Química 11 Ed chang

1. Qumica Undcima edicin Raymond Chang Kenneth A. Goldsby

2. Qumica

3. REVISIN TCNICA MXICO Jess Adrin Baldenebro Lpez Universidad Autnoma de Sinaloa Ren Barrios Vargas Instituto Tecnolgico de Mazatln Joel Andrs Caldern Guilln Universidad Autnoma de Sinaloa Rosa Luz Garnica Gutirrez Universidad Panamericana, Campus Mxico Ricardo Guerra Trevio Universidad Autnoma de Baja California Mara Rosario Hernndez Moreno Universidad Autnoma de Sinaloa Luis Antonio Huerta Tapia Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de Mxico Jos Arturo Len Velzquez Universidad Autnoma de Sinaloa Carolina del C. Lpez Suero Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Santa Fe Antonieta Martnez Velasco Universidad Panamericana Alejandra Montes Servn ESIME Zacatenco, Instituto Politcnico Nacional Amador Osorio Prez Universidad Autnoma de Sinaloa Nora Estela Ponce Fernndez Instituto Tecnolgico Superior de Guasave, Mxico Jos Clemente Reza Garca ESIQIE Zacatenco, Instituto Politcnico Nacional Juan Homero Roldn Rojas Universidad Autnoma del Estado de Hidalgo Itzia Carmen Ruiz Nieto Universidad Politcnica de Sinaloa Rosaura Salazar Lara Universidad Autnoma de Sinaloa Beatriz Ada Serrano Mungua Instituto Tecnolgico de Culiacn Enrique Sols Garca Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de Mxico Rogelio Soto Ayala Facultad de Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma de Mxico Rody Abraham Soto Rojo Universidad Autnoma de Sinaloa Marco A. Zazueta Gmez Instituto Tecnolgico de Tijuana ESPAA Ana Isabel Azuaga Fortes Facultad de Ciencias, Universidad de Granada Victoria Cabaas Criado Universidad Complutense de Madrid Daniel Collado Martn Universidad de Mlaga Mara Domingo Garca Universidad de Granada Andrs Garcs Osado Universidad Rey Juan Carlos Laura Hermosilla Mnguez Universidad Autnoma de Madrid Da. frica Martnez Alonso Universidad Complutense de Madrid Jos Manuel Mats Snchez Universidad de Mlaga Mnica Moreno Barambio Universidad Autnoma de Madrid Natalia frica Navas Iglesias Universidad de Granada Ricardo Navarrete Casas Universidad de Granada Ana Mara Parra Alfambra Universidad Autnoma de Madrid Jess Romn Zaragoza Universidad Complutense de Madrid Miguel ngel Rodrguez Carvajal Universidad de Sevilla Juan Antonio Segura Checa Universidad de Mlaga COLOMBIA Henry Crdoba Ruiz Facultad de Ciencias, Pontificia Universidad Javeriana-Bogot Rigoberto Gmez Cruz Universidad de los Andes Jaime Jos Isaza Ceballos Escuela Colombiana de Ingeniera Julio Garavito Juan Carlos Moreno Pirajn Universidad de Los Andes, Bogot Diana Anglica Varela Martnes Universidad EAN PER Susana Esther Morales Cabeza Universidad Nacional de Piura Eduardo Marcial Rodrguez Daz Universidad Nacional de Cajamarca Tulio Guido Vignolo Boggio Universidad Nacional de Piura VENEZUELA Marta B. Mediavilla Q. Universidad Central de Venezuela PUERTO RICO ngel R. Arcelay Universidad del Este Miriam A. Falero-Gil Universidad Metropolitana Jos A. Prez Melendez Universidad Interamericana de Puerto Rico Edgardo Rivera Tirado Universidad de Puerto Rico en Cayey Marisol Rodrguez Rosario Universidad de Puerto Rico, Recinto de Carolina Anastacio Emiliano Sosa Universidad del Turabo Rolando Tremont University of Puerto Rico at Humacao

4. Undcima edicin Qumica Raymond Chang Williams College Kenneth A. Goldsby Florida State University Revisin tcnica Rodolfo lvarez Manzo Departamento de Qumica Orgnica, Facultad de Qumica, UNAM Facultad de Ciencias Qumicas, Universidad La Salle Silvia Ponce Lpez Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Monterrey MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SAO PAULO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TORONTO

