Fundamentos de quimica chang

1. Metales Metaloides No metales Nmero atmico Masa atmica La designacin del grupo 1-18 ha sido recomendada por la International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) pero an no est en uso. En este texto se usa la notacin estadounidense estndar para los grupos (1A-8A y 1B-8B). No se han asignado nombres para los elementos 112-116 y 118. El elemento 117 todava no se ha sintetizado. 1 1A 2 2A 3 3B 4 4B 5 5B 6 6B 7 7B 9 8B 11 1B 12 2B 13 3A 14 4A 15 5A 16 6A 17 7A 18 8A 8 10 5 B Boro 10.81 14 Si Silicio 28.09 32 Ge Germanio 72.59 33 As Arsnico 74.92 51 Sb Antimonio 121.8 52 Te Telurio 127.6 84 Po Polonio (210) 85 At Astato (210) 116 (117) 3 Li Litio 6.941 4 Be Berilio 9.012 11 Na Sodio 22.99 12 Mg Magnesio 24.31 55 Cs Cesio 132.9 56 Ba Bario 137.3 87 Fr Francio (223) 88 Ra Radio (226) 57 La Lantano 138.9 72 Hf Hafnio 178.5 89 Ac Actinio (227) 104 Rf Rutherfordio (257) 73 Ta Tntalo 180.9 74 W Tungsteno 183.9 105 Db Dubnio (260) 106 Sg Seaborgio (263) 75 Re Renio 186.2 76 Os Osmio 190.2 107 Bh Bohrio (262) 108 Hs Hassio (265) 77 Ir Iridio 192.2 78 Pt Platino 195.1 109 Mt Meitnerio (266) 110 Ds Darmstadtio (269) 79 Au Oro 197.0 80 Hg Mercurio 200.6 111 Rg Roentgenio (272) 112 81 Tl Talio 204.4 82 Pb Plomo 207.2 113 114 83 Bi Bismuto 209.0 115 19 K Potasio 39.10 20 Ca Calcio 40.08 37 Rb Rubidio 85.47 38 Sr Estroncio 87.62 21 Sc Escandio 44.96 22 Ti Titanio 47.88 39 Y Itrio 88.91 40 Zr Zirconio 91.22 23 V Vanadio 50.94 24 Cr Cromo 52.00 41 Nb Niobio 92.91 42 Mo Molibdeno 95.94 25 Mn Manganeso 54.94 26 Fe Hierro 55.85 43 Tc Tecnecio (98) 44 Ru Rutenio 101.1 27 Co Cobalto 58.93 28 Ni Nquel 58.69 45 Rh Rodio 102.9 46 Pd Paladio 106.4 29 Cu Cobre 63.55 30 Zn Zinc 65.39 47 Ag Plata 107.9 48 Cd Cadmio 112.4 31 Ga Galio 69.72 13 Al Aluminio 26.98 49 In Indio 114.8 50 Sn Estao 118.7 6 C Carbono 12.01 7 N Nitrgeno 14.01 8 O Oxgeno 16.00 9 F Flor 19.00 10 Ne Nen 20.18 10 Ne Nen 20.18 15 P Fsforo 30.97 16 S Azufre 32.07 17 Cl Cloro 35.45 18 Ar Argn 39.95 34 Se Selenio 78.96 35 Br Bromo 79.90 36 Kr Criptn 83.80 53 I Yodo 126.9 54 Xe Xenn 131.3 86 Rn Radn (222) 118 2 He Helio 4.003 58 Ce Cerio 140.1 59 Pr Praseodimio 140.9 90 Th Torio 232.0 91 Pa Protactinio (231) 60 Nd Neodimio 144.2 61 Pm Promecio (147) 92 U Uranio 238.0 93 Np Neptunio (237) 62 Sm Samario 150.4 63 Eu Europio 152.0 94 Pu Plutonio (242) 95 Am Americio (243) 64 Gd Gadolinio 157.3 65 Tb Terbio 158.9 96 Cm Curio (247) 97 Bk Berkelio (247) 66 Dy Disprosio 162.5 67 Ho Holmio 164.9 98 Cf Californio (249) 99 Es Einsteinio (254) 68 Er Erbio 167.3 69 Tm Tulio 168.9 100 Fm Fermio (253) 101 Md Mendelevio (256) 70 Yb Iterbio 173.0 71 Lu Lutecio 175.0 102 No Nobelio (254) 103 Lr Laurencio (257) 1 H Hidrgeno 1.008 www.FreeLibros.me

2. *Todas las masas atmicas tienen cuatro cifras signiicativas. Estos valores son los que recomienda el Comit para la Enseanza de la Qumica de la International Union of Pure and Applied Chemistry. **Los valores aproximados de las masas atmicas se sealan entre parntesis. Lista de elementos con sus smbolos y masas atmicas* Nmero Masa Elemento Smbolo atmico atmica** Actinio Ac 89 (227) Aluminio Al 13 26.98 Americio Am 95 (243) Antimonio Sb 51 121.8 Argn Ar 18 39.95 Arsnico As 33 74.92 Astato At 85 (210) Azufre S 16 32.07 Bario Ba 56 137.3 Berilio Be 4 9.012 Berkelio Bk 97 (247) Bismuto Bi 83 209.0 Bohrio Bh 107 (262) Boro B 5 10.81 Bromo Br 35 79.90 Cadmio Cd 48 112.4 Calcio Ca 20 40.08 Californio Cf 98 (249) Carbono C 6 12.01 Cerio Ce 58 140.1 Cesio Cs 55 132.9 Cloro Cl 17 35.45 Cobalto Co 27 58.93 Cobre Cu 29 63.55 Criptn Kr 36 83.80 Cromo Cr 24 52.00 Curio Cm 96 (247) Darmstadtio Ds 110 (269) Disprosio Dy 66 162.5 Dubnio Db 105 (260) Einstenio Es 99 (254) Erbio Er 68 167.3 Escandio Sc 21 44.96 Estao Sn 50 118.7 Estroncio Sr 38 87.62 Europio Eu 63 152.0 Fermio Fm 100 (253) Flor F 9 19.00 Fsforo P 15 30.97 Francio Fr 87 (223) Gadolinio Gd 64 157.3 Galio Ga 31 69.72 Germanio Ge 32 72.59 Hafnio Hf 72 178.5 Hassio Hs 108 (265) Helio He 2 4.003 Hidrgeno H 1 1.008 Hierro Fe 26 55.85 Holmio Ho 67 164.9 Indio In 49 114.8 Iridio Ir 77 192.2 Iterbio Yb 70 173.0 Itrio Y 39 88.91 Lantano La 57 138.9 Laurencio Lr 103 (257) Litio Li 3 6.941 Nmero Masa Elemento Smbolo atmico atmica** Lutecio Lu 71 175.0 Magnesio Mg 12 24.31 Manganeso Mn 25 54.94 Meitnerio Mt 109 (266) Mendelevio Md 101 (256) Mercurio Hg 80 200.6 Molibdeno Mo 42 95.94 Neodimio Nd 60 144.2 Nen Ne 10 20.18 Neptunio Np 93 (237) Niobio Nb 41 92.91 Nquel Ni 28 58.69 Nitrgeno N 7 14.01 Nobelio No 102 (253) Oro Au 79 197.0 Osmio Os 76 190.2 Oxgeno O 8 16.00 Paladio Pd 46 106.4 Plata Ag 47 107.9 Platino Pt 78 195.1 Plomo Pb 82 207.2 Plutonio Pu 94 (242) Polonio Po 84 (210) Potasio K 19 39.10 Praseodimio Pr 59 140.9 Proactinio Pa 91 (231) Prometio Pm 61 (147) Radio Ra 88 (226) Radn Rn 86 (222) Renio Re 75 186.2 Rodio Rh 45 102.9 Roentgenio Rg 111 (272) Rubidio Rb 37 85.47 Rutenio Ru 44 101.1 Ruterfordio Rf 104 (257) Samario Sm 62 150.4 Seaborgio Sg 106 (263) Selenio Se 34 78.96 Silicio Si 14 28.09 Sodio Na 11 22.99 Talio Tl 81 204.4 Tntalo Ta 73 180.9 Tecnecio Tc 43 (99) Telurio Te 52 127.6 Terbio Tb 65 158.9 Titanio Ti 22 47.88 Torio Th 90 232.0 Tulio Tm 69 168.9 Tungsteno W 74 183.9 Uranio U 92 238.0 Vanadio V 23 50.94 Xenn Xe 54 131.3 Yodo I 53 126.9 Zinc Zn 30 65.39 Zirconio Zr 40 91.22

3. Nmero de Avogadro 6.0221415 3 1023 Carga electrnica (e) 1.60217653 3 10219 C Masa electrnica 9.1093826 3 10228 g Constante de Faraday (F) 96485.3383 C/mol e2 Constante de los gases (R) 8.314472 J/K ? mol (0.082057 L ? atm/K ? mol) Masa de neutrones 1.67492728 3 10224 g Constante de Planck (h) 6.6260693 3 10234 J ? s Masa de protn 1.672621 3 10224 g Constante de Rydberg (RH) 2.179872 3 1028 J Velocidad de la luz en el vaco 2.99792458 3 108 m/s Constantes fundamentales Factores de conversin tiles y relaciones 1 lb 5 453.6 g 1 gal 5 3.785 L 5 4 quarts 1 in 5 2.54 cm (exactamente) 1 mi 5 1.609 km 1 km 5 0.6215 mi 1 pm 5 1 3 10212 m 5 1 3 10210 cm 1 atm 5 760 mmHg 5 760 torr 5 101325 N/m2 5 101325 Pa 1 cal 5 4.184 J (exactamente) 1 L atm 5 101.325 J 1 J 5 1 C 3 1 V C F? ( ) 5 2 3 F C F 32 5 9 C F? ( 1 ) 5 3 F F C 9 5 32 ? ( . ) K C C K C 5 1 273 15 1 1 tera (T) 1012 centi (c) 1022 giga (G) 109 mili (m) 1023 mega (M) 106 micro (m) 1026 kilo (k) 103 nano (n) 1029 deci (d) 1021 pico (p) 10212 Algunos prejos utilizados con unidades SI

4. FUNDAMENTOS DE QUMICA

5. FUNDAMENTOS DE QUMICA Raymond Chang Williams College MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TORONTO Adaptacin Pedro Ibarra Escutia Instituto Tecnolgico de Toluca Revisin tcnica Isaas de la Rosa Gmez Instituto Tecnolgico de Toluca

6. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig V. Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martnez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodrguez Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Erika Jasso Hernn DBorneville FUNDAMENTOS DE QUMICA Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2011 respecto a la primera edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Ediicio Punta Santa Fe Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D. F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN: 978-607-15-0541-5 Adaptado de la dcima edicin de: Qumica de Raymond Chang. 2010 McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de C.V. ISBN: 978-607-15-0307-7 1234567890 1098765432101 Impreso en Mxico Printed in Mexico www.FreeLibros.me

7. ACERCA DEL AUTOR Raymond Chang naci en Hong Kong y creci en Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en qumica por la London Uni- versity, en Inglaterra y se doctor en qumica en la Yale University. Despus de realizar su investigacin posdoctoral en Washington Univer- sity y ensear durante un ao en el Hunter College de la City University of New York, se uni al Departamento de Qumica en Williams College, donde ha enseado desde 1968. El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society Examination Committee, el National Chemistry Olympiad Exa- mination Committee y el Graduate Record Examinations (GRE) Commit- tee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. Chang ha escrito libros sobre isicoqumica, qumica industrial y ciencia fsica. Tambin ha participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de fotografas y una novela de literatura juvenil. Para relajarse, el doctor Chang cultiva un jardn selvtico, juega tenis, ping-pong, toca la armnica y practica el violn. www.FreeLibros.me

8. Prlogo del adaptador xviii Prefacio xix Nota al estudiante xxiv 1 Qumica. El estudio del cambio 1 2 tomos, molculas y iones 15 3 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 51 4 Reacciones en disolucin acuosa 91 5 Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 131 6 Relaciones peridicas entre los elementos 177 7 Enlace qumico I: Conceptos bsicos 217 8 Enlace qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 253 9 Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 303 10 Equilibrio qumico 325 11 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 361 12 Electroqumica 403 13 Metalurgia y la qumica de los metales 415 14 Qumica orgnica 439 Apndice 1 Derivacin de los nombres de los elementos A-1 Apndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7 Apndice 3 Datos termodinmicos a 1 atm y 25C A-8 Apndice 4 Operaciones matemticas A-13 www.FreeLibros.me

9. Prlogo del adaptador xviii Prefacio xix Nota al estudiante xxiv Qumica. El estudio del cambio 1 1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi 2 QUMICA en accin El helio primordial y la teora del Big Bang 5 1.2 Clasiicacin de la materia 6 1.3 Los tres estados de la materia 9 1.4 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 10 Desarrollo de competencias 11 Problemas especiales 12 MISTERIO de la qumica La desaparicin de los dinosaurios 12 tomos, molculas y iones 15 2.1 Teora atmica 16 2.2 Estructura del tomo 17 2.3 Nmero atmico, nmero de masa e istopos 23 2.4 La tabla peridica 25 QUMICA en accin Distribucin de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 26 2.5 Molculas y iones 27 2.6 Frmulas qumicas 29 2.7 Nomenclatura de los compuestos 33 2.8 Introduccin a los compuestos orgnicos 42 Ecuaciones bsicas 44 Resumen de conceptos 44 Desarrollo de competencias 44 Problemas especiales 49 Respuestas a los ejercicios de prctica 50 www.FreeLibros.me

10. xii Contenido Relaciones de masa en las reacciones qumicas 51 3.1 Masa atmica 52 3.2 Nmero de Avogadro y masa molar de un elemento 53 3.3 Masa molecular 57 3.4 Espectrmetro de masas 60 3.5 Composicin porcentual de los compuestos 60 3.6 Determinacin experimental de frmulas empricas 64 3.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 66 3.8 Cantidades de reactivos y productos 71 3.9 Reactivo limitante 75 3.10 Rendimiento de reaccin 78 QUMICA en accin Fertilizantes qumicos 80 Ecuaciones bsicas 81 Resumen de conceptos 81 Desarrollo de competencias 81 Problemas especiales 90 Respuestas a los ejercicios de prctica 90 Reacciones en disolucin acuosa 91 4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 92 4.2 Reacciones de precipitacin 94 QUMICA en accin Una reaccin de precipitacin indeseable 99 4.3 Reacciones cido-base 99 4.4 Reacciones de oxidacin-reduccin 105 QUMICA en accin Alcoholmetro 116 4.5 Concentracin de las disoluciones 117 QUMICA en accin Metal proveniente del mar 121 Ecuaciones bsicas 122 Resumen de conceptos 122 Trminos bsicos 122 Desarrollo de competencias 123 Problemas especiales 128 Respuestas a los ejercicios de prctica 129 MISTERIO de la qumica Quin asesin a Napolen? 129 www.FreeLibros.me

11. xiiiContenido Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 131 5.1 De la fsica clsica a la teora cuntica 132 5.2 El efecto fotoelctrico 136 5.3 Teora de Bohr del tomo de hidrgeno 138 QUMICA en accin Lser: la luz esplendorosa 144 5.4 La naturaleza dual del electrn 144 QUMICA en accin Microscopia electrnica 148 5.5 Mecnica cuntica 149 5.6 Nmeros cunticos 150 5.7 Orbitales atmicos 153 5.8 Coniguracin electrnica 156 5.9 El principio de construccin 163 Ecuaciones bsicas 167 Resumen de conceptos 167 Trminos bsicos 168 Desarrollo de competencias 168 Problemas especiales 174 Respuestas a los ejercicios de prctica 175 MISTERIO de la qumica Descubrimiento del helio y el surgimiento y cada del coronio 175 Relaciones peridicas entre los elementos 177 6.1 Desarrollo de la tabla peridica 178 6.2 Clasiicacin peridica de los elementos 180 6.3 Variaciones peridicas de las propiedades fsicas 184 QUMICA en accin El tercer elemento lquido? 191 6.4 Energa de ionizacin 191 6.5 Ainidad electrnica 195 6.6 Variacin de las propiedades qumicas de los elementos representativos 198 QUMICA en accin El descubrimiento de los gases nobles 209 Ecuaciones bsicas 209 Resumen de conceptos 210 Trminos bsicos 210 Desarrollo de competencias 210 Problemas especiales 216 Respuestas a los ejercicios de prctica 216 www.FreeLibros.me

12. xiv Contenido Enlace qumico I: Conceptos bsicos 217 7.1 Smbolos de puntos de Lewis 218 7.2 Enlace inico 219 7.3 Energa reticular de los compuestos inicos 221 QUMICA en accin Cloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante 225 7.4 Enlace covalente 226 7.5 Electronegatividad 229 7.6 Escritura de las estructuras de Lewis 232 7.7 Carga formal y estructura de Lewis 235 7.8 El concepto de resonancia 238 7.9 Excepciones a la regla del octeto 241 QUMICA en accin Slo diga NO 245 Resumen de conceptos 246 Trminos bsicos 247 Desarrollo de competencias 247 Problemas especiales 251 Respuestas a los ejercicios de prctica 252 Enlace qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 253 8.1 Geometra molecular 254 8.2 Momento dipolar 264 QUMICA en accin Los hornos de microondas: el momento dipolar en accin 268 8.3 Teora de enlace valencia 268 8.4 Hibridacin de orbitales atmicos 272 8.5 Hibridacin en molculas que contienen enlaces dobles y triples 281 8.6 Teora de orbitales moleculares 284 8.7 Coniguraciones de orbitales moleculares 287 8.8 Orbitales moleculares deslocalizados 292 QUMICA en accin El buckybaln un baln cualquiera? 294 Ecuaciones bsicas 295 Resumen de conceptos 296 Trminos bsicos 296 Desarrollo de competencias 297 Problemas especiales 302 Respuestas a los ejercicios de prctica 302 www.FreeLibros.me

13. xvContenido Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 303 9.1 Teora cintica molecular de lquidos y slidos 304 9.2 Fuerzas intermoleculares 305 9.3 Propiedades de los lquidos 311 9.4 Estructura cristalina 314 QUMICA en accin Por qu los lagos se congelan desde la supercie hacia el fondo? 315 Resumen de conceptos 322 Trminos bsicos 322 Desarrollo de competencias 322 Problemas especiales 324 Respuestas a los ejercicios de prctica 324 Equilibrio qumico 325 10.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 326 10.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 328 10.3 Qu informacin proporciona la constante de equilibrio? 340 10.4 Factores que afectan el equilibrio qumico 346 QUMICA en accin La vida a grandes alturas y la produccin de hemoglobina 353 QUMICA en accin El proceso Haber 354 Ecuaciones bsicas 354 Resumen de conceptos 354 Trminos bsicos 355 Desarrollo de competencias 356 Problemas especiales 360 Respuestas a los ejercicios de prctica 360 www.FreeLibros.me

14. xvi Contenido Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 361 11.1 cidos y bases de Brnsted 362 11.2 Propiedades cido-base del agua 363 11.3 El pH: una medida de la acidez 365 11.4 Fuerza de los cidos y las bases 368 11.5 cidos dbiles y la constante de ionizacin de un cido 372 11.6 Bases dbiles y la constante de ionizacin de una base 378 11.7 Comparacin entre los equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin 380 11.8 Efecto del ion comn 380 11.9 Disoluciones amortiguadoras 384 11.10 Equilibrios de solubilidad 389 QUMICA en accin Mantenimiento del pH de la sangre 390 Ecuaciones bsicas 397 Resumen de conceptos 397 Trminos bsicos 397 Desarrollo de competencias 397 Respuestas a los ejercicios de prctica 400 MISTERIO de la qumica Un duro bocadillo 401 Electroqumica 403 12.1 Reacciones redox 404 12.2 Celdas galvnicas 407 12.3 Bateras 409 QUMICA en accin Energa bacteriana 412 Resumen de conceptos 413 Trminos bsicos 413 Desarrollo de competencias 413 Respuestas a los ejercicios de prctica 414 www.FreeLibros.me

15. xviiContenido Metalurgia y la qumica de los metales 415 13.1 Presencia de los metales 416 13.2 Procesos metalrgicos 416 13.3 Teora de las bandas de conductividad elctrica 422 13.4 Tendencias peridicas de las propiedades metlicas 424 13.5 Metales alcalinos 425 13.6 Metales alcalinotrreos 429 13.7 Aluminio 431 QUMICA en accin Reciclamiento de aluminio 434 Resumen de conceptos 434 Trminos bsicos 435 Desarrollo de competencias 436 Qumica orgnica 439 14.1 Clases de compuestos orgnicos 440 14.2 Hidrocarburos alifticos 440 14.3 Hidrocarburos aromticos 446 QUMICA en accin El hielo que se quema 447 14.4 Qumica de los grupos funcionales 449 QUMICA en accin La industria del petrleo 455 Resumen de conceptos 457 Trminos bsicos 457 Desarrollo de competencias 457 Respuestas a los ejercicios de prctica 459 MISTERIO de la qumica Desaparicin de huellas digitales 460 Apndice 1 Derivacin de los nombres de los elementos A-1 Apndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7 Apndice 3 Datos termodinmicos a 1 atm y 25C A-8 Apndice 4 Operaciones matemticas A-13 Respuestas a problemas pares R-1 ndice analtico I-1 www.FreeLibros.me

