Hall Prentice
Petrucci Harwood
Hernng
Química General
Octava edición
Química General Octava edición
Ralph H. Petrucci California State University, San Bernardino
illiam S. Har!ood "ndiana University, Bloomin#ton
$ Geoffrey Herrin# University of British Colum%ia Con la colaboración de Scott S. Perry, University ofHouston
&raducci'n( Concepci'n Pardo G.a)Pumarino *erea "+a Ca%o Universidad Complutense de adrid
Revisi'n &-cnica( uan /. Rodrí#ue+ Renuncio Universidad Complutense de adrid
Prentice Hall
Madrid • México • Sanlafé de Bogotá • Buenos Aires • Caracas • Lima Montevideo • San Juan ■ San José • Santiago • Sao auto • !"ite lains
/Datos de catalogación bibliográfica Ralph H. Fetrucd, WilHain S. Hanvood, F. Geof fre Herring !"#$%&' G()(R'*. +ctava edición. F('RS+) (D"&'&%), S. '., $adrid, - %S0)1 234-54562 $ateria1 !u78ica, 59 For8ato1:;5<-=
>áginas:-22
&odos los derechos reservados. Queda prohi%ida, salvo e0cepci'n prevista en la ley, cual1uier forma de reproducci'n, distri%uci'n, comunicaci'n p2%lica y transformaci'n de esta o%ra sin contar con autori+aci'n de los titulares de propiedad intelectual. 3a infracci'n de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arte. 456 y sgts. Código Pend). 7$R$CH8S R$S$R9/78S : 4;<=<> respecto a la primera edici'n en espa?ol por( P$/RS8* $7UC/C"@*, S. /. *u?e+ de Bal%oa, A46 466 adrid R/3PH H. P$&RUCC", "33"/ S. H/R887, D. G$8DDR$E H$RR"*G QUF"C/ G$*$R/3. 8ctava edici'n. %S0)1 )46)>>) 7ep'sito 3e#al( ) PR$*&"C$ H/33 es un selloeditorial de P$/RS8* $7UC/C"@*, S. /. Traduááo de. General Chemistry Copyri#ht : 4664,AII5 %y Prentice)Hal3 "nc. Upper Saddle River, *e! ersey 65 "SB*(4:4:3-;43 Edición en español: $1uipo editorial( $ditora( "sa%el Capella &-cnico editorial( arta CaJoya $1uipo de producci'n( 7irector os- /ntonio Clares &-cnico( os- /ntonio HernKn $1uipo de dise?o de P$/RS8* $7UC/C"@*, S. /. Composici'n( C8P"B88L, S. 3. "mpreso por( &.G.P$FF/3/R/,S/ "PR$S8 $* $SP/M/ ) PR"*&$7"* SP/"*
Preiitire Hall
(ste libro ha sido i8preso con papel tintas ecológicos
Resumen del contenido
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
3as propiedades de la materia y su medida A 3os Ktomos y la teoría at'mica >> Compuestos 1uímicos 3as reacciones 1uímicas A65 "ntroducci'na las reaccionesen disoluci'nacuosa A>I Gases A5 &ermo1uímica 446 Gases atmosf-ricos e hidr'#eno 4 3os electrones en los Ktomos 4I5 3a ta%la peri'dica y al#unas propiedadesat'micas > $nlace 1uímico ". Conceptos %Ksicos > $nlace 1uímico "". /spectos adicionales > 3í1uidos, s'lidos y fuer+as intermoleculares 5 3as disoluciones y sus propiedades físicas > Cin-tica 1uímica 5 Principios del e1uili%rio 1uímico 4 Ncidos y Bases 8tros aspectos de los e1uili%rios Kcido)%ase 5A6 Solu%ilidad y e1uili%rios de iones compleOos 5I $spontaneidad. $ntropía y ener#ía Gi%%s 54 $lectro1uímica 4> $lementos delos #rupos principales ". etales 54 $lementos de los #rupos principales"". *o metales I6 $lementos de transici'n II "ones compleOos y compuestos de coordinaci'n I Química nuclear A64
esu!en del contenido
Química or#Knica A6 Química de los seres vivos AA44 /p-ndices / 8peraciones matemKticas /l B /l#unos conceptos %Ksicos de física BA C Unidades S" Cl 7 &a%las de datos 7" $ Glosario $l " Respuestas de al#unos eOercicios seleccionados Dl G Cr-ditos de foto#rafías Gl H índice alfa%-tico Hl 27 28
#u$!ica general, .a edici'n, de los autores Ralph H. Petrucci, illiam S. Hard!ood y $ Geofftey Herrin#, se puede ad1uirir en dos vol2menes o en uno. $stK disponi%le en dos formatos( 8%ra completa( #u$!ica %eneral ;"SB*( )46)>>>)<. 9olumen "#u$!ica %eneral. Enlace #u$!ico y Estructura de la &ateria;"SB*( )46)>54)I<.
9olumen ""(#u$!ica %eneral. eactividad#u$!ica. Co!'uestos norgánicos y rgánicos ;"SB*()46)>5>)5<.
Contenido
/cerca los autores 0i0 Prefaciode 00i Guía del estudiante para la utili+aci'n deeste te0to 00i0 A
3as propiedades de la materia y su medida A
A.A 34 3> 29 30 31
$l alcance de la 1uímica 4 $l m-todo científico 4 Propiedades de la materia Clasificaci'n de la materia edida de las propiedades de la materia. Unidades S" 3a densidad, la composici'n porcentual y su utili+aci'n en la resoluci'n de pro%lemas A 32 3a incertidum%re en las medidas científicas A 33 Cifras si#nificativas AI #l método cient$fico en acción% &oliagua '' esu!en *+ Ee!'lo de reca'itulación *+ T-r!inos clave *+ Cuestiones de re'aso * Eercicios */ Eercicios avan0ados y de reca'itulación *1 Proble!as de se!inario 23 Eercicios !ulti!edia 2*
4
3os Ktomos y la teoría at'mica >>
34
3os primeros descu%rimientos 1uímicos y la teoría at'mica >
35
3os electrones y otros descu%rimientos de la física at'mica >5
*2 $l Ktomo nuclear A 36 3os elementos 1uímicos > 37 asas at'micas 38 "ntroducci'n a la ta%la peri'dica 39 $l concepto de mol y la constante de/vo#adro A 40 Utili+aci'n del concepto de mol en los cKlculos > $stado natural y a%undancias de los elementos esu!en 4 Ee!'lo T-r!inos clave 5 Cuestiones de re'aso 5 de reca'itulación Eercicios /6 5 Eercicios avan0ados y de reca'itulación /* Proble!as de se!inario /2 Eercicios !ulti!edia /+
>
Compuestos 1uímicos
>.A &ipos de compuestos 1uímicos y sus f'rmulas >7* $l concepto de mol y los compuestos 1uímicos 56 41 Constituci'n de los compuestos 1uímicos 5> 42 $stados de o0idaci'n( un instrumento 2til para descri%ir los compuestos 1uímicos 6 > *omenclatura de los compuestos or#Knicos e inor#Knicos 4 43 *om%res y f'rmulas de los compuestos inor#Knicos 4 44 *om%res y f'rmulas de los compuestos or#Knicos I6 $spectrometría de masas. 7eterminaci'n de f'rmulas moleculares I esu!en 1/ Ee!'lo de reca'itulación 14 T-r!inos clave II Cuestiones de re'aso 15 Eercicios 366 Eercicios reca'itulación 36+ Eercicios avan0ados !ulti!ediay de 36/
Proble!as de se!inario 86
3as reacciones 1uímicas A65
.A 3as reacciones 1uímicas y la ecuaci'n 1uímica A6 .4 3a ecuaci'n 1uímica y la este1uiometría AA4 3as reacciones 1uímicas en disoluci'n AA5 +2 +9 7eterminaci'n del reactivo limitante A44 8tros aspectos prKcticos de la este1uiometría de la reacci'n A4 La (u$mica industrial )'* esu!en 3*1 Ee!'lo de reca'itulación 326 T-r!inos clave 326 Cuestiones de re'aso 326 Eercicios 32* Eercicios avan0ados y de reca'itulación 32 Proble!as de se!inario 324 Eercicios !ulti!edia 325
"ntroducci'n a las reacciones en disoluci'n acuosa A>I
45 *aturale+a de las disoluciones acuosas A6 46 Reacciones de precipitaci'n A 47 Reacciones Kcido)%ase A . Principios #enerales de la o0idaci'n)reducci'n AA /Ouste de las reacciones de o0idaci'n)reducci'n A 48 /#entes o0idantes y reductores A> 49 $ste1uiometría de las reacciones en disoluci'n acuosa y valoraciones A $l tratamiento de a#uas A
Contenido T-r!inos clave 3/ esu!en 3/ Ee!'lo de reca'itulación 3// Cuestiones de re'aso 3// Eercicios 3/5 342 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 343 Eercicios !ulti!edia 34+
Proble!as de se!inario
Gases A5 50 Propiedades de los #ases( presi'n del #as A5 51 3as leyes elementales de los #ases AA /2 Com%inaci'n de las leyes de los #ases( ecuaci'n de los #ases ideales y ecuaci'n #eneral de los #ases A5 52 /plicaciones de la ecuaci'n de los #ases ideales AI6 53 3os #ases en las reacciones 1uímicas AI> 54 e+clas de #ases AI 55 &eoría cin-tico)molecular de los #ases AII 56 Propiedades de los #ases en la teoría cin-tico)molecular 46 57 Gases no ideales ;reales< 46 La (u$mica de los sistemas de +olsas de aire '), esu!en *61 Ee!'lo de reca'itulación *36 T-r!inos clave *36 Cuestiones de re'aso *33 Eercicios *3* Eercicios avan0ados y de reca'itulación *3/ Proble!as de se!inario *35 Eercicios !ulti!edia * 81
5
&ermo1uímica 446 &raslacional
tfOí
:;<
;/tracciones intermoleculares<
2=
Rotacional
9i%racional )
■«y $lectrostKtica
58 &-rminos %Ksicos en termo1uímica 44A 59 Calor 44> 32 Calores de reacci'n y calorimetría 44 60 &ra%aOo 4>6 61 $l primer principio de la termodinKmica 4>4 62 Calores de reacci'n( /i y /H 4> 63 7eterminaci'n indirecta de 9H> ley de Hess 4A 64 $ntalpias de formaci'n estKndar 4> 65 3os com%usti%les como fuentes de ener#ía 46
Grasas, hidratos de car%ono y almacenamiento de energ7a -53 esu!en *+ Ee!'lo de reca'itulación * T-r!inos clave */ Cuestiones de re'aso */ Eercicios *5 Eercicios avan0ados y de reca'itulación */* Proble!as de se!inario */+ Eercicios !ulti!edia */
66
Gases atmosf-ricos e hidr'#eno 4 3a atm'sfera 45
67 *itr'#eno 456 > 80í#eno 455 . 3os #ases no%les 4A T @0idos de car%ono 4> , Hidr'#eno 4 #l ciclo del car+ono '), Ee!'lo de reca'itulación *16 T-r!inos clave *1* esu!en *51 Cuestiones de re'aso *1* Eercicios *12
r Contenido
Eercicios avan0ados y de reca'itulación Eercicios !ulti!edia *1/ >4 ■
*'% iunt. $ines de unda
?3 l -
-M J$ .fl/MJflf t0S1i "JAltfl 2$tiBfi!2.34
*1+
Proble!as de se!inario *1
3os electrones en los Ktomos 4I5 4I Radiaci'n electroma#n-tica $spectros at'micos >6> &eoría cuKntica >6 $l Ktomo de Bohr >A6 7os ideas 1ue conduOeron a la mecKnica cuKntica ecKnica ondulatoria >46 *2meros cuKnticos y or%itales de los electrones >4 "nterpretaci'n y representaci'n de los or%itales del Ktomo de hidr'#eno 9.9 $spín del electr'n. Un cuarto n2mero cuKntico >>> ;.: Ntomos multielectr'nicos >> ;.:: Confi#uraciones electr'nicas >> I.A4 Confi#uraciones electr'nicas y la ta%la peri'dica >6 3Kseres de He)*e > esu!en 2+ Ee!'lo de reca'itulación 2+ T-r!inos clave 2+/ Cuestiones de re'aso 2+5 Eercicios 2+1 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 22 Proble!as de se!inario 2+ Eercicios !ulti!edia 2
;.: I.4 ; I. I. 5)6 ;.@ I.5 ;.2
A6 3a ta%la peri'dica y al#unas propiedadesat'micas > 68 Clasificaci'n de los elementos. 3a ley peri'dica y la ta%la peri'dica >5 69 etales, no metales y sus iones >A 70 $l tama?o de los Ktomos y los iones >> 71 $ner#ía de ioni+aci'n >56 72 /finidad electr'nica >5> 73 Propiedades ma#n-ticas >5 :.= Propiedades peri'dicas de los elementos >5 3a ley peri'dica y e mercurio >6 esu!en 256 Ee!'lo de reca'itulación 253 T-r!inos clave 25* Cuestiones de re'aso 25* Eercicios 252 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 25 Proble!as de se!inario 25/ Eercicios !ulti!edia 254
AA $nlace 1uímico ". Conceptos %Ksicos > 74 75 76 77 78 79 80
9isi'n #eneral de la teoría de 3e!is >I "ntroducci'n al enlace covalente >I4 $nlaces covalentes polares >I $scritura de las estructuras de 3e!is >I Resonancia 6 $0cepciones a la re#la del octeto 6 3a forma de las mol-culas 6I
81 8rden de enlace y lon#itud de enlace 46 82 $ner#ías de enlace 4A T-r!inos clave +* los polímeros, sustancias macromoieculsres 4 esu!en +*+ Cuestiones de re'aso +*/ Eercicios +*5 í:
Ee!'lo de reca'itulación +*
Contenido F Eercicios avan0ados y de reca'itulación +2* Eercicios !ulti!edia +2+
Proble!as de se!inario +22
A4 $nlace 1uímico "". /spectos adicionales >
*
•
$l o%Oetivo de una teoría de enlace > "ntroducci'n al m-todo de enlace de valencia >5 Hi%ridaci'n de los or%itales at'micos >I $nlaces covalentes m2ltiples 5 &eoría de or%itales moleculares A 76, $lectrones deslocali+ados. $l enlace en la mol-cula de %enceno T-r!inos clave +/1 $l enlace en los metales $spectroscopia fotelectr'nica 56 esu!en +/5 Ee!'lo de reca'itulación +/1 Cuestiones de re'aso +/1 Eercicios +4* Eercicios avan0ados y de reca'itulación +4+ Proble!as de se!inario +4/ Eercicios !ulti!edia +44
A> 3í1uidos, s'lidos y fuer+as intermoleculares 5 5I A>.A Duer+as intermoleculares y al#unas propiedades de los lí1uidos A>.4 9apori+aci'n de los lí1uidos. Presi'n de vapor A A>> /l#unas propiedades de los s'lidos I6 A>. 7ia#ramas de ;ase I4 A>. Duer+as de 9an der aals I5 A>. A>.5 A>. A>.I
$nlace 6A fuer+as intermoleculares 6 3os enladeceshidr'#eno 1uímicos como $structuras cristalinas 6 Cam%ios de ener#ía en la formaci'n de cristales i'nicos 4A Cristales lí1uidos 4 T-r!inos clave * esu!en *2 Ee!'lo de reca'itulación *2 Cuestiones de re'aso * Eercicios */ 2* Eercicios avan0ados y de reca'itulación 26 Proble!as de se!inario Eercicios !ulti!edia 22
A 3as disoluciones y sus propiedades físicas >
r *
> >I 83 &ipos de disoluciones. &-rminos utili+ados 84 Concentraci'n de una disoluci'n > 85 Duer+as intermoleculares y procesos de disoluci'n 86 Dormaci'n de la disoluci'n y e1uili%rio 87 Solu%ilidad de los #ases 5 88 Presi'n de vapor de las disoluciones I 89 Presi'n osm'tica 90 7escenso del punto de con#elaci'n y elevaci'n del punto de e%ullici'n de las disoluciones de no electroli to 5 91 7isoluciones de electrolitos 6
A . A 6
e+clas coloidales Cromato#rafía esu!en // Ee!'lo de reca'itulación /4 T-r!inos clave /4 Cuestiones de re'aso /5 Eercicios 46 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 4+ Proble!as de se!inario 4/ Eercicios !ulti!edia 44
Contenido
A Cin-tica 1uímica 5 3a velocidad de una reacci'n 1uímica 5I edidas de velocidades de reacci'n 6 7ependencia de las velocidades de reacci'n con la concentraci'n. $cuaci'n de velocidad Reacciones de orden cero 5 Reacciones de primer orden Reacciones orden I I Resumen dede la se#undo cin-tica de reacci'n odelos te'ricos de la cin-tica 1uímica I5 7ependencia de las velocidades de reacci'n con la temperatura 66 ecanismos de reacci'n 6> Catálisis 6,* Com+ustión 8 ex&losiones 6)7 esu!en /32 Ee!'lo de reca'itulación /3+ T-r!inos clave /3+ Cuestiones de re'aso /3/ Eercicios /34 Eercicios avan0ados y de reca'itulación /** Proble!as de se!inario /*+ Eercicios !ulti!edia /*
96 odificaci' n de las condiciones de e1uili%rio. Principio de 3e Ctelier A
97 CKlculos de e1uili%rios. $Oemplos ilustrativos 5 $l ciclo del nitr'#eno y la síntesis de compuestos nitro#enados esu!en // Ee!'lo de reca'itulación // T-r!inos clave /4 Cuestiones de re'aso /4 Eercicios /5 Eercicios avan0ados y de reca'itulación //3 Proble!as de se!inario //2 Eercicios !ulti!edia //+
A5 Ncidos y Bases 98 Breve revisi'n de la teoría de /rrhenius 99 &eoría de Kcidos y %ases de Br6nsted)3o!ry := 3a autoioni+aci'n del a#ua y la escala de pH 5A :=.3 Ncidos fuertes y %ases fuertes 5 := Ncidos d-%iles y %ases d-%iles 5 100 Ncidos polipr'ticos 101 3os iones como Kcidos y como %ases I 102 $structura molecular y carKcter Kcido)%ase I> 103 Ncidos y %ases de 3e!is I 3a lluvia acida 566 T-r!inos clave 462 esu!en 46* Ee!'lo de reca'itulación 46* Cuestiones de re'aso 462 Eercicios 46+ Eercicios avan0ados y de reca'itulación 464 Proble!as de se!inario 465 Eercicios !ulti!edia 461
Contenido i
A 8tros aspectos de los e1uili%rios Kcido)%ase 5A6 104 $fecto del ion com2n en los e1uili%rios Kcido)%ase 5AA 105 7isoluciones re#uladoras 5A A> "ndicadores Kcido)%ase 54 106 Reacciones de neutrali+aci'n y curvas de valoraci'n 54 107 7isoluciones de sales de Kcidos polipr'ticos 5> A.fi Resumen de los cKlculos de e1uili%rios Kcido)%ase 5> 7isoluciones re#uladorasen la san#re 5> esu!en 425 Ee!'lo de reca'itulación 425 T-r!inos clave 4+6 Cuestiones de re'aso 4+6 Eercicios 4+3 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 4++ Proble!as de se!inario 4+/ Eercicios !ulti!edia 4+5
AI Solu%ilidad y e1uili%rios de iones compleOos 5I AI.A AIV AI> AI. AI> 108 109 AIS AI.I
Constante del producto de solu%ilidad, ?@ 56 Relaci'n entre solu%ilidad yCsp 5A $fecto del ion com2n en los e1uili%rios de solu%ilidad 5> 3imitaciones del co ncepto de ?i' 5 Criterios para la precipitaci'n y precipitaci'n total 55 Precipitaci'n fraccionada 5I Solu%ilidad y pH 5A $1uili%rios 1ue implican iones compleOos 5> /nKlisis cualitativo de cationes 5
Caparazones, dientes y fósiles 772
esu!en 442 Ee!'lo reca'itulación T-r!inos clave 44+ Cuestiones de re'aso 44+ de Eercicios 44 44+ Eercicios avan0ados y de reca'itulación 445 Proble!as de se!inario 456 Eercicios !ulti!edia 453
46 $spontaneidad. $ntropía y ener#ía Gi%%s 54 110 111 46> 46. 46> 112 113 114
$spontaneidad. Si#nificado del cam%io espontKneo 5> $l concepto de entropía 5 $valuaci'n de la entropía y cam%ios entr'picos 5I Criterios de espontaneidad. $l se#undo principio de la termodinKmica 5I> 9ariaci'n de la ener#ía Gi%%s estKndar, 7GW 5I5 9ariaci'n de ener#ía Gi%%s y e1uili%rio 5I 7ependencia de 7GXy Le1 con la temperatura 6 Reacciones acopladas SAA
9eacciones aco&ladas en sisteas !iológicos "#2
esu!en 532 Ee!'lo de reca'itulación 53+ T-r!inos clave 53+ Cuestiones de re'aso 53+ Eercicios 53 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 531 Proble!as de se!inario 5*3 Eercicios !ulti!edia 5**
4A $lectro1uímica 4> 115 116 4A> 4A.
