Fundamentos de química [1a ed.] 9786071505415, 6071505410

Table of contents :
Fundamentos de química
Contenido
Prefacio
1.- QuímicaEl estudio del cambio
2. Átomos, moléculas y iones
3. Relaciones de masaen las reacciones químicas
4. Reacciones endisolución acuosa
5. Teoría cuántica y la estructuraelectrónica de los átomos
6. Relaciones periódicasentre los elementos
7. Enlace químico IConceptos básicos
8. Enlace químico IIGeometría molecular e hibridaciónde orbitales atómicos
9. Fuerzas intermolecularesy líquidos y sólidos
10. Equilibrio químico
11. Equilibrios ácido-base yequilibrios de solubilidad
12. Electroquímica
13. Metalurgia y la químicade los metales
14. Química orgánica
Apéndices

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18 8A

1 1A

Hidrógeno 1.008

3

Li

Número atómico

10

1

H

Ne

2 2A

Neón

2

13 3A

Masa atómica

20.18

4

5

Be

B

14 4A 6

C

15 5A 7

N

16 6A 8

O

17 7A 9

20.18

Berilio

Boro

Carbono

Nitrógeno

Oxígeno

Flúor

9.012

10.81

12.01

14.01

16.00

19.00

13

14

15

16

12

Mg

Sodio

Magnesio

22.99

24.31

19

3 3B

20

21

4 4B

5 5B

22

23

24

25

8 26

Ca Calcio

Escandio

Titanio

Vanadio

Cromo

Manganeso

Hierro

39.10

40.08

44.96

47.88

50.94

52.00

54.94

55.85

38

39

Potasio

37

Rb

Y

Sr

40

Zr

V

41

Nb

Cr

7 7B

K

Sc

Ti

6 6B

42

Mo

Mn

43

Tc

Fe

44

9 8B 27

10 28

Bromo

Criptón 83.80

52

53

45

46

Hafnio

89

104

87

88

Renio

Osmio

183.9

186.2

190.2

105

106

107

Db

Indio

Estaño

Antimonio

Telurio

Yodo

Xenón

118.7

121.8

127.6

126.9

131.3

79

Platino

Oro

Mercurio

Talio

Plomo

Bismuto

197.0

200.6

204.4

207.2

209.0

108

109

110

111

112

113

114

115

Rutherfordio

Dubnio

Seaborgio

Bohrio

Hassio

Meitnerio

Darmstadtio

Roentgenio

(257)

(260)

(263)

(262)

(265)

(266)

(269)

(272)

Metaloides

Hs

61

Pm

Mt

62

Sm

Ds

63

Eu

Rg

64

Gd

65

Tb

66

Dy

67

91

92

Torio

Protactinio

Uranio

Neptunio

232.0

(231)

238.0

(237)

97

Plutonio

Americio

Curio

Berkelio

(242)

(243)

(247)

(247)

98

71

103

164.9

Bk

70

102

Holmio

162.5

96

69

101

Disprosio

158.9

Cm

118

Lutecio

Terbio

157.3

95

(117)

175.0

Gadolinio

152.0

Am

116

Radón

Iterbio

Europio

150.4

94

(222)

173.0

Samario

(147)

Pu

Astato (210)

168.9

Promecio

144.2

93

Polonio (210)

167.3

Neodimio

Np

86

Rn

Yb

140.9

U

85

At

Tm

Praseodimio

Pa

68

84

Po

Er

Cerio

Th

Bi

Te

Ho

140.1

90

No metales

60

83

195.1

Actinio

Nd

82

Pb

Sb

Iridio

(227)

59

81

Tl

Sn

192.2

Radio

Pr

80

Hg

In

Au

(226)

58

Bh

78

Cd

Pt

(223)

Ce

Sg

54

Xe

114.8

Ra

Metales

Rf

Tungsteno

I

Cadmio

Fr

Francio

Ac

Tántalo 180.9

51

112.4

77

178.5

50

Plata

76

Lantano

49

107.9

Paladio 106.4

138.9

48

Ag

Rodio

Ir

47

Zinc

Pd

102.9

Bario

36

Kr

79.90

Rutenio

137.3

35

Br

Selenio

101.1

Cesio

34

78.96

Cobre

Ge

As

Se

74.92

(98)

132.9

33

Arsénico

Tecnecio

Os

32

72.59

95.94

75

31

Germanio

Rh

Re

39.95

Galio

Molibdeno

74

Argón

35.45

69.72

Ru

W

Cloro

32.07

65.39

Niobio

73

Azufre

30.97

63.55

92.91

Ta

Fósforo

28.09

Níquel

Zirconio

72

Silicio

26.98

58.69

91.22

Hf

Aluminio

Cobalto

Itrio

57

18

Ar

58.93

88.91

La

17

Cl

Ga

87.62

56

S

Zn

Estroncio

Ba

30

P

Cu

Rubidio

55

29

12 2B

Si

Neón

Ni

Co

85.47

Cs

11 1B

Al

10

Ne

Litio

11

Helio

4.003

F

6.941

Na

He

99

Erbio

100

Tulio

Californio

Es

Einsteinio

Fm Fermio

Mendelevio

Nobelio

Laurencio

(249)

(254)

(253)

(256)

(254)

(257)

Cf

Md

Lu

No

Lr

La designación del grupo 1-18 ha sido recomendada por la International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) pero aún no está en uso. En este texto se usa la notación estadounidense estándar para los grupos (1A-8A y 1B-8B). No se han asignado nombres para los elementos 112-116 y 118. El elemento 117 todavía no se ha sintetizado.

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Lista de elementos con sus símbolos y masas atómicas*

Elemento

Símbolo

Número atómico

Actinio Aluminio Americio Antimonio Argón Arsénico Astato Azufre Bario Berilio Berkelio Bismuto Bohrio Boro Bromo Cadmio Calcio Californio Carbono Cerio Cesio Cloro Cobalto Cobre Criptón Cromo Curio Darmstadtio Disprosio Dubnio Einstenio Erbio Escandio Estaño Estroncio Europio Fermio Flúor Fósforo Francio Gadolinio Galio Germanio Hafnio Hassio Helio Hidrógeno Hierro Holmio Indio Iridio Iterbio Itrio Lantano Laurencio Litio

Ac Al Am Sb Ar As At S Ba Be Bk Bi Bh B Br Cd Ca Cf C Ce Cs Cl Co Cu Kr Cr Cm Ds Dy Db Es Er Sc Sn Sr Eu Fm F P Fr Gd Ga Ge Hf Hs He H Fe Ho In Ir Yb Y La Lr Li

89 13 95 51 18 33 85 16 56 4 97 83 107 5 35 48 20 98 6 58 55 17 27 29 36 24 96 110 66 105 99 68 21 50 38 63 100 9 15 87 64 31 32 72 108 2 1 26 67 49 77 70 39 57 103 3

Masa atómica** (227) 26.98 (243) 121.8 39.95 74.92 (210) 32.07 137.3 9.012 (247) 209.0 (262) 10.81 79.90 112.4 40.08 (249) 12.01 140.1 132.9 35.45 58.93 63.55 83.80 52.00 (247) (269) 162.5 (260) (254) 167.3 44.96 118.7 87.62 152.0 (253) 19.00 30.97 (223) 157.3 69.72 72.59 178.5 (265) 4.003 1.008 55.85 164.9 114.8 192.2 173.0 88.91 138.9 (257) 6.941

Elemento

Símbolo

Número atómico

Lutecio Magnesio Manganeso Meitnerio Mendelevio Mercurio Molibdeno Neodimio Neón Neptunio Niobio Níquel Nitrógeno Nobelio Oro Osmio Oxígeno Paladio Plata Platino Plomo Plutonio Polonio Potasio Praseodimio Proactinio Prometio Radio Radón Renio Rodio Roentgenio Rubidio Rutenio Ruterfordio Samario Seaborgio Selenio Silicio Sodio Talio Tántalo Tecnecio Telurio Terbio Titanio Torio Tulio Tungsteno Uranio Vanadio Xenón Yodo Zinc Zirconio

Lu Mg Mn Mt Md Hg Mo Nd Ne Np Nb Ni N No Au Os O Pd Ag Pt Pb Pu Po K Pr Pa Pm Ra Rn Re Rh Rg Rb Ru Rf Sm Sg Se Si Na Tl Ta Tc Te Tb Ti Th Tm W U V Xe I Zn Zr

71 12 25 109 101 80 42 60 10 93 41 28 7 102 79 76 8 46 47 78 82 94 84 19 59 91 61 88 86 75 45 111 37 44 104 62 106 34 14 11 81 73 43 52 65 22 90 69 74 92 23 54 53 30 40

Masa atómica** 175.0 24.31 54.94 (266) (256) 200.6 95.94 144.2 20.18 (237) 92.91 58.69 14.01 (253) 197.0 190.2 16.00 106.4 107.9 195.1 207.2 (242) (210) 39.10 140.9 (231) (147) (226) (222) 186.2 102.9 (272) 85.47 101.1 (257) 150.4 (263) 78.96 28.09 22.99 204.4 180.9 (99) 127.6 158.9 47.88 232.0 168.9 183.9 238.0 50.94 131.3 126.9 65.39 91.22

*Todas las masas atómicas tienen cuatro cifras signiicativas. Estos valores son los que recomienda el Comité para la Enseñanza de la Química de la International Union of Pure and Applied Chemistry. **Los valores aproximados de las masas atómicas se señalan entre paréntesis.

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Constantes fundamentales Número de Avogadro

6.0221415 3 1023

Carga electrónica (e)

1.60217653 3 10219 C

Masa electrónica

9.1093826 3 10228 g

Constante de Faraday (F)

96 485.3383 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 protón

1.672621 3 10224 g

Constante de Rydberg (RH)

2.179872 3 1028 J

Velocidad de la luz en el vacío

2.99792458 3 108 m/s

Factores de conversión útiles y relaciones 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

lb 5 453.6 g gal 5 3.785 L 5 4 quarts in 5 2.54 cm (exactamente) mi 5 1.609 km km 5 0.6215 mi pm 5 1 3 10212 m 5 1 3 10210 cm atm 5 760 mmHg 5 760 torr 5 101 325 N/m2 5 101 325 Pa cal 5 4.184 J (exactamente) L atm 5 101.325 J J51C31V

? °C 5 (°F 2 32°F ) 3 ? °F 5

5°C 9°F

9°F 3 (°C) 1 32°F 5°C

? K 5 ( °C 1 273.15 °C)

1  K 1°C

Algunos prefijos utilizados con unidades SI tera (T)

1012 9

centi (c)

1 0 22

giga (G)

10

mili (m)

1 0 23

mega (M)

106

micro (m)

1 0 26

3

kilo (k)

10

nano (n)

1 0 29

deci (d)

1021

pico (p)

10212

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FUNDAME NT OS DE QUÍMICA

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FUNDAMENTOS DE QUÍMICA Raymond Chang Williams College

Adaptación

Pedro Ibarra Escutia Instituto Tecnológico de Toluca

Revisión técnica

Isaías de la Rosa Gómez Instituto Tecnológico de Toluca

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig V. Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Erika Jasso Hernán D’Borneville

FUNDAMENTOS DE QUÍMICA Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2011 respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Ediicio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN: 978-607-15-0541-5

Adaptado de la décima edición de: Química de Raymond Chang. © 2010 McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de C.V. ISBN: 978-607-15-0307-7

1234567890

1098765432101

Impreso en México

Printed in Mexico

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ACERCA DEL AUTOR

Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London University, en Inglaterra y se doctoró en química en la Yale University. Después de realizar su investigación posdoctoral en Washington University y enseñar durante un año en el Hunter College de la City University of New York, se unió al Departamento de Química en Williams College, donde ha enseñado desde 1968. El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society Examination Committee, el National Chemistry Olympiad Examination Committee y el Graduate Record Examinations (GRE) Committee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. Chang ha escrito libros sobre isicoquímica, química industrial y ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de literatura juvenil. Para relajarse, el doctor Chang cultiva un jardín selvático, juega tenis, ping-pong, toca la armónica y practica el violín.

