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Timestamp: 2019-09-15 11:57:06+00:00

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Química | Raymond Chang ; revisión técnica, Rodolfo Álvarez Manzo, Silvia Ponce López, Rosa Zugazagoitia Herranz ; traducción de Erika Jasso Hernán DB́ourneville | download
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Strona główna Química
Raymond Chang, revisión técnica, Rodolfo Álvarez Manzo, Silvia Ponce López, Rosa Zugazagoitia Herranz, traducción de Erika Jasso Hernán DB́ourneville
Edycja: 10a ed
Liczba stron: 1173
ISBN 10: 6071503078
ISBN 13: 9786071503077
File: PDF, 110.88 MB
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editores, Sofía Xaviera García G., Enrique Gijón G., Bertha Prieto G
File: PDF, 122.59 MB
Michael Bungay Stanier, Seth Godin, Michael Port, Dave Ulrich, Chris Guillebeau, Leo Babauta
www.rinconmedico.smffy.com
www.facebook.com/fororinconmedico
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RevisoRes técnicos
Alicia Blanco Aquino
Ma. Luisa Martínez Medel
víctor Hugo del valle Muñoz
Alejandra Montes servín
Escuela Superior de ingeniería mecánica y Eléctrica del
Amador osorio Pérez
Rosario Alicia Gálvez chan
violeta Luz María Bravo Hernández
Facultad de contaduría, uNam
carlos Alberto Arango M
Randall Gregory Jesus coffie Goedhoop
Óscar eduardo osorno Reyes
teresita Guadalupe Avalos Munguía
Jorge Hernando castañeda Lizarazo
José Arturo León velázquez
Germán viveros cobo
colegio Lacordaire - Dominicos
Julio Óscar Quintana Grado
Jorge e. Granados A
Luis Alfonso Guerrero Rodríguez
nely Ríos Donato
oralia orduño Fragoza
tulio Guido vignolo Boggio
Fredy cuéllar Robles
césar Augusto Loayza Morales
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Rodolfo Álvarez Manzo
silvia Ponce López
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores
de Monterrey, Campus Monterrey
Rosa Zugazagoitia Herranz
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
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,
por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
DEREcHOS RESERVaDOS © 2010 respecto a la sexta edición en español por
mcGRaW-HiLL/iNTERamERicaNa EDiTORES, S.a. DE c.V.
Edificio Punta Santa Fe
Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre a
Piso 17, colonia Desarrollo Santa Fe,
c.P. 01376, méxico, D. F.
miembro de la cámara Nacional de la industria Editorial mexicana, Reg. Núm. 736
isBn: 978-607-15-0307-7
(iSBN edición anterior: 970-10-6111-X)
Traducido de la décima edición de: chemistry, by Raymond chang,
copyright © 2010 by The mcGraw-Hill companies, inc. all rights
iSBN: 978-007-351109-2
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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 Yale university.
Después de realizar su investigación posdoctoral en Washington university y enseñar durante un año en Hunter college of the 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 fisicoquímica, 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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química. El estudio del cambio
Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos
Átomos, moléculas y iones
Relaciones de masa en las reacciones químicas
Reacciones en disolución acuosa
Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos
Relaciones periódicas entre los elementos
Enlace químico i: conceptos básicos
Enlace químico ii: Geometría molecular e hibridación de orbitales
atómicos 408
Propiedades físicas de las disoluciones
Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad
química en la atmósfera
Entropía, energía libre y equilibrio
metalurgia y la química de los metales
Elementos no metálicos y sus compuestos
química de los metales de transición y compuestos de
coordinación 952
Polímeros orgánicos sintéticos y naturales
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Derivación de los nombres de los elementos
unidades para la constante de los gases
Datos termodinámicos a 1 atm y 25°c
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Prefacio xxi
Herramientas para obtener mayor provecho xxvi
Nota para el estudiante xxx
química. El estudio del cambio 2
química: una ciencia para el siglo xxi 2
Estudio de la química 7
El método científico 8
QUíMICA en acción
El helio primordial y la teoría del Big Bang 10
clasificación de la materia 10
Los tres estados de la materia 13
Propiedades físicas y químicas de la materia 14
mediciones 16
La importancia de las unidades 21
manejo de los números
análisis dimensional en la resolución de problemas 27
Ecuaciones básicas 31
Resumen de conceptos 31
Términos básicos 31
Preguntas y problemas 32
MISTERIO de la química
La desaparición de los dinosaurios 38
Átomos, moléculas y iones 40
Teoría atómica 42
Estructura del átomo 43
Número atómico, número de masa e isotopos 49
La tabla periódica 51
Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 52
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moléculas y iones 53
Fórmulas químicas 55
Nomenclatura de los compuestos 59
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introducción a los compuestos orgánicos 68
Ecuaciones básicas 70
Resumen de conceptos 70
Términos básicos 70
Preguntas y problemas 71
Relaciones de masa en las reacciones
químicas 78
masa atómica 80
Número de avogadro y masa molar de un elemento 81
masa molecular 85
Espectrómetro de masas 88
composición porcentual de los compuestos 88
Determinación experimental de fórmulas empíricas 92
Reacciones químicas y ecuaciones químicas 94
cantidades de reactivos y productos 99
Reactivo limitante 103
Rendimiento de reacción 106
Fertilizantes químicos 108
Ecuaciones básicas 109
Resumen de conceptos 109
Términos básicos 109
Preguntas y problemas 110
Reacciones en disolución acuosa 120
Propiedades generales de las disoluciones acuosas 122
Reacciones de precipitación 124
Una reacción de precipitación indeseable 129
Reacciones ácido-base 129
Reacciones de oxidación-reducción 135
Alcoholímetro 146
concentración de las disoluciones 147
análisis gravimétrico 151
Valoraciones ácido-base 153
Valoraciones redox 156
Metal proveniente del mar 158
Ecuaciones básicas 159
Resumen de conceptos 159
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12/22/09 6:05:10 PM
Términos básicos 160
Preguntas y problemas 160
¿Quién asesinó a Napoleón? 170
Gases 172
Sustancias que existen como gases 174
Presión de un gas 175
Leyes de los gases 179
Ecuación del gas ideal 185
Estequiometría de los gases 194
Ley de Dalton de las presiones parciales 196
Teoría cinética molecular de los gases 201
El buceo y las leyes de los gases 202
Átomos superenfriados 210
Desviación del comportamiento ideal 211
Ecuaciones básicas 214
Resumen de conceptos 214
Términos básicos 215
Preguntas y problemas 215
Sin oxígeno 226
Termoquímica 228
naturaleza y tipos de energía 230
cambios de energía en las reacciones químicas 231
introducción a la termodinámica 233
Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 239
Entalpía de las reacciones químicas 239
calorimetría 245
Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias 251
Entalpía estándar de formación y de reacción 252
Cómo se defiende el escarabajo bombardero 257
calor de disolución y de dilución 258
Ecuaciones básicas 261
Resumen de conceptos 261
