 976 Resumen
de conceptos 976 QUMICA en accin Cisplatino: el medicamento
anticancergeno 978 Trminos bsicos 978 Preguntas y problemas 978
MISTERIO de la qumica Datacin de pinturas con el azul de Prusia 984
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- 19. xviii contenido qumica nuclear 986 23.1 Naturaleza de las
reacciones nucleares 988 23.2 Estabilidad nuclear 990 23.3
Radiactividad natural 995 23.4 Transmutacin nuclear 999 23.5 Fisin
nuclear 1001 QUMICA en accin El reactor de fisin nuclear de la
naturaleza 1006 23.6 Fusin nuclear 1007 23.7 aplicaciones de los
istopos 1010 23.8 Efectos biolgicos de la radiacin 1012 QUMICA en
accin Irradiacin de los alimentos 1014 QUMICA en accin Terapia por
captura neutrnica de boro 1015 Ecuaciones bsicas 1015 Resumen de
conceptos 1016 Trminos bsicos 1016 Preguntas y problemas 1016
MISTERIO de la qumica El arte de la falsificacin en el siglo xx
1022 qumica orgnica 1024 24.1 clases de compuestos orgnicos 1026
24.2 Hidrocarburos alifticos 1026 QUMICA en accin El hielo que se
quema 1038 24.3 Hidrocarburos aromticos 1039 24.4 qumica de los
grupos funcionales 1042 QUMICA en accin La industria del petrleo
1048 Resumen de conceptos 1051 Trminos bsicos 1051 Preguntas y
problemas 1051 MISTERIO de la qumica Desaparicin de huellas
digitales 1058 00_FRONT MATTER.indd 18 12/22/09 6:05:40 PM
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- 20. xixcontenido Polmeros orgnicos sintticos y naturales 1060
25.1 Propiedades de los polmeros 1062 25.2 Polmeros orgnicos
sintticos 1062 25.3 Protenas 1067 QUMICA en accin Anemia
falciforme: una enfermedad molecular 1074 25.4 cidos nucleicos 1076
QUMICA en accin Huella digital del ADN 1079 Resumen de conceptos
1080 Trminos bsicos 1080 Preguntas y problemas 1080 MISTERIO de la
qumica Una historia que le erizar los cabellos 1084 APnDice 1
Derivacin de los nombres de los elementos a-1 APnDice 2 unidades
para la constante de los gases a-7 APnDice 3 Datos termodinmicos a
1 atm y 25c a-8 APnDice 4 Operaciones matemticas a-13 Glosario G-1
Respuestas a las preguntas pares R-1 Crditos C-1 ndice I-1 00_FRONT
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- 21. D esde la primera edicin, mi intencin ha sido es- cribir un
texto de qumica general que ofrezca una base firme de conceptos y
principios qumicos, y que inculque en los estudiantes el
reconocimiento de la fun- cin tan vital que la qumica desempea en
nuestra vida coti- diana. Es responsabilidad del autor del libro de
texto ayudar tanto al estudiante como al maestro a lograr este
objetivo; por eso, este libro contiene una amplia gama de temas
pre- sentados en una secuencia lgica. Siempre que ha sido posi-
ble, he intentado equilibrar la teora y la prctica, as como
ilustrar los principios bsicos con ejemplos comunes. En esta dcima
edicin, como en las anteriores, mi meta ha sido crear un texto que
explique con claridad con- ceptos abstractos, lo bastante conciso
para no abrumar a los estudiantes con informacin extraa e
innecesaria, pero lo suficientemente amplio para prepararlos para
el siguiente nivel de aprendizaje. Los comentarios alentadores que
he recibido de maestros y estudiantes me han convencido de la
eficacia de este mtodo. Lo nuevo en esta edicin Se han agregado
muchos problemas nuevos de final de captulo con la representacin
grfica de molculas, para poner a prueba las habilidades de
comprensin conceptual y razonamiento crtico del estudiante. Los
problemas ms desafiantes se incluyen bajo la seccin Problemas
especiales. En el captulo 10 se incluyeron nuevos diagramas
orbitales moleculares generados por computadora. Se han revisado y
actualizado muchas secciones con base en los comentarios de
revisores y usuarios. algu- nos ejemplos incluyen: Tratamiento
revisado de las cantidades de reacti- vos y productos en el captulo
3. Explicacin revisada de las ecuaciones termoqu- micas en el
captulo 6. cobertura ampliada de la carga nuclear efectiva en el
captulo 8. Tratamiento revisado del factor de orientacin en el
captulo 13. anlisis revisado de la entropa en el captulo 18. Nueva
seccin agregada de qumica en accin (Te- rapia por captura neutrnica
de boro) en el captulo 23. Resolucin de problemas Desarrollar las
habilidades de resolucin de problemas siempre ha sido uno de los
objetivos primordiales de este texto. Las dos principales categoras
de instrumentos para el aprendizaje son los ejemplos solucionados y
los proble- mas de final de captulo. muchos de ellos presentan
piezas adicionales de conocimiento y permiten al estudiante resol-
ver un problema que un qumico resolvera. Los ejemplos y problemas
muestran a los estudiantes el mundo real de la qumica y
aplicaciones para las situaciones cotidianas. ejemplos resueltos
siguen una estrategia probada de resolucin paso por paso y su
solucin. enunciacin del problema es la presentacin de los datos
necesarios para resolver el problema con base en la pregunta
formulada. estrategia es un plan o mtodo cuidadosamente diseado
para tener una importante funcin didc- tica. solucin es el proceso
de resolver por etapas un problema determinado. verificacin permite
al estudiante verificar y com- parar con la fuente de informacin
para asegurarse de que la respuesta sea razonable. ejercicio de
prctica ofrece la oportunidad de re- solver un problema similar con
el fin de obtener destreza en la resolucin de este tipo de
problemas. La nota al margen enlista problemas similares adi-
cionales para trabajar en la seccin de problemas al final del
captulo. Problemas de final de captulo estn organizados de varias
formas. cada seccin comprendida debajo de un encabezado temtico
comienza con Preguntas de repaso seguidas por Problemas. La seccin
de Problemas adi- cionales ofrece ms problemas no organizados por
sec- ciones. Por ltimo, la seccin Problemas especiales contiene
problemas con un mayor grado de dificultad. xxi 00_FRONT
MATTER.indd 21 12/22/09 6:05:43 PM www.FreeLibros.com
- 22. xxii Prefacio visualizacin Grficas y diagramas de flujo son
importantes en ciencia. En Qumica, los diagramas de flujo muestran
el proceso mental de un concepto y las grficas presentan datos para
comprender el concepto. Representacin molecular aparece en varios
formatos y tiene diferentes funciones. Los modelos moleculares
ayudan a visualizar las distribuciones atmicas tridi- mensionales
de las molculas. Finalmente, la represen- tacin macroscpica a
microscpica, ayuda a los estu- diantes a comprender procesos en el
nivel molecular. Fotografas ayudan a los estudiantes a
familiarizarse con los qumicos y a comprender cmo se presentan
realmente las reacciones qumicas. imgenes de aparatos permiten al
estudiante visuali- zar la distribucin real de un laboratorio
qumico. Ayudas para el estudio ambientacin un despliegue de dos
pginas al inicio de cada captulo consta de las secciones: sumario
del captulo y avance del captulo. sumario del captulo permite al
estudiante captar r- pidamente el panorama de las principales ideas
que se exponen en l. Avance del captulo ofrece al estudiante una
sntesis de los conceptos que se presentarn en el mismo.
Herramientas didcticas Qumica abunda en ayudas didcticas tiles que
se deben usar de manera constante para reforzar la comprensin de
los conceptos qumicos. notas al margen se utilizan para dar
sugerencias, pis- tas e informacin con el fin de enriquecer la base
cog- nitiva del estudiante. ejemplos resueltos junto con el
Ejercicio de prctica, son una herramienta didctica muy importante
para el dominio de la qumica. Los pasos para la resolucin de
problemas guan al estudiante a travs del pensamiento crtico
necesario para dominar esta materia. usar es- quemas lo ayudar a
comprender el funcionamiento in- terno de un problema (vea el
ejemplo 6.1 de la pgina 237). una nota al margen muestra problemas
similares en la seccin de problemas al final del captulo, lo que
permite aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo.