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xviii

Prólogo del adaptador Prefacio xix Nota al estudiante xxiv

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Química. El estudio del cambio 1 Átomos, moléculas y iones 15 Relaciones de masa en las reacciones químicas Reacciones en disolución acuosa

51

91

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos

131

Relaciones periódicas entre los elementos 177 Enlace químico I: Conceptos básicos 217 Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 253 Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 303 Equilibrio químico 325 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 361 Electroquímica

403

Metalurgia y la química de los metales Química orgánica

Apéndice Apéndice Apéndice Apéndice

1 2 3 4

415

439

Derivación de los nombres de los elementos A-1 Unidades para la constante de los gases

A-7

Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8 Operaciones matemáticas

A-13

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Prólogo del adaptador xviii Prefacio xix Nota al estudiante xxiv

Química. El estudio del cambio 1 1.1

Química: una ciencia para el siglo xxi 2 QUÍMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big Bang 5

1.2 1.3 1.4

Clasiicación de la materia 6 Los tres estados de la materia 9 Propiedades físicas y químicas de la materia 10 Desarrollo de competencias 11 Problemas especiales 12 MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios 12

Átomos, moléculas y iones 15 2.1 2.2 2.3 2.4

Teoría atómica 16 Estructura del átomo 17 Número atómico, número de masa e isótopos 23 La tabla periódica 25 QUÍMICA en acción Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 26

2.5 2.6 2.7 2.8

Moléculas y iones 27 Fórmulas químicas 29 Nomenclatura de los compuestos 33 Introducción a los compuestos orgánicos 42 Ecuaciones básicas 44 Resumen de conceptos 44 Desarrollo de competencias 44 Problemas especiales 49 Respuestas a los ejercicios de práctica 50

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xii

Contenido

Relaciones de masa en las reacciones químicas 51 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Masa atómica 52 Número de Avogadro y masa molar de un elemento 53 Masa molecular 57 Espectrómetro de masas 60 Composición porcentual de los compuestos 60 Determinación experimental de fórmulas empíricas 64 Reacciones químicas y ecuaciones químicas 66 Cantidades de reactivos y productos 71 Reactivo limitante 75 Rendimiento de reacción 78 QUÍMICA en acción Fertilizantes químicos 80 Ecuaciones básicas 81 Resumen de conceptos 81 Desarrollo de competencias 81 Problemas especiales 90 Respuestas a los ejercicios de práctica 90

Reacciones en disolución acuosa 91 4.1 4.2

Propiedades generales de las disoluciones acuosas 92 Reacciones de precipitación 94 QUÍMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable 99

4.3 4.4

Reacciones ácido-base 99 Reacciones de oxidación-reducción 105 QUÍMICA en acción Alcoholímetro 116

4.5

Concentración de las disoluciones 117 QUÍMICA en acción Metal proveniente del mar 121 Ecuaciones básicas 122 Resumen de conceptos 122 Términos básicos 122 Desarrollo de competencias 123 Problemas especiales 128 Respuestas a los ejercicios de práctica 129 MISTERIO de la química ¿Quién asesinó a Napoleón? 129

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Contenido

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 131 5.1 5.2 5.3

De la física clásica a la teoría cuántica 132 El efecto fotoeléctrico 136 Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 138 QUÍMICA en acción Láser: la luz esplendorosa 144

5.4

La naturaleza dual del electrón 144 QUÍMICA en acción Microscopia electrónica 148

5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Mecánica cuántica 149 Números cuánticos 150 Orbitales atómicos 153 Coniguración electrónica 156 El principio de construcción 163 Ecuaciones básicas 167 Resumen de conceptos 167 Términos básicos 168 Desarrollo de competencias 168 Problemas especiales 174 Respuestas a los ejercicios de práctica 175 MISTERIO de la química Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio 175

Relaciones periódicas entre los elementos 177 6.1 6.2 6.3

Desarrollo de la tabla periódica 178 Clasiicación periódica de los elementos 180 Variaciones periódicas de las propiedades físicas 184 QUÍMICA en acción ¿El tercer elemento líquido? 191

6.4 6.5 6.6

Energía de ionización 191 Ainidad electrónica 195 Variación de las propiedades químicas de los elementos representativos 198 QUÍMICA en acción El descubrimiento de los gases nobles 209 Ecuaciones básicas 209 Resumen de conceptos 210 Términos básicos 210 Desarrollo de competencias 210 Problemas especiales 216 Respuestas a los ejercicios de práctica 216

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xiii

xiv

Contenido

Enlace químico I: Conceptos básicos 217 7.1 7.2 7.3

Símbolos de puntos de Lewis 218 Enlace iónico 219 Energía reticular de los compuestos iónicos 221 QUÍMICA en acción Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 225

7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

Enlace covalente 226 Electronegatividad 229 Escritura de las estructuras de Lewis 232 Carga formal y estructura de Lewis 235 El concepto de resonancia 238 Excepciones a la regla del octeto 241 QUÍMICA en acción Sólo diga NO 245 Resumen de conceptos 246 Términos básicos 247 Desarrollo de competencias 247 Problemas especiales 251 Respuestas a los ejercicios de práctica 252

Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 253 8.1 8.2

Geometría molecular 254 Momento dipolar 264 QUÍMICA en acción Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 268

8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

Teoría de enlace valencia 268 Hibridación de orbitales atómicos 272 Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles y triples 281 Teoría de orbitales moleculares 284 Coniguraciones de orbitales moleculares 287 Orbitales moleculares deslocalizados 292 QUÍMICA en acción El buckybalón ¿un balón cualquiera? 294 Ecuaciones básicas 295 Resumen de conceptos 296 Términos básicos 296 Desarrollo de competencias 297 Problemas especiales 302 Respuestas a los ejercicios de práctica 302

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Contenido

Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 303 9.1 9.2 9.3 9.4

Teoría cinética molecular de líquidos y sólidos 304 Fuerzas intermoleculares 305 Propiedades de los líquidos 311 Estructura cristalina 314 QUÍMICA en acción ¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 315 Resumen de conceptos 322 Términos básicos 322 Desarrollo de competencias 322 Problemas especiales 324 Respuestas a los ejercicios de práctica 324

Equilibrio químico 325 10.1 10.2 10.3 10.4

El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 326 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 328 ¿Qué información proporciona la constante de equilibrio? 340 Factores que afectan el equilibrio químico 346 QUÍMICA en acción La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 353 QUÍMICA en acción El proceso Haber 354 Ecuaciones básicas 354 Resumen de conceptos 354 Términos básicos 355 Desarrollo de competencias 356 Problemas especiales 360 Respuestas a los ejercicios de práctica 360

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xv

xvi

Contenido

Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 361 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7

Ácidos y bases de Brønsted 362 Propiedades ácido-base del agua 363 El pH: una medida de la acidez 365 Fuerza de los ácidos y las bases 368 Ácidos débiles y la constante de ionización de un ácido 372 Bases débiles y la constante de ionización de una base 378 Comparación entre los equilibrios homogéneo y heterogéneo en disolución 380

11.8 Efecto del ion común 380 11.9 Disoluciones amortiguadoras 384 11.10 Equilibrios de solubilidad 389 QUÍMICA en acción Mantenimiento del pH de la sangre 390 Ecuaciones básicas 397 Resumen de conceptos 397 Términos básicos 397 Desarrollo de competencias 397 Respuestas a los ejercicios de práctica 400 MISTERIO de la química Un duro bocadillo 401

Electroquímica 403 12.1 Reacciones redox 404 12.2 Celdas galvánicas 407 12.3 Baterías 409 QUÍMICA en acción Energía bacteriana 412 Resumen de conceptos 413 Términos básicos 413 Desarrollo de competencias 413 Respuestas a los ejercicios de práctica 414

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Contenido

Metalurgia y la química de los metales 415 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7

Presencia de los metales 416 Procesos metalúrgicos 416 Teoría de las bandas de conductividad eléctrica 422 Tendencias periódicas de las propiedades metálicas 424 Metales alcalinos 425 Metales alcalinotérreos 429 Aluminio 431 QUÍMICA en acción Reciclamiento de aluminio 434 Resumen de conceptos 434 Términos básicos 435 Desarrollo de competencias 436

Química orgánica 439 14.1 Clases de compuestos orgánicos 440 14.2 Hidrocarburos alifáticos 440 14.3 Hidrocarburos aromáticos 446 QUÍMICA en acción El hielo que se quema 447

14.4 Química de los grupos funcionales 449 QUÍMICA en acción La industria del petróleo 455 Resumen de conceptos 457 Términos básicos 457 Desarrollo de competencias 457 Respuestas a los ejercicios de práctica 459 MISTERIO de la química Desaparición de huellas digitales 460

Apéndice 1

Derivación de los nombres de los elementos A-1

Apéndice 2

Unidades para la constante de los gases A-7

Apéndice 3

Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8

Apéndice 4

Operaciones matemáticas A-13

Respuestas a problemas pares R-1 Índice analítico I-1

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ivimos tiempos de cambio y la educación no es ajena a este proceso. Los planes de estudio de las instituciones de educación superior se renuevan constantemente para estar a la altura de las necesidades actuales y se establecen nuevas metodologías que deben ser respaldadas con obras editoriales de calidad. Como una contribución a esta revolución educativa, se desarrolla esta obra, dirigida al área básica, cursada en las principales escuelas de ciencias e ingeniería. Aunado a lo anterior, nuestros reconocidos autores siguen ofreciendo el estilo cientíico preciso y de fácil comprensión que ha caracterizado a cada una de las obras. Entre las principales características de esta serie, se pueden mencionar: • • • • • •

Adaptación al nuevo modelo de competencias. Ejemplos y ejercicios renovados. Utilización de las tecnologías de la información y comunicación (TIC). Notas históricas que fundamentan los conceptos básicos. Notación formal de fácil accesibilidad para los alumnos. Estructura que contribuye a desarrollar un pensamiento lógico, heurístico y algorítmico para modelar fenómenos y resolver problemas. • Actividades encaminadas al desarrollo de competencias genéricas, instrumentales, sistémicas y especíicas. Joel Ibarra Instituto Tecnológico de Toluca

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i intención ha sido escribir un texto de química general que siempre ofrezca una base irme de conceptos y principios químicos, y que inculque en los estudiantes el reconocimiento de la función tan vital que la química desempeña 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 lógica. Siempre que ha sido posible, he intentado equilibrar la teoría y la práctica, así como ilustrar los principios básicos con ejemplos comunes. En esta edición, mi meta ha sido crear un texto que explique con claridad conceptos abstractos, lo bastante conciso para no abrumar a los estudiantes con información extraña e innecesaria, 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 método.