16. V ivimos tiempos de cambio y la educacin no es ajena a este proceso. Los planes de estudio de las instituciones de educacin superior se renuevan constantemente para estar a la altura de las necesidades actuales y se establecen nuevas metodologas que deben ser respaldadas con obras editoriales de calidad. Como una contribucin a esta revolucin educativa, se desarrolla esta obra, dirigida al rea bsica, cursada en las principales escuelas de ciencias e ingeniera. Aunado a lo anterior, nuestros reconocidos autores siguen ofreciendo el estilo cientico preciso y de fcil comprensin que ha caracterizado a cada una de las obras. Entre las principales caractersticas de esta serie, se pueden mencionar: Adaptacin al nuevo modelo de competencias. Ejemplos y ejercicios renovados. Utilizacin de las tecnologas de la informacin y comunicacin (TIC). Notas histricas que fundamentan los conceptos bsicos. Notacin formal de fcil accesibilidad para los alumnos. Estructura que contribuye a desarrollar un pensamiento lgico, heurstico y algortmico para modelar fenmenos y resolver problemas. Actividades encaminadas al desarrollo de competencias genricas, instrumentales, sist- micas y especicas. Joel Ibarra Instituto Tecnolgico de Toluca www.FreeLibros.me

17. M i intencin ha sido escribir un texto de qumica general que siempre ofrezca una base irme de conceptos y principios qumicos, y que inculque en los estudiantes el reconocimiento de la funcin tan vital que la qumica desempea en nuestra vida cotidiana. Es responsabilidad del autor del libro de texto ayudar tanto al estudiante como al maestro a lograr este objetivo; por eso, este libro contiene una amplia gama de temas presentados en una secuencia lgica. Siempre que ha sido posible, he intentado equilibrar la teora y la prctica, as como ilustrar los principios bsicos con ejemplos comunes. En esta edicin, mi meta ha sido crear un texto que explique con claridad conceptos abstractos, lo bastante conciso para no abrumar a los estudiantes con informacin extraa e inne- cesaria, pero lo suicientemente amplio para prepararlos para el siguiente nivel de aprendizaje. Los comentarios alentadores que he recibido de maestros y estudiantes me han convencido de la eicacia de este mtodo. Importante en esta edicin Contiene muchos problemas de inal de captulo con la representacin grica de molculas, para poner a prueba las habilidades de comprensin conceptual y razonamiento crtico del estudiante. Los problemas ms desaiantes se incluyen bajo la seccin Desarrollo de competencias. En el captulo 8 se incluyeron diagramas orbitales moleculares generados por computadora. Resolucin de problemas Desarrollar las habilidades de resolucin de problemas siempre ha sido uno de los objetivos primordiales de este texto. Las dos principales categoras de instrumentos para el aprendizaje son los ejemplos solucionados y los problemas de inal de captulo. Muchos de ellos presentan piezas adicionales de conocimiento y permiten al estudiante enfrentarse con un problema que un qumico resolvera. Los ejemplos y problemas muestran a los estudiantes el mundo real de la qumica y aplicaciones para las situaciones cotidianas. Ejemplos resueltos siguen una estrategia probada de resolucin paso por paso y su solucin. Enunciacin del problema es la presentacin de los datos necesarios para resolver el problema con base en la pregunta formulada. Estrategia es un plan o mtodo cuidadosamente diseado para tener una importante funcin didctica. Solucin es el proceso de resolver por etapas un problema determinado. Veriicacin permite al estudiante veriicar y comparar con la fuente de informacin para asegurarse de que la respuesta sea razonable. Ejercicio de prctica ofrece la oportunidad de resolver un problema similar con el in de obtener destreza en la resolucin de este tipo de problemas. La nota al margen enlista problemas similares adicionales para trabajar en la seccin de problemas al inal del captulo. www.FreeLibros.me

18. xx Prefacio Problemas de inal de captulo estn organizados de varias formas. Cada seccin com- prendida debajo de un encabezado temtico comienza con Preguntas de repaso seguidas por Problemas. La seccin de Problemas adicionales ofrece ms problemas no organizados por secciones. Por ltimo, la seccin Problemas especiales contiene problemas con un mayor grado de diicultad. Visualizacin Gricas y diagramas de lujo son importantes en ciencia. En Fundamentos de qumica, los diagramas de lujo muestran el proceso mental de un concepto y las gricas presentan datos para comprender el concepto. Representacin molecular aparece en varios formatos y tiene diferentes funciones. Los modelos moleculares ayudan a visualizar las distribuciones atmicas tridimensionales de las molculas. Finalmente, la representacin macroscpica a microscpica, ayuda a los estudiantes a comprender procesos en el nivel molecular. Fotografas ayudan a los estudiantes a familiarizarse con los qumicos y a comprender cmo se presentan realmente las reacciones qumicas. Imgenes de aparatos permiten al estudiante visualizar la distribucin real de un labora- torio qumico. Ayudas para el estudio Herramientas didcticas Fundamentos de qumica abunda en ayudas didcticas tiles que se deben usar de manera constante para reforzar la comprensin de los conceptos qumicos. Notas al margen se utilizan para dar sugerencias, pistas e informacin con el in de enri- quecer la base cognitiva del estudiante. Ejemplos resueltos junto con el Ejercicio de prctica, son una herramienta didctica muy importante para el dominio de la qumica. Los pasos para la resolucin de problemas guan al estudiante a travs del pensamiento crtico necesario para dominar esta materia. Usar esquemas lo ayudar a comprender el funcionamiento interno de un problema. Una nota al margen muestra problemas similares en la seccin de problemas al inal del captulo, lo que permite aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo. Las respuestas a los Ejercicios de prctica se presentan al inal de los problemas del captulo. Revisin de conceptos permite al estudiante evaluar si ha comprendido el concepto presentado en cada seccin. Ecuaciones bsicas se presentan dentro de cada captulo y se resaltan para captar la aten- cin del estudiante en cuanto al material que necesita comprender y recordar. Tambin se presentan como parte del resumen de cada captulo y son fcilmente identiicables para ines de repaso y estudio. Resumen de conceptos ofrece un repaso rpido de los conceptos presentados y analiza- dos a detalle dentro de cada captulo. Palabras clave son listas de todos los trminos importantes para ayudar al estudiante a comprender el lenguaje de la qumica. Ponga a prueba sus conocimientos Revisin de conceptos permite al estudiante hacer una pausa y poner a prueba su comprensin del concepto presentado y analizado en determinada seccin. www.FreeLibros.me

19. xxiPrefacio Problemas de inal de captulo permiten al estudiante poner en prctica sus habilidades de pensamiento crtico y resolucin de problemas. Los problemas se dividen en diferentes tipos: Por seccin de captulo. Desde las Preguntas de repaso que ponen a prueba la comprensin conceptual bsica, hasta los Problemas que prueban la habilidad del estudiante para la resolucin de problemas pertenecientes a esa seccin particular del captulo. Los Problemas adicionales utilizan el lenguaje obtenido de las diferentes secciones y captulos previos para su resolucin. La seccin de Problema especial contiene problemas ms difciles idneos para proyectos grupales. Relevancia prctica En todo el libro se presentan ejemplos interesantes de las diferentes manifestaciones cotidianas de la qumica. Se usan analogas para ayudar a mejorar la comprensin de conceptos qumicos abstractos. Problemas de inal de captulo presentan muchas preguntas relevantes para el estudiante. Ejemplos: Por qu en ocasiones los entrenadores de natacin vierten una gota de alcohol en el odo de los nadadores para extraer el agua? Cmo se estima la presin en un envase de refresco carbonatado antes de destaparlo? Qumica en accin son recuadros que aparecen en cada captulo y que presentan una variedad de temas, cada uno con su propia historia de la manera en que la qumica puede afectar una parte de la vida. El estudiante aprender aspectos de la ciencia del buceo y la medicina nuclear, entre muchos otros temas interesantes. Misterio qumico presenta al estudiante un caso misterioso. Varias preguntas qumicas ofrecen pistas acerca de cmo se podra resolver el misterio. Misterio qumico fomen- tar un grado de nivel de pensamiento crtico gracias a los pasos bsicos para la resolucin de problemas desarrollados a lo largo del texto. Agradecimientos Me gustara agradecer a los siguientes revisores y participantes de simposios cuyos comentarios fueron muy valiosos para m en la preparacin de esta revisin: Michael Abraham University of Oklahoma Michael Adams Xavier University of Louisiana Elizabeth Aerndt Community College of Rhode Island Francois Amar University of Maine Taweechai Amornsakchai, Mahidol University Dale E. Arrington Colorado School of Mines Mufeed M. Basti North Carolina A&T State University Laurance Beauvais San Diego State University Vladimir Benin University of Dayton Miriam Bennett San Diego State University Christine V. Bilicki Pasadena City College John J. Blaha Columbus State Community College Mary Jo Bojan Pennsylvania State University Steve Boone Central Missouri State University Timothy Brewer Eastern Michigan University Michelle M. Brooks College of Charleston Philip Brucat University of Florida John D. Bugay Kilgore College Maureen Burkhart Georgia Perimeter College William Burns Arkansas State University Stuart Burris Western Kentucky University Les Butler Louisiana State University Bindu Chakravarty Houston Community College Liwei Chen Ohio University Tom Clausen University of Alaska-Fairbanks Allen Clabo Francis Marion University Barbara Cole University of Maine W. Lin Coker III Campbell University www.FreeLibros.me

