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1. Metales Metaloides No metales Nmero atmico Masa atmica La
designacin del grupo 1-18 ha sido recomendada por la International
Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) pero an no est en uso.
En este texto se usa la notacin estadounidense estndar para los
grupos (1A-8A y 1B-8B). No se han asignado nombres para los
elementos 112-116 y 118. El elemento 117 todava no se ha
sintetizado. 1 1A 2 2A 3 3B 4 4B 5 5B 6 6B 7 7B 9 8B 11 1B 12 2B 13
3A 14 4A 15 5A 16 6A 17 7A 18 8A 8 10 5 B Boro 10.81 14 Si Silicio
28.09 32 Ge Germanio 72.59 33 As Arsnico 74.92 51 Sb Antimonio
121.8 52 Te Telurio 127.6 84 Po Polonio (210) 85 At Astato (210)
116 (117) 3 Li Litio 6.941 4 Be Berilio 9.012 11 Na Sodio 22.99 12
Mg Magnesio 24.31 55 Cs Cesio 132.9 56 Ba Bario 137.3 87 Fr Francio
(223) 88 Ra Radio (226) 57 La Lantano 138.9 72 Hf Hafnio 178.5 89
Ac Actinio (227) 104 Rf Rutherfordio (257) 73 Ta Tntalo 180.9 74 W
Tungsteno 183.9 105 Db Dubnio (260) 106 Sg Seaborgio (263) 75 Re
Renio 186.2 76 Os Osmio 190.2 107 Bh Bohrio (262) 108 Hs Hassio
(265) 77 Ir Iridio 192.2 78 Pt Platino 195.1 109 Mt Meitnerio (266)
110 Ds Darmstadtio (269) 79 Au Oro 197.0 80 Hg Mercurio 200.6 111
Rg Roentgenio (272) 112 81 Tl Talio 204.4 82 Pb Plomo 207.2 113 114
83 Bi Bismuto 209.0 115 19 K Potasio 39.10 20 Ca Calcio 40.08 37 Rb
Rubidio 85.47 38 Sr Estroncio 87.62 21 Sc Escandio 44.96 22 Ti
Titanio 47.88 39 Y Itrio 88.91 40 Zr Zirconio 91.22 23 V Vanadio
50.94 24 Cr Cromo 52.00 41 Nb Niobio 92.91 42 Mo Molibdeno 95.94 25
Mn Manganeso 54.94 26 Fe Hierro 55.85 43 Tc Tecnecio (98) 44 Ru
Rutenio 101.1 27 Co Cobalto 58.93 28 Ni Nquel 58.69 45 Rh Rodio
102.9 46 Pd Paladio 106.4 29 Cu Cobre 63.55 30 Zn Zinc 65.39 47 Ag
Plata 107.9 48 Cd Cadmio 112.4 31 Ga Galio 69.72 13 Al Aluminio
26.98 49 In Indio 114.8 50 Sn Estao 118.7 6 C Carbono 12.01 7 N
Nitrgeno 14.01 8 O Oxgeno 16.00 9 F Flor 19.00 10 Ne Nen 20.18 10
Ne Nen 20.18 15 P Fsforo 30.97 16 S Azufre 32.07 17 Cl Cloro 35.45
18 Ar Argn 39.95 34 Se Selenio 78.96 35 Br Bromo 79.90 36 Kr Criptn
83.80 53 I Yodo 126.9 54 Xe Xenn 131.3 86 Rn Radn (222) 118 2 He
Helio 4.003 58 Ce Cerio 140.1 59 Pr Praseodimio 140.9 90 Th Torio
232.0 91 Pa Protactinio (231) 60 Nd Neodimio 144.2 61 Pm Promecio
(147) 92 U Uranio 238.0 93 Np Neptunio (237) 62 Sm Samario 150.4 63
Eu Europio 152.0 94 Pu Plutonio (242) 95 Am Americio (243) 64 Gd
Gadolinio 157.3 65 Tb Terbio 158.9 96 Cm Curio (247) 97 Bk Berkelio
(247) 66 Dy Disprosio 162.5 67 Ho Holmio 164.9 98 Cf Californio
(249) 99 Es Einsteinio (254) 68 Er Erbio 167.3 69 Tm Tulio 168.9
100 Fm Fermio (253) 101 Md Mendelevio (256) 70 Yb Iterbio 173.0 71
Lu Lutecio 175.0 102 No Nobelio (254) 103 Lr Laurencio (257) 1 H
Hidrgeno 1.008 www.FreeLibros.me
2. *Todas las masas atmicas tienen cuatro cifras signiicativas.
Estos valores son los que recomienda el Comit para la Enseanza de
la Qumica de la International Union of Pure and Applied Chemistry.
**Los valores aproximados de las masas atmicas se sealan entre
parntesis. Lista de elementos con sus smbolos y masas atmicas*
Nmero Masa Elemento Smbolo atmico atmica** Actinio Ac 89 (227)
Aluminio Al 13 26.98 Americio Am 95 (243) Antimonio Sb 51 121.8
Argn Ar 18 39.95 Arsnico As 33 74.92 Astato At 85 (210) Azufre S 16
32.07 Bario Ba 56 137.3 Berilio Be 4 9.012 Berkelio Bk 97 (247)
Bismuto Bi 83 209.0 Bohrio Bh 107 (262) Boro B 5 10.81 Bromo Br 35
79.90 Cadmio Cd 48 112.4 Calcio Ca 20 40.08 Californio Cf 98 (249)
Carbono C 6 12.01 Cerio Ce 58 140.1 Cesio Cs 55 132.9 Cloro Cl 17
35.45 Cobalto Co 27 58.93 Cobre Cu 29 63.55 Criptn Kr 36 83.80
Cromo Cr 24 52.00 Curio Cm 96 (247) Darmstadtio Ds 110 (269)
Disprosio Dy 66 162.5 Dubnio Db 105 (260) Einstenio Es 99 (254)
Erbio Er 68 167.3 Escandio Sc 21 44.96 Estao Sn 50 118.7 Estroncio
Sr 38 87.62 Europio Eu 63 152.0 Fermio Fm 100 (253) Flor F 9 19.00
Fsforo P 15 30.97 Francio Fr 87 (223) Gadolinio Gd 64 157.3 Galio
Ga 31 69.72 Germanio Ge 32 72.59 Hafnio Hf 72 178.5 Hassio Hs 108
(265) Helio He 2 4.003 Hidrgeno H 1 1.008 Hierro Fe 26 55.85 Holmio
Ho 67 164.9 Indio In 49 114.8 Iridio Ir 77 192.2 Iterbio Yb 70
173.0 Itrio Y 39 88.91 Lantano La 57 138.9 Laurencio Lr 103 (257)
Litio Li 3 6.941 Nmero Masa Elemento Smbolo atmico atmica** Lutecio
Lu 71 175.0 Magnesio Mg 12 24.31 Manganeso Mn 25 54.94 Meitnerio Mt
109 (266) Mendelevio Md 101 (256) Mercurio Hg 80 200.6 Molibdeno Mo
42 95.94 Neodimio Nd 60 144.2 Nen Ne 10 20.18 Neptunio Np 93 (237)
Niobio Nb 41 92.91 Nquel Ni 28 58.69 Nitrgeno N 7 14.01 Nobelio No
102 (253) Oro Au 79 197.0 Osmio Os 76 190.2 Oxgeno O 8 16.00
Paladio Pd 46 106.4 Plata Ag 47 107.9 Platino Pt 78 195.1 Plomo Pb
82 207.2 Plutonio Pu 94 (242) Polonio Po 84 (210) Potasio K 19
39.10 Praseodimio Pr 59 140.9 Proactinio Pa 91 (231) Prometio Pm 61
(147) Radio Ra 88 (226) Radn Rn 86 (222) Renio Re 75 186.2 Rodio Rh
45 102.9 Roentgenio Rg 111 (272) Rubidio Rb 37 85.47 Rutenio Ru 44
101.1 Ruterfordio Rf 104 (257) Samario Sm 62 150.4 Seaborgio Sg 106
(263) Selenio Se 34 78.96 Silicio Si 14 28.09 Sodio Na 11 22.99
Talio Tl 81 204.4 Tntalo Ta 73 180.9 Tecnecio Tc 43 (99) Telurio Te
52 127.6 Terbio Tb 65 158.9 Titanio Ti 22 47.88 Torio Th 90 232.0
Tulio Tm 69 168.9 Tungsteno W 74 183.9 Uranio U 92 238.0 Vanadio V
23 50.94 Xenn Xe 54 131.3 Yodo I 53 126.9 Zinc Zn 30 65.39 Zirconio
Zr 40 91.22
3. Nmero de Avogadro 6.0221415 3 1023 Carga electrnica (e)
1.60217653 3 10219 C Masa electrnica 9.1093826 3 10228 g Constante
de Faraday (F) 96485.3383 C/mol e2 Constante de los gases (R)
8.314472 J/K ? mol (0.082057 L ? atm/K ? mol) Masa de neutrones
1.67492728 3 10224 g Constante de Planck (h) 6.6260693 3 10234 J ?