Potenciales de electrodo y su medida 4 Potenciales estKndar de electrodo 4 $cel,7GyLe1 >> $cel en funci'n de las concentraciones >
117 Baterías y pilas( o%tenci'n deelectricidad por mediode reacciones 1uímicas 118 Corrosi'n( c-lulas voltaicas no deseadas I 119 $lectr'lisis( producci'n de reacciones no espontKneas A 120 Procesos industriales de electr'lisis Potenciales de mem%rana 6 esu!en 51 Ee!'lo de reca'itulación 5/* T-r!inos clave 5/* Cuestiones de re'aso 5/* Eercicios 5/+ Eercicios avan0ados y de reca'itulación 5/4 Proble!as de se!inario 5/1 Eercicios !ulti!edia 546
44 $lementos de los #rupos principales ". etales 54 121 Grupo A. etales alcalinos 5> 122 Grupo 4. etales alcalinot-rreos 6 123 "ones en las a#uas naturales. /#uas duras 124 etales del Grupo A>. /luminio, #alio, indio y talio I 125 etales del Grupo A. $sta?o y plomo I /rseniuro de #alio I esu!en 511 Ee!'lo de reca'itulación 511 T-r!inos clave 166 Cuestiones de re'aso 166 Eercicios 163 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 162 Proble!as de se!inario 16+ Eercicios !ulti!edia 16
4> $lementos de los #rupos principales n. *o metales I6 126 no%lesI6I65 127 Grupo Grupo A. A5. 3os 3os #ases hal'#enos - Grupo A. 3a familia del o0í#eno IA5 -.3 Grupo A. 3a familia del nitr'#eno I4 4>> *o metales del Grupo A( car%ono y silicio I>4 4>. $l elemento no metKlico del Grupo A>( %oro I>I 3a ley peri'dica y el mercurio I6 esu!en 1+* Ee!'lo de reca'itulación 1+* T-r!inos clave 1+2 Cuestiones de re'aso 1+2 Eercicios 1+2 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 1+/ PAble!as de se!inario 1+4 Eercicios !ulti!edia 1+5
4 $lementos de transici'n II 128 Propiedades #enerales I6 129 Principios de metalur#ia e0tractiva I 130 etalur#ia del hierro y del acero I4 -3.3 $lementos de la primera serie de transici'n, del escandio al man#aneso I
y ní1uel I56 -35 Grupodel AA.hierro( Co%re,hierro, plata yco%alto oro I54 131 &ríada 132 Grupo A4. Yinc, cadmio y mercurio I5 133 Lantánidos :;6 Su&erconductores de tem&eratura alta :;*
esu!en 144 Ee!'lo de reca'itulación 145 T-r!inos clave 145 Cuestiones de re'aso 141 Eercicios 156 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 15* Proble!as de se!inario 15+
Eercicios !ulti!edia 15+
Contenida 9
4 "ones compleOos y compuestos de coordinaci'n I "ntroducci'n a la teoría de los compuestos de coordinaci'n de erner I 3i#andos I *omenclatura II6 "somería II4 $l enlace en los iones compleOos. &eoría del campo cristalino II Propiedades ma#n-ticas de los compuestos de coordinaci'n y teoría del campo cristalino A664 140 $l color y los colores de los compleOos A66 141 /l#unos aspectos de los e1uili%rios de los iones compleOos A665 142 Reacciones Kcido)%ase de los iones compleOos A66I 143 Consideraciones cin-ticas :: -5.:: /plicaciones de la 1uímica de coordinaci'n ::A 3os colores de las #emas A6A esu!en 363/ Ee!'lo de reca'itulación 3634 T-r!inos clave 3635 Cuestiones de re'aso 3635 Eercicios 3631 Eercicios avan0ados y de reca'itulación 36*3 Proble!as de se!inario 36*2 Eercicios !ulti!edia 36*2 134 135 136 137 138 139
4 Química nuclear A64 T-r!inos clave 36* 146 86/ Reacciones nucleares y radiactividad inducida artificialmente 147 $lementos transurKnídos A6>A A6>6 144 148 9elocidad de desinte#raci'n radiactiva A6>4 $l 149 $ner#ías implicadas en las reacciones nucleares A6> fen'meno 150 $sta%ilidad nuclear A6>I de la 151 Disi'n nuclear A6A radiactivid 152 Dusi'n nuclear A6 ad A64 153 $fecto de la radiaci'n so%re la materia A6 145 /% 154 /plicaciones de los radiois'topos A65 $liminaci'n de undancia residuos radiactivos A66 esu!en 366 Ee!'lo de natural de reca'itulación 363 Cuestiones de re'aso 36* Eercicios los 362 is'topos Eercicios avan0ados y de reca'itulación 36 Proble!as de se!inario radiactivos Eercicios !ulti!edia 364 A64
45 Química or#Knica A6 "ntroducci'n a los compuestos or#Knicos y sus estructuras A6I /l-anos A6 /l1uenos y al1uinos A656 Hidrocar%uros aromKticos A65 /lcoholes, fenoles y -teres A65 /ldehidos y cetonas A66 Ncidos car%o0ílicos y sus derivados A64 /minas A6 Compuestos heterocíclicos A65 -=.: *omenclatura de los estereois'meros de compuestos or#Knicos A6
9F Contenido 155 "ntroducci'n a las reacciones de sustituci'n en Ktomos de car%ono con hi%ridaci'n s'= A6I 156 Síntesis de compuestos or#Knicos AA64 -=.: Reacciones de polimeri+aci'n AA6 Colorantes naturales y sint-ticos AA6 estaBen 3365 Ee!'lo de reca'itulación 3361 T-r!inos clave 3336 Cuestiones de re'aso 3333 Eercicios 333*
Eercicios !ulti!edia avan0ados y de33*3 reca'itulación 3335 Eercicios 331 4
Proble!as de se!inario 33*6
Química de los seres vivos AA44 ))'5
-2.: -2.-2. -2.3 4. 4.
$structura 1uímica de la materia viva. Una visi'n panorKmica 3ípidos AA4 Hidratos de car%ono AA45 Proteínas delAA> /spectos meta%olismo AA4 T-r!inos clave 33 Ncidos nucleicos AAI 3a síntesis de proteínas y el c'di#o #en-tico Ee!'lo de reca'itulación 33+ Cuestiones de re'aso 33 ::4 esu!en 332 Eercicios 33/ Eercicios avan0ados y de reca'itulación 335 Proble!as de se!inario Eercicios !ulti!edia 33/6
/p-ndices
CH,
"t
H>C CH>
(oZH
/
/ /)
conceptos %Ksicos de física BA B)l B)4 B)> B) B) B) B)5
9elocidad y aceleraci'n Bl Duer+a y tra%aOo Bl $ner#ía B4 a#netismo B> $lectricidad estKtica B> Corriente el-ctrica B $lectroma#netismo B
8peraciones matemKticas /l /)l
GrKficos /5 /)
/ritm-tica e0ponencial
Utili+aci'n de tactores
/l /)4
de conversi'n ;anKlisis dimension al< /
Cl C) C)4 C)> C)
U Unniiddaaddeess S%K" siCcal s S" Cl PrefiOos S" Cl Unidades derivadas S" C4 Unidades 1ue de%en deOar de utili+arse C4
B
7
&a%las de datos 7"
/l#unos
7)l Confi#uraciones electr'nicas del estado fundamental 7" 7)4 Propiedades termodinKmicas de las sustancias a 4I,A L
3o#aritmos /> /)> 8peraciones al#e%raicas
74
Contenido 9 7)> Constantes de e1uili%rio 7I 7) Potenciales estKndar de electrodo ;reducci'n< a 4 XC 7A4
$ D G
Glosario $l Respuestas de al#unos eOercicios seleccionados Dl Cr-ditos de foto#rafías Gl
H
índice alfa%-tico Hl
/cerca de los autores
9al&" <= etrucci Ralph Petrucci #radu' en Química7espu-s en el Uni'n Colle#e su doctorado en la Universidad de se isconsin)adison. de varios a?osy o%tuvo en la ense?an+a, la investi#a) ci'n y como consultor, diri#iendo los institutos *SD para profesores de ciencias de secundaria en la universidad de Case estern Reserve, el profesor Petrucci particip' en AI en ele1uipo 1ue planific' el nuevo campus deuniversid la ad del estado deCalifornia en San Bernardino. /llí, ademKs de su pertenencia a la facultad, particip' como director de la 7ivisi'n de Ciencias *aturales y decano de Planificaci'n /cad-mica. $l profesor Petrucci, ahora retirado de la ense?an+a, es autor de varios li%ros, entre los 1ue se incluye %eneral Cet!stry con ohn . HUF.
!illiam S=
ood Bill Har!ood se #radu' en la Universidad de assachusetts, /mherst y o%tuvo su doctorado en Química "nor#Knica en Universid la ad de Purdue en AI. /ctualme nte es profesor de $ducaci'n en ciencias en la Universidad de "ndiana en Bloomin#ton. /nteriormente el doctor Har!ood estuvo en el departamento de Química y Bio1uímica en la Universidad de aryland, Colle#eParJ. /ctualmente contin2a ense?ando 1uímica y diri#e la investi#aci'n en educaci'n 1uímica. Ha reci%ido varios premios de e0celencia en la ense?an+a. $l doctor Har!ood tam%i-n tiene un papel activo en la /merican Chemical Society y en la 7ivisi'n de $ducaci'n Química. /simismo, fue consultor de proyecto ///S 46A. $stK implicado en las reformas de las ciencias en niveles tanto preuniversitarios como universitarios. Su inter-s en la investi#aci'n se centra en c'mo utili+ar la tecnolo#ía para meOorar la ense?an+a de la 1uímica.
?= @eoff re8
1uímica %iofísica y ha pu%licado mKs de A66 tra%aOos en el Krea de 1uímica física. Recientemente, el 7r. Herrin# ha diri#ido sus estudios ala utili+aci'n de latecnolo#ía de la informaci'n unida a los m-todos interactivos en la ense?an+a de la 1uímica #eneral con vistas a meOorar en el aprendi+aOe de los estudiantes. $l 7r. Herrin# hi ense?ado 1uímica durante >6 a?os en los niveles universitarios de primero y se#undo ciclo, y ha sido #alardonado con el Lillam Pri+e por la e0celencia en la ense?an+a.
Prefacio
Ap
9[ono+ca su audiencia.W $n esta nueva edici'n, hemos intentado se#uir este importante conseOo diri#ido a los autores, para atender meOor las necesidades de a1uellos estudiantes 1ue estKn reali+ando un#eneral, serio tra%aOo este material. Sa%emos 1ue la mayoría de los estudiantes de 1uímica de%idocon a su carrera, no estKn interesados en la 1uímica, sino en la %iolo#ía, la medicina, la in#eniería, las ciencias del medio am%iente y a#rícolas, y otras Kreas. &am%i-n somos conscientes de 1ue la 1uímica #eneral serK el 2nico curso universitano de 1uímica para muchos estudiantes y su 2nica oportunidad de aprender al#unas aplicaciones prKcticas de la 1uímica. Hemos dise?ado este te0to para todos estos estudiantes. 3os estudiantes de este te0to pro%a%lemente hayan estudiado al#o de 1uímica, pero a1uellos 1ue no lo hayan hecho, y los 1ue lo utili+an como recordatorio, encontrarKn 1ue en los primeros capítulos se desarrollan conceptos fundamentales a partir de las ideas mKs elementales. 3os estudiantes 1ue piensan convertirse en 1uímicos profesionales tam%i-n compro%arKn 1ue el te0to se adapta a sus intereses específicos. $l estudiante medio puede necesitar ayuda para idenii fiear y aplicar los principios y para visuali+ar su si#nificado físico. 3as características peda#'#icas de este te0to estKn dise) ?adas para proporcionar esta ayuda. /l mismo tiempo, esperamos 1ue el te0to sirva para aumentar la destre+a en la resoluci'n pro%lemas y la capacidad crítica del alumno. 7e esta manera, hemos intentado conse#uir el %alance adecuado entre principios y aplicaciones, ra+onamientos cuantitativos y cualitativos y entre ri#or y simplificaci'n. / lo lar#o del te0to se muestran eOemplos del mundo real para resaltar la discusi'n. &am%i-n se pueden encontrary en ocasiones, relevantes de las cien) cías %iol'#icas, la in#eniería lasnumerosas ciencias medioam% ientales. $sto eOemplos ayuda a mostrar a los estudiantes una 1uímica viva y les ayuda a entender su importancia en cada una de las Carreras. $n la mayor parte de los casos, tam%i-n les ayuda a profundi+ar en los concep) tos %Ksicos.
8r#ani+aci'n $n esta edici'n, mantenemos la or#ani+aci'n fundamental de las ediciones se0ta y s-pti)
ma, en n2mero de capítulos pero con una co%ertura adicional de materia, en profundidad
Prefacio y amplitud en al#unos capítulos. 7espu-s de una %reve revisi'n #eneral de los conceptos %Ksicos en el Capítulo A, introducimos la teoría at'mica, incluyendo la ta%la peri'dica, en el Capítulo 4. 3a ta%la peri'dica es un instrumento e0traordinariamente 2til y su presen) taci'n al comien+o del te0to nos permite utili+arla de modo diferente en los primeros ca) pítulos. $n el Capítulo > introducimos los compuestos 1uímicos y su este1uiometría. 3os compuestos 'i#ameos se incluyen en esta presentaci'n. 3a introducci'n de los com) puestos or#Knicos en los primeros capítulos nos permite utili+ar eOemplos or#Knicos a lo lar#o de todo el li%ro. 3os Capítulos y introducen las reacciones 1uímicas. $n el Capítulo se estudian los #ases en parte, por1ue son conocidos por los estudiantes ;les ayuda a ad1uirir confian+a< pero tam%i-n por1ue al#unos profesores prefieren tratar pron) to esta materia para coordinar meOor los pro#ramas de clases y la%oratorio. 8%serve 1ue el Capítulo puede retrasarse fKcilmente para unirlo con los otros estados de la materia en el Capítulo A>. $n el Capítulo I profundi+amos en la mecKnica ondulatoria mKs 1ue en ediciones anteriores, aun1ue lo hacemos de forma 1ue permita separar este material a discreci'n del profesor. Como en ediciones anteriores, hemos resaltado la 1uímica del inundo real en los capítulos finales 1ue cu%ren la 1uímica descriptiva ;Capítulos 44)4< y hemos tratado de facilitar el adelanto de esta materia a las primeras partes del te0to. /demKs, muchos temas de estos capítulos pueden tratarse de forma selectiva sin necesi) dad de estudiar los capítulos completos. $l te0to termina con sendos capítulos muy com) pletos y revisados de 1uímica or#Knica ;Capítulo 45< y %io1uímica ;Capítulo 4<.