20. xxii Prefacio Darwin Dahl Western Kentucky University Erin Dahlke Loras College Gary DeBoer LeTourneau University Dawn De Carlo University of Northern Iowa Richard Deming California State University-Fullerton Gregg Dieckman University of Texas at Dallas Michael Doughty Southeastern Louisiana University Bill Durham University of Arkansas David Easter Texas State University-San Marcos Deborah Exton University of Oregon David Frank California State University-Fresno John Gelder Oklahoma State University Leanna C. Giancarlo University of Mary Washington Kenneth Goldsby Florida State University Eric Goll Brookdale Community College John Gorden Auburn University Todor Gounev University of Missouri-Kansas City Thomas Gray University of Wisconsin-Whitewater Alberto Haces Florida Atlantic University Michael Hailu Columbus State Community College Randall Hall Louisiana State University Ewan Hamilton Ohio State University at Lima Gerald Handschuh Kilgore College Michael A. Hauser St. Louis Community College Daniel Lee Heglund South Dakota School of Mines Brad Herrick Colorado School of Mines Huey Hoon HNG, Nanyang Technological University Byron E. Howell Tyler Junior College Lee Kim Hun, NUS High School of Math and Science Tara Hurt East Mississippi Community College Wendy Innis-Whitehouse University of Texas at Pan American Jongho Jun, Konkuk University Jeffrey Keaffaber University of Florida Michael Keck Emporia State University MyungHoon Kim Georgia Perimeter College Jesudoss Kingston Iowa State University Pamela Kraemer Northern Virginia Community College Bette A. Kreuz University of Michigan-Dearborn Jothi V. Kumar North Carolina A&T State University Joseph Kushick Amherst College Richard H. Langley Stephen F. Austin State University William Lavell Camden County College Daniel B. Lawson University of Michigan-Dearborn Young Sik Lee, Kyung Hee University Clifford LeMaster Ball State University Neocles Leontis Bowling Green State University Alan F. Lindmark Indiana University Northwest Teh Yun Ling, NUS High School of Maths and Science Arthur Low Tarleton State University Jeanette Madea Broward Community College Steve Malinak Washington Jefferson College Diana Malone Clarke College C. Michael McCallum University of the Paciic Lisa McCaw University of Central Oklahoma Danny McGuire Carmeron University Scott E. McKay Central Missouri State University John Milligan Los Angeles Valley College Jeremy T. Mitchell-Koch Emporia State University John Mitchell University of Florida John T. Moore Stephan F. Austin State University Bruce Moy College of Lake County Richard Nafshun Oregon State University Jim Neilan Volunteer State Community College Glenn S. Nomura Georgia Perimeter College Frazier Nyasulu Ohio University MaryKay Orgill University of Nevada-Las Vegas Jason Overby College of Charleston M. Diane Payne Villa Julie College Lester L. Pesterield Western Kentucky University Richard Petersen University of Memphis Joanna Piotrowska Normandale Community College Amy Pollock Michigan State University-East Lansing William Quintana New Mexico State University Edward Quitevis Texas Tech University Jeff Rack Ohio University Lisa Reece Ozarks Technical Community College Michelle Richards-Babb West Virginia University Jim D. Roach Emporia State University Rojrit Rojanathanes, Chulalongkorn University Steve Rowley Middlesex County College Kresimir Rupnik Louisiana State University Somnath Sarkar Central Missouri State University Jerry Sarquis Miami University Susan Scheble Metropolitan State College of Denver Raymond Scott University of Mary Washington Thomas Selegue Pima Community College Sheila R. Smith University of Michigan-Dearborn David Speckhard Loras College Rick Spinney Ohio State University David Son Southern Methodist University Larry O. Spreer University of the Paciic www.FreeLibros.me

21. xxiiiPrefacio Shane Street University of Alabama Satoshi Takara University of Hawaii Kimberly Trick University of Dayton Bridget Trogden Mercer University Cyriacus Uzomba Austin Community College John B. Vincent University of Alabama Thomas Webb Auburn University Lyle Wescott University of Mississippi Wayne Wesolowski University of Arizona Ken Williams Francis Marion University W.T. Wong, The University of Hong Kong Troy Wood University of Buffalo Gloria A. Wright Central Connecticut State University Stephanie Wunder Temple University Christine Yerkes University of Illinois Timothy Zauche University of Wisconsin-Platteville William Zoller University of Washington Tambin agradezco a las siguientes personas por todos sus comentarios y sugerencias: Mufeed Basti North Carolina A&T Ken Goldsby Florida State University John Hagen California Polytechnic University Joseph Keane Muhlenberg College Richard Nafshun Oregon State University Michael Ogawa Bowling Green State University Jason Overby College of Charleston John Pollard University of Arizona William Quintana New Mexico State University Troy Wood University of Buffalo Kim Woodrum University of Kentucky Tambin me gustara agradecer al doctor Enrique Peacock-Lopez y Desire Gijima por los diagramas orbitales generados por computadora del captulo 8. Como siempre, me he beneiciado de las discusiones con mis colegas del Williams Colle- ge y de la correspondencia con los profesores de ah y del extranjero. Es un placer agradecer el apoyo que me han otorgado los siguientes miembros de la di- visin de Higher Education de McGraw-Hill: Tammy Ben, Doug Dinardo, Chad Grall, Kara Kudronowicz, Mary Jane Lampe, Marty Lange, Michael Lange, Kent Peterson y Kurt Strand. En particular, me gustara mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la produccin, a David Hash por el diseo del libro, a John Leland por la investigacin fotogrica, a Daryl Brulodt y Judi David por el formato multimedia y a Todd Turner, gerente de marketing, por sus sugerencias y aliento. Vaya tambin mi agradecimiento a mis editores comerciales Tami Hodge y Thomas Timp, por sus consejos y ayuda. Por ltimo, mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, la editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasmo en el proyecto, y la supervisin en cada etapa de la elaboracin de esta edicin. Fundamentos de qumica es una adaptacin del libro Qumica, dcima edicin, de Chang, el cual se beneici con la revisin tcnica de los siguientes profesores: Rodolfo lvarez Manzo, Departamento de Qumica Orgnica, Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Silvia Ponce Lpez, Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores, de Monterrey, Campus Monterrey. Rosa Zugazagoitia Herranz, Universidad Autnoma Metropolitana, Unidad Xochimilco. www.FreeLibros.me

22. L a qumica general suele considerarse como una materia ms difcil que las dems. En cierto sentido esto es justiicable por una razn: la qumica tiene un vocabulario muy especializado. En primer lugar, estudiar qumica es como aprender un nuevo idioma. Adems, algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es perseverante completar este curso exitosamente y hasta es posible que lo disfrute.Aqu le presento algunas sugerencias que lo ayudarn a formar buenos hbitos de estudio y a dominar el material de este libro. Asista regularmente a clases y tome apuntes detallados. Si es posible, repase a diario los apuntes de los temas que se cubrieron ese da en clase. Utilice su libro para complementar sus notas. Pensamiento crtico. Pregntese si realmente comprendi el signiicado de un trmino o el uso de una ecuacin. Una buena forma de probar lo que ha aprendido es explicar un concepto a un compaero de clases o a otra persona. No dude en pedir ayuda al maestro o a su asistente. Las herramientas de esta edicin de Fundamentos de qumica estn diseadas para permitirle aprovechar mejor su curso de qumica general. La siguiente gua explica cmo obtener el mayor provecho del texto, la tecnologa y otras herramientas. Al inal de cada captulo, encontrar un resumen de conceptos, ecuaciones bsicas y una lista de trminos clave, todo lo cual le servir como un repaso para los exmenes. Los trminos clave estn acompaados de la pgina donde aparecen, de manera que pue- da remitirse al captulo y estudie su contexto. Un estudio detallado de los ejemplos solucionados en cada captulo mejorar su capacidad para analizar problemas y hacer los clculos necesarios para resolverlos. Tambin, tmese el tiempo para resolver el ejercicio de prctica que sigue a cada ejemplo y aseg- rese de que ha entendido cmo resolver el tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios de prctica aparecen al inal de cada captulo, despus de la lista de problemas. Como prctica adicional, puede recurrir a problemas similares como los que aparecen al margen del ejemplo. Las preguntas y problemas al inal del captulo estn organizados por secciones. En el ndice podr encontrar rpidamente conceptos cuando est resolviendo problemas o estudiando temas relacionados en diferentes captulos. Si sigue estas sugerencias y cumple asiduamente con sus tareas, encontrar que la qumica es una materia desaiante, pero menos difcil y mucho ms interesante de lo que esperaba. Raymond Chang www.FreeLibros.me

23. Qumica El estudio del cambio Un globo lleno de hidrgeno explota al calentarlo con una lama. El hidrgeno gaseoso reacciona con el oxgeno que est en el aire para formar vapor de agua. La qumica es el estudio de las propiedades de la materia y de los cambios que sta experimenta. Los modelos muestran las molculas de hidrgeno, oxgeno y agua. www.FreeLibros.me

24. 2 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio 1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi La qumica es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos bsicos de qumica son indis- pensables para los estudiantes de biologa, fsica, geologa, ecologa y muchas otras discipli- nas. De hecho, la qumica es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sera ms breve en lo que llamaramos condiciones primitivas, sin automviles, electricidad, computadoras, discos compactos y muchas otras comodidades modernas. Aunque la qumica es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo xix, cuando los adelantos intelectuales y tecnolgicos permitieron que los cienticos separaran sustancias en sus componentes y, por tanto, explicaran muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El desarrollo acelerado de tecnologa cada vez ms reinada durante el siglo xx nos brind medios cada vez mayores para estudiar lo que es inapreciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los qumicos analicen la estructura de los tomos y las molculas (las unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la qumica) y diseen nuevas sustancias con propiedades especicas, como frmacos y productos de consumo no contaminantes. En este principio del siglo xxi conviene preguntarnos qu funcin tendr la ciencia central en esta centuria. Es casi indudable que la qumica mantendr una funcin fundamental en todas las reas de la ciencia y la tecnologa. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformacin, consideremos algunas fronteras que los qumicos exploran actualmente (igura 1.1). Sin importar las razones por las que tome un curso de introduccin a la qumica, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitir apreciar sus efectos en la sociedad y en usted. Salud y medicina Tres logros importantes en el siglo xx han permitido la prevencin y tratamiento de enfermedades. Se trata de medidas de salud pblica que establecieron sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la ciruga con anestesia, que ha posibilitado a los mdicos curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibiticos, que hicieron factible la prevencin de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia gnica al parecer ser la cuarta revolucin en la medicina. (Los genes son la unidad bsica de la herencia.) Se cuentan por miles las enfermedades conocidas, entre ellas la ibrosis qustica y la hemoilia, ocasionadas por un dao heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cncer, enfermedades cardiacas, sida y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o ms genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia gnica se inserta un gen sano especico en las clulas del paciente para curar o aminorar esos trastornos. A in de ejecutar esos procedimientos, el mdico debe tener conocimientos slidos de las propiedades qumicas de los componentes moleculares implicados. La descodiicacin del genoma humano, que com- prende todo el material gentico de nuestro organismo y desempea una funcin esencial en la terapia gnica, se basa principalmente en tcnicas qumicas. Los qumicos de la industria farmacutica investigan frmacos potentes con pocos o nulos efectos adversos para el tratamiento del cncer, sida y muchas otras enfermedades, adems de frmacos para aumentar el nmero de trasplantes exitosos de rganos. En una escala ms amplia, mejorar nuestra comprensin sobre el mecanismo del envejecimiento permitir lograr esperanza de vida ms prolongada y saludable para los habitantes del planeta. Energa y ambiente La energa es un producto secundario de muchos procesos qumicos, y al continuar el aumento en su demanda, tanto en pases industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en nacio- El ideograma chino para el trmino qumica signica el estudio del cambio. www.FreeLibros.me