s Masa de protn 1.672621 3 10224 g Constante de Rydberg (RH)
2.179872 3 1028 J Velocidad de la luz en el vaco 2.99792458 3 108
m/s Constantes fundamentales Factores de conversin tiles y
relaciones 1 lb 5 453.6 g 1 gal 5 3.785 L 5 4 quarts 1 in 5 2.54 cm
(exactamente) 1 mi 5 1.609 km 1 km 5 0.6215 mi 1 pm 5 1 3 10212 m 5
1 3 10210 cm 1 atm 5 760 mmHg 5 760 torr 5 101325 N/m2 5 101325 Pa
1 cal 5 4.184 J (exactamente) 1 L atm 5 101.325 J 1 J 5 1 C 3 1 V C
F? ( ) 5 2 3 F C F 32 5 9 C F? ( 1 ) 5 3 F F C 9 5 32 ? ( . ) K C C
K C 5 1 273 15 1 1 tera (T) 1012 centi (c) 1022 giga (G) 109 mili
(m) 1023 mega (M) 106 micro (m) 1026 kilo (k) 103 nano (n) 1029
deci (d) 1021 pico (p) 10212 Algunos prejos utilizados con unidades
SI
4. FUNDAMENTOS DE QUMICA
5. FUNDAMENTOS DE QUMICA Raymond Chang Williams College MXICO
BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN
SANTIAGO SO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN
FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TORONTO Adaptacin Pedro Ibarra
Escutia Instituto Tecnolgico de Toluca Revisin tcnica Isaas de la
Rosa Gmez Instituto Tecnolgico de Toluca
6. 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 FUNDAMENTOS DE QUMICA Prohibida la
reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin
la autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2011
respecto a la primera edicin en espaol por
McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of
The McGraw-Hill Companies, Inc. Ediicio 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: 978-607-15-0541-5 Adaptado de la dcima edicin de: Qumica de
Raymond Chang. 2010 McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de
C.V. ISBN: 978-607-15-0307-7 1234567890 1098765432101 Impreso en
Mxico Printed in Mexico www.FreeLibros.me
7. 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 la Yale
University. Despus de realizar su investigacin posdoctoral en
Washington Univer- sity y ensear durante un ao en el Hunter College
de la 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 isicoqumica, 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.
www.FreeLibros.me
8. Prlogo del adaptador xviii Prefacio xix Nota al estudiante
xxiv 1 Qumica. El estudio del cambio 1 2 tomos, molculas y iones 15
3 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 51 4 Reacciones en
disolucin acuosa 91 5 Teora cuntica y la estructura electrnica de
los tomos 131 6 Relaciones peridicas entre los elementos 177 7
Enlace qumico I: Conceptos bsicos 217 8 Enlace qumico II: Geometra
molecular e hibridacin de orbitales atmicos 253 9 Fuerzas
intermoleculares y lquidos y slidos 303 10 Equilibrio qumico 325 11
Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 361 12
Electroqumica 403 13 Metalurgia y la qumica de los metales 415 14
Qumica orgnica 439 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 www.FreeLibros.me
9. Prlogo del adaptador xviii Prefacio xix Nota al estudiante
xxiv Qumica. El estudio del cambio 1 1.1 Qumica: una ciencia para
el siglo xxi 2 QUMICA en accin El helio primordial y la teora del
Big Bang 5 1.2 Clasiicacin de la materia 6 1.3 Los tres estados de
la materia 9 1.4 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 10
Desarrollo de competencias 11 Problemas especiales 12 MISTERIO de
la qumica La desaparicin de los dinosaurios 12 tomos, molculas y
iones 15 2.1 Teora atmica 16 2.2 Estructura del tomo 17 2.3 Nmero
atmico, nmero de masa e istopos 23 2.4 La tabla peridica 25 QUMICA
en accin Distribucin de los elementos en la Tierra y en los
sistemas vivos 26 2.5 Molculas y iones 27 2.6 Frmulas qumicas 29
2.7 Nomenclatura de los compuestos 33 2.8 Introduccin a los
compuestos orgnicos 42 Ecuaciones bsicas 44 Resumen de conceptos 44
Desarrollo de competencias 44 Problemas especiales 49 Respuestas a
los ejercicios de prctica 50 www.FreeLibros.me
10. xii Contenido Relaciones de masa en las reacciones qumicas
51 3.1 Masa atmica 52 3.2 Nmero de Avogadro y masa molar de un
elemento 53 3.3 Masa molecular 57 3.4 Espectrmetro de masas 60 3.5
Composicin porcentual de los compuestos 60 3.6 Determinacin
experimental de frmulas empricas 64 3.7 Reacciones qumicas y
ecuaciones qumicas 66 3.8 Cantidades de reactivos y productos 71
3.9 Reactivo limitante 75 3.10 Rendimiento de reaccin 78 QUMICA en
accin Fertilizantes qumicos 80 Ecuaciones bsicas 81 Resumen de
conceptos 81 Desarrollo de competencias 81 Problemas especiales 90
Respuestas a los ejercicios de prctica 90 Reacciones en disolucin
acuosa 91 4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 92
4.2 Reacciones de precipitacin 94 QUMICA en accin Una reaccin de
precipitacin indeseable 99 4.3 Reacciones cido-base 99 4.4
Reacciones de oxidacin-reduccin 105 QUMICA en accin Alcoholmetro
116 4.5 Concentracin de las disoluciones 117 QUMICA en accin Metal
proveniente del mar 121 Ecuaciones bsicas 122 Resumen de conceptos
122 Trminos bsicos 122 Desarrollo de competencias 123 Problemas
especiales 128 Respuestas a los ejercicios de prctica 129 MISTERIO
de la qumica Quin asesin a Napolen? 129 www.FreeLibros.me
11. xiiiContenido Teora cuntica y la estructura electrnica de
los tomos 131 5.1 De la fsica clsica a la teora cuntica 132 5.2 El
efecto fotoelctrico 136 5.3 Teora de Bohr del tomo de hidrgeno 138
QUMICA en accin Lser: la luz esplendorosa 144 5.4 La naturaleza
dual del electrn 144 QUMICA en accin Microscopia electrnica 148 5.5
Mecnica cuntica 149 5.6 Nmeros cunticos 150 5.7 Orbitales atmicos
153 5.8 Coniguracin electrnica 156 5.9 El principio de construccin
163 Ecuaciones bsicas 167 Resumen de conceptos 167 Trminos bsicos
168 Desarrollo de competencias 168 Problemas especiales 174
Respuestas a los ejercicios de prctica 175 MISTERIO de la qumica
Descubrimiento del helio y el surgimiento y cada del coronio 175
Relaciones peridicas entre los elementos 177 6.1 Desarrollo de la
tabla peridica 178 6.2 Clasiicacin peridica de los elementos 180
6.3 Variaciones peridicas de las propiedades fsicas 184 QUMICA en
accin El tercer elemento lquido? 191 6.4 Energa de ionizacin 191
6.5 Ainidad electrnica 195 6.6 Variacin de las propiedades qumicas
de los elementos representativos 198 QUMICA en accin El
descubrimiento de los gases nobles 209 Ecuaciones bsicas 209
Resumen de conceptos 210 Trminos bsicos 210 Desarrollo de
competencias 210 Problemas especiales 216 Respuestas a los
ejercicios de prctica 216 www.FreeLibros.me
12. xiv Contenido Enlace qumico I: Conceptos bsicos 217 7.1
Smbolos de puntos de Lewis 218 7.2 Enlace inico 219 7.3 Energa
reticular de los compuestos inicos 221 QUMICA en accin Cloruro de
sodio: un compuesto inico comn e importante 225 7.4 Enlace
covalente 226 7.5 Electronegatividad 229 7.6 Escritura de las
estructuras de Lewis 232 7.7 Carga formal y estructura de Lewis 235
7.8 El concepto de resonancia 238 7.9 Excepciones a la regla del
octeto 241 QUMICA en accin Slo diga NO 245 Resumen de conceptos 246
Trminos bsicos 247 Desarrollo de competencias 247 Problemas
especiales 251 Respuestas a los ejercicios de prctica 252 Enlace
qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 253
8.1 Geometra molecular 254 8.2 Momento dipolar 264 QUMICA en accin
Los hornos de microondas: el momento dipolar en accin 268 8.3 Teora
de enlace valencia 268 8.4 Hibridacin de orbitales atmicos 272 8.5
Hibridacin en molculas que contienen enlaces dobles y triples 281
8.6 Teora de orbitales moleculares 284 8.7 Coniguraciones de
orbitales moleculares 287 8.8 Orbitales moleculares deslocalizados
292 QUMICA en accin El buckybaln un baln cualquiera? 294 Ecuaciones
bsicas 295 Resumen de conceptos 296 Trminos bsicos 296 Desarrollo
de competencias 297 Problemas especiales 302 Respuestas a los
ejercicios de prctica 302 www.FreeLibros.me
13. xvContenido Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 303
9.1 Teora cintica molecular de lquidos y slidos 304 9.2 Fuerzas
intermoleculares 305 9.3 Propiedades de los lquidos 311 9.4
Estructura cristalina 314 QUMICA en accin Por qu los lagos se
congelan desde la supercie hacia el fondo? 315 Resumen de conceptos
