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QUMICA
Un proyecto de la American Chemical Society
EDITORIAL REVERT, S.A.Barcelona Bogot Buenos Aires Caracas Mxico
EREV RTS A
ACS_ROMANOS 26/5/05 12:32 Pgina iii
INTRODUCCIN xxiii
CAPITULO 1 El agua: una maravilla de la naturaleza 1
1.1 Estados de la materia 1Densidad 2Slidos 2Lquidos 2Gases 3Cambios de estado 4
Resumen y consecuencias 5
1.2 Modelos atmicos 5Naturaleza elctrica de la materia 6tomos y elementos 7Modelo atmico de la capa
de electrones 7
1.3 Modelos moleculares 10Enlace molecular y estructura 12
1.4 Los electrones de valencia en losmodelos moleculares: las estructuras deLewis 13
Estructuras de Lewis 13Conectividad 14
Resumen y consecuencias 16
1.5 Disposicin tridimensional de loselectrones de valencia 17
Disposicin tetradrica 18Modelo de barras y bolas modificado 18
1.6 Polaridad de la molcula de agua 19
Efecto de una carga elctrica en las molculaspolares 19
Las molculas de agua son polares 20
Polaridad de enlace 21Electronegatividad 21
Resumen y consecuencias 24
1.7 Por qu es lquida el agua atemperatura ambiente? 25
Atracciones entre dipolos inducidos 26Atracciones entre molculas polares 27El enlace de hidrgeno 29
1.8 Ms efectos estructurales del enlacede hidrgeno en el agua 32
El hielo: una red de enlaces de hidrgeno 32
Variacin de la densidad del agua con latemperatura 34
1.9 Enlaces de hidrgeno enbiomolculas 34
Protenas 35Protenas plegadas 35cidos nucleicos 36Fortaleza de los enlaces de hidrgeno 38
Resumen y consecuencias 38
1.10 Cambios de fase: lquido a gas 38
Diagramas de energa 39Unidades de energa y conversiones 42Correlaciones con los modelos
moleculares 43
1.11 Contando molculas: el mol 44
Mol y masa molar 4Energas de vaporizacin molar 8Energas de vaporizacin y atracciones
moleculares 49Resumen y consecuencias 50
ndice anal t ico
ix
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1.12 Calor especfico del agua:manteniendo estable la temperatura de la Tierra 51
Capacidad calorfica molar 2Calor especfico 53Temperatura 54Energa trmica (calor) 55Explicando el elevado calor especfico
del agua 56
1.13 Resumen 56
1.14 AmpliacinViscosidad de loslquidos 57Captulo 1. Problemas 60
CAPITULO 2 Soluciones acuosas y solubilidad 72
2.1 Sustancias en disolucin 74Nomenclatura de disoluciones 74El proceso de la disolucin 75Factores favorables y
desfavorables 76
2.2. Disoluciones de molculas polares en agua 76
Enlaces de hidrgeno entre molculasdiferentes 77
Solutos apolares 78Reorganizacin molecular 78Casos intermedios 79Semejante disuelve a semejante 79Solutos con mltiples
grupos polares 80Resumen y consecuencias 81
2.3 Caractersticas de las disoluciones de compuestos inicos en agua 81
Conductividad de las disoluciones 82Slidos inicos y disoluciones 83Atracciones in-dipolo en
disoluciones inicas 84
2.4 Formacin de compuestos inicos 85
Nombres y frmulas 85Por qu se forman los
compuestos inicos 86 Ecuaciones de reacciones
qumicas 87Formacin de cristales inicos 88
2.5 Cambios de energa al disolver compuestos inicos 90
Solubilidad: energa de hidratacin y energa reticular 91
Resumen y consecuencias 93
2.6 Reacciones de precipitacin de iones en disolucin 94
Formacin de precipitados 95Identidad del precipitado 95Ecuaciones de reacciones
inicas 96 Equilibrio 98
2.7 Reglas de solubilidad paracompuestos inicos 98
Reglas de solubilidad para compuestos inicos 100
Factores de reorganizacin en la solubilidad de iones 101
Excepciones a las reglas 02Resumen y consecuencias 102
2.8 Concentraciones y moles 103Concentracin 103Moles y molaridad 104
2.9 Clculos masamolvolumen 108
Preparar disoluciones de molaridad conocida 110
Resumen y consecuencias 112
x ndice
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2.10 Estequiometra de las reacciones en disolucin 112
Relaciones estequiomtricas en reacciones 113
Reactivo limitante 115Cantidad de producto formado 115 Cantidad de reactivo remanente 117
Resumen y consecuencias 118
2.11. Disoluciones de gases en agua 119
El agua como reactivo 122
2.12 La reaccin cido-base del aguaconsigo misma 123
La escala de pH 123cidos y bases de Brnsted-Lowry 125
2.13 cidos y bases en disolucin acuosa 125
Oxicidos 125Compuestos inicos con oxianiones 126Los cidos nucleicos son oxianiones 128cidos carboxlicos 128
2.14 Extensin de las reacciones detransferencia de protones: Principio deLe Chatelier 129
Principio de Le Chatelier 132Una base de Brnsted-Lowry:
el amoniaco 134Revisin de las propiedades de
las disoluciones de gases 135Parejas cido-base de Brnsted-Lowry 136
Resumen y consecuencias 137
2.15 Resumen 137
2.16 Ampliacin el CO2 y el ciclo delcarbono 138
El ciclo del carbono 139Reacciones en las disoluciones de agua
de cal-dixido de carbono 140Captulo 2. Problemas 143
CAPITULO 3 El origen de los tomos 154
3.1 La espectroscopia y la composicinde las estrellas y el cosmos 155
Espectroscopia 156Espectros continuos y de lneas 157Espectros de lneas de los elementos
y las estrellas 158Abundancia de los elementos
en el universo 160Tendencias en la abundancia de
los elementos 162Resumen y consecuencias 162
3.2 El tomo nuclear 162El tomo nuclear 163Protones y nmero atmico 163Neutrones y nmero msico 163Istopos 164Iones 166
3.3 La evolucin del universo: las estrellas 167
La teora del Big Bang (la gran explosin) 167
Las primeras fusiones nucleares 168Vida y muerte de una estrella 168El nacimiento de una nueva estrella 170
Resumen y consecuencias 171
3.4 Reacciones nucleares 171Emisiones a partir de reacciones nucleares 171Ajustar reacciones nucleares 172Desintegracin positrn-electrn 175Descomposicin radiactiva 176Vida media 178Radioistopos y vida humana 180
3.5 Energa de las reacciones nucleares 181
Las reacciones nucleares convierten masa en energa 181
Comparacin de las reacciones qumicas ynucleares 183
ndice xi
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Energas de enlace nuclear 185Fusin, fisin y ncleos estables 187Reacciones nucleares en cadena 189
Resumen y consecuencias 190
3.6 Abundancia csmica de loselementos y estabilidad nuclear 191
Tendencias en la abundancia de los elementos 191
Relacin entre la abundancia y la energanuclear de enlace 192
3.7 Formacin de los planetas: la Tierra 193
El planeta Tierra 193La edad del planeta Tierra 195Los elementos de la vida 196
Resumen y consecuencias 197
3.8 Resumen 197
3.9 Ampliacin Los istopos: la edaddel universo y el sabor de la miel 198
La edad de las estrellas y del universo 198Istopos estables y miel pura 202
Captulo 3. Problemas 206
CAPITULO 4 Estructura atmica 212
4.1 Periodicidad y tabla peridica 213Origen de la tabla peridica 214Rellenando los huecos de la
tabla peridica 215Energa de ionizacin 216
4.2 Emisin atmica y espectros deabsorcin 217
Espectro del sol: anlisis elemental porabsorcin de luz 218
Resumen y consecuencias 220
4.3 La luz como una onda 221Difraccin de la luz 221Nomenclatura de las ondas 222
Ondas superpuestas y difraccin 224Ondas electromagnticas 225Espectro electromagntico 226Fuentes de radiacin
electromagntica 228Resumen y consecuencias 229
4.4 La luz como una partcula: el efectofotoelctrico 230
Emisin de objetos radiantes 230Hiptesis cuntica de Planck 230El efecto fotoelctrico 233La naturaleza dual de la luz 235
Resumen y consecuencias 236
4.5 El modelo atmico cuntico 236Energas cuantizadas de los electrones