Importante en esta edición • Contiene muchos problemas de inal de capítulo con la representación gráica de moléculas, para poner a prueba las habilidades de comprensión conceptual y razonamiento crítico del estudiante. Los problemas más desaiantes se incluyen bajo la sección “Desarrollo de competencias”. • En el capítulo 8 se incluyeron diagramas orbitales moleculares generados por computadora.

Resolución de problemas Desarrollar las habilidades de resolución de problemas siempre ha sido uno de los objetivos primordiales de este texto. Las dos principales categorías de instrumentos para el aprendizaje son los ejemplos solucionados y los problemas de inal de capítulo. Muchos de ellos presentan piezas adicionales de conocimiento y permiten al estudiante enfrentarse con un problema que un químico resolvería. Los ejemplos y problemas muestran a los estudiantes el mundo real de la química y aplicaciones para las situaciones cotidianas. • Ejemplos resueltos siguen una estrategia probada de resolución paso por paso y su solución. — Enunciación del problema es la presentación de los datos necesarios para resolver el problema con base en la pregunta formulada. — Estrategia es un plan o método cuidadosamente diseñado para tener una importante función didáctica. — Solución es el proceso de resolver por etapas un problema determinado. — Veriicación permite al estudiante veriicar y comparar con la fuente de información para asegurarse de que la respuesta sea razonable. — Ejercicio de práctica ofrece la oportunidad de resolver un problema similar con el in de obtener destreza en la resolución de este tipo de problemas. La nota al margen enlista problemas similares adicionales para trabajar en la sección de problemas al inal del capítulo.

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Prefacio

• Problemas de inal de capítulo están organizados de varias formas. Cada sección comprendida debajo de un encabezado temático comienza con “Preguntas de repaso” seguidas por “Problemas”. La sección de “Problemas adicionales” ofrece más problemas no organizados por secciones. Por último, la sección “Problemas especiales” contiene problemas con un mayor grado de diicultad.

Visualización • Gráicas y diagramas de lujo son importantes en ciencia. En Fundamentos de química, los diagramas de lujo muestran el proceso mental de un concepto y las gráicas presentan datos para comprender el concepto. • Representación molecular aparece en varios formatos y tiene diferentes funciones. Los modelos moleculares ayudan a visualizar las distribuciones atómicas tridimensionales de las moléculas. Finalmente, la representación macroscópica a microscópica, ayuda a los estudiantes a comprender procesos en el nivel molecular. • Fotografías ayudan a los estudiantes a familiarizarse con los químicos y a comprender cómo se presentan realmente las reacciones químicas. • Imágenes de aparatos permiten al estudiante visualizar la distribución real de un laboratorio químico.

Ayudas para el estudio Herramientas didácticas Fundamentos de química abunda en ayudas didácticas útiles que se deben usar de manera constante para reforzar la comprensión de los conceptos químicos. • Notas al margen se utilizan para dar sugerencias, pistas e información con el in de enriquecer la base cognitiva del estudiante. • Ejemplos resueltos junto con el “Ejercicio de práctica”, son una herramienta didáctica muy importante para el dominio de la química. Los pasos para la resolución de problemas guían al estudiante a través del pensamiento crítico necesario para dominar esta materia. Usar esquemas lo ayudará a comprender el funcionamiento interno de un problema. Una nota al margen muestra problemas similares en la sección de problemas al inal del capítulo, lo que permite aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo. Las respuestas a los “Ejercicios de práctica” se presentan al inal de los problemas del capítulo. • Revisión de conceptos permite al estudiante evaluar si ha comprendido el concepto presentado en cada sección. • Ecuaciones básicas se presentan dentro de cada capítulo y se resaltan para captar la atención del estudiante en cuanto al material que necesita comprender y recordar. También se presentan como parte del resumen de cada capítulo y son fácilmente identiicables para ines de repaso y estudio. • Resumen de conceptos ofrece un repaso rápido de los conceptos presentados y analizados a detalle dentro de cada capítulo. • Palabras clave son listas de todos los términos importantes para ayudar al estudiante a comprender el lenguaje de la química.

Ponga a prueba sus conocimientos • Revisión de conceptos permite al estudiante hacer una pausa y poner a prueba su comprensión del concepto presentado y analizado en determinada sección.

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Prefacio

xxi

• Problemas de inal de capítulo permiten al estudiante poner en práctica sus habilidades de pensamiento crítico y resolución de problemas. Los problemas se dividen en diferentes tipos: — Por sección de capítulo. Desde las “Preguntas de repaso” que ponen a prueba la comprensión conceptual básica, hasta los “Problemas” que prueban la habilidad del estudiante para la resolución de problemas pertenecientes a esa sección particular del capítulo. — Los “Problemas adicionales” utilizan el lenguaje obtenido de las diferentes secciones y capítulos previos para su resolución. — La sección de “Problema especial” contiene problemas más difíciles idóneos para proyectos grupales.

Relevancia práctica En todo el libro se presentan ejemplos interesantes de las diferentes manifestaciones cotidianas de la química. Se usan analogías para ayudar a mejorar la comprensión de conceptos químicos abstractos. • Problemas de inal de capítulo presentan muchas preguntas relevantes para el estudiante. Ejemplos: ¿Por qué en ocasiones los entrenadores de natación vierten una gota de alcohol en el oído de los nadadores para extraer el agua? ¿Cómo se estima la presión en un envase de refresco carbonatado antes de destaparlo? • Química en acción son recuadros que aparecen en cada capítulo y que presentan una variedad de temas, cada uno con su propia historia de la manera en que la química puede afectar una parte de la vida. El estudiante aprenderá aspectos de la ciencia del buceo y la medicina nuclear, entre muchos otros temas interesantes. • Misterio químico presenta al estudiante un caso misterioso. Varias preguntas químicas ofrecen pistas acerca de cómo se podría resolver el misterio. “Misterio químico” fomentará un grado de nivel de pensamiento crítico gracias a los pasos básicos para la resolución de problemas desarrollados a lo largo del texto.

Agradecimientos Me gustaría agradecer a los siguientes revisores y participantes de simposios cuyos comentarios fueron muy valiosos para mí en la preparación de esta revisión: 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

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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

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Prefacio

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

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Timothy Zauche University of Wisconsin-Platteville William Zoller University of Washington También 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

También me gustaría agradecer al doctor Enrique Peacock-Lopez y Desire Gijima por los diagramas orbitales generados por computadora del capítulo 8. Como siempre, me he beneiciado de las discusiones con mis colegas del Williams College y de la correspondencia con los profesores de ahí y del extranjero. Es un placer agradecer el apoyo que me han otorgado los siguientes miembros de la división 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 gustaría mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la producción, a David Hash por el diseño del libro, a John Leland por la investigación fotográica, a Daryl Brulodt y Judi David por el formato multimedia y a Todd Turner, gerente de marketing, por sus sugerencias y aliento. Vaya también mi agradecimiento a mis editores comerciales Tami Hodge y Thomas Timp, por sus consejos y ayuda. Por último, mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, la editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasmo en el proyecto, y la supervisión en cada etapa de la elaboración de esta edición. Fundamentos de química es una adaptación del libro Química, décima edición, de Chang, el cual se beneició con la revisión técnica de los siguientes profesores: Rodolfo Álvarez Manzo, Departamento de Química Orgánica, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México. Silvia Ponce López, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores, de Monterrey, Campus Monterrey. Rosa Zugazagoitia Herranz, Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Xochimilco.

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a química general suele considerarse como una materia más difícil que las demás. En cierto sentido esto es justiicable por una razón: la química tiene un vocabulario muy especializado. En primer lugar, estudiar química es como aprender un nuevo idioma. Además, algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es perseverante completará este curso exitosamente y hasta es posible que lo disfrute. Aquí le presento algunas sugerencias que lo ayudarán a formar buenos hábitos 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 día en clase. Utilice su libro para complementar sus notas. • Pensamiento crítico. Pregúntese si realmente comprendió el signiicado de un término o el uso de una ecuación. Una buena forma de probar lo que ha aprendido es explicar un concepto a un compañero de clases o a otra persona. • No dude en pedir ayuda al maestro o a su asistente. Las herramientas de esta edición de Fundamentos de química están diseñadas para permitirle aprovechar mejor su curso de química general. La siguiente guía explica cómo obtener el mayor provecho del texto, la tecnología y otras herramientas. • Al inal de cada capítulo, encontrará un resumen de conceptos, ecuaciones básicas y una lista de términos clave, todo lo cual le servirá como un repaso para los exámenes. • Los términos clave están acompañados de la página donde aparecen, de manera que pueda remitirse al capítulo y estudie su contexto. • Un estudio detallado de los ejemplos solucionados en cada capítulo mejorará su capacidad para analizar problemas y hacer los cálculos necesarios para resolverlos. También, tómese el tiempo para resolver el ejercicio de práctica que sigue a cada ejemplo y asegúrese de que ha entendido cómo resolver el tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios de práctica aparecen al inal de cada capítulo, después de la lista de problemas. Como práctica adicional, puede recurrir a problemas similares como los que aparecen al margen del ejemplo. • Las preguntas y problemas al inal del capítulo están organizados por secciones. • En el índice podrá encontrar rápidamente conceptos cuando esté resolviendo problemas o estudiando temas relacionados en diferentes capítulos. Si sigue estas sugerencias y cumple asiduamente con sus tareas, encontrará que la química es una materia desaiante, pero menos difícil y mucho más interesante de lo que esperaba. —Raymond Chang

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Química El estudio del cambio

Un globo lleno de hidrógeno explota al calentarlo con una lama. El hidrógeno gaseoso reacciona con el oxígeno que está en el aire para formar vapor de agua. La química es el estudio de las propiedades de la materia y de los cambios que ésta experimenta. Los modelos muestran las moléculas de hidrógeno, oxígeno y agua.

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CAPÍTULO 1

Química: El estudio del cambio

1.1 Química: una ciencia para el siglo xxi

El ideograma chino para el término química significa “el estudio del cambio”.