322 Trminos bsicos 322 Desarrollo de competencias 322 Problemas
especiales 324 Respuestas a los ejercicios de prctica 324
Equilibrio qumico 325 10.1 El concepto de equilibrio y la constante
de equilibrio 326 10.2 Escritura de las expresiones de las
constantes de equilibrio 328 10.3 Qu informacin proporciona la
constante de equilibrio? 340 10.4 Factores que afectan el
equilibrio qumico 346 QUMICA en accin La vida a grandes alturas y
la produccin de hemoglobina 353 QUMICA en accin El proceso Haber
354 Ecuaciones bsicas 354 Resumen de conceptos 354 Trminos bsicos
355 Desarrollo de competencias 356 Problemas especiales 360
Respuestas a los ejercicios de prctica 360 www.FreeLibros.me
14. xvi Contenido Equilibrios cido-base y equilibrios de
solubilidad 361 11.1 cidos y bases de Brnsted 362 11.2 Propiedades
cido-base del agua 363 11.3 El pH: una medida de la acidez 365 11.4
Fuerza de los cidos y las bases 368 11.5 cidos dbiles y la
constante de ionizacin de un cido 372 11.6 Bases dbiles y la
constante de ionizacin de una base 378 11.7 Comparacin entre los
equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin 380 11.8 Efecto del
ion comn 380 11.9 Disoluciones amortiguadoras 384 11.10 Equilibrios
de solubilidad 389 QUMICA en accin Mantenimiento del pH de la
sangre 390 Ecuaciones bsicas 397 Resumen de conceptos 397 Trminos
bsicos 397 Desarrollo de competencias 397 Respuestas a los
ejercicios de prctica 400 MISTERIO de la qumica Un duro bocadillo
401 Electroqumica 403 12.1 Reacciones redox 404 12.2 Celdas
galvnicas 407 12.3 Bateras 409 QUMICA en accin Energa bacteriana
412 Resumen de conceptos 413 Trminos bsicos 413 Desarrollo de
competencias 413 Respuestas a los ejercicios de prctica 414
www.FreeLibros.me
15. xviiContenido Metalurgia y la qumica de los metales 415
13.1 Presencia de los metales 416 13.2 Procesos metalrgicos 416
13.3 Teora de las bandas de conductividad elctrica 422 13.4
Tendencias peridicas de las propiedades metlicas 424 13.5 Metales
alcalinos 425 13.6 Metales alcalinotrreos 429 13.7 Aluminio 431
QUMICA en accin Reciclamiento de aluminio 434 Resumen de conceptos
434 Trminos bsicos 435 Desarrollo de competencias 436 Qumica
orgnica 439 14.1 Clases de compuestos orgnicos 440 14.2
Hidrocarburos alifticos 440 14.3 Hidrocarburos aromticos 446 QUMICA
en accin El hielo que se quema 447 14.4 Qumica de los grupos
funcionales 449 QUMICA en accin La industria del petrleo 455
Resumen de conceptos 457 Trminos bsicos 457 Desarrollo de
competencias 457 Respuestas a los ejercicios de prctica 459
MISTERIO de la qumica Desaparicin de huellas digitales 460 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 Respuestas a
problemas pares R-1 ndice analtico I-1 www.FreeLibros.me
16. V ivimos tiempos de cambio y la educacin no es ajena a este
proceso. Los planes de estudio de las instituciones de educacin
superior se renuevan constantemente para estar a la altura de las
necesidades actuales y se establecen nuevas metodologas que deben
ser respaldadas con obras editoriales de calidad. Como una
contribucin a esta revolucin educativa, se desarrolla esta obra,
dirigida al rea bsica, cursada en las principales escuelas de
ciencias e ingeniera. Aunado a lo anterior, nuestros reconocidos
autores siguen ofreciendo el estilo cientico preciso y de fcil
comprensin que ha caracterizado a cada una de las obras. Entre las
principales caractersticas de esta serie, se pueden mencionar:
Adaptacin al nuevo modelo de competencias. Ejemplos y ejercicios
renovados. Utilizacin de las tecnologas de la informacin y
comunicacin (TIC). Notas histricas que fundamentan los conceptos
bsicos. Notacin formal de fcil accesibilidad para los alumnos.
Estructura que contribuye a desarrollar un pensamiento lgico,
heurstico y algortmico para modelar fenmenos y resolver problemas.
Actividades encaminadas al desarrollo de competencias genricas,
instrumentales, sist- micas y especicas. Joel Ibarra Instituto
Tecnolgico de Toluca www.FreeLibros.me
17. M i intencin ha sido escribir un texto de qumica general
que siempre ofrezca una base irme de conceptos y principios
qumicos, y que inculque en los estudiantes el reconocimiento de la
funcin tan vital que la qumica desempea en nuestra vida cotidiana.
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 presen- tados en una
secuencia lgica. Siempre que ha sido posible, he intentado
equilibrar la teora y la prctica, as como ilustrar los principios
bsicos con ejemplos comunes. En esta edicin, mi meta ha sido crear
un texto que explique con claridad conceptos abs- tractos, lo
bastante conciso para no abrumar a los estudiantes con informacin
extraa e inne- cesaria, pero lo suicientemente amplio para
prepararlos para el siguiente nivel de aprendizaje. Los comentarios
alentadores que he recibido de maestros y estudiantes me han
convencido de la eicacia de este mtodo. Importante en esta edicin
Contiene muchos problemas de inal de captulo con la representacin
grica de molcu- las, para poner a prueba las habilidades de
comprensin conceptual y razonamiento crti- co del estudiante. Los
problemas ms desaiantes se incluyen bajo la seccin Desarrollo de
competencias. En el captulo 8 se incluyeron diagramas orbitales
moleculares generados por computa- dora. 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 problemas de inal de captulo. Muchos de
ellos presentan piezas adicionales de conocimiento y permiten al
estudiante enfrentarse con 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 solu- cin. 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 didctica. Solucin es el proceso de
resolver por etapas un problema determinado. Veriicacin permite al
estudiante veriicar y comparar con la fuente de informacin para
asegurarse de que la respuesta sea razonable. Ejercicio de prctica
ofrece la oportunidad de resolver un problema similar con el in de
obtener destreza en la resolucin de este tipo de problemas. La nota
al margen enlista problemas similares adicionales para trabajar en
la seccin de problemas al inal del captulo. www.FreeLibros.me
18. xx Prefacio Problemas de inal de captulo estn organizados
de varias formas. Cada seccin com- prendida debajo de un encabezado
temtico comienza con Preguntas de repaso seguidas por Problemas. La
seccin de Problemas adicionales ofrece ms problemas no orga-
nizados por secciones. Por ltimo, la seccin Problemas especiales
contiene problemas con un mayor grado de diicultad. Visualizacin
Gricas y diagramas de lujo son importantes en ciencia. En
Fundamentos de qumica, los diagramas de lujo muestran el proceso
mental de un concepto y las gricas 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 tridimensionales de las
molculas. Finalmente, la representacin macroscpica a microscpica,
ayuda a los estudiantes 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
visualizar la distribucin real de un labora- torio qumico. Ayudas
para el estudio Herramientas didcticas Fundamentos de 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, pistas e informacin con el
in de enri- quecer la base cognitiva 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
esquemas lo ayudar a comprender el funcionamiento interno de un
problema. Una nota al margen muestra problemas similares en la
seccin de problemas al inal del cap- tulo, lo que permite aplicar
un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo. Las res- puestas
a los Ejercicios de prctica se presentan al inal de los problemas
del captulo. Revisin de conceptos permite al estudiante evaluar si
ha comprendido el concepto pre- sentado en cada seccin. Ecuaciones
bsicas se presentan dentro de cada captulo y se resaltan para
captar la aten- cin del estudiante en cuanto al material que
necesita comprender y recordar. Tambin se presentan como parte del
resumen de cada captulo y son fcilmente identiicables para ines de
repaso y estudio. Resumen de conceptos ofrece un repaso rpido de
los conceptos presentados y analiza- dos a detalle dentro de cada
captulo. Palabras clave son listas de todos los trminos importantes
para ayudar al estudiante a comprender el lenguaje de la qumica.