en los tomos 237Niveles electrnicos de energa
en tomos 237
4.6 Si una onda puede ser una partcula, puede una partcula ser una onda? 240
Longitud de onda de una partcula enmovimiento 240
Evidencia experimental para las ondaselectrnicas 242
Resumen y consecuencias 242
4.7 El modelo ondulatorio de los electrones en los tomos 243
Ondas y emisiones atmicas 243Ondas estacionarias electrnicas 244Imagen de la probabilidad de
electrones en tomos 244Orbitales 245
4.8 Energa de los electrones en los tomos: por qu los tomos no colapsan? 245
Energa cintica de un electrn 246Energa potencial de un ncleo
y un electrn 247Energa total de un tomo 248
xii ndice
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Por qu los tomos no colapsan? 249Energa de ionizacin del tomo
de hidrgeno 249Resumen y consecuencias 250
4.9 tomos multielectrnicos: espnelectrnico 250
Modelo ondulatorio del electrn para el helio 251
El modelo ondulatorio del electrn para ellitio: un puzzle 251
Propiedades magnticas de los tomosgaseosos 252
Espn electrnico 252Principio de exclusin de Pauli 253Principio de exclusin aplicado al litio:
puzzle resuelto 253
4.10 Periodicidad y capas electrnicas 253
Tendencias de la primera energa de ionizacin de los elementos 253
Modelo de capas electrnicas para los tomos 254
Radios atmicos 256Electronegatividad 257Una mirada ms detallada al modelo
electrnico de capas 258Espn electrnico y el
modelo de capas 260Resumen y consecuencias 261
4.11 Ecuaciones de onda y orbitalesatmicos 262
Ecuacin de onda de Schrdinger 262Soluciones a la ecuacin de onda: orbitales
para tomos monoelectrnicos 263Configuraciones electrnicas 264Niveles de energa en tomos
multielectrnicos 265Configuraciones electrnicas para tomos
multielectrnicos 266Estructura en capas de los tomos 268
4.12 Resumen 269
4.13 Ampliacin. Energas de una onda electrnica esfrica 270
Energa cintica de la onda de un electrn 270
Energa potencial de la onda de un electrn 272
Energa total de un tomo 272Captulo 4. Problemas 273
CAPITULO 5 Estructura molecular 280
5.1 Ismeros 282
5.2 Estructuras de Lewis y modelosmoleculares de ismeros 284
Conexiones atmicas en ismeros 285Resumen y consecuencias 290
5.3 Orbitales moleculares sigma 291Orbitales moleculares 291Orbitales moleculares localizados y
monoelectrnicos (sigma) 293Orbitales sigma enlazantes 293Orbitales moleculares no
enlazantes sigma 294
5.4 Orbitales moleculares sigma ygeometra molecular 295
Armazn molecular sigma 295Formas moleculares 296ngulos y longitudes de enlace 296Molculas que contienen elementos
del tercer periodo 297Por qu slo hay cuatro orbitales
sigma para los elementos del segundo periodo? 300
Resumen y consecuencias 300
5.5 Enlaces mltiples 301Dobles enlaces y propiedades
moleculares 302Triples enlaces 304Enlaces mltiples en tomos
de periodos superiores 306
ndice xiii
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5.6 Orbitales moleculares pi 306Onda estacionaria de orbitales pi 306Geometra molecular sigma-pi
con un orbital pi 307Triples enlaces: geometra sigma pi
con dos orbitales pi 308Resumen y consecuencias 309
5.7 Orbitales deslocalizados 310Orbitales moleculares
deslocalizados 312Orden de enlace 312Energas de los orbitales 313Propiedades metlicas 313Enlace metlico: orbitales
moleculares deslocalizados 316
5.8 Representaciones de la geometra molecular 317
Representacin tetradrica 317Representacin trigonal plana 318Estructuras de Lewis y
forma molecular 319Estructura condensada
del 1-butanol 320Estructura del esqueleto
del 1-butanol 322Resumen y consecuencias 324
5.9 Estereoisomera 325Ismeros cis y trans 326Estereoismeros 326Luz polarizada e isomera 327Distribucin tetradrica alrededor
de un carbono 330Resumen y consecuencias 332
5.10 Grupos funcionales: haciendo lavida interesante 332
Alcanos 332Grupos funcionales 333Alquenos 333Grupos funcionales que contienen
oxgeno y/o nitrgeno 333Alcoholes y teres 335
Compuestos carbonlicos 336Compuestos carboxlicos 337Grupos funcionales mltiples 338
5.11 Reconocimiento molecular 338Interacciones no covalentes 339Reconocimiento molecular 339
Resumen y consecuencias 340
5.12 Resumen 340
5.13 Ampliacin. Orbitales antienlazantes: la historia del oxgeno 341
Paramagnetismo del oxgeno 342Orbitales moleculares antienlazantes 342Modelo de orbitales moleculares
para el oxgeno 343El oxgeno en estado fundamental
reacciona lentamente 344Captulo 5. Problemas 344
CAPITULO 6 Reacciones qumicas 352
6.1 Clasificacin de reacciones qumicas 354
Identificacin de los productos de reaccin 354
Clasificacin de reacciones qumicas 356
6.2 Reacciones de precipitacin inica 357
Estequiometra de la reaccin calcio-oxalato 358
Variaciones continuas 360Resumen y consecuencias 362
6.3 cidos y bases de Lewis: definicin 362
Tipos de reacciones cido-base de Lewis 363
6.4 cidos y bases de Lewis: reaccionescido-base de Brnsted-Lowry 363
cidos y bases fuertes y dbiles de Brnsted-Lowry 364
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Protones y pares de electrones 366Fortaleza relativa de bases de Lewis 366
Resumen y consecuencias 371
6.5 Prediccin de la fortaleza de cidos y bases de Lewis yBrnstedLowry 371
Electronegativad y fortaleza relativa de las bases de Lewis 371
Tamao atmico y fortaleza relativa de las bases de Lewis 372
Oxicidos y oxianiones: cidos carboxlicos 374
Enlaces deslocalizados en el carboxilato 375
Energa de la transferencia de protn 376
Oxicidos y oxianiones de elementos del tercer periodo 377
Comparacin dentro y entre periodos 379
cidos y bases predominantes en una reaccin 380
Resumen y consecuencias 382
6.6 cidos y bases de Lewis: complejos metal-in 383
Color de los complejos metal-in 384Formacin del complejo
CaEDTA 385Formacin y solubilidad
de complejos 386Complejos metal-in con
cuatro ligandos 387Complejos porfirina-metal
en sistemas biolgicos 388Resumen y consecuencias 389
6.7 cidos y bases de Lewis: electrfilos y nuclefilos 390
Nuclefilos y electrfilos 390Reaccin alcohol-cido
carboxlico 391
Polmeros de condensacin 392Polmeros de condensacin biolgica 394
6.8 Carga formal 395Reglas para la carga formal 395Interpretacin de la carga formal 397Las reacciones disminuyen la
carga formal 397Resumen y consecuencias 399
6.9 Reacciones de oxidacinreduccin:transferencia electrnica 400
Direccin de las reacciones de oxidacin-reduccin 400
Ajuste de cargas 401Nmeros de oxidacin 403Interpretacin de los nmeros
de oxidacin 406Una forma alternativa de calcular
los nmeros de oxidacin 407Resumen y consecuencias 408
6.10 Ajuste de reacciones de oxidacinreduccin 409
Mtodo del nmero de oxidacin 409El mtodo de las semirreacciones 412Reacciones de oxidacin-reduccin
en condiciones bsicas 415
6.11 Reacciones de oxidacinreduccin de molculas que contienen carbono 416
Oxidacin del metanal por el in plata 417
Fermentacin de la glucosa con levadura 418
6.12 Resumen 420
6.13 Ampliacin. Valoraciones 421Reaccin de cido actico
con hidrxido 422Valoraciones 422Reaccin yodo-cido ascrbico 425
Captulo 6. Problemas 426
ndice xv
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CAPITULO 7 Energa qumica: entalpa 436
7.1 Transformacin de la energa 438Midiendo energa 438Conservacin de la energa
y cambios qumicos 439
7.2 Energa trmica (calor) y energa mecnica (trabajo) 440
Energa cintica orientada y no orientada 441