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Términos básicos 262
Preguntas y problemas 262
El neumático explosivo 272
Teoría cuántica y la estructura electrónica
de los átomos 274
De la física clásica a la teoría cuántica 276
El efecto fotoeléctrico 280
Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 282
Láser: la luz esplendorosa 288
La naturaleza dual del electrón 288
Microscopia electrónica 292
mecánica cuántica 293
Números cuánticos 294
Orbitales atómicos 297
configuración electrónica 300
El principio de construcción 307
Ecuaciones básicas 311
Resumen de conceptos 311
Términos básicos 312
Preguntas y problemas 312
Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio 320
Relaciones periódicas entre
los elementos 322
Desarrollo de la tabla periódica 324
clasificación periódica de los elementos 326
Variaciones periódicas de las propiedades físicas 330
¿El tercer elemento líquido? 337
Energía de ionización 337
afinidad electrónica 341
Variación de las propiedades químicas de los elementos
representativos 344
El descubrimiento de los gases nobles 355
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Ecuaciones básicas 356
Resumen de conceptos 356
Términos básicos 356
Preguntas y problemas 356
Enlace químico i: conceptos básicos 364
Símbolos de puntos de Lewis 366
Enlace iónico 367
Energía reticular de los compuestos iónicos 369
Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 373
Enlace covalente 374
Electronegatividad 377
Escritura de las estructuras de Lewis 380
carga formal y estructura de Lewis 383
El concepto de resonancia 386
Excepciones a la regla del octeto 389
Sólo diga NO 393
9.10 Entalpía de enlace 394
Ecuaciones básicas 399
Resumen de conceptos 399
Términos básicos 399
Preguntas y problemas 399
Enlace químico ii: Geometría molecular
e hibridación de orbitales atómicos 408
10.1 Geometría molecular 410
10.2 momento dipolar 420
Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 424
Teoría de enlace valencia 424
Hibridación de orbitales atómicos 428
Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles y triples 437
Teoría de orbitales moleculares 440
configuraciones de orbitales moleculares 443
Orbitales moleculares deslocalizados 448
El buckybalón ¿un balón cualquiera? 450
Ecuaciones básicas 452
Resumen de conceptos 452
Términos básicos 453
Preguntas y problemas 453
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Fuerzas intermoleculares y líquidos
y sólidos 460
Teoría cinética molecular de líquidos y sólidos 462
Fuerzas intermoleculares 463
Propiedades de los líquidos 469
Estructura cristalina 472
¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 473
11.5 Difracción de rayos X de estructuras cristalinas 480
11.6 Tipos de cristales 482
Superconductores a altas temperaturas 486
11.7 Sólidos amorfos 486
Y todo por un botón 488
11.8 cambios de fase 489
11.9 Diagramas de fases 498
Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión
y el patinaje sobre hielo 500
Cristales líquidos 501
Ecuaciones básicas 503
Resumen de conceptos 503
Términos básicos 504
Preguntas y problemas 504
Propiedades físicas de las disoluciones 512
Tipos de disoluciones 514
Enfoque molecular del proceso de disolución 515
unidades de concentración 517
Efecto de la temperatura en la solubilidad 521
Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 524
El lago asesino 526
12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrólitos 526
12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrólitos 539
Desalinización 541
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12.8 coloides 541
Ecuaciones básicas 545
Resumen de conceptos 545
Términos básicos 545
Preguntas y problemas 546
El cuchillo equivocado 554
cinética química 556
13.1 La rapidez de una reacción 558
13.2 La ley de rapidez 565
13.3 Relación entre la concentración de reactivos y el tiempo 569
Determinación de la edad del Sudario de Turín 580
13.4 constantes de rapidez y su dependencia de la energía de activación
y de la temperatura 582
13.5 mecanismos de reacción 588
Femtoquímica 593
13.6 catálisis 594
Ecuaciones básicas 601
Resumen de conceptos 602
Términos básicos 602
Preguntas y problemas 602
Equilibrio químico 614
El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 616
Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 618
Relación entre cinética química y equilibrio químico 630
¿qué información proporciona la constante de equilibrio? 632
Factores que afectan el equilibrio químico 638
La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 645
El proceso Haber 646
Ecuaciones básicas 646
Resumen de conceptos 646
Términos básicos 647
Preguntas y problemas 648
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Ácidos y bases 658
Ácidos y bases de Brønsted 660
Ácidos dipróticos y polipróticos 681
Propiedades ácido-base del agua 661
El pH: una medida de la acidez 663
Fuerza de los ácidos y las bases 666
Ácidos débiles y la constante de ionización de un ácido 670
Bases débiles y la constante de ionización de una base 678
Relación entre las constantes de ionización de los ácidos y sus
bases conjugadas 680
Estructura molecular y fuerza de los ácidos 685
Propiedades ácido-base de las sales 689
Propiedades ácido-base de los óxidos y los hidróxidos 695
Ácidos y bases de Lewis 697
Antiácidos y el balance del pH en el estómago 698
Ecuaciones básicas 701
Resumen de conceptos 701
Términos básicos 702
Preguntas y problemas 702
La descomposición de los papeles 710
Equilibrios ácido-base y equilibrios
de solubilidad 712
16.1 comparación entre los equilibrios homogéneo y heterogéneo
en disolución 714
16.2 Efecto del ion común 714
16.3 Disoluciones amortiguadoras 717
16.4 Valoraciones ácido-base 723
Mantenimiento del pH de la sangre 724
indicadores ácido-base 732
Equilibrios de solubilidad 735
Separación de iones por precipitación fraccionada 742
El efecto del ion común y la solubilidad 744
El pH y la solubilidad 746
Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 749
¿Cómo se forma un cascarón de huevo? 753
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16.11 aplicación del principio del producto de solubilidad
al análisis cualitativo 754
Ecuaciones básicas 756
Resumen de conceptos 757
Términos básicos 757
Preguntas y problemas 757
Un duro bocadillo 766
química en la atmósfera 768
atmósfera terrestre 770
Fenómenos en las capas externas de la atmósfera 773
Destrucción del ozono en la estratosfera 775
Volcanes 780
Efecto invernadero 781
Lluvia ácida 785
Esmog fotoquímico 789
contaminación doméstica 791
Resumen de conceptos 794
Términos básicos 794
Preguntas y problemas 794
Entropía, energía libre y equilibrio 800
Las tres leyes de la termodinámica 802
Procesos espontáneos 802
Entropía 803
Segunda ley de la termodinámica 808
La eficiencia de las máquinas térmicas 814
18.5 Energía libre de Gibbs 814
18.6 Energía libre y equilibrio químico 821
18.7 Termodinámica en los sistemas vivos 825
La termodinámica de una liga 826
Ecuaciones básicas 828
Resumen de conceptos 828
Términos básicos 828
Preguntas y problemas 829
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Electroquímica 836
Reacciones redox 838
celdas galvánicas 841
Potenciales estándar de reducción 843
Termodinámica de las reacciones redox
Efecto de la concentración sobre la fem de la celda 852