Cam%ios en esta edici'n \ $n esta edici'n se ha aumentado el nivel de los detalles y ladepeda#o#ía resoluci'n pro%lemas.en la
Hemos hecho una serie de cam%ios menores de or#ani+aci'n para meOorar el fluOo de in formaci'n al estudiante y refleOar las i deas mKs recientes so%re la ense?an+a de la 1uími) ca #eneral. $n el Capítulo 5 ;&etmo1uímica< se ha invertido el orden en el 1ue se presentan el calor y e l tra%aOo, respecto a la s-ptima edici'n. &am%i-n se adelanta l a introducci'n Di pconcepto de los estados estKndar de forma 1ue la mayor parte de los datos en el capí) Ueden ser de estados estKndar. $n el Capítulo 46 ;&ermodinKmica< se han reor#ani) +ado las secciones so%re entropía de manera 1ue todas ellas preceden a la introducci'n de la ener#ía Gi%%s. 3os mayores cam%ios en esta edici'n se centran en la profundi+aci'n de los conteni) dos y la adici'n de al#unos eOercicios avan+ados al final del capítulo. Concretamente, en el Capítulo > ;Compuestos 1uímicos< hemos a?adido una secci'n de introducci'n a los compuestos or#Knicos incluyendo nomenclatura. $sto permite hacer mKs referencias a compuestos or#Knicos en todo el li%ro y tam%i-n se aOusta a los 1ue prefieren introducir antes la 1uímica or#Knica en el curso. $n el Capítulo ;Gases< se pone mKs -nfasis en la utili+aci'n de las unidades S" y se proporcion an mKs detalles so%re la teoría cin-ti co) molecularde los #ases. $n el Capítulo 5 ;&ermo1uímica< el cKlculo de las ma#nitudes de tra%aOo y la discusi'n so%re las funciones de estado y funciones 1ue dependen del ca) mino son mKs amplias 1ue en la edici'n anterior. Se ha revisado aprecia%lemente el Capítulo I ;$lectrones en los Ktomos< incluyendo nuevas secciones so%re la mecKnica ondulatoria y mKs informaci'n so%re el tratamiento de las funciones de onda, n2meros cuKnticos, or%itales y distri%uciones de pro%a%ilidad radial. $l Capítulo A6 ;3a ta%la pe) ri'dica y al#unas propiedades at'micas< se %asa mKs en las ideas del Capítulo I 1ue edi) ciones anteriores, permitiendo una discusi'n mKs completa so%re el apantallamiento, # tu 6
penetraci' y F@. $l Capítulo A $ ;Conceptos 1uímico< halareor#an +ado para nproporcionar una presentaci'n mKs%Ksic claraosdedel la enlace estrate#ia #eneralseen escritu)i) ra de estructuras de 3e!is. $n el Capítulo A4 ;/spectos adicionales del enlace 1uímico< se aplican las nuevas ideas desarrolladas en el Capítulo I a la hi%ridaci'n de los or%ita) les at'micos y al tratamiento de or%itales moleculares. 3a teoría de or%itales moleculares se amplía incluyendo las mol-culas heteronucleares. $n el Capítulo A> ;3í1uidos, s'lidos y fuer+as intermoleculares< hay una secci'n so) %re estructuras cristalinas. $n el Capítulo A ;Cin-tica 1uímica< se utili+a la definici'n re) comendada por la "UP/C de una velocidad de reacci'n #eneral en el tratamiento de
Prefacio
<
velocidades de reacci'n. &am%i-n se presentan con mKs detalle los mecanismos de reac) ci'n y catKlisis en+imKtica. Una nueva característica del Capítulo A5 ;Ncidos y %ases< es una discusi'n de un m- ) todo #eneral para cKlculos de e1uili%rio %asados en las e0presiones de la constante de e1ui) li%rio, %alances de materia y electroneutralidad. $n el Capítulo 46 ;&ermodinKmica< se introduce el concepto de entropía de una nueva forma y se desarrolla y e0plica de forma mKs completa la relaci'n entre /G y /GX. 3os capítulos so%re descriptiva inor#Knica ;Capítulos 44)4< se han puesto al día e incluyen dia#ramas de potencial de electrodo ;3atimer<. $l Capítulo 45 ;Química or#Knica< incluye ahora una introducci'n a las reac) ciones S*A y S *4 y otros temas de inter-s ampliando el contenido de 1uímica or#Knica en este curso. Se han a?adido al Capítulo 4 ;Química de la materia viva< discusiones so%re el meta%olismo y reacciones en+imKticas.
\ Se destacan en esta edici'n los apartados D Está
/yuda en el te0to para el aprendi+aOe de los estudiantes
'reguntándose... G 1ue son cuestiones comprometidas reali+adas por los %uenos estudiantes.
Como en ediciones anteriores, hemos intentado crear el te0to mKs 2til posi%le para los es) tudiantes. / continuaci'n se indican al#unas de las cosas 1ue se han hecho con este fin( (Cpresiones i8portantes. 3as ecuaciones, conceptos y re#las mKs si#nificativas se resaltan con un fondo coloreado de forma 1ue los estudiantes puedan encontrarlas con facilidad. Resu8en/Er8inos clave/Glosario. Cada capítulo concluye con un esu!en detallado de conceptos importantes y de informaci'n puntual. 7espu-s del esu!en hay una lista de T-r!inos clave, t-rminos 1ue aparecen en ne#rita en el te0to y se definen de nuevo en el %losario ;/p-ndice $<. 3os estudiantes pueden utili+ar las listas de T-r!inos clave y el %losario como ayuda para aprender la terminolo#ía de la 1uímica #eneral. ]LstK pre#untKndose...^ Para ayudar a clarificar materias 1ue a menudo confunden a los estudiantes, se proponen y despu-s se responden cuestiones %aOo este enca%e+amiento especial. Por ra+ones peda#'#icamente claras, estas cuestiones se formulan en la forma en 1ue los estudiantes las suelen plantear. /l#unas estKn dise?adas para ayudar a los estudiantes a evitar errores de concepto comunes otras proporcionan analo#ías o e0plicaciones alternativas de un concepto otras se refieren a inconsistencias aparentes en la materia 1ue estKn aprendiendo. $n respuesta a los comentarios y su#erencias de los estudiantes y los revisores del te0to, estas cuestiones se han ampliado considera%lemente en esta edici'n. $n concreto, el formato DEstá 'reguntándose... ^ se utili+a en al#unos casos para introducir materia diri#ida a los estudiantes meOor preparados. /l#unos de estos temas se tratan a2n mKs en los eOercicios del final del capítulo. $stos temas pueden tratarse u omitirse se#2n el criterio del profesor. Recuerde, notas al 8argen. Para ayudar a los estudiantes a comprender el si#nificado de conceptos anteriores o para se?alar fallos frecuentes, hemos a?adido en esta edici'n las notas al mar#enecuerde. Como su nom%re indica, estas notas piden a los estudiantes 1ue recuerden informaci'n clave so%re conceptos y m-todos para la resoluci'n de
\ ecuerde, son notas al mar#en, nuevas en esta edici'n.
\ /l final del capítulo se tratan aplicaciones detalladas de 1uímica de forma muy concreta.
pro%lemas. / veces se utili+an Ounto con pro%lemas resueltos para prevenir a los estudiantes so%re errores comunes. a_.W. &aas ?'tención Creemos 1ue las aplicaciones relevantes de%en formar parte del te0to
y 1ue las cuestiones colaterales de%en limitarse a las notas al mar#en y a los apartados DEstá 'reguntándose... G.&eniendo esto en cuenta, cada capítulo termina con un informe corto so%re un tema prKctico apropiado al contenido del capítulo. $stos informes, 1ue pueden considerarse de lectura opcional, se centran en las ideas introducidas en el capítulo.
$nfo%ue de la resolución delpro!lea propuesto &s dif'cil Pro%a%lemente, uno no lle#a a ser meOor #olfista por ver Ou#ar a. &i#er t00ls hay 1ue se#uir un curso y practicar. Para dar a los esmdiantes el apoyo 1ue necesitan para
CCiv Prefacio
< uchos eOemplos resueltos, desarrollados con cuidado, paso a paso.
\ 7os eOemplos prKcticos despu-s de cada eOemplo en el te0to.
\ 3os $Oemplos de recapitulaci'n, dise?ados para ayudar a los estudiantes a aprender c'mo resolver estos pro%lemas mKs complicados, son nuevos en esta edici'n.
adquirir destreza en la resoluci 'n de pro%lemas, se ofrecen amplios eOemplos en el te0to
1ue cu%ren todos los conceptos clave introducidos en el li%ro, cada uno de ellos acompa?ado por dos eOemplos prKcticos. &am%i-n se proporcionan eOemplos de recapi) tulaci'n para concluir, los eOemplos del te0to en cada capítulo y una #ran selecci'n de eOercicios de final de capítulo, incluyendo un conOunto 1ue inte#ra todos los medios del estudiante( Ejemplos ilustrativos en el texto. En cada capítulo,
la mayor parte de los conceptos se ilustran con eOemplos desarrollados, especialmente a1uellos 1ue los estudiantes de%an aplicar en sus tareas para casa y en los e0Kmenes. $n muchos casos, como ayuda visual o para resaltar conceptos a%stractos, los eOemplos van acompa?ados de un es1uema o una foto#rafía para ayudar a los estudiantes a visuali+ar lo 1ue estK sucediendo en el pro%lema. Ejemplos pr ácticos. $stos eOemplos se dise?aron para proporcionar a los estudiantes una aplicaci'n prKctica inmediata de los principios ilustrados en el eOemplo. Se ofrecen dos para cada eOemplo ilustrativo. $l primero, el $Oemplo prKctico /, proporciona la prKctica inmediata en un pro%lema muy parecido al eOemplo ilustrativo. $l se#undo, el $Oemplo prKctico B, supone #eneralmente para el estudiante una etapa mKs avan+ada 1ue el eOemplo ilustrativo. $sta com%inaci'n ayuda a los estudiantes a inte#rar y ampliar su conocimiento y su ha%ilidad en la resoluci'n de pro%lemas. 3as respuestas a todos los
$Oemplos prKcticos se dan en el /p-ndice D. Ejemplos de recapitulaci'n. $l te0to incluye una cate#oría especial de pro%lemas 1ue re1uieren 1ue los estudiantes relacionen entre sí varios tipos de pro%lemas importantes introducidos en el capítulo, y con tipos de pro%lemas de capítulos anteriores. $stos pro%lemas si#nifican un reto para los estudiantes y una ayuda para aprender c'mo resolver estos pro%lemas. Cada capítulo concluye con un Ee!'lo de reca'itulación con varios apartados, a veces de naturale+a prKctica. $n cada caso el pro%lema se divide en partes, se resuelve cada parte y los resultados intermedios se com%inan en una soluci'n y respuesta final. \ 3os $Oercicios avan+ados y de Ejercicios de final de cap ítulo. Cada capítulo termina con eOercicios de cinco tipos. 3as recapitulaci'n han sido Cuestiones de e'aso re1uieren la aplicaci'n directa de los principios introducidos en el meOorados en esta edici'n. capítulo, y #eneralmente implican un s'lo concepto y una respuesta corta, num-rica, sim%'lica o escrita ;o ver%al<. 3os Eercicios se a#rupan por cate#orías relacionadas con las secciones del te0to y son de naturale+a mKs amplia 1ue los de Cuestiones de e'aso. 3os Eercicios se empareOan, de modo 1ue ahora hay dos pro%lemas del mismo tipo. 3os Eercicios 9van0ados y de reca'itulación no se a#rupan por tipos. Generalmente son mKs \ 3os Pro%lemas de difíciles 1ue los de las secciones anteriores. &ienden a inte#rar materia de m2ltiples seminario, los mKs avan+ados secciones o m2ltiples capítulos y pueden introducir nuevas ideas o desarrollar al#unas del li%ro, se amplían en esta mKs allK de lo 1ue se ha hecho en el te0to. 3os Proble!as de se!inario son de especial edici'n. inter-s para resolverlos se re1uiere un nivel mKs alto de conocimientos por parte de los estudiantes. /l#unos de estos pro%lemas repasan aspectos de la historia de la 1uímica unos 3 o s $ O e r c i c i o s \ pocos tratan so%re e0perimentos clKsicos otros re1uieren 1ue los estudiantes interpreten eulti media son nuevos en datos o #rKficos al#unos aportan nueva materia otros su#ieren t-cnicas alternativas para esta edici'n. la resoluci'n de pro%lemas y unos pocos resumen de forma completa los principales puntos del capítulo. 3os Proble!as de Se!inario se pueden utili+ar de varias formas( como puntos de discusi'n en clase, como tra%aOo individual para casa, o como tra%aOo de cola%oraci'n en #rupo. Dinalmente, los Eercicios e&ulti!edia, nuevos en esta edici'n,
son cuestiones 1ue solamente pueden resolverse utili+ando los medios interactivos 1ue acompa?an a este te0to
;!!!.li%rositepetrucci<. $sto permite al profesor se?alar el uso de los medios simplemente asi#nado uno o mKs de estos pro%lemas. as respuestas a todos los pro!lemas con la numeraci'n en roOo se dan en el /p-ndi) ce D.
Prefacio
""v
\ Cuestiones meOoradas de $K#ina !e% del li%ro ;3i%roSite< al#oritmos en la pK#ina !e% del estudiante#
;!!!.li%rosite.netpetrucci<
i!ro%ite es una pK#ina !e% asociada al li%ro, con una #ran variedad de recursos y material
adicional tanto para los profesores como para estudiantes. /poyos a la docencia, eOercicios de autocontrol, enlaces relacionados, material de investi#aci'n, etc., hacen de 3i%roSite el complemento acad-mico perfecto para este li%ro. a
&a construido íficamente #u$!ica %eneral, . edici'n, y estK or#ani+ada por%e capítulos. *o hayespec riada mKs fKcilpara de utili+ar.
'(radecimientos )uc&a (ente &a aportado su tiempo* creatividad + apo+o durante la preparaci 'n
de esta edici'n. *umerosos cole#as de muchos lu#ares han ofrecido su#erencias a trav-s de varias ediciones de este te0to. /l#unos se citan específicamente en estos a#radeci) mientos, pero otros muchos no. Sin em%ar#o, a todos, estamos profundamente a#rade) cidos. '(radecemos especialmente la paciencia + el entusiasmo de nuestras mujeres* ,ut& $etrucci* -iana .ar/ood + eanie .errin(# .an estado dispuestas a sacrificar el precia do tiempo familiar para que nosotros pudi -ramos escri%ir este li%ro de te0to. Sin su amor
y apoyo este li%ro no ha%ría sido posi%le. E"tendemos nuestros sinceros a(radecimientos a todos nuestros cole(as de EE# # + anadK 1ue nos dieron su conseOo y opini'n durante la preparaci'n de esta edici'n, co )
mentando la 5. a edici'n, revisando el manuscrito de la . a edici'n o como revisores t-c) nicos de las prue%as de imprenta de la octava edici'n. /#radecemos su tiempo, su refle0i'n y creatividad( % leven 'delman* $urdue niversit+ a&rildeen 'l!a&adil+* niversit+ of entral la&oma
&ristop&er# linn* )emorial niversit+ of ;e/foundland ,ene oumier >or niversit+
írvatham, Unive rsity of Colorado /it'n. BanJs, )ar(aret 's *orth Carolina State University
ucio clmini* rant )acE/an olle(e
,ic&ard ates* eor(eto/n niversit+ ,ussel # au(&man* ruman %tate niversit+ 'le"is # a/a(an* tta/aarleton &emistr+ lnstitute 'zzedine ensalem* on( :sland niversit+ ,ic&ard erso&n* olum!ia niversit+ o+ce # roc/el ;ort&/estern niversit+ im +rd* alifornia %tate niversit+
ZStanislaus is&en( aí, &he University of "llinois at Chica#o ,odne+ ate* )id/estern %tate nivers it+ &omas &asteen* %am .ouston %tate niversit+ or niversit+ an )* leis&er* &e olle(e of ;e/ erse+
,e(ina re+* ?as&in(ton niversit+ .arr+ .#i!son* r#* 'us tin olle(e )arcia illette* niversit+ of :ndiana* or niversit+ % &erm an .enzel* )onroe ommunit+ olle(e ,o!ert .ilts* rant )acE/an olle(e $amela .olt* ?estmont olle(e e'nidas . ones """, St. oseph Colle#e eor(e
xxvi
Prefacio
o&n )a(uire* %out&ern )et&odist niversit+Z7edman
=au(&an $ultz* ruman %tate niversit+
Colle#e
)ar+ ranc-s Richardson. BrocJ niversit+
'l!ert )artín,
oravian Colle#e Christie /. c7ermott, University of /l%erta yatt R. urphy, Seton Hall University /lian *ishamura, estmont Colle#e oseph 8Joh, University of arylandZ$astern Shore ren $ale+* niversit+ of ritis& olum!ia ernard # $o/ell* niversit+ of e"as ZSan 'ntonio
-arrin ,ic&eson* niversit+ of tta/a 'lan %torr* niversit+ of ritis& olum!ia :/ao eraoa* $ol+tec&nic niversit+ZBrooJlyn )ar &ac&u* niversit+ of ritis& olum!ia ,o!ert o/er+* .ouston aptist niversit+ )ar ía 9o#t. Bloomfield Colle#e Ha0old ilson, ohn /%%ott Colle#e
am!i-n nos #ustaría a#radecer a los 1ue han revisado ediciones anteriores de este te0to, incluyendo # 't&eiion* )emorial niversit+ of ;e/foundland
,ic&ard ?#
,onald )# acus* 'merican ,iver olle(e
niversit+
,ic&ard retz* &e niversit+ of )ic&i (an Z
Ed/in .# a?e,
7ear%orn
%tace+ o/er+retz* &e niversit+ of
'l!ert ?# ur(sta&ler* &e niversit+ of
)ic&i(an Z7ear%orn
-onald amp!ell* niversit+ of ?isconsinZ$au Claire
o&n )a(uire* %out&ern )et&odist niversit+ $atricia '# )etz* e"as ec& niversit+ Auic&ee )ir* >aima =alle+ olle(e
,o!ert ra!tree* >ale niversit+ ,o!erta -a+* niversit+ of )assac&usetts at 'm&erst o! -esíderato,
illiams e!ell Culle#e
University of *orth &e0as
-onald ;e/lin* )ont(omer+ olle(e ,o!ert $orod* ,oc =alle+ olle(e ernard # $o/ell* niversit+ of e"as at %an 'ntonio
-ar+l # -o+ le*
ruce $rall* )arian olle(e
o&n ors!er(* %aint ouis niversit+ ran arland* &e niversit+ of )ic&i(an Z
7ear%orn CKrter Gilmer, &he University of ichi#an Z7ear%orn
$a2l Rein%old, Southern *a+arene University eor(e E# %&anle* 'n(elo %tate niversit+ )aureen %c&ar!er(* %an os- State University
$eter # old* &e $enns+lvania %tate niversit+
'?il
%tan raiida* niversit+ of ;evada* as =e(as
ulie %te/art* El amino olle(e
'it'n Hassell, Baylor University
L. Sharma, ississippi 9alley State University
amar ># %ussind* aland ommunit+ olle(e
%&erman .enzel* )onroe ommunit+ olle(e
-uane %/an* $acific udieran niversit+
'ndre/ # .older* niversit+ of )issouriZLansas City
ari '# von ranen!er(* niversit+ of -ela/are
&arles
art& ?# ?elc&* ?e!er %tate niversit+
-onald
,onald ?i&olm* niversit+ of onnecticut ?arren >eael* .enr+ ord ommunit+ olle(e#
;uestro a(radecimiento especial al equipo de :Brentice .all que parti ' de la 2ltima edici'n, papel, ficheros y es1uemas, y los convirti' en este %ello li%ro. $liana 8rti+, ayudante editorial, fue la encar#ada del proceso de coordinaci'n de la revisi'n. 7e%ra echsler, nuestra editora de producci'n, tra%aO' con dili#encia y mucha paciencia. /preciamos su
Prefacio
XXV i i
cuidadosa atenci'n con los
detalles, su precisi'n, sus soluciones creativas a los pro%lemas de composici'n y su #ran profesionalidad. 7eena Cloud y Laren Larlin, nuestros edito) res de desarrollo, han hecho un fa%uloso tra%aOo manteni-ndonos en la %recha, maneOan) do miles de detalles, manteniendo el sentido del humor y haciendo docenas de pre#untas de la forma 1ue lo hacen los meOores estudiantes. Dinalmente, a#radecemos a ohn Challice, nuestro editor, por su entusiasmo sin límites, por acudir en nuestra ayuda en si ) tuaciones críticas y por or#ani+ar todas las fuer+as necesarias en esta e0tensa revisi'n. ímulo a respuesta de nuestros cole(as + estudiantes mediante sus comentarios* es el est mKs importante para mantener este li%ro al día desde una edici'n a la si#uiente. Sus co) mentarios son %ienvenidos. ,alp& .* $etrucci [email protected] ?illiam %# .ar/ood wharwood@ indiano, edu eoffre+ .errin( fgh@ chem. ubc.ca
ADVERTENCIA: muc&os de los compuestos descritos o representados en este te"to son peli(rosos* así como muchas de las reacciones 1uímicas. *o intente reali+ar nin#2n
e0perimento descrito o indicado en el te0to, e0cepto con permiso, en un la%oratorio autori+ado y %aOo la supervisi'n adecuada.
u$a del estudiante &ara la utiliación de este texto l principales características de este te0to y sus as si(uientes seis pK#inas son un recorrido a trav-s de al#unas de as
recursos inte#rados en diferentes medios. 3a utili+aci'n de este te0to de la forma 1ue seha dise?ado le ayudarK a ad1uirir el conocimiento y las ha%ilidades fundamentales 1ue necesita para tener -0ito en la 1uímica. 0uena suerte
;otas al mar(en* ,ecuerdeEstas notas le a+udarKn
a recordar las ideas introducidas
anteriormente en elcomprender te0to 1ue son importantes, para lo 1ue se estK discutiendo en ese momento.