Energa de las reacciones qumicas 442
7.3 Transferencia de energa trmica (calor) 442
Transferencia de energa trmica por radiacin 443
Transferencia de energa trmica por contacto 443
Resumen y consecuencias 445
7.4 Funciones de estado y funciones de trayectoria 445
Funciones de estado 446Funciones de trayectoria 447
7.5 Sistema y alrededores 448Sistemas abiertos, cerrados
y aislados 448Resumen y consecuencias 451
7.6 Calorimetra e introduccin a la entalpa 451
Entalpa 452Calorimetra a presin constante 453Temperatura y cambio de
energa trmica 454Clculo del cambio de
entalpa molar 456Mejora de las medidas
calorimtricas 457Resumen y consecuencias 458
7.7 Entalpas de enlace 458Reacciones qumicas: rotura y
formacin de enlaces 459Entalpa de enlace 461Rotura homoltica de enlaces 461Entalpas medias de enlace 462Relaciones entre las entalpas
medias de enlace 463Clculos de entalpas de enlace 465Exactitud de los clculos de
entalpas de enlace 468Resumen y consecuencias 469
7.8 Entalpas estndar de formacin 469
7.9 Aprovechamiento de la energa en los sistemas vivos 476
Acoplamiento de reacciones 477Energa capturada como ATP4 478Uso de la energa capturada
como ATP 479Resumen y consecuencias 481
7.10 Trabajo presinvolumen, energa interna y entalpa 481
Definicin de trabajo 482Reacciones a volumen constante
y reacciones a presin constante 483Trabajo presinvolumen 483Entalpa revisada y definida 485
Resumen y consecuencias 488
7.11 Qu es lo que la entalpa no nos dice? 488
7.12 Resumen 490
7.13 AmpliacinGases ideales ytermodinmica 491
Modelo cintico-molecular de los gases 493
La ecuacin de los gases ideales 494
xvi ndice
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Anlisis de los procesos a volumen y presin constantes 497
Clculo del trabajo presin-volumen 499
Captulo 7. Problemas 501
CAPITULO 8 Entropa y organizacin molecular 512
8.1 Mezcla y smosis 514Mezcla 514smosis 515
8.2 Probabilidad y cambio 516Probabilidad 517
8.3 Clculo de las disposicionesmoleculares de una mezcla 517
El modelo para las mezclas 518Disposiciones de un sistema
sin mezcla 518Disposiciones en un
sistema mezclado 519
8.4 Procesos de mezcla y smosis ensistemas macroscpicos 520
Difusin 520Modelo molecular para la smosis 521
Resumen y consecuencias 522
8.5 Estados energticos de las molculas 522
Modelo para los estados energticos 523
Contando los estados energticos 524
8.6 Entropa 527Entropa neta: segundo principio
de la termodinmica 527Entropa absoluta 528
Resumen y consecuencias 528
8.7 Cambios de fase y entropa neta 529
Una contradiccin 530Fusin y congelacin del agua 530Variacin de entropa neta en la
fusin del hielo 531Magnitud de las variaciones
de entropa trmica 532Expresin cuantitativa de
la variacin de entropa trmica 533La contradiccin resuelta 34Equilibrio de fases 535
8.8 Energa libre de Gibbs 536Examinando el sistema 536Perspectiva de la energa 538Energa libre de Gibbs y la
direccin del cambio 538Criterio de equilibrio 541Por qu una nueva variable
termodinmica? 541Por qu energa libre? 541
Resumen y consecuencias 542
8.9 Clculos termodinmicos en las reacciones qumicas 542
Ecuacin general para el clculo de las variaciones de entropa 542
Variacin de entropa en la oxidacin de la glucosa 543
Variacin de energa libre en la oxidacin de la glucosa 544
Variacin de la entropa en la disolucin de slidos inicos 546
Entropa de los iones en disolucin 548
Significado de G y de G 549Resumen y consecuencias 549
8.10 Por qu el aceite y el agua no se mezclan? 550
Molculas de agua orientadas 551Formacin de clatratos 551
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8.11 Molculas ambiflicas: micelas ymembranas de doble pared 552
Molculas ambiflicas 553Formacin de micelas 553Como acta el detergente 554Membranas dobles fosfolipdicas 555Movimiento a travs de una
membrana de doble capa fosfolipdica 556
Resumen y consecuencias 557
8.12 Propiedades coligativas de las disoluciones 558
Punto de congelacin de una disolucin 558
Variacin de la entropa en la congelacin de una disolucin 558
Propiedades coligativas 560Cuantificacin del descenso
del punto de congelacin 561Efecto de la ionizacin del soluto
en las propiedades coligativas 563Elevacin del punto de ebullicin 564
8.13 Clculos de presin osmtica 565Valores cuantitativos de
presin osmtica 565Resumen y consecuencias 567
8.14 El coste de la organizacinmolecular 567
8.15 Resumen 569
8.16 AmpliacinLa termodinmica del caucho 570
Estructura molecular del caucho 571Captulo 8. Problemas 573
CAPITULO 9 Equilibrio qumico 586
9.1 La naturaleza del equilibrio 588Identificacin de sistemas
en equilibrio 588Reaccin de Fe3(aq) con SCN(aq) 590
Equilibrio en el sistema Fe3(aq)SCN(aq) 590
Complejos de Co2 con agua y cloruro 593La temperatura y el sistema
Co2aguacloruro 593Resumen y consecuencias 594
9.2 Expresin matemtica de la condicin de equilibrio 595
Expresin de la constante de equilibrio 596
Estados estndar en solucin 599Otros estados estndar 600
9.3 Reacciones cidobase y equilibrio 600
La reaccin del cido actico con el agua 600
Determinacin del pH de un cido de Ka conocida 602
La autoionizacin del agua 604La reaccin entre el ion acetato
y el agua 606Relacin entre Ka y Kb para un
par cido-base conjugado 607pK 608
Resumen y consecuencias 610
9.4 Disoluciones de pares cido-base conjugados: disoluciones reguladoras 610
Cociente de los pares cido-base conjugados 613
Como acta una disolucin reguladora 614El pH de una disolucin reguladora 616Preparacin de una disolucin
reguladora 618
9.5 Propiedades cidobase de lasprotenas 619
Grupos cido-base en las cadenas laterales de las protenas 619
El pH isoelctrico de las protenas 620Electroforesis 621cidos, bases y clulas de la hoz 622
Resumen y consecuencias 623
xviii ndice
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9.6 Equilibrios de solubilidad de sales inicas 623
Producto de solubilidad 624Solubilidad y producto de solubilidad 626El efecto de ion comn 628
Resumen y consecuencias 631
9.7 La termodinmica y la constante de equilibrio 632
La energa libre de reaccin y el cociente de reaccin 632
La energa libre estndar de reaccin y la constante de equilibrio 634
9.8 La variacin de la constante de equilibrio con la temperatura 636
Determinacin grfica de los valorestermodinmicos 640
Resumen y consecuencias 643
9.9 La termodinmica de los sistemas vivos 643
La energa libre en las reacciones celulares 643
La hidrlisis del ATP 644La constante de equilibrio para
la hidrlisis del ATP 644La variacin de energa libre en
las reacciones celulares del ATP 645El equilibrio en el transporte
de oxgeno 647
9.10 Resumen 649
9.11 AmpliacinLa basetermodinmica de la constante deequilibrio 650
Variaciones en condiciones no estndar 651
Variacin de la entropa en una reaccin en fase gaseosa 652
La variacin de la energa libre en una reaccin en fase gaseosa 653
El cociente de reaccin 654Captulo 9. Problemas 654
CAPITULO 10 Reduccinoxidacin:electroqumica 664
10.1 Electrlisis 666Electrlisis del agua 667nodo y ctodo 669Estequiometra de la electrlisis 670Aplicaciones de la electrlisis 672
Resumen y consecuencias 675
10.2 Corriente elctrica a partir de reacciones qumicas 676
Semirreacciones separadas 677Puente salino 678Celdas galvnicas 680Notacin de una celda electroqumica 680
10.3 Potenciales de celda 682Potencial de celda, E 683El signo de E 683Relacin entre reacciones redox