La química 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 básicos de química son indispensables para los estudiantes de biología, física, geología, ecología y muchas otras disciplinas. De hecho, la química es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sería más breve en lo que llamaríamos condiciones primitivas, sin automóviles, electricidad, computadoras, discos compactos y muchas otras comodidades modernas. Aunque la química es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo xix, cuando los adelantos intelectuales y tecnológicos permitieron que los cientíicos separaran sustancias en sus componentes y, por tanto, explicaran muchas de sus características físicas y químicas. El desarrollo acelerado de tecnología cada vez más reinada durante el siglo xx nos brindó 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 químicos analicen la estructura de los átomos y las moléculas (las unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la química) y diseñen nuevas sustancias con propiedades especíicas, como fármacos y productos de consumo no contaminantes. En este principio del siglo xxi conviene preguntarnos qué función tendrá la ciencia central en esta centuria. Es casi indudable que la química mantendrá una función fundamental en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformación, consideremos algunas fronteras que los químicos exploran actualmente (igura 1.1). Sin importar las razones por las que tome un curso de introducción a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitirá apreciar sus efectos en la sociedad y en usted.

Salud y medicina Tres logros importantes en el siglo xx han permitido la prevención y tratamiento de enfermedades. Se trata de medidas de salud pública que establecieron sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la cirugía con anestesia, que ha posibilitado a los médicos curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibióticos, que hicieron factible la prevención de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia génica al parecer será la cuarta revolución en la medicina. (Los genes son la unidad básica de la herencia.) Se cuentan por miles las enfermedades conocidas, entre ellas la ibrosis quística y la hemoilia, ocasionadas por un daño heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cáncer, enfermedades cardiacas, sida y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o más genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia génica se inserta un gen sano especíico en las células del paciente para curar o aminorar esos trastornos. A in de ejecutar esos procedimientos, el médico debe tener conocimientos sólidos de las propiedades químicas de los componentes moleculares implicados. La descodiicación del genoma humano, que comprende todo el material genético de nuestro organismo y desempeña una función esencial en la terapia génica, se basa principalmente en técnicas químicas. Los químicos de la industria farmacéutica investigan fármacos potentes con pocos o nulos efectos adversos para el tratamiento del cáncer, sida y muchas otras enfermedades, además de fármacos para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una escala más amplia, mejorar nuestra comprensión sobre el mecanismo del envejecimiento permitirá lograr esperanza de vida más prolongada y saludable para los habitantes del planeta.

Energía y ambiente La energía es un producto secundario de muchos procesos químicos, y al continuar el aumento en su demanda, tanto en países industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en nacio-

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1.1 Química: una ciencia para el siglo xxi

a)

c)

b)

d)

Figura 1.1

a) Salida de datos de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada línea muestra una secuencia obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas fotovoltaicas. c) Oblea de silicio en fabricación. d ) La hoja de la izquierda se tomó de una planta de tabaco no sometida a ingeniería genética y expuesta a la acción del gusano del tabaco. La hoja de la derecha sí fue sometida a ingeniería genética y apenas la atacaron los gusanos. Es factible aplicar la misma técnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas.

nes en vías de desarrollo, como China, los químicos intentan activamente encontrar nuevas fuentes de energía. En la actualidad, las principales fuentes de energía son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarán otros 50 a 100 años con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas. La energía solar al parecer es una fuente viable de energía para el futuro. Cada año, la supericie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energía contenida en todas las reservas conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energía se “desperdicia” al relejarse hacia el espacio exterior. En los últimos 30 años, las intensas actividades de investigación han mostrado que la energía solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversión directa en electricidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. Luego, el hidrógeno alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado adelantos en los conocimientos del proceso cientíico de conversión de la energía solar en electricidad, la tecnología todavía no ha mejorado al punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y con costo económicamente aceptable. Sin embargo, se ha predicho que para el año 2050 la energía solar satisfará más de 50% de las necesidades energéticas. Otra posible fuente de energía es la isión nuclear, si bien el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos y otros países es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre los desechos radiactivos de los procesos de isión. Los químicos pueden ayudar en el mejo-

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CAPÍTULO 1

Química: El estudio del cambio

ramiento del destino inal de los desechos nucleares. La fusión nuclear, el proceso que ocurre en el Sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energía sin producir muchos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusión nuclear se convierta en una fuente signiicativa de energía. La producción y utilización de la energía se relacionan estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fósiles es que se produce dióxido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el calentamiento de la atmósfera terrestre), además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, que producen la lluvia ácida y el esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automóviles eicientes en el consumo de combustibles y de convertidores catalíticos más efectivos debe permitir una reducción considerable de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmósfera en las áreas con tránsito vehicular intenso. Además, debe aumentar el uso de automóviles eléctricos equipados con baterías duraderas y de automóviles híbridos, alimentados por baterías y gasolina, lo que ayudará a minimizar la contaminación atmosférica.

Materiales y tecnología La investigación y el desarrollo de la química en el siglo xx han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a la tecnología de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son los polímeros (incluidos el caucho y el nailon), la cerámica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales líquidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (como los usados en notas adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de látex). ¿Qué 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 energía eléctrica 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 eléctrica, y por tanto conducen la electricidad sin pérdida de energía. Aunque el fenómeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (más de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelación del agua) se ha conocido durante más de 90 años, un adelanto importante a mediados del decenio de 1980 reveló que es posible fabricar materiales que actúen como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de ella. Los químicos han ayudado en el diseño y síntesis de nuevos materiales promisorios en dicha búsqueda. En los 30 años siguientes, veremos la aplicación en gran escala de superconductores a altas temperaturas en la resolución de imágenes por resonancia magnética (IRM), trenes de levitación magnética y fusión nuclear. Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnológico que ha conformado nuestras vidas más que ningún otro, habría que señalar a las computadoras. El “motor” que impulsa la revolución de las computadoras es el microprocesador, el diminuto chip de silicio que ha servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras portátiles y aparatos de fax. La eiciencia de los microprocesadores se juzga según la velocidad con la que realizan operaciones matemáticas, 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 necesaria de otras sustancias, situación en que los químicos desempeñan una función importante en la investigación y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los cientíicos empezarán a explorar las perspectivas de la “computación molecular”, es decir, la sustitución del silicio con moléculas. Las ventajas radican en que puede lograrse que ciertas moléculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendrían computadoras ópticas, no electrónicas. Con base en la ingeniería genética apropiada, los cientíicos pueden sintetizar esas moléculas con microorganismos, que sustituirían a grandes fábricas. Las computadoras ópticas también tendrían una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las electrónicas.

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1.1 Química: una ciencia para el siglo xxi

Alimentos y agricultura ¿Cómo alimentar a la creciente población mundial? En países pobres, casi 80% de la fuerza laboral se dedica a la producción agrícola 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 producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y enfermedades que dañan los cultivos, y otras plantas que compiten por los nutrientes. Además de la irrigación, 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 aplicación indiscriminada de compuestos químicos potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos nocivos graves en el ambiente. Inclusive el uso excesivo de fertilizantes es dañino 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 agrícola. Se ha demostrado ya que con la biotecnología es posible obtener cultivos más abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas se han aplicado a muchos productos agrícolas, no sólo para mejorar su producción, sino también para obtener más cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una proteína tóxica para las orugas que comen hojas. La inclusión del gen que codiica la toxina en las plantas cultivadas les brinda protección contra ellas, de modo que no se requieran los pesticidas. Los investigadores también han encontrado la forma de prevenir la reproducción de las plagas de insectos. Los insectos se comunican entre sí al emitir moléculas especiales, llamadas feromonas, ante las cuales reaccionan. La identiicación y la síntesis 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 engañar a las hembras para que copulen con machos estériles. En adición, los químicos pueden idear formas de aumentar la producción de fertilizantes menos dañinos para el ambiente y sustancias que eliminen selectivamente las hierbas nocivas.

Q U Í M I C A

en acción El helio primordial y la teoría del Big Bang

¿

De dónde venimos? ¿Cómo se originó el universo? Los seres humanos nos hemos hecho estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La búsqueda de respuestas constituye un ejemplo del método cientíico. En el decenio de 1940, el físico ruso-estadounidense George Gamow planteó la hipótesis de que el universo se inició miles de millones de años atrás con una explosión gigantesca, el Big Bang. En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen diminuto y su temperatura era más alta de lo imaginable. Esta brillante bola de fuego de radiación mezclada con partículas microscópicas de materia se enfrió gradualmente, hasta que se formaron los átomos. Por la inluencia de la fuerza de gravedad, estos átomos se agruparon para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Vía Láctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas

Foto de alguna galaxia distante, incluyendo la posición de un quasar.

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CAPÍTULO 1

Química: El estudio del cambio

maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo está en expansión, 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 expansión en retroceso, como cuando se rebobina una película, los astrónomos han deducido que el universo se inició hace unos 13 000 millones de años. La segunda observación que sustenta la hipótesis de Gamow es la detección de radiación cósmica de fondo. A lo largo de miles de millones de años, ¡el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, 2270°C)! A esta temperatura, gran parte de la energía corresponde a la región de microondas. Puesto que el Big Bang habría ocurrido simultáneamente en todo el diminuto volumen del universo en formación, la radiación que generó debe haber llenado todo el universo. Así pues, la radiación debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las señales de microondas que registran los astrónomos son independientes de la dirección. El tercer dato que sustenta la hipótesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordial. Los cientíicos piensan que el helio y el hidrógeno (los elementos más ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolución cósmica. (Se cree que otros elementos más pesados, como el carbono, nitrógeno y oxígeno, se formaron más adelante por reacciones nucleares en las que participaron el hidrógeno y el helio, en el centro de las estrellas.) De ser

así, un gas difuso formado por hidrógeno y helio se habría diseminado por todo el universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los astrónomos que analizaron la luz ultravioleta proveniente de un lejano quasar (poderosa fuente de luz y de señales de radio que se considera como una galaxia en explosión en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los átomos de helio en su trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en cuestión dista de nuestro planeta más de 10 000 millones de años luz (un año luz es la distancia que recorre la luz en un año), la luz que llega a la Tierra corresponde a fenómenos que ocurrieron hace más de 10 000 millones de años. ¿Por qué el hidrógeno no fue el elemento más abundante que se detectó? El átomo de hidrógeno tiene un solo electrón, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionización. Los átomos de hidrógeno ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el átomo de helio tiene dos electrones. La radiación puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los átomos de helio ionizados todavía absorben luz y, por tanto, son detectables. Los defensores de la explicación de Gamow se regocijaron ante la detección de helio en los conines distantes del universo. En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los cientíicos ahora se reieren a la hipótesis de Gamow como teoría del Big Bang.

1.2 Clasiicación de la materia Al principio del capítulo deinimos la química 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 árboles) y lo que no podemos ver ni tocar (como el aire). Así pues, todo en el universo tiene una conexión “química”. Los químicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composición y propiedades. La clasiicación de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, además de los átomos y moléculas, que estudiaremos en el capítulo 2.