5. Director general: Miguel ngel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martnez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodrguez Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Sergio Sarmiento Ortega, Erika Jasso Hernn QUMICA Undcima edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2013, 2010, 2007, 2005, 2002, 1999, 1992, respecto a la sptima edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D. F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN: 978-607-15-0928-4 ISBN (edicin anterior): 978-607-15-0307-7 Traducido de la undcima edicin en ingls de Chemistry de Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby 2013 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN 978-007-340268-0 1234567890 2456789013 Impreso en China Printed in China

6. Acerca de los autores Raymond Chang naci en Hong Kong y creci en Shanghai y Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en qumica en London University, Inglaterra, y su doctorado en qumica en Yale University. Despus de hacer investigacin posdoctoral en la City University, de Nueva York, ingres al Departamento de Qumica de Williams College, donde ha impartido clases desde 1968. El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society Examination Committee, el National Chemistry Olympiad Examination Committe y el Graduate Record Examinations Committee. Es editor de The Chemical Educator. El profesor Chang ha escrito libros sobre fisicoqumica, qumica industrial y ciencia fsica. Tambin ha sido coautor de publicaciones en chino, libros ilustrados para nios y una novela para lectores jvenes. Para relajarse, el profesor Chang mantiene un jardn en el bosque, juega tenis y ping-pong, adems de tocar la armnica y el violn. Ken Goldsby naci y creci en Pensacola, Florida. Obtuvo la licenciatura en qumica y ciencia matemtica en la Rice University. Despus de obtener el doctorado en qumica en University of North Carolina, Chapel Hill, Ken realiz investigacin posdoctoral en la Ohio State University. Desde que ingres al Departamento de Qumica y Bioqumica de Florida State University en 1986, Ken ha recibido diversos premios de enseanza y asesora, incluyendo el Cottrell Family Professorship para la enseanza de la qumica. En 1998, fue electo como profesor distinguido de la Florida State University. Cuando no est trabajando, Ken disfruta pasar el tiempo con su familia, especialmente divirtindose con ellos en la playa.

7. vi 1. Qumica: El estudio del cambio 1 2. tomos, molculas y iones 38 3. Relaciones de masa en las reacciones qumicas 75 4. Reacciones en disolucin acuosa 118 5. Gases 172 6. Termoqumica 230 7. Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 276 8. Relaciones peridicas entre los elementos 328 9. Enlace qumico I: Conceptos bsicos 370 10. Enlace qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 414 11. Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 467 12. Propiedades fsicas de las disoluciones 520 13. Cintica qumica 564 14. Equilibrio qumico 623 15. cidos y bases 668 16. Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 722 17. Entropa, energa libre y equilibrio 778 18. Electroqumica 814 19. Qumica nuclear 864 20. Qumica en la atmsfera 902 21. Metalurgia y la qumica de los metales 932 22. Elementos no metlicos y sus compuestos 958 23. Qumica de los metales de transicin y compuestos de coordinacin 996 24. Qumica orgnica 1027 25. Polmeros orgnicos sintticos y naturales 1060 Apndice 1 Derivacin de los nombres de los elementos 1086 Apndice 2 Unidades para la constante de los gases 1092 Apndice 3 Datos termodinmicos a 1 atm y 25C 1093 Apndice 4 Operaciones matemticas 1098 Contenido breve

8. vii Lista de aplicaciones xxi Lista de animaciones xxii Prefacio xxiii Relevancia de la vida real xxvii Nota para el estudiante xxx Qumica: El estudio del cambio 1 1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi 2 1.2 Estudio de la qumica 2 1.3 El mtodo cientfico 4 QUMICA en accin El helio primigenio y la teora del Big Bang 6 1.4 Clasificacin de la materia 6 1.5 Los tres estados de la materia 9 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 10 1.7 Mediciones 12 QUMICA en accin La importancia de las unidades 17 1.8 Manejo de los nmeros 18 1.9 Anlisis dimensional en la resolucin de problemas 23 1.10 Resolucin de problemas del mundo real: informacin, suposiciones y simplificaciones 27 Ecuaciones clave 28 Resumen de conceptos 29 Trminos bsicos 29 Preguntas y problemas 29 MISTERIO de la qumica La desaparicin de los dinosaurios 36 Contenido