Baterías 857
Energía bacteriana 861
19.7 corrosión 862
19.8 Electrólisis 866
Molestia producida por las amalgamas dentales 871
Ecuaciones básicas 872
Resumen de conceptos 873
Términos básicos 873
Preguntas y problemas 873
Agua sucia 882
metalurgia y la química de los metales 884
Presencia de los metales 886
Procesos metalúrgicos 886
Teoría de las bandas de conductividad eléctrica 894
Tendencias periódicas de las propiedades metálicas 896
metales alcalinos 897
metales alcalinotérreos 901
aluminio 903
Reciclamiento de aluminio 906
Resumen de conceptos 906
Términos básicos 907
Preguntas y problemas 908
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Elementos no metálicos y sus
compuestos 912
21.1 Propiedades generales de los no metales 914
21.2 Hidrógeno 914
Hidrógeno metálico 919
21.3 carbono 920
Gas sintético a partir del carbón 923
21.4 Nitrógeno y fósforo 924
Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 931
21.5 Oxígeno y azufre 932
21.6 Halógenos 939
Resumen de conceptos 946
Términos básicos 946
Preguntas y problemas 947
química de los metales de transición y
compuestos de coordinación 952
Propiedades de los metales de transición 954
La química del hierro y del cobre 957
compuestos de coordinación 959
Estructura de los compuestos de coordinación 964
El enlace en los compuestos de coordinación:
teoría de campo cristalino 967
22.6 Reacciones de los compuestos de coordinación 973
22.7 aplicaciones de los compuestos de coordinación 974
Compuestos de coordinación en los sistemas vivos 976
Ecuaciones básicas 976
Resumen de conceptos 976
Cisplatino: el medicamento anticancerígeno 978
Términos básicos 978
Preguntas y problemas 978
Datación de pinturas con el azul de Prusia 984
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química nuclear 986
Naturaleza de las reacciones nucleares 988
Estabilidad nuclear 990
Radiactividad natural 995
Transmutación nuclear 999
Fisión nuclear 1001
El reactor de fisión nuclear de la naturaleza 1006
23.6 Fusión nuclear 1007
23.7 aplicaciones de los isótopos 1010
23.8 Efectos biológicos de la radiación 1012
Irradiación de los alimentos 1014
Terapia por captura neutrónica de boro 1015
Ecuaciones básicas 1015
Resumen de conceptos 1016
Términos básicos 1016
Preguntas y problemas 1016
El arte de la falsificación en el siglo xx 1022
química orgánica 1024
24.1 clases de compuestos orgánicos 1026
24.2 Hidrocarburos alifáticos 1026
El hielo que se quema 1038
24.3 Hidrocarburos aromáticos 1039
24.4 química de los grupos funcionales 1042
La industria del petróleo 1048
Resumen de conceptos 1051
Términos básicos 1051
Preguntas y problemas 1051
Desaparición de huellas digitales 1058
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12/22/09 6:05:40 PM
Polímeros orgánicos sintéticos y
naturales 1060
25.1 Propiedades de los polímeros 1062
25.2 Polímeros orgánicos sintéticos 1062
25.3 Proteínas 1067
Anemia falciforme: una enfermedad molecular 1074
25.4 Ácidos nucleicos 1076
Huella digital del ADN 1079
Resumen de conceptos 1080
Términos básicos 1080
Preguntas y problemas 1080
Una historia que le erizará los cabellos 1084
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
Glosario G-1
Respuestas a las preguntas pares R-1
Créditos C-1
Índice I-1
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12/22/09 6:05:42 PM
esde la primera edición, mi intención ha sido escribir un texto de química general que ofrezca una
base firme 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 décima edición, como en las anteriores, 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
suficientemente amplio para prepararlos para el siguiente
nivel de aprendizaje. Los comentarios alentadores que he
recibido de maestros y estudiantes me han convencido de la
eficacia de este método.
Lo nuevo en esta edición
• Se han agregado muchos problemas nuevos de final
de capítulo con la representación gráfica de moléculas,
para poner a prueba las habilidades de comprensión
conceptual y razonamiento crítico del estudiante. Los
problemas más desafiantes se incluyen bajo la sección
“Problemas especiales”.
• En el capítulo 10 se incluyeron nuevos diagramas
orbitales moleculares generados por computadora.
• Se han revisado y actualizado muchas secciones con
base en los comentarios de revisores y usuarios. algunos ejemplos incluyen:
— Tratamiento revisado de las cantidades de reactivos y productos en el capítulo 3.
— Explicación revisada de las ecuaciones termoquímicas en el capítulo 6.
— cobertura ampliada de la carga nuclear efectiva en
el capítulo 8.
— Tratamiento revisado del factor de orientación en el
— análisis revisado de la entropía en el capítulo 18.
— Nueva sección agregada de química en acción (Terapia por captura neutrónica de boro) en el capítulo
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 final de capítulo. muchos de ellos presentan piezas
adicionales de conocimiento y permiten al estudiante resolver 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.
— verificación permite al estudiante verificar 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 fin 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
final del capítulo.
• Problemas de final 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 dificultad.
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12/22/09 6:05:43 PM
• Gráficas y diagramas de flujo son importantes en
ciencia. En Química, los diagramas de flujo muestran el
proceso mental de un concepto y las gráficas 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.
un despliegue de dos páginas al inicio de cada capítulo
consta de las secciones: sumario del capítulo y avance del
• sumario del capítulo permite al estudiante captar rápidamente el panorama de las principales ideas que se
exponen en él.
mismo tipo. Las respuestas a los Ejercicios de práctica
se presentan al final 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 identificables para fines de
repaso y estudio.
• Resumen de conceptos ofrece un repaso rápido de los
conceptos presentados y analizados a detalle dentro de
• Palabras clave son listas de todos los términos importantes para ayudar al estudiante a comprender el lenguaje de la química.
• Revisión de conceptos permite al estudiante hacer una
pausa y poner a prueba su comprensión del concepto
presentado y analizado en determinada sección.
• Problemas de final 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
Química abunda en ayudas didácticas útiles que se deben
usar de manera constante para reforzar la comprensión de
los conceptos químicos.
— Los Problemas adicionales utilizan el lenguaje obtenido de las diferentes secciones y capítulos previos para su resolución.
• Avance del capítulo ofrece al estudiante una síntesis de
los conceptos que se presentarán en el mismo.
• notas al margen se utilizan para dar sugerencias, pistas e información con el fin 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 (vea el ejemplo 6.1 de la página
237). una nota al margen muestra problemas similares
en la sección de problemas al final del capítulo, lo que
permite aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del
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— 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 final 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.