Sustancias y mezclas Una sustancia es una forma de materia que tiene composición deinida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azúcar de mesa (sacarosa), oro y oxígeno. Las sustancias diieren entre sí por su composición y se pueden identiicar según su aspecto, color, sabor y otras propiedades. Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la que éstas conservan sus propiedades. Algunos ejemplos familiares de ello son el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no poseen composición constante. Por tanto, las muestras de aire obtenidas en distintas ciudades probablemente diferirán en su composición a causa de diferencias de altitud, contaminación atmosférica, etcétera. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando se disuelve una cucharada de azúcar en agua, se obtiene una mezcla homogénea, en la que la composición de la mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar arena con virutas de hierro, tanto una como las otras se

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1.2

Clasiicación de la materia

Figura 1.2

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a) La mezcla contiene virutas de hierro y arena. b) Un imán permite separar las virutas de hierro de la mezcla. Esta misma técnica se usa en mayor escala para separar hierro y acero de objetos no magnéticos, como aluminio, vidrio y plásticos.

a)

b)

mantienen separadas (igura 1.2). En tal caso, se habla de una mezcla heterogénea porque su composición no es uniforme. Cualquier mezcla, sea homogénea o heterogénea, se puede formar y luego separar por medios físicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes. Así pues, el azúcar se puede recuperar de una disolución acuosa al calentar esta última y evaporarla por completo. La condensación del vapor permite recuperar el agua. En cuanto a la separación de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imán para separar las virutas de hierro, ya que el imán no atrae a la arena misma [igura 1.2b)]. Después de la separación, los componentes de la mezcla tendrán la misma composición 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 más sencillas por medios químicos. Hasta la fecha se han identiicado 117 elementos. La mayoría de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios cientíicos mediante procesos nucleares.

TABLA 1.1

Algunos elementos comunes y sus símbolos

Nombre

Símbolo

Aluminio Arsénico Azufre Bario Bismuto Bromo Calcio Carbono Cloro Cobalto Cobre

Al As S Ba Bi Br Ca C Cl Co Cu

Nombre Cromo Estaño Flúor Fósforo Hidrógeno Hierro Magnesio Manganeso Mercurio Níquel Nitrógeno

Símbolo

Nombre

Símbolo

Cr Sn F P H Fe Mg Mn Hg Ni N

Oro Oxígeno Plata Platino Plomo Potasio Silicio Sodio Tungsteno Yodo Zinc

Au O Ag Pt Pb K Si Na W I Zn

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CAPÍTULO 1

Química: El estudio del cambio

Materia

Separación por métodos físicos

Mezclas

Mezclas homogéneas

Figura 1.3

Mezclas heterogéneas

Sustancias puras

Compuestos

Separación por métodos químicos

Elementos

Clasificación de la materia.

Por conveniencia, los químicos usan símbolos de una o dos letras para representar a los elementos. La primera letra del símbolo siempre es mayúscula, no así la letra siguiente. Por ejemplo, Co es el símbolo del elemento cobalto, en tanto que CO es la fórmula de la molécula monóxido de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y símbolos de algunos de los elementos más comunes. Los símbolos de algunos elementos se derivan de su nombre en latín, 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 inglés. En el apéndice 1 se incluye una lista del origen de los nombres de los elementos y de los cientíicos que los descubrieron. Los átomos de muchos elementos pueden interactuar entre sí para formar compuestos. Por ejemplo, la combustión del hidrógeno gaseoso con el oxígeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades diieren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrógeno por una de oxígeno. Esta composición 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. Así pues, el agua es un compuesto, o sea, una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones ijas. A diferencia de las mezclas, los compuestos sólo se pueden separar en sus componentes puros por medios químicos. Las relaciones entre los elementos, compuestos y otras categorías de materia se resumen en la igura 1.3.

Revisión de conceptos ¿Cuál de los siguientes diagramas representa elementos y cuál representa compuestos? Cada esfera (o esfera truncada) representa a un átomo.

a)

b)

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c)

d)

1.3

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: sólido, líquido y gaseoso. Como se muestra en la igura 1.4, los gases diieren de los líquidos y sólidos en la distancia que media entre las moléculas. En un sólido, las moléculas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa libertad de movimiento. Las moléculas de un líquido están cerca unas de otras, sin que se mantengan en una posición rígida, por lo que pueden moverse. En un gas, las moléculas están separadas entre sí por distancias grandes en comparación con el tamaño de las moléculas mismas. Son posibles las conversiones entre los tres estados de la materia sin que cambie la composición de la sustancia. Al calentar un sólido (por ejemplo, el hielo) se funde y se transforma en líquido (agua). (La temperatura en la que ocurre esa transición se denomina punto de fusión.) Su calentamiento adicional convierte al líquido en gas. (Esta conversión sobreviene en el punto de ebullición del líquido.) Por otra parte, el enfriamiento de un gas hace que se condense en la forma de líquido. Al enfriar adicionalmente este líquido, se congela a su forma sólida. Los tres estados de la materia se muestran en la igura 1.5. Advierta que las propiedades del agua son únicas entre las sustancias comunes, ya que las moléculas en su estado líquido están más cerca unas de otras que en el estado sólido. Figura 1.4

Representación microscópica de un sólido, un líquido y un gas.

Sólido

Líquido

Gas

Figura 1.5

Los tres estados de la materia. Un lingote caliente transforma el hielo en agua y luego en vapor de agua.

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10

CAPÍTULO 1

Química: El estudio del cambio

Revisión de conceptos Un cubo de hielo se colocó en un recipiente cerrado. Cuando se calienta, el cubo de hielo primero se derrite y después el agua hierve hasta formar vapor. ¿Cuál de los siguientes enunciados es verdadero? a) La apariencia física 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 físicas y químicas de la materia

Combustión del hidrógeno en el aire para formar agua.

Se identiican las sustancias por sus propiedades y su composición. El color, punto de fusión y punto de ebullición son propiedades físicas. Una propiedad física se puede medir y observar sin que se modiique la composición o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible medir el punto de fusión del hielo al calentar un bloque de hielo y registrar la temperatura en la que se convierte en agua. El agua diiere del hielo sólo en su aspecto, no en su composición, de modo que se trata de un cambio físico; es posible congelar el agua para obtener de nuevo hielo. De esta manera, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad física. De manera similar, cuando se airma que el helio gaseoso es más ligero que el aire se hace referencia a una propiedad física. Por otra parte, la aseveración: “el hidrógeno se quema en presencia de oxígeno para formar agua”, describe una propiedad química del hidrógeno, ya que a in de observar esta propiedad debe ocurrir un cambio químico, en este caso, la combustión. Después del cambio, desaparece la sustancia química original, el hidrógeno, y sólo queda otra sustancia química distinta, el agua. Es imposible recuperar el hidrógeno a partir del agua mediante un cambio físico, como la ebullición o congelación. Cada vez que se cuece un huevo, ocurre un cambio químico. Cuando se someten a temperaturas cercanas a 100°C, la yema y la clara experimentan cambios que no sólo modiican su aspecto físico, sino también su composición química. Después, al comerse, el huevo se modiica de nuevo, por efecto de sustancias del cuerpo humano llamadas enzimas. Esta acción digestiva es otro ejemplo de un cambio químico. Lo que ocurre durante la digestión depende de las propiedades químicas de las enzimas y los alimentos. Todas las propiedades mensurables de la materia corresponden a una de dos categorías 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. Más materia signiica más 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 cuánta materia se considere. La densidad, que se deine como la masa de un objeto dividida entre su volumen, es una propiedad intensiva. También lo es la temperatura. Suponga que se tienen dos matraces llenos de agua que están a la misma temperatura. Si se combinan para tener un solo volumen de agua en un matraz más grande, la temperatura de este mayor volumen de agua será la misma que en los dos matraces separados. A diferencia de la masa, longitud y volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas.

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Desarrollo de competencias

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Revisión de conceptos El diagrama en a) muestra un compuesto integrado por átomos de dos elementos (representados por las esferas en color y grises) en estado líquido. ¿Cuál de los diagramas en b) a d ) representa un cambio físico y cuál un cambio químico?

a)

b)

d)

c)

Desarrollo de competencias Clasiicación y propiedades de la materia Preguntas de repaso 1.1 1.2 1.3 1.4

1.5 1.6

Indique un ejemplo de cada uno de los términos siguientes: a) materia; b) sustancia, c) mezcla. Señale un ejemplo de mezcla homogénea y otro de mezcla heterogénea. Use ejemplos para explicar la diferencia entre propiedades físicas y químicas. ¿En qué diiere una propiedad extensiva de una intensiva? Indique cuáles de las propiedades siguientes son intensivas y cuáles extensivas: a) longitud; b) volumen; c) temperatura, d ) masa. Señale ejemplos de un elemento y de un compuesto. ¿En qué se distinguen los elementos de los compuestos? ¿Cuál es el número de elementos conocidos?

Problemas 1.7

1.8

Indique si cada una de las airmaciones siguientes describe una propiedad física o una química: a) El oxígeno gaseoso permite la combustión. b) Los fertilizantes ayudan a incrementar la producción agrícola. c) El agua hierve a menos de 100°C en la cima de una montaña. d ) El plomo es más denso que el aluminio. e) El uranio es un elemento radiactivo. Señale si cada una de las airmaciones siguientes describe un cambio físico o un cambio químico: a) El helio gaseoso contenido en el interior de un globo tiende a escapar después de unas cuantas horas. b) Un rayo de luz tiende a atenuarse y inalmente desaparecer. c) El jugo de naranja congelado se reconstituye al añadirle agua. d ) El crecimiento de las plantas depende de la energía solar en un

proceso llamado fotosíntesis. 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 símbolos químicos 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 Señale los símbolos químicos de los elementos siguientes: a) potasio; b) estaño; c) cromo; d ) boro; e) bario; f ) plutonio; g) azufre; h) argón, i ) mercurio. (Vea la tabla 1.1.) 1.11 Clasiique cada una de las sustancias siguientes como elemento o compuesto: a) hidrógeno; b) agua; c) oro, d ) azúcar. 1.12 Clasiique cada uno de los siguientes como elemento, compuesto, mezcla homogénea o mezcla heterogénea: 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 airmación cuantitativa y otra cualitativa acerca de cada una de las siguientes sustancias: a) agua; b) carbono; c) hierro; d ) hidrógeno gaseoso; e) sacarosa azúcar de caña); f ) sal de mesa (cloruro de sodio); g) mercurio; h) oro, i) aire. 1.14 Indique cuáles de las airmaciones siguientes describen propiedades físicas y cuáles propiedades químicas: a) el hierro tiende a oxidarse; b) el agua pluvial de regiones industrializadas tiende a ser ácida; c) las moléculas de hemoglobina son de color rojo; d ) cuando se deja un vaso con agua al sol, el agua desaparece gradualmente, e) durante la fotosíntesis las plantas convierten el dióxido de carbono de la atmósfera en moléculas más complejas.

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CAPÍTULO 1

Química: El estudio del cambio

Problemas especiales 1.15 Un químico del siglo xix preparó una sustancia desconocida. En términos generales, ¿piensa usted que sería más difícil demostrar que se trata de un compuesto o de un elemento? Explique su repuesta.

1.16 Suponga que se le proporciona un líquido. Describa brevemente los pasos que realizaría para demostrar que se trata de una sustancia pura o de una mezcla homogénea.

