Química General petrucci

En esta edición, se ha hecho hincapié en el aspecto pedagógico y se ha profundizado más en algunas áreas, siempre de acuerdo con las ideas actuales de cómo enseñar mejor la química general. Se ha cambiado ligeramente la organización del libro para mejorar el flujo de información al estudiante. Química General 10Ed, es la nueva edición del bestseller de Ralph H. Petrucci. Las mejoras introducidas a lo largo del libro se resumen en: -Procedimiento lógico para la resolución de problemas -Ejemplos de recapitulación y Ejercicios al final del capítulo -Recomendaciones de la IUPAC Otras innovaciones y características más relevantes de la obra son, entre otras, los Problemas de Seminario, los Ejercicios Prácticos que acompañan a los ejemplos insertados en cada capítulo, los Apartados de Atención y las notas al margen Recuerde que. Cada libro tendrá un acceso a MasteringChemistry que hace que sea más competitivo y adaptado al aprendizaje.

Química General QUÍMICA GENERAL Principios y aplicaciones modernas DÉCIMA EDICIÓN QUIMICA GENERAL Principios y aplicaciones modernas DÉCIMA EDICIÓN Ralph H. Petrucci California State University, San Bernardino F. Geoffrey Herring University o f British Columbio Jeffry D. Madura Duquesne University Carey Bissonnette University o f Waterloo Traducción: Concepción Pando García-Pumarino Nerea Iza Cabo Universidad Complutense de Madrid Revisión Técnica: Juan A . Rodríguez Renuncio Universidad Complutense de Madrid Prentice Hall es un sello editorial de PEARSO N Harlow, England • London • New York • Boston • San Francisco • Toronto • Sydney • Singapore • Hong Kong Tokyo • Seoul • Taipei • New Delhi • Cape Town • Madrid • Mexico City • Amsterdam • Munich • Paris • Milan ________________________________y C b to sd e catalo g ación bibliográfica Ralph H. Petrucci, F. Geoffrey Herring, Jeffry D. Madura y Carey Bissonnette Química General. Décima edición PEARSON EDUCACIÓN, S. A., Madrid, 2011 ISBN: 978-84-8322-680-3 Materia: 54, Química Formato: 215 X 270 mm Páginas: 1432 Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Código penal). Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos: www.cedro.org), si necesita fbtocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. DERECHOS RESERVADOS © 2011, PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (España) ISBN: 978-84-8322-680-3 Authorized translation from the Enflish language edition, entitled GENERAL CHEMISTRY: PRINCIPLES AND MODERN APPLICATIONS, 10* Edition by RALPH PETRUCCI; F. HERRING; JEFFRY MADURA; CAREY BISSONNETTE, published by Pearson Education Canada, Inc, Copyright © 2011 All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any from or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. SPANISH language edition published by PEARSON EDUCACION, S.A., Copyright © 2011 Depósito Legal: Equipo editorial: Editor: Miguel Martín-Romo Técnico editorial: Esther Martín Equipo de producción: Director: José A. Clares Técnico: Irene Iriarte Diseño de cubierta:COPIBOOK, S.L. Fotografía cubierta: Foto lía Composición: COPIBOOK, S. L. Impreso pon Nota sobre enlaces a páginas web ajenas: Este libro puede incluir enlaces a sitios web gestionados por terceros y ajenos a PEARSON EDUCACIÓN, S.A. que se incluyen solo con finalidad informativa. 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El libro ha mejorado su presentación y sus contenidos han sido ampliados y actualizados. Nosotros hemos disfrutado con el trabajo de traducción de esta excelente obra y nos hemos esmerado en la nueva versión española. En esta ocasión, hemos tenido la oportunidad de com partir comentarios y opiniones sobre el texto con un nutrido grupo de profesores de Química de diversas universidades iberoamericanas, participantes en la XV Olimpiada Iberoamericana de Química, celebrada en México en octubre de 2010. La colaboración y entusiasmo de todos ellos ha sido un verdadero estímulo para seguir trabajando y pro moviendo la Química, cuidando, con la ayuda de esta obra, su imagen, su enseñanza, su presentación y su papel imprescindible en la sociedad. Nuestro más sincero agradeci miento a los profesores: Dr. Oscar Várela, Profesor Titular Plenario de la Facultad de Ciencias Exactas y Natu rales de la Universidad de Buenos Aires (Argentina). Dra. Stella M. Fórmica, Profesora de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Natura les de Córdoba (Argentina). Dr. Leonardo Guzmán Alegría, Profesor Emérito de Fisicoquímica de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales de la Universidad Mayor de San Andrés, La Paz (Bolivia). Dr. José Luis Vila Castro, Profesor del Área de Química Analítica de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales de la Universidad Mayor de San Andrés, La Paz (Bolivia). Dr. Juan Vargas Marín, Profesor de la Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación (Chile). Dra. Elia Soto Sanhueza, Profesora de la Universidad Arturo Prat de Santiago (Chile). De Dagoberto Cáceres Rojas, Profesor Honorario de la Universidad Nacional de Colombia. Dr. José Muñoz Castillo, Profesor Honorario de la Universidad Nacional de Colombia. Dr. Randall Syedd León, Profesor de la Cátedra de Fisicoquímica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad Nacional (Costa Rica) M Se. Heilen Arce Rojas, Profesor de la Universidad de Costa Rica. Ph. D. Cristian Saúl Campos Fernández, Profesor de la Universidad de Costa Rica. Dra. Nilda Delgado Yanes, Profesora Auxiliar de la Universidad Pedagógica de La Habana (Cuba). Dr. Arturo Panameño Castro, Profesor de la Escuela de Química de la Universidad de El Salvador. Dra. María Antonia Dosal Gómez, Profesor Titular de Química Analítica de la Facul tad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Dr. Ramiro Eugenio Domínguez Danache, Profesor Titular de Fisicoquímica de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Dr. José Manuel Méndez Stivalet, Profesor Titular de Química Orgánica de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Dr. José Camacho Gutiérrez, Profesor de la Universidad Simón Bolivar de Venezuela. Dra. Amalia Torrealba Sanoja, Presidenta de la Asociación Venezolana de Olimpiadas de Química (AVOQUIM). Resumen del Contenido 1 Las propiedades de la materia y su medida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Los átomos y la teoría atómica 34 Compuestos químicos 68 Las reacciones químicas 111 Introducción a las reacciones en disolución acuosa 151 Gases 192 Termoquímica 241 Los electrones en los átomos 294 La Tabla Periódica y algunas propiedades atómicas 360 Enlace químico I. Conceptos básicos 395 Enlace químico II. Aspectos adicionales 449 Fuerzas intermoleculares: líquidos y sólidos 498 Las disoluciones y sus propiedades físicas 557 Cinética química 602 Principios del equilibrio químico 665 Ácidos y bases 697 Otros aspectos de los equilibrios áddo-base 745 Solubilidad y equilibrios de iones complejos 784 Espontaneidad. Entropía y energía Gibbs 819 Electroquímica 863 Química de los elementos de los grupos principales I: Grupos 1, 2,13 y 14 917 Química de los elementos de los grupos principales II: Grupos 18,17, 16,15 e hidrógeno Elementos de transición 1031 Iones complejos y compuestos de coordinación 1069 Química nuclear 1111 Estructura de los compuestos orgánicos 1147 Reacciones de los compuestos orgánicos 1208 Química de los seres vivos 1266 A P ÉN D IC ES A. B. C. D. E. F. G. Operaciones matemáticas A l Conceptos físicos básicos A ll Unidades SI A15 Tablas de datos A17 Mapas conceptuales A37 Glosario A39 Respuestas a las Evaluaciones de conceptos A55 976 Contenido Sobre los autores xiv Prefacio xv 1 Las propiedades de la materia y su medida 1.1 1.2 13 1.4 1.5 El método científico 2 Propiedades de la materia 4 Clasificación de la materia 5 Medida de las propiedades de la materia. Unidades SI 8 La densidad y la composición porcentual y su utilización en la resolución de problem as 13 La incertidum bre en las m edidas científicas 18 Cifras significativas 19 Resumen 23 Ejemplo de recapitulación 24 Ejercicios 26 Ejercicios avanzados y de recapitulación 29 Problemas de seminario 31 Ejercicios de autoevaluación 32 1.6 1.7 1 2 Los átomos y la teoría atómica 34 2.1 22 23 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Los prim eros descubrimientos quím icos y la teoría atómica 35 Los electrons y otros descubrimientos de la física atómica 38 El átomo nuclear 42 Los elem entos químicos 44 M asas atóm icas 48 Introducción a la tabla periódica 51 El concepto de m ol y la constante de Avogadro 54 Utilización del concepto de m ol en los cálculos 56 Resumen 59 Ejemplo de recapitulación 59 Ejercicios 6 0 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 65 Ejercicios de autoevaluación 66 64 3 Compuestos químicos 68 3.1 32 33 3.4 3.5 3.6 3.7 Tipos de compuestos y sus fórmulas 69 El concepto de m ol y los com puestos quím icos 73 Composición de los com puestos quím icos 76 Estados de oxidación: otra herramienta para describir los com puestos quím icos Nomenclatura de los compuestos orgánicos e inorgánicos 86 Nombres y fórmulas de los compuestos inorgánicos 87 Nombres y fórmulas de los com puestos orgánicos 94 Resumen 100 Ejemplo de recapitulación 101 Ejercicios 103 Ejercicios avanzados y de recapitulación 107 Problemas de seminario 108 Ejercicios de autoevaluación 110 4 Las reacciones químicas 4.1 42 43 4.4 4.5 Las reacciones químicas y la ecuación química 112 La ecuación química y la estequiometría 116 Las reacciones químicas en disolución 123 Determinación del reactivo limitante 129 Otros aspectos prácticos de la estequiometría de la reacción Resumen 138 Ejemplo de recapitulación 139 Ejercicios 140 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 148 Ejercicios de autoevaluación 149 84 111 148 IX X Contenido 5 Introducción a las reacciones en disolución acuosa 5.1 52. 53 5.4 5.5 5.6 5.7 Naturaleza de las disoluciones acuosas 152 Reacciones de precipitación 156 Reacciones ácido-base 160 Principios generales de la oxidadón-reducdón 165 Ajuste de reacciones de oxidación-reducción 170 Agentes oxidantes y reductores 175 Estequiometría de las reacciones en disolución acuosa y valoraciones 177 Resumen 181 Ejemplo de recapitulación 182 Ejercicios 183 Ejercicios avanzados y de recapitulación 187 Problemas de seminario 189 Ejercicios de autoevaluación 191 6 Gases 6.1 6.2 63 Propiedades de los gases: presión del gas 193 Las leyes elem entales de los gases 198 Combinación de las leyes de los gases: ecuación del gas ideal y ecuación general de los gases 204 Aplicaciones de la ecuación del gas ideal 207 Los gases en las reacciones químicas 210 Mezclas de gases 212 Teoría dnetico-m olecular de los gases 216 Propiedades de los gases en la teoría dnetico-m olecular 223 Gases no ideales (reales) 226 Resumen 229 Ejemplo de recapitulación 230 Ejercicios 231 Ejercicios avanzados y de recapitulación 236 Problemas de seminario 238 Ejercicios de autoevaluación 240 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 192 7 Termoquímica 7.1 7.2 73 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 Térm inos básicos en termoquímica 242 Calor 244 Calores de reacdón y calorimetría 248 Trabajo 252 El prim er prindpio de la termodinámica 255 Calores de reacdón: AU y AH 259 Determ inadón indirecta de AH : ley de H ess 266 Entalpias de form ación estándar 268 Los combustibles com o fuentes de energía 275 Resumen 281 Ejemplo de recapitulación 282 Ejercicios 283 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 291 Ejercicios de autoevaluación 292 8 8.1 8.2 83 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 151 241 Los electrones en los átomos 289 294 Radiadón electromagnética 295 Espectros atóm icos 300 Teoría cuántica 302 El átomo d e Bohr 307 Dos ideas que condujeron a la mecánica cuántica 313 Mecánica ondulatoria 317 N úm eros cuánticos y orbitales de los electrones 324 Interpretadón y representadón de los orbitales del átomo de hidrógeno Espín del electrón. Un cuarto núm ero cuántico 333 Átomos multielectrónicos 336 327 Contenido 8.11 8.12 Configuraciones electrónicas 339 Configuraciones electrónicas y la tabla periódica 344 Resumen 348 Ejemplo de recapitulación 349 Ejercicios 351 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 358 Ejercicios de autoevaluación 359 9 La Tabla Periódica y algunas propiedades atómicas 9.1 9 2. 93 9.4 9.5 9.6 9.7 Clasificación de los elementos. La ley periódica y la tabla periódica 361 M etales, no m etales y sus iones 364 El tamaño d e los átomos y los iones 367 Energía de ionización 374 Afinidad electrónica 378 Propiedades m agnéticas 379 Propiedades periódicas de los elem entos 381 Resumen 386 Ejemplo de recapitulación 386 Ejercicios 389 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 392 Ejercicios de autoevaluación 393 10 Enlace químico I. Conceptos básicos 10.1 10.2 103 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 Visión general de la teoría de Lewis 3 % Introducción al enlace covalente 399 Enlaces covalentes polares y m apas de potencial electrostático 402 Escritura de las estructuras de Lewis 408 Resonancia 416 Excepciones a la regla del octeto 418 La forma d e las m oléculas 421 Orden de enlace y longitud de enlace 433 Energías de enlace 434 Resumen 438 Ejemplo de recapitulación 43 9 Ejercicios 440 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 447 Ejercicios de autoevaluación 448 357 360 391 395 446 11 Enlace químico II. Aspectos adicionales 449 11.1 11.2 113 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 Objetivo de una teoría de enlace 450 Introducción al método de enlace de valencia 451 Hibridación de orbitales atómicos 453 Enlaces covalentes m últiples 461 Teoría de orbitales moleculares 465 Electrones deslocalizados. El enlace en la molécula de benceno 474 El enlace en los m etales 480 Algunos temas sin resolver: ¿Pueden ayudar las representaciones de densidad de carga? 484 Resumen 489 Ejemplo de recapitulación 489 Ejercicios 491 Ejercicios avanzados y de recapitulación 49 4 Problemas de seminario 495 Ejercicios de autoevaluación 497 12 Fuerzas intermoleculares: líquidos y sólidos 12.1 12.2 123 12.4 12.5 Fuerzas intermoleculares 499 Algunas propiedades de los líquidos 508 Algunas propiedades de los sólidos 520 Diagramas de fases 522 Sólidos de red covalente y sólidos iónicos 526 498 XI X II Contenido 12.6 12.7 Estructuras cristalinas 530 Cambios de energía en la formación de cristales iónicos 542 Resumen 545 Ejemplo de recapitulación 546 Ejercicios 547 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 554 Ejercicios de autoevaluación 556 13 Las disoluciones y sus propiedades físicas 13.1 13.2 133 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 Tipos de disoluciones. Térm inos utilizados 558 Concentración de una disolución 558 Fuerzas intermoleculares y procesos de disolución 562 Formación de la disolución y equilibrio 567 Solubilidad de los gases 570 Presión de vapor de las disoluciones 573 Presión osmótica 577 Descenso del punto de congelación y elevación del punto de ebullición de las disoluciones de no electrolitos 581 Disoluciones de electrolitos 584 Mezclas coloidales 587 Resumen 590 Ejemplo de recapitulación 591 Ejercicios 592 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 599 Ejercicios de autoevaluación 600 13.9 13.10 557 14 Cinética química 14.1 14.2 143 La velocidad de una reacción química 603 Medida de velocidades de reacción 605 Dependencia de las velocidades de reacción con la concentración. Ecuación de velocidad 608 Reacciones de orden cero 611 Reacciones de prim er orden 612 Reacciones de segundo orden 619 Resumen de la cinética de reacción 620 Modelos teóricos de la cinética química 622 Dependencia de las velocidades de reacción con la temperatura 626 M ecanismos de reacción 629 Catálisis 637 Resumen 642 Ejemplo de recapitulación 643 Ejercicios 645 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 652 Ejercicios de autoevaluación 654 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 14.11 597 602 15 Principios del equilibrio químico 15.1 15.2 153 15.4 15.5 15.6 Equilibrio dinám ico 656 Expresión de la constante de equilibrio 656 Relaciones entre las constantes de equilibrio 663 Significado del valor numérico de una constante de equilibrio 669 El cociente de reacdón, Q: predicdón del sentido del cambio neto 670 Modificación de la condidones de equilibrio. Principio de Le Chátelier 673 Cálculos de equilibrios. Ejemplos ilustrativos 679 Resumen 686 Ejemplo de recapitulación 686 Ejercicios 688 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 694 Ejercicios de autoevaluación 695 15.7 552 65 0 655 693 Contenido 16 Ácidos y bases 697 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 Breve revisión de la teoría de Arrhenius 698 Teoría de áddos y bases de Bronsted-Lowry 698 La autodisodación del agua y la escala de pH 703 Ácidos fuertes y bases fuertes 706 Ácidos débiles y bases débiles 708 Ácidos polipróticos 717 Los iones com o ácidos y como bases 723 Estructura molecular y carácter áddo-base 727 Ácidos y bases de Lew is 732 Resumen 73 6 Ejemplo de recapitulación 736 Ejercicios 73 8 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 743 Ejercicios de autoevaluación 744 17 Otros aspectos de los equilibrios ácido-base 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 Efecto del ion común en los equilibrios ácido-base 746 Disoluciones reguladoras 750 Indicadores ácido-base 759 Reacciones de neutralización y curvas de valoradón 762 Disoluciones de sales de áddos polipróticos 770 Resumen de los cálculos de equilibrios ácido-base 771 Resumen 7 7 3 Ejemplo de recapitulación 77 3 Ejercicios 77 5 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 782 Ejercicios de autoevaluación 783 742 745 18 Solubilidad y equilibrios de iones complejos 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 Constante del producto d e solubilidad, íQp 785 Reladón entre solubilidad y Ksp 786 Efecto del ion común en los equilibrios de solubilidad 788 Lim itadones del concepto de K*p 790 Criterios para la predpitadón y predpitadón completa 792 Predpitadón fracdonada 795 Solubilidad y pH 797 Equilibrios que im plican iones com plejos 799 Análisis cualitativo de cationes 805 Resumen 81 0 Ejemplo de recapitulación 810 Ejercicios 812 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 816 Ejercicios de autoevaluación 817 779 784 815 19 Espontaneidad. Entropía y energía Gibbs 819 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 Espontaneidad: significado del cambio espontáneo 820 El concepto d e entropía 821 Evaluadón de la entropía y cam bios entrópicos 827 Criterios de espontaneidad. El segundo prindpio de la termodinámica 832 V ariadón de energía Gibbs estándar, AG° 836 V ariadón de energía Gibbs y equilibrio 837 Dependencia de AG° y K de la temperatura 848 Reacciones acopladas 851 Resumen 852 Ejemplo de recapitulación 853 Ejercicios 85 4 Ejercicios avanzados y de recapitulación 858 Problemas de seminario 860 Ejercicios de autoevaluación 861 XIII X IV Contenido 20 Electroquímica 20.1 20.2 203 20.4 20.5 Potenciales de electrodo y su medida 864 Potenciales estándar de electrodo 869 Ecd, AG y K 874 Erel en función de las concentraciones 880 Baterías y pilas: obtención de electricidad por medio de reacciones químicas 888 Corrosión: celdas voltaicas no deseadas 894 Electrólisis: producción de reacciones no espontáneas 896 Procesos industriales de electrólisis 900 Resumen 904 Ejemplo de recapitulación 905 Ejercicios 907 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 914 Ejercicios de autoevaluación 915 20.6 20.7 20.8 863 912 21 Elementos de los grupos principales I: Grupos 1, 2, 13 y 14 21.1 21.2 213 21.4 21.5 Tendencias periódicas y densidad de carga 918 G rupo 1. Metales alcalinos 920 G rupo 2. M etales alcalinotérreos 933 G rupo 13. La familia del boro 941 G rupo 14. La familia del carbono 951 Resumen 968 Ejemplo de recapitulación 96 9 Ejercicios 970 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 974 Ejercicios de autoevaluación 974 972 22 Elementos de los grupos principales II: Grupos 18, 17, 16, 15 y el hidrógeno 976 22.1 22.2 223 22.4 22.5 22.6 Tendencias periódicas en el enlace 977 G rupo 18. Los gases nobles 979 G rupo 17. Los halógenos 985 G rupo 16. La familia del oxígeno 994 G rupo 15. La familia del nitrógeno 1004 El hidrógeno: un elem ento excepcional 1017 Resumen 1021 Ejemplo de recapitulación 1022 Ejercicios 1023 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 1028 Ejercicios de autoevaluación 1029 23 Elementos de transición 23.1 23.2 233 23.4 Propiedades generales 1032 Principios de metalurgia extractiva 1037 Metalurgia del hierro y el acero 1044 Elementos de la prim era serie de transición: del escandio al m anganeso 1046 Tríada del hierro: hierro, cobalto y níquel 1052 G rupo 11: cobre, plata y oro 1054 G rupo 12: cinc, cadmio y m ercurio 1056 Lantánidos 1059 Superconductores a alta temperatura 1059 Resumen 1062 Ejemplo de recapitulación 1062 Ejercicios 1063 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 1067 Ejercicios de autoevaluación 1068 23.5 23.6 23.7 23.8 23.9 1026 1031 1066 917 Contenido 24 Iones complejos y compuestos de coordinación 1069 24.1 Introducción a la teoría de los com puestos de coordinación de W erner 1070 24.2 Ligandos 1072 243 Nomenclatura 1075 24.4 Isomería 1076 24.5 El enlace en los iones complejos. Teoría de campo cristalino 1083 24.6 Propiedades magnéticas de los compuestos de coordinación y teoría del campo cristalino 24.7 El color y los colores de los complejos 1090 24.8 Algunos aspectos de los equilibrios de los iones complejos 1093 24.9 Reacciones áddo-base de los iones com plejos 1095 24.10 Consideradones cinéticas 10% 24.11 Aplica dones de la química de coordinación 1097 Resumen 1102 Ejemplo de recapitulación 1103 Ejercicios 1104 Ejercicios avanzados y de recapitulación 1106 Problemas de seminario 1108 Ejercicios de autoevaluación 1109 25 Química nuclear 1111 25.1 25.2 253 25.4 25.5 25.6 25.7 25.8 25.9 25.10 25.11 La radiactividad 1112 Estado natural de los isótopos radiactivos 1115 Reacdones nucleares y radiactividad inducida artificialm ente 1117 Elementos transuránidos 1118 V eloddad d e desintegradón radiactiva 1119 Energías implicadas en las reacdones nucleares 1125 Estabilidad nudear 1128 Fisión nudear 1130 Fusión nuclear 1133 Efecto de la radiadón sobre la materia 1134 A plicadones de los radiosótopos 1137 Resumen 1139 Ejemplo de recapitulación 1140 Ejercicios 1141 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 1145 Ejercicios de autoevaluación 1146 26 Estructura de los compuestos orgánicos 26.1 26.2 263 26.4 26.5 26.6 26.7 26.8 Introducción a los compuestos orgánicos y sus estructuras 1148 Alcanos 1155 Cidoalcanos 1161 Estereoisomería de los com puestos orgánicos 1168 Alquenos y alquinos 1175 Hidrocarburos aromáticos 1179 Grupos funcionales en los compuestos orgánicos 1181 De la fórmula m olecular a la estructura m olecular 1192 Resumen 1195 Ejemplo de recapitulación 1197 Ejercicios 1198 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 1205 Ejercicios de autoevaluación 1207 1144 1147 27 Reacdones de los compuestos orgánicos 1208 27.1 272 273 27.4 27.5 27.6 Introducción a las reacciones orgánicas 1209 Introducción a las reacciones de sustitudón nudeofílica 1211 Introducción a las reacciones de elim inadón 1225 Reacdones de los alcoholes 1234 Introducción a las reacciones de adidón: reacdones de los alquenos Sustitudón electrófila aromática 1244 1239 1204 1088 XV XVI Contenido 27.7 27.8 27.9 Reacciones de los alcanos 1248 Polím eros y reacciones de polimerización 1250 Síntesis de compuestos orgánicos 1254 Resumen 1256 Ejemplo de recapitulación 1257 Ejercicios 1259 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problema de seminario 1264 Ejercicios de autoevaluación 1265 28 Química de los seres vivos 28.1 28.2 283 28.4 28.5 28.6 Estructura química de la m ateria viva. Una visión panorámica 1267 Lípidos 1268 Hidratos de carbono 1271 Proteínas 1279 Aspectos del metabolismo 1286 Ácidos nucleicos 1292 Resumen 1295 Ejemplo de recapitulación 1296 Ejercicios 1297 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 1301 Ejercicios de autoevaluación 1302 1266 APÉN D IC ES A B C D E F G Operaciones matemáticas A1 Conceptos físicos básicos A 1 1 Unidades SI A15 Tablas de datos A17 Mapas conceptuales A37 Glosario A39 Respuestas a las cuestiones de las Evaluaciones de conceptos A55 Créditos de las fotografías índice 11 PC1 1263 1300 Contenido Atención a ... Discusiones sobre Mastering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Atención a ... El método científico en acción: poliagua Atención a ... Estado natural y abundancias de los elem entos Atención a ... Espectrometría de masas. Determinación de fórm ulas moleculares y estructurales Atención a ... La química industrial Atención a ... El tratamiento de aguas Atención a ... La atmósfera terrestre Atención a ... Grasas, hidratos de carbono y almacenamiento de energía Atención a ... Láseres de helio-neón Atención a ... La ley periódica y el mercurio Atención a ... M oléculas en el espacio. Medida de longitudes de enlace Atención a ... Espectroscopia fotoelectrónica Atención a ... Cristales líquidos Atención a ... Cromatografía Atención a ... Combustión y explosiones Atención a ... El ciclo del nitrógeno y la síntesis de compuestos nitrogenados Atención a ... Lluvia ádda Atención a ... Disoludones reguladoras en la sangre Atención a ... Conchas, dientes y fósiles Atención a ... Reacdones acopladas en sistem as biológicos Atención a ... Potendales de membrana Atención a ... Arseniuro de galio Atención a ... La capa de ozono y su papel medioambiental Atención a ... Puntos cuánticos