y potenciales de celda 684Resumen y consecuencias 685
10.4 Potenciales de semicelda:potenciales de reduccin 686
El electrodo estndar de hidrgeno 686
Medicin del potencial de reduccin 687
Signo de los potenciales de reduccin 688
Tabla de potenciales de reduccin estndar 689
La direccin de las reacciones redox 689Resumen y consecuencias 692
10.5 Trabajo de celdas electroqumicas: energa libre 693
Trabajo elctrico 694Energa libre y potencial de celda 697Combinacin de reacciones redox y
potenciales de celda 698Resumen y consecuencias 698
ndice xix
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10.6 Variacin de los potenciales de celda con la concentracin: ecuacin de Nernst 699
La ecuacin de Nernst y el pH 704
E y la constante de equilibrio, K 705
10.7 Potenciales de reduccin y ecuacin de Nernst 706
Ecuacin de Nernst de una semirreaccin 709
Potenciales de reduccin en condiciones biolgicas 79
Resumen y consecuencias 711
10.8 Reacciones redox acopladas 711
La glucosa se oxida a cido glucurnico 712
El sistema redox Cu2Cu 713Reaccin redox en el ensayo
de Benedict 715La(s) reaccin(es) redox de
la Botella Azul 716El azul de metileno acopla la oxidacin
de la glucosa a la reduccin del oxgeno 719
Reacciones acopladas en una celda de biocombustible 720
Oxidacin de la glucosa en organismos aerobios 722
Resumen y consecuencias 724
10.9 Resumen 725
10.10 Ampliacin. Potenciales de celda y equilibrios no-redox 726
Pilas de concentracin 726Potenciales de celda y iones
complejados 728Captulo 10. Problemas 731
CAPITULO 11 Mecanismos dereaccin 742
11.1 Los procesos del cambio 744Efecto de la concentracin de
los reactivos sobre la velocidad de la reaccin 745
Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reaccin 747
Efecto de los catalizadores en la velocidad de reaccin 748
11.2 Medida y expresin de la velocidad de los cambios qumicos 749
Velocidad de reaccin 750Velocidad inicial de la reaccin 751Unidades de la velocidad de reaccin 752Velocidades expresadas en molaridad 754
Resumen y consecuencias 755
11.3 Ecuaciones de velocidad de lasreacciones 756
Dependencia de la velocidad dedescomposicin de H2O2(aq) con[H2O2(aq)] 756
Ecuaciones de velocidad 758Orden de reaccin 760
11.4 Mecanismos de reaccin 762Las reacciones transcurren por pasos 764Paso limitante de la velocidad
(cuello de botella) 764Aplicacin del concepto del paso
limitante de la velocidad 765Los mecanismos de reaccin
son hiptesis 769Resumen y consecuencias 769
11.5 Reacciones de primer orden 770Desintegracin radiactiva 770El avance de una reaccin de
primer orden 771Medida de la desintegracin radiactiva 772
xx ndice
ACS_ROMANOS 28/4/05 11:03 Pgina xx
Perodo de semidesintegracin y constante de velocidad de primer orden 773
Reacciones qumicas de primer orden 774
Resumen y consecuencias 777
11.6 Temperatura y velocidad de reaccin 777
La ecuacin de Arrhenius 778El factor de frecuencia A 780La energa de activacin de
una reaccin 781Distribuciones de
energa molecular 783
11.7 La luz: otra forma de iniciar una reaccin 787
La velocidad de una reaccin fotoqumica 788
Reacciones competitivas y el estado estacionario 788
La luz y la vida 789Resumen y consecuencias 790
11.8 Termodinmica y cintica 791
11.9 Resumen 796
11.10 AmpliacinCatlisis enzimtica 797
Las enzimas y las ecuaciones de velocidad 798
Los efectos de la concentracin del sustrato 799
El mecanismo de Michaelis-Menten de la catlisis enzimtica 800
Casos lmite del mecanismo de Michaelis-Menten 802
La determinacin y el significado de K 803
Especificidad de las enzimas 804Puntos activos de la enzima 804La actividad de la catalasa y el
escarabajo bombardero 806Captulo 11. Problemas 807
Apndices
A Respuestas numricas A1
B Datos termodinmicos a 298 K (25 C) A11
C Potenciales estndar de reduccin: E y E(pH 7) A17
ndice A19
ndice xxi
ACS_ROMANOS 28/4/05 11:03 Pgina xxi
C A P T U L O 1
El agua en todas sus formas es esencial para muchas formas de vida en la Tierra y tambin nos proporciona diversiny relajacin. Ilustraciones a nivel molecular de las tres fases del agua estn representadas en los crculos, y en la foto-grafa puede verse tanto el agua slida como lquida. El agua gaseosa es invisible, pero las nubes (niebla) de laspequeas gotas de agua que podemos ver son una evidencia de que las molculas de agua abandonan la superficiedel agua templada en forma de gas y condensan al moverse en el aire fro que hay por encima de la piscina.
Oh! hundid vuestras manos en agua,hundidlas hasta las muecas,fijad, fijad la mirada en el lavaboy preguntaros qu os habis perdido.
MIENTRAS PASEABA UNA TARDEW. H. AUDEN (19071973)
ACS_capitulo01_ES 21/4/05 17:08 Pgina xxx
La cita de W. H. Auden describe algo que todos hacemos varias veces al da, pero muypocos de nosotros nos paramos a pensar que es lo que hemos perdido. El agua es,con mucho, el compuesto qumico qu nos resulta ms familiar y pasamos granparte de nuestra vida en contacto con ella en sus formas slida, lquida y gaseosa. La ima-gen de la pgina anterior es un ejemplo de cmo la gente puede disfrutar de la inmersinen la piscina, formada por una fuente termal que se encuentra rodeada por nieve recincada. Al sernos tan familiar, raramente nos paramos a considerar que el agua es una sus-tancia nica y extraordinaria.
Cerca del 70 % en masa del cuerpo humano es agua, y todo lo que bebemos, ymucho de lo que comemos, es agua en su mayor parte. Los organismos vivos son funda-mentalmente sistemas acuosos, y uno de los puntos en los que se pondr nfasis en estelibro es en la qumica aplicable a los organismos vivos. En muchas ocasiones, esta qumi-ca servir como punto de partida para desarrollar la comprensin sistemtica de la qumi-ca que se aplica tanto a los organismos como en los laboratorios o en los procesos indus-triales. Aunque se haga ms hincapi en la qumica que tiene lugar en los medios acuosos,tambin se aplicar este conocimiento a otras condiciones.
En primer lugar se considerarn las propiedades del agua cuando existe una gran canti-dad de la misma y luego se pasar a ver cmo la estructura de la molcula de agua ayuda aexplicar estas propiedades. Por el camino, mientras se desarrollan los conceptos que explicanel comportamiento del agua, dichos conceptos seaplicarn a otras molculas y sustancias. Probable-mente muchos de los conceptos de este captuloresulten familiares, por lo que pueden servir paracomprobar lo que se haba aprendido. Muchas deestas ideas se desarrollarn con detalle en otroscaptulos ms adelante, lo que tambin puede ser-vir para tener una idea de dnde queremos llegar.En muchos casos se comenzar con experimentosy observaciones, que servirn para desarrollarexplicaciones a nivel molecular que los justifiquen.En todos los casos se har hincapi en el razona-miento a partir de la evidencia, buscando tambinms datos que apoyen estas explicaciones.
1.1. Estados de la materia
1.1 CONSIDERA
Qu sabes realmente sobre el agua?Usa palabras y/o dibujos para hacer una lista de todas las propiedades del agua que cono-ces por experiencia o por estudios previos. Cules de estas propiedades crees que sonesenciales para la vida en la Tierra? Por qu son esenciales? Compara tu lista y tu anli-sis con los de tus compaeros de clase. Has aprendido de ellos alguna propiedad nuevadel agua?