25. 31.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi nes en vas de desarrollo, como China, los qumicos intentan activamente encontrar nuevas fuentes de energa. En la actualidad, las principales fuentes de energa son los combustibles fsiles (carbn, petrleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarn otros 50 a 100 aos con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas. La energa solar al parecer es una fuente viable de energa para el futuro. Cada ao, la supericie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energa contenida en todas las reservas conocidas de carbn, petrleo, gas natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energa se desperdicia al relejarse hacia el espacio exterior. En los ltimos 30 aos, las intensas actividades de investigacin han mostrado que la energa solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversin directa en electricidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrgeno a partir del agua. Luego, el hidrgeno alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado adelantos en los conocimientos del proceso cientico de conversin de la energa solar en electricidad, la tecnologa todava no ha mejorado al punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y con costo econmicamente aceptable. Sin embargo, se ha predicho que para el ao 2050 la energa solar satisfar ms de 50% de las necesidades energticas. Otra posible fuente de energa es la isin nuclear, si bien el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos y otros pases es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre los desechos radiactivos de los procesos de isin. Los qumicos pueden ayudar en el mejo- Figura 1.1 a) Salida de datos de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada lnea muestra una secuencia obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas fotovoltaicas. c) Oblea de silicio en fabricacin. d) La hoja de la izquierda se tom de una planta de tabaco no sometida a ingeniera gentica y expuesta a la accin del gusano del tabaco. La hoja de la derecha s fue sometida a ingeniera gentica y apenas la atacaron los gusanos. Es factible aplicar la misma tcnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas. a) c) b) d) www.FreeLibros.me

26. 4 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio ramiento del destino inal de los desechos nucleares. La fusin nuclear, el proceso que ocurre en el Sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energa sin producir muchos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusin nuclear se convierta en una fuente signiicativa de energa. La produccin y utilizacin de la energa se relacionan estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fsiles es que se produce dixido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el calentamiento de la atmsfera terrestre), adems de dixido de azufre y xidos de nitrgeno, que producen la lluvia cida y el esmog. (El aprovechamiento de la energa solar no tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automviles eicientes en el consumo de combustibles y de convertidores catalticos ms efectivos debe permitir una reduccin considerable de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmsfera en las reas con trnsito vehicular intenso. Adems, debe aumentar el uso de automviles elctricos equipados con bateras duraderas y de automviles hbridos, alimentados por bateras y gaso- lina, lo que ayudar a minimizar la contaminacin atmosfrica. Materiales y tecnologa La investigacin y el desarrollo de la qumica en el siglo xx han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a la tecnologa de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son los polmeros (incluidos el caucho y el nailon), la cermica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales lquidos (como los de las pantallas electrnicas), los adhesivos (como los usados en notas adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de ltex). Qu nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que no son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energa elctrica se pierde en forma de calor entre la planta generadora de electricidad y los hogares u oicinas, lo que constituye un desperdicio enorme. Los superconductores son materiales desprovistos de resistencia elctrica, y por tanto conducen la electricidad sin prdida de energa. Aunque el fenmeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (ms de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelacin del agua) se ha conocido durante ms de 90 aos, un adelanto importante a mediados del decenio de 1980 revel que es posible fabricar materiales que acten como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de ella. Los qumicos han ayudado en el diseo y sntesis de nuevos materiales promisorios en dicha bsqueda. En los 30 aos siguientes, veremos la aplicacin en gran escala de superconductores a altas temperaturas en la resolucin de imgenes por resonancia magntica (IRM), trenes de levitacin magntica y fusin nuclear. Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnolgico que ha conformado nuestras vidas ms que ningn otro, habra que sealar a las computadoras. El motor que impulsa la revolucin de las computadoras es el microprocesador, el diminuto chip de silicio que ha servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras porttiles y aparatos de fax. La eiciencia de los microprocesadores se juzga segn la velocidad con la que realizan operaciones matemticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal que desde su advenimiento se ha duplicado la velocidad de los microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para agregar la cantidad ne- cesaria de otras sustancias, situacin en que los qumicos desempean una funcin importante en la investigacin y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los cienticos empezarn a explorar las perspectivas de la computacin molecular, es decir, la sustitucin del silicio con molculas. Las ventajas radican en que puede lograrse que ciertas molculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendran computadoras pticas, no electrnicas. Con base en la ingeniera gentica apropiada, los cienticos pueden sintetizar esas molculas con microorganismos, que sustituiran a grandes fbricas. Las computadoras pticas tambin tendran una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las electrnicas. www.FreeLibros.me

27. 51.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi Alimentos y agricultura Cmo alimentar a la creciente poblacin mundial? En pases pobres, casi 80% de la fuerza laboral se dedica a la produccin agrcola y la mitad del presupuesto familiar promedio se gasta en alimentos. Ello constituye una carga enorme para los recursos de esas naciones. Los factores que afectan la produccin agrcola son la riqueza del suelo, los insectos y enfermedades que daan los cultivos, y otras plantas que compiten por los nutrientes. Adems de la irrigacin, los agricultores recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el tratamiento de los cultivos infestados por plagas ha consistido a veces en la aplicacin indiscriminada de compuestos qumicos potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos nocivos graves en el ambiente. Inclusive el uso excesivo de fertilizantes es daino para el suelo, el agua y el aire. A in de satisfacer la demanda de alimentos en el siglo xxi, deben idearse estrategias novedosas para la actividad agrcola. Se ha demostrado ya que con la biotecnologa es posible obtener cultivos ms abundantes y de mejor calidad. Estas tcnicas se han aplicado a muchos productos agrcolas, no slo para mejorar su produccin, sino tambin para obtener ms cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una protena txica para las orugas que comen hojas. La inclusin del gen que codiica la toxina en las plantas cultivadas les brinda proteccin contra ellas, de modo que no se requieran los pesticidas. Los investigadores tambin han encontrado la forma de prevenir la reproduccin de las plagas de insectos. Los insectos se comunican entre s al emitir molculas especiales, llamadas feromonas, ante las cuales reaccionan. La identiicacin y la sntesis de feromonas implicadas en el apareamiento permiten interferir en el ciclo reproductivo normal de plagas comunes, por ejemplo, al inducir el apareamiento reproductivo prematuro de los insectos o engaar a las hembras para que copulen con machos estriles. En adicin, los qumicos pueden idear formas de aumentar la produccin de fertilizantes menos dainos para el ambiente y sustancias que eliminen selectivamente las hierbas nocivas. Foto de alguna galaxia distante, incluyendo la posicin de un quasar. El helio primordial y la teora del Big Bang De dnde venimos? Cmo se origin el universo? Los seres humanos nos hemos hecho estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La bsqueda de respuestas constituye un ejemplo del mtodo cientico. En el decenio de 1940, el fsico ruso-estadounidense George Gamow plante la hiptesis de que el universo se inici miles de millones de aos atrs con una explosin gi- gantesca, el Big Bang. En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen diminuto y su temperatura era ms alta de lo imaginable. Esta brillante bola de fuego de radiacin mezclada con partculas microscpicas de materia se enfri gradualmente, hasta que se formaron los tomos. Por la inluencia de la fuerza de gravedad, estos tomos se agru- paron para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Va Lctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provoca- tivo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas Q U M I C A en accin www.FreeLibros.me

28. 6 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio 1.2 Clasiicacin de la materia Al principio del captulo deinimos la qumica como el estudio de la materia y los cambios que experimenta. La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La materia incluye lo que podemos ver y tocar (como el agua, la tierra y los rboles) y lo que no podemos ver ni tocar (como el aire). As pues, todo en el universo tiene una conexin qumica. Los qumicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composicin y propiedades. La clasiicacin de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, adems de los tomos y molculas, que estudiaremos en el captulo 2. Sustancias y mezclas Una sustancia es una forma de materia que tiene composicin deinida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azcar de mesa (sacarosa), oro y oxgeno. Las sustancias diieren entre s por su composicin y se pueden identiicar segn su aspecto, color, sabor y otras propiedades. Una mezcla es una combinacin de dos o ms sustancias en la que stas conservan sus propiedades. Algunos ejemplos familiares de ello son el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no poseen composicin constante. Por tanto, las muestras de aire obtenidas en distintas ciudades probablemente diferirn en su composicin a causa de diferen- cias de altitud, contaminacin atmosfrica, etctera. Las mezclas pueden ser homogneas o heterogneas. Cuando se disuelve una cucharada de azcar en agua, se obtiene una mezcla homognea, en la que la composicin de la mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar arena con virutas de hierro, tanto una como las otras se maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo est en expansin, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento explosivo del universo. Al imaginar tal expansin en retroceso, como cuando se rebobina una pelcula, los astrnomos han deducido que el universo se inici hace unos 13 000 millones de aos. La segunda observacin que sustenta la hiptesis de Gamow es la deteccin de radiacin csmica de fondo. A lo largo de miles de millones de aos, el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, 2270C)! A esta temperatura, gran parte de la energa corresponde a la regin de microondas. Puesto que el Big Bang habra ocurrido simultneamente en todo el diminuto volumen del universo en formacin, la radiacin que gener debe haber llenado todo el universo. As pues, la radiacin debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las seales de microondas que registran los astrnomos son independientes de la direccin. El tercer dato que sustenta la hiptesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordial. Los cienticos piensan que el helio y el hidrgeno (los elementos ms ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolucin csmica. (Se cree que otros elementos ms pesa- dos, como el carbono, nitrgeno y oxgeno, se formaron ms adelante por reacciones nucleares en las que participaron el hidrgeno y el helio, en el centro de las estrellas.) De ser as, un gas difuso formado por hidrgeno y helio se habra diseminado por todo el universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los astrnomos que analizaron la luz ultravioleta proveniente de un lejano quasar (poderosa fuente de luz y de seales de radio que se considera como una galaxia en explosin en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los tomos de helio en su trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en cuestin dista de nuestro planeta ms de 10 000 millones de aos luz (un ao luz es la distancia que recorre la luz en un ao), la luz que llega a la Tierra corresponde a fenmenos que ocurrieron hace ms de 10 000 millones de aos. Por qu el hidrgeno no fue el elemento ms abundante que se detect? El tomo de hidrgeno tiene un solo electrn, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionizacin. Los tomos de hidrgeno ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el tomo de helio tiene dos electrones. La radiacin puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los tomos de helio ionizados todava absorben luz y, por tanto, son detectables. Los defensores de la explicacin de Gamow se regoci- jaron ante la deteccin de helio en los conines distantes del universo. En reconocimiento de todos los datos sustentado- res, los cienticos ahora se reieren a la hiptesis de Gamow como teora del Big Bang. www.FreeLibros.me