Las respuestas a los Ejercicios de prctica se presentan al final de
los problemas del captulo. Revisin de conceptos permite al
estudiante evaluar si ha comprendido el concepto presentado en cada
sec- cin. ecuaciones bsicas se presentan dentro de cada captu- lo y
se resaltan para captar la atencin del estudiante en cuanto al
material que necesita comprender y recordar. Tambin se presentan
como parte del resumen de cada captulo y son fcilmente
identificables para fines de repaso y estudio. Resumen de conceptos
ofrece un repaso rpido de los conceptos presentados y analizados a
detalle dentro de cada captulo. Palabras clave son listas de todos
los trminos impor- tantes para ayudar al estudiante a comprender el
len- guaje de la qumica. Ponga a prueba sus conocimientos Revisin
de conceptos permite al estudiante hacer una pausa y poner a prueba
su comprensin del concepto presentado y analizado en determinada
seccin. Problemas de final de captulo Permiten al estudiante poner
en prctica sus habilidades de pensamiento crti- co y resolucin de
problemas. Los problemas se divi- den en diferentes tipos: Por
seccin de captulo. Desde las Preguntas de repaso que ponen a prueba
la comprensin con- ceptual bsica, hasta los Problemas que prueban
la habilidad del estudiante para la resolucin de pro- blemas
pertenecientes a esa seccin particular del captulo. Los Problemas
adicionales utilizan el lenguaje ob- tenido de las diferentes
secciones y captulos pre- vios para su resolucin. La seccin de
Problema especial contiene proble- mas ms difciles idneos para
proyectos grupales. Relevancia prctica En todo el libro se
presentan ejemplos interesantes de las di- ferentes manifestaciones
cotidianas de la qumica. Se usan analogas para ayudar a mejorar la
comprensin de concep- tos qumicos abstractos. Problemas de final de
captulo presentan muchas pre- guntas relevantes para el estudiante.
Ejemplos: Por qu en ocasiones los entrenadores de natacin vierten
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- 23. xxiiiPrefacio una gota de alcohol en el odo de los
nadadores para ex- traer el agua? cmo se estima la presin en un
envase de refresco carbonatado antes de destaparlo? Qumica en accin
son recuadros que aparecen en ca- da captulo y que presentan una
variedad de temas, cada uno con su propia historia de la manera en
que la qu- mica puede afectar una parte de la vida. El estudiante
aprender aspectos de la ciencia del buceo y la medici- na nuclear,
entre muchos otros temas interesantes. Misterio qumico presenta al
estudiante un caso mis- terioso. Varias preguntas qumicas ofrecen
pistas acer- ca de cmo se podra resolver el misterio. misterio
qumico fomentar un grado de nivel de pensamien- to crtico gracias a
los pasos bsicos para la resolucin de problemas desarrollados a lo
largo del texto. Agradecimientos me gustara agradecer a los
siguientes revisores y partici- pantes de simposios cuyos
comentarios fueron muy valiosos para m en la preparacin de esta
revisin: michael abraham University of Oklahoma michael adams
Xavier University of Louisiana Elizabeth aerndt Community College
of Rhode Island Francois amar University of Maine Taweechai
amornsakchai, Mahidol University Dale E. arrington Colorado School
of Mines mufeed m. Basti North Carolina A&T State University
Laurance Beauvais San Diego State University Vladimir Benin
University of Dayton miriam Bennett San Diego State University
christine V. Bilicki Pasadena City College John J. Blaha Columbus
State Community College mary Jo Bojan Pennsylvania State University
Steve Boone Central Missouri State University Timothy Brewer
Eastern Michigan University michelle m. Brooks College of
Charleston Philip Brucat University of Florida John D. Bugay
Kilgore College maureen Burkhart Georgia Perimeter College William
Burns Arkansas State University Stuart Burris Western Kentucky
University Les Butler Louisiana State University Bindu chakravarty
Houston Community College Liwei chen Ohio University Tom clausen
University of AlaskaFairbanks allen clabo Francis Marion University
Barbara cole University of Maine W. Lin coker iii Campbell
University Darwin Dahl Western Kentucky University Erin Dahlke
Loras College Gary DeBoer LeTourneau University Dawn De carlo
University of Northern Iowa Richard Deming California State
UniversityFullerton Gregg Dieckman University of Texas at Dallas
michael Doughty Southeastern Louisiana University Bill Durham
University of Arkansas David Easter Texas State UniversitySan
Marcos Deborah Exton University of Oregon David Frank California
State UniversityFresno John Gelder Oklahoma State University Leanna
c. Giancarlo University of Mary Washington Kenneth Goldsby Florida
State University Eric Goll Brookdale Community College John Gorden
Auburn University Todor Gounev University of MissouriKansas City
Thomas Gray University of WisconsinWhitewater alberto Haces Florida
Atlantic University michael Hailu Columbus State Community College
Randall Hall Louisiana State University Ewan Hamilton Ohio State
University at Lima Gerald Handschuh Kilgore College michael a.
Hauser St. Louis Community College Daniel Lee Heglund South Dakota
School of Mines Brad Herrick Colorado School of Mines Huey Hoon
HNG, Nanyang Technological University Byron E. Howell Tyler Junior
College Lee Kim Hun, NUS High School of Math and Science Tara Hurt
East Mississippi Community College Wendy innis-Whitehouse
University of Texas at Pan American Jongho Jun, Konkuk University
Jeffrey Keaffaber University of Florida michael Keck Emporia State
University myungHoon Kim Georgia Perimeter College Jesudoss
Kingston Iowa State University Pamela Kraemer Northern Virginia
Community College Bette a. Kreuz University of MichiganDearborn
Jothi V. Kumar North Carolina A&T State University Joseph
Kushick Amherst College Richard H. Langley Stephen F. Austin State
University William Lavell Camden County College 00_FRONT
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- 24. xxiv Prefacio Daniel B. Lawson University of
MichiganDearborn Young Sik Lee, Kyung Hee University clifford
Lemaster Ball State University Neocles Leontis Bowling Green State
University alan F. Lindmark Indiana University Northwest Teh Yun
Ling, NUS High School of Maths and Science arthur Low Tarleton
State University Jeanette madea Broward Community College Steve
malinak Washington Jefferson College Diana malone Clarke College c.
michael mccallum University of the Pacific Lisa mccaw University of
Central Oklahoma Danny mcGuire Carmeron University Scott E. mcKay
Central Missouri State University John milligan Los Angeles Valley
College Jeremy T. mitchell-Koch Emporia State University John
mitchell University of Florida John T. moore Stephan F. Austin
State University Bruce moy College of Lake County Richard Nafshun
Oregon State University Jim Neilan Volunteer State Community
College Glenn S. Nomura Georgia Perimeter College Frazier Nyasulu
Ohio University maryKay Orgill University of NevadaLas Vegas Jason
Overby College of Charleston m. Diane Payne Villa Julie College
Lester L. Pesterfield Western Kentucky University Richard Petersen
University of Memphis Joanna Piotrowska Normandale Community
College amy Pollock Michigan State UniversityEast Lansing William
quintana New Mexico State University Edward quitevis Texas Tech
University Jeff Rack Ohio University Lisa Reece Ozarks Technical
Community College michelle Richards-Babb West Virginia University
Jim D. Roach Emporia State University Rojrit Rojanathanes,
Chulalongkorn University Steve Rowley Middlesex County College
Kresimir Rupnik Louisiana State University Somnath Sarkar Central
Missouri State University Jerry Sarquis Miami University Susan
Scheble Metropolitan State College of Denver Raymond Scott
University of Mary Washington Thomas Selegue Pima Community College
Sheila R. Smith University of MichiganDearborn David Speckhard
Loras College Rick Spinney Ohio State University David Son Southern
Methodist University Larry O. Spreer University of the Pacific
Shane Street University of Alabama Satoshi Takara University of
Hawaii Kimberly Trick University of Dayton Bridget Trogden Mercer
University cyriacus uzomba Austin Community College John B. Vincent
University of Alabama Thomas Webb Auburn University Lyle Wescott
University of Mississippi Wayne Wesolowski University of Arizona
Ken Williams Francis Marion University W.T. Wong, The University of
Hong Kong Troy Wood University of Buffalo Gloria a. Wright Central
Connecticut State University Stephanie Wunder Temple University
christine Yerkes University of Illinois Timothy Zauche University
of WisconsinPlatteville William Zoller University of Washington
Tambin agradezco a las siguientes personas por todos sus
comentarios y sugerencias: mufeed Basti North Carolina A&T Ken
Goldsby Florida State University John Hagen California Polytechnic
University Joseph Keane Muhlenberg College Richard Nafshun Oregon
State University michael Ogawa Bowling Green State University Jason
Overby College of Charleston John Pollard University of Arizona
William quintana New Mexico State University Troy Wood University
of Buffalo Kim Woodrum University of Kentucky Tambin me gustara
agradecer al doctor Enrique Pea- cock-Lopez y Desire Gijima por los
diagramas orbitales ge- nerados por computadora del captulo 10.
como siempre, me he beneficiado de las discusiones con mis colegas
del Williams college y de la corresponden- cia con los profesores
de ah y del extranjero. Es un placer agradecer el apoyo que me han
otorgado los siguientes miembros de la divisin de estudios
universi- tarios de mcGraw-Hill: Tammy Ben, Doug Dinardo, chad
Grall, Kara Kudronowicz, mary Jane Lampe, marty Lange, michael
Lange, Kent Peterson y Kurt Strand. En particular, 00_FRONT
MATTER.indd 24 12/22/09 6:05:44 PM
- 25. xxvPrefacio me gustara mencionar a Gloria Schiesl por
supervisar la produccin, a David Hash por el diseo del libro, a
John Leland por la investigacin fotogrfica, a Daryl Bruflodt y Judi
David por el formato multimedia y a Todd Turner, gerente de
marketing, por sus sugerencias y aliento. Vaya tambin mi
agradecimiento a mis editores comerciales Tami Hodge y Thomas Timp,
por sus consejos y ayuda. Por lti- mo, mi agradecimiento especial a
Shirley Oberbroeckling, la editora de desarrollo, por su cuidado y
entusiasmo en el proyecto, y la supervisin en cada etapa de la
elaboracin de esta edicin. Raymond Chang. 00_FRONT MATTER.indd 25
12/22/09 6:05:44 PM www.FreeLibros.com
- 26. Herramientas para obtener mayor provecho Herramientas
didcticas Pgina de apertura de cada captulo: Preprese para un mayor
aprovechamiento con el sumario del captulo. Examine avance del
captulo para familiarizarse con los conceptos del captulo.