,EE,-EC que si conocen cuatro cualesquiera de as cinco ma(nitudes* q. ) calor es&ec$fico Tf y T,, &uede
resol ve1 le #cuación D;=EF des&eGando Ja (ue le falta=
jgm
%D(pHmoI ;.K'1C C Ejemploprdto' uando ,eaade L O, ltN de &lomo a ),,, C Dc ,J5J lg
PCP)F a ciea cantidad de agua a '*E QCtem&eratura finaF de ) agua es L la 5ER' PC= Tué masa de agua "a84 Ejemplo práctico UV Se aade una muestra delOCffi g de co+re a )O,Wi cifro ) X ,5*E J gP Ytr) K a E@"H g de agua a 'tWE 1C CuaJ es la tem&eratura f cc+re aZia4 %i(nificado de los valores de los calores espec$ficos La [a+la ;=) muestra los
calores es&ec$ficos de varios elementos sólidos Cftco de\ aluminio rcLarivarneiue alio com&arado con el ct ira o$ros meta &lisar 1u tnili]Virión a\ &roducios diseflados &ara descongelar rá&$dam
:cono de una actividad para el estudiante en i!ro%ite///#li!rosite#netGpetrucci F H K aprendiendo. Este icono le informa que &a+ una actividad en el i!ro%ite del estudiante relacionada con lo que est
ariliitadevnc &uroGK &erfecto1 rK2ei&Y$i= 1arjii(ura p rDY1BaunL=ilnri 2:dt!ical iMl ilutara i=n%i \á rodiotlu curilr$iii$l sr$u0aili i=$Y l_nnneii la el rnlrt%`Kii% udi rafti$H%ameticu JVL rlmnlum &arama8or la ddfR&Y la
< &unir deenlnifvtflt>"Ginm dd= d]Milvent1 fmro la$iinR$l"dc entro&$aloddl$rrfi$>liGni= va&or &roducida Cuandoen R&rRa1a$ la va iM>disn$uenre ta11 2 utilia ta de 1CW4> IT M !&in < mZG1r cifl #cuación )5,=') es'2 cuaGar (u1 .toemrcfita ^M lenifo del vanatM duobeiitc tr(&fe= &uro #nDvrtuf loa■ la ?igura tfiff í niiifltericofrtuiat f ttf stitahGa 'oF ia>vub>=de J< (ue let<&efHnaen el va&or (ue lM=(ueno"a\ aelultYa mire&oroGut + com+ina=defaaeY dHo"GLtcn tenga una enlrn&fa maGor M.1 ei .oAa node+en R &uede «tunanmolecuuft leatr i ma8o1de di nivel$a energ$a micf Rri&$eos a>csl!R= A M. vR a f5 RcMlcncu a &anir n>ltHGtd1de calores es&etifift> ci funcbifi q4vmMIm 7fiI "JbK &unda L va&or di .r* ML en un votarte J. + itia8o1 8"&o[ $anto de+e estar auna &sesin trefe +aGa &eraom Firt HMiL1 praiiHi iHfridXli* -*#/0 1 rr+'&rt [1Lertfp!anec4i)a#de &R a &roeGe del ttoolventc &unt #11 suiianaaett relación c>res&ontfe 1 ts b8 del tn&li mlir 1 ur rmi de una uIHodoesándaYu &ii rr#i&#ij S1 i fctt &r# tK &i#ii Rttodar #n%f ctdespi)liL A&éndice $i=i =i_rt■%U uta > _ni=ni la"u"n ■■=lnr=_ Rntin&las rr>aX de u na R c de su s cupido por $s uaeii $P Ri ilas u> nc ias J E f= Al iiei1 #)7 <[ esto 1 .U rei &ara ca$cu taf le 3< cnnanadeu[ cmi con um nrma ctmo$$$i$i fl < S$ftftlJ Entrop $asu0`f a+solutaV cjnIi#JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ
$anX cZMenrd nitor 11JC[fm foc^rritU- éitutgfa.
S#$TirXesteertadoO..! e^1rcn&Z Rro= #mntice$ evsluiu rc2f2Y_devnlro&$iiaaiaGriri= ii 0mi nnmiiii )) m i ■ n ))
Esquemas moleculares ' veces es difícil visuali+ar las mol-culas y los procesos 1ue no se
puede ver direc tamente. Para ayud arle a acompr endercon lo 1ue estK las sucediendo a nivel molecular, vuelva o%servar cuidado descripciones moleculares proporcionadas en el te0to y ase#2rese 1ue las comprende.
()
@ cm$" 1c fu d1crinK ^n d >nn
XXIX
M(stá preguntándose...N
#stá ®unt ándose= =4 3Por %u4 los iones 5a 6-a% no act8an coo atados en disolución
%iempre planten %i una disoluci'n acuosa de un ion metKlico es acida depende principalmente de dos fac) pre(unta tores. $l primero es la caria del cati'n e " se#undo es el tama?o del ion. Cuanto mayor es la s so!re car#a del cati'n, mayor es la capacidad del ion metKlico para atraer la densidad electr'nica des) de e` enlace t<;H en una mol-cula de H48 en su esfera de hidrataci'n, favoreciendo la oelimi) que naci'n de un ion H . Cuanto mKs pe1ue?o es el cati'n, mKs concentrada estarK la car#aest posi) K tiva. Por tanto, para una car#a positiva dada, cuanto mKs pe1ue?o es el cati'n, mKs acida es la acuosa
disoluci'n. a raz'n de la car#a y el volumen del cati'n se denomina densidad de carga.
aprendie ndo. /l leer el te0to las nuevas ideas pueden producirl e serias dudas. 3as caOas DEstá 'reguntá ndose... G formulan %uenas pre#unta s 1ue los estudiant es hacen con fre) cuencia. densid car ad de (a car(a i'ni M
ca volu men i'nic a
e n s i d a d d e c a r ( a * m
K s
e f e c t i v o e s e l i o n m e t a l i c o a t r a y e n d o l a
u a n t o
d e n s i d
m a + o r
ad
e s l a d
e l e c t r ' n i c
'sí. e l io n /lAT, pe1ue? o y muy car#ado ;> pin de radio i'nico<, produce disoluci ones acidas
aE n
/&P L uiiHa en J! n ri%os onus para im producir proteínas 3a po Oeaccrfr de formaci'n rtade /&P nt '-$= : .? O
!
pero el cati'n *a 1ue es mayor ;II pm<, con una car#a de A, no aument a la coiv centraci 'n dt H>CT 7e hecho, nin#uno d e lo s cationes del Grupo A produce disoluci ones de acide+ aprecia %le y solame nt e e l Be4T y los element o s del Grupo 4 son suficien temente pe1ue? os para 1ue sus disoluci ones sean acidas ('?/ b 9).
-
"
íc o m ) irt r di t% $F df c nd en os in s ;/ 7 P< eri ifl fo sf at o dt ad en or 't m /" &O fT CP "
%u mt oc on dri i3 sd
Atrti ó r
,eacciones acopladas en sistemas'#icos !iol
e ` >D ,c < JOt a ;ht t^ ^ la Di en rO 4 C 9" > . $l
-iI Hj ) " co m o 'dertrie ZPZ8ZP)re1uieren las, ZPZ8 condJiínLS
ckíndarr de hecho el pH en unaceluh ei [proinil/inrri$ 5. D,l natn r de /G er íin!do psra % ci*csrIr#incjai reacci'n a este pR @Cnlfci)gí) rscidu a A&C, superníendo 1ue lodas las especies se $ntone, eiLUeru rari en ]por#ue ` nt s O T ] % coitiTi iira cia ieft fe celufa utilndr rO ;f e
f$tP
! s$ a r
,esolución de &ro+lemas os Ejemplos resueltos van se(uidos por los Ejercicios prKcticos / y B. 3ea con
cuidado cada uno de los $Oemplos resuel) tos. 3e ayudan a comprender c'mo se re) suelven importantes tipos depro%lemas. Para ayudarle a practicar, cada uno de los eOemplos resueltos va se#uido por dos $Oemplos prKcticos. $l $Oemplo prKctico / es un pro%lema muy similar al $Oemplo re) suelto. $l $Oemplo prKctico B es mKs difícil, mKs semeOante a lospro%lemas del final del capítulo y a los 1ue encontrarK en el e0amen.
:R5
Dtsnu!itoiesttrsaieltte ataba"ptif $'r-t?taK
5>
vale&in no es difícil
de calcular, Ctffrtspunde al de *a [ta1 y el P9 T puede ioni+ar tiidroli+ar< siílo como %asc 3 1
CCGtfl& f=@ O I CI .$AG@
U 4*2 < K0W
T CU
M 2*4 < 10 E)$ 16#9
De $!a ditoiiión Lue catttiette et anión M9 N) áe un ácido 'oKti'rt$iictG. $ fosfato de sodio, *aOPQ[ es uno de los ;rumponentes de al#unas prepa raciones 1ue se utili+an para limpiar paredes pintadas anics de volverlas a pintar, ]CuKl es el pH de u ftft disoliiKcn de *aOP8[a1< A,6 ^ Peterminaci&t del pfi
\ $3 fosfato ilc sodio a menudo & se vendeC8F" fosfato trís]dco Pe%enan utili+arse #uanteT protectores cuando nc tra%aOa con este producto, 3i] ]risas y /ceites, incluyendo las 1ue se encuentran en fa piel humana. se solu%ilí+an en disolucicme lliv %Ksicas.
%olución
$injemos escri!ir* de la manera &a!itual iKJ O t .
IMC $**C
O
. Cfr M #$ " KPr
une* iniciad "O8 *.\ ) (. cam!ur KO. O ') ) fie. etOuir( t;r6 ) O) <) M+" itr S.$vll. j $íí,T)
;otas para resolución de &ro+lemas Estos recordatorios mar(inales le previenen de errores comunes + le indican estrate(ias clave para resolver determinados tipos de pro!lemas#
íW% eí %asant e #rande, no de%emos esperflr 1ue la simpliticaciiín h a%i t u a l !a udc CU K d a , $sdecirif[esinucho&rríupc1ucno1ue A6) 3] soluci'n de lactiJicíohde se) #undo #rado, OrT "4 ) 6,64 ) 8es C b `8t&` b C3A 3 omo
C a tazón %t\ () fi+% ) 42* Erfe valore s menor dt K 00*eK v`of
p. M . o ( K
mínim o 1pr hcmo$ estado utili+a ndo tomo criteri o
.
$l? lPGtllLl
:
@ l n ( a 1 4 M 4 ' # , 5 p . M T 4 *
6 ) 6 [ b " 9 " W Ejemplo pr Kctico /( Calcure
el pH de
tina disoluci'n acuosa de *a[C8i A.6
,
Eje
-ugeretO>iti>utilice
mp
los dalos de la &a%la
lo
A5. para calcular
f.
Lq para el ion C8[ .<
Ict
Eje s d s de los mpl o conceptos fl < s clave del capí) os /iigft0ti1ki2, utilice los datos de tulo y le de la a!la 17*4H l muestran reca pitu o Eí mKs difíci l calcular los valores del pH del *aH]P6 laci s o 8L alcule el p. de una disolutrKn
acuosa de*a.SC,
3
ha>P6;aQ9Hsiudc%ca1uetanlpf oparael HP8O dos e1uil i%rios( la ion i+arían cot no Kci do y C&iiraci'ri como %ase [hidr'lisis<. Para disoluciones suficientemente C8ncenlradas `comn 88 o ma yor<[ los valores del pH resultan ser la concentractdn de) la disoluci'n, / continuact'rO se muestran e0presiones #enerales ;con los valores J pfi, de la &a%la A5.< y su aplicaci'n a HOP8fía1< HPQ[FaoO
c'mo resolver eOercicios mKs complicado
s ;como los del final del capítulo<.
ón
EstK
poniirGtir F1<#%H ptiraf$rQf
r'#
F:<#YJ
S$ GH m&"K de
reca&itulación uR &ornos de mjPri.CidRV son cada vez mes frecuence en las co)
t!ai de todo el mundo, &am%ien son 2tiles en el la%oratorio de oO uí mtcí 3, en particular para secar muestras en aitílis 1uímioa 3ln %ci&iude micrn!rOdKi( tipien itiliiKrfiacLfi de mieroo?d[ con una hmeittid de onda de ` 4,4ttii ] Ha y al#u na transici'n eleiir'nJa f?;vt7e en el alomo de hi)dr ri#tno 1ue pueda pi odudr r [ t h u 3 i n dt micr oo nd[ s de lon#itud de onda A4[ cm^ K# 1a30ie tafrecaenaa de la radiaci0n tte trrier0endu4. as mi croot
eleercma#n-lica y por ta nto viaO an a la vel eidad de la lu+ 4 . I I A 6T ms W . Convierta la lon#itud de fmda a metros y desp u- s uu lice la ecuaci'nv R c. 2#9 I8 Dlu Cm s
i')"
Z ))))))))))))))) b^r9 A6T H+ liicm D :mG: c m
2# 1aica2*5 lu energ$a
osocitttUt u un olón dfe tD8 Ai radiacic? de D!andoi. $ s t o F/ una aplicaci'n du ecta de la ecua ei r de PlancJ # Determine si ha6utguna ttwt%ci-neleA
Hiea enet-io!ude idrógeno con uiai energ$a 'ar fotón áe ,flí 6W . 3Hce el dia#rama de. ni v el e s de etter#ía de Gohr par el Sl'mo de hJ lr'# e) nodc3aDifun I . A , 3a [ diferencia(T de ener#ía entre les ni ve les mi i %aOos son del orden de "6_I l6)aO . $s decir, 'r dene s de ma#nitud "8T) lQ[i!esiiynfe juef'err[iar[f 2t 2n de "O > l8&[A de l apartKdci em%ar#o, 4, Sia o%ser ve1ue las dií[rencí as de ener)g$st se ha cen ntd T p[ue/as pru#resivamente cuanto mayores el n2mero de la on!] Cuar0J Le apro0im a a o c[ lT s diferencias de e n e r # ía se ap ro0iman a Ctro, y nl#uras transiciones
enrre ]irhitfc de or de n el ev ado conespundeiKr a rTiíL.) Ot'n de mC&8ondks Mv-ase tírn%in el $fercicio A6`<.
n incl uid os l en tod os los capí tulo sy tien en dos pro p'si tos( resu men mu) cho s de los con cept os clav e del cap í) tulo y le mue stra n c'm o reso lver eOer cici os mKs com plic ado
c a p í t u l o s y
t i e n e n d o s p r o p ' s i t o s ( r e s u m e n m u ) c h o
"""i
■a
a pirandón del
Ejercicios multimedia
Ejercicios multimedia
Estos ejercicios s'lo pueden ser
$oOuUl%rto) de un KcidoMeKCI'f$tt dt%fl .< ilustra las reacciones directa e inversa 1ue llenen lu#ar. pelí cula QuimJa de o0acLín)rediHct'n del esiafla $s importarte numerar una ima#en mental di este prora yEnellacinc teKCa'nfo V,;< identifi1ue las especiesL 1ue para continuar estudiando diferenteT reacciones. Propon#a o0idan y se reducen en la rc[ccioOi. 8%serve 1ue la líLcí'n ur m-iodo pan descri%íT cuantitativa iraní e la fotrria de en+a inmediatamente pero va disminuyendo su fracci'n de disoluci'n cuando se alcan+a el e1uili%rio,comi velocidad con el tiempo, i) Considerando 3as distintas ]CuKles son los iones espectador pr-senles en lapelícula etapas de una reacci'n de o0idaci'n)red ucci'n, ]cuKles te Reacciones de preclprtact'fi (tKCa'ftufo .*d espu-s de le causa de la dlsnnuci2n de velocidad de la reacci'n^ ;c< formaci'n d- cada pLcipiado.^ ]Por 1u- permanecen estas ]QU puede cam%iarse en loí reactivos para acelerar la especies en disoluci'n^ 3aarKOiiacn"rtr TdteííflkiddO%[ muestra un n2mero reacci'n^ n m-todo adecuado para se#lar las coticen unciones re lar ivas relativamente cninde de especies PF disocian 1ue y se de las especies Krido y %ase en disoluci'n) es la medida dT una roíom%inai3 ;a< Uli "+ando un valor l,8#m3 para la ma#nitud denominada pR ;a $n la animaci'n UtiratAon densidad del a#ua, calcule el n2mero deprotones OJtdo)tnseeKCtt'ftitlor^< v ]1ueW causa el rKpido cam%io de r producido en una disoluci'n acuosa 6,A6 de H*Q> pH cuando sele?ade apuntounT de Si %ase deepuíTlade ha%erle alcan+ado de solap'la e1uivalencia^ ib) se duplica
respondidos utili+ando3i%roSite.