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
00_FRONT MATTER.indd 23
Barbara cole University of Maine
W. Lin coker iii Campbell University
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
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
12/22/09 6:05:44 PM
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 Pacific
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. Pesterfield 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
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David Speckhard Loras College
Rick Spinney Ohio State University
David Son Southern Methodist University
Larry O. Spreer University of the Pacific
Shane Street University of Alabama
Satoshi Takara University of Hawaii
Kimberly Trick University of Dayton
Bridget Trogden Mercer University
cyriacus uzomba Austin Community College
John B. Vincent University of Alabama
Thomas Webb Auburn University
Lyle Wescott University of Mississippi
Wayne Wesolowski University of Arizona
Ken Williams Francis Marion University
W.T. Wong, The University of Hong Kong
Troy Wood University of Buffalo
Gloria a. Wright Central Connecticut State University
Stephanie Wunder Temple University
christine Yerkes University of Illinois
Timothy Zauche University of Wisconsin–Platteville
William Zoller University of Washington
También agradezco a las siguientes personas por todos sus
mufeed Basti North Carolina A&T
Ken Goldsby Florida State University
John Hagen California Polytechnic University
Joseph Keane Muhlenberg College
michael Ogawa Bowling Green State University
John Pollard University of Arizona
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 10.
como siempre, me he beneficiado 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 estudios universitarios 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 fotográfica, a Daryl Bruflodt
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
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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.
—Raymond Chang.
Herramientas para obtener mayor provecho
Relaciones de masa
en las reacciones químicas
Página de apertura de cada capítulo:
Prepárese para un mayor aprovechamiento
con el sumario del capítulo.
Azufre en combustión con el oxígeno para formar dióxido de azufre. Los modelos muestran moléculas de azufre elemental (S8), de
oxígeno y de dióxido de azufre.
Cada año, alrededor de 50 millones
de toneladas de SO2 se liberan a la
atmósfera.
Examine “avance del capítulo”
para familiarizarse con los
conceptos del capítulo.
Determinación experimental
de fórmulas empíricas
Reacciones químicas y
Cantidades de reactivos y
Avance del capítulo
Iniciaremos este capítulo con el estudio de la masa de un átomo, la cual está basada
en la escala del isótopo de carbono-12. A un átomo del isótopo de carbono-12 se
le asigna una masa de exactamente 12 unidades de masa atómica (uma). A fin de
trabajar con la escala de gramos, más conveniente, se utiliza la masa molar. La
masa molar del carbono-12 tiene una masa de exactamente 12 gramos y contiene
el número de Avogadro (6.022 × 1023) de átomos. Las masas moleculares de otros
elementos también se expresan en gramos y contienen el mismo número de átomos.
(3.1 y 3.2)
El análisis de la masa atómica se relaciona con la masa molecular, la cual es la suma
de las masas de los átomos presentes. Aprenderemos que la forma más directa de determinar la masa atómica y molecular es mediante el uso de un espectrómetro de masas. (3.3 y 3.4)
Para continuar con el estudio de las moléculas y compuestos iónicos, aprenderemos
a calcular la composición porcentual de estas especies a partir de sus fórmulas químicas. (3.5)
Estudiaremos cómo se determinan, mediante experimentación, la fórmula empírica
y molecular de un compuesto. (3.6)
Después aprenderemos a escribir una ecuación química para describir el resultado
de una reacción química. Una ecuación química se debe balancear de manera que
se pueda tener el mismo número y clase de átomos para los reactivos, las materias
primas, y los productos, las sustancias formadas al final de la reacción. (3.7)
Con base en el conocimiento adquirido de las ecuaciones químicas, continuaremos
con el estudio de las relaciones de masa de las reacciones químicas. Una ecuación
química permite el uso del método del mol para predecir la cantidad de producto(s)
formado(s), una vez conocida la cantidad de reactivo(s) utilizado(s). Observaremos
que el rendimiento de una reacción depende de la cantidad del reactivo limitante (el
reactivo que se consume primero) presente. (3.8 y 3.9)
Aprenderemos que el rendimiento real de una reacción es casi siempre menor que
el pronosticado a partir de la ecuación, conocido como rendimiento teórico, debido
a diversas complicaciones. (3.10)
Número de Avogadro y
masa molar de un elemento
Composición porcentual de
Rendimiento de reacción
n este capítulo estudiaremos las masas de los átomos y de las moléculas y lo que
les ocurre cuando se realizan cambios químicos. El análisis se basará en la ley de
la conservación de la masa.
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12/22/09 6:06:04 PM
Herramientas visuales: comprenda los
principios químicos por medio de los
diferentes estilos de ayudas visuales y el
desglose de conceptos importantes.
Herramientas para la
ejemplos: Domine el pensamiento lógico y
sistemático para la resolución de problemas.
Revisión de conceptos:
compruebe su comprensión mediante la
herramienta Revisión de conceptos que
se encuentra después de las secciones
correspondientes en cada capítulo.
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12/22/09 6:06:19 PM
¿Qué es una unidad de masa atómica? ¿Por qué es necesaria la introducción de dicha unidad?
¿Cuál es la masa (en uma) del átomo de carbono-12? ¿Por
qué la masa del carbono aparece como 12.01 uma en la
tabla periódica de la segunda de forros de este libro?
Explique de manera clara el significado del enunciado “la
masa atómica del oro es 197.0 uma”.
¿Qué información se necesita para calcular la masa atómica promedio de un elemento?
Las masas atómicas de 17
Cl (75.53%) y 17
Cl (24.47%) son
34.968 uma y 36.956 uma, respectivamente. Calcule la
masa atómica promedio del cloro. Los porcentajes entre
paréntesis indican la abundancia relativa.
Las masas atómicas de 36Li y 37Li son 6.0151 uma y 7.0160
uma, respectivamente. Calcule la abundancia natural de
estos dos isótopos. La masa atómica promedio del Li es
6.941 uma.
¿Cuál es la masa (en gramos) de 13.2 uma?
¿Cuántas uma existen en 8.4 g?
Número de Avogadro y masa molar
Defina el término “mol”. ¿Cuál es la unidad para el mol en
los cálculos? ¿Qué tiene en común el mol con el par, la
docena y la gruesa? ¿Qué representa el número de Avogadro?
3.10 ¿Qué es la masa molar de un átomo? ¿Cuáles son las unidades comúnmente utilizadas para masa molar?
3.11 La población mundial es aproximadamente de 65 mil millones. Suponga que cada persona sobre la Tierra participa
en un proceso de contar partículas idénticas a una rapidez
de dos partículas por segundo. ¿Cuántos años llevaría
contar 6.0 × 1023 partículas? Suponga años de 365 días.
3.12 El espesor de una hoja de papel es 0.0036 pulgadas. Considere que cierto libro tiene el número de Avogadro de
hojas; calcule el grosor de dicho libro en años-luz. (Sugerencia: Vea el problema 1.47 para la definición de añoluz.)
3.13 ¿Cuántos átomos hay en 5.10 moles de azufre (S)?
3.14 ¿Cuántos moles de átomos de cobalto (Co) hay en 6.00 ×
109 (6 mil millones) de átomos de Co?
3.15 ¿Cuántos moles de átomos de calcio (Ca) hay en 77.4 g de
3.16 ¿Cuántos gramos de oro (Au) hay en 15.3 moles de Au?