Ponga a prueba sus conocimientos Revisin de conceptos permite al
estudiante hacer una pausa y poner a prueba su com- prensin del
concepto presentado y analizado en determinada seccin.
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19. xxiPrefacio Problemas de inal de captulo permiten al
estudiante poner en prctica sus habilidades de pensamiento crtico y
resolucin de problemas. Los problemas se dividen en diferentes
tipos: Por seccin de captulo. Desde las Preguntas de repaso que
ponen a prueba la comprensin conceptual bsica, hasta los Problemas
que prueban la habilidad del estudiante para la resolucin de
problemas pertenecientes a esa seccin particular del captulo. Los
Problemas adicionales utilizan el lenguaje obtenido de las
diferentes secciones y captulos previos para su resolucin. La
seccin de Problema especial contiene problemas ms difciles idneos
para proyectos grupales. Relevancia prctica En todo el libro se
presentan ejemplos interesantes de las diferentes manifestaciones
coti- dianas de la qumica. Se usan analogas para ayudar a mejorar
la comprensin de conceptos qumicos abstractos. Problemas de inal de
captulo presentan muchas preguntas relevantes para el estudian- te.
Ejemplos: Por qu en ocasiones los entrenadores de natacin vierten
una gota de alcohol en el odo de los nadadores para extraer el
agua? Cmo se estima la presin en un envase de refresco carbonatado
antes de destaparlo? Qumica en accin son recuadros que aparecen en
cada captulo y que presentan una variedad de temas, cada uno con su
propia historia de la manera en que la qumica puede afectar una
parte de la vida. El estudiante aprender aspectos de la ciencia del
buceo y la medicina nuclear, entre muchos otros temas interesantes.
Misterio qumico presenta al estudiante un caso misterioso. Varias
preguntas qumicas ofrecen pistas acerca de cmo se podra resolver el
misterio. Misterio qumico fomen- tar un grado de nivel de
pensamiento crtico gracias a los pasos bsicos para la resolu- cin
de problemas desarrollados a lo largo del texto. Agradecimientos Me
gustara agradecer a los siguientes revisores y participantes de
simposios cuyos comenta- rios 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 Alaska-Fairbanks Allen Clabo Francis Marion
University Barbara Cole University of Maine W. Lin Coker III
Campbell University www.FreeLibros.me
20. xxii Prefacio Darwin Dahl Western Kentucky University Erin
Dahlke Loras College Gary DeBoer LeTourneau University Dawn De
Carlo University of Northern Iowa Richard Deming California State
University-Fullerton Gregg Dieckman University of Texas at Dallas
Michael Doughty Southeastern Louisiana University Bill Durham
University of Arkansas David Easter Texas State University-San
Marcos Deborah Exton University of Oregon David Frank California
State University-Fresno 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 Missouri-Kansas
City Thomas Gray University of Wisconsin-Whitewater 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 Michigan-Dearborn
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 Daniel B. Lawson
University of Michigan-Dearborn 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 Paciic 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 Nevada-Las
Vegas Jason Overby College of Charleston M. Diane Payne Villa Julie
College Lester L. Pesterield Western Kentucky University Richard
Petersen University of Memphis Joanna Piotrowska Normandale
Community College Amy Pollock Michigan State University-East
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 Michigan-Dearborn
David Speckhard Loras College Rick Spinney Ohio State University
David Son Southern Methodist University Larry O. Spreer University
of the Paciic www.FreeLibros.me
21. xxiiiPrefacio 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 Wisconsin-Platteville 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 Peacock-Lopez y
Desire Gijima por los diagramas orbitales generados por computadora
del captulo 8. Como siempre, me he beneiciado de las discusiones
con mis colegas del Williams Colle- ge y de la correspondencia con
los profesores de ah y del extranjero. Es un placer agradecer el
apoyo que me han otorgado los siguientes miembros de la di- visin
de Higher Education 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, me gustara
mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la produccin, a David
Hash por el diseo del libro, a John Leland por la investigacin
fotogrica, a Daryl Brulodt y Judi David por el formato multimedia y
a Todd Turner, gerente de marketing, por sus su- gerencias y
aliento. Vaya tambin mi agradecimiento a mis editores comerciales
Tami Hodge y Thomas Timp, por sus consejos y ayuda. Por ltimo, 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.
Fundamentos de qumica es una adaptacin del libro Qumica, dcima
edicin, de Chang, el cual se beneici con la revisin tcnica de los
siguientes profesores: 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.
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22. L a qumica general suele considerarse como una materia ms
difcil que las dems. En cierto sentido esto es justiicable por una
razn: la qumica tiene un vocabulario muy especializado. En primer
lugar, estudiar qumica es como aprender un nuevo idioma. Adems,
algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es
perseverante 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 comprendi el
signiicado de un trmino o el uso de una ecuacin. 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 de esta edicin de Fundamentos de qumica
estn diseadas para permitirle aprovechar mejor su curso de qumica
general. La siguiente gua explica cmo obtener el mayor provecho del
texto, la tecnologa y otras herramientas. Al inal de cada captulo,
encontrar un resumen de conceptos, ecuaciones bsicas y una lista de
trminos clave, todo lo cual le servir como un repaso para los
exmenes. Los trminos clave estn acompaados de la pgina donde
aparecen, de manera que pue- da remitirse al captulo y estudie su
contexto. Un estudio detallado de los ejemplos solucionados en cada
captulo mejorar su capaci- dad para analizar problemas y hacer los
clculos necesarios para resolverlos. Tambin, tmese el tiempo para
resolver el ejercicio de prctica que sigue a cada ejemplo y aseg-
rese de que ha entendido cmo resolver el tipo de problema ilustrado
en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios de prctica aparecen
al inal 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
inal 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 qumi- ca es una materia desaiante, pero menos difcil y mucho
ms interesante de lo que esperaba. Raymond Chang
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23. Qumica El estudio del cambio Un globo lleno de hidrgeno
explota al calentarlo con una lama. 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. www.FreeLibros.me
24. 2 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 cienticos separaran sustancias en sus componentes y, por
tanto, explicaran muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El
desarrollo acelerado de tecnologa cada vez ms reinada durante el
si- glo xx nos brind 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 espec- icas, 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 (igura 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 ibrosis qustica y la hemoilia, 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- cico en las clulas del paciente para curar o
aminorar esos trastornos. A in de ejecutar esos procedimientos, el
mdico debe tener conocimientos slidos de las propiedades qumicas de
los componentes moleculares implicados. La descodiicacin 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
signica el estudio del cambio. www.FreeLibros.me
25. 31.1 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 supericie
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 relejarse 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 cientico 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 isin 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 isin. 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 obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas
fotovoltaicas. c) Oblea de silicio en fabricacin. d) La hoja de la
izquierda se tom de una planta de tabaco no sometida a ingeniera
gen- tica 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) www.FreeLibros.me
26. 4 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio ramiento del
destino inal 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 signiicativa 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 eicientes 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 la tecnologa 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 oicinas, 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 eiciencia 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 cienticos
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
cienticos 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. www.FreeLibros.me
27. 51.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi 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 in 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 codiica 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 identiicacin 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. Foto 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 res- puestas constituye un ejemplo del
mtodo cientico. 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 gi- gantesca, el Big Bang.
En esos primeros momentos, el uni- verso ocupaba un volumen
diminuto y su temperatura era ms alta de lo imaginable. Esta
brillante bola de fuego de ra- diacin mezclada con partculas
microscpicas de materia se enfri gradualmente, hasta que se
formaron los tomos. Por la inluencia de la fuerza de gravedad,
estos tomos se agru- paron para formar miles de millones de
galaxias, incluida la nuestra, la Va Lctea. El concepto de Gamow es
interesante y muy provoca- tivo. Se ha puesto a prueba
experimentalmente de diversas Q U M I C A en accin
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28. 6 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio 1.2 Clasiicacin
de la materia Al principio del captulo deinimos 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. Los qumicos distinguen varios
subtipos de materia con base en su composicin y pro- piedades. La
clasiicacin 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 deinida (constante) y propie- dades
distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azcar de mesa
(sacarosa), oro y oxgeno. Las sustancias diieren entre s por su
composicin y se pueden identiicar 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 maneras. Por principio de
cuentas, las mediciones demos- traron que el universo est en
expansin, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran
velocidad. Este he- cho es compatible con el nacimiento explosivo
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, 2270C)! A esta temperatura, gran parte de la energa co-
rresponde a la regin de microondas. Puesto que el Big Bang habra
ocurrido simultneamente en todo el diminuto volu- men 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 descubrimiento
del helio primordial. Los cienticos piensan que el helio y el
hidrgeno (los elementos ms ligeros) fue- ron los primeros que se
formaron en las etapas iniciales de la evolucin csmica. (Se cree
que otros elementos ms pesa- dos, como el carbono, nitrgeno y
oxgeno, se formaron ms adelante por reacciones nucleares en las que
participaron el hidrgeno y el helio, en el centro de las
estrellas.) De ser as, un gas difuso 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 co- rresponde a fenmenos que ocurrieron hace ms de 10 000
millones de aos. Por qu el hidrgeno no fue el elemento ms abundante
que se detect? El tomo de hidrgeno tiene un solo electrn, que se
desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionizacin.