El agua: una maravillade la naturaleza
ndice del Captulo
1.1. Estados de la materia
1.2. Modelos atmicos
1.3. Modelos moleculares
1.4. Los electrones de valenciaen los modelosmoleculares: las estructuras de Lewis
1.5. Disposicin tridimensionalde los electrones devalencia
1.6. Polaridad de la molcula de agua
1.7. Por qu es lquida el aguaa temperatura ambiente?
1.8. Ms efectos estructuralesdel enlace de hidrgeno en el agua
1.9. Enlaces de hidrgeno enbiomolculas
1.10. Cambios de fase: lquido agas
1.11. Contando molculas: el mol
1.12. Calor especfico del agua:manteniendo estable latemperatura de la Tierra
1.13. Resumen
1.14. AmpliacinViscosidad delos lquidos
1
Acuoso viene del latnaqua = agua. Por eso se usacomo abreviatura aq.
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ACS_capitulo01_ES 21/4/05 17:08 Pgina 1
Resumen y consecuenciasAl sernos el agua tan familiar, quiz no hemos considerado nunca lo extraas que son suspropiedades cuando las comparamos con las propiedades de un gran nmero de sustan-cias que tambin nos resultan familiares. El agua existe naturalmente en la superficie de latierra como slido, lquido y gas. El agua slida flota en el agua lquida. Se requiere unagran cantidad de energa trmica (calor) para elevar la temperatura del agua y vaporizar-la. Hemos mostrado cmo pueden visualizarse los estados fsicos del agua a nivel molecu-lar para ayudarnos a explicar algunas de las propiedades observadas de los slidos, lqui-dos y gases. Sin embargo, estos modelos pueden aplicarse tanto al agua como a otrassustancias y no explican por qu el agua es nica. Necesitamos una imagen o un modeloms detallado de las molculas de agua y de sus interacciones para poder explicar las pro-piedades del agua que podemos ver, sentir y medir. Ya que las molculas estn formadaspor tomos, comenzaremos con un breve repaso a las propiedades atmicas, para pasardespus a considerar el agua y otras molculas. Repasa ligeramente aquellos conceptos delas prximas cuatro secciones que conozcas realmente y dedica ms tiempo a aquellosotros que te resulten nuevos o menos conocidos.
1.2. Modelos atmicosTodo el mundo sabe, incluso los que no han estudiado qumica, que un tomo de oxgenoy dos de hidrgeno, estn unidos de alguna manera para formar la molcula de agua, H2O(que pronunciamos como hache dos o). Sin embargo, solemos sorprendernos cuandoaprendemos que esta unin es una consecuencia de la naturaleza elctrica de la materia.
1.4 INVESTIGA
Qu efectos elctricos puedes observar?Corta una tira de 1 15 cm de una bolsa de plstico y cul-gala de un dedo de forma que cuelgue lo mismo por los doslados. Coloca un dedo de la otra mano entre las dos mitadesde la tira de plstico. Desliza rpidamente tu mano haciaabajo a todo lo largo de los extremos libres de la tira, suje-tando suavemente las tiras entre los dedos y el pulgar. Suel-ta rpidamente los extremos de la tira. Observa lo que ocu-rre. Intenta frotar de nuevo los dos trozos. Observa lo queocurre.
1.5 CONSIDERA
Explican los efectos elctricos tus resultados de Investiga 1.4?Qu tiene que ver, si es que tiene algo que ver, la electricidad con tus observaciones enInvestiga 1.4? Has observado alguna vez efectos similares a los observados al frotar la tirade plstico? Cules? Qu tenan que ver con la electricidad?
1.2 Modelos atmicos 5
ACS_capitulo01_ES 21/4/05 17:09 Pgina 5
Protenas Las protenas son compuestos de elevada masa molecular formadas por launin de cientos o miles de molculas de aminocidos por sus extremos. La Figura 1.30indica cmo se forma esta unin cuando se ensartan tres aminocidos. El aminocidorepresentado en la figura es la alanina, 1 de los 20 que se combinan para formar las pro-tenas. Todos estos aminocidos contienen la estructura bsica representada en rojo en lafigura. Cada aminocido posee un grupo lateral, un fragmento molecular constituido porvarias combinaciones de H, C, N, O y S, como el grupo metilo, UCH3, de la alanina. Losdiferentes grupos laterales proporcionan la identidad propia de cada uno de los aminoci-dos. La cadena de aminocidos unidos se llama el esqueleto de la protena. Los gruposlaterales estn espaciados a lo largo de la columna como los adornos en una pulsera. U
Protenas plegadas Para que una protena ejerza sufuncin en un organismo, la cadena de aminocidos debeestar plegada sobre s misma en lo que se conoce como suforma activa. Muchas de las interacciones que mantie-nen a las protenas en su forma activa son los enlaces dehidrgeno que se forman a lo largo del esqueleto de laprotena. El esqueleto es lo suficientemente flexible comopara permitir que se formen enlaces de hidrgeno entreun tomo de hidrgeno unido covalentemente a un nitr-geno, y un tomo de oxgeno que se encuentra cuatroaminocidos ms all en la cadena. Una estructura bsica,la hlice , presente en la mayor parte de las protenas, semantiene en su forma por estos enlaces de hidrgeno, quese encuentran representados por lneas de puntos gruesosen la Figura 1.31(a). La cadena se dobla sobre s mismaformando una estructura en conjunto similar a la repre-sentada en la Figura 1.31(b). Los enlaces de hidrgenoentre puntos del esqueleto que se encuentran separadospor decenas o centenas de aminocidos ayudan a mante-ner fija esta estructura.
Cuando se calientan las protenas, el aumento de tem-peratura aumenta los movimientos moleculares, rompien-do algunos de los enlaces de hidrgeno, por lo que la pro-tena comienza a desplegarse. Este desplegado destruye
H H
H
O
H N C
C
H
C O
H H
H H
H
O
H N C
C
H
C O
H H
H H
H
O
H N C
C
H
C O
H H
H H
H
O H H O H H O
H N C
C
C N C C C C O 2H2ON
H H
H
CH H
H
C
HH H
1.9 Enlaces de hidrgeno en biomolculas 35
Figura 1.30.
Uniendo aminocidos para formar unacadena. Los tomos representados enrojo son parte de la estructura de todoslos 20 aminocidos que se encuentranen las protenas. Una lnea doble entredos smbolos atmicos representa dospares de electrones compartidos (verCaptulo 5).
Figura 1.31.
Plegamiento de una cadena proteica en (a) una hlice y (b) la formaactiva de la protena. Los enlaces de hidrgeno en (a) estn representadoscomo lneas de puntos gruesos entre los tomos gris claro de hidrgeno ylos rojos de oxgeno. Las bolas verdes representan los grupos laterales dela cadena de protenas.
(b) la protena completa plegadaindicando con una seal la localizacinde la hlice representada en (a)
(a) fragmento pequeo deuna hlice perteneciente auna cadena mucho ms largade protenas
C
ACS_capitulo01_ES 21/4/05 17:09 Pgina 35
2.13 CONSIDERA
Por qu algunas disoluciones conducen la corriente elctrica?(a) Cul de los lquidos de Investiga 2.12 conduce la corriente elctrica? Cmo puedes
saberlo?(b) Puedes distinguir entre el agua pura, una disolucin acuosa de glucosa y una disolu-
cin acuosa de cloruro sdico por sus conductividades? Usa esquemas como estos delexperimento de la conductividad para indicar lo que se observa en cada disolucin.Qu dibujo a nivel molecular sugeriras para explicar tu respuesta? Ilustra tu explica-cin en los esquemas.
(a) Agua pura (b) Disolucin de glucosa (c) Disolucin de cloruro sdico
Conductividad de las disoluciones Para que una disolucin d positivo unensayo de conductividad elctrica (la bombilla se enciende), la carga elctrica debe sertransportada de un alambre a otro. Las disoluciones que conducen la corriente debentener partculas cargadas mviles. Cuando se aplica un potencial elctrico a la disolucin,las partculas negativas se mueven hacia el cable positivo y las partculas positivas hacia elcable negativo. Las molculas de agua son elctricamente neutras y no pueden transpor-tar carga elctrica; ste es el caso ilustrado en la Figura 2.8(a). En la seccin previa, dibu-jamos una disolucin de glucosa como molculas de glucosa elctricamente neutras mez-cladas con molculas de agua y unidas por enlaces de hidrgeno. Este dibujo se confirmapor los resultados de la conductividad elctrica. La disolucin de glucosa, al igual que elagua pura, no conduce la electricidad, como se ilustra en la Figura 2.8(b).