3.17 ¿Cuál es la masa en gramos de un solo átomo de cada uno
de los siguientes elementos? a) Hg, b) Ne.
3.18 ¿Cuál es la masa en gramos de un solo átomo de cada uno
de los siguientes elementos? a) As, b) Ni.
3.19 ¿Cuál es la masa en gramos de 1.00 × 1012 átomos de
plomo (Pb)?
3.20 ¿Cuántos átomos están presentes en 3.14 g de cobre
(Cu)?
3.21 ¿Cuál de las siguientes cantidades contiene más átomos:
1.10 g de átomos de hidrógeno o 14.7 g de átomos de
cromo?
3.22 ¿Cuál de las siguientes cantidades tiene mayor masa: 2
átomos de plomo o 5.1 × 10–23 moles de helio.
Problemas al final del capítulo:
Practique su habilidad y conocimiento
de los conceptos resolviendo los
problemas que se encuentran al final de
3.23 Calcule la masa molecular (en uma) de cada una de las
siguientes sustancias: a) CH4, b) NO2, c) SO3, d) C6H6, e)
NaI, f) K2SO4, g) Ca3(PO4)2.
3.24 Calcule la masa molar de cada una de las siguientes sustancias: a) Li2CO3, b) CS2, c) CHCl3 (cloroformo), d)
C6H8O6 (ácido ascórbico, o vitamina C), e) KNO3, f)
Mg3N2.
3.25 Calcule la masa molar de un compuesto si 0.372 moles de
él tienen una masa de 152 g.
3.26 ¿Cuántas moléculas de etano (C2H6) están presentes en
0.334 g de C2H6?
3.27 Calcule el número de átomos de C, H y O en 1.50 g del
azúcar glucosa (C6H12O6).
3.28 La urea [(NH2)2CO] se utiliza, entre otras cosas, como
fertilizante. Calcule el número de átomos de N, C, O e H
en 1.68 × 104 g de urea.
3.29 Las feromonas son un tipo especial de compuestos secretadas por las hembras de muchas especies de insectos con
el fin de atraer a los machos para aparearse. Una feromona
tiene la fórmula molecular C19H38O. Normalmente, la
cantidad de esta feromona secretada por un insecto hembra es de alrededor de 1.0 × 10–12 g. ¿Cuántas moléculas
hay en esta cantidad?
3.30 La densidadProblemas
del agua es 1.00 g/mL a 4°C. ¿Cuántas moléculas de agua están presentes en 2.56 mL de agua a di-12
cha temperatura? El carbono tiene dos isótopos estables, 6C y19 6C, en tanto
que el flúor tiene sólo un isótopo estable, 9 F. ¿Cuántas
señales esperaría observar en el espectro de masas del ion
positivo de CF4+? Suponga que dicho ion no se rompe en
fragmentos más pequeños.
3.34 El hidrógeno tiene dos isótopos estables, 11H y 12H, en tanto
3.31 Describa cómo funciona
un espectrómetro
masas. estables, 16
S, 16
que el azufre
tiene cuatrodeisótopos
esperaríaisotópica
observar en el espectro de
3.32 Describa cómo podría
determinarseñales
16 S. ¿Cuántas
masasdedel
sulfuro de hidrógeno H2S ? Sude un elemento a partir
su ion
ponga que el ion no se descompone en fragmentos más
Composición porcentual y fórmulas químicas
3.35 Utilice el amoniaco (NH3) para explicar el significado de
la composición porcentual en masa de un compuesto.
3.36 Describa cómo el conocimiento de la composición porcentual en masa de un compuesto desconocido puede ayudar a su identificación.
3.37 ¿Cuál es el significado de la palabra “empírica” en el término fórmula empírica?
3.38 Si conocemos la fórmula empírica de un compuesto, ¿cuál
otra información adicional necesitamos para determinar
su fórmula molecular?
3.39 El estaño (Sn) existe en la corteza terrestre como SnO2.
Calcule la composición porcentual en masa de Sn y de O
en el SnO2.
3.40 Durante muchos años se utilizó el cloroformo (CHCl3)
como anestésico de inhalación a pesar de ser también una
sustancia tóxica que puede dañar el hígado, los riñones y
el corazón. Calcule la composición porcentual en masa de
este compuesto.
3.41 El alcohol cinámico se utiliza principalmente en perfumería, en especial en jabones y cosméticos. Su fórmula molecular es C9H10O. a) Calcule la composición porcentual
en masa de C, H y O del alcohol cinámico. b) ¿Cuántas
moléculas de alcohol cinámico están presentes en una
muestra de 0.469 g?
3.42 Todas las sustancias que aparecen a continuación se utilizan como fertilizantes que contribuyen a la nitrogenación
del suelo. ¿Cuál de ellas representa una mejor fuente de
nitrógeno, de acuerdo con su composición porcentual en
a) Urea (NH2)2CO
b) Nitrato de amonio, NH4NO3
c) Guanidina, HNC(NH2)2
d) Amoniaco, NH3
3.43 La alicina es el compuesto responsable del olor característico del ajo. Un análisis de dicho compuesto muestra la
siguiente composición porcentual en masa: C: 44.4%; H:
6.21%; S: 39.5%; O: 9.86%. Calcule su fórmula empírica.
¿Cuál es su fórmula molecular si su masa molar es aproximadamente de 162 g?
3.44 El peroxiacilnitrato (PAN) es uno de los componentes del
esmog. Está formado por C, H, N y O. Determine la composición porcentual de oxígeno y la fórmula empírica, a
partir de la siguiente composición porcentual en masa:
19.8% de C, 2.50% de H y 11.6% de N. ¿Cuál es su fórmula molecular si su masa molar es aproximadamente de
120 g?
3.45 La fórmula de la herrumbre se puede representar como
Fe2O3. ¿Cuántas moles de Fe están presentes en 24.6 g del
compuesto?
3.46 ¿Cuántos gramos de azufre (S) se necesitan para reaccionar completamente con 246 g de mercurio (Hg) para formar HgS?
3.47 Calcule la masa en gramos de yodo (I2) que reaccionará
completamente con 20.4 g de aluminio (Al) para formar
yoduro de aluminio (AlI3).
3.48 Frecuentemente se agrega fluoruro de estaño(II) (SnF2) a
los dentífricos como un ingrediente para evitar las caries.
¿Cuál es la masa de F en gramos que existe en 24.6 g de
este compuesto?
3.49 ¿Cuál es la fórmula empírica de cada uno de los compuestos que tiene la siguiente composición? a) 2.1% de H,
65.3% de O y 32.6% de S, b) 20.2% de Al y 79.8% de
3.50 ¿Cuál es la fórmula empírica de cada uno de los compuestos que tiene la siguiente composición? a) 40.1% de C,
6.6% de H y 53.3% de O, b) 18.4% de C, 21.5% de N y
60.1% de K.