Los tomos de hidrgeno ionizados no pueden absorber en absoluto la
luz del quasar. Por otra parte, el tomo de helio tiene dos
electrones. La radiacin puede quitarle al helio uno de sus
electrones; pero no siempre ambos. Los tomos de helio ionizados
todava absorben luz y, por tanto, son detectables. Los defensores
de la explicacin de Gamow se regoci- jaron ante la deteccin de
helio en los conines distantes del universo. En reconocimiento de
todos los datos sustentado- res, los cienticos ahora se reieren a
la hiptesis de Gamow como teora del Big Bang.
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29. 71.2 Clasiicacin de la materia mantienen separadas (igura
1.2). 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 [igura 1.2b)]. 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
identiicado 117 elementos. La mayora de ellos se encuentran de
manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios
cienticos mediante procesos nucleares. a) b) Figura 1.2 a) La
mezcla con- tiene virutas de hierro y arena. b) Un imn permite
separar las virutas de hierro de la mezcla. Esta misma tcnica se
usa en mayor escala para separar hierro y acero de objetos no magn-
ticos, como aluminio, vidrio y plsticos. TABLA 1.1 Algunos
elementos comunes y sus smbolos Nombre Smbolo Nombre Smbolo Nombre
Smbolo Aluminio Al Cromo Cr Oro Au Arsnico As Estao Sn Oxgeno O
Azufre S Flor F Plata Ag Bario Ba Fsforo P Platino Pt Bismuto Bi
Hidrgeno H Plomo Pb Bromo Br Hierro Fe Potasio K Calcio Ca Magnesio
Mg Silicio Si Carbono C Manganeso Mn Sodio Na Cloro Cl Mercurio Hg
Tungsteno W Cobalto Co Nquel Ni Yodo I Cobre Cu Nitrgeno N Zinc Zn
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30. 8 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio Mezclas homogneas
Mezclas Separacin por mtodos qumicos Separacin por mtodos fsicos
Materia Sustancias puras Mezclas heterogneas Compuestos Elementos
Figura 1.3 Clasicacin de la materia. Por conveniencia, los qumicos
usan smbolos de una o dos letras para representar a los elementos.
La primera letra del smbolo siempre es mayscula, no as la letra
siguiente. Por ejemplo, Co es el smbolo del elemento cobalto, en
tanto que CO es la frmula de la molcula monxido de carbono. En la
tabla 1.1 se muestran los nombres y smbolos de algunos de los
elementos ms comunes. Los smbolos de algunos elementos se derivan
de su nombre en latn, por ejemplo, Au de aurum (oro), Fe de ferrum
(hierro) y Na de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos
guardan correspondencia con su nombre en ingls. En el apndice 1 se
incluye una lista del origen de los nombres de los elementos y de
los cienticos que los descubrieron. Los tomos de muchos elementos
pueden interactuar entre s para formar compuestos. Por ejemplo, la
combustin del hidrgeno gaseoso con el oxgeno gaseoso forma agua,
cuyas propiedades diieren claramente de las correspondientes a los
elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrgeno
por una de oxgeno. Esta composicin no se modii- ca, sin importar
que el agua provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en
Mongolia o de las capas de hielo de Marte. As pues, el agua es un
compuesto, o sea, una sustancia formada por tomos de dos o ms
elementos unidos qumicamente en proporciones ijas. A diferencia de
las mezclas, los compuestos slo se pueden separar en sus
componentes puros por medios qumicos. Las relaciones entre los
elementos, compuestos y otras categoras de materia se resumen en la
igura 1.3. Revisin de conceptos Cul de los siguientes diagramas
representa elementos y cul representa compuestos? Cada esfera (o
esfera truncada) representa a un tomo. a) c)b) d)
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31. 91.3 Los tres estados de la materia 1.3 Los tres estados de
la materia Al menos en principio, todas las sustancias pueden
existir en tres estados: slido, lquido y gaseoso. Como se muestra
en la igura 1.4, los gases diieren de los lquidos y slidos en la
distancia que media entre las molculas. En un slido, las molculas
se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa libertad de
movimiento. Las molculas de un lquido estn cerca unas de otras, sin
que se mantengan en una posicin rgida, por lo que pueden moverse.
En un gas, las molculas estn separadas entre s por distancias
grandes en comparacin con el tamao de las molculas mismas. Son
posibles las conversiones entre los tres estados de la materia sin
que cambie la com- posicin de la sustancia. Al calentar un slido
(por ejemplo, el hielo) se funde y se transforma en lquido (agua).
(La temperatura en la que ocurre esa transicin se denomina punto de
fusin.) Su calentamiento adicional convierte al lquido en gas.
(Esta conversin sobreviene en el punto de ebullicin del lquido.)
Por otra parte, el enfriamiento de un gas hace que se condense en
la forma de lquido. Al enfriar adicionalmente este lquido, se
congela a su forma slida. Los tres estados de la materia se
muestran en la igura 1.5. Advierta que las propie- dades del agua
son nicas entre las sustancias comunes, ya que las molculas en su
estado lquido estn ms cerca unas de otras que en el estado slido.
Figura 1.4 Representacin microscpica de un slido, un lquido y un
gas. Figura 1.5 Los tres estados de la materia. Un lingote caliente
transforma el hielo en agua y luego en vapor de agua. Slido Lquido
Gas www.FreeLibros.me
32. 10 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio Combustin del
hidrgeno en el aire para formar agua. Revisin de conceptos Un cubo
de hielo se coloc en un recipiente cerrado. Cuando se calienta, el
cubo de hielo primero se derrite y despus el agua hierve hasta
formar vapor. Cul de los siguientes enunciados es verdadero? a) La
apariencia fsica del agua es diferente en cada etapa de cambio. b)
La masa de agua es la mayor para el cubo de hielo y la menor para
el vapor. 1.4 Propiedades fsicas y qumicas de la materia Se
identiican las sustancias por sus propiedades y su composicin. El
color, punto de fusin y punto de ebullicin son propiedades fsicas.
Una propiedad fsica se puede medir y obser- var sin que se modiique
la composicin o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible
medir el punto de fusin del hielo al calentar un bloque de hielo y
registrar la temperatura en la que se convierte en agua. El agua
diiere del hielo slo en su aspecto, no en su composicin, de modo
que se trata de un cambio fsico; es posible congelar el agua para
obtener de nuevo hielo. De esta manera, el punto de fusin de una
sustancia es una propiedad fsica. De manera similar, cuando se
airma que el helio gaseoso es ms ligero que el aire se hace
referencia a una propiedad fsica. Por otra parte, la aseveracin: el
hidrgeno se quema en presencia de oxgeno para for- mar agua,
describe una propiedad qumica del hidrgeno, ya que a in de observar
esta propiedad debe ocurrir un cambio qumico, en este caso, la
combustin. Despus del cambio, desaparece la sustancia qumica
original, el hidrgeno, y slo queda otra sustancia qumica distinta,
el agua. Es imposible recuperar el hidrgeno a partir del agua
mediante un cambio fsico, como la ebullicin o congelacin. Cada vez
que se cuece un huevo, ocurre un cambio qumico. Cuando se someten a
tem- peraturas cercanas a 100C, la yema y la clara experimentan
cambios que no slo modiican su aspecto fsico, sino tambin su
composicin qumica. Despus, al comerse, el huevo se modiica de
nuevo, por efecto de sustancias del cuerpo humano llamadas enzimas.