Relaciones de masa en las reacciones qumicas Azufre en combustin
con el ox- geno para formar dixido de azu- fre. Los modelos
muestran molcu- las de azufre elemental (S8), de oxgeno y de dixido
de azufre. Cada ao, alrededor de 50 millones de toneladas de SO2 se
liberan a la atmsfera. Avance del captulo Iniciaremos este captulo
con el estudio de la masa de un tomo, la cual est basada en la
escala del istopo de carbono-12. A un tomo del istopo de carbono-12
se le asigna una masa de exactamente 12 unidades de masa atmica
(uma). A fin de trabajar con la escala de gramos, ms conveniente,
se utiliza la masa molar. La masa molar del carbono-12 tiene una
masa de exactamente 12 gramos y contiene el nmero de Avogadro
(6.022 1023 ) de tomos. Las masas moleculares de otros elementos
tambin se expresan en gramos y contienen el mismo nmero de tomos.
(3.1 y 3.2) El anlisis de la masa atmica se relaciona con la masa
molecular, la cual es la suma de las masas de los tomos presentes.
Aprenderemos que la forma ms directa de de- terminar la masa atmica
y molecular es mediante el uso de un espectrmetro de ma- sas. (3.3
y 3.4) Para continuar con el estudio de las molculas y compuestos
inicos, aprenderemos a calcular la composicin porcentual de estas
especies a partir de sus frmulas qu- micas. (3.5) Estudiaremos cmo
se determinan, mediante experimentacin, la frmula emprica y
molecular de un compuesto. (3.6) Despus aprenderemos a escribir una
ecuacin qumica para describir el resultado de una reaccin qumica.
Una ecuacin qumica se debe balancear de manera que se pueda tener
el mismo nmero y clase de tomos para los reactivos, las materias
primas, y los productos, las sustancias formadas al final de la
reaccin. (3.7) Con base en el conocimiento adquirido de las
ecuaciones qumicas, continuaremos con el estudio de las relaciones
de masa de las reacciones qumicas. Una ecuacin qumica permite el
uso del mtodo del mol para predecir la cantidad de producto(s)
formado(s), una vez conocida la cantidad de reactivo(s)
utilizado(s). Observaremos que el rendimiento de una reaccin
depende de la cantidad del reactivo limitante (el reactivo que se
consume primero) presente. (3.8 y 3.9) Aprenderemos que el
rendimiento real de una reaccin es casi siempre menor que el
pronosticado a partir de la ecuacin, conocido como rendimiento
terico, debido a diversas complicaciones. (3.10) Sumario En este
captulo estudiaremos las masas de los tomos y de las molculas y lo
que les ocurre cuando se realizan cambios qumicos. El anlisis se
basar en la ley de la conservacin de la masa. 79 3.1 Masa atmica
3.2 Nmero de Avogadro y masa molar de un elemento 3.3 Masa
molecular 3.4 Espectrmetro de masas 3.5 Composicin porcentual de
los compuestos 3.6 Determinacin experimental de frmulas empricas
3.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 3.8 Cantidades de
reactivos y productos 3.9 Reactivo limitante 3.10 Rendimiento de
reaccin xxvi 00_FRONT MATTER.indd 26 12/22/09 6:06:04 PM
- 27. Herramientas visuales: comprenda los principios qumicos por
medio de los diferentes estilos de ayudas visuales y el desglose de
conceptos importantes. Herramientas para la resolucin de problemas
ejemplos: Domine el pensamiento lgico y sistemtico para la
resolucin de problemas. Revisin de conceptos: compruebe su
comprensin mediante la herramienta Revisin de conceptos que se
encuentra despus de las secciones correspondientes en cada captulo.
xxvii 00_FRONT MATTER.indd 27 12/22/09 6:06:19 PM
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- 28. Problemas al final del captulo: Practique su habilidad y
conocimiento de los conceptos resolviendo los problemas que se
encuentran al final de cada captulo. 110 CAPTULO 3 Relaciones de
masa en las reacciones qumicas Masa atmica Preguntas de repaso 3.1
Qu es una unidad de masa atmica? Por qu es necesa- ria la
introduccin de dicha unidad? 3.2 Cul es la masa (en uma) del tomo
de carbono-12? Por qu la masa del carbono aparece como 12.01 uma en
la tabla peridica de la segunda de forros de este libro? 3.3
Explique de manera clara el significado del enunciado la masa
atmica del oro es 197.0 uma. 3.4 Qu informacin se necesita para
calcular la masa at- mica promedio de un elemento? Problemas 3.5
Las masas atmicas de 35 Cl (75.53%) y 37 Cl (24.47%) son 34.968 uma
y 36.956 uma, respectivamente. Calcule la masa atmica promedio del
cloro. Los porcentajes entre parntesis indican la abundancia
relativa. 3.6 Las masas atmicas de 6 Li y 7 Li son 6.0151 uma y
7.0160 uma, respectivamente. Calcule la abundancia natural de estos
dos istopos. La masa atmica promedio del Li es 6.941 uma. 3.7 Cul
es la masa (en gramos) de 13.2 uma? 3.8 Cuntas uma existen en 8.4
g? Nmero de Avogadro y masa molar Preguntas de repaso 3.9 Defina el
trmino mol. Cul es la unidad para el mol en los clculos? Qu tiene
en comn el mol con el par, la docena y la gruesa? Qu representa el
nmero de Avo- gadro? 3.10 Qu es la masa molar de un tomo? Cules son
las uni- dades comnmente utilizadas para masa molar? Problemas 3.11
La poblacin mundial es aproximadamente de 65 mil mi- llones.
Suponga que cada persona sobre la Tierra participa en un proceso de
contar partculas idnticas a una rapidez de dos partculas por
segundo. Cuntos aos llevara contar 6.0 1023 partculas? Suponga aos
de 365 das. 3.12 El espesor de una hoja de papel es 0.0036
pulgadas. Con- sidere que cierto libro tiene el nmero de Avogadro
de hojas; calcule el grosor de dicho libro en aos-luz. (Suge-
rencia: Vea el problema 1.47 para la definicin de ao- luz.) 3.13
Cuntos tomos hay en 5.10 moles de azufre (S)? 3.14 Cuntos moles de
tomos de cobalto (Co) hay en 6.00 109 (6 mil millones) de tomos de
Co? 3.15 Cuntos moles de tomos de calcio (Ca) hay en 77.4 g de Ca?
3.16 Cuntos gramos de oro (Au) hay en 15.3 moles de Au? 3.17 Cul es
la masa en gramos de un solo tomo de cada uno de los siguientes
elementos? a) Hg, b) Ne. 3.18 Cul es la masa en gramos de un solo
tomo de cada uno de los siguientes elementos? a) As, b) Ni. 3.19
Cul es la masa en gramos de 1.00 1012 tomos de plomo (Pb)? 3.20
Cuntos tomos estn presentes en 3.14 g de cobre (Cu)? 3.21 Cul de
las siguientes cantidades contiene ms tomos: 1.10 g de tomos de
hidrgeno o 14.7 g de tomos de cromo? 3.22 Cul de las siguientes
cantidades tiene mayor masa: 2 tomos de plomo o 5.1 1023 moles de
helio. Masa molecular Problemas 3.23 Calcule la masa molecular (en
uma) de cada una de las siguientes sustancias: a) CH4, b) NO2, c)
SO3, d) C6H6, e) NaI, f) K2SO4, g) Ca3(PO4)2. 3.24 Calcule la masa
molar de cada una de las siguientes sus- tancias: a) Li2CO3, b)
CS2, c) CHCl3 (cloroformo), d) C6H8O6 (cido ascrbico, o vitamina
C), e) KNO3, f) Mg3N2. 3.25 Calcule la masa molar de un compuesto
si 0.372 moles de l tienen una masa de 152 g. 3.26 Cuntas molculas
de etano (C2H6) estn presentes en 0.334 g de C2H6? 3.27 Calcule el
nmero de tomos de C, H y O en 1.50 g del azcar glucosa (C6H12O6).