3.51 El agente antiaglutinante agregado a la sal de Morton es el
silicato de calcio, CaSiO3. Este compuesto puede absorber
hasta 2.5 veces su masa en agua y sigue conservando su
textura de polvo fino. Calcule la composición porcentual
de CaSiO3.
3.52 La fórmula empírica de un compuesto es CH. Si la masa
molar de este compuesto es aproximadamente de 78 g,
¿cuál será su fórmula molecular?
3.53 La masa molar de la cafeína es 194.19 g. ¿Cuál es la fórmula molecular de la cafeína, C4H5N2O o bien
C8H10N4O2?
3.54 Se sospecha que el glutamato monosódico (MSG), un potenciador de sabor de alimentos, es el causante del “síndrome del restaurante chino”, ya que puede causar dolores
de cabeza y de pecho. El MSG tiene la siguiente composición porcentual en masa: 35.51% de C, 4.77% de H,
37.85% de O, 8.29% de N y 13.60% de Na. ¿Cuál será su
fórmula molecular si su masa molar es aproximadamente
de 169 g?
Reacciones químicas y ecuaciones químicas
3.55 Utilice la formación de agua a partir de hidrógeno y oxígeno para explicar los siguientes términos: reacción química, reactivo, producto.
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Final del capítulo: al prepararse
para los exámenes, ponga a prueba
sus conocimientos con la ayuda
de las siguientes herramientas:
Ecuaciones básicas, Resumen,
Términos básicos, Preguntas y
Ecuaciones básicas
Zefect = Z − s
Definición de carga nuclear efectiva.
Resumen de conceptos
1. Los químicos del siglo xix desarrollaron la tabla periódica
acomodando los elementos en orden creciente de sus masas
atómicas. Se resolvieron algunas discrepancias de las primeras versiones de la tabla periódica acomodando los elementos en orden creciente de sus números atómicos.
2. La configuración electrónica determina las propiedades de
los elementos. La tabla periódica moderna clasifi ca los elementos de acuerdo con sus números atómicos y también
según su configuración electrónica. La configuración de los
electrones de valencia afecta de manera directa las propiedades de los átomos de los elementos representativos.
3. Las variaciones periódicas de las propiedades físicas de los
elementos reflejan diferencias en la estructura atómica. El
carácter metálico de los elementos disminuye a lo largo de
un periodo: empieza con metales, continúa con metaloides y
termina con no metales; además, aumenta de arriba abajo
dentro de un grupo específico de elementos representativos.
4. El radio atómico varía periódicamente con la posición de
los elementos en la tabla periódica. Disminuye de izquierda
a derecha y aumenta de arriba abajo.
5. La energía de ionización es una medida de la tendencia de
un átomo a evitar la pérdida de un electrón. A mayor energía de ionización, es mayor la fuerza de atracción del núcleo sobre el electrón. La afinidad electrónica es una medida
de la tendencia de un átomo a ganar un electrón. Cuanto
más positivo sea el valor de la afinidad electrónica, mayor
la tendencia del átomo a ganar un electrón. Por lo general,
los metales tienen bajas energías de ionización, y los no
metales altas afinidades electrónicas.
6. Los gases nobles son muy estables debido a que sus subniveles externos ns y np están completamente llenos. Los metales de los elementos representativos (de los grupos 1A,
2A y 3A) tienden a perder electrones hasta que sus cationes
se vuelven isoelectrónicos con el gas noble que los precede
en la tabla periódica. Los no metales de los grupos 5A, 6A
y 7A tienden a aceptar electrones hasta que sus aniones se
vuelven isoelectrónicos con el gas noble que les sigue en la
Afinidad electrónica, p. 341
Carga nuclear efectiva (Zefect),
Electrones internos, p. 327
Electrones de valencia,
Elementos representativos,
Energía de ionización,
Isoelectrónicos, p. 330
Óxido anfótero, p. 353
Radio atómico, p. 331
Radio iónico, p. 333
Relaciones diagonales,
Clasificación periódica de los elementos
Describa brevemente la importancia de la tabla periódica
de Mendeleev.
¿Cuál fue la contribución de Moseley a la tabla periódica
moderna?
Describa los lineamientos generales de la tabla periódica
¿Cuál es la relación más importante entre los elementos de
un mismo grupo en la tabla periódica?
¿Cuáles de los siguientes elementos son metales, cuáles
no metales y cuáles metaloides?: As, Xe, Fe, Li, B, Cl, Ba,
P, I, Si.
Compare las propiedades físicas y químicas de los metales
y de los no metales.
Dibuje un esquema general de una tabla periódica (no se
requieren detalles). Indique dónde se localizan los metales, los no metales y los metaloides.
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a química general suele considerarse como una materia más difícil que las demás. En cierto sentido esto
es justificable, 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 significado 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
• No dude en pedir ayuda al maestro o a su asistente.
Las herramientas para la décima edición 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.
• antes de ahondar en el capítulo, lea el sumario y el
avance del capítulo para darse una idea de los temas importantes. utilice el sumario para organizar sus apuntes
en clase.
• al final de cada capítulo, encontrará un resumen de
conceptos, ecuaciones básicas y una lista de términos
básicos, todo lo cual le servirá como un repaso para los
• Los términos básicos están acompañados de la página,
de manera que pueda remitirse al capítulo y estudie su
contexto, o bien lo revise en el glosario al final del libro.
• 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 final 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 final 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 desafiante, pero menos difícil y mucho más interesante de lo que
—Raymond Chang
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Qu í mi c a
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El estudio del cambio
un globo lleno de hidrógeno
explota al calentarlo con una flama.
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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12/20/09 11:53:03 AM
Química: una ciencia para el
Propiedades físicas y
químicas de la materia
Este capítulo inicia con una breve introducción al estudio de la química y su función
dentro de la sociedad moderna (1.1 y 1.2)
a continuación conoceremos las bases del método científico, que es una metodología
sistemática para la investigación en todas las disciplinas científicas. (1.3)
Definiremos el concepto de materia y observaremos que una sustancia pura puede
ser un elemento o un compuesto. Distinguiremos entre una mezcla homogénea y
una heterogénea. aprenderemos que, en principio, toda la materia puede existir en
cualquiera de los tres estados: sólido, líquido o gaseoso. (1.4 y 1.5)
Para caracterizar una sustancia necesitamos conocer sus propiedades físicas, las
cuales son observables sin que sus propiedades químicas e identidad sufran cambio
alguno, lo que sólo puede demostrarse mediante cambios químicos. (1.6)
Debido a que se trata de una ciencia experimental, la química involucra el uso de
las mediciones. conoceremos las unidades básicas del Si (Sistema internacional
de medidas) y emplearemos sus unidades derivadas en cantidades como el volumen y la densidad. También estudiaremos las tres escalas de temperatura: celsius,
Fahrenheit y Kelvin. (1.7)
con frecuencia, los cálculos químicos implican el uso de cantidades muy pequeñas
o muy grandes, y una manera conveniente para tratar con algunas de estas cifras es
la notación científica. En los cálculos o mediciones cada cantidad debe presentar el
número adecuado de cifras significativas, las que corresponden a dígitos importantes. (1.8)
Por último, entenderemos la utilidad del análisis dimensional para los cálculos químicos. al considerar las unidades a lo largo de la secuencia completa de cálculos,
todas las unidades se cancelarán, a excepción de aquella que se busca. (1.9)
Los tres estados de la
análisis dimensional en la
Example Practice Problems
End of chapter Problems
Quantum Tutors
a química es una ciencia activa y en evolución que tiene importancia vital en
nuestro planeta, tanto en la naturaleza como en la sociedad. aunque sus raíces son
antiguas, la química es en todos sentidos una ciencia moderna, como veremos un poco
iniciaremos el estudio de la química en el nivel macroscópico, en el que es posible
observar y medir los materiales que forman nuestro mundo. En este capítulo analizaremos el método científico, que es la base para la investigación no sólo en química,
sino también en las demás ciencias. Luego, descubriremos la forma en que los científicos definen y caracterizan a la materia. Por último, dedicaremos un poco de tiempo
al aprendizaje del manejo de los resultados numéricos de las mediciones químicas y a
la resolución de problemas numéricos. En el capítulo 2 iniciaremos la exploración del
mundo microscópico de átomos y moléculas.