MISTERIO

DE

LA

química La desaparición de los dinosaurios

L

os dinosaurios predominaron en la Tierra durante millones de años y luego desaparecieron repentinamente. A in de resolver este misterio, los paleontólogos estudiaron fósiles 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 geológicos especíicos. Además, revelaron la ausencia de esqueletos de dinosaurios en las

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Misterio de la química

rocas formadas inmediatamente después del periodo Cretácico, que data de hace 65 millones de años. Por tanto, se supone que los dinosaurios se extinguieron hace 65 millones de años. Entre las muchas hipótesis planteadas para explicar su desaparición, se cuentan alteraciones de la cadena alimentaria y un cambio brusco del clima resultante de erupciones volcánicas violentas. Sin embargo, no se tenían datos convincentes en favor de ninguna hipótesis sino hasta 1977. Fue entonces cuando un grupo de paleontólogos que trabajaba en Italia obtuvo algunos datos desconcertantes en un sitio cercano a Gubbio. El análisis químico de una capa de arcilla depositada por arriba de sedimentos formados durante el periodo Cretácico (y, por tanto, una capa que registra lo ocurrido después de ese periodo) mostró un contenido sorprendentemente alto del elemento iridio (Ir), poco común en la corteza terrestre y comparativamente abundante en asteroides. Esa investigación llevó a la hipótesis de que la extinción de los dinosaurios ocurrió como sigue. A in de explicar la cantidad de iridio encontrada, los cientíicos plantearon que un gran asteroide, de varios kilómetros de diámetro, impactó la Tierra en la época de la desaparición de los dinosaurios. Dicho impacto debe haber sido tan fuerte que literalmente vaporizó una gran cantidad de rocas, suelo y otros objetos circundantes. El polvo y desechos resultantes lotaron en la atmósfera y bloquearon la luz solar durante meses o quizás años. A falta de luz solar abundante, muchas de las plantas no pudieron crecer, y el registro fósil conirma que, de hecho, muchos tipos de plantas se extinguieron en esa época. De tal suerte, por supuesto que muchos animales herbívoros perecieron y, a su vez, los

carnívoros sufrieron hambre. La carencia de fuentes de alimento al parecer afectaba a los grandes animales, que necesitaban grandes volúmenes de comida, más rápida y notablemente que a los animales más pequeños. Así pues, los enormes dinosaurios, de los cuales el más grande habría pesado hasta 30 toneladas, desaparecieron a falta de alimento.

Indicios químicos 1. ¿De qué manera el estudio de la extinción de los dinosaurios ilustra el método cientíico? 2. Plantee dos maneras en las que podría comprobar la hipótesis de la colisión del asteroide. 3. En su opinión, ¿se justiica referirse a la explicación del asteroide como la teoría de la extinción de los dinosaurios? 4. La información disponible hace pensar que casi 20% de la masa del asteroide se convirtió en polvo y se distribuyó uniformemente sobre la Tierra después de descender de la atmósfera 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 kilogramos y en toneladas) del asteroide y su radio en metros, en el supuesto de que era una esfera. (El área de la Tierra es de 5.1 3 1014 m2; 1 lb = 453.6 g.) (Fuente: Consider a Spherical Cow—A Course in Environmental Problem Solving, de J. Harte, University Science Books, Mill Valley, CA 1988. Con autorización.)

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Átomos, moléculas y iones

Imágenes de la emisión radiactiva del radio (Ra). Los modelos muestran el núcleo del radio y los productos de su descomposición radiactiva: radón (Rn) y una partícula alfa, la cual tiene dos protones y dos neutrones. El estudio de la radiactividad ayudó a mejorar el conocimiento de los cientíicos acerca de la estructura atómica.

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CAPÍTULO 2 Átomos, moléculas y iones

2.1 Teoría atómica En el siglo v a.C., el ilósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos (que signiica indestructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demócrito no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos (entre ellos Platón y Aristóteles), ésta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones cientíicas apoyaron el concepto del “atomismo”, lo que condujo, de manera gradual, a las deiniciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, el cientíico inglés, profesor John Dalton,1 formuló una deinición precisa de las unidades indivisibles con las que está formada la materia y que llamamos átomos. El trabajo de Dalton marcó el principio de la era de la química moderna. Las hipótesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teoría atómica de Dalton, pueden resumirse como sigue: 1. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. 2. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos. 3. Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla. 4. Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos; nunca supone la creación o destrucción de los mismos. En la igura 2.1 se muestra una representación esquemática de las tres últimas hipótesis. El concepto de Dalton sobre un átomo es mucho más detallado y especíico que el concepto de Demócrito. La segunda hipótesis establece que los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos. Tampoco tenía idea de cómo era un átomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrógeno y el oxígeno sólo se puede explicar a partir de la idea de que los átomos de hidrógeno son distintos de los átomos de oxígeno. La tercera hipótesis sugiere que para formar determinado compuesto no sólo se necesitan los átomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un número especíico de dichos átomos. Esta idea es una extensión de una ley publicada en 1799 por el químico 1

John Dalton (1766-1844). Químico, matemático y ilósofo inglés. Además de la teoría atómica, también formuló varias leyes sobre los gases y proporcionó la primera descripción detallada de la ceguera al color, la cual padecía. Se ha descrito a Dalton como un experimentador indiferente con muy pocas habilidades en las áreas del lenguaje y la ilustración. Su único pasatiempo era el juego de bolos en césped los jueves por la tarde. Tal vez la visión de esos bolos de madera fue lo que inspiró su idea de la teoría atómica.

Figura 2.1

a) De acuerdo con la teoría atómica de Dalton, los átomos del mismo elemento son idénticos, pero los átomos de un elemento son distintos de los átomos de otros. b) Compuesto formado por átomos de los elementos X y Y. En este caso, la proporción de los átomos del elemento X con respecto a la del elemento Y es de 2:1. Observe que la reacción química produce sólo un reordenamiento de átomos, no su destrucción o creación.

Átomos del elemento Y

Átomos del elemento X a)

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Compuestos formados por los elementos X y Y b)

2.2

francés 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 proporción de masa. Así, si se analizan muestras de dióxido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes fuentes, en todas las muestras se encontrará la misma proporción de masa de carbono y oxígeno. Entonces, si la proporción de las masas de los diferentes elementos de un compuesto es una cantidad ija, la proporción de los átomos de los elementos en dicho compuesto también debe ser constante. La tercera hipótesis de Dalton conirma otra importante ley, la ley de las proporciones múltiples. Según esta ley, si dos elementos pueden combinarse para formar más de un compuesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa ija del otro mantiene una relación de números enteros pequeños. La teoría de Dalton explica la ley de las proporciones múltiples de manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos elementos diieren en el número de átomos de cada clase. Por ejemplo, el carbono forma dos compuestos estables con el oxígeno, llamados monóxido de carbono y dióxido de carbono. Las técnicas modernas de medición indican que un átomo de carbono se combina con un átomo de oxígeno en el monóxido de carbono, y con dos átomos de oxígeno en el dióxido de carbono. De esta manera, la proporción de oxígeno en el monóxido de carbono y en el dióxido de carbono es 1:2. Este resultado concuerda con la ley de las proporciones múltiples (igura 2.2). La cuarta hipótesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la conservación de la masa,3 la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia está formada por átomos, que no cambian en una reacción química, se concluye que la masa también se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la naturaleza de la materia fue el principal estímulo para el rápido progreso de la química durante el siglo xix.

Revisión de conceptos Los átomos de los elementos A (en color) y B (gris) forman los dos compuestos mostrados aquí. ¿Estos compuestos obedecen la ley de las proporciones múltiples?

2.2 Estructura del átomo Con base en la teoría atómica de Dalton, un átomo se deine como la unidad básica de un elemento que puede intervenir en una combinación química. Dalton describió un átomo como una partícula extremadamente pequeña e indivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones iniciadas alrededor de 1850, y que continuaron hasta el siglo xx, demostraron claramente que los átomos tienen una estructura interna, es decir, que están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. Estas investigaciones condujeron al descubrimiento de tres partículas: electrones, protones y neutrones.

2

Joseph Louis Proust (1754-1826). Químico francés. Fue el primero en aislar el azúcar de las uvas.

3

De acuerdo con Albert Einstein, la masa y la energía son aspectos alternos de una entidad única denominada masaenergía. Por lo común, las reacciones químicas implican una ganancia o pérdida de calor u otras formas de energía. Así, cuando la energía se pierde en una reacción, por ejemplo, también se pierde masa. No obstante, salvo en el caso de las reacciones nucleares, los cambios de masa en las reacciones químicas son demasiado pequeños para ser detectados. Por consiguiente, para ines prácticos, la masa se conserva.

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Estructura del átomo

Monóxido de carbono O – 5 ––– 5 C

1 – 1

Dióxido de carbono O – 5 –––––––– 5 C

2 – 1

Oxígeno en el monóxido de carbono en relación con el oxígeno en el dióxido de carbono: 1:2

Figura 2.2 Ilustración de la ley de las proporciones múltiples.

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CAPÍTULO 2 Átomos, moléculas y iones

Figura 2.3 Tubo de rayos catódicos con un campo eléctrico perpendicular a la dirección de los rayos catódicos y un campo magnético externo. Los símbolos N y S denotan los polos norte y sur del imán. Los rayos catódicos golpearán el extremo del tubo en el punto A en presencia de un campo magnético, en el punto C en presencia de un campo eléctrico y en el punto B cuando no existan campos externos presentes o cuando los efectos del campo eléctrico y del campo magnético se cancelen mutuamente.

– A

Ánodo

Cátodo

S B N C

Pantalla fluorescente +

Alto voltaje

El electrón

Los electrones por lo general se asocian con los átomos. No obstante, también se pueden estudiar por separado.

En la década de 1890, muchos cientíicos estaban interesados en el estudio de la radiación, la emisión y transmisión de la energía a través del espacio en forma de ondas. La información obtenida por estas investigaciones contribuyó al conocimiento de la estructura atómica. Para investigar este fenómeno se utilizó un tubo de rayos catódicos, 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 metálicas y se conectan a una fuente de alto voltaje, la placa con carga negativa, llamada cátodo, emite un rayo invisible. Este rayo catódico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada ánodo, que pasa por una perforación y continúa 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 catódicos, dos placas cargadas eléctricamente y un electroimán (vea la igura 2.3). Cuando se conecta el campo magnético y el campo eléctrico permanece desconectado, los rayos catódicos alcanzan el punto A del tubo. Cuando está conectado solamente el campo eléctrico, los rayos llegan al punto C. Cuando tanto el campo magnético como el eléctrico están desconectados, o bien cuando ambos están conectados pero se balancean de forma que se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan el punto B. De acuerdo con la teoría electromagnética, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imán y puede interactuar con los campos magnéticos y eléctricos que atraviesa. Debido a que los rayos catódicos son atraídos por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en partículas con carga negativa. Actualmente, estas partículas con carga negativa se conocen como electrones. En la igura 2.4 se muestra el efecto de un imán sobre los rayos catódicos. El físico inglés J. J. Thomson4 utilizó un tubo de rayos catódicos y su conocimiento de la teoría electromagnética para determinar la relación entre la carga eléctrica y la masa de un electrón. El número que obtuvo fue de 21.76 3 108 C/g, en donde C corresponde a coulombs, la unidad de carga eléctrica. Más tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan5 llevó a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrón con gran precisión. Su trabajo demostró que la carga de cada electrón era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analizó el movimiento de minúsculas gotas de aceite que adquirían carga estática a partir de los iones del aire. Suspendía en el aire las gotas cargadas mediante la aplicación de un campo eléctrico 4

Joseph John Thomson (1856-1940). Físico británico, recibió el premio Nobel de Física en 1906 por ser quien descubrió el electrón. 5

Robert Andrews Millikan (1868-1953). Físico estadounidense, merecedor del premio Nobel de Física en 1923 por determinar la carga del electrón.