Atención a ... Los colores de las gemas Atención a ... Elim inadón de residuos radioactivos Atención a ... Resoludón química de enantióm eros Atención a ... Química sostenible y líquidos iónicos Atención a ... Síntesis de proteínas y el código genético X V II Sobre los autores Ralph H. Petrucci Ralph Petrucci se graduó en Química en el Union College, Schenectady, NY, y obtuvo su doctorado en la Universidad de Wisconsin-Madison. Durante diez años se dedicó a la en señanza, investigación y fue consultor, dirigiendo los institutos NSF para profesores de dendas de secundaria en la Universidad de Case Western Reserve, Cleveland, OH. En 1964> el Dr Petrucd partidpó en el equipo que planificó el nuevo campus de la Universi dad del Estado de California en San Bemardino. Allí, además de ser profesor en la facul tad, partidpó como director de la División de Ciendas Naturales y decano de Planificadón Académica. El profesor Petrucd, ahora retirado de la enseñanza, es coautor del libro General Chemistry con John W. Hill, Terry W. McCreary y Scott S. Perry. F. G e o f f re y H e rrin g Geoff Herring se graduó y doctoró en Química Física por la Universidad de Londres. Actualmente es profesor emérito en d Departamento de Química en la Universidad de British Columbia en Vancouver. El campo de investigadón del Dr. Herring es la quími ca Biofísica en el que ha publicado más de 100 artículos. Redentemente, el Dr. Herring ha realizado estudios para integrar las tecnologías de la inform adón y los métodos interactivos en la enseñanza de la química general, con el fin de mejorar la compren sión y el aprendizaje de los estudiantes. El Dr. Herring ha enseñado química en todos los niveles universitarios durante 30 años y ha redbido en dos ocasiones el premio de excelenda en la enseñanza denominado Premio Killam. Je ffry D. M a d u ra Jeffry D. Madura es profesor en el Departamento de Química y Bioquímica de la Uni versidad Duquesne de Pittsburg, PA. Se graduó en el Thiel College en 1980 y obtuvo su doctorado en Química Física, en la Universidad Purdue en 1985. Tras el doctorado rea lizó una estanda postdoctoral en la Universidad de Houston, trabajando con el profesor J. Andrew McCammon en biofísica. La investigadón del Dr. Madura se centra en el campo de la química computadonal y la biofísica. Ha publicado más de 80 artículos en química física. El profesor Madura ha enseñado química durante 20 años en todos los niveles universitarios y ha redbido el Premio Dreyfus (Teacher-scholar Award). Tam bién ha sido galardonado por la Bayer School of Natural and Environmental Sdences y ha obtenido el premio Duquesne University Presidential Award for Excellence in Scholarship en 2007. C a r e y B issonnette Carey Bissonnette es profesor (Continuing Lecturer) en el Departamento de Química de la Universidad de Waterloo en Ontario. Se graduó en la Universidad de Waterloo en 1989 y obtuvo su doctorado en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 1993. Su investiga dón se centra en el desarrollo de métodos de modelizadón dinámica de moléculas polia tómicas en fase gaseosa. Ha redbido premios docentes como el «Distinguished Teaching Award» de la Universidad de Waterloo en 2005. El Dr. Bissonnette ha impulsado el uso de las tecnologías, tanto en la clase como en el laboratorio, para crear con sus estudian tes un dim a interactivo de aprendizaje y exploradón. En los últimos años, ha estado im plicado en el desarrollo del curriculum de química universitario y de secundaria y en la ooordinadón de los concursos de química organizados por la universidad para los estu diantes de secundaria de todo el mundo. X V III Prefacio «Conozca su audiencia». En esta nueva edición, hemos intentado seguir este consejo im portante dirigido a los autores, para responder todavía mejor a las necesidades de los es tudiantes que están trabajando intensamente en esta materia. Sabemos que la mayoría de los estudiantes de química general, debido a su carrera, no están interesados en la quími ca, sino en otras áreas como la biología, la medicina, la ingeniería, las ciencias del medio ambiente y agrícolas. También somos conscientes de que la química general será el úni co curso universitario de química para muchos estudiantes y su única oportunidad de aprender algunas aplicaciones prácticas de la química. Hemos diseñado este texto para todos estos estudiantes. Los estudiantes de este texto probablemente hayan estudiado algo de química, pero aquellos que no lo hayan hecho, y los que lo utilizan como recordatorio, encontrarán que en los primeros capítulos se desarrollan conceptos fundamentales a partir de las ideas más elementales. Los estudiantes que piensan convertirse en químicos profesionales tam bién comprobarán que el texto se adapta a sus intereses específicos. El estudiante medio puede necesitar ayuda para identificar y aplicar los principios y para visualizar su significado físico. Las características pedagógicas de este texto es tán diseñadas para proporcionar esta ayuda. Al mismo tiempo, esperamos que el tex to sirva para aumentar la destreza en la resolución problemas y la capacidad crítica del alumno. De esta manera, hemos intentado conseguir el balance adecuado entre princi pios y aplicaciones, razonamientos cuantitativos y cualitativos y entre rigor y simpli ficación. A lo largo del texto y en la página web M astering Chemistry (www.masteringchemistry.com) se muestran ejemplos del mundo real para resaltar la discusión. También se pueden encontrar en numerosas ocasiones, ejemplos relevantes de las ciencias bio lógicas, la ingeniería y las ciencias medioambientales. Esto ayuda a mostrar a los es tudiantes una química viva y les ayuda a entender su importancia en cada una de las carreras. En la mayor parte de los casos, también les ayuda a profundizar en los con ceptos básicos. ORGANIZACIÓN En esta edición, mantenemos la organización fundamental de la novena edición, pero con una cobertura adicional, en profundidad y amplitud en algunas áreas. Después de una breve revisión general de los conceptos básicos en el Capítulo 1, se introduce la teo ría atómica, incluyendo la tabla periódica, en el Capítulo 2. La tabla periódica es un ins trumento extraordinariamente útil y su presentación al comienzo del texto nos permi te utilizarla de modo diferente en los primeros capítulos del texto. En el Capítulo 3 se introducen los compuestos químicos y su estequiometría. Los compuestos orgánicos se incluyen en esta presentación. La introducción de los compuestos orgánicos en los pri meros capítulos nos permite utilizar ejemplos orgánicos a lo largo de todo el libro. En los Capítulos 4 y 5 se introducen las reacciones químicas. En el Capítulo 6 se estudian los gases, en parte porque son conocidos por los estudiantes (esto les ayuda a adquirir confianza) pero también porque algunos profesores prefieren tratar pronto esta materia para coordinar mejor los programas de clases y laboratorio. Observe que el Capítulo 6 puede retrasarse fácilmente para unirlo con los otros estados de la materia en el Capí tulo 12. En el Capítulo 8 se profundiza más en la mecánica ondulatoria, aunque se hace de forma que se pueda omitir este material a discreción del profesor. Como en ediciones anteriores, hemos resaltado la química del mundo real en los capítulos finales que cu bren la química descriptiva (Capítulos 21-24) y hemos tratado de facilitar el adelanto de esta materia a las primeras partes del texto. Además, muchos temas de estos capítulos X IX XX Prefacio pueden tratarse de forma selectiva sin necesidad de estudiar los capítulos completos. El texto termina con sendos capítulos de química orgánica (Capítulos 26-27) muy asimila bles y de bioquímica (Capítulo 28). CAMBIOS EN ESTA EDICIÓN En esta edición, hemos hecho hincapié en el aspecto pedagógico y se ha profundizado más en algunas áreas, siempre de acuerdo con las ideas actuales de cómo enseñar me jor la química general. Se ha cambiado ligeramente la organización, para mejorar el flu jo de información al estudiante. Los párrafos siguientes resumen las mejoras introduci das a lo largo del libro. • Procedimiento lógico para la resolución de problemas. Todos los ejemplos se presentan consistentemente con un esquema en tres etapas: planteamiento, resolución y con clusiones. Esta presentación, no solo estimula al estudiante a seguir un procedi miento lógico para la resolución de problemas, sino que le proporciona una forma de empezar a enfocar un problema que aparentemente parecía imposible. Es el pro cedimiento utilizado implícitamente por los que ya saben resolver problemas, pero para los que están empezando, la estructura planteamiento-resoludón-conclusiones sirve para recordar a los estudiantes que (1) se analiza la información y se pla nea una estrategia, (2) se desarrolla la estrategia y (3) se comprueba o valora la res puesta para aseguram os que es razonable. • Ejemplos de recapitulación y Ejercicios al final del capítulo. Los usuarios de las edicio nes anteriores han valorado positivamente la calidad de los Ejemplos de recapitu lación al final de cada capítulo y la variedad de los Ejercicios al final del capítulo. Hemos añadido dos Ejemplos prácticos (Ejemplo práctico A y Ejemplo práctico B) a cada Ejemplo de recapitulación. En lugar de sustituir ejercicios por otros nuevos, hemos optado por aumentar el número de ejercicios. En la mayoría de los capítulos se han incluido al menos diez ejercicios nuevos, y muchas veces han sido veinte o más los ejercicios nuevos añadidos. • Recomendaciones de la IUPAC. Estamos muy contentos con que nuestro libro sir va de referencia a profesores y estudiantes de todo el mundo. Como la comuni cación entre científicos, y entre los quím icos en particular, es más fluida si se em plean los mismos térm inos y símbolos, hem os decidido seguir (con muy pocas excepciones) las recomendaciones de la Unión Internacional de Quím ica Pura y Aplicada (IUPAC). Por ejem plo, la tabla periódica que aparece en el texto, es la adoptada por IUPAC. La versión de IUPAC coloca los elem entos lantano (La) y actinio (Ac) en las series de lantánidos y actínidos, y no en el grupo 3. Es inte resante comprobar que muchos libros de química usan todavía la versión anti gua de la tabla periódica, aunque la correcta colocación del La y Ac data de ¡hace más de 20 años! También hemos hecho los siguientes cambios importantes en los distintos capítulos y apéndices. • En los Capítulos 1 a 6, se han resuelto numerosos problemas tanto paso a paso como usando la secuencia de conversión. Los estudiantes sin estudios anteriores en química pueden verse intimidados por la secuencia de conversión y preferir la resolución paso a paso. Los que solamente necesiten refrescar sus conocimientos preferirán utilizar la secuencia de conversión. Esperamos que se satisfagan las ne cesidades de profesores y alumnos incluyendo ambos métodos en los primeros ca pítulos. • En el Capítulo 6 (Gases) hemos cambiado la definición de temperatura y presión es tándar para adoptar las recomendaciones de IUPAC. Hemos añadido una discusión sobre los volúmenes molares de los gases y la distribución de velocidades molecu lares. La discusión sobre la distribución de velocidades moleculares se puede uti lizar como introducción de la expresión de Arrhenius de la constante de velocidad en el Capítulo 14 (Cinética química). En el Capítulo 8 (Los electrones en los átomos) hemos introducido la partícula en una caja en una sección nueva, así queda a discreción del instructor, incluirla o ex cluirla. La discusión se ha alargado un poco para ilustrar el uso de las funciones de onda para hacer cálculos de probabilidad para un electrón en un determinado estado. En el Capítulo 10 (Enlace químico I. Conceptos básicos) se ha introducido el simbo lismo de cuñas y barras para representar estructuras tridimensionales de molécu las que después se utilizará a lo largo del texto. También se ha añadido una nueva sección ¿Está preguntándose...? comparando los estados de oxidación y las cargas fórmales. El Capítulo 12 (Fuerzas intermoleculares: líquidos y sólidos) se ha reorganizado de forma que se empieza por las fuerzas intermoleculares. Las propiedades de los lí quidos y sólidos se discuten en función de las fuerzas intermoleculares que contri buyen a la atracción entre las entidades que forman la sustancia. En el Capítulo 14 (Cinética química) se utiliza la definición recomendada por la IUPAC para la velocidad de reacción que tiene en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación química ajustada. También se ha incluido una nue va sección ¿Está preguntándose...? con una interpretación m olecular del avance de la reacción. En el Capítulo 15 (Principios del equilibrio químico) se han ampliado las discusio nes sobre relaciones entre actividades, presiones y concentraciones, y también en tre K, Kp y Kc. En el Capítulo 16 (Ácidos y bases) se han introducido flechas curvas, como se hace en química orgánica, para resaltar el movimiento del par de electrones en la reac ción ácido-base. También se incluye una discusión actualizada de la conexión entre la estructura molecular y la fuerza de los ácidos. En el Capítulo 20 (Electroquímica) se han hecho cambios en la notación, para adap tarse a la IUPAC, y lo que es más importante, se introduce el concepto de número de electrones, z, que se usa en lugar de n, en la ecuación de Nemst y en otras ecua ciones. Los Capítulos 21 (Elementos de los grupos principales I: Grupos 1, 2 ,1 3 y 14) y 22 (Elementos de los grupos principales II: Grupos 1 8 ,1 7 ,1 6 ,1 5 e hidrógeno) se han actualizado para incluir la discusión de materiales interesantes e importantes, tales como los éteres corona, zeolitas y grafeno. En el Capítulo 21 se introduce el concep to de densidad de carga que se utiliza en estos dos capítulos para racionalizar las similitudes y las diferencias de las propiedades de los elementos. Se dedican dos capítulos a la química orgánica. El Capítulo 26 (Estructura de los compuestos orgánicos) se dedica al estudio estructural, conformaciones, prepara ción y usos de los compuestos orgánicos. El Capítulo 27 (Reacciones de los com puestos orgánicos) se dedica a unos pocos tipos de reacciones importantes y sus mecanismos. Al examinar dichas reacciones, se aplican los conceptos introduci dos anteriormente, como fuerza de ácidos o bases, electronegatividad y polarizabilidad. En el Apéndice D se han añadido los calores molares de las sustancias incluidas en la tabla D.2 (Propiedades termodinámicas de sustancias a 298,15 K). También se in cluye una nueva Tabla D.5 de masas y abundancias isotópicas. X X II Prefacio GUÍA PARA LA UTILIZACIÓN DE ESTA EDICIÓN En esta edición se ha hecho el esfuerzo de incorporar características que faciliten la enseñanza y el aprendizaje de la química. Cabecera de Capítulo Cada capítulo empieza con una relación de los apartados principales, lo cual proporciona una visión de conjunto de los contenidos. Principios del equilibrio químico Términos clave C O N T E N ID O 111 BqiJfario dh*rJco 1Ï 2 bfraakkidi i conoarca di aÿjlfario tu W U n m k D it t t a d i a f ilb lo 134 SÇr#*adodaWwfarn#T*1c0 £ m oa^ ai ta di «qtdbfto 113 ■ coOrta di nacEfa\ Q pad tetti dakattdo dd arrfaofaCo m ModftadAi di laa conjdanm <faa»Jb1 a Mienta <fau Los Términos clave se escriben en negrita cuando se defi nen. Hay un Glosario de términos clave con sus definicio nes en el Apéndice F. amé* 117 C M Jcadi a^Jfcriot I K T * * Lam osa Cuadros resaltados en color S d ot elem entos forman m is d o i n com puesto a n c l o , las masas d a u n elem ento que se com binan con una masa fija d e l s egundo elem ento e s tin e n una relación d e núm eros enteros s e n o fo s. El 13.1 Las ecuaciones, conceptos y reglas importantes se resaltan con un color de fondo para referendarios mejor. Evaluación de conceptos EVALUACIÓN DE CONCEPTOS En u im o l d e doolución con una fracción mofar de agua d e EJEMPLO 13-5 Q5. ¿cuántas moléculas d e agua habrá? (M fa ecita d e la ley d e Hwry A O 'C y una rnw rta da Os da l.ll] abn, la i o h lb i ld d ■ m m I M b L da O jpor ftn>. ¿ C « l « l a a » f a n U daá O, m una d uo lu-4a i*u»»a « c ú ta la ruxid o ri O , a t a aaniO do a »u poauín nuanid a i o r» . da <Uaes«K? la d .O ja O 'C y 1 akn. (2) U U k a fa b y da I k u y a i la b u indic a la « a a n i a M i MCindÓB Ckttaniaa l a n U U d a lO ,a 0 * C cunado P * - 1 atn. at>landa d -------------- 1 Ujiaotanón ------------2.18 X 10 M Oj o^-ui i la rrnii t i m da la by da H m rj . ___C 2.18 X m M O] “ p .." l.a i «m 2.18 x l i r ’ M O l C - t x P p , --------- m i . t , ------ x O J W a i » - < 5 7 x H T *M O j a qua lutit i 1 a > k ta ip a o a n a a unadu(4ucu)a a ü a qua J a l * a a a m á á a m ur bq a j rtMr» la lay da Hm r j. B JC W tO MtÁ CXtCO A: U M ca * a d a to A d H -n p * U S y n i i i « m ii n u fa m a a 0 *C «Wii— lii <fim S^U m g da O jp o r 11XUJ mL da dw farW c IJU V tO M A C T IC O ft; M O, a t e . una d f c fa d d . 6» wa i a w d d a d M b tia a r ia a t t a tft» la a o lib ld a i da* a p a d á d o d a m feoao M ftm o t a a i una n u U u t a 0,1)103 M da COT < La disminución de la presión de vapor, de acuerdo con la ley de Raoult para disoluciones ideales, es también una propiedad coligativa. *C Las preguntas de evaluación de conceptos (muchas de ellas cualitativas) se encuentran distribuidas a lo largo de los ca pítulos, para permitir a los estudiantes conocer su grado de asimiladón de los conceptos básicos, antes de seguir ade lante. Las soludones a estas preguntas se encuentran en el Apéndice G. Ejemplos acompañados de Ejemplos prácticos A y B A lo largo de todo el texto hay Ejem plos resueltos para ilustrar y aplicar los conceptos. En muchos casos incluyen dibujos o fotografías para ayudar a visualizar su conteni do. Todos siguen un esquema de trabajo: PlanteamientoR esolución y Conclusiones para animar a los estudian tes a adoptar un procedimiento lógico en la resoludón de problemas. Cada Ejemplo resuelto se acompaña de dos Ejem plos prácticos, el primero, Ejem plo práctico A pone en prácti ca lo desarrollado en el Ejemplo con un problema muy si milar. El segundo, Ejemplo práctico B suele llevar al estu diante un paso más adelante que el problema del Ejemplo, y suele ser similar en dificultad a los problemas del final del capítulo. Las respuestas a todos los Ejemplos prácti cos se dan en la página web del M astering Chemistry™ (ww w.masteringchemistr y. com). Notas al margen Las Notas al margen ayudan a clarificar conceptos. Prefacio Notas al margen, «Recuerde» X X III RECUERDE h p x ü t e A i t e doe o a n r« an Estas notas le ayudarán a recordar las ideas introducidas anteriormente en el texto, que son importantes para com prender lo que se está discutiendo en ese momento. A veces, también previenen a los alumnos sobre errores frecuentes. átaqaOfcrtokjado-rap»<* til q u i 4 Vifur o . tfifc rico <)ti> d al úMipúnanki nk vowaacotnfMHutnít \ o W t m al <S>p r a it a A ) m b afe o p * * > A> «bdbiÚ M ¿Está preguntándose...? Los recuadros ¿Está preguntándose...? Plantean y respon den las preguntas que se suelen hacer los estudiantes. Algu nas tratan de evitar frecuentes errores, otras proporcionan analogías o explicaciones alternativas y otras ponen de ma nifiesto aparentes inconsistencias. Estos recuadros pueden ser utilizados u omitidos a discreción del instructor. Atención a ... Al final de cada capítulo se hace referencia a una discusión llamada A tención a ... que se encuentra en la página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). Estas discusiones describen aplicaciones interesantes y sig nificativas de cada capítulo y ayudan a demostrar la im portancia de la química en todos los aspectos de la vida diaria. Material suplementario en el Capítulo de Química Orgánica El Capítulo 27 incluye referencias a discusiones sobre ácidos y bases orgánicos, mecanismos E2, ácidos carboxílicos y sus derivados. El mecanismo de adición-elimina ción se encuentra en la página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). Resumen Se incluye un Resum en amplio en cada capítulo. El resu men está organizado según los apartados principales del ca pítulo e incorpora los términos clave en negritas. 1 3 .1 ¿ E S T Á P R E G U N T Á N D O S E ...? ¿Qué d ase d e fuerzas intermdecuiares existen en una mezcla de disulfuro d e carbono y acetona? B d¡sulfuro de carbono « una molécula no polar.de forma que en la sustancia pura laa únka» fuerzas inteimolecu la res son las débiles fuerzas de dispersión; el dbulfuro de car bono es un liquido volátil. La acetona es una molécula polar y en la sustancia pura las fuerzas dipolo-dipolo son fuertes. La acetona es algo menos volátil que el disulfuro de carbono. En una disolución de acetona en disulfuio de carbono, los dipobs de las molé culas de acetona polarizan las moléculas de disulfuro de carbono,dando lugar a interac ciones dpolo-dipc^o Inducido. C H E M IS T R Y w v r v r j n a a t e r i n g c h e n iU t r y x o n i ¿Cu J aa «I «traían lo m ia abundante? Loa dm p U pregunta p « K f q u * n o t im i una m p u n t i M n d la . P»a jp r m d r r m ia cobra laa ab u n d u id ja d a toa d r a irn ta a an el u n iiv n o y la fo r te u (erreslre, vaya di Alendán a ... dal C a p ta lo 2 titu la d a A bundandaa naturale« d a la i elem ental, en la p ig i n a web de MaaterlngC hem irtry. Resumen 1 X 1 T ^ » $ d a d is o lu c io n e s . T irm in o » u t i l a d o * . Ea laaa dbuhadòo. ai g i l K i a l l . t u n u d t u o a al oiaafoaaaaaa pnaana i a laaaayoc naaadal ita a a ia iW . t a l i da la a a l» Ha aa la >|aa a n ta la dhofcadò« (« A »rla T M 111* V a m U aa>a. lecoaapoeaaai d i laitaaibadd. d i i - A ' aa • tSaa>h.aaa. l a » d ^ l o ù a a . d h i d a cona.aan aiaaidafca. n t a w « n « i l a pajw l a da «a>ta». y I«« dii n b i n a a i o araay r adai raal aAa•W ignaaW 1 1 2 Concantradónda unadisductòn. G a ip a d a da la aoaafoiada da M a dà ok cida I t a ia tio a la a aiaeidaSa. d i <adak> y dha>fcraata (o da dbaAadda) p n a a a a . tairaanaurarinaaa da ladhaitani<a rpaaWl n>au> paxxaafcìaaa auaav porcaae^a aa » o laaaa.y ponaao^a aa aaaaa/T» l a a B d m >iaaaa iaapoa%iacia p c < jic » aa corno laaiaidadaat p a r«« p x a d k ia (ppaa) pstaa porbdkSa <ppk) y piata. fo t IrikSa (p p l) Sia aaabiagD. lai laaii a tai da a>an aa>ra-irta faad— aafiA a m a l i fcaòrfa aaila > i a n la id a t y la a n W i dadXa mn W atal (aii*aa da aSiato por dadhaibar il a ) àt(a i > U da aotuaipor litograao da daa>Kan»a) ao dayaadaa. ■rh H g. 1 1 1 2 )o lm a kM ip.a * a da a (M B a ù > d a h< »a > tK ÌÒ a CrfatrlaFigOTB U l3 )o * o w a ife a r iS a * lao>a^oa«aòe da li dànlaridapou a y á d a m i i a a ir a h d a a a i i a (m r i a a i A l un aaáudoaaarmui d i » y i ^ r i A i d i kn c u a fu a a a a voWliiae d i uata dàaAnòa. Dicfiat curvai diaaraa la a b ^ a I» t x n <ad.«Maan>poiiaa r f g i a i ifcolarin.ai ao a W a Lo* ■naéar ap ai m o da ofca oo a aa ifa Kia rra a a uaaiIMfaamEutfa m a m .»a y p n d i a v if O r d i h M i l a » a a fo tà d ò a qua al Irf a d l ; » « a a pa l M. da 4 la * riiìa g i i aa rfj anMi o a » M>a a i j n r a i f lo* p i a » « d a ^ a J i iiha A i fa. qjaifaiaaaaa paab k j aa + g m o * cma, auaauna. (s S » r la Hgara 13.15). 1 3 .7 f r a d ó n o a n ó t k a . La Ih aiaià. aa. al * a io i f o g a i . aa> A d d » K a l i . H r t . da «aa - a a b r a a , la a ip anaa A la p a « > T . daa*i bi dü»luc>úa u a u i a la u à ao>«c«B(ra da (V « V hi Hgara 1117) H Aufu niaii<lio> puaala dttaaana i^tca a d i l paa i d v ifca nim anda ar a l i « a i i d é m^i l i dàofaóòa aab. q>nnaalr«da Ea la Aaaaaaa àararaa.la «SraociSa d i * iaviarta «p*oaab» M a praaida qua xxnaia « la pnaàòa oaa«S«ca lobra la d fa te-àia awfc mwraatrad« Aaabm iVamiia y Ejemplo de recapitulación B tim a n d e p n n i * b ( P A N ) . m o a qa » y c e — «I I i i l g f c « y . i r n por raaaañda d ek a b id ro aafaaru* com fa* ó k A m da ia*rri&a»' a . p i a m i da la h a loim . Q P A N a» imat é bi y m d u d a aa NC^fc). So pn a aa n a «a al «ira o nlaaia . V n p ai« ^ i— «ayada da á*pútito p n A a a.-iw a N ( V r CHjOOONO,------ O I,C OO - • NO, MN mia t U danMBpnácáóa dal P A N m da p m a r oeda . Xa »ida auaba a* da 35 li • O *C y d . 3ft0 «aia . S *C S i aaa «aaaaara d i ara oxaaiaaa i O X10** m oUa d*. da P A N por faa>. ¿« qatf l a f M n J a a a n i a a v e k d d a l da daasaafoaiáóa da U >X 1 0 ° »o ü rnlw de PA N por B r o y a iw b > ? W w tw w lw lo B«»yn > H iian q— jiaaM m a n > r i » ^ i i a iraa i 1« lada-irin aa«ni la. a i «af t alibi v A x idedy 1« taaapandm (Ecaanda 1*22) y atfrala>a>*a«aaaa.dar«iadai y Im aafariibafca. A» rearada (EcaaaáAa 1*6) C tp q ie ieu m h. m á n a o t (1) aawartir b a d » . »A ln a , de fc<2)diaaraaiaar la aaa^^úi d i aarra^dafqa b a rrito ^» d i> M »»in ra ^ g la in a tria « b d » d i t<mrefcpwttiawa a la n f e a d d cW itaa-nruliriiS a aafacH a Ú K J (O r i i r i * . la taapandara a la qaa i biaa a h é x nd-»alali aa (3). RMohidAn Ejemplos de recapitulación Se incluye un Ejem plo de recapitulación al final de cada capítulo. Estos ejemplos significan un reto para los es tudiantes y muestran cómo resolver problemas comple jos relacionando entre sí varios conceptos del capítulo y de capítulos anteriores. Cada Ejemplo de recapitula ción viene acompañado por un Ejem plo práctico A y un Ejem plo práctico B. Las respuestas a todos los Ejemplos prácticos se dan en la página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). Daarauaa al v íto r da * a O *C p n M raacoda da peiaur ordaa. *- «WV E JE M P L O P R Á C TIC O A : A k t a a p a n a » a a b ia * i (Z O 'pX 1« letba ia « r ia a a vnrciuuafaaaata M k M » b aa rafegaaatoe ■ 3 CC , k la d a laaiaiaana mai » a a má- da 1 iai|-o 0¿J«£un« k mmrpj* da aána óda da la raaanda q ia caaa U bdui é á fe m ¿Cariato dañad k beba a « *CT E J S U P L O P R A C TIC O B : B li ga a e n am-iaaiian (« a d a a a n a p a a n f f c a «I ly a -aaai c i t o A i oedaa da I » taaxáoaaa Han ma am qua a b a i* p t M O M da rirbipupaan. la acaeiada l b vafeddad aa d i la g n i t i « d a aaa A y a A . peaaioaa* a> da p n a a ro n b a aa A . X X IV Prefacio Ejercicios y cuestiones de final de capítulo Ejercicios Cada capítulo termina con cuatro tipos de cuestiones: H Mezdas hom ogéneas y hetero gén eas H -C OH 1. ¿ C a li d i b a tfgifenlat co ay i m a ' t aspara q u i tea al aula tofcM i m agua y por qu í? N H < W ( « l C .H f f L .a. c dioMato solatola iw t o a a anta coato an b«rioa!io|CtHt0)l j por quJ? <*) l-b u tto n l CH/CHj^CHjOH; » r U » * » D , t/ H \ c c/ e « H í (f) h *,*w . C tH * M Nod(>). 