3.28 La urea [(NH2)2CO] se utiliza, entre otras cosas, como
fertilizante. Calcule el nmero de tomos de N, C, O e H en 1.68 104
g de urea. 3.29 Las feromonas son un tipo especial de compuestos
secre- tadas por las hembras de muchas especies de insectos con el
fin de atraer a los machos para aparearse. Una feromona tiene la
frmula molecular C19H38O. Normalmente, la cantidad de esta feromona
secretada por un insecto hem- bra es de alrededor de 1.0 1012 g.
Cuntas molculas hay en esta cantidad? 3.30 La densidad del agua es
1.00 g/mL a 4C. Cuntas mo- lculas de agua estn presentes en 2.56 mL
de agua a di- cha temperatura? Espectrometra de masas Preguntas de
repaso 3.31 Describa cmo funciona un espectrmetro de masas. 3.32
Describa cmo podra determinar la abundancia isotpica de un elemento
a partir de su espectro de masas. Preguntas y problemas 17 17 3 3
111Preguntas y problemas Problemas 3.33 El carbono tiene dos
istopos estables, 12 C y 13 C, en tanto que el flor tiene slo un
istopo estable, 19 F. Cuntas seales esperara observar en el
espectro de masas del ion positivo de CF+ ? Suponga que dicho ion
no se rompe en fragmentos ms pequeos. 3.34 El hidrgeno tiene dos
istopos estables, 1 H y 2 H, en tanto que el azufre tiene cuatro
istopos estables, 32 S, 33 S, 34 S y 36 S. Cuntas seales esperara
observar en el espectro de masas del ion positivo sulfuro de
hidrgeno H2S+ ? Su- ponga que el ion no se descompone en fragmentos
ms pequeos. Composicin porcentual y frmulas qumicas Preguntas de
repaso 3.35 Utilice el amoniaco (NH3) para explicar el significado
de la composicin porcentual en masa de un compuesto. 3.36 Describa
cmo el conocimiento de la composicin por- centual en masa de un
compuesto desconocido puede ayu- dar a su identificacin. 3.37 Cul
es el significado de la palabra emprica en el tr- mino frmula
emprica? 3.38 Si conocemos la frmula emprica de un compuesto, cul
otra informacin adicional necesitamos para determinar su frmula
molecular? Problemas 3.39 El estao (Sn) existe en la corteza
terrestre como SnO2. Calcule la composicin porcentual en masa de Sn
y de O en el SnO2. 3.40 Durante muchos aos se utiliz el cloroformo
(CHCl3) como anestsico de inhalacin a pesar de ser tambin una
sustancia txica que puede daar el hgado, los riones y el corazn.
Calcule la composicin porcentual en masa de este compuesto. 3.41 El
alcohol cinmico se utiliza principalmente en perfume- ra, en
especial en jabones y cosmticos. Su frmula mo- lecular es C9H10O.
a) Calcule la composicin porcentual en masa de C, H y O del alcohol
cinmico. b) Cuntas molculas de alcohol cinmico estn presentes en
una muestra de 0.469 g? 3.42 Todas las sustancias que aparecen a
continuacin se utili- zan como fertilizantes que contribuyen a la
nitrogenacin del suelo. Cul de ellas representa una mejor fuente de
nitrgeno, de acuerdo con su composicin porcentual en masa? a) Urea
(NH2)2CO b) Nitrato de amonio, NH4NO3 c) Guanidina, HNC(NH2)2 d)
Amoniaco, NH3 3.43 La alicina es el compuesto responsable del olor
caracters- tico del ajo. Un anlisis de dicho compuesto muestra la
siguiente composicin porcentual en masa: C: 44.4%; H: 6.21%; S:
39.5%; O: 9.86%. Calcule su frmula emprica. Cul es su frmula
molecular si su masa molar es aproxi- madamente de 162 g? 3.44 El
peroxiacilnitrato (PAN) es uno de los componentes del esmog. Est
formado por C, H, N y O. Determine la com- posicin porcentual de
oxgeno y la frmula emprica, a partir de la siguiente composicin
porcentual en masa: 19.8% de C, 2.50% de H y 11.6% de N. Cul es su
fr- mula molecular si su masa molar es aproximadamente de 120 g?
3.45 La frmula de la herrumbre se puede representar como Fe2O3.
Cuntas moles de Fe estn presentes en 24.6 g del compuesto? 3.46
Cuntos gramos de azufre (S) se necesitan para reaccio- nar
completamente con 246 g de mercurio (Hg) para for- mar HgS? 3.47
Calcule la masa en gramos de yodo (I2) que reaccionar completamente
con 20.4 g de aluminio (Al) para formar yoduro de aluminio (AlI3).
3.48 Frecuentemente se agrega fluoruro de estao(II) (SnF2) a los
dentfricos como un ingrediente para evitar las caries. Cul es la
masa de F en gramos que existe en 24.6 g de este compuesto? 3.49
Cul es la frmula emprica de cada uno de los compues- tos que tiene
la siguiente composicin? a) 2.1% de H, 65.3% de O y 32.6% de S, b)
20.2% de Al y 79.8% de Cl. 3.50 Cul es la frmula emprica de cada
uno de los compues- tos que tiene la siguiente composicin? a) 40.1%
de C, 6.6% de H y 53.3% de O, b) 18.4% de C, 21.5% de N y 60.1% de
K. 3.51 El agente antiaglutinante agregado a la sal de Morton es el
silicato de calcio, CaSiO3. Este compuesto puede absorber hasta 2.5
veces su masa en agua y sigue conservando su textura de polvo fino.
Calcule la composicin porcentual de CaSiO3. 3.52 La frmula emprica
de un compuesto es CH. Si la masa molar de este compuesto es
aproximadamente de 78 g, cul ser su frmula molecular? 3.53 La masa
molar de la cafena es 194.19 g. Cul es la fr- mula molecular de la
cafena, C4H5N2O o bien C8H10N4O2? 3.54 Se sospecha que el glutamato
monosdico (MSG), un po- tenciador de sabor de alimentos, es el
causante del sn- drome del restaurante chino, ya que puede causar
dolores de cabeza y de pecho. El MSG tiene la siguiente composi-
cin porcentual en masa: 35.51% de C, 4.77% de H, 37.85% de O, 8.29%
de N y 13.60% de Na. Cul ser su frmula molecular si su masa molar
es aproximadamente de 169 g? Reacciones qumicas y ecuaciones
qumicas Preguntas de repaso 3.55 Utilice la formacin de agua a
partir de hidrgeno y ox- geno para explicar los siguientes trminos:
reaccin qu- mica, reactivo, producto. 6 6 9 4 16 1616 16 1 1 xxviii
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- 29. Final del captulo: al prepararse para los exmenes, ponga a
prueba sus conocimientos con la ayuda de las siguientes
herramientas: Ecuaciones bsicas, Resumen, Trminos bsicos, Preguntas
y problemas. 356 CAPTULO 8 Relaciones peridicas entre los elementos
Zefect = Z s (8.2) Definicin de carga nuclear efectiva. Ecuaciones
bsicas Resumen de conceptos Trminos bsicos Preguntas y problemas 1.
Los qumicos del siglo xix desarrollaron la tabla peridica
acomodando los elementos en orden creciente de sus masas atmicas.
Se resolvieron algunas discrepancias de las pri- meras versiones de
la tabla peridica acomodando los ele- mentos en orden creciente de
sus nmeros atmicos. 2. La configuracin electrnica determina las
propiedades de los elementos. La tabla peridica moderna clasifica
los ele- mentos de acuerdo con sus nmeros atmicos y tambin segn su
configuracin electrnica. La configuracin de los electrones de
valencia afecta de manera directa las propie- dades de los tomos de
los elementos representativos. 3. Las variaciones peridicas de las
propiedades fsicas de los elementos reflejan diferencias en la
estructura atmica. El carcter metlico de los elementos disminuye a
lo largo de un periodo: empieza con metales, contina con metaloides
y termina con no metales; adems, aumenta de arriba abajo dentro de
un grupo especfico de elementos representativos. 4. El radio atmico
vara peridicamente con la posicin de los elementos en la tabla
peridica. Disminuye de izquierda a derecha y aumenta de arriba
abajo. 5. La energa de ionizacin es una medida de la tendencia de
un tomo a evitar la prdida de un electrn. A mayor ener- ga de
ionizacin, es mayor la fuerza de atraccin del n- cleo sobre el
electrn. La afinidad electrnica es una medida de la tendencia de un
tomo a ganar un electrn. Cuanto ms positivo sea el valor de la
afinidad electrnica, mayor la tendencia del tomo a ganar un
electrn. Por lo general, los metales tienen bajas energas de
ionizacin, y los no metales altas afinidades electrnicas. 6. Los
gases nobles son muy estables debido a que sus subni- veles
externos ns y np estn completamente llenos. Los me- tales de los
elementos representativos (de los grupos 1A, 2A y 3A) tienden a
perder electrones hasta que sus cationes se vuelven isoelectrnicos
con el gas noble que los precede en la tabla peridica. Los no
metales de los grupos 5A, 6A y 7A tienden a aceptar electrones
hasta que sus aniones se vuelven isoelectrnicos con el gas noble
que les sigue en la tabla peridica. Afinidad electrnica, p. 341
Carga nuclear efectiva (Zefect), p. 330 Electrones internos, p. 327
Electrones de valencia, p. 327 Elementos representativos, p. 326
Energa de ionizacin, p. 337 Isoelectrnicos, p. 330 xido anftero, p.