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del li+ro DLi+roSiteF D>>>= li+rosite= net]&etrucciF i!ro%ite es una pK#ina !e%
asociada al con yuna #ran variedad deli%ro, recursos material adicional tanto para los profesores como para estudiantes. /poyos a la docencia, eOercicios de autocontrol, enlaces relacionados, material de investi#aci'n, etc., hacen de 3i%roSite el complemento acad-mico perfecto para este li%ro. Se ha construido específicamente para#u$!ica %eneral, .a edici'n, y estK or#ani+ada por capítulos. *o hay nada mKs fKcil de utili+ar.
XXXF
:
as propiedades materiade+ la su medida ón de obras de arte,co8o esla pintura de Rafael, se basa, en 2$ rest$&r$i
gran 8edida, en las propiedades f7sicas Ou78icas de los 8ateriales. 3Jn los Plti8os tie8pos la gente se ha sensibiliQado de for8a
creciente o* respeto $ l$ 5&78ica, debido a proble8as 8edioa8bientales
co8o la lluvia acida o la destrucción de la capa de oQono. Sin e8bargo, las descripciones populares de estos pro!lemas no suelen proporcionar suficiente conocimiento de los principios ! Ksicos, aun1ue estos sean
necesarios para aplicar los conoci8ientos de Ou78ica a los proble8as del 8undo real. (l do8inio de estos principios reOuiere una aproCi8ación 8ás siste8ática a la ciencia Ou78ica. (n este cap7tulo estudiare8os algunos de los t-rminos 8ás elementales 1ue utiliQan los 1uímicos y los m-todos #enerales 1ue emplean para hacer 8edidas para eCpresar sus resultados. 'lgunos contenidos de este cap7tulo pueden resultarle fa8iliares gracias a sus estudios anteriores.
1
2
apítulo "
Was 'ro'iedades de la !ateria y su !edida
1#1
El alcance de la qu ímica
a química estudia la materia, incluyendo a nosotros mismos y a todo
lo 1ue nos rodea. $n muchas de nuestras actividades intervienen las reacciones 1uímicas, cam%ios de una sustancia 1uímica a otra. Cuando cocinamos, los alimentos sufren cam%ios 1uímicos ydes) pu-s de comer, nuestros cueipos llevan a ca%o reacciones 1uímicas compleOas para e0traer los nutrientes 1ue pueden utili+ar. 3a #asolina 1ue emplean nuestros autom'viles como com%usti%le es una me+cla de docenas de compuestos 1uímicos diferentes. 3a com%us) ti'n de esta me+cla proporciona la ener#ía 1ue impulsa al autom'vil. 7es#raciadamente. al#unas de las sustancias 1ue se producen en la cotn%usti'n de la #asolina intervienen en la contaminaci'n atmosf-rica. Parad'Oicamente, aun1ue muchos de los pro%lemas del me) dio am%iente 1ue asedian a la sociedad moderna tienen un ori#en 1uímico. los m-todos para controlar y corre#ir estos pro%lemas son tam%i-n en #ran medida de naturale+a 1uí) mica. Por tanto, de al#una manera, la 1uímica nos afecta a todos. ' veces se llama a la química la ciencia central por estar relacionada con muchos otros campos científicos y con tantas Kreas a las 1ue se dedican el esfuer+o y la curiosidad hu ) 3a doctora Susan Solomon. manas. 3os 1uímicos 1ue desarrollan nuevos materiales para meOorarlos dispositivos elec) 1uímica y científica responsa%le tr'nicos, como las pilas solares, los transistores y los ca%les de fi%ra 'ptica, tra%aOan en de la e0pedici'n nacional del la +ona fronteri+a de la 1uímica con la física y la in#eniería. 3os 1ue desarrollan nuevos o+ono a la /ntKrtida en AI)5, fKrmacos contra el cKncer o el S"7/ tra%aOan en la +ona fronteri+a de la 1uímica con la es mundial mente conocida como farmacolo#ía y la medicina. 3os %io1uímicos estKn interesados en los procesos 1ue e0perta en el estudio tienen lu#ar en los seres vivos. 3os 1uímico)físicos se dedican a los principios funda) interdisciplinarde la mentales de la física y la 1uímica, intentando contestar a las pre#untas %Ksicas 1ue se plan) disminuci'n del o+ono tean en todas las aneas de la 1uímica( ]por 1u- al#unas sustancias reaccionan entre sí y otras estratosf-rico. no^ ]Con 1u- velocidad tendrK lu#ar una reacci'n 1uímica determinada^ ]CuKnta ener) #ía utili+arle puede e0traer- de una reacci'n 1uímica^ 3os 1uímicos analíticos estudian los procedimientos para separar e identificar las sustancias 1uímicas. 3os científicos es )
uuu ' omo !ioqu ímico,
Percy uliKn ;lfII)AI5
peciali+a dos1uímicos en medioanalíticos. am%iente utili+a n ampliamente muchas de las nicas desarroll das por los 3os 1uímicos or#Knicos centran sut-c atenci'n en las a) sustancias 1ue contienen car%ono e hidr'#eno com%inados con otros pocos elementos. 3a mayor parte de las sustancias son compuestos 1uímicos or#Knicos. Por eOemplo, las c-lu) las de los seres vivos estKn formadas por a#ua y compuestos 1uímicos or#Knicos, mKs una pe1ue?a cantidad de varias sales. /un1ue las Kreas de la 1uímica or#Knica y la inor#Kni) ca se solapan de muchas formas, los 1uímicos inor#Knicos se centran en la mayoría de los elementos, e0ceptuando el car%ono. 'unque la química es una ciencia madura su panorama estK salpicado de retos y pre) #untas sin responder. 3a tecnolo#ía moderna re1uiere materiales nuevos con propiedades poco usuales, y los 1uímicos de%en dise?ar m-todos para producir estos materiales. 3a me) dicina moderna necesita fKrmacos formulados para llevar a ca%o taieas específicas en el cuerpo humano, y los 1uímicos dehen dise?ar las estrate#ias para sinteti+Kroslos lamín) eos a partir de compuestos iniciales relativamente simples. 3a sociedad e0i#e meOoras en los m-todos de control de la contaminaci'n, sustitutos para las materias primas 1ue esca sean, m-todos se#uros para deshacerse de los residuos t'0icos y modosmKs eficaces de e0) traer ener#ía de los com%usti%les. 3os 1uímicos tra%aOan en todas estas Kreas. El pro(reso de la ciencia es una consecuencia de la forma de tra!ajar de los cient ífi) cos, al plantearse las pre#untas adecuadas, dise?ar los e0perimentos correctos para pro) porcio nar las respues tas adecua y formular e0plica s acepta%les de sos halla+#os. $0aminemos a continuaci'n el das m-todo científico con cione mKs detenimiento.
1#2
El m-todo científico
a ciencia se diferencia de otros campos del sa!er por el m-todo 1ue utili+an los cientí)
ficos para ad1uirir conocimientos y en el si#nificado especial de estos conocimientos. 3os conocimientos científicos se pueden utili+ar para e0plicar fen'menos naturales y. a veces, para 'redecir acontecimientos futuros.
1#2
!servaci'n
natural o e0perimental
$ropuesta de e"plicaci 'n(
hip'tesis t %e rev ísalos e0 pe rimen los si muestran 1ue la hip'tesis no es adecuada E"perimentos dise ?ados para compro!ar la &ip 'tesis
eoría ;o modelo< 1ue amplia lLi &ip 'tesis
proporciona predicciones %e modifica la teor ía si los e0perimentos muestran i8ie el modulo no es adecuado
E"perimentos para pro!ar las predicciones de la teor ía %e esta!lece la teor ía a no ser que nuevos e"perimentos u o!servaciones indiquen tallos del modulo ' :lustraci'n del m-todo científico.
7l m-todo cient$fica
>
potentes para la ad1uisici'n de co) os anti(uos (rie(os desarrollaron al(unos-todos m nocimientos, especialmente en matemKticas. 3a estrate#ia de los #rie#os consistía en empe+ar con al#unas suposiciones o premisas %Ksicas. $ntonces, mediante el m-todo de nominado ra0ona!iento deductivo de%ían alcan+arse por l'#ica al#unas conclusiones. $or ejemplo* si a X b y b X c. entonces a K c. Sin em%ar#o, la deducci'n por sí sola no es suficiente para la ad1uisici'n de conocimientos científicos. $l fil'sofo #rie#o /rist'teles su'uso cuatro sustancias fundamentales( aire, tierra, a#ua y fue#o. /rist'teles creía 1ue todas las demKs sustancias esta%an formadas por com%inaciones de estos cuatro elementos. 3os 1uímicos de hace varios si#los ;mKs conocidos como los al1uimistas< in) tentaron sin -0ito aplicar la idea de los cuatro elementos para transformar plomo en oro. Su fracaso se de%i' a muchas ra+ones, entre ellas la falsedad de la suposici'n de los cua) tro elementos. El m -todo científico se ori#in' en el si#lo 0vii con personas como Galileo, Drancis Bacon, Ro%en Boyle e "saac *e!ton. 3a clave del m-todo es 1ue no se hacen suposicio) nes iniciales, sino 1ue se llevan a ca%o o%servaciones minuciosas de los fen'menos na) turales. Cuando se han hecho o%servaciones suficientes como para 1ue comience a emer#er un patr'n de comportamiento, se formula una #enerali+aci'n o ley natural 1ue descri%a el fen'meno. 3aslees naturales son proposiciones concisas, frecuentemente en forma matemKtica, acerca del comportamiento de la naturale+a. $l proceso de o%serva) ciones 1ue conducen a una proposici'n de carKcter #eneral o ley natural reci%e el nom) %re de ra0ona!iento inductivo. Por eOemplo, a comien+os del si#lo 0vi el astr'nomo polaco *icolKs Cop-rnico ;A5>)A><, %asKndose en un estudio cuidadoso de las o%servaciones astron'micas, concluy' 1ue el planeta &ierra se mueve alrededor del sol se#2n una 'r%i) ta circular, aun1ue en a1uella -poca se ense?a%a, sin nin#una %ase científica, 1ue el sol y los otros cuerpos celestiales #ira%an alrededor de la &ierra. Podemos considerar la pro) posici'n de Cop-rnico como una #enerali+aci'n o ley natural. 8tro eOemplo de ley natu) ral es la desinte#raci'n radiactiva 1ue esta%lece el tiempo 1ue tardarK una sustancia radiactiva en perder su actividad. $ara pro!at una le+ natural el cient ífico dise?a una situaci'n controlada o eO'eri!enK to, para ver si las conclusiones 1ue se deducen de la ley natural concuerdan con los re) sultados $l -0ito de una ley natural viene dado$lpor su capacidad de al) sinteti+are0perimentales. las o%servaciones y de predecir fen'menos nuevos. tra%aOo de Cop-mico can+' un #ran -0ito por1ue Cop-rnico fu- capa+ de predecir las posiciones futuras de los planetas con mas precisi'n 1ue sus contemporKneos. Sin em%ar#o, no de%emos conside) rar una ley natural como una verdad absoluta. Duturos e0perimentos pueden o%li#arnos a modificar la ley o a desecharla. edio si#lo despu-s, ohannes Lepler meOor' las ideas de Cop-rnico mostrando 1ue los planetas nodescri%en 'r%itas circulares sino elípticas. na )ipótesis es un intento de e0plicaci'n de una ley natural. Si la hip'tesis es con) sistente con las prue%as e0perimentales, se la denomina teoría. Sin em%ar#o, podemos uti)
li+ar este t-rmino en un sentido mKs amplio. Una teoría es un modelo o una manera de e0aminar la naturale+a 1ue puede utili+arse para e0plicar los fen'menos naturales y hacer predicciones so%re los mismos. Cuando se proponen teorías diferentes o contradictorias, se eli#e #eneralmente las la meOores 1ue proporciona predicciones. &am%i-n se
prefiere la teoría 1ue re1uiere el menor n2mero de suposiciones, es decir, la teoría mKs sim) ple. Cuando pasa el tiempo y se acumulan nuevas evidencias e0perimentales, la mayor par) te de las teorías científicas se modifican y al#unas se desechan. El mEtodo cientflico es la com%inaci'n de las o%servaciones y e0perimentos Ounto con la formulaci'n de leyes, hip'tesis y teorías. $n el mar#en se ilustra el m-todo científico mediante un dia#rama de fluOo. Pero no es acertado suponer 1ue el -0ito científico estK #aranti+ado si simplemente su si#uen una serie de procedimientos semeOantes a los de un li%ro de cocina. / veces ios científicos desarrollan un patr'n de pensamiento en su campo del sa%er, conocido como un'aradig!a, cuyo -0ito es #rande al principio, pero despu-s no lo es tanto. Puede ser necesario un nuevo paradi#ma. Por eOemplo, durante mucho tiempo se crey' en psi1uiatría 1ue toda enfermedad mental era un producto de la mente y no del cuerpo. Un nuevo en psi1uiatría reconoce 1ue mentales estKn causadas porparadi#ma dese1uili%rios 1uímicos corporales. Poral#unas 2ltimo, enfermedades muchos des)
4
apítulo "
Was 'ro'iedades de la !ateria y su !edida
IIII!IIIII6III 7oatui$
cu!rimientos se &an &ec&o de forma accidental Fcomo los ra+os D# la radioactividad + la penicilina* por nom!rar unos pocosH# Estos son los descu!rimientos casuales# El inventor americano &arles ood+ear esta!a investi(ando en 1839 un tratamiento para el cauc&o naturaT que lo &iciese menos frK#il en frío y menos pe#aOoso en caliente. $n el transcur so
de su tra%aOo, derram' por accidente una me+cla de caucho y a+ufre so%re una placa caliente y descu%ri' 1ue el producto resultante tenía e0actamente las propiedades 1ue esta%a %uscando. Por tanto, los científicos ;y los inventores< necesitan estar siempre alerta a las o%servaciones inesperadas. Qui+Ks nadie ha sido mKs consciente de esto 1ue 3ouis Pasteur, 1ue escri%i' W3a casualidad favorece a la mente 1ue estK preparadaW.
1#3 $ropiedadesde la materia as definiciones de qu ímica 1ue se encuentran en los diccionarios incluyen los t-rminos
í<. 'Piuis$usieur<22189 $ste #ran se#uidor de m-todo científico desarroll' li teoría de los #-rmenes como causa de las enfermedades, la esterili+aci'n de =a leche por pasteuri+aci'n y la vacuna contra la ra%ia. /l#unos le consideran el medico mKs #rande de todos los tiempos. 7e hecho, Pasteur, por sus estudios y por su actividad profesional, no fue m-dico sino 1uímico.