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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 científicos
separaran sustancias en sus componentes y, por tanto, explicaran muchas de sus características
físicas y químicas. El desarrollo acelerado de tecnología cada vez más refinada durante el siglo xx nos ha brindado 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 específicas, 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
(figura 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.
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 fibrosis quística y la hemofilia, 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 específico en las células del paciente para curar o aminorar esos trastornos. a fin de ejecutar esos
procedimientos, el médico debe tener conocimientos sólidos de las propiedades químicas de
los componentes moleculares implicados. La descodificación 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.
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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Química: una ciencia para el siglo xxi
Figura 1.1 a) Salida de datos de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada línea muestra
una secuencia (indicada por colores distintos) 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
superficie 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 reflejarse 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 científico 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 fisión 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 fisión. Los químicos pueden ayudar en el mejo-
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ramiento del destino final 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 significativa 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 eficientes 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.
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 mejorar 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 oficinas, 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
eficiencia 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 científicos 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 científicos 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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¿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 fin 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 codifica 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 identificación 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.
1.2 Estudio de la química
En comparación con otras disciplinas, es habitual la idea de que la química es más difícil, al
menos en el nivel básico. Dicha percepción se justifica hasta cierto punto; por ejemplo, es una
disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo, inclusive si éste es el primer
curso de química que toma usted, ya está familiarizado con el tema mucho más de lo que supone. En las conversaciones cotidianas escuchamos palabras relacionadas con la química, si
bien no necesariamente usadas en el sentido científicamente correcto. Ejemplo de ello son términos como “electrónica”, “salto cuántico”, “equilibrio”, “catalizador”, “reacción en cadena”
y “masa crítica”. además, si usted cocina, ¡entonces es un químico en ejercicio! Gracias a su
experiencia en la cocina, sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua
en la estufa llega un momento en que se evapora por completo. También aplica los principios
de la química y la física cuando usa el bicarbonato de sodio en la elaboración de pan; una olla
a presión para abreviar el tiempo de preparación de guisos, añade ablandador de carnes a un
platillo, exprime un limón sobre rebanadas de pera para evitar que se tornen oscuras o sobre
el pescado para minimizar su olor, o añade vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los
días observamos esos cambios sin pensar en su naturaleza química. El propósito de este curso
es hacer que usted piense como químico, que vea el mundo macroscópico, lo que podemos ver
y tocar directamente, y visualice las partículas y fenómenos del mundo microscópico que no
podemos experimentar sin la tecnología moderna y nuestra imaginación.
al principio es factible que le confunda que su profesor de química y este libro alternen continuamente entre los mundos microscópico y macroscópico. Simplemente debe tener
presente que los datos de las investigaciones químicas suelen provenir de observaciones de
fenómenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en el mundo microscópico
invisible e imaginario de átomos y moléculas. En otras palabras, los químicos frecuentemente
ven algo (en el mundo macroscópico) y piensan en algo más (en el mundo microscópico). Por
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Vista molecular simplificada de la formación de la herrumbre (Fe2O3) a partir de átomos de hierro (Fe) y moléculas de oxígeno
(O2). En realidad, el proceso requiere agua y la herrumbre también contiene moléculas de agua.
ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un químico pensaría en las propiedades básicas de los átomos individuales del hierro y la forma en que interaccionan dichas
unidades con otros átomos y moléculas para producir el cambio observado.
1.3 El método científico
Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de lo que se denomina método
científico, que es un enfoque sistemático para la investigación. Por ejemplo, un psicólogo que
pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender química
y un químico interesado en medir el calor liberado por la combustión del hidrógeno gaseoso
en presencia de aire utilizarían aproximadamente el mismo procedimiento en sus investigaciones. El primer paso consiste en definir de manera minuciosa el problema. El siguiente es
realizar experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la información, o datos,
concernientes al sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En los ejemplos
recién mencionados, los sistemas son el grupo de personas que estudia el psicólogo y una
mezcla de hidrógeno y aire, respectivamente.)
Los datos obtenidos en una investigación pueden ser cualitativos, o sea, consistentes en
observaciones generales acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los números obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los químicos usan símbolos y
ecuaciones estandarizados en el registro de sus mediciones y observaciones. Esta forma de
representación no sólo simplifica el proceso de registro, sino que también constituye una base
común para la comunicación con otros químicos.
una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el paso siguiente del método
científico es la interpretación, en la que el científico intenta explicar el fenómeno observado.
con base en los datos recopilados, el investigador formula una hipótesis, que es una explicación tentativa de un conjunto de observaciones. Luego, se diseñan experimentos adicionales
para verificar la validez de la hipótesis en tantas formas como sea posible y el proceso se inicia
de nuevo. En la figura 1.3 se resumen los pasos principales del proceso de investigación.
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Después de recopilar un gran volumen de datos, a menudo es aconsejable resumir la
información de manera concisa, como una ley. En la ciencia, una ley es un enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre fenómenos que es siempre la misma bajo las
mismas condiciones. Por ejemplo, la segunda ley del movimiento de Sir isaac Newton, que tal
vez recuerde de sus cursos de física, afirma que la fuerza es igual a la masa por la aceleración
(F = ma). El significado de esta ley es que el aumento en la masa o en la aceleración de un
objeto siempre incrementa proporcionalmente su fuerza, en tanto que una disminución en la
masa o en la aceleración indudablemente reduce su fuerza.
Las hipótesis que resisten muchas pruebas experimentales de su validez pueden convertirse en teorías. una teoría es un principio unificador que explica un conjunto de hechos o
las leyes basadas en esos hechos. Las teorías también son sometidas a valoración constante.