(a) Pure water (b) Glucose solution (c) Sodium chloride solution
Muchos slidos, como el cloruro sdico, se disuelven en agua para formar disolucio-nes que conducen la corriente elctrica, como ilustra la bombilla encendida de la Figu-ra 2.8(c). Estas disoluciones deben contener partculas cargadas que se mueven en res-
82 CAPTULO 2 Soluciones acuosas y solubilidad
Figura 2.8.
Resultados observados e interpretacina nivel molecular de la conductividad delas disoluciones.
Gua en la Web
Usa las visualizaciones molecularespara comprobar si has entendido laconductividad de las disoluciones.
Captulo 2, Seccin 2.3 1
2
3
4
ACS_capitulo02_ES 21/4/05 16:39 Pgina 82
Resumen y consecuencias
La historia del universo es fascinante y puede conducir a multitud de ideas tiles sobreel universo actual. Se ha incluido una breve sinopsis de su historia para proporcionaruna explicacin de los orgenes de los tomos elementales y para demostrar cmo pro-porcionan los anlisis espectroscpicos gran parte de la informacin necesaria paradesarrollar esta explicacin. La teora del Big Bang proporciona un modelo para lageneracin de los elementos ms ligeros durante los primeros momentos de la historiadel universo.
En los subsiguientes 13700 billones de aos, los ncleos formados inicialmentehan interaccionado unos con otros por atraccin gravitacional y por colisiones, paraformar estrellas. En las estrellas, la densidad y la temperatura son lo suficientementeelevadas como para que se fusionen los ncleos y se formen otros ms pesados, cuyostomos pueden observarse espectroscpicamente en la superficie de las estrellas. Sehan escrito varias de estas reacciones nucleares, pero no se ha indicado cules son lasreglas para escribirlas y ajustarlas. Tambin se ha sealado que se liberan grandes can-tidades de energa en las reacciones nucleares pero no se ha dicho nada sobre la fuen-te de esta energa. Para entender mejor la evolucin de los elementos y su abundanciaen el universo y en la Tierra, es necesario examinar las reacciones nucleares y su ener-ga con ms detalle.
3.4. Reacciones nucleares
Emisiones a partir de reacciones nucleares Antes de intentar ajustar lasreacciones nucleares de fusin, es necesario considerar algunos de sus productos nicos.Tanto las reacciones qumicas como las nucleares pueden producir calor, sonido y luz.Las reacciones nucleares producen tambin varias partculas, as como energa. Dosejemplos de partculas son los positrones, e, que tienen la misma masa pero cargaopuesta que los electrones, e, y los neutrinos, e (pequeos neutrones), que son par-tculas neutras de elevada energa y masa prcticamente cero. Las partculas nuclearesms conocidas son las partculas alfa, a, que son ncleos atmicos de helio; las partcu-las beta, b, que son electrones, y los neutrones, 10n
0. Tambin se emite energa enmuchas reacciones nucleares, en forma de radiacin gamma, g, muy energtica. LaTabla 3.2 resume todas las emisiones de los procesos nucleares.
Contribucin al Contribucin alEmisin Smbolo nmero atmico, Z nmero msico, A
alfa 42He2 2 4
beta 01e
1 0
gammaa 0 0
positrn 01e
1 0
neutrino e 0 0
neutrn 10n0 0 1
aLas emisiones gamma (radiaciones) tienen diferente contenido energtico segn el proceso en el que se formen; estas diferencias no son relevantes para nuestro propsito.
Tabla 3.2
3.4 Reacciones nucleares 171
Algunas veces se oye hablar derayos alfa o de rayos beta. Las partculas alfa y beta viajan en lnea recta desde sus fuentes,como un rayo de luz, y tienenenergas elevadas, por lo que en unprincipio se crey que eran formasde radiacin (ver Captulo 4). Pronto se demostr que se veanafectadas por campos elctricos ymagnticos, lo que indicaba que setrataba de partculas cargadas,pero los nombres se mantuvieron.
Gua en la Web
Estudia las animaciones de los cambios que ocurren en las emisiones nucleares.
1
2
3
4
Captulo 3, Seccin 3.4.12
Emisiones de las reacciones nucleares.
ACS_capitulo03_ES 22/4/05 10:59 Pgina 171
Nmero de vidas medias
0 2 4 6 97531 8 100,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Fraccin
de muestra rem
anente
3.4 Reacciones nucleares 179
3.36 EJERCICIO RESUELTO
Edad de una muestra en relacin a la vida media del carbono-14Todas las plantas vivas contienen aproximadamente el mismo tanto por ciento de car-bono-14. Cuando la planta muere, no aade ms carbono-14; el istopo se descompo-ne emitiendo una partcula beta (ver Ejercicio resuelto 3.23) con una vida media de5730 aos. Una muestra de madera de una excavacin arqueolgica tiene aproximada-mente un 20% del carbono-14 que contiene una madera viva. Qu antigedad tiene lamuestra?
Informacin necesaria: Usaremos la ecuacin (3.17).
Estrategia: Calcula el nmero de vidas medias desde que la muestra de madera dej deser parte de una planta o rbol en crecimiento y multiplcalo por el periodo de una vidamedia para saber la edad de la muestra. Determina el nmero de vidas medias que senecesitan para que la muestra haya descompuesto su carbono-14 original hasta que slo lequede un 20%, usando la ecuacin (3.17).
Resolucin: Una forma de usar la ecuacin (3.17) es hacer los logaritmos de ambos ladosde la misma:
(3.18)
Conocemos la fraccin decimal de C-14 que queda, 0,20, por lo que podemos calcular elnmero de vidas medias, n:
El tiempo transcurrido desde que la madera dej de ser parte de unaplanta viva es
edad de la muestra (2,3 vidas medias)
13 103 aos
Tiene sentido el resultado? La cuarta parte (25%) de una mues-tra radiactiva es lo que queda despus de transcurridas dos vidasmedias. Debe transcurrir un poco ms de tiempo para que se descom-ponga el otro 5%, quedando slo el 20% (0,20) de la muestra original,y esto es lo que hemos calculado; el nmero de vidas medias es algoms de dos. Tambin se puede comprobar usando la Figura 3.14, quese reproduce aqu con una lnea horizontal y otra vertical que indicancmo leer la grfica para ir de la fraccin remanente al nmero devidas medias transcurridas.
3.37 COMPRUEBA
Descomposicin de radioistopos y vida mediaEl fsforo-32, que se usa ampliamente en experimentos bioqumicos, se descompone poremisin beta con una vida media de 14,3 das. Los residuos de fsforo-32 pueden tirarsea la basura si se han guardado en un contenedor para residuos radiactivos hasta que con-tengan menos del 1% de la muestra original. Cunto tiempo debe guardarse, aproxima-damente, una muestra de fsforo-32 hasta que se pueda tirar a la basura? Razona tu res-puesta.
5730 aos1 vida media
nfnln( )
0,69310,693
,3 vida
,61 2 ss medias
ln( ) ln ln 0f nnn
12
12
,,693n
ACS_capitulo03_ES 22/4/05 10:59 Pgina 179
206 CAPTULO 3 El origen de los tomos
3.1. La espectroscopia y la composicin de las estrellas y el cosmos
3.1. La Figura 3.3 representa las partes de un espectrgrafosencillo y el resultado cuando la luz de una lmpara de descargade hidrgeno (tomos de hidrgeno) lo atraviesa y se difracta. Eldiagrama y la difraccin, estn de acuerdo con la informacin dela Figura 3.1? Razona tu respuesta.
3.2. Dibuja el diagrama de un espectrgrafo sencillo, similar alde la Figura 3.3, que emplee una rejilla de difraccin para latransmisin, como la que se muestra en la Figura 3.2, en lugar deun prisma para difractar la luz incidente. Asegrate de que losresultados de la difraccin que dibujes en la pelcula fotogrficaest de acuerdo con la informacin de la Figura 3.2.
3.3. Se us un espectrgrafo para analizar una fuente de luzy el espectro obtenido presentaba una serie de lneas deemisin. Qu conclusin puede sacarse sobre la fuente de luz?Explcalo.