!ateria, co!'osicióny 'ro'iedades, como en la frase( Wla 1uímica es la ciencia 1ue trata de la composici'n y propiedades de la materiaW. $n esta secci'n y en la si#uiente se es) tudiarKn al#unas ideas %Ksicas so%re estos tres t-rminos, esperando 1ue con ello se comprenda meOor el o%Oeto de la 1uímica)3a materia es todo lo 1ue ocupa espacio, tiene una propiedad llamada !asa y posee inercia. Cada ser humano es un o%Oeto material. &odos ocupamos espacio y descri%imos nuestra masa por medio de una propiedad relacionada con ella, nuestro peso. ;3a masa y el peso se descri%en con mKs detalle en la Secci'n A.. 3a inercia se descri%e en el /p-ndice B.< &odos los o%Oetos 1ue vem os a nuestro alrededor son o%Oetos materiales. 3os #ases de la atm'sfera, aun1ue invisi%les, son eOemplos de la materia, ocupan espacio y tienen masa. 3a lu+ solarno es materia sino una forma de ener#ía. Sin em%ar#o, podemos esperar unos capítulos antes de introducir el concepto de ener#ía. a composici'n se refiere a las partes o component es de una muestra de materi a y a sus proporciones relativas. $l a#ua ordinaria estK formada por dos sustancias mKs simples, hidr'#eno y o0í#eno, presentes en determinadas proporciones fiOas. Un 1uímico diría 1ue la composici'n en masa del a#ua es de AA.AI por ciento de hidr'#eno y ,A por ciento de o0í#eno. $l per'0ido de hidr'#eno, sustancia utili+ada como %lan1ueante y desinfec) tante, tam%i-n estK formado por hidr'#eno y o0í#eno, pero tiene una composici'n dife) rente. $l per'0ido de hidr'#eno estK formado por .I> por ciento de hidr'#eno y I.65 por ciento de o0í#eno en masa. as propiedades son las cualidades + atri!utos que podemos utilizar para distin(uir una muestra de materia de otra# $ueden esta!lecerse visualmente en al(unos casos# 's í, pode)
mos distin#uir mediante elcolor entre el s'lido de color marr'n roOi+o, llamado co%re, y el s'lido de color amarillo, llamado a+ufre ;Di# ura A.A<. 3as propiedades de lamateria se a#ru) pan #eneralmente en dos amplias cate#orías( propiedades físicas y propiedades 1uímicas. as propiedades + transformaciones f $sicas na propiedad física es la1ue tiene una muestra de materia mientras no cam%ie su com)
posici'n. Con un martillo se pueden preparar hoOas del#adas o lKminas de co%re ;v-ase la Di#ura A.A<. 3os s'lidos 1ue tienen esta propiedad se dice 1ue son !aleables. $l a+ufre
?.@9A )=) $ropiedades f $sicas del aufre 8 el co+re
n trozo de azufre Fizquier daH (olpeado con un martillo* se des&ace forma en de polvo fino# El co!re Fderec&aH puede o!tenerse en Kminas si se #olpea con un martillo. forma de pepitas* + puede transformarse en pelets o ser estirado en forma de alam!re o definas l
1#4
rvWfii
$nimacin co"'aran!o
LJflJGj tran)for"acion#) fí)ica) 3Y y uí"ica)
!'lasifhaiin !t lu "at#ria
E
no es malea!le# %i (olpeamos un trozo de azufre con un martillo* el trozo se des&ace en forma de polvo# El azufre es frágil. Otras &ro&iedades f$sicas del co+re (ue no tiene el aufre son la ca&acidad de ser
estirado en forma de alam+re DductilidadF 8 la ca&acidad de conducir el calor 8 la electricidad= 'l(unas veces una muest ra de materia cam!ia su aspecto f $sico es decir ex&erimenta tina transformación f$sica= #n una transforación f$sica &ueden cam+iar algunas de las &ro&iedades [$sicas de la muestra tic matenVF &ero su com&osición &ermanece inalt#ra!a Cuando el agua l$(uida se congela formándose agua sólida D"ieloF sin duda el agua &arece diferente 8 en muc"os sentidos= .n es= Sin em+arco &ermanece inalterada la eom&osi cien en masa del agua ))): &or ciento de "idrógeno 8 ***) &or ciento de ox$geno=
as propiedades + transformaciones qu$micas En una transformación %u'ica o reacción %u'ica, una o más muestras de materia se convienen cu nuevas muestras con composiciones di8i'i0utrs $or lauto* la clave para identi ficar una transformación (u$mica es o+servar un ca"&io en la com&osición= Cuando se (uema un &a&el tiene $ :,' 1#2 ,eacción
con el ácido clor&$drico% com&aración de una &ro&iedad (u$mica del inc 8 el oro n clavo recu&ierto dtB zinc F(alvanizadoH reacciona con el ácido
clor"$drico &roduciéndose +ur+uGas de gas "idrógeno= La cadena de oro no es atacada &or el ácido clor"$drico= La ca&a de inc del clavo de la fotograf$a se lia consumido &oi com&leto= deGando al descu+ierto el "ierro del interior= La reacción del "ierro con el ácido clor"$drico "ace (ue se coloree la disolución=
La identidad del átomo se esta+lece IFr medio de una caracter$stica denominada nmero alómico= (ue se introduce en la %ecci ón $.%. Las i nvesl i paciones en f$sica nuclear de los ltimos aos "an proporcionado varios elementos nuevos# os elementos n meros
)), 8 ))) se descu+rieron en )::7= el elemento ))' en )::6 8 los elementos 114* 116 + 118 en 1999#
lugar una transformación (u$mica #l &a&el es un material com&leGo &ero sus com&onentes &rinci&ales son car+ono "idrógeno 8 ox$geno= Los &$xxluctos &rinci&ales de la com+ustión son dos gases uno de ellos formado &or car+ono 8 ox$geno Ddióxido de car+onoF 8 el otro &or "idrógeno 8 ox$geno Dagua en forma de va&orF= La ca&acidad de arder del &a&el es un eGem&lo de &ro&iedad (u$mica= na &ro&iedad (u$mica es la ca&acidad Do inca&acidadF de una muestra de materia &ara ex&erimentar un cam+io en su com&osición +aGo ciertas condiciones= El zinc reacciona con una disoluci ón de ácido clor"$drico &ioducicndose gas "idrógeno 8 una disolución acuosa de cloruro de inc D?igura )='F= La ca&acidad del inc &ara reaccionar con el inca'aci!a! del ácido clor"$drico es una deácido las &ro&iedades (u$micas del(u$micas inc= La del oro &ara reaccionar con el clor"$drico es una decaracter$sticas las &ro&iedades oro= #l sodio reacciona no sólo con el ácido clor"$drico sino tam+ién con el agua= #l inc el oro 8 el sodio son similares en algunas de sus &ro&iedades f$sicas= or eGem&lo tocios ellos son malea+les 8 +uenos conductores del calor 8 la electricidad= Sin em+argo el inc ei oro 8 el sodio son +astante diferentes en sus &ro&iedades (u$micas= #l conocimiento de estas diferencias nos a8uda a com&render &or(ue el inc (ue no reacciona con el agua &uede utiliarse &ara "acer clavos 8 &ieas de teGados 8 canalones mientras (ue el sodio no= [am+ién &odemos com&render &or(ué el oro es a&reciado &or ser (u$micamente inerte &ara "acer Go8as 8 monedas% ni se oxida ni se altera= #n nuestro estudio de la (u$mica veremos &or(ué las =sustancias tienen &ro&iedades diferentes 8 cómo estas diferencias determinan el uso (ue "acemos de los materiales=
1#4 lasificaci'n de la materia omo se descri!ir á con mas del alie en bKs siguientes ca&$tulos la malcr$a esta formada &or unas
unidades diminutas denominadas átomos= Actualmente sa+emos (ue exisien ))E ti&os diferentes de átomos 8 (to!a la materia está formada nicamente &or estos . )E ti&os- #stos . iE ti&os de átomos son la +ase de los ))E elementos= n elemento (u$mico es una sustancia formada solamente
#n algunos casos &odemos aislar una molécula de un com&uesto=
na ol4cula es la entidad más &e(u ea &asi +le en la (ue se mantienen las mism as &ro&orciones
6
apítulo "
Was 'ro'iedades de la !ateria u !edida
Pel$cula
sobre !e0clas Y co!'uestos
de los Ktomos
con st i luyen les 1ue en el compuesto 1uímico. Una mol-cula de a#ua estK formada por tres Ktomos( dos Ktomos de hidr'#eno unidos a un solo Ktomo de o0í#eno. Una mol-cula de per'0ido de hidr'#eno tiene dos Ktomos de hidr'#eno y dos Ktomos de o0í#eno los Ktomos de o0í#eno estKn unidos entre sí y hay un Ktomo de hidr'#eno unido a cada Ktomo de o0í#eno. $n cam%io, una mol-cula de la pnttema de la san#re llamada #amma #lo%ulina, estK formada por AI.II Ktomos de s'lo cuatro tipos car%ono, hidr'#eno. o0í#eno y nitr'#eno.
S4T,
amma (lo!ulina
"o-8 11
$ ]Homo#-neo o hetero#-neo.
Cuando la leche homo#enei+ada se o%serva a trav-s de un microscopio, se ve 1ue consiste en #otas de #rasa dispersas en un medio acuoso. 3a leche homo#enei+ada es una me+cla eterog-nea.
?.@9A )=5 #s(uema de clasificación de la materia ualquier muestra Fle moler ía es o %ien una sustancia pura tun elemento o un compuesto<, o liien 3ina me+cla de sustanciaA,. / nivel molecular, un elemento esta formado por Ktomos tic un s'lo tipo y un compuesto por dos o mKs tipos de Ktomos, unidos
#eneralmente en forma de mol-culas. $n una me+cla homo#-nea los Ktomos mol-culas estKn nte+clados al a+ara nivel molecular. $n las me+clas hetero#-neas los componentes estKn físicamente separados, como en la capa de mol-culas de octano ;un componente de la #asolina< 1ue flota so%ic una capa de mol-culas de a#ua.
a composici'n y las propiedades de un elemento o compuesto son uniformes en cual) 1uier parte de una muestra determinada, o en muestras distintas del mismo elemento o compuesto. 3os elementos y compuestos se denominan sustancias ;en sentido 1u 2nico, el t-rmino sustancia de%e utili+arse solamente para elementos y compuestos<. Cuando se descri%en !e0clas de sustancias se utili+an los t-rminos disoluci'n o me+cla homo#-) nea para me+clas cuyas composici'n y propiedades son uniformes en cual1uier parte de una muestra determinada, pero pueden variar de una muestra a otra. Una determinada di) soluci'n acuosa de sacarosa ;a+2car de caria< tiene un dul+or uniforme en cual1uier parle de la disoluci'n, pero el dul+or de otra disoluci'n de sacarosa puede ser muy distinto si las proporciones de a+2car y a#ua son diferentes. $l aire ordinario es una me+cla ho) mo#-nea de vatios #ases, principalmente losele!entan nitr'#eno y o0í#eno. $l a#ua del mar es una disoluci'n de losco!'uestos a#ua, cloruro de sodio ;sal< y muchos otros. 3a #asolina es una me+cla homo#-nea o disoluci'n de docenas de compuestos. En las mezclas &etero(-neas, como la formada por arena y a#ua, los componentes se separan en +onas diferenciadas. Por tanto, la composici'n y las propiedades físicas varí) an de una parte a otra de la me+cla. Una salsa para ensalada, una losa de hormi#'n y una hoOa de una planta son iodos ellos hetero#-neos. Generalme nte, es fKcil distin#uir las me+) clas hetero#-neas de las homo#-neas. 3a Di#ura A.> muestra un es1uema para clasificar
la materia en elementos y compuestos y en me+clas homo#-neas y hetero#-neas.
)iltll#l
;o
]Puede separarse
Si
por un procesu :UísJ)o^ )ezela %listairciL
:X%í
]Puede un proceso qu ímico. rso
+A
.ete reojo lea
Compuesto
%í
$lemento
.orrnQ-il(.l
,$s Hitalmente *o uniformeW.
1#4
la Pel$cula sobre cro!atograf$a en 'a'el de tinta
I1I
1hisifh$uióu de 8a !ateria
5
%eparación de meclas os componentes de una mezcla pueden separarse mediante rans íormaciones.fvfmí
adecuadas. Pensemos otra ve+ en la me+cla hetero#-nea de arena y a#ua. Cuando echamos esta me+cla en un em%udo provisto de un papel de filtro poroso, el a#ua lí1uida pasa a su trav-s y la arena 1ueda retenida en el papel. $ste proceso de separaci'n , de un s'lido del lí1uido en el 1ue se encuentra en suspensi'n, reci%e el nom%re de filtración. ;Di#ura A.a<. $s pro%a%le 1ue utilice este proced i miento en el la%oratorio. Por otra parte, no se puede separar una me+cla homo#-nea ;disoluci'n< de sulfato de co%re;ll< en a#ua por filtraci'n por1ue todos los componentes pasan a trav-s del papel. Sin em%ar#o, podemos hervir la disoluci'n de sulfato de co%re;ll< en a#ua. $í a#ua lí1uida pura se o%tiene del vapor li%erado al hervir la disoluci'n. Cuando se ha separado toda el a#ua, el sulfato de co%iet AA permanece en el recipiente. $ste proceso se denomina destilación ;Di#ura A.h<. tro m-todo de separaci'n disponi%le para los 1uímicos m2denlos se %asa en $a dis)li rita capacidad de Ls compuestos para adherirse a las superficies de varías sustancias s'lidas, como el papel o el almid'n. $ste es el fundamento de la t-cnica de cromato#rafía. 3a separaci'n de la tinta en un filtro de papel ;Di#ura A.c)d< ilustra los impresionantes resultados 1ue se pueden o%tener con la la t-cnica de cromato#rafía. -escomposición de com&uestos n compuesto químico
mantiene su identidad durante las transformaciones físicas pero puede desco!Anerse en sus elementos constituyentes por medio de transformaciones 1uímicas. $s mKs difícil A levar a ca%o la descomposicicín de un compuesto en sus elementos constituyentes 1ue la mera separaci'n física de las me+clas. 3a e0tracci'n del hierro de
FcH
?.@9A )=7 Ejemplo de transformaci'n física( separaci'n de rne+das ;a<
Separaci'n de una me+cla hetero#-nea por filtraci'n( el sulfato de cohre;==< s'lido 1ueda retenido en el filtro de papel. ;h` Separaci'n de una me+cla homo#-nea por destilaci'n( el sulfato de co%re;lt< permanece en el matra+ de la i+1uierda cuando el a#ua pasa al matra+ de la derecha por evaporaci'n y posterior condensaci'n a lí1uido, ;c< Separaci'n de los componentes de la unta utili+ando cromato#rafía( puede o%servarse una mancha de tinta ne#ra Ousto encima de la línea del a#ua 1ue asciende por el papel, ;d< $l a#ua ha disuelto los componentes coloreados de la tinta, 1ue 1uedan retenidos en +onas diferentes del papel se#2n su distinta tendencia a adherirse so%re -l.
m
8
apítulo A
Was 'ro'iedades ele la !ateria y su !edida los minerales de '0ido de hierro re1uiere un alto horno. 3a o%tenci'n de ma#nesio a partir de cloruro de ma#nesio a escala industrial re1uiere electricidad. Generalmente es mKs fKcil convertir un compuesto en otros compuestos mediante reacci'n 1uímica, 1ue sepa) rar un compuesto en sus elementos constituyentes. Por eOemplo, cuando se calienta el di) eroitiato de amonio se descompone, formKndose las sustancias '0ido de eromo;H"<. nitr'#eno y a#ua. $sta reacci'n, 1ue se utili+a%a en las películas para simular un volcKn, se muestra en la Di#ura .. Estados de la materia a materia suele encontrarse en uno de los tresestados9 s'lido, lí1uido o
A 9I;RA 15 Ejemplo de transformación %u'icaA
descoposición del dicroato de aonio
#as. $n un s'li) do, los Ktomos o mol-culas estKn en contacto pr'0imo, a veces en disposiciones muy or) #ani+adas 1ue se llamancristales. Un s'lido ocupa un volumen de forma definida. $n un lí1uido, los Ktomos o mol-culas estKn #eneralmente separados por distancias mayores 1ue en un s'lido. $l movimiento de estos Ktomos o mol-culas proporciona al lí1uido una de sus propiedades mKs características( la capacidad de uir cu%riendo el fondo y adoptando Ui forma del recipiente 1ue lo contiene. ".nun 3FHS las distancias entre Ktomos o mol-culas son mucho mayores 1ue en un lí1uido. Un #as siempre se e0pande hasta llenar el recipiente 1ue lo contiene. 7ependiendo de las condiciones, una sustancia puede e0istir s'lo en uno de los estados de la materia, o puede estar en doT] o tres estadas. /sí, cuando el hielo de una charca empie+a a fundirse en primavera, el a#ua estK en dos estados, el s') lido y el lí1uido ;realmente en tres estados, si tenemos en cuenta el vapor del a#ua del aire en contacto con la charca<. a i(ura 1#6 compara los tres estados de la materia desde dos puntos de vista distin tos# El punto de vista8!icroscó'ico se refiere a c'mo perci%imos la materia con nuestros
oOos, a trav-s de la apariencia e0terna de los o%Oetos. $l punto de vista!icroscó'ico des) cri%e la materia como los 1uímicos la conci%en( en funci'n de los Ktomos y mol-culas y de su comportamiento. $n este te0to descri%í remos muchas propiedades macrosc'picas o%serva%les de la materia, pero para e0plicar estas propiedades frecuentemente volvere mos nuestra vista al nivel at'mico o molecular es decir, al nivel microsc'pico.
\ 3a informaci'n 1ue no es num-rica, como el color a+ul, es
1#5 )edida delas propiedades dela materia# nidades%:
informaci'n cualitativa.
a química
es una cienciacuantitativa. $sto si#nifica 1ue en muchos casos podemos me) dir una propiedad de una sustancia y compararla con un patr'n 1ue ten#a un valor cono ) cido de la propiedad. $0presamos la medida como el producto de un nZ!ero y una unidad. 3a unidad indica el patr'n con el 1ue hemos comparado la cantidad medida. Cuando decimos 1ue la lon#itud del campo de dil%ol es de LL< yardas, 1ueremos decir 1ue el campo es A6A< veces mKs lar#o 1ue un patr'n de lon#itud llamado yarda ;yd<. $n esta secci'n introduciremos al#unas unidades %Ksicas de medida 1ue son importantes para los 1uímicos. El sistema cient ífico de medidas se llama Syste!e nterua$u!ale d[Qnit-s ;Sistema "nternacional de Unidades< y de forma a%reviada S". $s una versi'n moderna del sistema m-trico, un sistema %asac% en la unidad de lon#itud llamada !etro ;m<. $l metro se defini' ori#inalmente como la diemillon-sima parle de la distancia del $cuador al Polo *orte. $sta lon#itud se traslad' a una %arra metKlica conservada en París. 7esafor) tunadamente, la lon#itud de la %arra estK sometida a cam%ios con la temperatura y no pue) de reproducirse e0actamente. $l sistema S" sustituye la %arra patr'n del metro por una ma#nitud 1ue puede reproducirse en cual1uier sitio A metro es la distancia recorrida por
la lu+ en el vacío en A4II 5I4 de un se#undo. 3a lon#itud es otra de las siete ma#nitudes fundamentales
del sistema S" (v-ase la &a%la A.A<. Cual1uier otra ma#nitud tiene unidades 1ue se derivan de estas siete. $l sistema S" es 3UF sistema deci!al. 3as ma#nitudes 1ue difieren de la unidad %Ksica en potencias de die+ se indican por medio de prefiOos escritos antes de la unidad %Ksica. Por eOemplo, el prefiOo \ilo si#ni rica!i] veces (A6l<
:
9
%edida de las propiedades de la materia. 3nidades /
A 9I;RA 1.< os aspectos macrosc ó&ico 8 microscó&ico de la ateria a foto(rafía muestra una la#una helada con los tres estados de la materia, tal como los
perci%imos desde el punto de vista macrosc'pico( ;a< hielo ;a#ua s'lida<, h<. a#ua lí1uida y (c) a#ua #aseosa. 7entro de los círculos se muestra c'mo conci%en los 1uímicos estos estados desde el punto de vista microsc'pico. $n el hielo ;a #ua s'lida< hay una estructura de mol-culas de a#ua con un empa1uetamiento %astante compacto, cada mol-cula consta de un Ktomo de o0í#eno y dos de hidr'#eno. $n el a#ua lí1uida las unidades son mol-culas de a#ua %astante m'viles. 3a forma #aseosa del a#ua estK formado por mol-culas de a#ua muy separadas entre sí.
TA(2A 1.1 6$=*it&es&sicas ?
)a(nitud f$sica
;* i $
on(itud
metro
)asa iempo emperatura antidaddesustancia@ :ntensidad de corriente el éctrica6 :ntensidad luminosa 1
ilo(ramo se(undo elvin mol amperio candela
A ? re v i $ t & r $
m ( s
mol A cd
a
El mol se introduce en la %ecci 'n 4.5.
&
a intensidad de corriente-ctrica el se descri%e en el /p-ndice B y en el Capítulo 4A. a intensidad luminosa no se descri!e en este te"to#
1
ap$tulo .
10
'' 1#2 $refijo
La) '"'i#!a!#) !# la "at# +a y )u "#!i!a $refijos %:
muestra los &refiGos S.=
)lti&lo IAIB
fDil Ft#i
I 1C
KviLi í l , ler$ 7T =gaJ&U me=$ 76> F7loVLU
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I #
la unidad ! ásica 8 se a+revia &or b= As$ un Avk$$inetro metros o . bm .DIIF ni= La [a+la )='
@ 2eti7i griegaSF.