3 . U » aca«ncia*<|ua t a d i u i r a a tai >^ua ganarateanba ao u> iSM iidvtn a » í s n u v Sin aattoargo, ¿Ig txu a te s ti r ú e to a a o d ir a d ia u a tfa ittta b b a a a a B f e o a d s o tr a tfa t. U n d a b a tfg x fen » *, cw k ta cta t f e cu a « p o p u l a d ¿C u li f im w qua p a id ) u r jr por q u P HO CÍ*>H C OH HjC C triads» h V C C (ut iq r ittf c ik p£Maa) c=o Vüm aaC HO M/w*Hdk»ohoKno Los E jercicio s se agrupan por categorías relacionadas con las secciones del texto y se presentan por parejas. Las respuestas a los ejercicios seleccionados (los que se nume ran en rojo) se encuentran en la página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). H -C -O H GCCW 2. f l u í da b e lig i » — r aiai p a r t í a utpira qua u i o ta t e « - C C O ,H 'p '- H CHj C O I, (CHjCHjCHj Oflj CH, CH, M am a C (In m m ftio l lucri) Ejercicios avanzados y de recapitulación 87. Qrafrtitco t w f c a i > ■ > .!> «too* b a r . (corvion A) n i l ) ■Tainan Q13 p oraaato da ■■MiVnfanY'a dri 75 fo r r in t > <n a u w d ) H tFO ^ C u Jo to t aiiEgraatofda ttt& xo hay ua «•bow d a l 2 o i d i a t * a n i r f i t c o ? S « p M ^ n a d a r id » t d lid fc o iu c n S a d i U D g/atL ; I 02 t>29,fiatL. 88. Um dtofcaSd a u u u coafead 109.2 g d> K O H / l d> <&soludiict. L ad tnsid.»] d J b d so iu c iiS a a i. U>9g/aO . Sa d u a i a B w 1 0 0 0 n L d a atM d so lu a d a para praparar KOH (U 50 nt ¿Qud b u m y d> quri c o a p o a iB « ), KOH o H Q d b a t * a S f t a « b f i ia U > a il.d id s o t a c i iS a ? n . la atcab y o o f c , i g n t l aan para daacdbiral o'a— id> d *cwl tfcta lAxKMoma«Okua» kgb- b r a aa U t«gbdarftu*L U m a u «4 ra d> « k i t t y ta v « * a »bta pAroraasgra yta quaauba S b pdkora ta mfciouba tte fu fe d> ardar a kvkiaky ¿tto ^«o b a b a . qua <1 n i katoia tabrttoajaibcoa « u a coofeafcfe o>bu r n d ) > u u l para uaaprafca p t ritv« ara td*Jad>r d i 9) p * Cita» aa W t r i l l l ta dfc'kaSrfa d i i t i U l i M S I f t i i taoto BagiS a tar cuaooda coaio « UB poofc, »«to r 100 d> k aacafe A t f m ftkicty J O paool. a <te « p o r ciaato d> 0 1 ,0 1 X 1 1 tnvo lu a ia a & t b M bbtt iadiyaa aftwua d » b para variatdsi't e i i'aaa t a w d ) tw a o l O f m (W fcUlw</m) d d Tm fa d «iM iiifc i o a t e t o a b td n te S .> «M t ifiu fea>M UBOMMaakb d> «Maol aujror da «imp ro o K te o a a a ooa la daa4d*l A i iM u k a r o a . 0J9 a / m L 90. S a p m p a n »c M * o d a > t e > o a a i«a a > < «.d i»ia M ^ C H >. C XC H y d<aJiic«>tri»iooíS iSíarv«5ú»í(a) Hid) por a a aia fat » 0 . 1 a m < < )ttl0 0 a t T H> y r — . - IllC D .E t. «M rltpraiteportUdiTipMda^uamKlMqww Obuadni «a al o p iC b n o a 25 T : por aarfma d ) a « * dt- lokaiooui. EwiaMr Ii»h«rta <J puatt) da to agalaod a auto ta jo qua ui ob«o d < l p « n a t* » iS u b c i o e a . « L U m a i K h K ifcb o h m a da B5.0 por cùnk> da K N O , jr 15^0 por daaa> da KjSOv a t bum Sa lA a la oatt awaura da 600 g d ) <£*fa)&d> a U Q J lg d ia g u a a 60 TT. Ktcu ñ ia d > a la Figura 13* (a) ^ a d i n a r i w d x l i d f c b a 60 *C? » ) Sbdto fcu iSa n & u feta a > u t o p i a a 0 T T ,¿ q w i b u m da K N O , duba (ricatto *r? I d jCriataBaani h<aU>ida K ^ O t aO*C? 92. Supoaga qua dtf>oaa da 2,50 L da uaa d ic o te id * ( J - a.9767 g/aU.) qua feaa 13JI por r iñ a » aa a u m d i Ma • O V C H > A p o i » da OiM d i o t e t e u dauHria p n ^ t a r la caatidtl m teAw poabb d ) C f c o t o i . «fe o a g rfa a K a u u l ^ u i qua oAraaaa protaedóa a - 2 0 TT. ¿AA*S*U auk «Mool o auto a h d t o te id n T ¿Qud b u m da Kquad>atoSna? 9 1 H < b rw o d il^ d n % flB o a a — g a e it o h n » iarlarn i»aad> ut a b » mm botola da fcid> d M U U c a |HC^a>ac « j)J , j fVoblemas de seminario 111 H a l W i h da4aüo> ae «i coattUuyaM) priad p i d i aaaita da la ciM la q u a l a o M io a d i Ito raau* y k o j* d a b a M o t a d i la caaaltprocaiteMaadaH^ioaaatropfeate. B aaaiaa da caaiAt ut a lit a i aa la prodacxióa A i coadawania para a faina» t . p a H ia u a y a n m 4 ia *. H p i » da «b iJf c id « aoraud dai a t t M t ' fiatali co. C ^ O K J I C H O , aa 2 « ^ ) T , paro a atta k la ^ r * kara a a p a ia a A riiia ip 'a u rM . A m « i h » i > u da <M>, ao pwk]a p u iiic a rw por d u O o d a tiaif4a U a mAoJo qua pwadi M a s » « a aa (a bg ar aa la dcAfe tti tn a m »t t d Hfi<K U m auaKb kaaa>ogdaai da «I d à ù b d a ía ü. coyagiaata r i f uto k » * i qua la m ai a da Ito pr«rioata d ««p o r d «to* d i iq u iit a «a iguah a la pretió* a * 06Urica 1 « aua au.x a m » , la Uaparalara parai »Mini coafeh a a aiina>r>i «I liq u id ) ta avapor* H vapor d i l i owod t toada< aob»iaüiad>< ad> * H jaadxi iaaiirt-ailmt «a lquid> aa p n íd io a u a a a agua pwra y ai otn> aa rid J aA ) ria ia lin i. Uto pratáoaaa da vapor d ai ^ f r t f c b riatein > 0 MK l a u i H g a T M C ; S a u a H g a 1CB,S C ; y lO a u sH g a 1200 ^ .U a p r a tío a a a d i vapor dai a g u a ta d i a «a la T iM a 112 l i ) ¿Ctafl aa l i laa^ arak »a aproxiatada a la qua ta pro duca l i d M ila á ú a a vapor? H jO a i 0 2 O J 0.4 03 0.6 0.7 O J 0.9 HC1 1"™ (“,a Ejercidos de autoevaluación 117. Q » tua propia* pakbraa daáaao aiqsCqucéoa Hnrtn n « o ■fafcob« la) * * v u ¿ »l pobdbbauaòi ao toa iguala* M ) U D par* ai dtotvaaM y 0<D p a n ai <i>iaft>. 118. D a c r it a bravaauau otla a u da I » tiguUaata i d i » o (■¿aunóte (a) t i r d i H * u y . <b) d atúato dai raa*> da O M gateite; M m b t i f c a k t t ^ u i b « kidrM K b; W d i lo a e c e e d a « 9 . Ijp Squa la. d to v o c w i im fo rte iw . i*Ut« o » ii pov^a d i «ntfaotc W m o M d K l y m o b n d t t M l u b Ù o Id i al y a o id iÉ * (c )d t o 4 L « i)o o o MEuradl ; tobrauaurad« « 0 críí*& 2 * M a Ir x c k m t i t y d a t« te jd * k iK d o a a d c M OtM oda y d i i nltt, iava u 120. U m dtolociSo u a o t t da C H C H aa 0010 M La coaoaatovid* da atta duotucSdo aa t á b id a aproxlaMiaauaaaa ( a ) C M p H , ODIO por d a a » a » a M M / v o t in a ; m CH C5H, 0010 m; fc) C H 0 H , j o u m = (W10 M H A 0990 U 121. ¿ C a tl da laa tiguU aota a u z d a a aa a a data) (a ta f ru id a as auto protxfch qua t n u m d t o b d d a ida a i « • ( N a C t - H A < » C H ,« * ,C H -C ,H ; (c) C , H » - H , 0 t 4 4 C ,H » - C H ll? E ) f * p a á > . <21 Sa prvftara u m daolaeda da>Kiaad> 1.12atol da N H , 0 aa 1 9 V 0 g d a H ]O y taBovaaoaa kaa^orakara da 30 *CU O c a I ) Rgura 1 1 8 m d » » m ia a r ti I ) dsofaáda aa b> u t e a l a i ) t i criattkunl U n a o da aoWto. E S . U t o b b a c u i d i uagaaao tvu:4vo te agua a a m nla a » (i)ua> aii aa» d a h p n a id a dai g » . » ) un M a t t i D í l O N a C t ^ l laM M co a » k umgra aa 0 ® por ckaa> da N a CI (omm/voI). Para attadaoludda. ¿ a a i at WfN»*fc • lia a iote id k l b « i da b a b a a * « d b fa a tía otatodoi a 37*C; M a i puato dicoa g a te U a ap < oite «b ? (Supoag> qua b daoladda fe a » aaa d a t ü t e l d ) 1f t S g/aaL) 127. U m cboka^da (d ■ 1.159 g /a O ) lUaoa 6^0 por ciano da g tú ria a (gbarolX. C j H Q i . jr 3 W por d m to da H A te o u u C .ic u b (a) b mol'uicL»! d J c ^ i , 0 , (coa H p OMto daoKcato^ < H I ) ototeidai d i H , 0 (coa C ^ A como daohaoiai: (c ) b o io W id a l dd H O a o C ^ i p , ; W ) b fc*rfda a o b r dai M ) d p o ra a «(a o u b r d i H A Los Ejercicios avanzados y de recapitulación son más difí ciles que los de las secciones anteriores. No se agrupan por tipos. Tienden a integrar materia de varias secciones o capí tulos y pueden introducir nuevas ideas o desarrollar algu nas más allá de lo que se ha hecho en el texto. Las respuestas a los ejercicios seleccionados (los que se numeran en rojo) se encuentran en la página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). Los Problemas de seminario requieren un nivel más alto de conocimientos por parte de los estudiantes. Algunos de es tos problemas tratan sobre experimentos clásicos; otros re quieren que los estudiantes interpreten datos o gráficos; al gunos sugieren procedimientos alternativos para resolver problemas o aportan materia nueva. Estos problemas son un recurso que se puede utilizar de diversas formas: discu siones en clase, trabajo individual para casa, o para traba jos en grupo. Las respuestas a los problemas seleccionados (los que se numeran en rojo) se encuentran en la página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). Los Ejercicios de autoevaluación están diseñados para ayudar a los estudiantes a revisar y preparar algunos tipos de preguntas qu e suelen aparecer en los exám e nes. Los alum nos pueden usar estos ejercicios para de cidir si están preparados para abordar el estudio del ca pítulo siguiente, o si deben trabajar m ás los conceptos del presente capítulo. Las respuestas con explicaciones a los ejercicios seleccionados (los que se numeran en rojo) se encuentran en la página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). 121 ¿Qua dtoiucicki U I ) H d i b ai l u í ■ 1 daroiw d i b k M l tfgmutaa ta coaatpoad) coa b propiattel ladea Cb aa b — ^i’ f r 1 * p - - i r ^ Apéndices Hay 5 apéndices al final del libro que contienen información importante. El Apéndice A revisa sucintamente las Operaciones Matemáticas básicas. El Apéndice B describe de forma concisa los Conceptos Físicos básicos. Prefacio El Apéndice C resume el Sistema Internacional de Unidades SI. El Apéndice D contiene cinco Tablas de datos muy útiles, incluyendo la nueva Tabla D.5 de masas y abundancias isotópicas. El Apéndice E proporciona las pautas, con un ejemplo, para construir Mapas concep tuales. El Apéndice F contiene el Glosario de todos los términos clave del libro. El Apéndice G contiene las Respuestas a las preguntas sobre Evaluación de conceptos. • La Tabla periódica y una Lista de los elementos en forma de tabla, se encuentran en la contraportada delantera, para que sirvan como referencia. • En la contraportada trasera se encuentran una Tabla de constantes físicas seleccio nadas, Factores de conversión, algunas Fórmulas geométricas y otros datos e in formaciones útiles. SUPLEM ENTOS Para el profesor y el estudiante • La página web M astering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com) ofrece mu chas herramientas de enseñanza y aprendizaje. Para los trabajos en casa, Mastering Chemistry™ proporciona el primer sistema on line de aprendizaje y evaluación per sonalizados. En base a una investigación detallada de los conceptos que más cues tan a los estudiantes, el sistema es capaz de preparar a los estudiantes, con la res puesta adecuada a sus necesidades y con problemas más simples, si los solicitan. El resultado es una gran colección de tutorías que ayudan a optimizar el tiempo de estudio y la adquisición de conocimientos. Además, el Mastering Chemistry™ incluye también un texto electrónico de Pearson (Pearson eText). Esta potente pla taforma permite a los profesores y estudiantes resaltar secciones, añadir y com partir comentarios y ampliar imágenes o páginas sin distorsiones. El Mastering Chemistry™ contiene también un área de estudio (Study Area) con otro autoevaluador («Self Quizzing») para los estudiantes y una versión electrónica del «Math Review Toolkit»; los estudiantes pueden acceder al contenido de la «Study Area» sin intervención del profesor. Para el profesor • El In stn icto r's R esou rce C D -R O M (978-013-509778-6) suministra a los profeso res diez suplementos diseñados para facilitar la presentación de sus clases, inci tar discusiones en clase, ayudar a confeccionar exámenes y estimular el apren dizaje: • El Instructoras Resource M anual organizado por capítulos, suministra informa ción detallada para preparar clases, describe los errores frecuentes de los estu diantes y muestra cómo integrar todo el material auxiliar en el curso. • El Complete Solutions M anual contiene las soluciones de todos los ejercicios y problemas del final del capítulo (incluidos los Ejercicios de autoevaluadón que no son cuestiones), así como las soluciones de todos los Ejemplos Prácticos A y B. • El Testbank (Test Item File) en Word, dispone de más de 2700 cuestiones. Mu chas de ellas son del tipo «respuesta múltiple» pero también hay cuestiones de verdadero/falso y cuestiones de respuesta breve. Cada cuestión va acompañada de su respuesta correcta, el capítulo en el libro relacionado con ella y su nivel de dificultad (por ejemplo: nivel 1 para las fáciles, nivel 2 para las moderadamente difíciles y nivel 3 para las más difíciles). • El Computerized Testbank (Pearson TestGen) presenta el Testbank en un poten te programa que permite al profesor ver y editar las cuestiones existentes, crear XXV XXVI Prefacio nuevas preguntas y generar exámenes, test o trabajos para casa. TestGen permite también realizar test en una red local, calificar electrónicamente y tener los resul tados preparados en formato electrónico o en papel. • El Power Point Set 1 es una colección de todas las figuras y fotos del texto en for mato PowerPoint. • El Power Point Set 2 proporciona esquemas para clase por cada capítulo del libro. • El Power Point Set 3 dispone de preguntas para los Sistemas de respuesta perso nalizada (mando a distancia) que pueden usarse con los estudiantes en la clase, y para obtener información inmediata de su comprensión de los conceptos pre sentados. • El Power Point Set 4 es una colección de todos los Ejemplos resueltos del texto en formato PowerPoint. • El Focus On Discussions incluye todos los Atención a ... del texto que los estu diantes pueden encontrar en la página web del M astering Chemistry™ (www. masteringchemistry.com). • El Additional Material on Organic Chemistry consta de discusiones sobre áci dos y bases orgánicos, mecanismos E2, ácidos carboxílicos y sus derivados. El mecanismo de adición-eliminación que se menciona en el Capítulo 27. Los estu diantes pueden encontrarlo en la página web del M astering Chemistry™ (www. masteringchemistry.com). • Las respuestas a los Ejemplos prácticos y a los Ejercicios y problemas del final de capítulo, Answer to Practice Examples and to selected End-of-Chapter Exerrises, (los numerados en rojo en el texto) se ponen aquí a disposición del profesor. Este mismo material se ofrece a los estudiantes en la página web del Mastering Chemistry™ (www.masteringchemistry.com). • El Complete Solutions Manual está disponible en papel (978-013-504293-9). Si el profesor lo autoriza, la editorial puede suministrárselo a los alumnos. • El Transparettcy P ackag e (978-013-703215-0) contiene los acetatos en color de la ma yoría de figuras, tablas y fotos del libro de texto. • Un Curso WebCT*® previo (978-013-703208-2) se ha preparado para acompañar al libro. • Los especialistas en Tecnología de Pearson trabajan con profesores y técnicos en educación para garantizar la calidad de los productos de tecnología Pearson, los me dios de evaluación y los materiales del curso on line. Este equipo altamente cuali ficado, se dedica a ayudar a los estudiantes a aprovechar todos las ventajas de este amplio abanico de recursos educativos, asistiéndoles con su integración con los ma teriales y formatos mediáticos. El representante de Pearson Educación en su zona le proporcionará más detalles de este programa. • El C ourseSm art eT extbook (978-013-509775-5) va más allá de las previsiones; pro porciona acceso instantáneo on line a los libros de texto y materiales de curso que pueda necesitar, a un bajo coste para los estudiantes. Si los estudiantes ahorran di nero, Vd. puede ahorrar tiempo y energía con el eTextbook digital que le permi te buscar el contenido más relevante al momento. Tanto si está evaluando libros de texto como si está preparando notas de clase para ayudar a sus estudiantes con los conceptos más difíciles, CourseSmart puede hacerle la vida más fácil. Véalo cuan do visite www.coursesmart.com/instructors. Para el estudiante • Junto con el código de acceso al M astering Chemistiy™ cada nuevo ejemplar de este libro viene acompañado de un Cuaderno-Resumen (en inglés, Study Card) Prefacio (978-013-703212-9). Este cuaderno suministra una revisión concisa pero precisa de todos los conceptos clave y materias incluidas en cada capítulo del libro. • El S elected S olu tion s M anual (978-013-504292-2) contiene las soluciones de todos los ejercicios y problemas del final del capítulo, que están numerados en rojo. • El Math Reviezv T oolkit (978-013-612039-1) contiene un resumen de los conocimien tos fundamentales matemáticos necesarios para cada capítulo del libro. • El C ourseSm art eT extbook (978-013-509775-5) va más alia de las previsiones; pro porciona acceso instantáneo on line a los libros de texto y materiales de curso que puedas necesitar, con un descuento del 50 por ciento. El acceso instantáneo desde cualquier computador y la posibilidad de buscar tu texto permiten encontrar con tenidos rápidamente desde cualquier localización. Con herramientas on line para marcar y anotar texto, ahorras dinero y ganas eficiencia en el estudio. Véanse todas estas ventajas de www.coursesmart.com/students. AGRADECIM IENTOS Queremos agradecer a los siguientes profesores por sus revisiones de partes del manus crito. Brian M. Baker University o f Notre Dame Robert J. Balahura University c f Guelph John Carran Queen's University Chin Li Cheung University o f Nebraska, Lincoln Savitri Chandrasekhar University o f Toronto - Scarborough H. Floyd Davis Cornell University David Dick College o f the Rockies Randall S. Dumont McMaster University Philip Dutton University o f Windsor Ludo Gelmini Grant MacEwan College Kevin Grundy Dalhousie University P. Shiv Halasyamani University o f Houston C. Alton Hassell Baylor University Sheryl Hemkin Kenyon College Michael Hempstead York University Hugh Horton Queen's University Robert C. Kerber Stony Brook University Pippa Lock McMaster University J. Scott Mclndoe University o f Victoria Umesh Parshotam University o f Northern British Columbia Darrin Richeson University ofOttaxua Lawton Shaw Athabasca University Roberta Silerovä John Abbot College Andreas Toupadakis University o f California, Davis A. van der Est Brock University Rash mi Venkateswaren University o f Ottawa Deborah Walker University o f Texas at Austin Todd Whitcombe University o f Northern British Columbia Milton J. Wieder Metropolitan State College o f Denver Vance Williams Simon Fraser University Queremos agradecer espedalmente la valiosa ayuda de Stephen Forsey (Universidad de Waterloo) en el diseño del nuevo Capítulo 27. Queremos dar las gradas a los siguientes profesores por la revisión técnica de algu nos capítulos de la nueva edidón, durante la producdón. Chin Li Cheung University o f Nebraska, Lincoln David Dick College o f the Rockies Philip Dutton University o f Windsor Todd Whitcombe University o f Northern British Columbia Milton J. Wieder Metropolitan State College o f Denver J. Scott Mclndoe University o f Victoria Estamos muy agradeddos a nuestro coautor Ralph Petrucd por haberse asignado el trabajo extraordinario de revisar cuidadosamente cada página del manuscrito antes de ir a la imprenta. X X V II X X V III Prefacio La motivación más importante para mejorar este libro en sus sucesivas ediciones son los comentarios de nuestros colegas y estudiantes. Por favor, no duden en escribimos un e-mail. Sus observaciones y sugerencias son bienvenidas. C a r ey B is s o n n e t t e J effry D. M adu ra F. G e o f f r e y H e r r in g cbissonn@uwaterloo.ca madura@duq.edu fgh@chem.ubc.ca ADVERTENCIA: muchos de los compuestos y reacciones químicas descritos o represen tados en este texto son peligrosos. No intente realizar ningún experimento descrito o in dicado en el texto, excepto con permiso, en un laboratorio autorizado y bajo la supervi sión adecuada. Las propiedades de la materia y su medida CONTENIDO 1.1 El método científico 1.2 Propiedades de la materia 1.3 Clasificación de la materia 1.4 Medida de las propiedades de la materia. Unidades SI 1.5 La densidad, la composición porcentual y su utilización en la resolución de problemas 1.6 La incertidumbre en las medidas científicas 1.7 Cifras significativas Imagen del telescopio espacial Hubble, de una nube de polvo y gas hidrógeno (mitad inferior dere cha en la imagen) que forma parte de la nebulosa Swan (M17). Los colores proceden de la luz emiti da por el hidrógeno (verde), azufre (rojo) y oxígeno (azul)- Los elementos químicos que se estudian en este texto son los que se encuentran en la Tierra y, presumiblemente, también en todo el Universo. esde la clínica que trata las «dependencias químicas» hasta las represen taciones teatrales de «química recreativa», pasando por el etiquetado de las comidas que anuncia «sin productos químicos añadidos», la quími ca y los productos químicos parecen ya una parte integral de la vida, aunque no siempre sean referencias positivas. Un etiquetado anunciando la ausencia de productos químicos en la comida no tiene sentido, porque todas las comi das son, en sí mismas, productos químicos, incluso los llamados «cultivos or gánicos». De hecho, todos los objetos materiales —seres vivos o inanimados— se componen de productos químicos y debemos comenzar nuestro estudio con esta idea clara. Al manipular los materiales que les rodean, los seres humanos siempre han practicado la química. Entre las prácticas más antiguas estaban el esmaltado de cerámicas, la fundición de minerales para obtener metales, el curtido de pieles, el teñido de telas y la fabricación de queso, vino, cerveza y jabón. Con la cien cia moderna, los químicos pueden descomponer la materia en sus componentes más pequeños (átomos) y reagrupar estos componentes en materiales inexisten tes en la naturaleza y que tienen propiedades nunca vistas. D 1 2 Química general Por ejemplo, la gasolina y miles de compuestos químicos que se usan en la obtención de plásticos, fibras sintéticas, productos farmacéuticos y pesticidas son derivados del pe tróleo. Con la ciencia química moderna se pueden entender los procesos fundamentales de la vida y también se necesita la ciencia moderna para entender y controlar los proce sos que deterioran el medio ambiente, tales como la formación del smog y la destrucción de la capa de ozono. A veces se llama a la química la ciencia central por estar relaciona da con muchas áreas de la actividad humana. Los conocimientos químicos antiguos se limitaban a describir el «cómo» de la quími ca, descubierto a base de prueba y error. Los conocimientos modernos contestan el «por qué», además del «cómo» de los cambios químicos, que se basan en principios y teorías. Para dominar los principios de la química se requiere un trabajo sistemático y el progre so científico es una consecuencia de la forma de trabajar de los científicos, planteándo se las preguntas adecuadas, diseñando los experimentos correctos para proporcionar las respuestas adecuadas y formulando explicaciones aceptables de sus hallazgos. Examine mos a continuación el método científico con más detenimiento. 