353 Radio atmico, p. 331 Radio inico, p. 333 Relaciones diagonales,
p. 344 Desarrollo de la tabla peridica Preguntas de repaso 8.1
Describa brevemente la importancia de la tabla peridica de
Mendeleev. 8.2 Cul fue la contribucin de Moseley a la tabla
peridica moderna? 8.3 Describa los lineamientos generales de la
tabla peridica moderna. 8.4 Cul es la relacin ms importante entre
los elementos de un mismo grupo en la tabla peridica? Clasificacin
peridica de los elementos Preguntas de repaso 8.5 Cules de los
siguientes elementos son metales, cules no metales y cules
metaloides?: As, Xe, Fe, Li, B, Cl, Ba, P, I, Si. 8.6 Compare las
propiedades fsicas y qumicas de los metales y de los no metales.
8.7 Dibuje un esquema general de una tabla peridica (no se
requieren detalles). Indique dnde se localizan los meta- les, los
no metales y los metaloides. Herramientas para obtener mayor
provecho xxix 00_FRONT MATTER.indd 29 12/22/09 6:06:35 PM
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- 30. L a qumica general suele considerarse como una ma- teria ms
difcil que las dems. En cierto sentido esto es justificable, por
una razn: la qumica tiene un vo- cabulario muy especializado. En
primer lugar, estudiar qu- mica es como aprender un nuevo idioma.
adems, algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es
perseve- rante completar este curso exitosamente y hasta es posible
que lo disfrute. aqu le presento algunas sugerencias que lo ayudarn
a formar buenos hbitos de estudio y a dominar el material de este
libro. asista regularmente a clases y tome apuntes detallados. Si
es posible, repase a diario los apuntes de los temas que se
cubrieron ese da en clase. utilice su libro para complementar sus
notas. Pensamiento crtico. Pregntese si realmente compren- di el
significado de un trmino o el uso de una ecua- cin. una buena forma
de probar lo que ha aprendido es explicar un concepto a un compaero
de clases o a otra persona. No dude en pedir ayuda al maestro o a
su asistente. Las herramientas para la dcima edicin de Qumica estn
diseadas para permitirle aprovechar mejor su curso de qu- mica
general. La siguiente gua explica cmo obtener el ma- yor provecho
del texto, la tecnologa y otras herramientas. antes de ahondar en
el captulo, lea el sumario y el avance del captulo para darse una
idea de los temas im- portantes. utilice el sumario para organizar
sus apuntes en clase. al final de cada captulo, encontrar un
resumen de conceptos, ecuaciones bsicas y una lista de trminos
bsicos, todo lo cual le servir como un repaso para los exmenes. Los
trminos bsicos estn acompaados de la pgina, de manera que pueda
remitirse al captulo y estudie su contexto, o bien lo revise en el
glosario al final del li- bro. un estudio detallado de los ejemplos
solucionados en cada captulo mejorar su capacidad para analizar
pro- blemas y hacer los clculos necesarios para resolverlos.
Tambin, tmese el tiempo para resolver el ejercicio de prctica que
sigue a cada ejemplo y asegrese de que ha entendido cmo resolver el
tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los
ejercicios de prcti- ca aparecen al final de cada captulo, despus
de la lista de problemas. como prctica adicional, puede recurrir a
problemas similares como los que aparecen al margen del ejemplo.
Las preguntas y problemas al final del captulo estn organizados por
secciones. En el ndice podr encontrar rpidamente conceptos cuando
est resolviendo problemas o estudiando temas relacionados en
diferentes captulos. Si sigue estas sugerencias y cumple
asiduamente con sus tareas, encontrar que la qumica es una materia
desa- fiante, pero menos difcil y mucho ms interesante de lo que
esperaba. Raymond Chang xxx 00_FRONT MATTER.indd 30 12/22/09
6:06:36 PM
- 31. Qumica 01_CHAPTER 01.indd 1 12/20/09 11:52:52 AM
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- 32. un globo lleno de hidrgeno explota al calentarlo con una
flama. El hidrgeno gaseoso reacciona con el oxgeno que est en el
aire para formar vapor de agua. La qu- mica es el estudio de las
propieda- des de la materia y de los cambios que sta experimenta.
Los modelos muestran las molculas de hidr- geno, oxgeno y agua.
Qumica El estudio del cambio 01_CHAPTER 01.indd 2 12/20/09 11:53:03
AM
- 33. Media Player chapter Summary ARIS Example Practice Problems
End of chapter Problems Quantum Tutors End of chapter Problems 3
Avance del captulo Este captulo inicia con una breve introduccin al
estudio de la qumica y su funcin dentro de la sociedad moderna (1.1
y 1.2) a continuacin conoceremos las bases del mtodo cientfico, que
es una metodologa sistemtica para la investigacin en todas las
disciplinas cientficas. (1.3) Definiremos el concepto de materia y
observaremos que una sustancia pura puede ser un elemento o un
compuesto. Distinguiremos entre una mezcla homognea y una
heterognea. aprenderemos que, en principio, toda la materia puede
existir en cualquiera de los tres estados: slido, lquido o gaseoso.
(1.4 y 1.5) Para caracterizar una sustancia necesitamos conocer sus
propiedades fsicas, las cuales son observables sin que sus
propiedades qumicas e identidad sufran cambio alguno, lo que slo
puede demostrarse mediante cambios qumicos. (1.6) Debido a que se
trata de una ciencia experimental, la qumica involucra el uso de
las mediciones. conoceremos las unidades bsicas del Si (Sistema
internacional de medidas) y emplearemos sus unidades derivadas en
cantidades como el volu- men y la densidad. Tambin estudiaremos las
tres escalas de temperatura: celsius, Fahrenheit y Kelvin. (1.7)
con frecuencia, los clculos qumicos implican el uso de cantidades
muy pequeas o muy grandes, y una manera conveniente para tratar con
algunas de estas cifras es la notacin cientfica. En los clculos o
mediciones cada cantidad debe presentar el nmero adecuado de cifras
significativas, las que corresponden a dgitos importan- tes. (1.8)
Por ltimo, entenderemos la utilidad del anlisis dimensional para
los clculos qu- micos. al considerar las unidades a lo largo de la
secuencia completa de clculos, todas las unidades se cancelarn, a
excepcin de aquella que se busca. (1.9) La qumica es una ciencia
activa y en evolucin que tiene importancia vital en nuestro
planeta, tanto en la naturaleza como en la sociedad. aunque sus
races son antiguas, la qumica es en todos sentidos una ciencia
moderna, como veremos un poco ms adelante. iniciaremos el estudio
de la qumica en el nivel macroscpico, en el que es posible observar
y medir los materiales que forman nuestro mundo. En este captulo
analiza- remos el mtodo cientfico, que es la base para la
investigacin no slo en qumica, sino tambin en las dems ciencias.