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2.2

a)

b)

Estructura del átomo

19

c)

Figura 2.4 a) Rayo catódico producido en un tubo de descarga. El rayo en sí mismo es invisible, pero la fluorescencia de un recubrimiento de sulfuro de zinc en el cristal provoca su apariencia verdosa. b) El rayo catódico se inclina hacia abajo cuando se le acerca el polo norte del imán. c) Cuando la polaridad del imán se invierte, el rayo se inclina hacia la dirección opuesta. y seguía su movimiento con un microscopio (igura 2.5). Al aplicar sus conocimientos sobre electrostática, Millikan encontró que la carga de un electrón es de 21.6022 3 10219 C. A partir de estos datos calculó la masa de un electrón: masa de electrón 5 5

carga carga/masa –1.6022 310 –19 C –1.76 3108 C/g

5 9.10 310 –28 g Éste es un valor de masa extremadamente pequeño.

Radiactividad En 1895, el físico alemán Wilhelm Röntgen6 observó que cuando los rayos catódicos incidían sobre el vidrio y los metales, hacían que éstos emitieran unos rayos desconocidos. Estos rayos muy energéticos eran capaces de atravesar la materia, oscurecían las placas fotográicas, incluso cubiertas, y producían fluorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos rayos no eran desviados de su trayectoria por un imán, no podían contener partículas con carga, como los rayos catódicos. Röntgen les dio el nombre de rayos X, por su naturaleza desconocida. 6

Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923). Físico alemán que recibió el premio Nobel de Física en 1901 por el descubrimiento de los rayos X. Placa cargada

Oriicio pequeño

Gotas de aceite

Atomizador

(1) Rayos X para producir la carga en las gotas de aceite (2)

Visor del microscopio

Placa cargada

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Figura 2.5

Diagrama esquemático del experimento de Millikan de la gota de aceite.

20

CAPÍTULO 2 Átomos, moléculas y iones

Figura 2.6

Tres tipos de rayos emitidos por elementos radiactivos. Los rayos b consisten en partículas con carga negativa (electrones), y por ende son atraídos hacia la placa con carga positiva. Por lo contrario, los rayos a tienen carga positiva y son atraídos 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 eléctrico externo.

–

a

Cámara de plomo

g

b +

La carga positiva está dispersa sobre la esfera completa

– –

–

Poco después del descubrimiento de Röntgen, Antoine Becquerel,7 profesor de física en París, empezó a estudiar las propiedades fluorescentes de las sustancias. Accidentalmente encontró que algunos compuestos de uranio oscurecían las placas fotográicas cubiertas, incluso en ausencia de rayos catódicos. Al igual que los rayos X, los rayos provenientes de los compuestos de uranio resultaban altamente energéticos y no los desviaba un imán, pero diferían de los rayos X en que se emitían de manera espontánea. Marie Curie,8 discípula de Becquerel, sugirió el nombre de radiactividad para describir esta emisión espontánea de partículas o radiación. Desde entonces se dice que un elemento es radiactivo si emite radiación de manera espontánea. La desintegración o descomposición de las sustancias radiactivas, como el uranio, produce tres tipos de rayos diferentes. Dos de estos rayos son desviados de su trayectoria por placas metálicas con cargas opuestas (igura 2.6). Los rayos alfa (a) constan de partículas cargadas positivamente, llamadas partículas a, que se apartan de la placa con carga positiva. Los rayos beta (b), o partículas b, son electrones y se alejan de la placa con carga negativa. Un tercer tipo de radiación consta de rayos de alta energía, llamados rayos gamma (g). Al igual que los rayos X, los rayos g no presentan carga y no les afecta un campo externo.

El protón y el núcleo

– –

Sustancia radiactiva

–

Desde principios de 1900 ya se conocían dos características de los átomos: que contienen electrones y que son eléctricamente neutros. Para que un átomo sea neutro debe contener el mismo número de cargas positivas y negativas. Thomson propuso que un átomo podía visualizarse 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 pudín de pasas”, se aceptó como una teoría durante algunos años.

– 7

Figura 2.7

Modelo atómico de Thomson, conocido como el modelo del “pudín de pasas”, por su semejanza con un postre tradicional inglés hecho con pasas. Los electrones están insertos en una esfera uniforme con carga positiva.

Antoine Henri Becquerel (1852-1908). Físico francés a quien se le otorgó el premio Nobel de Física en 1903 por el descubrimiento de la radiactividad del uranio. 8

Marie (Marya Sklodowska) Curie (1867-1934). Química y física nacida en Polonia. En 1903, ella y su esposo francés, Pierre Curie, fueron galardonados con el premio Nobel de Física por su trabajo sobre la radiactividad. En 1911, una vez más fue merecedora de ese premio, pero esta vez en Química, 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 contribución a la ciencia, su nominación 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 Química en 1935.

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2.2

Lámina de oro Emisor de partículas a

Ranura

Pantalla de detección a)

b)

En 1910, el físico neozelandés Ernest Rutherford,9 quien estudió con Thomson en la Universidad de Cambridge, utilizó partículas a para demostrar la estructura de los átomos. Junto con su colega Hans Geiger10 y un estudiante de licenciatura llamado Ernest Marsden,11 Rutherford efectuó una serie de experimentos utilizando láminas muy delgadas de oro y de otros metales, como blanco de partículas a provenientes de una fuente radiactiva (igura 2.8). Observaron que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, o bien con una ligera desviación. De cuando en cuando, algunas partículas a eran dispersadas (o desviadas) de su trayectoria con un gran ángulo. ¡En algunos casos, las partículas a regresaban por la misma trayectoria hacia la fuente radiactiva! Éste fue el descubrimiento más sorprendente, pues según el modelo de Thomson, la carga positiva del átomo era tan difusa que se esperaría que las partículas a atravesaran las láminas sin desviarse o con una desviación mínima. El comentario de Rutherford sobre este descubrimiento fue el siguiente: “Resultó tan increíble como si usted hubiera lanzado una bala de 15 pulgadas hacia un trozo de papel de seda y la bala se hubiera regresado hacia usted.” Tiempo después, Rutherford pudo explicar los resultados del experimento de la dispersión de partículas a utilizando un nuevo modelo de átomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los átomos debe ser espacio vacío. Esto explica por qué la mayoría de las partículas a atravesaron la lámina de oro sufriendo poca o ninguna desviación. Rutherford propuso que las cargas positivas de los átomos estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro del átomo, que llamó núcleo. Cuando una partícula a pasaba cerca del núcleo en el experimento, actuaba sobre ella una gran fuerza de repulsión, lo que originaba una gran desviación. Además, cuando una partícula a incidía directamente sobre el núcleo, experimentaba una repulsión tan grande que su trayectoria se invertía por completo. Las partículas del núcleo que tienen carga positiva reciben el nombre de protones. En otros experimentos se encontró que los protones tienen la misma cantidad de carga que los electrones y que su masa es de 1.67262 × 10224 g, aproximadamente 1 840 veces la masa del electrón con carga opuesta. Hasta este punto, los cientíicos visualizaban el átomo de la siguiente manera: la masa del núcleo constituye la mayor parte de la masa total del átomo, pero el núcleo ocupa sólo 1/1013 del volumen total del átomo. Las dimensiones atómicas (y moleculares) se expresarán aquí de acuerdo con la unidad del sistema internacional de medidas llamado picómetro (pm), donde 1 pm 5 1 3 10212 m 9

Ernest Rutherford (1871-1937). Físico neozelandés. Rutherford realizó gran parte de su trabajo en Inglaterra (en las universidades de Manchester y Cambridge). Recibió el premio Nobel de Química en 1908 por sus investigaciones sobre la estructura del núcleo atómico. Un comentario que hacía con frecuencia a sus estudiantes fue: “la ciencia es física o una colección de estampillas”. 10

Johannes Hans Wilhelm Geiger (1882-1945). Físico alemán. El trabajo de Geiger se enfocó en la estructura del núcleo atómico y en la radiactividad. Inventó un dispositivo para medir la radiación que ahora se conoce comúnmente como el contador Geiger. 11

Ernest Marsden (1889-1970). Físico inglés. Es alentador saber que algunas veces un estudiante puede ayudar a ganar un premio Nobel. Marsden prosiguió con su gran contribución al desarrollo de la ciencia en Nueva Zelanda.

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Estructura del átomo

21

Figura 2.8 a) Diseño experimental de Rutherford para medir la dispersión de las partículas a mediante una lámina de oro. La mayoría de las partículas a atravesaron la lámina de oro con poca o ninguna desviación. Algunas se desviaron con un ángulo grande. En ocasiones alguna partícula a invierte su trayectoria. b) Esquema amplificado de la trayectoria de las partículas a al atravesar o ser desviadas por los núcleos.

Una unidad común que no está incluida en el sistema internacional de medidas es el ángstrom (Å; 1 Å = 100 pm).

22

CAPÍTULO 2 Átomos, moléculas y iones

Si el tamaño de un átomo se expandiera hasta el de un estadio olímpico, el tamaño de su núcleo sería el de una canica.

El radio típico de un átomo es aproximadamente de 100 pm, en tanto que el radio del núcleo atómico es sólo de 5 × 1023 pm. Se puede apreciar la diferencia relativa entre el tamaño de un átomo y su núcleo imaginando que si un átomo tuviera el tamaño de un estadio olímpico, el volumen de su núcleo sería comparable con el de una pequeña canica. Mientras que los protones están coninados en el núcleo del átomo, se considera que los electrones están esparcidos alrededor del núcleo y a cierta distancia de él. El concepto de radio atómico tiene utilidad experimental, pero no debe suponerse que los átomos tienen dimensiones o supericies bien deinidas. Más adelante aprenderemos que las regiones externas de los átomos son relativamente “difusas”.

El neutrón El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante problema sin resolver. Se sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo, contenía sólo un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones. Por tanto, la relación entre la masa de un átomo de helio y un átomo de hidrógeno debería ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho más ligeros que los protones, se puede ignorar su contribución a la masa atómica.) Sin embargo, en realidad la relación es 4:1. Rutherford y otros investigadores habían propuesto que debería existir otro tipo de partícula subatómica en el núcleo, hecho que el físico inglés James Chadwick12 probó en 1932. Cuando Chadwick bombardeó una delgada lámina de berilio con partículas a, el metal emitió una radiación de muy alta energía, similar a los rayos g. Experimentos posteriores demostraron que esos rayos en realidad constan de un tercer tipo de partículas subatómicas, que Chadwick llamó neutrones, debido a que se demostró que eran partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. El misterio de la relación de las masas ahora se podía explicar. En el núcleo de helio existen dos protones y dos neutrones, en tanto que en el núcleo de hidrógeno hay sólo un protón y no hay neutrones; por tanto, la relación es 4:1. En la igura 2.9 se muestra la localización de las partículas elementales (protones, neutrones y electrones) en un átomo. Existen otras partículas subatómicas, pero el electrón, el protón

12

James Chadwick (1981-1972). Físico británico. En 1935 recibió el premio Nobel de Física por demostrar la existencia de los neutrones.