F.l s78bolo fC significa @pinpoicii)liil PHU + i )iilt sin
reemplazado por el si(no i(ual 6 una constante de proporcionalidad# En l 0i e"presi ón D... la constante de
&ro&orcionalidad es la aceleración de+ida a la gravedadg. éa)# el A&éndice B= $cti0idad sobre los prefijos SI
a ma+or parte de las medidas de la qu $mica se "acen en unidades S.= Algunas veces de+emos convenir unas unidades S. en otras unidades S.= como cuando se convienen bilómetros a metros= Otras veces de+emos convertir medidas ex&resadas en unidades (ue no son S. en unidades S. o viceversa= #n todos estes casos de+emos utiliar u+fu/tr !# con/#r)in o una serie de factores de convexión en un es(uema denominado secuencia de conversión= #n las secciones siguientes se verá cómo se resuelven &ro+lemas utiliando una secuencia de convei1sión= #ste método de
resolución de &ro+lemas se descri+e con más detalle en el A&éndice A= )asa
ón de masa es un 0ilogra"o DbgF (ue es una unida d +astante grande &ara la ma8or$a de las a&lic aciones (u$micas Más frecuentemente utiliamos la unidad ftra"ti DgF (ue es a&roximadamente la masa de tres &astillas de as&irina= Peso es la fuerza con que la (ravedad act a so+re un o+GeteX= #s directamente &ro&orcional a la masa como se muestra en las ecuaciones siguientes= )asa es la cantidad de materia de un o!jeto# En el sistema %:# el patr
+ 14 m
6
+ ;g m
;". "<
n o!jeto material tiene una masa constante -m<. que no depende de c ómo o en dónde se mida= or Otra &arte su &eso D 12 &uede variar de+ido a (ue la aceleración de la gravedad DgF var$a un &oco de
unos &unios de la [ierra a otros= As$ un o+Geto (ue &esa ))F,=, bg en San eters+urgo D9usiaF &esa sólo ::6 bgen anamá Dalrededorde un ,=7 &or ciento me nosF= #l mismo o+Geto &esar$a sólo unos ); bg en la luna= Aun(ue el &eso var$a de un lugar a otro la "a)a del o+Geto es la "i)"a en los tres lugares= Con frecuencia los términos '#)o y "a)a se utilian de forma intercam+ia+le &ero solamente la "a)a es la medida de la cantidad de materia= n dis&ositivo "a+itual en el la+oratorio &ara medir la masa es la +alana= El principio que #se utiliza en la !alanza es el de contrarrestar la fuerza con que act a la gravedad so+re uno maso desconocida con una fuera de igual magnitud (ue &uede medirse con &recisión= #n los modelos antiguos de +alanas esto se consigue a través de la fuera de gravedad (ue acta so+re o+Getos llamados '#)a) cu8a masa se conoce con &recisión= #n los ti&os de +alanas más frecuenles "o8 en d$a en los la+oratorios las +alanas electrónicas la fuera (ue contrarresta a la gravedad es una fuera magnética &roducida &or el &aso de una comente eléctrica a través de un electroimán= rimero se e(uili+ra la +alana cuando no "a8 ningn o+Geto so+re el &ialo= Cuando él o+Geto a &esar se coloca en el &lato la +alana se dese(uili+ra= ara recu&era r el e(uili+rio se de+e "acer &asar &or el electroimán una corriente eléctrica adicional La magnitud de esta corriente adicional es &ro&orcional a la masa del o+Geto (ue se está &esando 8 se esta+lece su e(uivalencia con una lectura de masa (ue a&arece en la escala de la +alana=
L■• na "alan]a electrónica=
1#5
%edida de las 8i!'iedades de la !ateria. UiiUludes S
AA
iempo En nuestra vida diaria medimos el tiempo en se(undos* minutos* lloras + anos* dependiendo de si se trata de intervalos cortos Fcomo el de una carrera de 100mH o lar(os Fcomo el tiem po que falta para la si(uiente aparici'n del cometa Halley en e a?o 464<. &odas estas uni)
dades se utili+an en el tra%aOo científico, aun1ue el patr'n S" del tiempo es el segando ;s 9 *o es fKcil esta%lecer un intervalo de tiempo de " se#undo. /nti#uamente se %asa%a en la duraci'n de un dia, peto este tiempo no es constante por1ue la velocidad de rotaci'n de la
tierra varía un poco. Ks tarde, AI), sededefini' el se#undo como I4.I55 de la duraci'n del a?o AI66. $l en desarrollo los reloOes at'micos hi+o">" posi%le una defini) ci'n mKs precisa. $l se#undo es la duraci'n de I AI4 >A 556 ciclos de una determinada \ 3a radiaci'n electroma#n-tica radiaci'n emitida por Ktomos del elemento cesio conocido como cesio)l >>. 'n I.A. se estudia en la %ecci emperatura $ara esta!lecer una escala de temperatura se esta!lecen ar!itrariamente ciertos puntos fijos e incrementos de temperatura denominados (rados# -os puntos fijos &a!ituales son la temperatura a la que funde el &ielo + la temperatura a la que el a(ua &ierve* am!os a la presi'n atmosf-rica estKndar.T
C a presi'n atmosf-rica 7$ estKndar se define 7 ? en la Secci'n .A. $l efecto de la presi'n so%re los puntos de fusi'n y e%ullici'n se descri%e en el &ap7tulo A>. Comp$r$i ón de las escalas de teperatura FaH El punto e fusi'n del hielo, ;%< $l punto de ebullición dela#ua. A 9I;RA 1.H
En la escala de temperaturas=ahrenheii el punto de fusi'n del hielo es >4 D, el punto de e%ullici'n del a#ua es 4A4 7D, y el intervalo entre am%os se divide en A6 partes i#uales llamadas #rados Dahrenheit. $n la escala Celsius ;o centí#rada< el punto de fusi'n del hielo es 6 XC, el punto de e%ullici'n del a#ua es A66 XC. y el intervalo entre am%os se di) vide en "66 paites i#uales llamadas #rados Celsius o centí#rados. 3a Di#ura .5 compara las escalas de temperatura Dahrenheit y Celsius.
apítulo A
12
Was 'ro'iedades de 8a !ateria y su !edida
\ $n el capítulo se vuelve a
3a escala de temperaturas S" se denomina escala Lelvin y asi#na el valor cero a la tem) C C. 3a escala Lelvin es una escala de temperaturas a%soluta no hay temperaturas Lelvin ne#ativas. $l intervalo unidad en la escala Lelvin, llamado un \elvin, es i#ual 1ue un #rado centí#rado ;pero no se utili+a el sím%olo de #rado para las temperaturas Lelvin<. peratura mKs %aOa posi%le. $ste cero, 6 L, tiene lu#ar a )45>,A
introducir $unto de + a utilizar la temperatura e!ullici'n
a#ua 373 < 100 XC 212-@ ía caluroso
En el la!oratorio se suelen medir temperaturas elsius# recuentemente* como por ejemplo para descri!ir el comportamiento de los (ases* estas temperaturas de!en convertirse a temperaturas en la escala
>6> L `)>66C $unto de fusi'n
convertirse temperaturas de la escala Celsius a la Dahrenheit y viceversa. 3as ecuaciones al#e%raicas 1ue se dan a continuaci'n permiten llevar a ca%o con facilidad las conversiones de temperatura.
del &ielo 273 < $oXC 86-ía muy frío 238 < :35 XC 32 XD
T(?) R r;XC< 45>.A
31 XD
fF H M Z =r;XD< ) >4j 0
5 elsius a partir
El factor 5G9 aparece porque la escala elsius utiliz a 100 (rados entre los dos puntos de referencia* mientras que la escala a&ren&eit utiliza 180 (rados 100G180 M 5G9# El dia(rama del mar(en lustra la relaci'n entre las tres escalas de temperatura.
1on0ersión
de te!'eratura "areneit y Celsius. Una receta de cocina recomienda una temperatura de >6 XD para asar un tro+o de carne. ]CuKl es esta temperatura en la escala Celsius^
$unto de e!ullici'n
del nitr'#eno lí1uido 77 < r196XC
Bol&ión 321 XD
%e da una temperatura a&ren&eit + se pide una temperatura elsius# ;ecesitamos la ecuaci'n
al#e%raica 1ue e0presa f;XC< en funci'n de í;XD<. 5 GFXC< b
0 < 273*15 XC ) I,5 XD Cero
a%soluto
,/
Z =;6D< ) >4j b X =>6 ) >4j b A55 XC
%i un pro!lema requiere convertir temperaturas elsius a a&ren&eit se necesita utilizar la ecuaci'n en su forma alternativa, 9
$cti0idad sobre la temperatura
\ 3as respuestas a los $Oemplos PrKcticos se dan en el /p-ndice D.
í;6D< b ) XC< >4 Ejemplo práctico '1 3a predicci'n de temperatur a mK0ima en *ueva 7elhi ;"ndi a< para un determinado día es A XC. $sta temperatura, ]es mKs alta o mKs %aOa 1ue la mK0ima de A6> XD anunciada en Phoeni0 ;/ti+ona< para ese mismo día^
Ejemplo prKctico B( $l motor de un autom'vil lleva un anticon#elante vKlido hasta )44XC. ]Prote#erK este anticon#elante el motor a temperaturas del orden de )A WD^
nidades derivadas as siete unidades que aparecen en la a!la 1#1 son las unidades %: de las ma(nitudes fundamentales lon(itud* masa* tiempo* etc# )uc&as propiedades se e"presan mediante com!inaciones de estas ma(nitudes ! Ksicas o fundamentales. 3as unidades de estas propiedades
se denomi nan unidades derivadas. Por eOemplo, la velocidad es una distancia dividida por el tiempo necesario para recorrer esa distancia. 3a unidad de velocidad es la de lon#itud dividida por tiempo, como ms o m s l. na medida importante que los qu ímicos e0presan mediante unidades derivadas es el volu!en. $l volumen tiene unidades de ;lon#itud< > y la unidad estKndar S" de volumen es el !etro cZbico ;m><. 3as unidades de volumen mKs frecuent es son el cent$!etro cZbico ;cm>< y el
litro ;3<. Un litro se define como un volumen de A666 cm>, esto si#nifica 1ue
1#5 %edido de las propiedades de lo materia. 3nidades /$
A>
' :,' 1#8 omparaci'n de al#unas unidades m-tricasde volumen $l volumen mayor
> es el patr'n S" de volumen, A metro c2%ico < y;m se muestra s'lo en parte.cu%o $l a+ul con aristade A6 cm ;A dnt
un mililitro F1 mH es i(ual a 1 cmU# El litro es tam!i-n i#ual a un dec$!etro
cZbico (ldm<.
3a Di#ura A. muestra varias unidades de volumen. tras nidades 'unque en los Estados nidos se acostum!ra cada vez m Ks a e0presar distancias en Ji)
l'metros y vol2menes en litros, la mayor parte de las unidades empleadas en la vida dia) ria todavía no son unidades S". 3as masas se dan en li%ras, las dimensiones de las ha%itaciones en píes, etc. $n este te0to, no se utili+aran ha%ituatniente las unidades 1ue
'
]$stK pre#untKndose...^ or (ué es tan im&ortante escri+ir las unidades al lado de un
nmero4 En 1993* la a(encia espacial americana ;'%' empez ' un pro#rama de investi#aci'n so%re arte 1ue incluía una serie de misiones de e0ploraci'n. $n AII se planearon dos misiones 1ue fueron llevadas a ca%o a finales de AII y comien+os de AIII. 3as naves se llama%an ars Climate 8r%iter ;C8< y ars Pol ar 3ander ;P3< y fuer on lan+adas el AA de dic iem%re de AII y
el >;ueve de diciem%re AIII,despu respectivamente. -s del lan+amiento, la nave C8 de%ía encender su motor meses +demedio principal para alcan+ar una 'r%ita elíptica alrededor de arte. $l motor arranc' el 4> de septiem%re de AIII, pero la misi'n fracas' cuando la nave entr' en la atm'sfera marciana se#2n una 'r%ita inferior a la esperada. 3a 'r%ita era demasiado %aOa por1ue el ordenador del planeta &ierra utili+a%a las unidades de in#eniería %ritKnicas, mientras 1ue el ordenador de la nave utili+a%a unidades S". Este error de las unidades &izo que la ) quedase a 56 m so!re la superficie na marcia en vez de los deseados 250 m# ' 250 m* la )ía&a!r entrado en la 'r%ita elíptica deseada y no se
ha%rían perdido A millones de d'lares 1ue fue el coste de la misi'n.
A 9I;RA 1.' Comp$r$ión de algunas unidades con otras de uso Ia!itual K atada a un list'n de " rn de lar#o. 3a cinta amarilla a cinta verde tiene : cm de anclio + est tiene : pul(ada fin#H de anc&o + estK atada a un list'n de " yarda ;yd< de lar#o. $l list'n Ks lar#o 1ue el list'n de una yarda. Una de un metro es apro"imadamente un 10 por ciento m pul(ada es e4actamente i(ual a 2*54 cm# os dosvasos de precipitado id-nticos tienen A J# de caramelos el de la izquierda + 1li!ra F:!H de caramelos el de la derec&a#1 li!ra M 0*4536 ( MM 453*6 (# os dos matraces aforados id -nticos contienen " 3 cuando se llenan hasta el enrase# El de la izquierda + el recipiente de cart 'n detrKs de -l contienen un cuarto ;1t< de #al'n F(alH de lec&e El matraz de la derec&a+ la !otella de detrKs contienen am%os " 3 de naranOada. : qt M 0*9464 #
no son %:* pero las introduciremos a veces en los ejemplos + en los ejercicios* al final de cada capítulo. Cuando esto suceda, se darKn las relaciones necesarias entre estas unidades y las
unidades S", o %ien -stas pueden encontrarse en la contraportada posterior. 3a Di#ura A.I puede ayudarle a esta%lecer un marco de referencia entre al#unas unidades S" y otras 1ue no lo son.
1#6 a densidad* la composici'n porcentual + su utilizaci'n en la resoluci'n de pro%lemas ' lo lar(o del te"to ir Kn apareciendo conceptos nuevos so%re la estructura y comportamiento de la materia. Una manera de afian+ar nuestra comprensi'n de al#unos de estos conceptos es resolver pro%lemas 1ue relacionen las ideas 1ue ya sa%emos con a1uellas 1ue estamos intentando comprender. $n esta secci'n introduciremos dos ma#nitudes 1ue se necesitan frecuentemente para resolver pro%lemas( la densidad y la composici'n porcentual.
De*si$ '&í va
un anti#uo acertiO o(W]1ue pesa mKs una tonelad a de ladrillos o una tonelada de plumas^W
Si responde 1ue lo mismo, demuestra comprender %ien el si#nificado de masa( una medida de la cantidad de materia. 3os 1ue respondan 1ue los ladrillos pesan mKs 1ue las plumas contunden los conceptos de masa y densidad. 3a materia estK mKs concentrada en
1#6 !a densidad, la composición 'orcentual y su utili0ación en la resolución de 'roble!as A un ladrillo que en una plumaL es decir* la materia del ladrillo K confinada est en un volu) men menor. 3os ladrillos son mKs densos 1ue las plumas. 3a densidad es la ra+'n de masa y volumen. * *# , q masa ;m< densidad-d< M volumen-><
;A.4<
m$=*it& exte*siv$depen a masa + el volumen son ma(nitudes e"tensivas# na de de la cantidad de materia o!servada# %in em!ar(o* si se divide la masa de una sus tancia por su volumen* se o!tiene la densidad* una ma(nitud intensiva# na ma(nitud i*te*siv$es independientede la cantidad de materia o!servada# $or tanto* la densidad del a(ua pura a 25XC tiene un valor determinado, sea la de una muestra contenida en
un matra+ pe1ue?o o la1ue llena una piscina 3aspropiedades intensivas son especial) mente importantes en los estudios de1uímica por1ue suelen utili+arse para identificar sustancias. Ksicas S" de masa y volumen son Jilo#ramos y metros c2%icos, res) as unidades ! pectivamente, pero los 1uímicos #eneralmente e0presan la masa en #ramos y el volumen en centímetros c2%icos o mililitros. 3a unidad de densidad mKs frecuente es entonces #ra) > mos por centímetro c2%ico ;#cm <, o la unidad id-ntica a -sta de#ramos por mililitro í#m3<. a masa de 1*000 de a(ua aXC 4 es A,666 J#. 3a densidad del a#ua a XC es A666 #A666 m3 b A,666 # m3. / 46 XC, la densidad del a#ua es 6,II4 #m3. Wa densidad es una función dela te!'eraturapor1ue el volumen cam%ia con la temperatura mientras 1ue la masa permanece constante. Uno de los motivos por los 1ue preocupa el calenta) miento de la &ierra es por1ue si la temperatura media del a#ua del mar aumenta, el a#ua serK menos densa. $l volumen del a#ua del mar de%e aumentar y el nivel del mar se ele) varK, sin considerar 1ue el hielo empiece a fundirse en los cas1uetes polares. a densidad de una sustancia depende* adem Ks de la temperatura, del estado de la ma) teria. $n #eneral, los s'lidos son mKs densos 1ue los lí1uidos y am%os son mKs densos 1ue los #ases. Sin em%ar#o, e0isten coincidencias importantes. / continuaci'n se dan los in) tervalos de los valores num-ricos #eneralmente o%servados para las densidades. $stos da) tos pueden ser 2tiles para resolver pro%lemas. > > \ 7ensidades de s'lidos( desde 6,4 #cm hasta 46 #cm . 7ensidades de lí1uidos( desde 6, #m3 hasta >) #m3. \ \ 7ensidades de #ases( la mayoría del orden de unos pocos #ramoslitro. por í1uidos se conocen con mKs precisi'n 1ue las de los En (eneral* las densidades de los l s'lidos, ya 1ue -stos pueden tener defectos en sus estructuras microsc'picas. 3as densi) dades de los elementos y los compuestos tam%i-n se conocen con mKs precisi'n 1ue las de los materiales con composici'n varia%le, como la madera o el caucho. 'lidos na consecuencia importante de las diferentes densidades de sy lí1uidos es 1ue los lí1uidos y s'lidos de densidad %aOa flotan en un lí1uido de densidad alta siempre 1ue los lí1uidos y s'lidos no se disuelvan unos en otros<. a densidad en las secuencias de conversión 'n nos da su densidad. %i medimos la masa de un o!jeto + su volumen* una simple divisi
Una ve+ 1ue conocemos la densidad de un o%Oeto, podemos utili+arla como factor de con) versi'n para o%tener la masa o el volumen del o%Oeto. Por eOemplo, un cu%o de osmio de A,666 cm de arista pesa 44, #. 3a densidad del osmio ;el mKs denso de los elementos< > es 44, #cm . ]Cual serK la masa de otro cu%o de osmio 1ue tiene A,4 pul#adas cfc aris) ta ;A pul#ada b 4, cm<^ Para resolver este pro%lema podemos empe+ar con la relaci'n entre el volumen de un cu%o yla lon#itud de su arista,Q R l2. / continuaci'n se puede
esta%lecer una secuencia de conversión>
16
apítulo A
Was 'ro'iedades de la !ateria y su !edida pul(ada Fin#H osmio Z=K cm osmio ZTT cm > osmio )ZT) # osmio ;convierte
in. a cm< ;convierte cm a cm>< ;convierte cm> a # de osmio< > *54]_A *48 ( osmio [ 44, J ,EE,-E
\ 1ue en una secuencia de conversi'n de%en cancelarse todas las unidades e0cepto la unidad deseada en el resultado final (v-ase el /p-ndice /. so%reUtili0ación de factores de conversión).