Luego, descubriremos la forma en que los cient- ficos definen y
caracterizan a la materia. Por ltimo, dedicaremos un poco de tiempo
al aprendizaje del manejo de los resultados numricos de las
mediciones qumicas y a la resolucin de problemas numricos. En el
captulo 2 iniciaremos la exploracin del mundo microscpico de tomos
y molculas. Sumario 1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi 1.2
Estudio de la qumica 1.3 El mtodo cientfico 1.4 clasificacin de la
materia 1.5 Los tres estados de la materia 1.6 Propiedades fsicas y
qumicas de la materia 1.7 mediciones 1.8 manejo de los nmeros 1.9
anlisis dimensional en la resolucin de problemas 01_CHAPTER 01.indd
3 12/20/09 11:53:15 AM www.FreeLibros.com
- 34. 4 caPTuLo 1 Qumica: El estudio del cambio 1.1 Qumica: una
ciencia para el siglo xxi La qumica es el estudio de la materia y
los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere
como la ciencia central, ya que los conocimientos bsicos de qumica
son indis- pensables para los estudiantes de biologa, fsica,
geologa, ecologa y muchas otras discipli- nas. De hecho, la qumica
es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella,
nuestra vida sera ms breve en lo que llamaramos condiciones
primitivas, sin automviles, electricidad, computadoras, discos
compactos y muchas otras comodidades modernas. aunque la qumica es
una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo
xix, cuando los adelantos intelectuales y tecnolgicos permitieron
que los cientficos separaran sustancias en sus componentes y, por
tanto, explicaran muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El
desarrollo acelerado de tecnologa cada vez ms refinada durante el
si- glo xx nos ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo
que es inapreciable a simple vista. El uso de las computadoras y
microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los
qumicos analicen la estructura de los tomos y las molculas (las
unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la qumica)
y diseen nuevas sustancias con propiedades espe- cficas, como
frmacos y productos de consumo no contaminantes. En este principio
del siglo xxi conviene preguntarnos qu funcin tendr la ciencia cen-
tral en esta centuria. Es casi indudable que la qumica mantendr una
funcin fundamental en todas las reas de la ciencia y la tecnologa.
antes de profundizar en el estudio de la materia y su
transformacin, consideremos algunas fronteras que los qumicos
exploran actualmente (figura 1.1). Sin importar las razones por las
que tome un curso de introduccin a la qumica, el conocimiento
adecuado de esta disciplina le permitir apreciar sus efectos en la
sociedad y en usted. Salud y medicina Tres logros importantes en el
siglo xx han permitido la prevencin y tratamiento de enfer-
medades. Se trata de medidas de salud pblica que establecieron
sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra
enfermedades infecciosas; la ciruga con anestesia, que ha
posibilitado a los mdicos curar enfermedades posiblemente mortales,
como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibiticos,
que hicieron factible la prevencin de enferme- dades causadas por
microorganismos. La terapia gnica al parecer ser la cuarta
revolucin en la medicina. (Los genes son la unidad bsica de la
herencia.) Se cuentan por miles las en- fermedades conocidas, entre
ellas la fibrosis qustica y la hemofilia, ocasionadas por un dao
heredado de un solo gen. muchos otros padecimientos, como cncer,
enfermedades cardiacas, sida y artritis, resultan hasta cierto
punto de alteraciones de uno o ms genes relacionados con los
sistemas de defensa del organismo. En la terapia gnica se inserta
un gen sano espe- cfico en las clulas del paciente para curar o
aminorar esos trastornos. a fin de ejecutar esos procedimientos, el
mdico debe tener conocimientos slidos de las propiedades qumicas de
los componentes moleculares implicados. La descodificacin del
genoma humano, que com- prende todo el material gentico de nuestro
organismo y desempea una funcin esencial en la terapia gnica, se
basa principalmente en tcnicas qumicas. Los qumicos de la industria
farmacutica investigan frmacos potentes con pocos o nulos efectos
adversos para el tratamiento del cncer, sida y muchas otras
enfermedades, adems de frmacos para aumentar el nmero de
trasplantes exitosos de rganos. En una escala ms amplia, mejorar
nuestra comprensin sobre el mecanismo del envejecimiento permitir
lograr esperanza de vida ms prolongada y saludable para los
habitantes del planeta. Energa y ambiente La energa es un producto
secundario de muchos procesos qumicos, y al continuar el aumento en
su demanda, tanto en pases industrializados, entre ellos Estados
unidos, como en nacio- El ideograma chino para el trmino qumica
significa el estudio del cambio. 01_CHAPTER 01.indd 4 12/20/09
11:53:17 AM
- 35. 51.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi nes en vas de
desarrollo, como china, los qumicos intentan activamente encontrar
nuevas fuentes de energa. En la actualidad, las principales fuentes
de energa son los combustibles fsiles (carbn, petrleo y gas
natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarn otros
50 a 100 aos con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente
encontrar fuentes alternas. La energa solar al parecer es una
fuente viable de energa para el futuro. cada ao, la superficie
terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energa
contenida en todas las reservas conocidas de carbn, petrleo, gas
natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energa
se desperdicia al reflejarse hacia el espacio exterior. En los
ltimos 30 aos, las intensas actividades de investigacin han
mostrado que la energa solar puede aprovecharse con efectividad de
dos maneras. una de ellas es su conversin directa en electri- cidad
mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La
otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrgeno a partir
del agua. Luego, el hidrgeno alimenta a una celda combustible para
generar electricidad. aunque se han logrado adelantos en los
conocimientos del proceso cientfico de conversin de la energa solar
en electricidad, la tecnologa todava no ha mejorado al punto de que
sea factible producir electricidad en gran escala y con costo
econmicamente aceptable. Sin embargo, se ha predicho que para el ao
2050 la energa solar satisfar ms de 50% de las necesidades
energticas. otra posible fuente de energa es la fisin nuclear, si
bien el futuro de la industria nuclear en Estados unidos y otros
pases es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre
los desechos radiactivos de los procesos de fisin. Los qumicos
pueden ayudar en el mejo- Figura 1.1 a) Salida de datos de un
equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada lnea muestra una
secuencia (indicada por colores distintos) obtenida de muestras
distintas de ADN. b) Celdas fotovol- taicas. c) Oblea de silicio en
fabricacin. d) La hoja de la izquierda se tom de una planta de
tabaco no sometida a ingeniera gentica y expuesta a la accin del
gusano del tabaco. La hoja de la derecha s fue sometida a ingeniera
gentica y apenas la atacaron los gusanos. Es factible aplicar la
misma tcnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas. a)
c) b) d) 01_CHAPTER 01.indd 5 12/20/09 11:53:22 AM
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- 36. 6 caPTuLo 1 Qumica: El estudio del cambio ramiento del
destino final de los desechos nucleares. La fusin nuclear, el
proceso que ocurre en el Sol y otras estrellas, genera enormes
cantidades de energa sin producir muchos dese- chos radiactivos
peligrosos. al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusin
nuclear se convierta en una fuente significativa de energa. La
produccin y utilizacin de la energa se relacionan estrechamente con
la calidad del ambiente. una desventaja importante de quemar
combustibles fsiles es que se produce dixido de carbono, que es uno
de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el
calentamiento de la atmsfera terrestre), adems de dixido de azufre
y xidos de nitrgeno, que producen la lluvia cida y el esmog. (El
aprovechamiento de la energa solar no tiene esos efectos nocivos en
el ambiente.) El uso de automviles eficientes en el consumo de
combus- tibles y de convertidores catalticos ms efectivos debe
permitir una reduccin considerable de las emisiones automotrices
nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmsfera en las reas
con trnsito vehicular intenso. adems, debe aumentar el uso de
automviles elctricos equipados con bateras duraderas y de
automviles hbridos, alimentados por bateras y gaso- lina, lo que
ayudar a minimizar la contaminacin atmosfrica. Materiales y
tecnologa La investigacin y el desarrollo de la qumica en el siglo
xx han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento
profundo de la calidad de vida y han ayudado a mejorar la tecno-
loga de diversas maneras. unos cuantos ejemplos son los polmeros
(incluidos el caucho y el nailon), la cermica (como la que se usa
en utensilios de cocina), los cristales lquidos (como los de las
pantallas electrnicas), los adhesivos (como los usados en notas
adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las
pinturas de ltex). Qu nos reserva el futuro cercano? algo muy
probable es el uso de materiales supercon- ductores a temperatura
ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que no
son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energa
elctrica se pierde en forma de calor entre la planta generadora de
electricidad y los hogares u oficinas, lo que constitu- ye un
desperdicio enorme. Los superconductores son materiales
desprovistos de resistencia elctrica, y por tanto conducen la
electricidad sin prdida de energa. aunque el fenmeno de la
superconductividad a temperaturas muy bajas (ms de 400 grados
Fahrenheit por debajo del punto de congelacin del agua) se ha