3.4. Los tests de llama pueden emplearse a menudo paraidentificar los iones metlicos en un compuesto. Robert W.Bunsen (qumico y espectroscopista alemn, 1811-1899) inventel mechero Bunsen para crear una llama lo suficientementecaliente como para causar la emisin de luz a partir de los ionesmetlicos de los compuestos que se colocaban en la llama. Aquse muestran dos ejemplos: la llama verdosa de los compuestos debario y la llama escarlata de los compuestos de estroncio.Cmo explican las emisiones de los tomos tratadas en laSeccin 3.1 por qu funcionan los tests de llama? Explicaclaramente tu respuesta.
bario estroncio
3.5. Ms del 99% de los ncleos atmicos en el universo son dehidrgeno y helio. Los datos de la Figura 3.7 estn de acuerdocon esta afirmacin? Razona tu respuesta.
3.6. Como indicaba el problema anterior, la mayor parte de losncleos del universo son de hidrgeno y helio. Supongamos quetambin la mayor parte de la masa de la materia del universo eshidrgeno y helio. Aproximadamente qu porcentaje de la masadel universo es helio? Explica claramente el razonamientoseguido para llegar a la respuesta.
3.7. Cmo es la masa de hierro en el universo en comparacincon la masa de carbono? Razona tu respuesta.
3.8. Cmo es la masa de hierro en el universo en comparacincon la masa de todos los dems metales del cuarto periodo detransicin, desde el escandio al zinc, combinados?
3.2. El tomo nuclear
3.9. Qu tienen en comn los siguientes iones: S2, Cl, K yCa2?
3.10. Cmo es la masa del protn en comparacin con la masadel electrn?
3.11. Qu es un istopo?
3.12. Por qu no se incluyen los electrones cuando se calcula elnmero msico de un istopo?
3.13. Si un istopo de un elemento tiene 30 protones, 35 neutrones y 28 electrones:(a) Cul es el elemento?(b) Es un anin o un catin? Explcalo.
3.14. Cul sera la masa, en gramos, de 25 protones?
3.15. Escribe los smbolos atmicos para los siguientesistopos:(a) Z 19; A 40(b) Z 79; A 197(c) Z 54; A 118(d) Z 13; A 28(e) Z 53; A 118(f ) Z 83; A 199
3.16. Cuntos protones, neutrones y electrones tienen estosiones?(a) 58Ni (d) 37Cl(b) 32S2 (e) 55Mn7(c) 65Zn2 (f ) 56Fe2
3.17. Completa la tabla siguiente. Algunas de las sustancias soniones y otras tomos.
# de # de # de Nmero Nmero Smbolo Sustancia protones neutrones electrones atmico msico nuclear
rodio 55 10045Rh
23 6026Fe3
88 225 22588Ra
16 22 18 3816S2
100 248100Fm
Captulo 3. Problemas
ACS_capitulo03_ES 22/4/05 11:00 Pgina 206
278 CAPTULO 4 Estructura atmica
4.69. En la imagen se muestran dos vistas de la versintridimensional de la tabla peridica (junto con las que semuestran al inicio del captulo).
(a) Qu partes de esta tabla coinciden ms con la tablaconvencional, como la de la parte interior de la portada? Explicalas correspondencias.(b) Qu partes de esta tabla coinciden con la tabla espiral,Figura 4.34? Explica las correspondencias.
4.11. Ecuaciones de onda y orbitales atmicos
4.70. Indica si cada una de las siguientes afirmaciones sonVERDADERAS o FALSAS. En el caso de que sean falsas,corrgelas.(a) La ecuacin de Schrdinger relaciona las propiedadesondulatorias de un electrn con su energa cintica.(b) La funcin de onda () es la descripcin matemtica de unestado de energa permitido (orbital) para un electrn.(c) La funcin de onda () es proporcional a la probabilidad deencontrar un electrn en un lugar determinado prximo alncleo.(d) Los orbitales con una misma energa se denominandegenerados.(e) Los orbitales pueden describirse como cajas en las cuales sesitan los electrones.(f) Cada nivel energtico calculado corresponde a ladistribucin espacial de probabilidades para el electrn.
4.71. Verificar las configuraciones electrnicas en estadofundamental para estos elementos. En el caso de que laconfiguracin sea incorrecta, explicar los errores e indicar laconfiguracin electrnica correcta.(a) Al 1s22s22p43s23p3(b) P 1s22s22p63s23p2(c) B 1s22s02p3
4.72. En los siguientes elementos, cuntos electrones devalencia estn localizados en un orbital s?:(a) Potasio (c) Magnesio(b) Flor (d) Boro
4.73. En los siguientes elementos, cuntos electrones devalencia estn localizados en un orbital p?:(a) Fsforo (d) Bromo(b) Aluminio (e) Azufre(c) Litio
4.74. Los tomos A, B y C tienen las siguientes configuracioneselectrnicas. Qu tomo tendr una mayor tercera energa deionizacin? Explica la respuesta.
A 1s22s22p63s2
B 1s22s22p63s23p4
C 1s22s22p63s23p6
4.75. Utilizando la Figura 4.37 como modelo y el Ejercicioresuelto 4.60 como gua, dibujar los diagramas de niveles deenerga para el tomo de azufre y el ion sulfuro.
4.76. Utilizando la Figura 4.37 como modelo y el Ejercicioresuelto 4.60 como gua, dibujar los diagramas de niveles deenerga para los tomos de Li y Na.
4.77. (a) Qu tienen en comn la serie de tomos que va desdeel H hasta el Ar con la serie de monocationes desde el He hastael K y con la serie de dicationes desde el Li2 al Ca2?(b) Cmo estn relacionadas la respuesta del apartado (a) conlas soluciones de los Problemas 4.5 y 4.66? Explicar la repuesta.
4.78. En la Gua en la Web de cualquier captulo, presiona laP del men situado en la parte izquierda para acceder a una tablaperidica interactiva. Presiona en Electron Configuration.(a) Son comparables las grficas de la ventana deconfiguraciones electrnicas con la Figura 4.37? Qu representala direccin vertical de la representacin grfica? Explcalo.(b) Desplazar el cursor hasta el litio. Presionar sobre el smbolodel litio y describir lo que ocurre. El resultado obtenido, escomparable con el grfico del Ejercicio resuelto 4.60? Explcalo.(c) Utilizar la ventana de configuracin electrnica paracompararlo con los resultados de Considera 4.62(a). Cmopueden compararse?
4.79. En la Gua en la Web de cualquier captulo, presionala P del men situado en la parte izquierda para acceder a unatabla peridica interactiva. Presiona en ElectronConfiguration.(a) Comprobar la configuracin electrnica de la primera seriede metales de transicin. Desde el Sc hasta el Cu. Qu se puedeconcluir sobre las energas relativas de los electrones 4s y 3d?Explicar cmo se ha alcanzado esta conclusin.(b) Cmo son las configuraciones electrnicas y los espines delos electrones da la primera serie de metales de transicin conrelacin a la regla determinada en Considera 4.62(c)? Explica elrazonamiento seguido y, si fuese necesario, sugerir cmo podramodificarse la regla para hacerla ms general, ahora que sedispone de ms datos.(c) Los elementos del segundo periodo de transicin, desde el Yhasta la Ag, siguen la misma tendencia para sus configuracioneselectrnicas y espn electrnico de la primera serie? Si es as, eraeso lo esperado? Explcalo. Si no es as, explicar qu factor(es)podra(n) causar diferencias.
4.13. Ampliacin. Energas de una onda electrnica esfrica
4.80. (a) A qu valor de R alcanza el mnimo la curva de energatotal de la Figura 4.27?
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pre es de un mximo de cuatro para cada elemento del segundo periodo (desde el car-bono hasta el flor) de la molcula. Cada uno de ellos estar ocupado por dos electro-nes. De nuevo, se observa la conexin con las estructuras de Lewis, en las cuales serepresentan estructuras con cuatro pares de electrones en torno a cada elemento delsegundo periodo. La geometra tetradrica mostrada en la Figura 5.8 es la ms conve-niente para conseguir que los cuatro orbitales moleculares se agrupen lo ms cercaposible del ncleo.