2nico metal 1ue es lí1uido, es A>, #m3 a 4 XC. Supon#a 1ue deseamos sa%er el volumen en m3 de A,666 J# de mercurio a 4 CC. 7e%emos proceder de la si#uiente manera( ;a< asimilaci'n de la informaci'n disponi%le, A,666 J# de mercurio y d b A>, #m3 ;a 4 XC< ;%< identificaci'n e0acta de lo 1ue intentamos determinar, un volumen en mililitros ;1ue desi#naremos como m3 de mercurio< y ;c< %2s1ueda de los factores de conversi'n necesarios. Para encontrar estos factores nos servirK de ayuda esta%lecer la secuencia de conversión>
( de mercurio Z=^ # de mercurio Z m3 de mercurio M 719 ( osmio ;ecesitamos el factor 1000 (G( para pasar de ilo(ramos a (ramos# a densidad propurciuna el factor para pasar de masa a volumen* $ero en este ejemplo es necesario utilizar la densidad de a densidad del mercurio* el forma in0ersa, es decir*
B1*25 +" M ( osmio
B mi de mercurio M 1*000k& D
1000I 1mmercurio
l(
M 74*1 m de mercurio
13'
os Ejemplos 1#2 + 1#3 tam!i-n ponen de manifiesto 1ue los c Klculos num-ricos en los que interviene la densidad son (eneralmente de dos tipos o!tenci 'n de la densidad a partir
de
medidas de masa y volumen, o %ien el uso de la densidad como factor de conversi'n para relacionar la masa y el volumen. EE)$ 1#2 16#2 cm 1*08 m
?.@9A )=), Medida del volumen de un o+Geto de forma regular= .lustración del #Gem&lo )=' El volumen del s'lido rectan#ular es el producto de su lon#itud por su anchura y por su altura = M ? a D h.
1álculo
de la densidad de un obeto a 'artir de su !asa y volu!en. $l %lo1ue de madera 1ue se representa en la Di#ura A.A6 tiene una masa de 4,4 J#. ]CuKl es la densidad de la madera en #ramos por centímetro c2%ico^
Bol&ión $ara determinar la densidad necesitamos conocer una masa + su correspondiente volumen# %e conoce la masa* que podemos convertir f Kcilmente de Jilo#ramos a #ramos, y para calcular el volumen del %lo1ue rectan#ular podemos utili+ar la f'rmula #eom-trica de la Di#ura A.A6. Sin em%ar#o, primero de%emos pasar la lon#itud de metros a centímetros. w100 b A6 cmcm G M 1*08 :F 0 9?& ímetros c2%icos. '&ora podemos calcular el volumen en cent > M 108 cm D 5*1 cm D6]cm b >66 cm>
a masa del !loque e"presada en (ramos es m ) 2*52 e( D +
R
M 0*74 (Gcnr1 $cti0idad sobre la densidad
l(
b 446 #
2520 ( a densidad de la madera es md)XR 1omprobación.
>
3400 ern
8%serve 1ue si hu%i-semos tomado, por error, una masa de 4,4 #, el resultado sería d b 5, _ 6N= #cm>. Si hu%i-semos tomado una lon#itud de A,6 cm, el resultado sería d b 5 #cmA. /m%os valores caen fuera del intervalo de densidades de un s'lido.
1#6 !a densidad, la composición
'orcentual y su utili0ación en la resolución de 'roble!asA5
Ejemplo $rKctico /( Para determinar la densidad deltricloroetileno, un lí1uido utili+ado
para desen#rasar componentes electr'nicos, primero se pesa un matra+ vacío A6, #<. 7espu-s se llena con A4 m3 de tricloroetileno hasta alcan+ar una masa total de 4IA, #. ]CuKl es la densidad del tricloroetileno en #ramos por mililitro^ Ejemplo $rKctico B( Una pro%eta se llena con >, m3 de a#ua. Se introduce una piedra de 4, # de masa en dicha pro%eta y el nuevo volumen medido es ,A m3. ]CuKl es la densidad de la piedra^
EE)$ 1#3 1álculo de la !asa de un l$Luido a 'artir del volu!en y la densidad. ]CuKl es la masa de una muestra de 45 m3 de etanol ;alcohol etílico< a 46 XC^ 3a densidad del etanol a 46 WC es
0*789 (Gm#
Bol&ión 0*789 ( etanol El producto del volumen del í1uido y la densidad como un tactor de conversi'n nos da el l
resultado.
M 217 ( etanol
1
( etanol M 275 jnetano D lmetano
Ejemplo $rKctico /(
]CuKl es lamasa de A4m3 de una disoluci'n dela+2car ;sacarosa en a#ua<, 1ue tiene una densidad de A,6A #fm3 a 46 XC^ Ejemplo $rKctico B( ]CuKl es el volumen, en litros, ocupado por 6,6 J# de etanol a 46 XC^ 3a densidad del etanol a 46XC es 6,5I #m3.
El porcentaje como un factor de conversión En la %ecci'n A.> se descri%ieron la composici'n, como una característica para identificar
una cierta cantidad de materia, y el porcentaOe, como una forma ha%itual de e0presar la composici'n. 3a pala%ra latina centu! si#nifica A66. $l porcentaOe ('ercentu!) es el n2mero de par tes de un componente en A66 partes del total. 7ecir 1ue una muestra de a#ua de mar contiene >, por ciento en masa de cloruro de sodio, si#nifica 1ue por cada A66 # de a#ua de mar hay presentes >, # de cloruro de sodio. $sta%lecemos las relaciones en #ramos ya 1ue ha%lamos de porcentaOe en !asa. Podemos e0presar este porcentaOe escri%iendo las si#uientes proporciones 3*5 ( cloruro de sodio 100 ( a(ua de mar
100 ( a(ua de mar 3*5 ( cloruro de sodio
F13H
'n como un factor de conversi'n. En el Ejemplo 1#4* utilizaremos este tipo de raz
EE)$ 1#4 3tiliación del 'orcentae co!o un factor de conversión. Se desea o%tener una muestra de 5 # de cloruro de sodio ;sal de mesa< por evaporaci'n hasta se1uedad de una cierta cantidad de a#ua de mar 1ue contiene >, por ciento en masa de cloruro de sodio. litros ]CuKntos de a#ua de mar de%en utili+arse^ Supon#a 1ue la densidad del a#ua de mar es A,6> #m3.
%olución $ara convertir @(ramos de cloruro de sodio@ en @(ramos de a(ua de mar@* necesitamos el fac 'n con #ramos de a#ua de mar en el numerador y #ramos de cloruro de sodio en tor de conversi Ks, necesitamos hacer las conversiones, # a#ua de mar))))) el denominador# 'dem < m3 a#ua de mar( a(ua de mar#
18 apítulo A Was 'ro'iedades de la !ateria y su !edida K& 100g a(.fldefi 3*5 ( cloruro de sodio í!e)-e[sdlín^ A Ott3)a#aa)drffiaf B a(ua de mar M 75 ( dfi 1 a(ua de mar :*03#(Ja(uedemar lma(uade ííafb 4,A 3 a#ua de mar Ejemplo $rKctico '1 ]CuKntos Jilo#ramos de etanol hay en 4 3 de una disoluci'n de 01 1 (G m# @(aso&ol@ que contiene 90 por ciento de (asolina + 10 por ciento de etanol en masaB a densidad @ es del0*7 @(aso&
01 $l alcohol de romero es una disoluci'n al 56 por ciento en masa de alcohol isopropílico en a#ua, Si una muestra de este alcohol contiene A,6 m# de alcohol isopropílico, ]cuKl es la densidad de la disoluci'n^ Ejemplo Jráctico
REC;ERDE
que una respuesta num -rica 1ue
cuándo diBidir ai Iacer un &ro+lema con &orcentaGes4
vaya en contra del sentido com2n pro%a%lemente es
na forma &a!itual de utilizar un porcentaje es convertirlo en forma decimal F3*5 por to cien se convierte en 0*035H + entonces multiplicar o dividir por este decimal# ' veces los estu
incorrecta. \
diantes sa!en lo conversi que 'n tienen Esta1ue dificultad se resuelve si el porcentaje y seque usa&acer# de forma se produ+ca la cancelaci'n de uni)se e"presa no como un decidir factor de
]$stK pre#untKnd ose...^ Cuán do "a8 (ue ultip licar 8
dades para las ma#nitudes físicas. Recuerde tam%i-n 1ue
C a cantidad de un componentede!e ser siempre menorque la cantidad de la mezcla total* %ultiplicar por el porcenta8e<.
w 3a cantidad de una !e0clade%e ser siempre!ayor1ue la cantidad de cual1uiera de sus componentes. (`ividir 'or el 'orcentae). -ramos sido cuidadosos en la cancelaci'n de las unidades y hu) %i en el Ejemplo 1#4 no &u!i %i-ramos multiplicado por el porcentaOe ;>,A66< en " u#ar de di vidír ;A66>,<, ha%ríamos o%) tenido un valor num-rico de 4, >A6W . $sta sería una muestra de 4, m3 de a#ua de mar, 1ue pesaría apro0imadamente 4, #. $s evidente, 1ue una muestra de a#ua de mar 1ue contiene5 # de cloruro de sodio de%e tener una masa !ayor de 5 #.
1#7 a incertidum!re en las medidas científicas odas las medidas estKn sometidas a error. 3os instrumentos de medida estKn construidos de modo 1ue se producen errores inherentes, llamadoserrores siste8áticos. Por eOemplo, una %alan+a de cocina podría dar lecturas consistentes pero 1ue son 4 # demasiado al) tas, o un term'metro dar lecturas* demasiado %aOas. 3as limitaciones en la ha%ilidad del e0perimentador o en la capacidad para leer un instrumento científico tam%i-n conducen a errores y dan resultados 1ue pueden ser demasiado altos o demasiado %aOos. $stos erro) res se llaman errores accidentales. a precisi'n se refiere al #rado de reproduci%ilidad de la ma#nitud medida esto es, la pro0imidad de los resultados cuando la misma ma#nitud se mide varias veces. 3a preci) si'n de una serie de medidas es alta, o %uena, si cada una de las medidas se desvía sola) mente una pe1ue?a cantidad del valor medio. / la inversa, si hay una desviaci'n #rande
entre las medidas, la precisi'n es 'oca, o %aOa. 3a eCactidud se refiere a la pro0imidad de una medida a un valor acepta%le, o valor WrealW. 3as medidas de precisi'n alta no siem) pre son e0actas, ya 1ue podría e0istir un error sistemKtico #rande. *o o%stante, es pro%a) %le 1ue las medidas de precisi'n alta sean mKs e0actas 1ue las de precisi'n %aOa.
1#8
1ifras significati0as
19
$ara ilustrar al(unas de estas ideas* considere la masa de un o!jeto medida en dos !alanzas diferentes# na de ellas es una !alanza relativamente sencilla* denominada (rana ta?o, y la otra es 3ina halana analítica de precisi'n. alanGa anal $tica ,7ranatarin 10*4* res medidas 10*2# 10#3 ( 10#3107# 10#3108# 10*310o ( 10*3 =alor( medio x6,A # %aOa o 10#3107 ( x6,666A # poca ,eproduci!ilidad alta o !uena $recisi'n
1#8
ifras si(nificativas
$ara las medidas en el (ranatario anterior* esto es* 10*4*0*2 1 + Y 0*3 (* el resultado que se daría es
A 6$teri$lde vidrio e i,ere*te preisi ón.
os vasos + frascos proporcionan paca precisi'n en la medida de
vol2menes de lí1uidos. 3as pro%etas son instrumentos de medida mucho mKs precisos. $n primer plano de la tolo hay dos pipe las. 3as pipetas
proporcionan uno de los m-todos mKs precisos para la medida de vol2menes de lí1uidos usto ;.Jtnis di) las pipetas hay otro instrumento de medida mu+ preciso la !ureta $cti0idad sobre cifras significati0as
la media de los tres( A6,> #. 3a forma en 1ue un científico interpretaría nuestro resultado es 1ue los dos primeros dí#itos, A6, se conocen con certe+a, y el 2ltimo dí#ito. >, puede cam%iar en una o dos unidade s de%ido a 1ue fue estimado. $s decir, la masa se conoce s'lo hasta la apro0imaci'n de 6,A #, hecho 1ue podríamos e0presar escri%iendo A6,> x 6,A #. Para un científico, la medida A6,> # si#nifica 1ue tiene tres cifras si#nificativas. Si e0presamos esta masa en Jilo#ramosen lu#ar de #ramos. A6,> # b 6,6A6> J#, la medida vien e tam%i-n e0p resada por tres cifras si#nificativas, incluso aun1ue se muestren mKs de tres dí#itos. Para las medidas en la %alan+a analítica, se daría el valor A6,>A65 #, un valor con seis cifras si#nificativas. $l n2mero de cifras si#nificativas en una medida es una indicaci'n de la capacidad del dispositivo de medida y de la precisi'n de las medidas. on frecuencia necesitamos determinar el n 2mero de cifras si#nificativas en una determinada ma#nitud. 3as re#las se indican en la Di#ura A.AA. "ncluso con las ideas se?aladas en esta fi#ura, todavía no sa%emos cuKntas cifras si#nif icativas asi#nar a la medida 566 m. ]Queremos decir 566 m con una precisi'n de un metr o^, ]de A6 m^. ]de L< ni^ Si todos los ceros son si#nificativos, es decir, si el valor tiene cuatro cifras si#nificativas, podemos escri%ir 566. m. $s decir, escri%iendo una coma decimal, 1ue por otra parte no es necesaria, se indica 1ue todos los ceros anteriores a la coma decima son si#nificativos. $sta t-cnica no ayuda si solamente uno de los ceros o nin #2n cero es si#nificativo. 3a meOor soluci'n entonces es utili+ar la notaci'n e0ponencial. ;Revise el /p-ndice / si es necesario<. $l coeficiente esta%lece el n2mero de cifras si#nificativas y la potencia de die+ locali+a el punto decimal.
# tifras si8(nifiA9usii"A8]s 3 7*5 D 10m
tifm\ #=:],^F tu ivas 7*500D 10m
B cifras siCi8kati0tn 7*50D10 1 m
aH ;e"i(nificalivo!H ;o si(nificativo
\ D"GUR/ A.AA -eterminaci'n del n2mero de cifras si(nificativas en una ma nitud a ma(nitud mostrada aquí. 0*004004500 tienesiete cifras si(nificativas# odos los dí#itos
distintos de cero, así como los ceros se?alados, son si#nificativos,
cero @sin valor representativo@
K
i< %i(mfitutiui
cerosutilizados
lodoslosceros entre n2meros disiinlos de cero
2nicamente para localiGar la coma decimal
0 K 00400
4500
^"
dH %iiniiealiui( idll% US
fllJ&US
dislintosdecero
V
el %i(nificativo los ceros al final de un n2mero y a
la derecha
apítulo " luis 'ro'iedades de la !ateria y su !edida \ Una re#la mKs e0acta so%re J< mullipliciu i 'iidi visi'n es 1ue el Ci,r$s si=*i,i$tiv$s e* los &lculos nu4ricos resultado de%e tener apro0imadamente el mismo n requisito importante en los cKlculos es 1ue la precisi'n no puede aumentar ni disminuir en los porcentaOe de error 1ue la cKlculos en 1ue intervienen las ma#nitudes medidas. Hay varios m-todos e0actos para determinar ma#nitud conocida con menor c'mo e0presar con precisi'n el resultado de un cKlculo, pero normalmente es suficiente con precisi'n. *ormalmente la re#la o%servar al#unas re#las sencillas respecto a las cifras si#nificativas. de las cifras si#nificativas estK de acuerdo con este re1uisito, aun1ue puede fallar en al#unas El resultado de una multiplicaci 'n o una divisi'n puede tener como mK0imo tantas cifras ocasiones (v-ase el $Oercicio si#nificativas como la ma#nitud 1ue se conoce con !enor precisi'n en el cKlculo. 5><.
20
En la si(uiente multiplicaci 'n en cadena para determinar el volumen de un %lo1ue rectan#ular de madera, de%emo s redondear el resultad o a tres cifras si#nificativas. 3a Di#ura A.A4 puede ayudar a comprender esto. 14*79 cm D 12*11 cm D 5*05 cm M 904 cm í F4 cif# sí#.<
; cif. si#.< ;> cif. si#.< ;> cif. sí#.<
'l sumar 6 restar n2meros la re#la 1ue se aplica es El resultado de la suma o la resta de!e e"presarse con el mismo n 2mero
de cifras decimales
1ue la ma#nitud con menos cifras decimales. onsidere la si(uiente suma de masas 15*02 (
9986*0
(
3*518 ( 10#004*53j% (
$ :,' 1#12 ,e(la de las cifras si(nificativas en la multiplicaci 'n /l o%tener el producto A,5I cm A4,AA cm ,6 cm, la cantidad conocida con menos precisi'n es ,6 cm. 3as calculadoras muestran los productos de A,5I y A4&AA por ,6, ,6 y ,6, respectivamente. $n los tres resultados solamente los dos primeros dí#itos, WI6...W son id-nticos. 3as diferencias empie+an en el tercer dí#ito. *o tenemos certe+a a partir del tercer dí#ito. $0presamos el volumen como I6 era. *ormalmente, en lu#ar de hacer un anKlisis detallado de este tipo, podemos utili+ar una idea mKs sencilla El resultada de una !ulti'licación sólo 'uede tener tantas cifras significativas co!o las Lue tenga la cantidad !enos 'recisa.