Figura 2.9 Los protones y los neutrones de un átomo están confinados en un núcleo extremadamente pequeño. Los electrones se representan como “nubes” que circundan al núcleo. Protón Neutrón

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2.3

TABLA 2.1

Número atómico, número de masa e isótopos

23

Masa y carga de las partículas subatómicas Carga

Partícula

Masa (g)

Coulomb

Electrón* Protón Neutrón

9.10938 3 10228 1.67262 3 10224 1.67493 3 10224

21.6022 3 10219 11.6022 3 10219 0

Unidad de carga 21 11 0

* Las mediciones más reinadas aportan un valor más preciso de la masa de un electrón que las de Millikan.

y el neutrón son los tres componentes fundamentales del átomo que son importantes para la química. En la tabla 2.1 se muestran los valores de carga y de masa de estas tres partículas elementales.

2.3 Número atómico, número de masa e isótopos Todos los átomos se pueden identiicar por el número de protones y neutrones que contienen. El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo del átomo de un elemento. En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones, de manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes en un átomo. La identidad química de un átomo queda determinada por su número atómico. Por ejemplo, el número atómico del flúor es 9. Esto signiica que cada átomo de flúor tiene 9 protones y 9 electrones. O bien, visto de otra forma, cada átomo en el universo que contenga 9 protones se llamará de manera correcta “flúor”. El número de masa (A) es el número total de neutrones y protones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento. Con excepción de la forma más común del hidrógeno, que tiene un protón y no tiene neutrones, todos los núcleos atómicos contienen tanto protones como neutrones. En general, el número de masa está dado por número de masa 5 número de protones 1 número de neutrones 5 número atómico 1 número de neutrones

(2.1)

El número de neutrones en un átomo es igual a la diferencia entre el número de masa y el número atómico (A – Z). Por ejemplo, si el número de masa de un átomo especíico de boro es 12 y su número atómico es 5 (que indica 5 protones en el núcleo), entonces el número de neutrones es 12 2 5 5 7. Observe que las tres cantidades (número atómico, número de neutrones y número de masa) deben ser enteros positivos o números enteros. No todos los átomos de un elemento determinado tienen la misma masa. La mayoría de los elementos tiene dos o más isótopos, átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente número de masa. Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno. Uno de ellos, que se conoce como hidrógeno, tiene un protón y no tiene neutrones. El isótopo llamado deuterio contiene un protón y un neutrón, y el tritio tiene un protón y dos neutrones. La forma aceptada para denotar el número atómico y el número de masa de un elemento (X) es como sigue: número de masa X

número atómico

A Z

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Los protones y neutrones se llaman colectivamente nucleones.

24

CAPÍTULO 2 Átomos, moléculas y iones

Así, para los isótopos de hidrógeno escribimos:

1 1H

2 1H

3 1H

1 1H

2 1H

3 1H

hidrogeno

deuterio

tritio

Como otro ejemplo, considere dos isótopos comunes del uranio, con números de masa 235 y 238, respectivamente: 235 92 U

238 92 U

El primer isótopo se utiliza en reactores nucleares y en bombas atómicas, en tanto que el segundo carece de las propiedades necesarias para tener tales aplicaciones. Con excepción del hidrógeno, que tiene un nombre diferente para cada uno de los isótopos, los isótopos de los elementos se identiican por su número de masa. Así, los isótopos anteriores se llaman uranio235 (uranio doscientos treinta y cinco) y uranio-238 (uranio doscientos treinta y ocho). Las propiedades químicas de un elemento están determinadas, principalmente, por los protones y electrones de sus átomos; los neutrones no participan en los cambios químicos en condiciones normales. En consecuencia, los isótopos del mismo elemento tienen un comportamiento químico semejante, forman el mismo tipo de compuestos y presentan reactividades semejantes. En el ejemplo 2.1 se muestra cómo calcular el número de protones, neutrones y electrones, a partir del número atómico y el número de masa. EJEMPLO 2.1 Indique el número de protones, neutrones y electrones para cada una de las siguientes 20 22 especies: a) 11 Na, b) 11 Na, c) 17 O y d ) carbono 14.

Estrategia Recuerde que el exponente se reiere al número de masa (A), y el subíndice al número atómico (Z). El número de masa siempre es mayor que el número atómico. (La única excepción es 11H, donde el número de masa es igual al número atómico.) En caso de que no se muestre el subíndice, como en los incisos c) y d), el número atómico se puede derivar del símbolo o nombre del elemento. Para determinar el número de electrones, recuerde que como la electricidad de los átomos es neutra, el número de electrones es igual al número de protones. Solución a) El número atómico es 11; luego, hay 11 protones. El número de masa es 20; por tanto, el número de electrones es 20 2 11 5 9. El número de electrones es el mismo que el número de protones, es decir, 11. b) El número atómico es el mismo que en a), u 11. El número de masa es 22; luego, el número de neutrones es 22 2 11 5 11. El número de electrones es 11. Observe que las especies en a) y b) son isótopos químicamente similares al sodio. c) El número atómico de O (oxígeno) es 8; luego, tiene 8 protones. El número de masa es 17; por tanto, tiene 17 2 8 5 9 neutrones. Hay 8 electrones. d) El carbono 14 también se puede representar como 14C. El número atómico del carbono es 6, así que tiene 14 2 6 5 8 neutrones. El número de electrones es 6. Problemas similares 2.15, 2.16.

Ejercicio de práctica ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene el siguiente isótopo del cobre:

63

Cu?

Revisión de conceptos a) Mencione el único elemento que tiene un isótopo que no contiene neutrones. b) Explique por qué un núcleo de helio que no contiene neutrones tiende a ser inestable.

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25

2.4 La tabla periódica

2.4 La tabla periódica Más de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este periodo los químicos observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas entre ellos. El reconocimiento de las regularidades periódicas en las propiedades físicas y en el comportamiento químico, así como la necesidad de organizar la gran cantidad de información disponible sobre la estructura y propiedades de las sustancias elementales, condujeron al desarrollo de la tabla periódica, una tabla en la que se encuentran agrupados los elementos que tienen propiedades químicas y físicas semejantes. En la igura 2.10 se muestra la tabla periódica moderna, en la cual los elementos están acomodados de acuerdo con su número atómico (que aparece sobre el símbolo del elemento), en ilas horizontales, llamadas periodos, y en columnas verticales, conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades químicas. Observe que los elementos 112 a 116 y 118 se han sintetizado recientemente, razón por la cual aún carecen de nombre. Los elementos se dividen en tres categorías: metales, no metales y metaloides. Un metal es un buen conductor del calor y la electricidad, en tanto que un no metal generalmente es mal conductor del calor y la electricidad. Un metaloide presenta propiedades intermedias entre los metales y los no metales. En la igura 2.10 se observa que la mayoría de los elementos que se conocen son metales; sólo 17 elementos son no metales y ocho son metaloides. De 1 1A 1

H

18 8A 2 2A

13 3A

14 4A

15 5A

16 6A

17 7A

2

He

3

4

5

6

7

8

9

10

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

13

14

15

16

17

18

Al

Si

P

S

Cl

Ar

11

12

Na

Mg

3 3B

4 4B

5 5B

6 6B

7 7B

8

9 8B

10

11 1B

12 2B

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

55

56

57

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

112

113

114

115

116

(117)

118

87

88

89

104

105

106

107

108

109

110

111

Fr

Ra

Ac

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Metales

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Metaloides

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

No metales

Figura 2.10

La tabla periódica moderna. Los elementos están organizados de acuerdo con los números atómicos, que aparecen sobre sus símbolos. Con excepción del hidrógeno (H), los no metales aparecen en la extrema derecha de la tabla. Las dos filas de metales que se localizan por debajo de la tabla principal se ubican convencionalmente aparte para evitar que la tabla sea demasiado grande. En realidad, el cerio (Ce) debería seguir al lantano (La), y el torio (Th) debería ir justo después del actinio (Ac). La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha recomendado la designación de los grupos 1-18 pero su uso aún no es frecuente. En este texto utilizamos la notación estadounidense para los números de los grupos (1A-8A y 1B-8B). Todavía no se ha asignado nombre a los elementos 112 a 116 y 118. El elemento 117 aún no ha sido sintetizado.

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Q U Í M I C A

en acción Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos

L

ral de los elementos, debemos recordar que: 1) los elementos no están distribuidos de manera uniforme en la corteza terrestre, y 2) la mayoría se presentan en combinaciones. Estos datos proporcionan la base para la mayoría de los métodos de obtención de elementos puros a partir de sus compuestos, como se estudiará en capítulos posteriores. En la tabla siguiente se presentan los elementos esenciales en el cuerpo humano. Especialmente importantes son los elementos traza, como hierro (Fe), cobre (Cu), zinc (Zn), yodo (I) y cobalto (Co), los cuales en conjunto conforman aproximadamente 0.1% de la masa corporal. Estos elementos son necesarios para el desarrollo de las funciones biológicas como el crecimiento, el transporte de oxígeno para el metabolismo y la defensa contra las enfermedades. Existe un balance delicado en las cantidades presentes de estos elementos en nuestros cuerpos. Su deiciencia o exceso durante un amplio periodo puede producir enfermedades graves, retraso mental o incluso la muerte.

a mayor parte de los elementos se presentan en forma natural. ¿Cómo están distribuidos estos elementos en la Tierra, y cuáles son esenciales para los sistemas vivos? Aproximadamente, la extensión de la corteza terrestre desde la supericie hacia el centro de la Tierra es de 40 kilómetros (alrededor de 25 millas). Debido a diicultades técnicas, los cientíicos no han podido estudiar las porciones internas de la Tierra con tanta facilidad como las de la corteza. No obstante, se cree que en el centro de la Tierra existe un núcleo sólido compuesto en su mayor parte por hierro. Alrededor del núcleo se encuentra una capa llamada manto, la cual está formada por un fluido caliente que contiene hierro, carbono, silicio y azufre. De los 83 elementos que se encuentran en la naturaleza, 12 constituyen 99.7% de la masa de la corteza terrestre. Éstos son, en orden decreciente de abundancia natural, oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na), potasio (K), titanio (Ti) hidrógeno (H), fósforo (P) y manganeso (Mn). Al analizar la abundancia natuManto Corteza

Núcleo

2 900 km 3 480 km Estructura del interior de la Tierra.

Elementos esenciales en el cuerpo humano Elemento

Porcentaje en masa*

Elemento

Porcentaje en masa*

Oxígeno

65

Sodio

0.1

Carbono

18

Magnesio

0.05

Hidrógeno

10

Hierro