1.1 El m étodo científico La denda se diferenda de otros campos del saber en el método que utilizan los dentíficos para adquirir conodmientos y en el significado especial de estos conodmientos. Los conodmientos dentíficos se pueden utilizar para explicar fenómenos naturales y, a veces, para predecir acontedmientos futuros. Los antiguos griegos desarrollaron algunos métodos potentes para la adquisidón de conodmientos, espedalmente en matemáticas. La estrategia de los griegos consistía en empezar con algunas suposidones o premisas básicas. Entonces, mediante el método de nominado razonamiento deductivo debían alcanzarse por lógica algunas conclusiones. Por ejemplo, si a = b y b = c, entonces a = c. Sin embargo, la deducdón por sí sola no es sufi ciente para la adquisidón de conodmientos dentíficos. El filósofo griego Aristóteles supu so cuatro sustandas fundamentales: aire, tierra, agua y fuego. Todas las demás sustandas creía que estaban formadas por combinadones de estos cuatro elementos. Los químicos de hace varios siglos (más conoddos como alquimistas) intentaron sin éxito aplicar la idea de los cuatro elementos para transformar plomo en oro. Su fracaso se debió a muchas ra zones, entre ellas la falsedad de la suposidón de los cuatro elementos. El método dentífico se originó en el siglo xvii con personas como Galileo, Frands Bacon, Robert Boyle e Isaac Newton. La clave del método es que no se hacen suposidones inidales, sino que se llevan a cabo observadones minudosas de los fenómenos natura les. Cuando se han hecho observadones sufidentes como para que comience a emerger un patrón de comportamiento, se formula una generalizadón o ley natural que descri ba el fenómeno. Las leyes naturales son proposidones condsas, frecuentemente en for ma matemática, acerca del comportamiento de la naturaleza. El proceso de observado nes que conducen a una proposidón de carácter general o ley natural redbe el nombre de razonamiento inductivo. Por ejemplo, en los comienzos del siglo xvi el astrónomo pola co Nicolás Copémico (1473-1543), basándose en un estudio cuidadoso de las observado nes astronómicas, conduyó que el planeta Tierra se mueve alrededor del Sol según una órbita drcular, aunque en aquella época se enseñaba, sin ninguna base dentífica, que el Sol y los otros cuerpos celestes giraban alrededor de la Tierra. Podemos considerar la pro posidón de Copérnico como una generalizadón o ley natural. Otro ejemplo de ley natu ral es la desintegradón radiactiva que establece el tiempo que tardará una sustanda ra diactiva en perder su actividad. El éxito de una ley natural depende de su capaddad para explicar las observadones y prededr nuevos fenómenos. El trabajo de Copérnico alcanzó un gran éxito porque Co pérnico fue capaz de prededr las posidones futuras de los planetas con mas predsión que sus contemporáneos. Sin embargo, no debemos considerar una ley natural como una verdad absoluta. Futuros experimentos pueden obligamos a modificar la ley. Medio siglo después, Johannes Kepler mejoró las ideas de Copémico mostrando que los planetas no describen órbitas drculares sino elípticas. Para verificar una ley natural el dentífico di seña experimentos, para ver si las condusiones que se deducen de la ley natural concuerdan con los resultados experimentales. Capítulo 1 Observación natural o experimental > Las propiedades de la materia y su medida t Teoría o modelo: amplía la hipótesis y proporciona predicciones Hipótesis: propuesta de explicación 3 Se establece la teoría, a no ser que nuevos experimentos u observaciones indiquen fallos Experimentos: se diseñan para comprobar la hipótesis VL Experimentos para probar las predicciones de la teoría Revisión de la hipótesis, si los experimentos muestran que no es adecuada Modificación de la teoría, si los experimentos muestran que no es adecuada I ▲ FIGURA 1.1 Ilustración del método científico Una hipótesis es un intento de explicación de una ley natural. Si la hipótesis es con sistente con las pruebas experimentales, se la denomina teoría. Sin embargo, podemos utilizar este término en un sentido más amplio. Una teoría es un modelo o una mane ra de examinar la naturaleza que puede utilizarse para explicar los fenómenos naturales y hacer predicciones sobre los mismos. Cuando se proponen teorías diferentes o contra dictorias, se elige generalmente la que proporciona las mejores predicciones. También se prefiere la teoría que requiere el menor número de suposiciones, es decir, la teoría más simple. Cuando pasa el tiempo y se acumulan nuevas evidencias experimentales, la ma yor parte de las teorías científicas se modifican y algunas se desechan. El método cien tífico es la combinación de las observaciones y experimentos junto con la formulación de leyes, hipótesis y teorías. El método científico se ilustra median te el diagrama de flujo de la Figura 1.1. A veces los científicos desarrollan un patrón de pensamiento en su campo del saber, conocido como un paradigma, cuyo éxito es grande al principio, pero después no lo es tanto. Puede ser necesario un nuevo paradigma. De alguna manera, el método de búsqueda que denominamos método científico es también un paradigma, y hay quien piensa que también necesita ser cambiado. Es decir, las dis tintas actividades de los científicos modernos son más complejas que la simple descrip ción del método científico aquí descrito*. En cualquier caso, el éxito científico no está ga rantizado si simplemente se siguen una serie de procedimientos semejantes a los de un libro de cocina. Otro factor en el descubrimiento científico es la suerte. Muchos descubrimientos se han hecho de forma acddentaL Por ejemplo, en 1839, el inventor americano Charles Goodyear estaba investigando un tratamiento para el caucho natural que lo hiciese menos frágil en frío y menos pegajoso en caliente. En el transcurso de su trabajo, derramó por accidente una mezcla de caucho y azufre sobre una placa caliente y descubrió que el producto re sultante tenía exactamente las propiedades que estaba buscando. Otros descubrimientos casuales han sido los rayos X, la radiactividad y la penicilina. Por tanto, científicos e in ventores necesitan estar siempre alerta ante las observaciones inesperadas. Quizás nadie ha sido más consciente de esto que Louis Pasteur, que escribió «La casualidad favorece a la mente que está preparada». 1.1 REPUBLIQUE FRANÇAISE ¡ AAAAAAááÉÉAAáAAAÉ A Louis Pasteur (1822-1895). Este gran seguidor del método científico desarrolló la teoría de los gérmenes como causantes de la enfermedad, la esterilización de la leche por pasteurización y la vacuna contra la rabia. Para algunos es el médico más grande de todos los tiempos. En realidad no era médico, sino químico, de formación y de profe sión, EVALUACIÓN DE CONCEPTOS ¿Se está realizando una correcta aplicación del método científico cuando se dice «la excepción confirma la regla»? Expliqúese. * W. Harwood, JCST, 3 3,29 (2004). JCST es la abreviatura de Journal o f College Science Teaching. < Las respuestas a la Evaluación de conceptos se encuentran en el Apéndice G . 4 Química general 1.2 Propiedades de la materia Las definiciones de química que se encuentran en los diccionarios incluyen los términos materia, composición y propiedades, como en la frase: «la química es la ciencia que trata de la composición y propiedades de la materia». En esta sección y en la siguiente se estudia rán algunas ideas básicas sobre estos tres términos, esperando que con ello se compren da mejor el objeto la química. La materia es todo lo que ocupa espacio, tiene una propiedad llamada masa y posee inercia. Cada ser humano es un objeto material. Todos ocupamos espacio y describimos nuestra masa por medio de una propiedad relacionada con ella, nuestro peso. (La masa y el peso se describen con más detalle en la Sección 1.4. La inercia se describe en el Apén dice B). Todos los objetos que vemos a nuestro alrededor son objetos materiales. Los ga ses de la atmósfera, aunque invisibles, son ejemplos de la materia, ocupan espacio y tie nen masa. La luz solar no es materia sino una forma de energía. El concepto de energía se trata unos capítulos más tarde. La composición se refiere a las partes o componentes de una muestra de materia y a sus proporciones relativas. El agua ordinaria está formada por dos sustancias más sim ples, hidrógeno y oxígeno, presentes en determinadas proporciones fijas. Un químico di ría que la composición en masa del agua es de 11,19 por ciento de hidrógeno y 88,81 por ciento de oxígeno. El peróxido de hidrógeno, sustancia utilizada como blanqueante y desinfectante, también está formada por hidrógeno y oxígeno, pero tiene una composi ción diferente. El peróxido de hidrógeno está formado por 5,93 por ciento de hidrógeno y 94,07 por ciento de oxígeno en masa. Las propiedades son las cualidades y atributos que podemos utilizar para distinguir una muestra de materia de otra. Las propiedades de la materia se agrupan generalmente en dos amplias categorías: propiedades físicas y propiedades químicas. Las propiedades y transformaciones físicas Una propiedad física es una propiedad que una muestra de materia tiene mientras no cambie su composición. Pueden establecerse visualmente en algunos casos. Así, pode mos distinguir mediante el color entre el sólido de color marrón rojizo, llamado cobre, y el sólido de color amarillo, llamado azufre (Figura 1.2). Con un martillo se pueden preparar hojas delgadas o láminas de cobre (véase la Figu ra 1.2). Los sólidos que tienen esta propiedad se dice que son maleables. El azufre no es maleable. Si golpeamos un trozo de azufre con un martillo, el trozo se deshace en forma de polvo. El azufre es frágil. Otras propiedades físicas del cobre, que no tiene el azufre, son la capacidad de ser estirado en forma de alambre (ductilidad) y la capacidad de con ducir el calor y la electricidad. Algunas veces una muestra de materia cambia su aspecto físico, es decir, experimenta una transformación física. En una transformación física pueden cambiar algunas de las propiedades físicas de la muestra de materia pero su composición permanece inalterada. Cuando el agua líquida se congela formándose agua sólida (hielo), sin duda el agua pa rece diferente y, en muchos sentidos, lo es. Sin embargo permanece inalterada la compo sición en masa del agua 11,19 por ciento de hidrógeno y 88,81 por ciento de oxígeno. ► FIGURA 1.2 Propiedades físicas del azufre y del cobre. Uha piedra de azufre (izquierda) se deshace en un polvo amarillo si se le da con un martillo. El cobre (derecha) se puede encontrar en grandes pepitas de cobre nativo que martilleando se puede convertir en una lámina delgada o estirar en un hilo. Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida 5 Las propiedades y transformaciones químicas En una transformación quím ica o reacción química, una o más muestras de materia se oonvierten en nuevas muestras con composiciones diferentes. Por tanto, la clave para identificar una transformación química es observar un cambio en la composición. Cuando se quema un papel tiene lugar una transformación química. El papel es un material com plejo, pero sus componentes principales son carbono, hidrógeno y oxígeno. Los produc tos principales de la combustión son dos gases, uno de ellos formado por carbono y oxí geno (dióxido de carbono) y el otro por hidrógeno y oxígeno (agua en forma de vapor). La capacidad de arder del papel es un ejemplo de propiedad química. Una propiedad química es la capacidad (o incapacidad) de una muestra de materia para experimentar un cambio en su composición bajo ciertas condiciones. El cinc reacciona con una disolución de ácido clorhídrico produciéndose gas hidróge no y una disolución acuosa de cloruro de cinc (Figura 1.3). La capacidad del dnc para re accionar con el ácido clorhídrico es una de las propiedades químicas características del dnc. La incapaddad del oro para reacdonar con el áddo dorhídrico es una de las propie dades químicas del oro. El sodio reacdona no solo con d áddo dorhídrico sino también con el agua. El dnc, el oro y el sodio son similares en algunas de sus propiedades físicas. Por ejemplo, todos ellos son maleables y buenos conductores del calor y la electriddad. Sin embargo, el dnc, el oro y el sodio son bastante diferentes en sus propiedades quími cas. El conodmiento de estas diferendas nos ayuda a comprender por qué el dnc, que no reacdona con el agua, puede utilizarse para hacer clavos y piezas de tejados y canalones, mientras que el sodio no. También podemos comprender por qué el oro es apredado por ser químicamente inerte para hacer joyas y monedas; ni se oxida ni se altera. En nues tro estudio de la química veremos por qué las sustandas tienen propiedades diferentes y cómo estas diferendas determinan el uso que hacemos de los materiales. 1.3 ▲ FIGURA 1.3 Una propiedad química del dnc y el oro: reacción con áddo clorhídrico. El clavo cincado (galvanizado) reacciona con ácido clorhídrico produciendo burbujas de gas hidrógeno que se ven en la superficie del clavo. El brazalete de oro no se afecta por el ácido clorhídrico. En la fotografía, el cinc se ha consumido, quedando el hierro a la vista. La reacción del hierro con el ácido clorhídrico colorea la disolución ácida. Clasificación de la materia La materia está formada poruñas unidades diminutas denominadas átomos. Un elemen to químico es una sustanda formada por un solo tipo de átomos. Actualmente, la Unión Intemadonal de Química Pura y Aplicada (IUPAC) reconoce 112 elementos y ¡ toda la ma teria está formada únicamente por estos 112 tipos de átomos! Los elementos conoddos comprenden desde sustandas comunes como el carbono, el hierro y la plata, hasta sustan das poco frecuentes como el lutedo y el tulio. En la naturaleza podemos encontrar aproxi madamente 90 de estos elementos. El resto no aparecen de forma natural y solamente po demos obtenerlos artifidalmente. En la contracubierta delantera, se encuentra una lista completa de los elementos y también una ordenadón espedal de los mismos en forma de tabla, denominada tabla periódica. La tabla periódica, guía de los elementos para el quími co, será descrita en el Capítulo 2 y la utilizaremos a lo largo de la mayor parte del texto. Los compuestos químicos son sustandas en las que se combinan entre sí los átomos de diferentes elementos. Los dentíficos han identificado millones de compuestos químicos di ferentes. En algunos casos podemos aislar una molécula de un compuesto. Una molécula es la entidad más pequeña posible en la que se mantienen las mismas propordones de los áto mos constituyentes que en el compuesto químico. Una molécula de agua está formada por tres átomos: dos átomos de hidrógeno unidos a un solo átomo de oxígeno. Una molécula de peróxido de hidrógeno tiene dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno; los áto mos de oxígeno están unidos entre sí y hay un átomo de hidrógeno unido a cada átomo de oxígeno. En cambio una molécula de la proteína de la sangre llamada gamma globulina, está formada por 19 996 átomos de solo cuatro tipos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. h' ° s h Hw H Gamma globulina La Unión Intemadonal de Química Pura y Aplicada (IUPAC) es la autoridad mundial reconocida en nomendatura y terminología químicas, en métodos estándar de medida, m asas atómicas y muchas otras facetas de la química. Entre otras actividades, publica revistas, informes y bases de datos, generalmente disponibles en www. iupac.org •< La identidad del átomo se establece por medio de su número atómico (véase Secdón 2.3). Los informes redentes de elementos nuevos, como los elementos números 113 al 116 y d 118, no están confirmados. La caracterizadón de estos elementos «superpesados» es complicada; en cada experimento se producen unos pocos átomos y se desintegran casi instantáneamente. 6 Química general A ¿E s una muestra homogénea, o heterogénea? Cuando se observa la leche homogeneizada al micros copio, se ve que consta de glóbulos grasos dispersos en un medio acuoso. La leche homogeneizada es una mezcla heterogénea. La composición y las propiedades de un elemento o compuesto son uniformes en cualquier parte de una muestra, o en muestras distintas del mismo elemento o compues to. Los elementos y compuestos se denominan sustancias (En sentido químico, el tér mino sustancia debe utilizarse solamente para elementos y compuestos). Una mezcla de sustancias puede variar en composición y propiedades de una muestra a otra. Cuando una mezcla es unifórme en composición y propiedades en cualquier parte de una mues tra determinada se dice que es una mezcla homogénea o una disolución. Una disolu ción acuosa de sacarosa (azúcar de caña) tiene un dulzor uniforme en cualquier parte de la disolución, pero el dulzor de otra disolución de sacarosa puede ser muy distinto si las proporciones de azúcar y agua son diferentes. El aire ordinario es una mezcla homogé nea de varios gases, principalmente los elementos nitrógeno y oxígeno. El agua del mar es una disolución de los compuestos agua, cloruro de sodio (sal) y muchos otros. La gasolina es una mezcla homogénea o disolución de docenas de compuestos. En las mezclas heterogéneas, como la formada por arena y agua, los componentes se separan en zonas diferenciadas. Por tanto, la composición y las propiedades físicas varían de una parte a otra de la mezcla. Una salsa para ensalada, una losa de horm i gón y una hoja de una planta son todos ellos heterogéneos. Generalmente, es fácil dis tinguir las mezclas heterogéneas de las homogéneas. La Figura 1.4 muestra un esque ma para clasificar la materia en elementos y compuestos y en mezclas homogéneas y heterogéneas. Separación de mezclas ► Lo que ayuda a distinguir las distintas clasificaciones de la materia es su composición, y más concretamente, las variaciones de composición. ► Además de disoluciones líquidas y gaseosas, puede haber disoluciones sólidas. Por ejemplo, algunas aleaciones. Los componentes de una mezcla pueden separarse m ediante transformaciones físicas adecuadas. Pensemos otra vez en la mezcla heterogénea de arena y agua. Cuando echa mos esta mezcla en un embudo provisto de un papel de filtro poroso, el agua líquida pasa a su través y la arena queda retenida en el papel. Este proceso de separación, de un sólido del líquido en el que se encuentra en suspensión, recibe el nombre de filtra ción. (véase la Figura 1.5a). Es probable que utilice este procedimiento en el laboratorio. Por otra parte, no se puede separar una mezcla homogénea (disolución) de sulfato de cobre(II) en agua por filtración porque todos los componentes pasan a través del papel. Sin embargo, podemos hervir la disolución de sulfato de cobre(II) en agua. El agua lí quida pura se obtiene del vapor liberado al hervir la disolución. Cuando se ha separado toda el agua, el sulfato de cobre(II) permanece en el recipiente. Este proceso se denomi na destilación (véase la Figura 1.5b). A FIGURA 1.4 Esquema para clasificar la materia. Una muestra de materia, o es una sustancia simple (un elemento o un compuesto), o es una mezcla de sustancias. A nivel molecular, un elemento consta de átomos de un solo tipo y un compuesto consta de dos o más tipos diferentes de átomos, normalmente unidos formando moléculas. En una mezcla homogénea, los átomos o moléculas están mezclados al azar, a nivel molecular. En una mezcla heterogénea, los componentes están físicamente separados como en una capa de moléculas de octano (un componente de la gasolina) lotando sobre una capa de moléculas de agua. Capítulo 1 (a) Las propiedades de la materia y su medida 7 (b) M FIGURA 1.5 Separadón de mezclas: un proceso físico. (a) Separación de una mezcla heterogénea por filtración: el sulfato de cobre{ll) sólido queda retenido por el papel de filtro mientras el hexano líquido pasa a través del filtro, (b) Separación de una mezcla homogénea por destilación: el sulfato de cobre(II) se queda en el matraz de la izquierda mientras el agua pasa al matraz de la derecha por evaporación y posterior condensación a líquido, (c) Separación de los componentes de la tinta por cromatografía: puede verse una mancha oscura justo encima del nivel del agua, mientras el agua asciende por el papel, (d) El agua ha disuelto los componentes coloreados de la tinta, y estos componentes son retenidos en diferentes zonas del papel según sus diferentes adherencias al papel. Otro método de separación disponible para los químicos modernos se basa en la dis tinta capacidad de los compuestos para adherirse a las superficies de varias sustancias sólidas como el papel o el almidón. Este es el fundamento de la técnica de cromatografía. La separación de tinta en un papel de filtro (véase la Figura 1.5c-d) ilustra los impresio nantes resultados que se pueden obtener con esta técnica. Descomposición de compuestos Un compuesto químico m antiene su identidad durante las transform aciones físicas pero puede descomponerse en sus elementos constituyentes por medio de transforma ciones químicas. Es más difícil descomponer un compuesto en sus elementos constitu yentes que la mera separación física de las mezclas. La extracción del hierro de los mi nerales de óxido de hierro requiere un alto horno. La obtención de magnesio a partir de cloruro de magnesio a escala industrial requiere electricidad. Generalmente es más fácil convertir un compuesto en otros compuestos mediante reacción química que se parar un compuesto en sus elementos constituyentes. Por ejemplo, cuando se calien ta el dicromato de amonio se descompone en óxido de cromo(III), nitrógeno y agua. Esta reacción que se utilizaba en las películas para simular un volcán, se muestra en la Figura 1.6. Estados de la materia La materia suele encontrarse en uno de los tres estados, sólido, líquido o gas. En un sóli do, los átomos o moléculas están en contacto próximo, a veces en disposiciones muy or ganizadas que se llaman cristales. Un sólido tiene una forma definida. En un líquido, los átomos o moléculas están generalmente separados por distancias mayores que en un sólido. El movimiento de estos átomos o moléculas proporciona al líquido una de sus propiedades más características: la capacidad de fluir cubriendo el fondo y adoptando la forma del recipiente que lo contiene. En un gas, las distancias entre átomos o moléculas son a fig u r a 1.6 Un cambio químico: descomposición del dicromato de amonio 8 Química general ► FIGURA 1.7 Visión macroscópica y microscópica de la materia. La imagen muestra un cubito de hielo sobre una superficie caliente y los tres estados del agua. Las tres ampliaciones muestran cómo los químicos conciben estos estados microscópicamente, representando las moléculas con dos hidrógenos unidos a un oxígeno. En el hielo (a), las moléculas están ordenadas regularmente en una matriz rígida. En el agua líquida (b), las moléculas están bastante ordenadas pero se mueven libremente. En el agua gaseosa (c), las moléculas están muy separadas. mucho mayores que en un líquido. Un gas siempre se expande hasta llenar el recipien te que lo contiene. Dependiendo de las condiciones, una sustancia puede existir solo en uno de los estados de la materia, o puede estar en dos o tres estados. Así, cuando el hie lo de una charca empieza a fundir en primavera, el agua está en dos estados, el sólido y d líquido (realmente en tres estados, si tenemos en cuenta el vapor del agua del aire en contacto con la charca). Los tres estados del agua se muestran en la Figura 1.7. El punto de vista macroscópico se refiere a cómo percibimos la materia con nuestros ojos, a través de la apariencia externa de los objetos. El punto de vista microscópico des cribe la materia como los químicos la conciben: en función de los átomos y moléculas y de su comportamiento. En este texto describiremos muchas propiedades macroscópicas observables de la materia, pero para explicar estas propiedades frecuentemente recurri remos al nivel atómico o molecular, es decir, al nivel microcópico. ► La información que no es numérica, como el color azul, es Información cualitativa. ► La definición del metro se basó también en el espectro atómico de “ Kr y se cambió por la actual de la velocidad de la luz en 1983. La velocidad de la luz se define actualmente como 2,99792458 X 108 m/s. 1.4 Medida de las propiedades de la materia. Unidades SI La química es una ciencia cuantitativa. Esto significa que en muchos casos podemos me dir una propiedad de una sustancia y compararla con un patrón que tenga un valor co nocido de la propiedad. Expresamos la medida como el producto de un número y una unidad. La unidad indica el patrón con el que hemos comparado la cantidad medida. Cuando decimos que la longitud del campo de fútbol es 100 yardas queremos decir que el campo es 100 veces mas largo que un patrón de longitud llamado yarda (yd). En esta sección introduciremos algunas unidades básicas de medida que son importantes para los químicos. El sistema científico de medidas se llama Systéme Internationale d'Unités (Sistema In ternacional de Unidades) y de forma abreviada SI. Es una versión moderna del sistema métrico, un sistema basado en la unidad de longitud llamada metro (m). El metro se de finió originalmente como la diezmillonésima parte de la distancia del ecuador al Polo Norte. Esta longitud se trasladó a una barra metálica conservada en París. Desafortuna damente, la longitud de la barra está sometida a cambios con la temperatura y no pue- Capítulo 1 T A B LA 1.1 Las propiedades de la materia y su medida T A B LA 1 .2 M agnitudes SI básicas Prefijo s SI Magnitud física Unidad Símbolo Múltiplo Prefijo Longitud Masa Tiempo Temperatura Cantidad de sustancia® Intensidad de corriente** Intensidad luminosac metro kilogramo segundo kelvin mol amperio candela m kg s K mol A cd 10* 1015 10* 109 106 103 102 101 10'1 10-2 10"3 10-* 10-* 10-12 10-15 10"18 10-21 10- exa (E) peta (P) tera (T) giga (G) mega (M) kilo (k) hecto (h) deca (da) ded (d) centi (c) m ili (m) micro (ju)a nano (n) pico (p) femto (f) atto (a) zepto (z) yocto (y) a El mol se introduce en la Sección 2.7. b La intensidad de com ente eléctrica se describe en el Apéndice B y en el Capítulo 20. c La intensidad luminosa no se describe en este texto. de reproducirse exactamente. El sistema SI sustituye la barra patrón del metro por una magnitud que puede reproducirse en cualquier sitio: 1 metro es la distancia recorrida por la luz en el vado en 1/299 792 458 de un segundo. La longitud es una de las siete mag nitudes fundamentales del sistema SI (véase la Tabla 1.1). Cualquier otra magnitud tiene unidades que se derivan de estas siete. El sistema SI es un sistema decimal. Las magnitu des que difieren de la unidad básica en potencias de diez se indican por medio de prefi jos escritos antes de la unidad básica. Por ejemplo, el prefijo kilo significa mil veces (103) la unidad básica y se abrevia por k. Así un kilóm etro = 1000 metros o 1 km = 1000 m. La Tabla 1.2 muestra los prefijos SI. La mayor parte de las medidas de la química se hacen en unidades SI. Algunas ve ces debemos convertir unas unidades SI en otras unidades SI, como cuando se convier ten kilómetros a metros. Otras veces debemos convertir medidas expresadas en unida des que no son SI en unidades SI, o viceversa. En todos estos casos debemos utilizar un factor de conversión o una serie de factores de conversión, en un esquema denominado se cuencia de conversión. En las secciones siguientes se verá como se resuelven problemas utilizando una secuencia de conversión. Este método de resolución de problemas se des cribe con más detalle en el Apéndice A. 9 a Letra griega «mu». Es una buena idea memorizar los prefijos SI más frecuentes (tales como G, M, k, de, c, m, ¡j., n y p) porque no se puede vivir en el mundo científico sin conocer los prefijos SI. Masa M asa es la magnitud que mide la materia de un objeto. En el sistema SI, el patrón de masa es un kilogramo (kg), que es una unidad bastante grande para la mayoría de las apli caciones químicas. Frecuentemente utilizamos la unidad gramo (g) que es aproximada mente la masa de tres pastillas de aspirina. Peso es la fuerza con que la gravedad actúa sobre un objeto. Es directamente propor cional a la masa como se muestra en las ecuaciones siguientes. IV oc m y W = g X m (1 . 