Esta accin digestiva es otro ejemplo de un cambio qumico. Lo que
ocurre durante la digestin depende de las propiedades qumicas de
las enzimas y los alimentos. Todas las propiedades mensurables de
la materia corresponden a una de dos categoras adicionales:
propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de
una propie- dad extensiva depende de la cantidad de materia que se
considere. La masa, que es la canti- dad de materia en una muestra
dada de una sustancia, es una propiedad extensiva. Ms ma- teria
signiica ms masa. Los valores de una misma propiedad extensiva
pueden sumarse. Por ejemplo, dos monedas de cobre tienen la misma
masa combinada que la suma de las masas de cada moneda, en tanto
que la longitud de dos canchas de tenis es la suma de las
longitudes de ambas canchas. El volumen, que se deine como la
longitud elevada al cubo, es otra propie- dad extensiva. El valor
de una cantidad extensiva depende de la cantidad de materia. El
valor medido de una propiedad intensiva no depende de cunta materia
se considere. La densidad, que se deine como la masa de un objeto
dividida entre su volumen, es una pro- piedad intensiva. Tambin lo
es la temperatura. Suponga que se tienen dos matraces llenos de
agua que estn a la misma temperatura. Si se combinan para tener un
solo volumen de agua en un matraz ms grande, la temperatura de este
mayor volumen de agua ser la misma que en los dos matraces
separados. A diferencia de la masa, longitud y volumen, la
temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas.
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33. 11Desarrollo de competencias Revisin de conceptos El
diagrama en a) muestra un compuesto integrado por tomos de dos
elementos (representados por las esferas en color y grises) en
estado lquido. Cul de los diagramas en b) a d) representa un cambio
fsico y cul un cambio qumico? a) c)b) d) Clasiicacin y propiedades
de la materia Preguntas de repaso 1.1 Indique un ejemplo de cada
uno de los trminos siguien- tes: a) materia; b) sustancia, c)
mezcla. 1.2 Seale un ejemplo de mezcla homognea y otro de mezcla
heterognea. 1.3 Use ejemplos para explicar la diferencia entre
propieda- des fsicas y qumicas. 1.4 En qu diiere una propiedad
extensiva de una intensiva? Indique cules de las propiedades
siguientes son intensi- vas y cules extensivas: a) longitud; b)
volumen; c) tem- peratura, d) masa. 1.5 Seale ejemplos de un
elemento y de un compuesto. En qu se distinguen los elementos de
los compuestos? 1.6 Cul es el nmero de elementos conocidos?
Problemas 1.7 Indique si cada una de las airmaciones siguientes
des- cribe una propiedad fsica o una qumica: a) El oxgeno gaseoso
permite la combustin. b) Los fertilizantes ayu- dan a incrementar
la produccin agrcola. c) El agua hierve a menos de 100C en la cima
de una montaa. d) El plomo es ms denso que el aluminio. e) El
uranio es un elemento radiactivo. 1.8 Seale si cada una de las
airmaciones siguientes describe un cambio fsico o un cambio qumico:
a) El helio ga- seoso contenido en el interior de un globo tiende a
escapar despus de unas cuantas horas. b) Un rayo de luz tiende a
atenuarse y inalmente desaparecer. c) El jugo de naranja congelado
se reconstituye al aadirle agua. d) El creci- miento de las plantas
depende de la energa solar en un proceso llamado fotosntesis. e)
Una cucharada de sal de mesa se disuelve en un plato de sopa. 1.9
Indique los nombres de los elementos representados con los smbolos
qumicos Li, F, P, Cu, As, Zn, Cl, Pt, Mg, U, Al, Si, Ne. (Vea la
tabla 1.1 y la segunda de forros de este texto.) 1.10 Seale los
smbolos qumicos de los elementos siguientes: a) potasio; b) estao;
c) cromo; d) boro; e) bario; f ) plu- tonio; g) azufre; h) argn, i)
mercurio. (Vea la tabla 1.1.) 1.11 Clasiique cada una de las
sustancias siguientes como ele- mento o compuesto: a) hidrgeno; b)
agua; c) oro, d) az- car. 1.12 Clasiique cada uno de los siguientes
como elemento, compuesto, mezcla homognea o mezcla heterognea: a)
agua salada; b) helio gaseoso; c) cloruro de sodio (sal de mesa);
d) una botella de refresco; e) una malteada; f ) aire en una
botella, g) concreto. Problemas adicionales 1.13 Proporcione una
airmacin cuantitativa y otra cualitativa acerca de cada una de las
siguientes sustancias: a) agua; b) carbono; c) hierro; d) hidrgeno
gaseoso; e) sacarosa az- car de caa); f ) sal de mesa (cloruro de
sodio); g) mercu- rio; h) oro, i) aire. 1.14 Indique cules de las
airmaciones siguientes describen propiedades fsicas y cules
propiedades qumicas: a) el hierro tiende a oxidarse; b) el agua
pluvial de regiones industrializadas tiende a ser cida; c) las
molculas de hemoglobina son de color rojo; d) cuando se deja un
vaso con agua al sol, el agua desaparece gradualmente, e) du- rante
la fotosntesis las plantas convierten el dixido de carbono de la
atmsfera en molculas ms complejas. Desarrollo de competencias
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34. 12 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio M I S T E R I O
D E L A qumica Los dinosaurios predominaron en la Tierra durante
millones de aos y luego desaparecieron repentina- mente. A in de
resolver este misterio, los paleontlogos estudiaron fsiles y
esqueletos encontrados en las rocas de diversas capas de la corteza
terrestre. Sus descubrimientos les permitieron identiicar especies
que existieron en el pla- neta durante periodos geolgicos
especicos. Adems, revelaron la ausencia de esqueletos de
dinosaurios en las La desaparicin de los dinosaurios Problemas
especiales 1.15 Un qumico del siglo xix prepar una sustancia
descono- cida. En trminos generales, piensa usted que sera ms
difcil demostrar que se trata de un compuesto o de un elemento?
Explique su repuesta. 1.16 Suponga que se le proporciona un lquido.
Describa bre- vemente los pasos que realizara para demostrar que se
trata de una sustancia pura o de una mezcla homognea.
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35. rocas formadas inmediatamente despus del periodo Cret-
cico, que data de hace 65 millones de aos. Por tanto, se supone que
los dinosaurios se extinguieron hace 65 millo- nes de aos. Entre
las muchas hiptesis planteadas para explicar su desaparicin, se
cuentan alteraciones de la cadena alimen- taria y un cambio brusco
del clima resultante de erupciones volcnicas violentas. Sin
embargo, no se tenan datos con- vincentes en favor de ninguna
hiptesis sino hasta 1977. Fue entonces cuando un grupo de
paleontlogos que traba- jaba en Italia obtuvo algunos datos
desconcertantes en un sitio cercano a Gubbio. El anlisis qumico de
una capa de arcilla depositada por arriba de sedimentos formados
durante el periodo Cretcico (y, por tanto, una capa que registra lo
ocurrido despus de ese periodo) mostr un con- tenido
sorprendentemente alto del elemento iridio (Ir), poco comn en la
corteza terrestre y comparativamente abun- dante en asteroides. Esa
investigacin llev a la hiptesis de que la extin- cin de los
dinosaurios ocurri como sigue. A in de expli- car la cantidad de
iridio encontrada, los cienticos plantearon que un gran asteroide,
de varios kilmetros de dimetro, impact la Tierra en la poca de la
desaparicin de los dinosaurios. Dicho impacto debe haber sido tan
fuerte que literalmente vaporiz una gran cantidad de rocas, suelo y
otros objetos circundantes. El polvo y desechos resultantes lotaron
en la atmsfera y bloquearon la luz solar durante meses o quizs aos.
A falta de luz solar abundante, muchas de las plantas no pudieron
crecer, y el registro fsil conirma que, de hecho, muchos tipos de
plan- tas se extinguieron en esa poca. De tal suerte, por supuesto
que muchos animales herbvoros perecieron y, a su vez, los carnvoros
sufrieron hambre. La carencia de fuentes de ali- mento al parecer
afectaba a los grandes animales, que nece- sitaban grandes volmenes
de comida, ms rpida y notablemente que a los animales ms pequeos.
As pues, los enormes dinosaurios, de los cuales el ms grande habra
pesado hasta 30 toneladas, desaparecieron a falta de ali- mento.
Indicios qumicos 1. De qu manera el estudio de la extincin de los
dino- saurios ilustra el mtodo cientico? 2. Plantee dos maneras en
las que podra comprobar la hiptesis de la colisin del asteroide. 3.
En su opinin, se justiica referirse a la explicacin del asteroide
como la teora de la extincin de los dinosaurios? 4. La informacin
disponible hace pensar que casi 20% de la masa del asteroide se
convirti en polvo y se distribuy uniformemente sobre la Tierra
despus de descender de la atmsfera superior. La cantidad de polvo
fue de casi 0.02 g/cm2 de la supericie terrestre. Es muy probable
que el asteroide haya tenido una den- sidad cercana a 2 g/cm3 .