29. 71.2 Clasiicacin de la materia mantienen separadas (igura 1.2). En tal caso, se habla de una mezcla heterognea porque su composicin no es uniforme. Cualquier mezcla, sea homognea o heterognea, se puede formar y luego separar por medios fsicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes. As pues, el azcar se puede recuperar de una disolucin acuosa al calentar esta ltima y evaporarla por completo. La condensacin del vapor permite recuperar el agua. En cuanto a la separacin de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imn para separar las virutas de hierro, ya que el imn no atrae a la arena misma [igura 1.2b)]. Despus de la separacin, los componentes de la mezcla tendrn la misma composicin y propiedades que al principio. Elementos y compuestos Las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un elemento es una sustancia que no se puede separar en otras ms sencillas por medios qumicos. Hasta la fecha se han identiicado 117 elementos. La mayora de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios cienticos mediante procesos nucleares. a) b) Figura 1.2 a) La mezcla contiene virutas de hierro y arena. b) Un imn permite separar las virutas de hierro de la mezcla. Esta misma tcnica se usa en mayor escala para separar hierro y acero de objetos no magnticos, como aluminio, vidrio y plsticos. TABLA 1.1 Algunos elementos comunes y sus smbolos Nombre Smbolo Nombre Smbolo Nombre Smbolo Aluminio Al Cromo Cr Oro Au Arsnico As Estao Sn Oxgeno O Azufre S Flor F Plata Ag Bario Ba Fsforo P Platino Pt Bismuto Bi Hidrgeno H Plomo Pb Bromo Br Hierro Fe Potasio K Calcio Ca Magnesio Mg Silicio Si Carbono C Manganeso Mn Sodio Na Cloro Cl Mercurio Hg Tungsteno W Cobalto Co Nquel Ni Yodo I Cobre Cu Nitrgeno N Zinc Zn www.FreeLibros.me

30. 8 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio Mezclas homogneas Mezclas Separacin por mtodos qumicos Separacin por mtodos fsicos Materia Sustancias puras Mezclas heterogneas Compuestos Elementos Figura 1.3 Clasicacin de la materia. Por conveniencia, los qumicos usan smbolos de una o dos letras para representar a los elementos. La primera letra del smbolo siempre es mayscula, no as la letra siguiente. Por ejemplo, Co es el smbolo del elemento cobalto, en tanto que CO es la frmula de la molcula monxido de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y smbolos de algunos de los elementos ms comunes. Los smbolos de algunos elementos se derivan de su nombre en latn, por ejemplo, Au de aurum (oro), Fe de ferrum (hierro) y Na de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre en ingls. En el apndice 1 se incluye una lista del origen de los nombres de los elementos y de los cienticos que los descubrieron. Los tomos de muchos elementos pueden interactuar entre s para formar compuestos. Por ejemplo, la combustin del hidrgeno gaseoso con el oxgeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades diieren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrgeno por una de oxgeno. Esta composicin no se modiica, sin importar que el agua provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en Mongolia o de las capas de hielo de Marte. As pues, el agua es un compuesto, o sea, una sustancia formada por tomos de dos o ms elementos unidos qumicamente en proporciones ijas. A diferencia de las mezclas, los compuestos slo se pueden separar en sus componentes puros por medios qumicos. Las relaciones entre los elementos, compuestos y otras categoras de materia se resumen en la igura 1.3. Revisin de conceptos Cul de los siguientes diagramas representa elementos y cul representa compuestos? Cada esfera (o esfera truncada) representa a un tomo. a) c)b) d) www.FreeLibros.me

31. 91.3 Los tres estados de la materia 1.3 Los tres estados de la materia Al menos en principio, todas las sustancias pueden existir en tres estados: slido, lquido y gaseoso. Como se muestra en la igura 1.4, los gases diieren de los lquidos y slidos en la distancia que media entre las molculas. En un slido, las molculas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa libertad de movimiento. Las molculas de un lquido estn cerca unas de otras, sin que se mantengan en una posicin rgida, por lo que pueden moverse. En un gas, las molculas estn separadas entre s por distancias grandes en comparacin con el tamao de las molculas mismas. Son posibles las conversiones entre los tres estados de la materia sin que cambie la composicin de la sustancia. Al calentar un slido (por ejemplo, el hielo) se funde y se transforma en lquido (agua). (La temperatura en la que ocurre esa transicin se denomina punto de fusin.) Su calentamiento adicional convierte al lquido en gas. (Esta conversin sobreviene en el punto de ebullicin del lquido.) Por otra parte, el enfriamiento de un gas hace que se condense en la forma de lquido. Al enfriar adicionalmente este lquido, se congela a su forma slida. Los tres estados de la materia se muestran en la igura 1.5. Advierta que las propiedades del agua son nicas entre las sustancias comunes, ya que las molculas en su estado lquido estn ms cerca unas de otras que en el estado slido. Figura 1.4 Representacin microscpica de un slido, un lquido y un gas. Figura 1.5 Los tres estados de la materia. Un lingote caliente transforma el hielo en agua y luego en vapor de agua. Slido Lquido Gas www.FreeLibros.me

32. 10 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio Combustin del hidrgeno en el aire para formar agua. Revisin de conceptos Un cubo de hielo se coloc en un recipiente cerrado. Cuando se calienta, el cubo de hielo primero se derrite y despus el agua hierve hasta formar vapor. Cul de los siguientes enunciados es verdadero? a) La apariencia fsica del agua es diferente en cada etapa de cambio. b) La masa de agua es la mayor para el cubo de hielo y la menor para el vapor. 1.4 Propiedades fsicas y qumicas de la materia Se identiican las sustancias por sus propiedades y su composicin. El color, punto de fusin y punto de ebullicin son propiedades fsicas. Una propiedad fsica se puede medir y observar sin que se modiique la composicin o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible medir el punto de fusin del hielo al calentar un bloque de hielo y registrar la temperatura en la que se convierte en agua. El agua diiere del hielo slo en su aspecto, no en su composicin, de modo que se trata de un cambio fsico; es posible congelar el agua para obtener de nuevo hielo. De esta manera, el punto de fusin de una sustancia es una propiedad fsica. De manera similar, cuando se airma que el helio gaseoso es ms ligero que el aire se hace referencia a una propiedad fsica. Por otra parte, la aseveracin: el hidrgeno se quema en presencia de oxgeno para formar agua, describe una propiedad qumica del hidrgeno, ya que a in de observar esta propiedad debe ocurrir un cambio qumico, en este caso, la combustin. Despus del cambio, desaparece la sustancia qumica original, el hidrgeno, y slo queda otra sustancia qumica distinta, el agua. Es imposible recuperar el hidrgeno a partir del agua mediante un cambio fsico, como la ebullicin o congelacin. Cada vez que se cuece un huevo, ocurre un cambio qumico. Cuando se someten a temperaturas cercanas a 100C, la yema y la clara experimentan cambios que no slo modiican su aspecto fsico, sino tambin su composicin qumica. Despus, al comerse, el huevo se modiica de nuevo, por efecto de sustancias del cuerpo humano llamadas enzimas. Esta accin digestiva es otro ejemplo de un cambio qumico. Lo que ocurre durante la digestin depende de las propiedades qumicas de las enzimas y los alimentos. Todas las propiedades mensurables de la materia corresponden a una de dos categoras adicionales: propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de una propiedad extensiva depende de la cantidad de materia que se considere. La masa, que es la cantidad de materia en una muestra dada de una sustancia, es una propiedad extensiva. Ms materia signiica ms masa. Los valores de una misma propiedad extensiva pueden sumarse. Por ejemplo, dos monedas de cobre tienen la misma masa combinada que la suma de las masas de cada moneda, en tanto que la longitud de dos canchas de tenis es la suma de las longitudes de ambas canchas. El volumen, que se deine como la longitud elevada al cubo, es otra propiedad extensiva. El valor de una cantidad extensiva depende de la cantidad de materia. El valor medido de una propiedad intensiva no depende de cunta materia se considere. La densidad, que se deine como la masa de un objeto dividida entre su volumen, es una propiedad intensiva. Tambin lo es la temperatura. Suponga que se tienen dos matraces llenos de agua que estn a la misma temperatura. Si se combinan para tener un solo volumen de agua en un matraz ms grande, la temperatura de este mayor volumen de agua ser la misma que en los dos matraces separados. A diferencia de la masa, longitud y volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas. www.FreeLibros.me

33. 11Desarrollo de competencias Revisin de conceptos El diagrama en a) muestra un compuesto integrado por tomos de dos elementos (representados por las esferas en color y grises) en estado lquido. Cul de los diagramas en b) a d) representa un cambio fsico y cul un cambio qumico? a) c)b) d) Clasiicacin y propiedades de la materia Preguntas de repaso 1.1 Indique un ejemplo de cada uno de los trminos siguientes: a) materia; b) sustancia, c) mezcla. 1.2 Seale un ejemplo de mezcla homognea y otro de mezcla heterognea. 1.3 Use ejemplos para explicar la diferencia entre propiedades fsicas y qumicas. 1.4 En qu diiere una propiedad extensiva de una intensiva? Indique cules de las propiedades siguientes son intensivas y cules extensivas: a) longitud; b) volumen; c) temperatura, d) masa. 1.5 Seale ejemplos de un elemento y de un compuesto. En qu se distinguen los elementos de los compuestos? 1.6 Cul es el nmero de elementos conocidos? Problemas 1.7 Indique si cada una de las airmaciones siguientes describe una propiedad fsica o una qumica: a) El oxgeno gaseoso permite la combustin. b) Los fertilizantes ayudan a incrementar la produccin agrcola. c) El agua hierve a menos de 100C en la cima de una montaa. d) El plomo es ms denso que el aluminio. e) El uranio es un elemento radiactivo. 1.8 Seale si cada una de las airmaciones siguientes describe un cambio fsico o un cambio qumico: a) El helio gaseoso contenido en el interior de un globo tiende a escapar despus de unas cuantas horas. b) Un rayo de luz tiende a atenuarse y inalmente desaparecer. c) El jugo de naranja congelado se reconstituye al aadirle agua. d) El creci- miento de las plantas depende de la energa solar en un proceso llamado fotosntesis. e) Una cucharada de sal de mesa se disuelve en un plato de sopa. 1.9 Indique los nombres de los elementos representados con los smbolos qumicos Li, F, P, Cu, As, Zn, Cl, Pt, Mg, U, Al, Si, Ne. (Vea la tabla 1.1 y la segunda de forros de este texto.) 1.10 Seale los smbolos qumicos de los elementos siguientes: a) potasio; b) estao; c) cromo; d) boro; e) bario; f ) plutonio; g) azufre; h) argn, i) mercurio. (Vea la tabla 1.1.) 1.11 Clasiique cada una de las sustancias siguientes como elemento o compuesto: a) hidrgeno; b) agua; c) oro, d) azcar. 1.12 Clasiique cada uno de los siguientes como elemento, compuesto, mezcla homognea o mezcla heterognea: a) agua salada; b) helio gaseoso; c) cloruro de sodio (sal de mesa); d) una botella de refresco; e) una malteada; f ) aire en una botella, g) concreto. Problemas adicionales 1.13 Proporcione una airmacin cuantitativa y otra cualitativa acerca de cada una de las siguientes sustancias: a) agua; b) carbono; c) hierro; d) hidrgeno gaseoso; e) sacarosa azcar de caa); f ) sal de mesa (cloruro de sodio); g) mercurio; h) oro, i) aire. 1.14 Indique cules de las airmaciones siguientes describen propiedades fsicas y cules propiedades qumicas: a) el hierro tiende a oxidarse; b) el agua pluvial de regiones industrializadas tiende a ser cida; c) las molculas de hemoglobina son de color rojo; d) cuando se deja un vaso con agua al sol, el agua desaparece gradualmente, e) durante la fotosntesis las plantas convierten el dixido de carbono de la atmsfera en molculas ms complejas. Desarrollo de competencias www.FreeLibros.me