1 ) Un objeto material tiene una masa constante (m), que no depende de cómo o dónde se mida. Por otra parte, su peso (W) puede variar debido a que la aceleración de la gra vedad (g) varía un poco de unos puntos de la Tierra a otros. Así, un objeto que pesa 100,0 kg en San Petersburgo (Rusia), pesa solo 99,6 kg en Panamá (alrededor de un 0,4 por ciento menos). El mismo objeto pesaría solo unos 17 kg en la Luna. Aunque el peso varía de un lugar a otro, la masa del objeto es la misma en los tres lugares. Con frecuen cia los términos peso y masa se utilizan de forma indistinta, pero solamente la masa es la medida de la cantidad de materia. Un dispositivo habitual en el laboratorio para medir la masa es la balanza. El principio que se utiliza en la balanza es el de contrarrestar la fuerza con que ac túa la gravedad sobre una masa desconocida con una fuerza de igual magnitud que puede medirse con precisión. En los modelos antiguos de balanzas esto se consigue a través de la fuerza de gravedad que actúa sobre objetos llamados pesas cuya masa se conoce con precisión. En los tipos de balanzas m ás frecuentes hoy en día en los la ■<El símbolo oc significa «proporcional a» y puede ser reemplazado por el signo igual y una constante de proporcionalidad. En la expresión (1.1) la constante de proporcionalidad es la aceleración debida a la gravedad, g. Véase el Apéndice B. 10 Química general boratorios, las balanzas electrónicas, la fuerza que contrarresta a la gravedad es una fuerza magnética producida por el paso de una corriente eléctrica a través de un elec troimán. Primero se equilibra la balanza cuando no hay ningún objeto sobre el plato. Cuando el objeto a pesar se coloca en el plato, la balanza se desequilibra. Para recu perar el equilibrio se debe hacer pasar por el electroimán una corriente eléctrica adi cional. La magnitud de esta corriente adicional es proporcional a la masa del objeto que se está pesando y se establece su equivalencia con una lectura de masa que apa rece en la escala de la balanza. Al margen se muestra la imagen de una balanza elec trónica. 1.2 A Una balanza electrónica. EVALUACIÓN DE CONCEPTOS Si se utiliza una balanza de dos platos o una balanza electrónica para determinar la masa de un mismo objeto en la Luna y en la Tierra, ¿se obtendrá el mismo resultado? Justifique su res puesta. Tiempo ► La radiación electromagnética se estudia en la Sección 8.1. En nuestra vida diaria medimos el tiempo en segundos, minutos, horas y años, depen diendo de si se trata de intervalos cortos (como el de una carrera de 100 m) o largos (como el tiempo que falta para la siguiente aparición del cometa Halley en el año 2062). Todas estas unidades se utilizan en el trabajo científico, aunque el patrón SI del tiempo es el segundo (s). No es fácil establecer un intervalo de tiempo de 1 segundo. Antigua mente se basaba en la duración de un día, pero este tiempo no es constante porque la ve locidad de rotación de la tierra varía un poco. Más tarde, en 1956, se definió el segundo como 1/31 556 925,9747 de la duración del año 1900. El desarrollo de los relojes atómi cos hizo posible una definición más precisa. El segundo es la duración de 9 192 631 770 ciclos de una determinada radiación emitida por átomos del elemento cesio conocido como cesio-133. Temperatura Para establecer una escala de temperatura se establecen arbitrariamente ciertos puntos fi jos e incrementos de temperatura denominados grados. Dos puntos fijos habituales son la temperatura a la que funde el hielo y la temperatura a la que el agua hierve, ambos a la presión atmosférica estándar.* En la escala Celsius el punto de fusión del hielo es 0 °C, el punto de ebullición del agua es 100 °C, y el intervalo entre ambos se divide en 100 partes iguales llamadas gra dos Celsius. En la escala de temperaturas Fahrenheit el punto de fusión del hielo es 32 °F, el punto de ebullición del agua es 212 °F, y el intervalo entre ambos se divide en 180 partes iguales llamadas grados Fahrenheit. La Figura 1.8 compara las escalas de tempe ratura Fahrenheit y Celsius. La escala de temperaturas SI se denomina escala Kelvin y asigna el valor cero a la temperatura más baja posible. Este cero, 0 K, tiene lugar a —273,15 °C. En el Capítulo 6 se discutirá en detalle la escala Kelvin de temperaturas, pero hay que resaltar: • El intervalo unidad en la escala Kelvin, llamado kelvin, es igual que un grado Cel sius. • Cuando se escribe una temperatura Kelvin, no se utiliza el símbolo de grado. Se es cribe 0 K o 300 K, pero no es correcto escribir 0 °K o 300 °K. ► El símbolo SI para la temperatura Kelvin e s T , y para la temperatura Celsius es t, pero aquí se utilizará t{°C ). Análogamente, la temperatura Fahrenheit se representará F), pero este no está reconocido en S I. • La escala Kelvin es una escala absoluta; no hay temperaturas Kelvin negativas. En el laboratorio se suelen medir temperaturas Celsius. Frecuentemente, estas tem peraturas deben convertirse a temperaturas en la escala Kelvin, como por ejemplo para describir el comportamiento de los gases. Otras veces, deben convertirse temperaturas de la escala Celsius a la Fahrenheit y viceversa, especialmente en cálculos de ingeniería. * La presión atmosférica estándar se define en la Sección 6.1. El efecto de la presión sobre los puntos de fusión y ebullición se describe en el Capítulo 1Z Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida p.c. del agua -373 K -100 °C -2 1 2 °F día caluroso 303 K | —30 °C -8 6 °F p.f. del hielo 0°C -3 2 °F -2 7 3 K 11 día muy frío -238 K ]r- —35 °C ----31 °F 0°C p.e. del nitrógeno líquido -77 K — 196 °C (a) -321 °F <b) OK -273,15 °C -459,67 °F Cero absoluto ▲ FIGURA 1.8 Comparación de escalas de temperatura (a) punto de fusión (p.f.) del hielo. (B) punto de ebullición (p.e.) del agua. Las ecuaciones algebraicas que se dan a continuación permiten llevar a cabo con facili dad las conversiones de temperatura. Kelvina partir de Celsius T(K) = í(°C) + 273,15 Fahrenheit a partir de Celsius 9 f(°F) = —t(°C) + 32 Celsiusa partir de Fahrenheit í(°C) = “ [f(°F) - 32] Los factores 9/5 y 5/9 aparecen porque la escala Celsius utiliza 100 grados entre los dos puntos de referencia mientras que la escala Fahrenheit utiliza 180 grados: 180/100 = 9/5 y 100/180 = 5/9. El diagrama de la Figura 1.8 ilustra la relación entre las tres escalas de temperatura. EJEM PLO 1.1 Conversión de tem peraturas Fahrenheit y Celsius La predicción de temperatura máxima en N ueva Delhi (India) para un determinado día es 41 °C . Esta tem peratura, ¿es más alta o más baja que la m áxim a de 103 °F anunciada en Phoenix (A rizona) para ese m ismo día? Planteamiento Se da una temperatura C elsiu s y se pide compararla con una temperatura Fahrenheit. Puede utilizarse una de las rela ciones anteriores para convertir la temperatura Celsius en Fahrenheit. U tilizarem os la ecuación algebraica que expre sa f(°F) en función de t(°C ). Resolución f(°F ) = h ( ° C ) + 3 2 = |( 4 1 ) + 32 = 106 °F La predicción de temperatura en Nueva D elhi, 106 °F , es 3 °F más alta que la de Phoenix, 103 °F. (continúa) 12 Química general Conclusión Para temperaturas f(°C) > —40 °C la temperatura Fahrenheit es mayor que la temperatura Celsius. Si la temperatura Cel sius es menor que —40 °C, entonces í(°F) es menor que (más negativa que) f(°C). Véase la Figura 1.8. El apartado Eva luación de conceptos 1.3 insiste en la relación entre f(°C) y f(°F). EJEMPLO PRÁCTICO A: Una receta de cocina recomienda una temperatura de 350 °F para asar un trozo de carne. ¿Cuál es esta temperatura en la escala Celsius? EJEMPLO PRÁCTICO B: El motor de un automóvil lleva un anticongelante válido hasta -22 °C. ¿Protejerá este anticon gelante el motor a temperaturas del orden de -15 °F? Las respuestas a los Ejercicios Prácticos se dan en la página del Tutorial Mastering Chemis try: www.masteringchemistry.com. EVALUACIÓN DE CONCEPTOS 1L = 1dm3 1 cm3 = 1 niL V ¿Puede existir una temperatura a la cual t(°C) y t(°F) tengan el mismo valor? ¿Puede existir más de una temperatura de coincidencia? Expliqúese. 10 cm A FIGURA 1.9 Comparación de algunas unidades métricas de volumen. El volumen mayor (mostrado parcialmente) es el patrón SI; 1 metro cúbico (m3\ Un cubo de 10 cm (1 dm) de arista (en azul) tiene un volumen de 1000 cm3 (1 dm3) y se llama litro (1 L). El cubito más pequeño tiene 1 cm de arista (en rojo) tiene un volumen de 1 cm3 = 1 mL. Unidades derivadas Las siete unidades que aparecen en la Tabla 1.1 son las unidades SI de las magnitudes fundamentales: longitud, masa, tiempo, etc. Muchas propiedades se expresan mediante combinaciones de estas magnitudes básicas o fundamentales. Las unidades de estas pro piedades se denominan unidades derivadas. Por ejemplo, la velocidad es una distancia di vidida por el tiempo necesario para recorrerla. La unidad de velocidad es la de longitud dividida por tiempo, como m/s o m s“1. Algunas unidades derivadas tienen nombres es peciales. Por ejemplo, la combinación kg m_1 s~2 se denomina pascal (Capítulo 6) y la com binación kg m 2 s se denomina julio (Capítulo 7). El Apéndice C aporta otros ejemplos. Una medida importante que los químicos expresan mediante unidades derivadas es el volumen. El volumen tiene unidades de (longitud)3 y la unidad SI de volumen es el me tro cúbico (m3). Las unidades de volumen más frecuentes son el centímetro cúbico (cm3) y el litro (L). El litro se define como el volumen de 1000 cm3,p o r lo que un mililitro (lm L) es igual a 1 cm3. El litro es también igual a un decímetro cúbico (1 dm3). La figura 1.9 mues tra algunas unidades de volumen. Otras unidades Aunque en los Estados Unidos se acostumbra cada vez más a expresar distancias en ki lómetros y volúmenes en litros, la mayor parte de las unidades empleadas en la vida diaria todavía no son unidades SI. Las masas se dan en libras, las dimensiones de las habitaciones en pies, etc. En esta obra no se utilizarán sistemáticamente estas unidades cotidianas, pero ocasionalmente, se introducirán en ejemplos y ejercicios al final del ca pítulo. En estos casos se darán las equivalencias o se podrán encontrar en la contracu bierta posterior. 1.1 ¿ E S T Á P R E G U N T Á N D O S E ...? ¿Por qué es tan im portante escribir las unidades al lado d e un núm ero? En 1993, la agencia espacial americana NASA empezó un programa de investigación so bre Marte que incluía una serie de misiones de exploración. En 1995 se planearon dos mi siones que fueron llevadas a cabo al final de 1998 y comienzos de 1999. Las naves se lla maban Mars Climate Orbiter (MCO) y Mars Polar Lander (MPL) y fueron lanzadas el 11 de diciembre de 1998 y el 3 de enero de 1999, respectivamente. Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida Nueve meses y medio después del lanzamiento, la nave MCO debía encender su mo tor principal para alcanzar una órbita elíptica alrededor de Marte. El motor arrancó el 23 de septiembre de 1999, pero la misión fracasó cuando la nave entró en la atmósfera mar ciana según una órbita más baja que la esperada. La órbita era demasiado baja porque el ordenador del planeta tierra utilizaba las unidades de ingeniería británicas, mientras que el ordenador de la nave utilizaba unidades SI. Este error de las unidades hizo que la MCO quedase a 56 km sobre la superficie marcia na en vez de los deseados 250 km. A 250 km, la MCO habría entrado en la órbita elíptica deseada y no se habrían perdido 168 millones de dólares, que fue el coste de la misión. 1.5 La densidad, la composición porcentual y su utilización en la resolución de problemas A lo largo del texto irán apareciendo conceptos nuevos sobre la estructura y comporta miento de la materia. Una manera de afianzar nuestra comprensión de algunos de es tos conceptos es resolver problemas que relacionen las ideas que ya sabemos con aque llas que estamos intentando comprender. En esta sección introduciremos dos magnitudes que se necesitan frecuentemente para resolver problemas: la densidad y la composición porcentual. Densidad Ahí va un antiguo acertijo: «¿que pesa más una tonelada de ladrillos o una tonelada de plumas?» Si responde que lo mismo, demuestra comprender bien el significado de masa: una medida de la cantidad de materia. Los que respondan que los ladrillos pesan más que las plumas confunden los conceptos de masa y densidad. La materia está más con centrada en un ladrillo que en una pluma, es decir, la materia del ladrillo está confina da en un volumen menor. Los ladrillos son más densos que las plumas. La densidad es la razón de masa y volumen. masa (nt) densidad (d) = — :-------- — volumen (V) (1.2) La masa y el volumen son magnitudes extensivas. Una magnitud extensiva depen de del tamaño de la muestra observada. Sin embargo, si se divide la masa de una sus tancia por su volumen, se obtiene la densidad, una magnitud intensiva. Una magnitud intensiva es independiente del tamaño de la m uestra observada. Por tanto, la densi dad del agua pura a 25 °C tiene un valor determinado, sea la de una muestra conteni da en un matraz pequeño (masa pequeña/volumen pequeño) o la que llena una pis cina (masa grande/volumen grande). Las propiedades intensivas son especialmente importantes en los estudios de química porque suelen utilizarse para identificar sus tancias. Las unidades básicas SI de masa y volumen son kilogramo y metro cúbico, respecti vamente, pero los químicos generalmente expresan la masa en gramos y el volumen en centímetros cúbicos o mililitros. La unidad de densidad más frecuente es entonces gra mos por centímetro cúbico (g/cm3), o la unidad idéntica a ésta de gramos por mililitro (g/mL). La m asa de 1,000 L de agua a 4 °C es 1,000 kg. La densidad del agua a 4 °C es 1000 g/1000 m L = 1,000 g/ mL. A 20°C, la densidad del agua es 0,9982 g/mL. La den sidad es una función de la temperatura porque el volumen cambia con la temperatura mientras que la masa permanece constante. Uno de los motivos por los que preocupa el calentamiento de la Tierra es porque si la temperatura media del agua del mar au menta, el agua será menos densa. El volumen del agua del mar aumentará y el nivel del mar se elevará, sin considerar que el hielo continental funda. La densidad de una sustancia depende, además de la temperatura, del estado de la materia. En general, los sólidos son más densos que los líquidos y ambos son más densos 13 < El desarrollo científico requiere medidas cuantitativas cuidadosas. Las teorías triunfan o fracasan según su grado de concordancia con los experimentos hasta la cuarta cifra significativa o más. La resolución de problemas, las unidades y el uso de cifras significativas (Sección 1.7) son Importantes en todas las áreas de la ciencia. 14 Química general que los gases. Sin embargo, existen coincidencias importantes. A continuación se dan los intervalos de los valores numéricos generalmente observados para las densidades. Estos datos pueden ser útiles para resolver problemas. RECUERDE que el conocimiento del orden de magnitud es una información importante para evitar errores. Si calculando la densidad de un sólido resulta el valor 0,05 g/cm3o 5/) g/cm3 para un gas, !hay que revisar los cálculos hechos hasta ese momento! • Densidades de sólidos: desde 0,2 g/cm3 hasta 20 g/cm3. • Densidades de líquidos: desde 0,5 g/mL hasta 3-4 g/mL. • Densidades de gases: la mayoría del orden de unos pocos gramos por litro. En general las densidades de los líquidos se conocen con más precisión que las de los sólidos (que pueden tener defectos en su estructura microscópica). Las densidades de los elementos y los compuestos también se conocen con más precisión que las de los materiales con composición variable (como la madera o el caucho). Hay varias consecuencias importantes de las diferentes densidades de sólidos y líqui dos. Un sólido insoluble que flote en un líquido es menos denso que el líquido, y despla za una masa de líquido igual a su propia masa. Un sólido insoluble que se hunda hasta el fondo en un líquido es más denso que el líquido, y desplaza un volumen de líquido igual a su propio volumen. Los líquidos inmiscibles entre sí, se separan en dos capas distintas, con el líquido más denso en el fondo y el menos denso encima. 1.4 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS ¿Qué fracción de su volumen se sumergirá (aproximadamente) un bloque de madera de 1,00 kg (d = 0,68 g/cm3) que flota en agua? RECUERDE que en una secuencia de conversión deben cancelarse todas las unidades excepto la unidad deseada en el resultado final (véase el Apéndice A.5). Obsérvese que las magnitudes dadas y las calculadas suelen ser magnitudes extensivas, y que los factores de conversión suelen ser magnitudes intensivas. La densidad en las secuencias de conversión Si medimos la masa de un objeto y su volumen, una simple división nos da su densi dad. Una vez que conocemos la densidad de un objeto, podemos utilizarla como factor de conversión para obtener la masa o el volumen del objeto. Por ejemplo, un cubo de os mio de 1,000 cm de arista pesa 22,59 g. La densidad del osmio (el más denso de los ele mentos) es 22,59 g/cm3. ¿Cual será la masa de otro cubo de osmio que tiene 1,25 pulga das de arista (1 pulgada (in) = 2,54 cm)? Para resolver este problema podemos empezar con la relación entre el volumen de un cubo y la longitud de su arista, V = l3 . A conti nuación se puede establecer una secuencia de conversión: in osmio -----> cm osm io-----> cm3 osm io-----►g osmio (convierte in a cm) (convierte cm a cm3) (convierte cm3a g osmio) ? g osmio = 1,25 jir x 2,54 cm 1 in 3 22,59 g osmio x — -— ^----- = 723 g osmio 1 cm3 La densidad del mercurio, el único metal que es líquido, es 13,5 g/mL a 25°C. Supon ga que deseamos saber el volumen en mL de 1,000 kg de mercurio a 25°C. Debemos pro ceder de la siguiente manera: (1) asimilación de la información disponible, 1,000 kg de mercurio y d = 13,5 g/mL (a 25 °C); (2) identificación exacta de lo que intentamos deter minar, un volumen en mililitros (que designaremos como mL de mercurio); (3) búsque da de los factores de conversión necesarios. Para encontrar estos factores nos servirá de ayuda establecer la secuencia de conversión: kg mercurio-----» g mercurio---- * mL mercurio Necesitamos el factor 1000 g/kg para pasar de kilogramos a gramos. La densidad pro porciona el factor para pasar de masa a volumen. Pero en este ejemplo es necesario utili zar la densidad de forma inversa, es decir, 1000 g 1 mL mercurio ? mL mercurio = 1,000 kg X ---------- X --------——--------- — 74,1 mL mercurio 1 kg 13,5 g Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida 15 Los Ejemplos 1.2 y 1.3 también ponen de manifiesto que los cálculos numéricos en los que interviene la densidad son generalmente de dos tipos: obtención de la densidad a partir de medidas de masa y volumen, o bien el uso de la densidad como factor de con versión para relacionar la masa y el volumen. EJEM PLO 1.2 Relación entre la densidad, la masa y el volumen La barra cilindrica de acero inoxidable representada a continuación, tiene una densidad de 7,75 g/cm3. ¿Qué longitud de barra debemos cortar para separar 1,00 kg de acero? El volumen de un cilindro se encontrara en la contraportada posterior. ,___________________________________________ I 0 1.000 in ( i Planteamiento Los datos son la densidad, d, y la masa, m, que debemos cortar. Dado que d = m/V, debemos despejar V y posteriormen te sustituirlo en la fórmula del volumen del cilindro, V = irr2 h, para calcular la longitud de barra, h. Aparecen dos uni dades de masa (g y kg) y dos de longitud (in y cm) por lo que necesitaremos, al menos, dos conversiones de unidades. Para evitar errores, se incluyen las unidades en todos los cálculos intermedios. Resolución Resuelva la Ecuación (1.2) para V. La inversa de la densidad, 1/d, es el factor de conversión para conver tir la masa en volumen. m 1 V =—= m X— a d 1000 g i cm3 , Calcule el volumen de la barra que tenga 1,00 kg de masa. Habrá que utilizar el factor de conversión de kga g. v Resuelva V = irr2 h, para calcular h. Asegúrese de que utiliza el radio de la barra (mitad de su diámetro) y que expresa el radio en centímetros. h = — ~ = -------------- -------------------------- -------r- = 25,5 cm iiT 3,1416 X (01500 in X 2,54 cm/1 in)2 , = 1, 0 0 k g x ^ V x _ = 129cm 3 129 cm3 Conclusión Una manera de comprobar este resultado es rehacer el problema a la inversa. Por ejemplo, calculamos d = 1,00 X X 103 g/[3,1416 X(l,27 cm)2X25,5 cm] =7,74 g/cm3, que es muy próxima a la densidad dada en el enunciado. Pode mos estar seguros de que el resultado h =25,5 cm es correcto. EJEMPLO PRÁCTICO A: Para determinar la densidad del tricloroetileno, un líquido que se usa para desengrasar compo nentes electrónicos, se pesa un matraz vacío (108,6 g). Después se llena con 125 m í de tricloroetileno y se obtiene una masa total de 291,4 g. ¿Cuál es la densidad del tricloroetileno en gramos por mililitro? EJEMPLO PRÁCTICO B: Supóngase que, en lugar de la barra cilindrica del Ejemplo 1.2, se desea preparar una esfera de cobre de 1,000 kg (d = 8,96 g/cm3). ¿Cuál debe ser el radio de la bola? EJEM PLO 1.3 Determinación de la densidad de un sólido con forma irregular En la Figura 1.10 se pesa un trozo de carbón dos veces, suspendido de una balanza. Cuando el sólido se suspende en el aire, pesa 156 g; y cuando se suspende en agua a 20 ^C pesa 59 g. ¿cuál es la densidad del carbón? La densidad del agua a 20 °C es 0,9982 g cm-3. Planteamiento Necesitamos la relación masa/volumen en el carbón. La masa es fácil de obtener, nos la proporciona la balanza cuan do el carbón está suspendido en el aire: 156 g. ¿cuál es el volumen del trozo de carbón? El dato clave es la pesada de la piedra sumergida en agua. Cuando está sumergido, el carbón pesa menos de 156 g porque el agua ejerce un em puje hacia arriba que es igual a la diferencia entre las dos pesadas: 156 g - 59 g = 97 g. Recuerde la afirmación de la (continúa) 16 Química general ► FIGURA 1.10 Determinación del volumen de un sólido irregular Cuando el sólido se sumerge en un líquido, desplaza un volumen de líquido igual al suyo. Los datos necesarios para obtener el volumen son dos medidas de masa como se ilustra en las fotos; los cálculos se muestran en el Ejemplo 1.3. página 14: todo sólido sumergido desplaza un volumen de agua igual a su propio volumen. No sabemos cuál es este volumen de agua, pero sabemos que la masa del agua desplazada es 97 g, y su densidad es 0,9982 g cm"3, por tanto podemos determinar el volumen de agua desplazada. Resolución La masa de la piedra de carbón es 156 g. Sea magua la masa del agua desplazada, el volumen de agua desplazada se calcula: v = ^ = 156S - 59g d cm3 0,9982 g/cm3 El volumen del trozo de carbón es el mismo que el volumen de agua desplazada. Por tanto, la densidad del carbón es 156 S 97 cm d = — ---- j = 1,6 g/cm 3 Conclusión Para determinar la densidad de un objeto, hay que medir ambas, la masa y el volumen de ese objeto. El Ejemplo 1.3 muestra que no es preciso medir directamente el volumen. Los pasos seguidos en la resolución permiten deducir la si guiente relación: (densidad del objeto)/( densidad del agua) = (peso del agua)/(peso en aire - peso en agua). La expresión anterior muestra que se puede determinar la densidad de un objeto haciendo dos pesadas: una en el aire y otra en un fluido (como agua) de densidad conocida. EJEMPLO PRÁCTICO A: Una probeta contiene 33,8 mL de agua. Se introduce una piedra de masa 28,4 g y el nivel del agua se eleva a 44,1 mL. ¿Cuál es la densidad de la piedra? EJEMPLO PRÁCTICO B: En la situación de la fotografía, cuando un cubo de hielo se fun de completamente, ¿se derramará el agua del recipiente, bajará el nivel del agua o perma necerá inalterado? Expliqúese. Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida 17 La composición porcentual como factor de conversión En la Sección 1.2 se describió la composición, como una característica para identificar una muestra de materia. Una forma habitual de expresar la composición es mediante los por centajes. El porcentaje (per centum en latín) donde per significa «para cada» y centum sig nifica «100». Así, el porcentaje es el número de partes de un componente en 100 partes del total. Decir que una muestra de agua de mar contiene 3,5 por ciento en masa de clo ruro de sodio, significa que hay 3,5 g de cloruro de sodio por cada 100 g de agua de mar. Establecemos las relaciones en gramos ya que hablamos de porcentaje en masa. Podemos expresar este porcentaje escribiendo las siguientes razones 3,5 g cloruro de sodio 100 g agua de mar 100 g agua de mar 3,5 g cloruro de sodio --------------------- y --------------------- (i,3) En el Ejemplo 1.4, utilizaremos una de estas razones como factor de conversión. EJEM PLO 1.4 Utilización de la composición porcentual como factor de conversión Se desea obtener una muestra de 75 g de cloruro de sodio (sal de mesa) por evaporación hasta sequedad de una cierta cantidad de agua de mar que contiene 3,5 por ciento en masa de cloruro de sodio. ¿Qué volumen de agua de mar, en litros, debe utilizarse? Suponga que la densidad del agua de mar es 1,03 g/mL. Planteamiento La secuencia de conversión es: g de cloruro de sodio —* g de agua de mar —* mL de agua de mar —>L de agua de mar. Para convertir g de cloruro de sodio a g agua de mar, necesitamos el factor de conversión de la expresión (1.3) con g agua de mar en el numerador y g cloruro de sodio en el denominador. Para convertir g de agua de mar a mL de agua de mar utilizamos la inversa de la densidad del agua de mar como factor de conversión Para hacer la conversión final de mL de agua de mar a L de agua de mar, utilizamos la relación 1 L = 1000 mL. Resolución Siguiendo la secuencia de conversión descrita anteriormente, obtenemos 100 g agua de mar ? L agua de mar = 75 g cloruro de sodio X — --------------- -------— 3,5 g cloruro de sodio x 1 mL agua dé mar ^ 1 Lagua de mar 1,03 g agua de mar L000 mL agua de mar = 2,1 L agua de mar Conclusión Para resolver este problema, establecemos la secuencia de conversión y después consideramos los factores de conver sión que se necesitan. Utilizaremos este método a lo largo del texto. EJEMPLO PRÁCTICO A: ¿Cuántos kilogramos de etanol hay en 25 L de una disolución de «gasohol» que contiene 90 por ciento en masa de gasolina y 10 por ciento en masa de etanol? La densidad del gasohol es 0,71 g/mL. EJEMPLO PRÁCTICO B: El alcohol de romero es una disolución al 70 por ciento en masa de alcohol isopropüico en agua. Si una muestra de 25,0 mL de este alcohol de romero contiene 15,0 mg de alcohol isopropüico, ¿cuál es la densidad de la disolución? 1 .2 ¿ E S T Á P R E G U N T Á N D O S E ...? ¿Cuándo hay que multiplicar y cuándo dividir al hacer un problema con porcentajes? Una forma habitual de utilizar un porcentaje es convertirlo en forma decimal (3,5 por cien to se convierte en 0,035) y después multiplicar o dividir por este decimal pero, a veces, los estudiantes no saben decidir lo que tienen que hacer. Esta dificultad se resuelve si el (continúa) 18 Química general porcentaje se expresa como un factor de conversión y se usa de forma que se produzca la cancelación de unidades adecuada. Recuerde también que La cantidad de un componente \ debe ser siempre menor que la mezcla total. (Multiplicar por el porcentaje.) La cantidad de la mezla total debe ser siempre mayor que la cantidad de cualquiera desús componenetes. (Pividir por el porcentaje.) RECUERDE que una respuesta numérica que vaya en contra del sentido común probablemente es incorrecta. L ____________ i MEZCLA Si en el Ejemplo 1.4 no hubiéramos sido cuidadosos en la cancelación de las unidades y hubiéramos multiplicado por el porcentaje (3,5/100) en lugar de dividir (100/3,5), habríamos obtenido un valor numérico de 2,5 X 10“3. Esta sería una muestra de 2,5 mL de agua de mar, que pesaría aproximadamente 2,5 g. Es evidente, que una muestra de agua de mar que contiene 75 g de cloruro de sodio debe tener una masa mayor de 75 g. 1.6 ► Los errores accidentales se observan por la dispersión de los datos y pueden tratarse eficazmente tomando el valor medio de muchas medidas. Por el contrario, los errores sistemáticos constituyen un problema para el científico experimental. No se aprecian con facilidad y deben evitarse mediante un método de calibración cuidadoso de muestras o resultados conocidos. Los errores sistemáticos influyen en la exactitud de una medida, mientras que los errores accidentales están relacionados con la precisión de las medidas. I Componente^ La incertidumbre en las medidas científicas Todas las medidas están sometidas a error. Los instrumentos de medida están construi dos de modo que se producen errores inherentes, denominados errores sistem áticos. Por ejemplo, una balanza de cocina podría dar lecturas consistentes pero que son 25 g demasiado altas, o un termómetro dar lecturas 2 °C demasiado bajas. Las limitaciones en la habilidad del experimentador o en la capacidad para leer un instrumento científi co también conducen a errores y dan resultados que pueden ser demasiado altos o de masiado bajos. Estos errores se denominan errores accidentales. La precisión se refiere al grado de reprodudbilidad de la magnitud medida, esto es, la proximidad de los resultados cuando la misma cantidad se mide varias veces. La precisión de una serie de medidas es alta, o buena, si cada una de las medidas se desvía solamente una pequeña cantidad del valor medio. A la inversa, si hay una desviación grande entre las medidas, la precisión es poca, o baja. La exactitud se re fiere a la proximidad de una medida a un valor aceptable, o valor «real». Las medi das de precisión alta no siempre son exactas, ya que podría existir un error sistemá tico grande. Un grupo de tres dardos muy próxim os cerca del borde de una diana puede considerarse preciso pero no muy exacto si la intención fue disparar al cen tro de la diana. Aún así, los científicos se esfuerzan en conseguir una gran precisión en las medidas. Para ilustrar estas ideas, considere la medida de la masa de un objeto utilizando las dos balanzas mostradas en la página 19. Una de ellas es una balanza monoplato, o granatario, que da la masa en gramos con solo una cifra decimal. La otra es una sofisticada balanza analítica que da la masa con cuatro cifras decimales. La siguiente tabla da los resultados obtenidos cuando se pesa el objeto tres veces en cada balanza. Para el granatario, la media de las medidas es 10,5 g con las medidas comprendidas entre 10,4 g y 10,6 g. Para la balanza analítica, la media de las medidas es 10,4978 g , con las medi das comprendidas entre 10,4977 y 10,4979 g. La dispersión de los datos obtenidos con el granatario (±0,1 g) es mayor que la obtenida con la balanza analítica (±0,0001 g). Así, los resultados obtenidos utilizando el granatario tienen menor precisión que los obte nidos utilizando la balanza analítica. 1.5 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS Un conjunto de medidas, ¿puede ser preciso sin ser exacto? ¿Puede la media de un conjunto de medidas ser exacta y las medidas individuales no ser precisas? Explíqueb. Capítulo Tres medidas Valor medio Reproducibilidad Precisión 1.7 1 Las propiedades de la materia y su medida Granatario Balanza analítica 10,5; 10,4; 10,6 g 10,5 g 10,4978; 10,4979; 10,4977 g 10,4978 g ±0,5 g alta o buena ±0,1 g baja o poca Cifras significativas Considere las siguientes medidas hechas en una balanza de poca precisión: 10,4,10,2 y 10.3 g. El resultado que se daría es la media, es dedr, 10,3 g. Un científico interpretaría estos resultados de forma que los dos primeros dígitos, 10, se conocen con certeza, y el último dígito, 3, tiene error puesto que fue estimado. Es dedr, la masa se conoce solo hasta la aproximadón de 0,1 g, hecho que podríamos ex presar escribiendo 10,3 ± 0,1 g. Para un dentífico, la medida 10,3 g significa que tiene tres d fras significativas. Si expresamos esta masa en kilogramos en lugar de gramos, 10.3 g = 0,0103 kg, la medida viene también expresada por tres d fras significativas, in cluso aunque se muestren más de tres dígitos. Para las medidas en la balanza analíti ca, se daría el valor 10,3107 g, un valor con seis cifras significativas. El número de dfras significativas en una medida es una indicadón de la capaddad del dispositivo de me dida y de la predsión de las medidas. Con frecuenda necesitamos determinar el número de dfras significativas en una mag nitud numérica. Las reglas para hacer esto se indican en la Figura 1.11 y son las siguien tes: • Todos los dígitos distintos de cero son significativos. • Los ceros también son significativos pero con dos importantes excepciones para can tidades menores que la unidad. Todos los ceros (1) que preceden a la coma dedmal, o que siguen (2) a la coma dedm al y preceden al primer dígito distinto de cero, no son significativos. • El caso de ceros terminales que preceden a la coma decimal en cantidades mayo res de la unidad es ambiguo. La cantidad 7500 es un ejemplo de caso ambiguo. ¿Queremos dedr 7500 m con una predsión de un metro?, ¿de 10 m? Si todos los ceios son significativos, si el valor tiene cuatro cifras significativas, podemos escribir 7500, m. Es dedr, escribiendo una coma dedmal, que por otra parte no es necesaria, se indica 19 20 Química general No significativos: Significativos: ceros para todos los ceros entre posicionar afras distintas de cero la coma decimal No significativo: cero «sin valor representativo» \ ► FIGURA 1.11 0 * 0 y 0 / 4 0 0 4 Determinadón del número de afras significativas. El número 0,004004500 tiene siete cifras significativas. Todos bs dígitos distintos de oero son significativos, y también algunos de los ceros. Significativos: todos las cifras distintas de cero 5 0 0 V Significativos: ceros al final y a la derecha ae ia coma que todos los ceros anteriores a la coma dedm al son significativos. Esta técnica no ayu da si solamente uno de los ceros o ningún cero es significativo. La mejor solución en tonces es utilizar la notación exponencial. (Revise el Apéndice A si es necesario). El co eficiente establece el número de cifras significativas y la potencia de diez sitúa la coma decimal. 2 cifras significativas 3 cifras significativas 4 cifras significativas 7,5X103m 7,50 X 103 m 7,500 X l0 3m G fras significativas en los cálculos numéricos ► Una regla más exacta sobre ia multiplicadón/división es que el resultado debe tener aproximadamente el mismo error relativo (expresado en partes por den, porcentaje, o partes por mil) que la magnitud conodda con menor precisión. Normalmente la regla de las dfras significativas está de acuerdo con este requisito aunque puede fallar en algunas ocasiones (véase el Ejercicio 67). La precisión no puede aumentar ni disminuir en los cálculos en que intervienen las mag nitudes medidas. Hay varios métodos para determinar cómo expresar con precisión el resultado de un cálculo, pero normalmente es suficiente con observar algunas reglas sen cillas respecto a las cifras significativas. El resultado de una multiplicación o una división puede tener como máximo tantas cifras significativas como la magnitud que se conoce con menor precisión en el cálcub. En la siguiente multiplicación en cadena para determinar el volumen de un bloque rectangular de madera, debemos redondear el resultado a tres cifras significativas. La Fi gura 1.12 puede ayudar a comprender esto. 14,79 cm X 12,11 cm X5,05 cm =904 cm3 (4 áf. sig.) (4 áf. sig.) (3 á f sig.) (3 df. sig.) Al sumar y restar números la regla que se aplica es la siguiente El resultado de la suma o la resta debe expresarse con el mismo número de cifras decimales que la magnitud con menos cifras decimales. ► En la adición y sustracción el error absoluto en el resultado no puede ser menor que el error absoluto en la magnitud conocida con menor precisión. En la suma de la derecha, el error absoluto en una magnitud es ±0,1 g; en otra, ±0,01 g y en la tercera, ±0,001 g. La suma debe expresarse con un error absoluto de ±0,1 g. Considere la siguiente suma de masas 15,02 g 9986,0 g 3,518 g 10 004,538 g Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida 21 A FIGURA 1.12 Cifras significativas en la multiplicación. Al obtener el producto 14,79 cm X 12,11 cm X5,05 cm, la cantidad conocida con menos precisión es 5,05 cm. Las calculadoras muestran los productos de 14,79 y 12,11 por 5,04, 5,05 y 5,06; respectivamente. En los tres resultados solamente los dos primeros dígitos «90...» coinciden. Las diferencias aparecen en el tercero. No está justificado tomar dígitos más allá del tercero. Expresamos el volumen como W 4 cm3. Normalmente, en lugar de hacer un análisis detallado de este tipo, podemos utilizar una idea más simple: El resultado de una multiplicación solo puede tener tantas cifras significativas como las que tenga la cantidad menos precisa. La suma tiene la misma incertidumbre, ±0,1 g, que el sumando que tenga el menor número de cifras decimales, 9986,0. Observe que este cálculo no está condicionado por las cifras significativas. De hecho la suma tiene más cifras significativas (6) que cualquie ra de los sumandos. Hay dos situaciones en las que una de las magnitudes que aparece en el cálculo puede ser exacia, esto es, que no está afectada por errores en la medida. Esto puede ocurrir ■4 Más adelante necesitaremos aplicar las ideas sobre cifras significativas a los logaritmos. Este concepto se discute en el Apéndice A. • por definición (como 1 min = 60 s, o 1 in = 2,54 cm) • como resultado de contar (como las seis caras en un cubo, o los dos átomos de hi drógeno en una molécula de agua). Puede considerarse que los números exactos tienen un número ¡limitado de cifras significativas. 1.6 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS ¿Cuál de las siguientes definiciones de la longitud de 1 pulgada es más precisa? 1 in = 2,54 cm o 1 m = 39,37 in A Como trabajo práctico de cifras significativas, revise los cálculos de la Sección 1.6. Observará que están de acuerdo con las reglas anteriores de cifras significativas. Explíquelo. Redondeo de los resultados numéricos Para expresar 15,453 y 14775 con tres cifras significativas, escribiríamos: 15,5 y 1,48 X 104 respectivamente. Cuando necesitemos eliminar un dígito, es dedr, redondear un núme ro, la regla más simple a seguir es aumentar el último dígito en una unidad si el dígito eliminado es 5, 6 ,7 , 8, o 9 y dejar el último dígito sin cambiar si el dígito eliminado es 0, 1, 2, 3, o 4*. Para expresar 15,44 con tres cifras significativas se redondea a 15,4; y 15,45 se redondea a 15,5. * C. J. Guare, J. Chem . Educ., 68,818 (1991). < Algunas personas prefieren la regla del «redondeo del 5 a par». A sí, 15,55 se redondea a 15,6 y 17,65 se redondea a 17,6. En la banca y con conjuntos de muchos datos, el redondeo necesita ser imparcial. Con un número pequeño de datos, esto es menos importante. 22 Química general EJEM PLO 1.5 Aplicación de las reglas sobre cifras significativas: multiplicación/división Exprese el resultado del siguiente cálculo con el número correcto de cifras significativas. 0,225 X Q0035 ? 2,16 X 10"2 Planteamiento Observando las tres cantidades, vemos que la menos precisa es 0,0035, con dos cifras significativas. Nuestro resultado también debe contener únicamente dos cifras significativas. Resolución Cuando realizamos el cálculo utilizando una calculadora electrónica, el resultado obtenido es 0,0364583. En el plantea miento del problema indicamos que el resultado debe redondearse a dos cifras significativas, y así el resultado se ex presará adecuadamente como 0,036 o como 3,6 X 10“2. Conclusión Para comprobar cualquier error en el cálculo, podemos estimar la respuesta correcta mediante un cálculo men tal rápido usando los exponenciales. La respuesta sería (2 X 10_1)(4 X 10“3)/(2 X 10“2) « 4 X 10-2, y así es. Expre sar los números en forma exponencial, puede ayudamos a estimar rápidamente el resultado que nos daría la cal culadora. EJEMPLO PRÁCTICO A: cativas. Realice el siguiente cálculo y exprese el resultado con el número adecuado de cifras signifi 62,356 _ ? 0,000456 X 6,422 X 103 EJEMPLO PRÁCTICO B: cativas. Realice el siguiente cálculo y exprese el resultado con el número adecuado de cifras signifi 8,21 X 104 X 1,3 X 10~3 = ? Q00236 X 4,071 X 10"2 EJEM PLO 1.6 Aplicación de las reglas sobre cifras significativas: adición/sustracción Exprese el resultado del siguiente cálculo con el número correcto de cifras significativas. (2,06 X 102) + (1,32 X104) - (1,26 X 1Ó3) = ? Planteamiento Si el cálculo se realiza con una calculadora electrónica, se pueden introducir las cantidades tal como están escritas y ex presar la respuesta obtenida con el número correcto de cifras significativas. Para determinar el número correcto de ci fras significativas, identifique la cantidad mayor y después escriba las otras cantidades con la misma potencia de diez que aparece en la cantidad mayor. La respuesta no puede tener más dígitos después de la coma decimal que la canti dad con menor número de dígitos después de la coma. Resolución La cantidad mayor es 1,32 X104, por tanto escribimos las otras dos cantidades como 0,0206 X104y 0,126 X 104. El resul tado del cálculo debe redondearse a dos cifras decimales. (2,06 X102) + (1,32 X104) - (1,26 X ID3) = (0,0206 X 104) + (1,32 X 104) - (0,126 X104) = (0,0206 +1,32 - 0,126) X 104 = 1,2146 X104 = 1,21 X104 Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida 23 Conclusión Si vuelve a la nota del margen de la página 20, verá que hay otra forma de abordar este problema. Para determinar el error absoluto en la cantidad menos precisa, escribimos las tres cantidades como (2,06 ± 0,01) X102, (1,32 ± 0,01) X 104 y (1,26 ± 0,01) X103. Concluimos que 1,32 X104 tiene el mayor error absoluto (±0,01 X 104), y así el error absoluto en el resultado del cálculo anterior es también ±0,01 X104. Por tanto, 1,2146 X 104se redondea a 1,21 X 104. EJEMPLO PRÁCTICO A: Exprese el resultado del siguiente cálculo con el número adecuado de cifras significativas. 0,236 + 128,55 -1 0 2 ,1 = ? EJEMPLO PRÁCTICO B: tivas: Realice el siguiente cálculo y exprese el resultado con el número adecuado de cifras significa (1,302 X 103) + 952,7 _ (1,57 X 102) - 12,22 Para trabajar con los ejemplos anteriores, probablemente utilizó una calculadora elec trónica. La ventaja de la utilización de las calculadoras electrónicas es que no tenemos que escribir los resultados intermedios. En general, prescinda de los casos particulares en los que puede estar justificado el redondeo intermedio y almacene todos los resultados intermedios en su calculadora electrónica sin tener en cuenta las cifras significativas. Des pués, redondee al número correcto de cifras significativas solo en la respuesta final. M aste rT n g G H E M IS TR Y RECUERDE que la adición y sustracción siguen una regla de cifras significativas y la multiplicación y división una regla diferente. w w w .m a s te r in g c h e m is tr y .c o m A fin ales de los años sesen ta los cien tífico s d eb atían acalo rad am en te el d escu b rim ien to de una nueva form a de agua llam ada p oliagua. P ara acceder a un exam en del debate sobre la poliagua y la im portancia del m étodo científico para ayudar a la com unidad científica a alcanzar un consenso, puede ir a A tención a (Focus On) del C apítulo 1 (A plicación del m étodo científico: poliagua) en la página w eb de M asteringC hem istry. Resumen 1.1 El m étodo Científico El método científico es un conjunto de procedimientos utilizados para desarrollar expli caciones de los fenómenos naturales y posiblemente prede cir fenómenos adicionales. Las cuatro etapas fundamentales del método científico son (1) toma de datos mediante observa ciones y experimentos; (2) reducción de los datos a expresio nes matemáticas o verbales conocidas como leyes naturales; (3) propuesta de una explicación plausible de los datos a través de un hipótesis; (4) comprobación de la hipótesis a través de predicciones y experimentación adicional, conduciendo final mente a un modelo conceptual denominado teoría, que explica la hipótesis, y a menudo, otras hipótesis relacionadas. 1 .2 Propiedades de la materia La materia se define como cualquier cosa que ocupa espacio, posee masa y muestra inercia. La composición se refiere a los componentes de una muestra de materia y sus proporciones relativas. Las propie dades son las cualidades o atributos que distinguen la mate ria de una muestra de otra. Las propiedades de la materia pue den agruparse en dos grandes categorías: físicas y químicas. La materia puede sufrir dos tipos de cambios: los cambios quí micos o reacciones son cambios en la composición; los cam bios físicos son cambios en el estado o forma física y no afec tan a la composición. 1 .3 Clasificación de la materia Los bloques básicos de construcción de la materia se denominan átomos. La materia formada por una colección de un solo tipo de átomos se cono ce como un elemento. Una muestra de materia compuesta por dos o más elementos se conoce como un compuesto. Una mo lécula es la entidad más pequeña de un compuesto que tiene las mismas proporciones de los átomos constituyentes que el compuesto. Los elementos y compuestos conjuntamente for man los tipos de materia denominados sustancias. Las mez clas de sustancias pueden clasificarse en homogéneas y hete rogéneas (véase la Figura 1.4). Los tres estados de la materia son sólido, líquido y gas. 1 .4 Medida de las propiedades de la materia. Uni dades SI La química es una dencia cuantitativa; esto sig 24 Química general nifica que las medidas químicas se expresan normalmente en términos de un número acompañado por una unidad. El sis tema científico de medida, denominado Systbne Internationale d'Unités (abreviado SI), comprende siete magnitudes básicas (Tabla 1.1). La masa describe una cantidad de materia. El peso mide la fuerza de la gravedad sobre un objeto; el peso está re lacionado con la masa pero es diferente a ella. Las escalas de temperatura utilizadas por los químicos son las escalas Celsius y Kelvin. La escala de temperatura Fahrenheit, utilizada en la vida diaria en los Estados Unidos, también se utiliza en algu nas áreas industriales. Las tres escalas pueden relacionarse al gebraicamente (véase la Figura 1.8). 1.5 La densidad, la composición porcentual y su utili zación en la resolución de problemas La masa y el vo lumen son propiedades extensivas; dependen de la cantidad de materia en la muestra. La densidad es la razón de la masa de una muestra y su volumen, es una propiedad intensiva, una propiedad independiente de la cantidad de materia de la mues tra. La densidad se utiliza como un factor de conversión en una gran variedad de cálculos. 1.6 La incertidumbre en las medidas científicas Las medidas están sujetas a errores sistemáticos y accidentales. Al realizar una serie de medidas, el grado en el que las medidas están de acuerdo entre sí se conoce como precisión de la medi da. El grado en el que las medidas están de acuerdo con el va lor real, se conoce como exactitud de la medida. 1.7 Cifras Significativas Es importante usar el número apropiado de cifras significativas ya que evita sugerir que una cantidad calculada tiene un mayor grado de precisión en el permitido por la precisión de las cantidades originalmente medidas. La precisión de una respuesta no puede ser mayor que la precisión de los números utilizados en el cálculo. Ade más, para indicar el número correcto de cifras significativas en una cantidad calculada, es importante conocer las reglas para redondear los resultados numéricos. Ejem plo de recapitulación Considere un bloque de madera hexagonal de 58,35 g que tiene 5,00 cm de lado y 1,25 cm de espesor, con un agujero de 2,50 cm de diámetro perforado en el centro. También se dan las densidades del hexano liquido (d = 0,667 g/mL) y del decano líquido (d = 0,845 g/mL) Suponga que la densidad de una mezcla de los dos líquidos es función lineal del porcentaje en volumen de la disolución. Determine el porcentaje en volumen del hexano necesario en la disolución para que el bloque de madera hexagonal empiece a flotar en la disolución. Planteamiento El primer objetivo es determinar la densidad del bloque de madera, d = m/V. Se conoce la masa, de forma que el cálculo crítico es el volumen. La clave para calcular el volumen es identificar que el volumen del bloque es la diferencia entre dos volúmenes: el volumen del bloque si no hubiera agujero menos el volumen del agujero cilindrico. El segundo objetivo será escribir una ecuación sencilla que relacione la densidad con el porcentaje en volumen de la disolución líquida. Después, resolver esa ecuación para el porcentaje en volumen de hexano que forma una disolución con una densidad igual a la densidad calculada para la madera. Resolución El bloque sólido hexagonal puede dividirse en seis bloques más pequeños, siendo cada uno un triángulo equilátero de longitud /y altura h. El área del triángulo viene dada por la fórmula 1 1 A = —(base X altura) = — X Z X h Solo se conoce la base, /(5,00 cm). Para expresar h en función de /, utilizamos el teorema de Pitágoras para el triángulo rectángu lo dibujado, es decir, a2 + ir2 = c2, reorganizado de la forma a2 = c¿ - b1. Ahora, para el área de cada uno de los triángulos tenemos: Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida 25 Sustituyendo /= 5,00 cm y multiplicando el área por el espesor, 1,25 cm, obtenemos un volumen de V3 V = — X (5,00 cm)2 X 1,25 cm = 13,5 cm3 El volumen del bloque hexagonal de madera sin el agujero cilindrico, es el de seis bloques triangulares. V = 6X 13,5 cm3 = 81,0 cm3 El volumen del agujero cilindrico de radio 1,25 cm (la mitad del diámetro de 2,50 cm) y una altura de 1,25 cm es V = ttt2/! = 3,1416 X (1,25 cm2) X 1,25 cm =6,14 cm3 El volumen del bloque de madera es la diferencia V = 81,0 cm3 —6,14 cm3 = 74,9 cm3 La densidad de la madera es m 58/35 g d = V = 74,9 cm3 = a779 S /cm ° ° '779 S /m L La fórmula general para una relación lineal (línea recta) es y = mx + b En este caso, y representa la densidad, d, de la disolución (en g/mL) y x la fracción en volumen de hexano (porcentaje en volumen/100). Sustituyendo la densidad del decano puro en la ecuación, se observa que para x =0; b = 0,845. d =0,845 = (mX0) + fr Ahora, utilizando la densidad del hexano puro d =0,667, y los valores x = 1,00 y b = 0,845, se obtiene el valor de m. d = 0,667 = (m X 1,00) + 0,845 m =0,667 —0 ,8 4 5 = —0,178 La etapa final es encontrar el valor de x para una disolución que tiene la misma densidad que la madera: 0,779 g/mL. d = 0,779 = -0,178* + 0,845 0,845 - 0,779 0,178 La fracción de volumen del hexano es 0,37 y el porcentaje en volumen de la disolución es 37 por ciento de hexano y 63 por cien to de decano. Evaluación Hay un punto en el comienzo de este cálculo en el que se puede comprobar si nuestro trabajo es correcto. Hay dos posi bilidades para la densidad del bloque de madera: (1) que sea menor de 1 g/cm3 (prácticamente todas las madera flotan en el agua), y (2) que se encuentre entre 0,667 g/cm3 y 0,845 g/cm3. Si la densidad calculada de la madera estuviera fue ra de este intervalo, el bloque de madera flotaría en ambos líquidos o se hundiría en ambos haciendo imposible el resto del cálculo. Otro punto destacable en este cálculo es que están justificadas tres cifras significativas a lo largo de todo el cálculo. En este mo mento, como se hace la diferencia entre dos números de magnitudes similares, el número de cifras significativas disminuye de tres a dos. EJEMPLO PRÁCTICO A: El magnalio es una mezcla sólida, una aleación de aluminio y magnesio. Un trozo de forma irre gular de una muestra de magnalio se pesa dos veces, una vez en el aire y otra en aceite vegetal utilizando una balanza (véase la Figura 1.10). El peso en el aire es 211,5 g y el peso en aceite es 135,3 g. Si las densidades del aluminio puro, magnesio puro y aceite vegetal son 2,70 g/cm3, 1,74 g/cm3, y 0,926 g/cm3, respectivamente, ¿cuál es el porcentaje en masa de magnesio en este trozo de magnalio? Suponga que la densidad de una mezcla de dos metales es una función lineal de la composición en porcen taje en masa. EJEMPLO PRÁCTICO B: Una determinada muestra de agua de mar tiene una densidad de 1,027 g/cm3a 10 °C y contiene 2,67 por ciento en masa de cloruro de sodio. Dado que el cloruro de sodio tiene un 39,34 por ciento en masa de sodio y que la masa de un átomo de sodio es 3,817 X10-26 kg, calcule la máxima masa de sodio y el número máximo de átomos de sodio que pueden extraerse de una muestra de 1,5 L de agua de mar. 26 Química general GHEMISTRY _S Encontrará m ás cuestiones en el área de estudio en w w w .m asteringchem istry.com Ejercicios (véanse también los Apéndices A-l y A-5) El método científico 1. ¿Cuáles son las principales razones para que se acepte una teoría en lugar de otra? 2. ¿Es posible predecir cuántos experimentos son necesarios para comprobar una ley natural? Explíquelo. 