Calcule la masa (en kilogra- mos y en toneladas) del asteroide y su
radio en metros, en el supuesto de que era una esfera. (El rea de
la Tierra es de 5.1 3 1014 m2 ; 1 lb = 453.6 g.) (Fuente: Consider
a Spherical CowA Course in Environmen- tal Problem Solving, de J.
Harte, University Science Books, Mill Valley, CA 1988. Con
autorizacin.) 13Misterio de la qumica www.FreeLibros.me
36. www.FreeLibros.me
37. Imgenes de la emisin radiactiva del radio (Ra). Los modelos
muestran el ncleo del radio y los productos de su descomposicin
radiactiva: radn (Rn) y una partcula alfa, la cual tiene dos
protones y dos neutrones. El estudio de la radiactividad ayud a
mejorar el conocimiento de los cienticos acerca de la estructura
atmica. tomos, molculas y iones www.FreeLibros.me
38. 16 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones 2.1 Teora atmica En el
siglo v a.C., el ilsofo griego Demcrito expres la idea de que toda
la materia estaba formada por muchas partculas pequeas e
indivisibles que llam tomos (que signiica in- destructible o
indivisible). A pesar de que la idea de Demcrito no fue aceptada
por muchos de sus contemporneos (entre ellos Platn y Aristteles),
sta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas
investigaciones cienticas apoyaron el concepto del atomismo, lo que
condujo, de manera gradual, a las deiniciones modernas de elementos
y compuestos. En 1808, el cientico ingls, profesor John Dalton,1
formul una deinicin precisa de las unidades indivisibles con las
que est formada la materia y que llamamos tomos. El trabajo de
Dalton marc el principio de la era de la qumica moderna. Las
hiptesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la
teora atmica de Dalton, pueden resu- mirse como sigue: 1. Los
elementos estn formados por partculas extremadamente pequeas
llamadas to- mos. 2. Todos los tomos de un mismo elemento son
idnticos, tienen igual tamao, masa y pro- piedades qumicas. Los
tomos de un elemento son diferentes a los tomos de todos los dems
elementos. 3. Los compuestos estn formados por tomos de ms de un
elemento. En cualquier com- puesto, la relacin del nmero de tomos
entre dos de los elementos presentes siempre es un nmero entero o
una fraccin sencilla. 4. Una reaccin qumica implica slo la
separacin, combinacin o reordenamiento de los tomos; nunca supone
la creacin o destruccin de los mismos. En la igura 2.1 se muestra
una representacin esquemtica de las tres ltimas hiptesis. El
concepto de Dalton sobre un tomo es mucho ms detallado y especico
que el con- cepto de Demcrito. La segunda hiptesis establece que
los tomos de un elemento son dife- rentes de los tomos de todos los
dems elementos. Dalton no intent describir la estructura o
composicin de los tomos. Tampoco tena idea de cmo era un tomo, pero
se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por
elementos como el hidrgeno y el oxgeno slo se puede explicar a
partir de la idea de que los tomos de hidrgeno son distintos de los
tomos de oxgeno. La tercera hiptesis sugiere que para formar
determinado compuesto no slo se necesi- tan los tomos de los
elementos correctos, sino que es indispensable un nmero especico de
dichos tomos. Esta idea es una extensin de una ley publicada en
1799 por el qumico 1 John Dalton (1766-1844). Qumico, matemtico y
ilsofo ingls. Adems de la teora atmica, tambin formul varias leyes
sobre los gases y proporcion la primera descripcin detallada de la
ceguera al color, la cual padeca. Se ha descrito a Dalton como un
experimentador indiferente con muy pocas habilidades en las reas
del lenguaje y la ilustracin. Su nico pasatiempo era el juego de
bolos en csped los jueves por la tarde. Tal vez la visin de esos
bolos de madera fue lo que inspir su idea de la teora atmica.
Figura 2.1 a) De acuerdo con la teora atmica de Dalton, los tomos
del mismo elemento son idnticos, pero los tomos de un elemento son
distintos de los tomos de otros. b) Compuesto formado por tomos de
los elementos X y Y. En este caso, la proporcin de los tomos del
elemento X con respecto a la del elemento Y es de 2:1. Observe que
la reaccin qumica produce slo un reordenamiento de tomos, no su
destruccin o creacin. b) Compuestos formados por los elementos X y
Ytomos del elemento X tomos del elemento Y a)
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39. 172.2 Estructura del tomo francs Joseph Proust.2 La ley de
las proporciones deinidas de Proust establece que muestras
diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos
elementos y en la misma proporcin de masa. As, si se analizan
muestras de dixido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes
fuentes, en todas las muestras se encontrar la misma proporcin de
masa de carbono y oxgeno. Entonces, si la proporcin de las masas de
los diferentes elementos de un compuesto es una cantidad ija, la
proporcin de los tomos de los elementos en dicho com- puesto tambin
debe ser constante. La tercera hiptesis de Dalton conirma otra
importante ley, la ley de las proporciones mltiples. Segn esta ley,
si dos elementos pueden combinarse para formar ms de un com-
puesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa
ija del otro mantiene una relacin de nmeros enteros pequeos. La
teora de Dalton explica la ley de las propor- ciones mltiples de
manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos
elementos diieren en el nmero de tomos de cada clase. Por ejemplo,
el carbono forma dos compuestos estables con el oxgeno, llamados
monxido de carbono y dixido de carbono. Las tcnicas modernas de
medicin indican que un tomo de carbono se combina con un tomo de
oxgeno en el monxido de carbono, y con dos tomos de oxgeno en el
dixido de carbono. De esta manera, la proporcin de oxgeno en el
monxido de carbono y en el dixido de carbono es 1:2. Este resultado
concuerda con la ley de las proporciones mltiples (igura 2.2). La
cuarta hiptesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la
conservacin de la masa,3 la cual establece que la materia no se
crea ni se destruye. Debido a que la materia est formada por tomos,
que no cambian en una reaccin qumica, se concluye que la masa
tambin se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la
naturaleza de la materia fue el principal estmulo para el rpido
progreso de la qumica durante el siglo xix. Revisin de conceptos
Los tomos de los elementos A (en color) y B (gris) forman los dos
compuestos mostrados aqu. Estos compuestos obedecen la ley de las
proporciones mltiples? 2.2 Estructura del tomo Con base en la teora
atmica de Dalton, un tomo se deine como la unidad bsica de un
elemento que puede intervenir en una combinacin qumica. Dalton
describi un tomo como una partcula extremadamente pequea e
indivisible. Sin embargo, una serie de investigacio- nes iniciadas
alrededor de 1850, y que continuaron hasta el siglo xx, demostraron
claramente que los tomos tienen una estructura interna, es decir,
que estn formados por partculas an ms pequeas, llamadas partculas
subatmicas. Estas investigaciones condujeron al descu- brimiento de
tres partculas: electrones, protones y neutrones. Figura 2.2
Ilustracin de la ley de las proporciones mltiples. Monxido de
carbono Dixido de carbono O C 2 1 O C 1 1 5 5 5 5 Oxgeno en el
monxido de carbono en relacin con el oxgeno en el dixido de
carbono: 1:2 2 Joseph Louis Proust (1754-1826). Qumico francs. Fue
el primero en aislar el azcar de las uvas. 3 De acuerdo con Albert
Einstein, la masa y la energa son aspectos alternos de una entidad
nica denominada masa- energa. Por lo comn, las reacciones qumicas
implican una ganancia o prdida de calor u otras formas de energa.
As, cuando la energa se pierde en una reaccin, por ejemplo, tambin
se pierde masa. No obstante, salvo en el caso de las reacciones
nucleares, los cambios de masa en las reacciones qumicas son
demasiado pequeos para ser detec- tados. Por consiguiente, para
ines prcticos, la masa se conserva. www.FreeLibros.me
40. 18 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones El electrn En la dcada
de 1890, muchos cienticos estaban interesados en el estudio de la
radiacin, la emisin y transmisin de la energa a travs del espacio
en forma de ondas. La informacin obtenida por estas investigaciones
contribuy al conocimiento de la estructura atmica. Para investigar
este fenmeno se utiliz un tubo de rayos catdicos, precursor de los
tubos utiliza- dos en los televisores (igura 2.3). Consta de un
tubo de vidrio del cual se ha evacuado casi todo el aire. Si se
colocan dos placas metlicas y se conectan a una fuente de alto
voltaje, la placa con carga negativa, llamada ctodo, emite un rayo
invisible. Este rayo catdico se dirige hacia la placa con carga
positiva, llamada nodo, que pasa por una perforacin y contina su
trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo
alcanza la supericie, recubierta de una manera especial, produce
una fuerte fluorescencia o luz brillante. En algunos experimentos
se colocaron, por fuera del tubo de rayos catdicos, dos pla- cas
cargadas elctricamente y un electroimn (vea la igura 2.3). Cuando
se conecta el cam- po magntico y el campo elctrico permanece
desconectado, los rayos catdicos alcanzan el punto A del tubo.