conocido durante ms de 90 aos, un adelanto im- portante a mediados
del decenio de 1980 revel que es posible fabricar materiales que
acten como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de
ella. Los qumicos han ayudado en el diseo y sntesis de nuevos
materiales promisorios en dicha bsqueda. En los 30 aos siguientes,
veremos la aplicacin en gran escala de superconductores a altas
temperaturas en la resolucin de imgenes por resonancia magntica
(iRm), trenes de levitacin magntica y fusin nuclear. Si fuera
necesario mencionar un adelanto tecnolgico que ha conformado
nuestras vidas ms que ningn otro, habra que sealar a las
computadoras. El motor que impulsa la revo- lucin de las
computadoras es el microprocesador, el diminuto chip de silicio que
ha servido de base para numerosas invenciones, como las
computadoras porttiles y aparatos de fax. La eficiencia de los
microprocesadores se juzga segn la velocidad con la que realizan
operacio- nes matemticas, como la suma. El ritmo del progreso es
tal que desde su advenimiento se ha duplicado la velocidad de los
microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un micropro- cesador
depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para
agregar la cantidad ne- cesaria de otras sustancias, situacin en
que los qumicos desempean una funcin importante en la investigacin
y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los cientficos
empezarn a explorar las perspectivas de la computacin molecular, es
decir, la sustitucin del silicio con molculas. Las ventajas radican
en que puede lograrse que ciertas molculas respondan a la luz, no a
los electrones, con lo que se tendran computadoras pticas, no
electrnicas. con base en la ingeniera gentica apropiada, los
cientficos pueden sintetizar esas molculas con microorganismos, que
sustituiran a grandes fbricas. Las computadoras pticas tambin ten-
dran una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las
electrnicas. 01_CHAPTER 01.indd 6 12/20/09 11:53:23 AM
- 37. 71.2 Estudio de la qumica Alimentos y agricultura cmo
alimentar a la creciente poblacin mundial? En pases pobres, casi
80% de la fuerza laboral se dedica a la produccin agrcola y la
mitad del presupuesto familiar promedio se gasta en alimentos. Ello
constituye una carga enorme para los recursos de esas naciones. Los
factores que afectan la produccin agrcola son la riqueza del suelo,
los insectos y enferme- dades que daan los cultivos, y otras
plantas que compiten por los nutrientes. adems de la irrigacin, los
agricultores recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la
productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el
tratamiento de los cultivos infestados por plagas ha consistido a
veces en la aplicacin indiscriminada de compuestos qumicos
potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos
nocivos graves en el ambiente. inclusive el uso excesivo de
fertilizantes es daino para el suelo, el agua y el aire. a fin de
satisfacer la demanda de alimentos en el siglo xxi, deben idearse
estrategias novedosas para la actividad agrcola. Se ha demostrado
ya que con la biotecnologa es po- sible obtener cultivos ms
abundantes y de mejor calidad. Estas tcnicas se han aplicado a
muchos productos agrcolas, no slo para mejorar su produccin, sino
tambin para obtener ms cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que
cierta bacteria produce una protena txica para las orugas que comen
hojas. La inclusin del gen que codifica la toxina en las plantas
cultivadas les brinda proteccin contra ellas, de modo que no se
requieran los pesticidas. Los investigadores tambin han encontrado
la forma de prevenir la reproduccin de las plagas de insectos. Los
insectos se comunican entre s al emitir molculas especiales,
llamadas fero- monas, ante las cuales reaccionan. La identificacin
y la sntesis de feromonas implicadas en el apareamiento permiten
interferir en el ciclo reproductivo normal de plagas comunes, por
ejemplo, al inducir el apareamiento reproductivo prematuro de los
insectos o engaar a las hembras para que copulen con machos
estriles. En adicin, los qumicos pueden idear for- mas de aumentar
la produccin de fertilizantes menos dainos para el ambiente y
sustancias que eliminen selectivamente las hierbas nocivas. 1.2
Estudio de la qumica En comparacin con otras disciplinas, es
habitual la idea de que la qumica es ms difcil, al menos en el
nivel bsico. Dicha percepcin se justifica hasta cierto punto; por
ejemplo, es una disciplina con un vocabulario muy especializado.
Sin embargo, inclusive si ste es el primer curso de qumica que toma
usted, ya est familiarizado con el tema mucho ms de lo que su-
pone. En las conversaciones cotidianas escuchamos palabras
relacionadas con la qumica, si bien no necesariamente usadas en el
sentido cientficamente correcto. Ejemplo de ello son tr- minos como
electrnica, salto cuntico, equilibrio, catalizador, reaccin en
cadena y masa crtica. adems, si usted cocina, entonces es un qumico
en ejercicio! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el
aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua en la
estufa llega un momento en que se evapora por completo. Tambin
aplica los principios de la qumica y la fsica cuando usa el
bicarbonato de sodio en la elaboracin de pan; una olla a presin
para abreviar el tiempo de preparacin de guisos, aade ablandador de
carnes a un platillo, exprime un limn sobre rebanadas de pera para
evitar que se tornen oscuras o sobre el pescado para minimizar su
olor, o aade vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los das
observamos esos cambios sin pensar en su naturaleza qumica. El
propsito de este curso es hacer que usted piense como qumico, que
vea el mundo macroscpico, lo que podemos ver y tocar directamente,
y visualice las partculas y fenmenos del mundo microscpico que no
podemos experimentar sin la tecnologa moderna y nuestra imaginacin.
al principio es factible que le confunda que su profesor de qumica
y este libro alter- nen continuamente entre los mundos microscpico
y macroscpico. Simplemente debe tener presente que los datos de las
investigaciones qumicas suelen provenir de observaciones de
fenmenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en
el mundo microscpico invisible e imaginario de tomos y molculas. En
otras palabras, los qumicos frecuentemente ven algo (en el mundo
macroscpico) y piensan en algo ms (en el mundo microscpico). Por
01_CHAPTER 01.indd 7 12/20/09 11:53:24 AM www.FreeLibros.com
- 38. 8 caPTuLo 1 Qumica: El estudio del cambio ejemplo, al
observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un qumico pensara en
las propie- dades bsicas de los tomos individuales del hierro y la
forma en que interaccionan dichas unidades con otros tomos y
molculas para producir el cambio observado. 1.3 El mtodo cientfico
Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de
lo que se denomina mtodo cientfico, que es un enfoque sistemtico
para la investigacin. Por ejemplo, un psiclogo que pretende indagar
el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender
qumica y un qumico interesado en medir el calor liberado por la
combustin del hidrgeno gaseoso en presencia de aire utilizaran
aproximadamente el mismo procedimiento en sus investiga- ciones. El
primer paso consiste en definir de manera minuciosa el problema. El
siguiente es realizar experimentos, elaborar observaciones
detalladas y registrar la informacin, o datos, concernientes al
sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En
los ejemplos recin mencionados, los sistemas son el grupo de
personas que estudia el psiclogo y una mezcla de hidrgeno y aire,
respectivamente.) Los datos obtenidos en una investigacin pueden
ser cualitativos, o sea, consistentes en observaciones generales
acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los nme-
ros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los
qumicos usan smbolos y ecuaciones estandarizados en el registro de
sus mediciones y observaciones. Esta forma de representacin no slo
simplifica el proceso de registro, sino que tambin constituye una
base comn para la comunicacin con otros qumicos. una vez terminados
los experimentos y registrados los datos, el paso siguiente del
mtodo cientfico es la interpretacin, en la que el cientfico intenta
explicar el fenmeno observado. con base en los datos recopilados,
el investigador formula una hiptesis, que es una explica- cin
tentativa de un conjunto de observaciones. Luego, se disean
experimentos adicionales para verificar la validez de la hiptesis
en tantas formas como sea posible y el proceso se inicia de nuevo.
En la figura 1.3 se resumen los pasos principales del proceso de
investigacin. Figura 1.2 Vista molecular simplificada de la
formacin de la herrumbre (Fe2O3) a partir de tomos de hierro (Fe) y
molculas de oxgeno (O2). En realidad, el proceso requiere agua y la
herrumbre tambin contiene molculas de agua. 88n Fe Fe2O3 O2
01_CHAPTER 01.indd 8 12/20/09 11:53:32 AM
- 39. 91.3 El mtodo cientfico Despus de recopilar un gran volumen
de datos, a menudo es aconsejable resumir la informacin de manera
concisa, como una ley. En la ciencia, una ley es un enunciado
conci- so, verbal o matemtico, de una relacin entre fenmenos que es
siempre la misma bajo las mismas condiciones. Por ejemplo, la
segunda ley del movimiento de Sir isaac Newton, que tal vez
recuerde de sus cursos de fsica, afirma que la fuerza es igual a la
masa por la aceleracin (F = ma). El significado de esta ley es que
el aumento en la masa o en la aceleracin de un objeto siempre
incrementa proporcionalmente su fuerza, en tanto que una disminucin
en la masa o en la aceleracin indudablemente reduce su fuerza. Las
hiptesis que resisten muchas pruebas experimentales de su validez
pueden conver- tirse en teoras. una teora es un principio
unificador que explica un conjunto de hechos o las leyes basadas en
esos hechos. Las teoras tambin son sometidas a valoracin constante.