3. Una premisa importante entre los científicos es que exis te un orden subyacente en la naturaleza. Einstein descri bió esta creencia con las siguientes palabras «Dios es astu- to pero no malvado». ¿Qué cree que Einstein quiso decir con esta frase? 4. Describa en qué aspectos una ley científica difiere de una legislativa. 5. Describa qué características debe tener un experimento para poder comprobar una teoría. 6. Describa qué características debe tener una teoría científica. Propiedades y dasificadón de la materia 7. Indique si las siguientes propiedades de la materia son fí sicas o químicas. (a) Un clavo de hierro atraído por un imán; (b) Un trozo de papel se quema espontáneamente cuando su temperatura alcanza 451 °F; (c) Una estatua de bronce que adquiere un recubrimiento verde (pátina) con el tiempo; (d) Un bloque de madera que flota en el agua. 8. Indique si las siguientes propiedades son físicas o químicas. (a) Un trozo de manzana cortado que se vuelve marrón; (b) El contacto con una losa de mármol que produce sen sación de frío; (c) El color azul del zafiro; (d) Un recipiente de cerámica que se endurece por cocción en un homo. 9. Indique si cada una de las siguientes muestras pertenecen a una sustancia pura o a una mezcla; y en el caso de ser una mezcla, si es homogénea o heterogénea. (a) aire fresco limpio; (b) una cuchara plateada; (c) sal de ajo; (d) hielo. 10. Indique si cada una de la siguientes muestras pertenecen a una sustancia pura o a una mezcla y, en el caso de ser una mezcla, si es homogénea o heterogénea. (a) una astilla de madera; (b) tinta roja; (c) agua destilada; (d) zumo de naranja exprimido fresco. 11. Sugiera procesos físicos para separar las siguientes mez clas. (a) limaduras de hierro y virutas de madera; (b) vidrio molido y sacarosa (azúcar de caña); (c) agua y aceite de oliva; (d) escamas de oro y agua. 12. ¿Qué tipo de transformación, física o química, es necesario llevar a cabo para realizar las siguientes separaciones? [Sugerencia: utilice una lista de los elementos.] (a) azúcar de una mezcla arena/azúcar; (b) hierro del óxido de hierro (herrumbre); (c) agua pura a partir de agua de mar; (d) agua a partir de lodos arenosos en agua. Aritmética exponencial 13. Exprese los siguientes números con la notación exponen cial. (a) 8950; (b) 10 700.; (c) 0,0240; (d) 0,0047; (e) 938,3; (f) 275 482. 14. Exprese los siguientes números en la forma decimal habitual, (a) 3,21 X 10"2; (b) 5,08 X 10“4; (c) 121,9 X 10“5; (d) 16,2 X 1(T2. 15. Exprese cada uno de los siguientes valores en forma expo nencial. Incluya las unidades en la respuesta cuando sea necesario. (a) la velocidad del sonido (a nivel del mar): 34 000 centí metros por segundo. (b) el radio ecuatorial de la Tierra: 6378 kilómetros. (c) la distancia entre los dos átomos de hidrógeno en la mo lécula de hidrógeno: 74 trillonésimas partes de un metro. (2,2 X 103) + (4,7 X 102) 16. Exprese cada uno de los siguientes valores en forma expo nencial. Incluya las unidades en la respuesta cuando sea necesario. (a) la radiación solar recibida por la Tierra: 173 mil billo nes de vatios. (b) el diámetro medio de la célula humana: 1 diezmillonésima de metro. (c) la distancia entre los centros de los átomos en la plata: 142 billonésimas de metro. iv (5,07 X 104) X (1,8 X 10r3)2 _ (d) 0,065 + (3,3 X 10-2) Capítulo 1 Cifras significativas 17. Indique si cada uno de los siguientes valores es un núme ro exacto, o una magnitud medida afectada por alguna incertidumbre. (a) el número de hojas de papel en una resma de papel; (b) el volumen de leche en una botella de litro; (c) la distancia entre la Tierra y el Sol; (d) la distancia entre los centros de los dos átomos de oxí geno en la molécula de oxígeno. 18. Indique si cada uno de los siguientes valores es un núme ro exacto o una magnitud medida afectada por alguna incertidumbre. (a) el número de páginas de este texto; (b) el número de días del mes de enero; (c) el área de un solar en una ciudad; (d) la distancia entre los centros de los átomos en una me dalla de oro. 19. Exprese cada uno de los siguientes números con cua tro cifras significativas, (a) 3984,6; (b) 422,04; (c) 186 000; (f) 7000; (g) 7,02; (h) 67 000 000. 21. Realice los siguientes cálculos: exprese el resultado de cada uno de los siguientes cálculos en forma exponencial y con el número adecuado de cifras significativas. (a) 0,406 X 0,0023 = (b) 0,1357 X 16,80 X 0,096 = (c) 0,458 +0,12 —0,037 = (d) 3 2 ,1 8 + 0 ,0 5 5 -1 ,6 5 2 = 22. Realice los siguientes cálculos: exprese cada número de la respuesta en forma exponencial y con el número apropia do de cifras significativas. 320 X 24,9 _ 0,080 432,7 X 6,5 X 0,002300 _ 62 X 0,103 , , 32,44 + 4.9 - 0,304 (a) <c)--------- --------------- = 8,002 + 0,3040 ( ) 13,4 - 0,066 + 1,02 “ 23. Realice los siguientes cálculos y mantenga el número apro piado de cifras significativas en cada resultado. 27 (a) (38,4 X 10r3) X (6,36 X 105) = (1,45 X 102) X (8,76 X 10“4) r j -----------= (9,2 X 10~3) (c) 24,6 + 18,35 - 2,98 = (d) (1,646 X 103) - (2,18 X 102) + [(1,36 X 104) X (5,17 X 10~2)] = (b) (e) -7,29 X 10"4 + \ / (7,29 X 10"4)2 + 4(1,00)(2,7 X 10-5) 2 X (1,00) [Sugerencia: La regla de las cifras significativas para la ex tracción de una raíz es la misma que para la multiplica ción.] 24. Exprese el resultado de cada uno de los siguientes cálcu los en forma exponencial y con el número adecuado de ci fras significativas. (a) (4,65 X 104) X (2,95 X 10"2) X (6,663 X 10r3) X 8,2 = 1912 X (0,0077 X 104) X (3,12 X 10"3) (b) 3 (4,18 X 1CT4) (c) (3,46 X ltf) X 0,087 X 15,26 X 1,0023 = (d) 33 900; (e) 6,321 X 104; (f) 5,0472 X ÍO^. 20. ¿Cuántas cifras significativas se muestran en los siguien tes números? Si el número queda indeterminado, explique por qué. (a) 450; (b) 98,6; (c) 0,0033; (d) 902,10; (e) 0,02173; Las propiedades de la materia y su medida (d) (e) (4,505 X 10"2)2 X 1,080 X 1545,9 --------------- = 0,03203 X 103 (-3,61 X 10“4) + \/(3,61 X 10-4)2 + 4(1,00)(1,9 X 10"5) = 2 X (1,00) [Sugerencia: La regla de las cifras significativas para la ex tracción de una raíz es la misma que para la multiplica ción.] 25. Una nota de prensa describiendo el viaje sin paradas del avión ultraligero Voyager, alrededor del mundo en 1986, incluyó los siguientes datos. recorrido del vuelo: 25 012 mi tiempo del vuelo: 9 días, 3 minutos, 44 segundos capacidad del depósito de combustible: casi 9000 Ib combustible sobrante al final del vuelo: 14 gal. Calcule con el número máximo de cifras significativas po sibles: (a) la velocidad media de la nave en kilómetros por hora; (b) el consumo de combustible, en kilómetros por kilogra mo de combustible (suponga una densidad de 0,70 g/ mL para el combustible). 26. Utilice el concepto de cifras significativas para criticar la forma en que se presentó la siguiente información. «La re serva estimada y comprobada de gas natural a 1 de enero de 1982, era de 2911 346 billones de pies cúbicos». U n id ad e s de m e d id a (a) 68,4 in = (b) 94 ft = cm; m; (c) 1,42 lb = g; (d) kg; (e) 1,85 gal = ___ dm (f) 3,72 qt = ____mL. 30. Calcule los siguientes números: (a) los metros cuadrados (m2) en 1 kilómetro cuadrado (km2); (b) los centímetros cúbicos (cm3) en 1 metro cúbico (m3); (c) los metros cuadrados (m2) en 1 milla cuadrada (mi2) (1 mi =5280 ft). 00 o1 II 1 27. Realice las siguientes conversiones. (a) 0,127 L = ___ mL; (b) 15,8 mL = ____L; (c) 981 cm3 = ____L; (d) 2,65 m3 = ____cm3. 28. Realice las siguientes conversiones. (a) 1,55 kg = ___ g; (b) 642 g = ____kg; (c) 2896 mm = ____cm; (d) 0,086 cm = ____mm. 29. Realice las siguientes conversiones de unidades no SI a unidades SI. (Utilice la información de la contraportada interior posterior cuando sea necesario.) 28 Química general 31. ¿Cuál de las dos masas es mayor, 3245 ¿ig o 0/30515 mg? Explíquelo. 32. ¿Cuál de las dos masas es mayor, 3257 mg o 0,000475 kg? Explíquelo. 33. Una unidad utilizada en hípica, que no es SI, es la mano, que tiene 4 pulgadas. ¿Cuál es la altura, en metros, de un caballo, que mide 15 manos de altura? 34. La unidad estadio se utiliza en carreras de caballos. Las uni dades cadena y eslabón se utilizan en agrimensura. Hay exac tamente 8 estadios en 1 mi, 10 cadenas en 1 estadio y 100 eslabones en 1 cadena. ¿Cuál es la longitud de 1 eslabón ex presada en centímetros y con tres cifras significativas? 35. Un corredor alcanza la línea de 100 yardas en 9,3 s. A esta misma velocidad, (a) ¿cuánto tardaría este corredor en recorrer 100,0 m? (b) ¿cuál es la velocidad del corredor en metros por se gundo? (c) ¿cuánto tiempo tardaría el corredor en recorrer una distancia de 1,45 km? 36. Una unidad de masa que no es SI, utilizada en farmacia, es el grano (gr); (15 gr = 1,0 g). Una tableta de aspirina con tiene 5,0 gr de aspirina. Un paciente artrítico de 155 Ib de peso toma dos tabletas de aspirina diarias. 37. 38. 39. 40. (a) ¿Qué cantidad de aspirina, expresada en miligramos, hay en las dos tabletas? (b) ¿Cuál es la dosis de aspirina expresada en miligramos por kilo de peso? (c) Con esta dosis diaria de tabletas de aspirina, ¿cuántos días tardaría en consumir 1,0 kg de aspirina? El área de un terreno en unidades SI se mide en hectáreas, (1 hectárea = 1 hm2). La unidad habitualmente utilizada en Estados Unidos para áreas de terrenos, es el acre. ¿Cuán tos acres corresponden a una hectárea? (1 mi2 = 640 acres, 1 mi = 5280 ft, 1 ft = 12 in). En un libro de referencia de ingeniería, se encuentra que la densidad del hierro es 0,284 lb/in3. ¿Cuál es la densi dad en g/cm3? En un manual del usuario de un automóvil americano, se encuentra que la presión habitual para el funcionamiento óptimo de las ruedas del automóvil es 32 lb/in2. ¿Cuál es el valor de esta presión expresada en gramos por centíme tro cuadrado y en kilogramos por metro cuadrado? El volumen de un glóbulo rojo de la sangre es aproximada mente 90,0 X 10-12 cm3. Suponiendo que los glóbulos rojos de la sangre son esféricos, ¿cuál es el diámetro de un gló bulo rojo, en milímetros? Escalas de temperatura 41. Deseamos graduar un termómetro en temperaturas Celius y Fahrenheit. En la escala Celsius la marca de temperatu ra más baja está a -10 °C, y la marca de temperatura más alta está a 50 °C. ¿Cuáles son las temperaturas Fahrenheit equivalentes? 42. Las temperaturas máxima y mínima registradas en San Bernardino, California, son 118 y 17 °F, respectivamente. ¿Cuáles son estas temperaturas en la escala Celsius? 43. El cero absoluto de temperatura es —273,15 °C. ¿Sería posi ble conseguir una temperatura de -465 °F? Explíquelo. 44. En una clase de economía doméstica se encarga un trabajo consistente en hacer un dulce que requiere una mezcla de azúcar fundido (234-240 °F). Un estudiante pide prestado al laboratorio de química un termómetro que tiene un in tervalo de -10 a 110 °C para hacer esta tarea. ¿Servirá este termómetro para ello? Explíquelo. 45. Se decide establecer una nueva escala de temperatura en la que el punto de fusión del mercurio (—38,9 °C) es 0 °M y el punto de ebullición del mercurio (356,9 °C) es 100 °M. ¿Cuál sería (a) el punto de ebullición del agua en °M?; y (b) la temperatura del cero absoluto en °M? 46. Se dedde establecer una nueva escala de temperatura en la que el punto de fusión del amoníaco (-77,75 °C) es 0 °A y el punto de ebullición del amoníaco (—33,35 °C) es 100 °A. ¿Cuál sería (a) el punto de ebullición del agua en °A? y (b) la temperatura del cero absoluto en °A? Densidad 47. Una muestra de 2,18 L de ácido butírico, una sustancia pre sente en la mantequilla rancia, tiene una masa de 2088 g. ¿Cuál es la densidad del ácido butírico en gramos por mi lilitro? 48. Una muestra de 15,2 L de cloroformo a 20 °C tiene una masa de 22,54 kg. ¿Cuál es la densidad del cloroformo a 20 °C, en gramos por mililitro? 49. Para determinar la densidad de la acetona, se pesa dos ve ces un bidón de 55,0 gal. Este bidón pesa 75,0 Ib cuando está vacío y 437,5 Ib cuando se llena con acetona. ¿Cuál es la densidad de la acetona expresada en gramos por mililitro? 50. Para determinar el volumen de un recipiente de vidrio de forma irregular, el recipiente se pesa vacío (121,3 g) y lle no de tetracloruro de carbono (283,2 g). ¿Cuál es la capaci dad de este recipiente, en mililitros, si la densidad del te tracloruro de carbono es 1,59 g/mL? 51. Una disolución que contiene 8,50 por ciento en masa de acetona y 91,5 por ciento en masa de agua, tiene una densi 52. 53. 54. 55. 56. dad de 0,987 g/mL. ¿Qué masa de acetona, en kilogramos, está presente en 7,50 L de esta disolución? Una disolución contiene 10,05 por ciento en masa de saca rosa (azúcar de caña). ¿Qué masa de la disolución, en gra mos, se necesita para una aplicación que requiere 1,00 kg de sacarosa? Un fertilizante contiene 21 por ciento en masa de nitró geno. ¿Qué masa de este fertilizante, en kilogramos, se necesita para una aplicación que requiere 225 g de ni trógeno? Una muestra de vinagre, tiene una densidad de 1,006 g/mL y contiene 5,4 por ciento en masa de ácido acético. ¿Cuán tos gramos de ácido acético se encuentran presentes en 1,00L de este vinagre? Calcule la masa de un bloque de hierro (d = 7,86 g/cm3) con las siguientes dimensiones: 52,8 cm X 6,74 cm X 3,73 cm. Calcule la masa de un cilindro de acero inoxidable (d = 7,75 g/cm3) de 18,35 cm de altura y 1,88 cm de radio. Capítulo 1 57. Se dan las siguientes densidades a 20 °C: agua, 0,998 g/cm3; hierro, 7,86 g/cm3; aluminio, 2,70 g/cm3. Ordene los siguien tes objetos por orden de masa creciente. (a) una barra rectangular de hierro, de 81,5 cm X2,l cm X 1,6 cm (b) una lámina de aluminio, de 12,12 m X3,62 m X 0,003 cm (c) 4,051 L de agua. 58. Para determinar la masa aproximada de un pequeño perdi gón de cobre se ha llevado a cabo el siguiente experimento. Se cuentan 125 perdigones y se añaden a 8,4 mL de agua en una probeta; el volumen total es ahora de 8,9 mL. La densi dad del cobre es 8,92 g/cm3. Determine la masa aproxima da de un perdigón suponiendo que todos tienen las mis mas dimensiones. 59. La densidad del aluminio es 2,70 g/cm3. Un trozo cuadra do de lámina de aluminio, de 22,86 cm de lado, pesa 2,568 g. ¿Cuál es el espesor de esta lámina en milímetros? 60. La pieza angular dibujada a continuación está hecha en acero de densidad 7,78 g/cm3. ¿Cuál es la masa en gramos de este objeto? Las propiedades de la materia y su medida 29 61. En la sangre normal hay aproximadamente 5,4 X 109 glóbulos rojos por mililitro. El volumen de un glóbulo rojo es aproximadamente 90,0 X 10"12 cm3, y su densi dad es 1,096 g/mL. ¿Cuántos litros de sangre comple ta serían necesarios para obtener 0,5 kg de glóbulos ro jos? 62. Una técnica utilizada en su momento por los geólogos para medir la densidad de un mineral consiste en mezclar dos líquidos densos en la proporción necesaria para que floten los granos del mineral. Cuando se coloca una muestra de la mezcla en la que flota el mineral calcita en una de estas botellas, el peso es 15,4448 g. La botella vacía pesa 12,4631 g y cuando está llena de agua, pesa 13,5441 g. ¿Cuál es la densidad de la muestra de calcita? (Todas las medidas se realizan a 25 °C, y la densidad del agua a 25 °C es 0,9979 g/mL). 1,35 cm A A la izquierda, los granos del mineral calcita flotan en la superficie del bromoformo líquido {d = 2,890 g/mL). A la derecha, los granos se hunden al fondo del cloroformo líquido (d = 1,444 g/mL). Mezclando bromoformo y cloroformo en las proporciones necesarias para que los granos empiecen a flotar, se puede determ inarla densidad de la calcita (Ejercicio 62). Composición porcentual 63. En una clase de 76 estudiantes los resultados de un deter minado examen fueron: 7 con la calificación A, 22 con B, 37 con C, 8 con D y 2 con F. ¿Cuál fue la distribución de notas expresada en porcentajes? es decir, porcentaje de A, por centaje de B, y así sucesivamente. 64. Una clase de 84 estudiantes tuvo una distribución final de notas de: 18 por ciento A, 25 por ciento B, 32 por ciento C, 13 por ciento D, 12 por ciento F. ¿Cuántos estudiantes reci bieron cada calificación? 65. Una disolución acuosa de sacarosa que contiene 28/) por cien to en masa de sacarosa, tiene una densidad de 1,118 g/mL. ¿Qué masa de sacarosa, en gramos, está contenida en 3,50 L de esta disolución? 66. Una disolución acuosa que contiene 12,0 por ciento en masa de hidróxido de sodio, tiene una densidad de 1,131 g/mL. ¿Qué volumen, en litros, de esta disolu ción debe utilizarse si se necesitan 2,25 kg de hidróxi do de sodio? Ejercicios avanzados y de recapitulación 67. De acuerdo con las reglas de las cifras significativas, el producto de las cantidades medidas 99,9 m y 1,008 m, de bería expresarse con tres cifras significativas, 101 m2. En este caso, sin embargo, sería más apropiado expresar el resultado con cuatro cifras significativas, 100,7 m2. Expli que por qué. 68. La siguiente expresión representa la densidad en función de la temperatura (t), entre 15 y 65 °C, de una disolución que contiene 6,38 por ciento en masa de para-diclorobenceno: íf(g/mL) = 1,5794 - 1,836 X10"3 (f -1 5 ) ¿A qué temperatura tendrá esta disolución una densidad de 1,543 g/mL? 30 Química general 69. Una disolución utilizada para clorar una piscina contiene 7 por ciento en masa de cloro. El nivel de cloro ideal para la piscina es una parte por millón (lppm). (1 ppm signifi ca 1 g de cloro por 1 millón de gramos de agua). Si se su ponen densidades de 1,10 g/mL para la disolución de clo ro y 1,00 g/mL para el agua de la piscina, ¿qué volumen, en litros, de disolución de cloro, se necesita para conseguir un nivel de cloro de 1 ppm en una piscina de 18 000 galo nes de capacidad? 70. Se desea obtener una masa estándar de 1,000 kg cortan do una barra de acero, de sección triangular (equilátero) cuyo lado es 2,50 in. La densidad del acero es 7,70 g/cm3. ¿Cuántas pulgadas de longitud debe tener este trozo de barra? 71. El volumen de agua de mar en la Tierra es aproximada mente de 330 000 000 mi3. Si el agua de mar tiene un 3,5 por ciento en masa de cloruro de sodio y una densidad de 1,03 g/mL, ¿cuál es la masa aproximada de cloruro de so dio, expresada en toneladas, disuelta en el agua de mar en la Tierra? (1 ton =2000 Ib) 72. El diámetro del alambre metálico, se especifica por su nú mero de calibrado del estándar americano. Un alambre de calibre 16 tiene un diámetro de 0,05082 in. ¿Qué lon gitud de alambre, en metros, hay en un carrete de 1,00 Ib de alambre de cobre de calibre 16? La densidad del cobre es 8,92 g/cm3. 73. El magnesio se encuentra en el agua de mar en una pro porción de 1,4 g de magnesio por kilogramo de agua de mar. ¿Qué volumen de agua de mar, en metros cúbicos, tendría que emplearse para producir 1,00 X 105 toneladas de magnesio? (1 ton =2000 Ib). Suponga una densidad de 1,025 g/mL para el agua de mar. 74. Una velocidad típica de depósito del polvo («lluvia de polvo») del aire no contaminado es 10 ton por milla cua drada y por mes. (a) Exprese esta lluvia de polvo en mi ligramos por metro cuadrado y por hora, (b) Si el polvo tiene una densidad media de 2 g/cm3, ¿cuánto tiempo tardaría en acumularse una capa de polvo de 1 mm de espesor? 75. En los EEUU, el volumen de agua de regadío se expre sa en acres-pie. Un acre-pie es un volumen de agua su ficiente para cubrir un acre de tierra con una altura de agua de 1 ft. (640 acres = 1 mi2; 1 mi = 5280 ft). El princi pal lago del Proyecto Hidrológico de California es el lago Oroville, cuya capacidad de almacenamiento de agua es de 3,54 X 106 acres-pie. Exprese el volumen del lago Oroville en (a) pies cúbicos; (b) metros cúbicos; (c) ga lones U.S. 76. Un termómetro Fahrenheit y otro Celsius se introducen en el mismo medio. ¿A qué temperatura Celsius corresponde una lectura numérica en el termómetro Fahrenheit (a) 49° menos que la del termómetro Celsius? (b) doble de la del termómetro Celsius? (c) una octava parte de la del termómetro Celsius? (d) 300° más alta que la del termómetro Celsius? 77. La ilustración que acompaña a este problema muestra una probeta de 100/) mL medio llena con 8,0 g de tierra de diatomeas, un material que consta fundamentalmente de síli ce y se usa como un medio filtrante en las piscinas. ¿Cuán tos mililitros de agua se requieren para llenar la probeta hasta la marca de 100,0 mL? La tierra de diatomeas es insoluble en agua y tiene una densidad de 2,2 g/cm3. 78. El dispositivo que se representa en el dibujo a continua ción, es un picnòmetro que se utiliza para la determina ción de densidades. A partir de los datos presentados a continuación y de la densidad del agua a 20 °C (0,99821 g/ mL), determine la densidad del metanol, en gramos por mililitro. Vado 25,601 g Lleno de agua a 20 °C: 35,552 g Lleno con metanol a 20 °C: 33,490 g 79. Si el picnòmetro del Ejercicio 78 se llena con etanol a 20 °C en lugar de metanol, la masa observada es 33,470 g. ¿Cuál es la densidad del etanol? ¿Con qué precisión podría de terminar la composición de una disolución etanol-metanol midiendo su densidad en un picnòmetro? Suponga que la densidad de la disolución es una función lineal del porcen taje en volumen. 80. Un picnòmetro (véase el Ejercicio 78) pesa 25,60 g vacío y 35,55 g cuando se llena con agua a 20 °C. La densidad del agua a 20 °C es 0,9982 g/mL. Cuando se introducen 10,20 g de plomo en el picnòmetro y éste se llena con agua a 20 XI, la masa total es 44,83 g. ¿Cuál es la densidad del plo mo, en gramos por centímetro cúbico? 81. En el distrito del Gran Vancouver, se clora el agua de abas tecimiento de la región en 1 ppm, es decir, 1 kilogramo de cloro por millón de kilogramos de agua. El cloro se añade en forma de hipoclorito de sodio, que tiene 47,62 por cien to de cloro. La población de este distrito es de 1,8 millones de personas. Si cada persona utiliza 750 L de agua por día, ¿cuántos kilogramos de hipoclorito de sodio deben aña dirse al agua cada semana para tener el nivel requerido de cloro de 1 ppm? 82. Un Boeing 767 debe repostar para volar desde Montreal a Edmonton. Puesto que el instrumento de calibrado de combustible del avión no funcionaba, un mecánico utilizó una varilla para determinar el combustible que quedaba en Capítulo 1 el avión, que fue de 7682 L. El avión necesitaba 22 300 kg de combustible para el viaje. Para determinar el volumen necesario de combustible el piloto preguntó el factor de conversión necesario para convertir un volumen de com bustible en masa de combustible. El mecánico dio el fac tor de 1,77. Suponiendo que este factor estaba en unidades métricas (kg/L), el piloto calculó que el volumen que de bía añadirse era 4916 L y añadió este volumen. Como con secuencia, el 767 agotó el combustible pero hizo un aterri zaje forzoso en el aeropuerto de Gimli cerca de Winnipeg. El error se debió a que el factor 1,77 estaba en unidades de libras por litro. ¿Qué volumen de combustible debería ha berse añadido? 83. La siguiente ecuación puede utilizarse para calcular la den sidad del agua líquida a una temperatura Celsius en el in tervalo desde 0 °C a 20 °C: -36,0 cm— — H T. 24,0 c r n / i J2.0 cm Ii 5,0 cm 85. A partir de una tabla de datos se obtiene la siguiente ecua ción, que permite calcular las densidades (d) de disolucio 31 nes de nafta leño en benceno a 30 °C en función del porcen taje en masa del naftaleno. d(g/cm3) = 86. , 0,99984 + (1,6945 X 10_2f) - (7,987 X 10"6*2) — -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------¿(g/cm ) = 1 + (1,6880 x 10"2í) (a) Determine la densidad del agua a 10 °C con cuatro ci fras significativas. (b) ¿A qué temperatura el agua tiene una densidad de 0,99860 g/cm3? (c) Demuestre que la densidad del agua pasa a través de un máximo en algún punto en el intervalo de temperatu ra donde se aplica la ecuación. Hágalo de tres formas dife rentes: (i) por estimación. (ii) gráficamente. (iii) basándose en el cálculo diferencial. 