34. 12 CAPTULO 1 Qumica: El estudio del cambio M I S T E R I O D E L A qumica Los dinosaurios predominaron en la Tierra durante millones de aos y luego desaparecieron repentina- mente. A in de resolver este misterio, los paleontlogos estudiaron fsiles y esqueletos encontrados en las rocas de diversas capas de la corteza terrestre. Sus descubrimientos les permitieron identiicar especies que existieron en el planeta durante periodos geolgicos especicos. Adems, revelaron la ausencia de esqueletos de dinosaurios en las La desaparicin de los dinosaurios Problemas especiales 1.15 Un qumico del siglo xix prepar una sustancia desconocida. En trminos generales, piensa usted que sera ms difcil demostrar que se trata de un compuesto o de un elemento? Explique su repuesta. 1.16 Suponga que se le proporciona un lquido. Describa bre- vemente los pasos que realizara para demostrar que se trata de una sustancia pura o de una mezcla homognea. www.FreeLibros.me

35. rocas formadas inmediatamente despus del periodo Cret- cico, que data de hace 65 millones de aos. Por tanto, se supone que los dinosaurios se extinguieron hace 65 millones de aos. Entre las muchas hiptesis planteadas para explicar su desaparicin, se cuentan alteraciones de la cadena alimen- taria y un cambio brusco del clima resultante de erupciones volcnicas violentas. Sin embargo, no se tenan datos con- vincentes en favor de ninguna hiptesis sino hasta 1977. Fue entonces cuando un grupo de paleontlogos que traba- jaba en Italia obtuvo algunos datos desconcertantes en un sitio cercano a Gubbio. El anlisis qumico de una capa de arcilla depositada por arriba de sedimentos formados durante el periodo Cretcico (y, por tanto, una capa que registra lo ocurrido despus de ese periodo) mostr un contenido sorprendentemente alto del elemento iridio (Ir), poco comn en la corteza terrestre y comparativamente abundante en asteroides. Esa investigacin llev a la hiptesis de que la extincin de los dinosaurios ocurri como sigue. A in de explicar la cantidad de iridio encontrada, los cienticos plantearon que un gran asteroide, de varios kilmetros de dimetro, impact la Tierra en la poca de la desaparicin de los dinosaurios. Dicho impacto debe haber sido tan fuerte que literalmente vaporiz una gran cantidad de rocas, suelo y otros objetos circundantes. El polvo y desechos resultantes lotaron en la atmsfera y bloquearon la luz solar durante meses o quizs aos. A falta de luz solar abundante, muchas de las plantas no pudieron crecer, y el registro fsil conirma que, de hecho, muchos tipos de plantas se extinguieron en esa poca. De tal suerte, por supuesto que muchos animales herbvoros perecieron y, a su vez, los carnvoros sufrieron hambre. La carencia de fuentes de ali- mento al parecer afectaba a los grandes animales, que nece- sitaban grandes volmenes de comida, ms rpida y notablemente que a los animales ms pequeos. As pues, los enormes dinosaurios, de los cuales el ms grande habra pesado hasta 30 toneladas, desaparecieron a falta de ali- mento. Indicios qumicos 1. De qu manera el estudio de la extincin de los dinosaurios ilustra el mtodo cientico? 2. Plantee dos maneras en las que podra comprobar la hiptesis de la colisin del asteroide. 3. En su opinin, se justiica referirse a la explicacin del asteroide como la teora de la extincin de los dinosaurios? 4. La informacin disponible hace pensar que casi 20% de la masa del asteroide se convirti en polvo y se distribuy uniformemente sobre la Tierra despus de descender de la atmsfera superior. La cantidad de polvo fue de casi 0.02 g/cm2 de la supericie terrestre. Es muy probable que el asteroide haya tenido una densidad cercana a 2 g/cm3 . Calcule la masa (en kilogra- mos y en toneladas) del asteroide y su radio en metros, en el supuesto de que era una esfera. (El rea de la Tierra es de 5.1 3 1014 m2 ; 1 lb = 453.6 g.) (Fuente: Consider a Spherical CowA Course in Environmen- tal Problem Solving, de J. Harte, University Science Books, Mill Valley, CA 1988. Con autorizacin.) 13Misterio de la qumica www.FreeLibros.me

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37. Imgenes de la emisin radiactiva del radio (Ra). Los modelos muestran el ncleo del radio y los productos de su descomposicin radiactiva: radn (Rn) y una partcula alfa, la cual tiene dos protones y dos neutrones. El estudio de la radiactividad ayud a mejorar el conocimiento de los cienticos acerca de la estructura atmica. tomos, molculas y iones www.FreeLibros.me

38. 16 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones 2.1 Teora atmica En el siglo v a.C., el ilsofo griego Demcrito expres la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partculas pequeas e indivisibles que llam tomos (que signiica in- destructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demcrito no fue aceptada por muchos de sus contemporneos (entre ellos Platn y Aristteles), sta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones cienticas apoyaron el concepto del atomismo, lo que condujo, de manera gradual, a las deiniciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, el cientico ingls, profesor John Dalton,1 formul una deinicin precisa de las unidades indivisibles con las que est formada la materia y que llamamos tomos. El trabajo de Dalton marc el principio de la era de la qumica moderna. Las hiptesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teora atmica de Dalton, pueden resu- mirse como sigue: 1. Los elementos estn formados por partculas extremadamente pequeas llamadas tomos. 2. Todos los tomos de un mismo elemento son idnticos, tienen igual tamao, masa y propiedades qumicas. Los tomos de un elemento son diferentes a los tomos de todos los dems elementos. 3. Los compuestos estn formados por tomos de ms de un elemento. En cualquier compuesto, la relacin del nmero de tomos entre dos de los elementos presentes siempre es un nmero entero o una fraccin sencilla. 4. Una reaccin qumica implica slo la separacin, combinacin o reordenamiento de los tomos; nunca supone la creacin o destruccin de los mismos. En la igura 2.1 se muestra una representacin esquemtica de las tres ltimas hiptesis. El concepto de Dalton sobre un tomo es mucho ms detallado y especico que el concepto de Demcrito. La segunda hiptesis establece que los tomos de un elemento son diferentes de los tomos de todos los dems elementos. Dalton no intent describir la estructura o composicin de los tomos. Tampoco tena idea de cmo era un tomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrgeno y el oxgeno slo se puede explicar a partir de la idea de que los tomos de hidrgeno son distintos de los tomos de oxgeno. La tercera hiptesis sugiere que para formar determinado compuesto no slo se necesi- tan los tomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un nmero especico de dichos tomos. Esta idea es una extensin de una ley publicada en 1799 por el qumico 1 John Dalton (1766-1844). Qumico, matemtico y ilsofo ingls. Adems de la teora atmica, tambin formul varias leyes sobre los gases y proporcion la primera descripcin detallada de la ceguera al color, la cual padeca. Se ha descrito a Dalton como un experimentador indiferente con muy pocas habilidades en las reas del lenguaje y la ilustracin. Su nico pasatiempo era el juego de bolos en csped los jueves por la tarde. Tal vez la visin de esos bolos de madera fue lo que inspir su idea de la teora atmica. Figura 2.1 a) De acuerdo con la teora atmica de Dalton, los tomos del mismo elemento son idnticos, pero los tomos de un elemento son distintos de los tomos de otros. b) Compuesto formado por tomos de los elementos X y Y. En este caso, la proporcin de los tomos del elemento X con respecto a la del elemento Y es de 2:1. Observe que la reaccin qumica produce slo un reordenamiento de tomos, no su destruccin o creacin. b) Compuestos formados por los elementos X y Ytomos del elemento X tomos del elemento Y a) www.FreeLibros.me