Cuando est conectado solamente el campo elctrico, los rayos lle-
gan al punto C. Cuando tanto el campo magntico como el elctrico
estn desconectados, o bien cuando ambos estn conectados pero se
balancean de forma que se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan
el punto B. De acuerdo con la teora electromagntica, un cuerpo
cargado, en movimiento, se comporta como un imn y puede interactuar
con los campos magnticos y elctricos que atraviesa. Debido a que
los rayos catdicos son atrados por la placa con carga positiva y
repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en
partculas con car- ga negativa. Actualmente, estas partculas con
carga negativa se conocen como electrones. En la igura 2.4 se
muestra el efecto de un imn sobre los rayos catdicos. El fsico
ingls J. J. Thomson4 utiliz un tubo de rayos catdicos y su
conocimiento de la teora electromagntica para determinar la relacin
entre la carga elctrica y la masa de un electrn. El nmero que
obtuvo fue de 21.76 3 108 C/g, en donde C corresponde a coulombs,
la unidad de carga elctrica. Ms tarde, entre 1908 y 1917, R. A.
Millikan5 llev a cabo una serie de experimentos para medir la carga
del electrn con gran precisin. Su trabajo demostr que la carga de
cada electrn era exactamente la misma. En su experimento, Millikan
analiz el movimiento de minsculas gotas de aceite que adquiran
carga esttica a partir de los iones del aire. Suspenda en el aire
las gotas cargadas mediante la aplicacin de un campo elctrico
Figura 2.3 Tubo de rayos cat- dicos con un campo elctrico
perpendicular a la direccin de los rayos catdicos y un campo
magntico externo. Los smbolos N y S denotan los polos norte y sur
del imn. Los rayos catdicos golpearn el extremo del tubo en el
punto A en presencia de un campo magntico, en el punto C en
presencia de un campo elctrico y en el punto B cuando no existan
campos externos presentes o cuando los efectos del campo elctrico y
del campo magntico se cancelen mutua- mente. Alto voltaje + nodo
Ctodo A B C S N Pantalla fluorescente Los electrones por lo general
se asocian con los tomos. No obstante, tambin se pueden estudiar
por separado. 4 Joseph John Thomson (1856-1940). Fsico britnico,
recibi el premio Nobel de Fsica en 1906 por ser quien des- cubri el
electrn. 5 Robert Andrews Millikan (1868-1953). Fsico
estadounidense, merecedor del premio Nobel de Fsica en 1923 por
determinar la carga del electrn. www.FreeLibros.me
41. 192.2 Estructura del tomo y segua su movimiento con un
microscopio (igura 2.5). Al aplicar sus conocimientos sobre
electrosttica, Millikan encontr que la carga de un electrn es de
21.6022 3 10219 C. A partir de estos datos calcul la masa de un
electrn: masa de electrn carga carga/masa 1.6022 10 5 5 3 19 8 C
1.76 10 C/g g 3 5 39 10 10 28 . ste es un valor de masa
extremadamente pequeo. Radiactividad En 1895, el fsico alemn
Wilhelm Rntgen6 observ que cuando los rayos catdicos incidan sobre
el vidrio y los metales, hacan que stos emitieran unos rayos
desconocidos. Estos rayos muy energticos eran capaces de atravesar
la materia, oscurecan las placas fotogricas, in- cluso cubiertas, y
producan fluorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos
rayos no eran desviados de su trayectoria por un imn, no podan
contener partculas con carga, como los rayos catdicos. Rntgen les
dio el nombre de rayos X, por su naturaleza desconocida. Figura 2.4
a) Rayo catdico producido en un tubo de descarga. El rayo en s
mismo es invisible, pero la uorescencia de un recubrimiento de
sulfuro de zinc en el cristal provoca su apariencia verdosa. b) El
rayo catdico se inclina hacia abajo cuando se le acerca el polo
norte del imn. c) Cuando la polaridad del imn se invierte, el rayo
se inclina hacia la direccin opuesta. a) b) c) Figura 2.5 Diagrama
esquemtico del experimento de Millikan de la gota de aceite. 6
Wilhelm Konrad Rntgen (1845-1923). Fsico alemn que recibi el premio
Nobel de Fsica en 1901 por el descu- brimiento de los rayos X.
Atomizador Visor del microscopio Placa cargada Rayos X para
producir la carga en las gotas de aceite (2) Oriicio pequeo (1)
Placa cargada Gotas de aceite www.FreeLibros.me
42. 20 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones Poco despus del
descubrimiento de Rntgen, Antoine Becquerel,7 profesor de fsica en
Pars, empez a estudiar las propiedades fluorescentes de las
sustancias. Accidentalmente en- contr que algunos compuestos de
uranio oscurecan las placas fotogricas cubiertas, incluso en
ausencia de rayos catdicos. Al igual que los rayos X, los rayos
provenientes de los com- puestos de uranio resultaban altamente
energticos y no los desviaba un imn, pero diferan de los rayos X en
que se emitan de manera espontnea. Marie Curie,8 discpula de
Becquerel, sugiri el nombre de radiactividad para describir esta
emisin espontnea de partculas o radiacin. Desde entonces se dice
que un elemento es radiactivo si emite radiacin de manera
espontnea. La desintegracin o descomposicin de las sustancias
radiactivas, como el uranio, produ- ce tres tipos de rayos
diferentes. Dos de estos rayos son desviados de su trayectoria por
placas metlicas con cargas opuestas (igura 2.6). Los rayos alfa (a)
constan de partculas cargadas positivamente, llamadas partculas a,
que se apartan de la placa con carga positiva. Los rayos beta (b),
o partculas b, son electrones y se alejan de la placa con carga
negativa. Un tercer tipo de radiacin consta de rayos de alta
energa, llamados rayos gamma (g). Al igual que los rayos X, los
rayos g no presentan carga y no les afecta un campo externo. El
protn y el ncleo Desde principios de 1900 ya se conocan dos
caractersticas de los tomos: que contienen electrones y que son
elctricamente neutros. Para que un tomo sea neutro debe contener el
mismo nmero de cargas positivas y negativas. Thomson propuso que un
tomo poda visua- lizarse como una esfera uniforme cargada
positivamente, dentro de la cual se encontraban los electrones como
si fueran las pasas en un pastel (igura 2.7). Este modelo, llamado
modelo del pudn de pasas, se acept como una teora durante algunos
aos. Figura 2.6 Tres tipos de rayos emitidos por elementos radiac-
tivos. Los rayos b consisten en partculas con carga negativa
(electrones), y por ende son atrados hacia la placa con carga
positiva. Por lo contrario, los rayos a tienen carga positiva y son
atrados hacia la placa con carga negativa. Debido a que los rayos g
no tienen carga alguna, su trayectoria no se ve alterada por un
campo elctrico externo. Figura 2.7 Modelo atmico de Thomson,
conocido como el modelo del pudn de pasas, por su semejanza con un
postre tradicional ingls hecho con pasas. Los electrones estn
insertos en una esfera uniforme con carga positiva. La carga
positiva est dispersa sobre la esfera completa 7 Antoine Henri
Becquerel (1852-1908). Fsico francs a quien se le otorg el premio
Nobel de Fsica en 1903 por el descubrimiento de la radiactividad
del uranio. 8 Marie (Marya Sklodowska) Curie (1867-1934). Qumica y
fsica nacida en Polonia. En 1903, ella y su esposo fran- cs, Pierre
Curie, fueron galardonados con el premio Nobel de Fsica por su
trabajo sobre la radiactividad. En 1911, una vez ms fue merecedora
de ese premio, pero esta vez en Qumica, por su trabajo sobre los
elementos radiactivos radio y polonio. Ella es una de las tres
personas que han recibido dos premios Nobel en Ciencias. A pesar de
su gran contribucin a la ciencia, su nominacin a la Academia
Francesa de Ciencias en 1911 fue rechazada por un voto debido a que
era mujer! Su hija Irene, y su yerno Frederic Joliot-Curie,
compartieron el premio Nobel de Qumica en 1935. + a g b Sustancia
radiactiva Cmara de plomo www.FreeLibros.me
43. 212.2 Estructura del tomo En 1910, el fsico neozelands
Ernest Rutherford,9 quien estudi con Thomson en la Universidad de
Cambridge, utiliz partculas a para demostrar la estructura de los
tomos. Junto con su colega Hans Geiger10 y un estudiante de
licenciatura llamado Ernest Marsden,11 Rutherford efectu una serie
de experimentos