Si una teoría es refutada en un experimento, se debe desechar o modificar para hacerla compatible con las observaciones experimentales. aprobar o descartar una teoría puede tardarse
años o inclusive siglos, en parte por la carencia de la tecnología necesaria. La teoría atómica,
que es tema del capítulo 2, es un ejemplo al respecto. Se precisaron más de 2 000 años para
confirmar este principio fundamental de la química que propuso Demócrito, un filósofo de la
antigua Grecia. un ejemplo más contemporáneo es la teoría del Big Bang sobre el origen del
universo, que se comenta en la página 10.
Los adelantos científicos pocas veces, si acaso, se logran de manera rígida, paso a paso.
En ocasiones, una ley precede a la teoría correspondiente, o viceversa. Es posible que dos
científicos empiecen a trabajar en un proyecto exactamente con el mismo objetivo y terminen
con enfoques del todo distintos. Después de todo, los científicos son seres humanos, y su forma de pensar y trabajar está sujeta a influencia considerable de sus antecedentes, capacitación
y personalidad.
El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y a veces ilógico. Los grandes descubrimientos son resultado de las contribuciones y experiencias acumuladas de muchos investigadores,
pese a que el crédito por la formulación de una teoría o ley por lo regular se otorga a una sola
persona. Por supuesto, la suerte es un factor en los descubrimientos científicos, si bien se ha
afirmado que “las oportunidades favorecen a las mentes preparadas”. Se requiere atención y
capacidad para reconocer la importancia de un descubrimiento accidental y sacar máximo
provecho de él. Es muy frecuente que el público general se entere sólo de los adelantos científicos espectaculares. Sin embargo, por cada una de esas historias muy conocidas existen
cientos de casos de científicos que han dedicado años a trabajar en proyectos que finalmente
terminaron siendo infructuosos, y en los que se logran resultados positivos sólo después de
muchos errores y a un ritmo tan lento que pasan inadvertidos. inclusive esas investigaciones
infructuosas contribuyen de alguna manera al avance continuo del conocimiento del universo
físico. Es el amor por la investigación lo que mantiene en el laboratorio a muchos científicos.
Los tres niveles
del estudio de la química y su
relación. La observación corresponde a fenómenos en el mundo
macroscópico; los átomos y
moléculas conforman el mundo
microscópico. La representación
es una escritura científica abreviada que describe un experimento con símbolos y ecuaciones
químicas. Los químicos usan su
conocimiento de los átomos y
moléculas para explicar un fenómeno observado.
¿cuál de los siguientes enunciados es verdadero?
a) una hipótesis siempre conduce a la formulación de una ley.
b) El método científico es una secuencia rigurosa de pasos para la resolución de
c) una ley resume una serie de observaciones experimentales; una teoría ofrece una
explicación de esas observaciones.
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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 científico.
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 influencia 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 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, –270°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
El tercer dato que sustenta la hipótesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordial. Los científicos 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
Foto a color de alguna galaxia distante, incluyendo la posición de un
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 confines distantes del universo.
En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los científicos ahora se refieren a la hipótesis de Gamow como teoría del Big
1.4 Clasificación de la materia
al principio del capítulo definimos 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”.
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Los químicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composición y propiedades. La clasificación de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos,
además de los átomos y moléculas, que estudiaremos en el capítulo 2.
una sustancia es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azúcar de mesa (sacarosa), oro y
oxígeno. Las sustancias difieren entre sí por su composición y se pueden identificar 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
mantienen separadas (figura 1.4). 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 [figura 1.4b)]. 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 identificado
117 elementos. La mayoría de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se
han obtenido por medios científicos mediante procesos nucleares, que son tema del capítulo
23 de este texto.
Figura 1.4 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
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Algunos elementos comunes y sus símbolos
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 científicos 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 difieren 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 modifica, 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 fijas. 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 figura 1.5.
¿cuál de los siguientes diagramas representa elementos y cuál representa compuestos?
cada esfera de color (o esfera truncada) representa a un átomo.
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Los tres estados de la materia
Separación por
homogéneas
heterogéneas
Clasificación de la materia.
1.5 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 figura 1.6, los gases difieren 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
Figura 1.6 Representación
microscópica de un sólido, un
líquido y un gas.
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Figura 1.7 Los tres estados
de la materia. Un lingote caliente
transforma el hielo en agua y
luego en vapor de agua.
sólida. Los tres estados de la materia se muestran en la figura 1.7. 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.
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.
1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia
Se identifican 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 modifique la composición o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible
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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 difiere 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 afirma 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 fin 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 100ºc, la yema y la clara experimentan cambios que no sólo modifican
su aspecto físico, sino también su composición química. Después, al comerse, el huevo se
modifica 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 significa 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 define 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 define 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 está 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.
Combustión del hidrógeno en el aire para
formar agua.
El diagrama en a) muestra un compuesto integrado por átomos de dos elementos
(representados por las esferas rojas y verdes) en estado líquido. ¿cuál de los
diagramas en b) a d ) representa un cambio físico y cuál un cambio químico?
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1.7 Mediciones
Los químicos frecuentemente realizan mediciones que usan en cálculos para obtener otras
cantidades relacionadas. Los diferentes instrumentos permiten medir las propiedades de una
sustancia: con una cinta métrica se mide la longitud; con la bureta, pipeta, probeta graduada
y matraz volumétrico, el volumen (figura 1.8); con la balanza, la masa, y con el termómetro,
la temperatura. Estos instrumentos proporcionan mediciones de propiedades macroscópicas
que pueden determinarse directamente. Las propiedades microscópicas, en la escala atómica o molecular, tienen que determinarse con un método indirecto, como analizaremos en el
una cantidad medida suele describirse como un número con una unidad apropiada. afirmar que la distancia en automóvil entre Nueva York y San Francisco por cierta carretera es de
5 166 no tiene sentido. Se requiere especificar que la distancia es de 5 166 km. Lo mismo es
válido en química; las unidades son esenciales para expresar correctamente las mediciones.
Unidades del Sistema Internacional (SI)
Durante muchos años, los científicos registraron las mediciones en unidades métricas que se
relacionan de manera decimal, es decir, con base en potencias de diez. Sin embargo, en 1960
la conferencia General de Pesos y medidas, que es la autoridad internacional en cuanto a unidades, propuso un sistema métrico revisado, al que se llamó Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI, del francés Système International d’unités). En la tabla 1.2 se muestran
las siete unidades básicas del Si. Todas las demás unidades de medición se derivan de ellas. al
igual que las unidades métricas, las del Si se modifican de manera decimal con prefijos, como
se ilustra en la tabla 1.3. En este texto se utilizan tanto las unidades métricas como las del Si.
Las mediciones que se utilizan frecuentemente en el estudio de la química son las de
tiempo, masa, volumen, densidad y temperatura.
Algunos dispositivos de medición comunes en
los laboratorios de química. No
se ilustran a escala proporcional.
Los usos de estos dispositivos
de medición se analizan en el
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Probeta graduada
Matraz volumétrico
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Unidades básicas del Sistema Internacional
Cantidad básica

References: resolución 
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