39. 172.2 Estructura del tomo francs Joseph Proust.2 La ley de las proporciones deinidas de Proust establece que muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporcin de masa. As, si se analizan muestras de dixido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes fuentes, en todas las muestras se encontrar la misma proporcin de masa de carbono y oxgeno. Entonces, si la proporcin de las masas de los diferentes elementos de un compuesto es una cantidad ija, la proporcin de los tomos de los elementos en dicho compuesto tambin debe ser constante. La tercera hiptesis de Dalton conirma otra importante ley, la ley de las proporciones mltiples. Segn esta ley, si dos elementos pueden combinarse para formar ms de un compuesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa ija del otro mantiene una relacin de nmeros enteros pequeos. La teora de Dalton explica la ley de las proporciones mltiples de manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos elementos diieren en el nmero de tomos de cada clase. Por ejemplo, el carbono forma dos compuestos estables con el oxgeno, llamados monxido de carbono y dixido de carbono. Las tcnicas modernas de medicin indican que un tomo de carbono se combina con un tomo de oxgeno en el monxido de carbono, y con dos tomos de oxgeno en el dixido de carbono. De esta manera, la proporcin de oxgeno en el monxido de carbono y en el dixido de carbono es 1:2. Este resultado concuerda con la ley de las proporciones mltiples (igura 2.2). La cuarta hiptesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la conservacin de la masa,3 la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia est formada por tomos, que no cambian en una reaccin qumica, se concluye que la masa tambin se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la naturaleza de la materia fue el principal estmulo para el rpido progreso de la qumica durante el siglo xix. Revisin de conceptos Los tomos de los elementos A (en color) y B (gris) forman los dos compuestos mostrados aqu. Estos compuestos obedecen la ley de las proporciones mltiples? 2.2 Estructura del tomo Con base en la teora atmica de Dalton, un tomo se deine como la unidad bsica de un elemento que puede intervenir en una combinacin qumica. Dalton describi un tomo como una partcula extremadamente pequea e indivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones iniciadas alrededor de 1850, y que continuaron hasta el siglo xx, demostraron claramente que los tomos tienen una estructura interna, es decir, que estn formados por partculas an ms pequeas, llamadas partculas subatmicas. Estas investigaciones condujeron al descubrimiento de tres partculas: electrones, protones y neutrones. Figura 2.2 Ilustracin de la ley de las proporciones mltiples. Monxido de carbono Dixido de carbono O C 2 1 O C 1 1 5 5 5 5 Oxgeno en el monxido de carbono en relacin con el oxgeno en el dixido de carbono: 1:2 2 Joseph Louis Proust (1754-1826). Qumico francs. Fue el primero en aislar el azcar de las uvas. 3 De acuerdo con Albert Einstein, la masa y la energa son aspectos alternos de una entidad nica denominada masa- energa. Por lo comn, las reacciones qumicas implican una ganancia o prdida de calor u otras formas de energa. As, cuando la energa se pierde en una reaccin, por ejemplo, tambin se pierde masa. No obstante, salvo en el caso de las reacciones nucleares, los cambios de masa en las reacciones qumicas son demasiado pequeos para ser detec- tados. Por consiguiente, para ines prcticos, la masa se conserva. www.FreeLibros.me

40. 18 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones El electrn En la dcada de 1890, muchos cienticos estaban interesados en el estudio de la radiacin, la emisin y transmisin de la energa a travs del espacio en forma de ondas. La informacin obtenida por estas investigaciones contribuy al conocimiento de la estructura atmica. Para investigar este fenmeno se utiliz un tubo de rayos catdicos, precursor de los tubos utilizados en los televisores (igura 2.3). Consta de un tubo de vidrio del cual se ha evacuado casi todo el aire. Si se colocan dos placas metlicas y se conectan a una fuente de alto voltaje, la placa con carga negativa, llamada ctodo, emite un rayo invisible. Este rayo catdico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada nodo, que pasa por una perforacin y contina su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo alcanza la supericie, recubierta de una manera especial, produce una fuerte fluorescencia o luz brillante. En algunos experimentos se colocaron, por fuera del tubo de rayos catdicos, dos placas cargadas elctricamente y un electroimn (vea la igura 2.3). Cuando se conecta el campo magntico y el campo elctrico permanece desconectado, los rayos catdicos alcanzan el punto A del tubo. Cuando est conectado solamente el campo elctrico, los rayos lle- gan al punto C. Cuando tanto el campo magntico como el elctrico estn desconectados, o bien cuando ambos estn conectados pero se balancean de forma que se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan el punto B. De acuerdo con la teora electromagntica, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imn y puede interactuar con los campos magnticos y elctricos que atraviesa. Debido a que los rayos catdicos son atrados por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en partculas con carga negativa. Actualmente, estas partculas con carga negativa se conocen como electrones. En la igura 2.4 se muestra el efecto de un imn sobre los rayos catdicos. El fsico ingls J. J. Thomson4 utiliz un tubo de rayos catdicos y su conocimiento de la teora electromagntica para determinar la relacin entre la carga elctrica y la masa de un electrn. El nmero que obtuvo fue de 21.76 3 108 C/g, en donde C corresponde a coulombs, la unidad de carga elctrica. Ms tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan5 llev a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrn con gran precisin. Su trabajo demostr que la carga de cada electrn era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analiz el movimiento de minsculas gotas de aceite que adquiran carga esttica a partir de los iones del aire. Suspenda en el aire las gotas cargadas mediante la aplicacin de un campo elctrico Figura 2.3 Tubo de rayos catdicos con un campo elctrico perpendicular a la direccin de los rayos catdicos y un campo magntico externo. Los smbolos N y S denotan los polos norte y sur del imn. Los rayos catdicos golpearn el extremo del tubo en el punto A en presencia de un campo magntico, en el punto C en presencia de un campo elctrico y en el punto B cuando no existan campos externos presentes o cuando los efectos del campo elctrico y del campo magntico se cancelen mutuamente. Alto voltaje + nodo Ctodo A B C S N Pantalla fluorescente Los electrones por lo general se asocian con los tomos. No obstante, tambin se pueden estudiar por separado. 4 Joseph John Thomson (1856-1940). Fsico britnico, recibi el premio Nobel de Fsica en 1906 por ser quien des- cubri el electrn. 5 Robert Andrews Millikan (1868-1953). Fsico estadounidense, merecedor del premio Nobel de Fsica en 1923 por determinar la carga del electrn. www.FreeLibros.me

41. 192.2 Estructura del tomo y segua su movimiento con un microscopio (igura 2.5). Al aplicar sus conocimientos sobre electrosttica, Millikan encontr que la carga de un electrn es de 21.6022 3 10219 C. A partir de estos datos calcul la masa de un electrn: masa de electrn carga carga/masa 1.6022 10 5 5 3 19 8 C 1.76 10 C/g g 3 5 39 10 10 28 . ste es un valor de masa extremadamente pequeo. Radiactividad En 1895, el fsico alemn Wilhelm Rntgen6 observ que cuando los rayos catdicos incidan sobre el vidrio y los metales, hacan que stos emitieran unos rayos desconocidos. Estos rayos muy energticos eran capaces de atravesar la materia, oscurecan las placas fotogricas, incluso cubiertas, y producan fluorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos rayos no eran desviados de su trayectoria por un imn, no podan contener partculas con carga, como los rayos catdicos. Rntgen les dio el nombre de rayos X, por su naturaleza desconocida. Figura 2.4 a) Rayo catdico producido en un tubo de descarga. El rayo en s mismo es invisible, pero la uorescencia de un recubrimiento de sulfuro de zinc en el cristal provoca su apariencia verdosa. b) El rayo catdico se inclina hacia abajo cuando se le acerca el polo norte del imn. c) Cuando la polaridad del imn se invierte, el rayo se inclina hacia la direccin opuesta. a) b) c) Figura 2.5 Diagrama esquemtico del experimento de Millikan de la gota de aceite. 6 Wilhelm Konrad Rntgen (1845-1923). Fsico alemn que recibi el premio Nobel de Fsica en 1901 por el descubrimiento de los rayos X. Atomizador Visor del microscopio Placa cargada Rayos X para producir la carga en las gotas de aceite (2) Oriicio pequeo (1) Placa cargada Gotas de aceite www.FreeLibros.me

42. 20 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones Poco despus del descubrimiento de Rntgen, Antoine Becquerel,7 profesor de fsica en Pars, empez a estudiar las propiedades fluorescentes de las sustancias. Accidentalmente encontr que algunos compuestos de uranio oscurecan las placas fotogricas cubiertas, incluso en ausencia de rayos catdicos. Al igual que los rayos X, los rayos provenientes de los compuestos de uranio resultaban altamente energticos y no los desviaba un imn, pero diferan de los rayos X en que se emitan de manera espontnea. Marie Curie,8 discpula de Becquerel, sugiri el nombre de radiactividad para describir esta emisin espontnea de partculas o radiacin. Desde entonces se dice que un elemento es radiactivo si emite radiacin de manera espontnea. La desintegracin o descomposicin de las sustancias radiactivas, como el uranio, produce tres tipos de rayos diferentes. Dos de estos rayos son desviados de su trayectoria por placas metlicas con cargas opuestas (igura 2.6). Los rayos alfa (a) constan de partculas cargadas positivamente, llamadas partculas a, que se apartan de la placa con carga positiva. Los rayos beta (b), o partculas b, son electrones y se alejan de la placa con carga negativa. Un tercer tipo de radiacin consta de rayos de alta energa, llamados rayos gamma (g). Al igual que los rayos X, los rayos g no presentan carga y no les afecta un campo externo. El protn y el ncleo Desde principios de 1900 ya se conocan dos caractersticas de los tomos: que contienen electrones y que son elctricamente neutros. Para que un tomo sea neutro debe contener el mismo nmero de cargas positivas y negativas. Thomson propuso que un tomo poda visua- lizarse como una esfera uniforme cargada positivamente, dentro de la cual se encontraban los electrones como si fueran las pasas en un pastel (igura 2.7). Este modelo, llamado modelo del pudn de pasas, se acept como una teora durante algunos aos. Figura 2.6 Tres tipos de rayos emitidos por elementos radiactivos. Los rayos b consisten en partculas con carga negativa (electrones), y por ende son atrados hacia la placa con carga positiva. Por lo contrario, los rayos a tienen carga positiva y son atrados hacia la placa con carga negativa. Debido a que los rayos g no tienen carga alguna, su trayectoria no se ve alterada por un campo elctrico externo. Figura 2.7 Modelo atmico de Thomson, conocido como el modelo del pudn de pasas, por su semejanza con un postre tradicional ingls hecho con pasas. Los electrones estn insertos en una esfera uniforme con carga positiva. La carga positiva est dispersa sobre la esfera completa 7 Antoine Henri Becquerel (1852-1908). Fsico francs a quien se le otorg el premio Nobel de Fsica en 1903 por el descubrimiento de la radiactividad del uranio. 8 Marie (Marya Sklodowska) Curie (1867-1934). Qumica y fsica nacida en Polonia. En 1903, ella y su esposo francs, Pierre Curie, fueron galardonados con el premio Nobel de Fsica por su trabajo sobre la radiactividad. En 1911, una vez ms fue merecedora de ese premio, pero esta vez en Qumica, por su trabajo sobre los elementos radiactivos radio y polonio. Ella es una de las tres personas que han recibido dos premios Nobel en Ciencias. A pesar de su gran contribucin a la ciencia, su nominacin a la Academia Francesa de Ciencias en 1911 fue rechazada por un voto debido a que era mujer! Su hija Irene, y su yerno Frederic Joliot-Curie, compartieron el premio Nobel de Qumica en 1935. + a g b Sustancia radiactiva Cmara de plomo www.FreeLibros.me

43. 212.2 Estructura del tomo En 1910, el fsico neozelands Ernest Rutherford,9 quien estudi con Thomson en la Universidad de Cambridge, utiliz partculas a para demostrar la estructura de los tomos. Junto con su colega Hans Geiger10 y un estudiante de licenciatura llamado Ernest Marsden,11 Rutherford efectu una serie de experimentos

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