Formas moleculares La forma o geometra de una molcula viene definida por larelacin espacial entre los ncleos. La distincin entre forma molecular y distribucin deorbitales es importante. La forma de una molcula suele ser diferente de la geometra delos orbitales. Los ejemplos de la Figura 5.10 son un recordatorio de este punto tan impor-tante. En estos ejemplos se tienen tres formas moleculares diferentes, tetraedro, pirmi-de trigonal (una pirmide triangular achatada) y digonal plana, todas ellas procedentesde la misma distribucin tetradrica de orbitales. Estudiar cuidadosamente la figura paracomprender las relaciones que conducen a estos resultados.
296 CAPTULO 5 Estructura molecular
Gua en la Web
Estudiar las animaciones de lasdiferentes formas moleculares quesurgen de la distribucin de unmismo orbital.
Captulo 5, Seccin 5.4 12
3
4
Figura 5.10.
Formas moleculares de molculas con cuatro orbitales sigma. La representacin superior, en cada unade sus imgenes, muestra los orbitalesy los ncleos en perspectiva. Los puntosen los orbitales corresponden a losncleos de H. La representacin inferiorutiliza modelos de bolas y barras paramostrar la forma molecular. Lacombinacin de orbitales y n paracada estructura viene dada en el mediode cada ilustracin junto con ejemplosde molculas con cada geometra.
ngulos y longitudes de enlace Las formas moleculares de la Figura 5.10 sepueden caracterizar tambin por sus ngulos de enlace, aquellos existentes entre laslneas imaginarias que conectan los ncleos, y las longitudes de enlace, las longitu-des de dichas lneas. Se puede pensar en los bastones que unen los centros atmicos,en un modelo molecular de bolas y barras, como la representacin de esas lneas. Silos orbitales mantienen su geometra tetradrica en las tres molculas, se deberaesperar que los ngulos para los enlaces HUUCUUH, HUUNUUH y HUUOUUH fuesentodos de 109,5. Experimentalmente, se ha comprobado que los ngulos en el CH4,
CH4, NH4
4 y 0 n
NH3, H3O
3 y 1 n
H2O2 y 2 n
Forma molecular:tetradrica
Forma molecular:pirmide trigonal
Forma molecular:digonal plana
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Molculas de agua orientadas Si para la disolucin de un hidrocarburo enagua no se produce variacin de entropa trmica, ser la entropa posicional el trminono favorable que produzca la insolubilidad. Sabemos que la mezcla de dos sustanciasposee siempre una mayor entropa que los componentes separados. Por ello, y para elcaso de los hidrocarburos y el agua, tiene que existir algn factor entrpico desfavora-ble mayor que la entropa de mezcla. La figura 8.16 ilustra el origen de este factorentrpico desfavorable.
8.10 Por qu el aceite y el agua no se mezclan? 551
Figura 8.16.
Disminucin de las disposiciones de las molculas de agua cuando se disuelve un soluto apolar. Comparar losefectos sobre las molculas de agua de un soluto inico (Figura 8.15) y uno apolar como aqu.
disuelve
separagota
solutodisuelto
Figura 8.17.
Los clatratos de hielo son cajas demolculas de agua rodeando molculasde hidrocarburos.
Existen evidencias espectroscpicas de que las molculas de agua al aproximarse amolculares apolares se orientan perdiendo parte de su libertad de movimiento. Cuandolas molculas apolares se agrupan, algunas molculas de agua pierden capacidad de movi-miento, Figura 8.16 (a). Cuando las molculares apolares se mezclan con el agua, unmayor nmero de molculas de agua se agrupan en torno suyo y, por tanto, un mayornmero de molculas pierden capacidad de movimiento, Figura 8.16 (b). Por ello, elnmero de disposiciones moleculares de las molculas de agua disminuye. Esta prdidade disposiciones moleculares produce una disminucin de la entropa de las molculas deagua y hace que la variacin total de entropa para la mezcla de aceite y agua sea negativa;es decir, el agua y el aceite no se mezclan.
Formacin de clatratos Aunque los hidrocarburos no se disuelven bien en agua, laestructura relativamente ordenada que forman las molculas de agua alrededor de lasmolculas apolares es mucho ms que una estructura tipo hielo. A bajas temperaturas, elagua alrededor de molculas de bajo peso molecular de hidrocarburos forma unas estruc-turas que recuerdan al hielo. La estructura tipo caja que se muestra en la Figura 8.17 estpica de las molculas apolares en agua. Estas estructuras, llamadas clatratos, se caracte-rizan por la distribucin de molculas del soluto a lo largo del cristal del disolvente. Elagua que es un cristal anfitrin de tipo semislido forma clatratos con numerosas mol-culas apolares. Uno de los clatratos mejor estudiados es el formado por el metano, CH4,y el agua. El metano producido por algunos microorganismos es atrapado por el agua enlos fondos marinos formando clatratos que son una fuente de energa para otros organis-mos, as como una potencial fuente de combustible para los humanos. La Figura 8.18representa un montculo formado por clatratos de metano donde se alimentan gusanosmarinos.
(a) Gotas de un soluto apolar; numerosasmolculas de agua se mueven libremente
(b) Soluto apolar disuelto en agua; pocasmolculas libres de agua se mueven libremente
La palabra clatrato proviene del griego y significa red; unasustancia se coloca en el interiorde la red cristalina de otra.
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En el Captulo 6 y en la seccin anterior, se utilizaron semirreacciones tanto para lareduccin como para la oxidacin, dependiendo de la ecuacin que se estaba intentandoajustar o la reaccin que se produca en el electrodo. Sin embargo, a partir de este punto,se va a utilizar la convencin electroqumica estndar: todas las reacciones se representancomo reducciones. Para la reaccin plata-cobre de Investiga 6.62, las semirreaccionessern:
Ag(aq) e T Ag(s) (10.20)
Cu2(aq) 2e T Cu(s) (10.21)
10.16 CONSIDERA
Cmo se combinan las reacciones de reduccin?(a) Explicar cmo se pueden combinar las reacciones (10.20) y (10.21), con los factores
estequiomtricos adecuados, para dar:
Cu(s) 2Ag(aq) T Cu2(aq) 2Ag(s) (10.22)
La reaccin (10.22) es la reaccin global observada en Investiga 10.14(a) (Investi-ga 6.62).
(b) Qu les ocurre a los electrones cuando se combinan las semirreacciones en el apar-tado (a)? Qu mecanismo sera el anlogo con la reaccin (10.5) de la Seccin 10.1?Explcalo.
Semirreacciones separadas El resultado neto de la reaccin (10.22) es la transfe-rencia de dos electrones desde el cobre metlico a los iones plata generndose plata met-lica y un ion cobre en disolucin. La ecuacin de la reaccin global no presenta electro-nes los electrones libres no existen en disoluciones acuosas. La idea de transferencia deelectrones es slo una forma adecuada de explicar los productos de la reaccin? Es aqudonde la cita de I Ching que abre este captulo adquiere relevancia. En Investiga 10.14(b)y 10.14(c), se han separado los componentes de ambas semirreacciones, (10.20) y (10.21),con el fin de comprobar si existe alguna evidencia experimental de la transferencia deelectrones (flujo de corriente) que una dichas semirreacciones. El montaje de 10.14(b) semuestra esquemticamente en la Figura 10.4.
10.2 Corriente elctrica a partir de reacciones qumicas 677
Gua en la Web
Estudiar las animacionesinteractivas de las reacciones entredos pares metal-ion metlico.
Captulo 10,Seccin 10.2.12
1
2
3
4
Gua en la Web
Estudiar las animacionesinteractivas de un experimentosimilar al representado en laFigura 10.4.
Captulo 10,Seccin 10.2.36
1
2
3
4
Electrodo de Cu Electrodo de Ag
Cu Cu2
SO42
Ag Ag
NO3
Electrodo de Cu Electrodo de Age?
?? A
Figura 10.4.
La transferencia de electrones seproduce entre vasos separados deplata y cobre? En (b), los anillos rojosdestacan la prdida de un tomo decobre y la ganancia de dos tomos deplata en sus respectivos electrodos.(a) Antes de la conexin externa (b) Despus de la conexin externa
Freeman.ACS ch.10.1_ES 28/4/05 11:07 Pgina 677