84. Un trozo de espuma de poliestireno que mide 24,0 cm por 36/) cm y por 5,0 cm, flota cuando se coloca en un cubo de agua. Cuando se coloca un libro de 1,5 kg sobre la espu ma, ésta se hunde parcialmente como se representa en el diagrama a continuación. Suponiendo que la densidad del agua es 1,00 g/mL, ¿cuál es la densidad de la espuma? Las propiedades de la materia y su medida 87. 88. 89. ,-6/ 1,153 - 1,82 X 10"3(%N) + 1,08 X 10_6(%N): Utilice esta ecuación para calcular (a) la densidad del ben ceno puro a 30 °C; (b) la densidad naftaleno puro a 30 °C; (c) la densidad de una disolución que tiene 1,15 por ciento de naftaleno a 30 °C; (d) el porcentaje en masa de naftaleno en una disolución que tiene una densidad de 0,952 g/cm3 a 30 °C. [Sugerencia: Para (d) necesita utilizar una fórmula cuadrática. Véase la Sección A-3 del Apéndice A.] El volumen total de hielo en la Antártida es aproximada mente de 3,01 X 107 km3. Si todo el hielo de la Antártida se fundiera por completo, estime el aumento, del nivel del mar h que resultaría debido al agua líquida adicional en trando en los océanos. Las densidades del hielo y el agua son 0,92 y 1,0 g/cm3, respectivamente. Suponga que los océanos del mundo cubren un área A de aproximadamen te 3,62 X108 km2 y que el aumento de volumen de los océa nos puede calcularse como A X h. Una botella vacía de 3,00 L pesa 1,70 kg y llena con vino pesa 4,72 kg. El vino contiene 11,5 por ciento en masa de alcohol etílico. ¿Cuántos gramos de alcohol etílico hay en 250.0 mL de este vino? El filamento de una bombilla incandescente es un alam bre muy fino de tungsteno (d = 19,3 g/cm3). El diámetro del alambre es muy difícil de medir directamente, de for ma que a veces se estima por medio de la masa de una de terminada longitud. Si un alambre de 0,200 m de longitud pesa 42,9 mg, ¿cuál es el diámetro del alambre? Exprese la respuesta en milímetros. El contenido de alcohol en sangre (CAS) se mide en por centaje masa-volumen, de forma que 0,10 por ciento co rresponde a 0,10 g de alcohol etílico por 100 mL de sangre. En muchas jurisdicciones, una persona se considera legal mente intoxicada si su CAS es 0,10 por ciento. Suponga que una persona de 68 kg tiene un volumen de sangre to tal de 5,4 L y absorbe el alcohol etílico a una velocidad de 10.0 g por hora* ¿Cuántos vasos de 145 mL de vino consu midos durante tres horas producirán un CAS de 0,10 por ciento en esta persona? Suponga que la densidad del vino es 1,01 g/mL y que tiene 11,5 por ciento en masa de alco hol etílico. (*La velocidad a la que se absorbe el alcohol va ría drásticamente de una persona a otra. El valor dado aquí es realista pero no necesariamente exacto.) Problemas de seminario 90. Con el objeto de determinar la posible relación entre el año de acuñación de los peniques americanos y su masa (en gramos), unos estudiantes pesaron una serie de peniques y obtuvieron los siguientes datos. 1968 1973 1977 1980 1982 1983 1985 3,11 3,08 3,14 3,06 3,07 3,12 3,11 3,08 3,12 2,53 2,54 2,51 3,09 3,13 3,10 3,06 2,54 2,53 2,53 2,49 2,47 ¿Qué conclusión o conclusiones válidas pudieron deducir sobre la relación entre las masas de los peniques acuñados el mismo año y en años sucesivos? 91. En el tercer siglo a. de C. el matemático griego Arquímedes, descubrió un importante principio que es útil para la determinación de densidades. Se dice que el rey Herón de Siracusa (Sicilia) llamó a Arquímedes para comprobar que una corona hecha para él por un orfebre, era de oro puro y no de una aleación de plata y oro. Por supuesto, Arquí medes tenía que comprobarlo sin estropear lo más mínimo 32 Química general la corona. Describa cómo hizo esto Arquímedes, o si usted no sabe el resto de la historia, redescubra el principio de Arquímedes y explique cómo puede utilizarse para resol ver esta cuestión. 92. El termómetro de Galileo mostrado en la fotografía se basa en la dependencia de la densidad con la temperatura. El lí quido en el cilindro exterior y el líquido en las bolas de vi drio flotantes parcialmente llenas es el mismo, excepto que se ha añadido un colorante al líquido de las bolas. Explique cómo funciona el termómetro de Galileo. las conclusiones que se pueden deducir a partir de cada uno de los esquemas y haga la mejor estimación de la den sidad del plástico. 50,0 g o / / — 5.6 g Bromoformo, Etanol d - 2,890 g/mL Agua, 157 20 °C \ IDO- Él u (a) 93. La canoa de la fotografía, que se desliza suavemente so bre el agua, está hecha de hormigón que tiene una den sidad aproximada de 2,4 g/cm3. Explique por qué no se hunde la canoa. ioo J (b) (c) (d) 95. Como se indicó en la sección 1.1 de ¿Está preguntándo se..?, la MCO se perdió debido a la mezcla en las unida des utilizadas para calcular la fuerza necesaria para corre gir su trayectoria. Los ordenadores en tierra, generaron el fichero de corrección de la fuerza. El 29 de septiembre de 1999, se descubrió que las fuerzas calculadas por el orde nador de tierra para uso en la programación de la navega ción MCO estaban calculadas por defecto en un factor de 4,45. La trayectoria errónea llevó a la MCO a 56 km por en cima de la superficie de Marte; la trayectoria correcta ha bría llevado a la MCO aproximadamente a 250 km por en cima de la superficie. A 250 km, la MCO hubiera entrado con éxito en la órbita elíptica deseada. Los datos conteni dos en el fichero de corrección de la fuerza se obtuvieron en lb-segundo en lugar de las unidades SI necesarias de newton-segundo, en la programación de navegación de la MCO. El newton es la unidad SI de fuerza y se describe en el Apéndice B. El sistema de ingeniería británico (BE), gravitacional, utiliza una libra (11b) como unidad de fuerza y ft/s2como unidad de aceleración. A su vez, la libra se defi ne como la atracción de la tierra sobre una unidad de masa en un lugar donde la aceleración debida a la gravedad es 32,174 ft/s2. La unidad de masa en este caso es el lingote que son 14,59 kg. Así, Unidad de fuerza BE = 1 libra = (lingote)(ft/s2) Utilice esta información para confirmar que: 94. Los siguientes esquemas sugieren cuatro observaciones he Unidad de fuerza BE = 4,45 X unidad de fuerza SI 1 libra = 4,45 newton chas con un pequeño bloque de material plástico. Indique Ejercicios de autoevaluación 96. Defina o explique con sus propias palabras los siguien tes términos o símbolos: (a) mL (b) porcentaje en masa; (c) °C; (d) densidad; (e) elemento. 97. Describa brevemente cada una de las siguientes ideas: (a) unidades básicas SI; (b) cifras significativas; (c) ley natu ral; (d) notación exponencial. 98. Explique las diferencias importantes entre cada par de términos: (a) masa y peso; (b) propiedades extensivas e intensivas; (c) sustancia pura y mezcla; (d) errores siste máticos y accidentales; (e) hipótesis y teoría. 99. El hecho de que el volumen de una cantidad fija de gas a una determinada temperatura sea inversamente propor cional a la presión del gas es un ejemplo de (a) una hipó tesis; (b) una teoría; (c) un paradigma; (d) una verdad ab soluta; (e) una ley natural. 100. Un buen ejemplo de una mezcla homogénea es: (a) un bebida de cola en una botella cerrada; (b) agua destilada obtenida en un aparato de destilación; (c) oxígeno gas en una bala utilizada en soldadura; (d) el material producido en una batidora de cocina. Capítulo 1 101. La masa de un objeto en la luna, comparada con su masa en la tierra sería (a) menor; (b) mayor; (c) la misma; (d) casi la misma pero menor. 102. De las siguientes masas, hay dos que se expresan con pre cisión del mg. Estas dos serán: (a) 32,7 g; (b) 0,03271 kg; (c) 32,7068 g; (d) 32,707 g; (e) 32,7 mg; <f) 3 X103 /xg. 103. La temperatura más alta del siguiente grupo es: (a) 217 K; (b) 273 K; (c) 217 °F; (d) 105 °C; (e) 373 K. 104. ¿Cuál de las siguientes cantidades tiene mayor masa? (a) 752 mL de agua a 20 °C; (b) 1,05 L de etanol a 20 °C (d = 0,789 g/mL); (c) 750 g de cloroformo a 20 °C (d = 1,483 g/mL); (d) un cubo de madera de balsa {d =0,11 g/cm3) que tie ne 19,20 cm de arista. 105. La densidad del agua a 20 °C, es 0,9982 g/cm3. Exprese la densidad del agua a 20 °C en las siguientes unidades: (a) g/L; (b) kg/rc?; (c) kg/km3. 106. Dos estudiantes hacen, cada uno, cuatro medidas de la masa de un objeto. Los resultados se muestran en la si guiente tabla. Cuatro medidas Valor medio Estudiante A Estudiante B 51,6; 50,8 52,2; 50,2 g 51,3 g 50,1; 49,6 51,0; 49,4 g 50,0 g La masa exacta del objeto es 51,0 g ¿Qué resultados son más precisos, los del estudiante A o los del estudiante B? ¿Qué resultados son más exactos? 107. El valor correcto para el volumen de un trozo rectangu lar de cartulina con las dimensiones 36 cm X 20,2 cm X 9 mm debe ser: (a) 6,5 X 10 3 cm3; (b) 7 X10 2 cm3; (c) 655 cm3; (d) 6,5 X 10 2 cm3. Las propiedades de la materia y su medida 33 108. Clasifique los siguientes valores en orden creciente de precisión, indicando las cantidades con precisión dudo sa: (a) 1400 km; (b) 1516 kg; (c) 0,00304 g; (d) 125,34 cm; (d) 2000 mg. 109. Sin hacer cálculos detallados, indique cuál de los siguientes objetos contiene mayor masa del elemento hierro. (a) Un montón de limaduras de hierro puro de 1,00 kg. (b) Un cubo de hierro forjado de 5,0 cm de arista. El hie rro forjado tiene un 98,5 por ciento en masa de hierro y 7,7 g/cm3 de densidad. (c) Una lámina cuadrada de acero inoxidable de 0,30 m de lado y 1,0 mm de grueso. El acero inoxidable es una aleación que contiene hierro junto con un 18 por ciento en masa de cromo, 8 por ciento de níquel y 0,18 por ciento de carbono. Su densidad es 7,7 g/cm3. (d) 10,0 L de una disolución de densidad, d = 1,295 g/mL, que confine un 70,0 por ciento en masa de agua y un 30,0 por ciento de un compuesto de hierro. El compuesto de hierro contiene un 34,4 por ciento en masa de hierro. 110. A 20 °C, una masa de cobre puro pesa 25,305 g en aire y 22,486 g cuando está sumergida en agua {d = 0,9982 g/ mL). Suponga que el cobre se lamina en una lámina de espesor uniforme de 248 cm2. ¿Cuál será el espesor de la lámina, en milímetros? 111. El agua es un compuesto. ¿Hay alguna circunstancia en la que pueda existir una mezcla de agua pura como una mezcla heterogénea? Explíquelo. 112. El Apéndice E describe una ayuda al estudio conocida como mapa conceptual. Utilizando el método del Apéndi ce E, construya un mapa conceptual para ilustrar los con ceptos presentados en las Secciones 1.2,1.3 y 1.4. 2 Los átomos y la teoría atómica CONTENIDO 2.1 Los primeros descubrimientos químicos y la teoría atómica 2.2 Los electrones y otros descubrimientos de la física atómica 2.3 El átomo nuclear 2.4 Los elementos químicos 2.5 Masa atómica 2.6 Introducción a la tabla periódica 2.7 El concepto de mol y la constante de Avogadro 2.8 Utilización del concepto de mol en b s cálculos Imagen de los átomos de silicio que están separados solo 78 pm; imagen obtenida utilizando microscopía electrónica de transmisión por barrido (STEM). La hipótesis de que toda la materia está formada por átomos ha existido desde hace más de 2000 años. Pero solo hace muy pocas décadas se han desarrollado estas técnicas que permiten hacer visibles los átomos individuales. E 34 mpezamos este capítulo con una breve revisión de los primeros descubri mientos químicos, que culminaron en la teoría atómica de Dalton. A conti nuación describiremos las evidencias físicas que conducen a la descripción moderna del átomo nuclear, en el que los protones y neutrones se encuentran den tro de un núcleo rodeados por los electrones en el espacio que rodea a este nú cleo. También introduciremos la tabla periódica como el principal sistema de organizadón de los elementos en grupos con propiedades semejantes. Finalmente, Capítulo 2 Los átomos y la teoría atómica 35 introduciremos el concepto de mol y la constante de Avogadro, que son los principales instrumentos para contar átomos y moléculas, y para medir cantidades de sustancias. Utilizaremos estos instrumentos a lo largo del texto. 2.1 Los prim eros descubrimientos químicos y la teoría atómica La química se ha desarrollado desde hace mucho tiempo aunque los que la utilizaban estuvieron mucho más interesados en sus aplicaciones que en sus principios fundamen tales. Los altos hornos para la extracción del hierro a partir de minerales de hierro apa recieron muy pronto, hada el año 1300 d. C. y algunos productos químicos importantes, como el ácido sulfúrico (aceite de vitriolo), áddo nítrico (agua fuerte) y sulfato de sodio (sal de Glauber) ya eran bien conoddos y utilizados hace dentos de años. Antes del fi nal del siglo xviii , ya se habían aislado los prindpales gases de la atmósfera, nitrógeno y oxígeno, y se habían propuesto leyes naturales para describir el comportamiento físi co de los gases. Sin embargo, no puede dedrse que la química entra en la edad moderna hasta que se explica el proceso de combustión. En esta secdón analizamos la reladón di recta entre la explicadón de la combustión y la teoría atómica de Dalton. Ley de conservación de la masa El proceso de combustión (algo que arde) nos resulta tan familiar, que es d ifíd l darse cuenta de que supuso un difídl enigma para los primeros dentíficos. Algunas de las observadones difídles de explicar se describen en la Figura 2.1. En 1774, Antoine Lavoisier (1743-1794) realizó un experimento calentando un redpiente de vidrio cerrado que contenía una muestra de estaño y aire. Encontró que la masa antes del calentamiento (redpiente de vidrio + estaño + aire) y después del calentamien to (redpiente de vidrio + estaño calentado + el resto de aire), era la misma. Mediante experimentos posteriores demostró que el producto de la reacdón, estaño calentado (óxi do de estaño), consistía en el estaño original junto con parte del aire. Experimentos como éste demostraron a Lavoisier que el oxígeno del aire es esendal para la combustión y le llevaron a formular la ley de conservación de la masa: La masa total de las sustancias presentes después de una reacción química es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reacción. Esta ley se ilustra en la Figura 2.2 donde se controla la reacdón entre el nitrato de pla ta y el cromato de potasio para dar un sólido rojo de cromato de plata. Se colocan los reactivos en una balanza monoplato, y se muestra que la masa total no cambia. Dicho de otra manera, la ley de conservadón de la masa dice que en una reacdón química la ma teria no se crea ni se destruye. ▲ FIGURA 2.1 Dos reacciones de combustión El producto aparente de la combustión de la cerilla, la ceniza, pesa menos que la cerilla. El producto de la combustión de la cinta de magnesio, el humo, pesa masque la cinta. En realidad, en b s dos casos, la masa total permanece invariable. Para comprender esto, se necesita saber que el gas oxígeno participa en ambas combustiones, y que el agua y dióxido de carbono son también productos de la combustión de la cerilla. <4 FIGURA 2.2 La masa se conserva durante la reacdón química (a) Antes de la reacción, un vaso de precipitados con disolución de nitrato de (a) (b) plata y una probeta con disolución de cromato de potasio se colocan en una balanza monoplato que nos muestra su masa total, 104,50 g. (b) Cuando se mezclan las disoluciones, se produce una reacción química que da lugar a cromato de plata, precipitado rojo, en una disolución de nitrato de potasio. Observe que la masa total, 104,5 g , permanece invariable. 36 Química general EJEM PLO 2.1 Aplicación de la ley de conservación de la masa Se quema una muestra de 0,455 g de magnesio en presencia de 2,315 g de gas oxígeno y el único producto es óxido de magnesio. Después de la reacción no queda magnesio, y la masa de oxígeno sin reaccionar es 2,015 g. ¿Qué masa de óxido de magnesio se produce? Planteamiento La masa total no cambia. La masa total es la suma de las masas de las sustancias presentes inicialmente. La masa de óxido de magnesio es la masa total menos la masa de oxígeno sin reaccionar. Resolución Primero, determine la masa total antes de la reacción. masa antes de la reacción = 0,455 g de magnesio 4- 2,315 g de oxígeno =2,770 g (masa antes de la reacción) La masa total después de la reacción es la misma que antes de la reacción. Obtenga la masa de óxido de magnesio. 2,770 g (masa después de la reacción) = ? g de óxido de magnesio después de la reacción + 2,015 g (oxígeno remanente después de la reacción) ? g de óxido de magnesio =2,770 g (masa después de la reacción) después de la reacción —2,015 g (oxígeno remanente después de la reacción) = 0,775 g de óxido de magnesio después de la reacción. Conclusión Otro método. La masa de oxígeno que ha reaccionado es 2,315 g —2,015 g =0,300 g. Por tanto, han reaccionado 0,300 g de oxígeno con 0/455 g de magnesio para dar 0,300 g + 0,455 =0,755 g de óxido de magnesio. EJEMPLO PRÁCTICO A: Una muestra de 0,382 g de magnesio reacciona con 2,652 g de gas nitrógeno. El único produc to es nitruro de magnesio. Después de la reacción la masa de nitrógeno sin reaccionar es 2,505 g. ¿Qué masa de nitruro de magnesio se produce? EJEMPLO PRÁCTICO B: Una muestra de 7,12 g de magnesio se calienta con 1,80 g de bromo. Se consume todo el bromo, y el único producto es 2,07 g de bromuro de magnesio. ¿Qué masa de magnesio permanece sin reaccionar? U . 2.1 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS Jan Baptista van Helmont (1579-1644) pesó un pequeño sauce y la tierra que utilizó para plan tarlo. Cinco años después encontró que la masa de tierra había disminuido solamente 0,057 kg mientras que el árbol había aumentado 75 kg. Durante ese período solo había añadido agua a la maceta. Helmont llegó a la conclusión de que fundamentalmente toda la masa ganada por el árbol procedía del agua. ¿Fue una conclusión válida? Explíquelo. Ley de la composición constante En 1799, Joseph Proust (1754-1826) estableció que «Cien libras de cobre, disuelto en áci do sulfúrico o nítrico y precipitado por carbonato de sodio o potasio, producen invaria blemente 180 libras de carbonato de color verde»*. Esta observación y otras similares constituyeron la base de la ley de la composición constante, o la ley de las proporcio nes definidas: Todas las muestras de un compuesto tienen la misma composición, es decir, las mismas proporciones en masa de los elementos constituyentes. (b) ▲ El mineral malaquita (a) y la pátina verde sobre un tejado de cobre (b) son en ambos casos carbonato básico de cobre, como el carbonato básico de cobre obtenido por Proust en 1799. Para ver cómo se cumple la ley de la composición constante, considere el compuesto agua. H agua contiene dos átomos de hidrógeno (H) por cada átomo de oxígeno (O), un hecho que puede representarse simbólicamente por una fórmula química, la conocida fórmula H20 . * La sustancia que obtuvo Proust, en realidad es una sustancia más compleja denominada carbonato básico de cobre. Los resultados de Proust fueron válidos porque el carbonato básico de cobre, tiene una composición constante, como todos los compuestos. Capítulo 2 Los átomos y la teoría atómica 37 Las dos muestras que se describen a continuación tienen las mismas proporciones de los dos elementos, expresadas en porcentajes en masa. Por ejemplo, para determinar el porcentaje en masa de hidrógeno, simplemente se divide la masa de hidrógeno por la masa de la muestra y se multiplica por 100. En cada muestra se obtendrá el mismo resul tado: 11,9 por ciento de H. Muestra A y su composición Muestra B y su composición 10,000 g 1,119 g H 8,881 g O 27,000 g 3,021 g H 23,979 g O EJEM PLO 2.2 % H = 11,19 % 0 = 88,81 % H = 11,19 % O =88,81 Utilización de la ley de la composición constante En el Ejemplo 2.1 encontramos que cuando reaccionan 0,455 g de magnesio con 2,315 g de oxígeno, se obtienen 0,755 g de óxido de magnesio. Calcule la masa de magnesio contenida en una muestra de 0,500 g de óxido de magnesio. Planteamiento Sabemos que 0,755 g de óxido de magnesio contienen 0,455 g de magnesio. De acuerdo con la ley de la composición constante, la razón de masas 0,455 g de magnesio/0,755 g de óxido de magnesio existe en todas las muestras de óxi do de magnesio. Resolución La aplicación de la ley de la composición constante da 0,455 g de magnesio 0,755 g de óxido de magnesio ? g de magnesio 0,500 g de óxido de magnesio Resolviendo la expresión anterior, se obtiene ? g magnesio = 0,500 g de óxido de magnesio X 0,455 g de magnesio —— = 0,301 g de magnesio Conclusión Puede resolver este problema utilizando porcentajes en masa. Si 0,755 g de óxido de magnesio contienen 0,455 g de mag nesio, el óxido de magnesio tiene (0/455 g/0,755 g) X 100% =60,3% de magnesio en masa y (100% —60,3%) = 39,7% de oxígeno en masa. Por tanto, una muestra de 0,500 g de óxido de magnesio debe contener 0,500 g X 60,3% = 0,301 g de magnesio y 0,500 g X39,7% =0,199 g de oxígeno. EJEMPLO PRÁCTICO A: ¿Qué masas de magnesio y oxígeno deben reaccionar para obtener exactamente 2,000 g de óxido de magnesio? EJEMPLO PRÁCTICO B: ¿Qué sustancias están presentes, y cuáles son sus masas, después de la reacción entre 10,00 g de magnesio y 10,00 g de oxígeno? 2 .2 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS Cuando reaccionan 4,15 g de magnesio con 82,6 g de bromo, (1) todo el magnesio desapare ce, (2) parte del bromo permanece sin reaccionar y (3) el bromuro de magnesio es el único pro ducto. ¿Es posible deducir la masa de bromuro de magnesio obtenido, únicamente con esta in formación? Explíquelo. La teoría atómica de Dalton En el período desde 1803 hasta 1808, John Dalton, un maestro inglés, utilizó las dos leyes fundamentales de las combinaciones químicas que acabamos de describir, como base de una teoría atómica. Su teoría se basó en tres supuestos. 1. Cada elemento químico se compone de partículas diminutas e indivisibles deno minadas átomos. Los átomos no pueden crearse ni destruirse durante una trans formación química. 38 Química general 2. Todos los átomos de un elemento son semejantes en masa (peso) y otras propie dades, pero los átomos de un elemento son diferentes de los del resto de los ele mentos. 3. En cada uno de sus compuestos, los diferentes elementos se combinan en una propordón numérica sendlla: por ejemplo, un átomo de A con un átomo de B (AB), o un átomo de A con dos átomos de B (AB2). A John Dalton (1766-1844) autor de la teoría atómica. Dalton no ha sido considerado como un experimentalista especialmente bueno, quizás debido a su ceguera para el color, una enfermedad deno minada daltonismo. Sin embargo, utilizó con habilidad los datos de otros para formular su teoría ató mica. (Fotografía de la Colección Granger) RECUERDE que todo lo que sabemos es que el segundo óxido es dos veces más rico en oxígeno que d primero. Si el primero es CO, las posibilidades para el segundo son C 02/ C3(\, y así sucesivamente. (Véase también el Ejercido 18). Si los átomos de un elemento son indestructibles (supuesto 1), entonces los mismos átomos deben estar presentes después de una reacdón química. La masa total permane ce invariable. La teoría de Dalton explica la ley de conservadón de la masa. Si todos los átomos de un elemento tienen una misma masa (supuesto 2) y si los átomos se unen en propordones numéricas fijas (supuesto 3), la composidón centesimal de un compuesto debe tener un único valor, independientemente del origen de la muestra analizada. La teoría de Dalton también explica la ley de la composidón constante. Como todas las buenas teorías, la teoría atómica de Dalton condujo a una predicdón, la ley de las propordones múltiples. Si dos elementos forman más de un compuesto sencillo, las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento están en una relación de números enteros sencillos. Para ilustrar esto, considere los dos óxidos de carbono (un óxido es una combinadón de un elemento con oxígeno). En un óxido, 1,000 g de carbono se combina con 1,333 g de oxígeno, y en el otro, con 2,667 g de oxígeno. Vemos que el segundo óxido es más rico en oxígeno; de hecho contiene el doble de oxígeno, 2,667 g/l,333g = 2,00. Ahora sabe mos que la fórmula molecular del primer óxido es CO y la del segundo, C 0 2 (véase la Fi gura 2.3). Las masas relativas características de los átomos de los diferentes elementos se cono cen como pesos atómicos y a lo largo del siglo XIX los químicos trabajaron para estable cer valores fiables de los pesos atómicos relativos. Sin embargo, los químicos dirigieron su atendón prindpalmente al descubrimiento de nuevos elementos, sintetizando nue vos compuestos, desarrollando técnicas para analizar materiales, y, en general, almace nando una gran cantidad de conodmientos químicos. Los físicos fueron los que dedi caron sus esfuerzos en desvelar la estructura del átomo, como veremos en las próximas secdones. 2.2 ▲ FIGURA 2.3 Las moléculas CO y C02 ¡lustran la ley de las proporciones múltiples La masa de carbono es la misma en las dos moléculas, pero la masa de oxígeno en el C 0 2 es el doble de la masa del oxígeno en el CO . Así, de acuerdo con la ley de las proporciones múltiples, las masas de oxígeno en los dos compuestos en relación a una masa de carbono fija, están en una razón de números enteros sencillos, 2 : 1 . Los electrones y otros descubrimientos de la física atómica Afortunadamente, podemos comprender cualitativamente la

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