Si una teora es refutada en un experimento, se debe desechar o
modificar para hacerla com- patible con las observaciones
experimentales. aprobar o descartar una teora puede tardarse aos o
inclusive siglos, en parte por la carencia de la tecnologa
necesaria. La teora atmica, que es tema del captulo 2, es un
ejemplo al respecto. Se precisaron ms de 2 000 aos para confirmar
este principio fundamental de la qumica que propuso Demcrito, un
filsofo de la antigua Grecia. un ejemplo ms contemporneo es la
teora del Big Bang sobre el origen del universo, que se comenta en
la pgina 10. Los adelantos cientficos pocas veces, si acaso, se
logran de manera rgida, paso a paso. En ocasiones, una ley precede
a la teora correspondiente, o viceversa. Es posible que dos
cientficos empiecen a trabajar en un proyecto exactamente con el
mismo objetivo y terminen con enfoques del todo distintos. Despus
de todo, los cientficos son seres humanos, y su for- ma de pensar y
trabajar est sujeta a influencia considerable de sus antecedentes,
capacitacin y personalidad. El desarrollo de la ciencia ha sido
irregular y a veces ilgico. Los grandes descubrimien- tos son
resultado de las contribuciones y experiencias acumuladas de muchos
investigadores, pese a que el crdito por la formulacin de una teora
o ley por lo regular se otorga a una sola persona. Por supuesto, la
suerte es un factor en los descubrimientos cientficos, si bien se
ha afirmado que las oportunidades favorecen a las mentes
preparadas. Se requiere atencin y capacidad para reconocer la
importancia de un descubrimiento accidental y sacar mximo provecho
de l. Es muy frecuente que el pblico general se entere slo de los
adelantos cien- tficos espectaculares. Sin embargo, por cada una de
esas historias muy conocidas existen cientos de casos de cientficos
que han dedicado aos a trabajar en proyectos que finalmente
terminaron siendo infructuosos, y en los que se logran resultados
positivos slo despus de muchos errores y a un ritmo tan lento que
pasan inadvertidos. inclusive esas investigaciones infructuosas
contribuyen de alguna manera al avance continuo del conocimiento
del universo fsico. Es el amor por la investigacin lo que mantiene
en el laboratorio a muchos cientficos. Figura 1.3 Los tres niveles
del estudio de la qumica y su relacin. La observacin corres- ponde
a fenmenos en el mundo macroscpico; los tomos y molculas conforman
el mundo microscpico. La representacin es una escritura cientfica
abre- viada que describe un experi- mento con smbolos y ecuaciones
qumicas. Los qumicos usan su conocimiento de los tomos y molculas
para explicar un fen- meno observado. RepresentacinObservacin
Interpretacin Revisin de conceptos cul de los siguientes enunciados
es verdadero? a) una hiptesis siempre conduce a la formulacin de
una ley. b) El mtodo cientfico es una secuencia rigurosa de pasos
para la resolucin de problemas. c) una ley resume una serie de
observaciones experimentales; una teora ofrece una explicacin de
esas observaciones. 01_CHAPTER 01.indd 9 12/20/09 11:53:35 AM
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- 40. 10 caPTuLo 1 Qumica: El estudio del cambio 1.4 Clasificacin
de la materia al principio del captulo definimos la qumica como el
estudio de la materia y los cambios que experimenta. La materia es
todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La materia incluye lo que
podemos ver y tocar (como el agua, la tierra y los rboles) y lo que
no podemos ver ni tocar (como el aire). as pues, todo en el
universo tiene una conexin qumica. q u m i c a en accin Foto a
color de alguna galaxia distante, incluyendo la posicin de un
quasar. El helio primordial y la teora del Big Bang De dnde
venimos? cmo se origin el universo? Los seres humanos nos hemos
hecho estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La
bsqueda de respuestas constituye un ejemplo del mtodo cientfico. En
el decenio de 1940, el fsico ruso-estadounidense George Gamow
plante la hiptesis de que el universo se inici miles de millones de
aos atrs con una explosin gigantesca, el Big Bang. En esos primeros
momentos, el universo ocupaba un volumen dimi- nuto y su
temperatura era ms alta de lo imaginable. Esta brillante bola de
fuego de radiacin mezclada con partculas microscpicas de materia se
enfri gradualmente, hasta que se formaron los to- mos. Por la
influencia de la fuerza de gravedad, estos tomos se agruparon para
formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Va
Lctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se ha
puesto a prueba experimentalmente de diversas maneras. Por
principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo
est en expansin, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras
a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento ex-
plosivo del universo. al imaginar tal expansin en retroceso, como
cuando se rebobina una pelcula, los astrnomos han deducido que el
universo se inici hace unos 13 000 millones de aos. La segunda
observacin que sustenta la hiptesis de Gamow es la deteccin de
radiacin csmica de fondo. a lo largo de miles de millones de aos,
el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una
temperatura de 3 K (o sea, 270c)! a esta temperatura, gran parte de
la energa corresponde a la regin de microondas. Puesto que el Big
Bang habra ocurrido simultneamente en todo el dimi- nuto volumen
del universo en formacin, la radiacin que gener debe haber llenado
todo el universo. as pues, la radiacin debe ser la misma en todo el
universo que observamos. De hecho, las seales de microondas que
registran los astrnomos son independientes de la direccin. El
tercer dato que sustenta la hiptesis de Gamow es el descu-
brimiento del helio primordial. Los cientficos piensan que el helio
y el hidrgeno (los elementos ms ligeros) fueron los primeros que se
formaron en las etapas iniciales de la evolucin csmica. (Se cree
que otros elementos ms pesados, como el carbono, nitrgeno y ox-
geno, se formaron ms adelante por reacciones nucleares en las que
participaron el hidrgeno y el helio, en el centro de las
estrellas.) De ser as, un gas difuso formado por hidrgeno y helio
se habra diseminado por todo el universo naciente antes de que se
formaran muchas de las galaxias. En 1995, los astrnomos que
analizaron la luz ultravioleta proveniente de un lejano quasar
(poderosa fuente de luz y de seales de radio que se considera como
una galaxia en explosin en el borde del universo) descubrieron que
una parte de la luz era absorbida por los tomos de helio en su
trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en cuestin dista de
nuestro planeta ms de 10 000 millones de aos luz (un ao luz es la
distancia que recorre la luz en un ao), la luz que llega a la
Tierra corresponde a fenme- nos que ocurrieron hace ms de 10 000
millones de aos. Por qu el hidrgeno no fue el elemento ms abundante
que se detect? El tomo de hidrgeno tiene un solo electrn, que se
desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionizacin.
Los tomos de hidrgeno ionizados no pueden absorber en absoluto la
luz del qua- sar. Por otra parte, el tomo de helio tiene dos
electrones. La radia- cin puede quitarle al helio uno de sus
electrones; pero no siempre ambos. Los tomos de helio ionizados
todava absorben luz y, por tanto, son detectables. Los defensores
de la explicacin de Gamow se regocijaron ante la deteccin de helio
en los confines distantes del universo. En reconocimiento de todos
los datos sustentadores, los cientfi- cos ahora se refieren a la
hiptesis de Gamow como teora del Big Bang. 01_CHAPTER 01.indd 10
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- 41. 111.4 clasificacin de la materia Los qumicos distinguen
varios subtipos de materia con base en su composicin y pro-
piedades. La clasificacin de la materia incluye sustancias,
mezclas, elementos y compuestos, adems de los tomos y molculas, que
estudiaremos en el captulo 2. Sustancias y mezclas una sustancia es
una forma de materia que tiene composicin definida (constante) y
propie- dades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco,
azcar de mesa (sacarosa), oro y oxgeno. Las sustancias difieren
entre s por su composicin y se pueden identificar segn su aspecto,
color, sabor y otras propiedades. una mezcla es una combinacin de
dos o ms sustancias en la que stas conservan sus propiedades.
algunos ejemplos familiares de ello son el aire, las bebidas
gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no poseen composicin
constante. Por tanto, las muestras de aire obtenidas en distintas
ciudades probablemente diferirn en su composicin a causa de
diferen- cias de altitud, contaminacin atmosfrica, etctera. Las
mezclas pueden ser homogneas o heterogneas. cuando se disuelve una
cucharada de azcar en agua, se obtiene una mezcla homognea, en la
que la composicin de la mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar
arena con virutas de hierro, tanto una como las otras se mantienen
separadas (figura 1.4). En tal caso, se habla de una mezcla
heterognea porque su composicin no es uniforme. cualquier mezcla,
sea homognea o heterognea, se puede formar y luego separar por
medios fsicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de
tales componentes. as pues, el azcar se puede recuperar de una
disolucin acuosa al calentar esta ltima y evaporarla por completo.
La condensacin del vapor permite recuperar el agua. En cuanto a la
separacin de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imn para
separar las virutas de hierro, ya que el imn no atrae a la arena
misma [figura 1.4b)]. Despus de la separacin, los componentes de la
mezcla tendrn la misma composicin y propiedades que al principio.
Elementos y compuestos Las sustancias pueden ser elementos o
compuestos. un elemento es una sustancia que no se puede separar en
otras ms sencillas por medios qumicos. Hasta la fecha se han
identificado 117 elementos. La mayora de ellos se encuentran de
manera natural en la Tierra. Los otros se han