9. viii Contenido tomos, molculas y iones 38 2.1 Teora atmica 39 2.2 Estructura del tomo 40 2.3 Nmero atmico, nmero de masa e istopos 46 2.4 La tabla peridica 48 QUMICA en accin Distribucin de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 49 2.5 Molculas y iones 50 2.6 Frmulas qumicas 52 2.7 Nomenclatura de los compuestos 56 2.8 Introduccin a los compuestos orgnicos 65 Ecuacin clave 67 Resumen de conceptos 67 Trminos bsicos 67 Preguntas y problemas 68 Relaciones de masa en las reacciones qumicas 75 3.1 Masa atmica 76 3.2 Nmero de Avogadro y masa molar de un elemento 77 3.3 Masa molecular 81 3.4 Espectrmetro de masas 84 3.5 Composicin porcentual de los compuestos 85 3.6 Determinacin experimental de frmulas empricas 88 3.7 Reacciones qumicas y ecuaciones qumicas 90 3.8 Cantidades de reactivos y productos 95 3.9 Reactivos limitantes 99 3.10 Rendimiento de reaccin 103 QUMICA en accin Fertilizantes qumicos 105 Ecuaciones clave 106 Resumen de conceptos 106 Trminos bsicos 107 Preguntas y problemas 107

10. Contenido ix ix Reacciones en disolucin acuosa 118 4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 119 4.2 Reacciones de precipitacin 121 QUMICA en accin Una reaccin de precipitacin indeseable 126 4.3 Reacciones cido-base 126 4.4 Reacciones de oxidacin-reduccin 132 QUMICA en accin Alcoholmetro 144 4.5 Concentracin de las disoluciones 145 4.6 Anlisis gravimtrico 149 4.7 Valoraciones cido-base 151 4.8 Valoraciones redox 155 QUMICA en accin Metal proveniente del mar 156 Ecuacin clave 157 Resumen de conceptos 157 Trminos bsicos 158 Preguntas y problemas 158 MISTERIO de la qumica Quin asesin a Napolen? 170 Gases 172 5.1 Sustancias que existen como gases 173 5.2 Presin de un gas 174 5.3 Leyes de los gases 178 5.4 Ecuacin del gas ideal 184 5.5 Estequiometra de los gases 193 5.6 Ley de Dalton de las presiones parciales 195 QUMICA en accin El buceo y las leyes de los gases 200 5.7 Teora cintica molecular de los gases 202 QUMICA en accin tomos superenfriados 208 5.8 Desviacin del comportamiento ideal 210 Ecuaciones clave 213 Resumen de conceptos 214 Trminos bsicos 214 Preguntas y problemas 215 MISTERIO de la qumica Sin oxgeno 228

11. x Contenido Termoqumica 230 6.1 Naturaleza y tipos de energa 231 6.2 Cambios de energa en las reacciones qumicas 232 6.3 Introduccin a la termodinmica 234 QUMICA en accin Fabricar nieve e inar un neumtico de bicicleta 240 6.4 Entalpa de las reacciones qumicas 240 6.5 Calorimetra 246 QUMICA en accin Clulas grasas blancas, clulas grasas marrn y una cura potencial para la obesidad 250 6.6 Entalpa estndar de formacin y de reaccin 254 QUMICA en accin Cmo se deende el escarabajo bombardero 257 6.7 Calor de disolucin y de dilucin 260 Ecuaciones clave 263 Resumen de conceptos 263 Trminos bsicos 263 Preguntas y problemas 264 MISTERIO de la qumica El neumtico explosivo 274 Teora cuntica y la estructura electrnica de los tomos 276 7.1 De la fsica clsica a la teora cuntica 277 7.2 El efecto fotoelctrico 281 7.3 Teora de Bohr del tomo de hidrgeno 284 7.4 La naturaleza dual del electrn 289 QUMICA en accin Lser: la luz esplendorosa 290 7.5 Mecnica cuntica 293 QUMICA en accin Microscopa electrnica 294 7.6 Nmeros cunticos 297 7.7 Orbitales atmicos 299 7.8 Configuracin electrnica 303

12. Contenido xi 7.9 El principio de construccin 310 QUMICA en accin Puntos cunticos 314 Ecuaciones bsicas 315 Resumen de conceptos 316 Trminos bsicos 317 Preguntas y problemas 317 MISTERIO de la qumica Descubrimiento del helio y el surgimiento y la cada del coronio 326 Relaciones peridicas entre los elementos 328 8.1 Desarrollo de la tabla peridica 329 8.2 Clasificacin peridica de los elementos 331 8.3 Variaciones peridicas de las propiedades fsicas 335 8.4 Energa de ionizacin 342 QUMICA en accin El tercer elemento lquido? 343 8.5 Afinidad electrnica 347 8.6 Variacin de las propiedades qumicas de los elementos representativos 349 QUMICA en accin El descubrimiento de los gases nobles 360 Ecuacin bsica 361 Resumen de conceptos 361 Trminos bsicos 362 Preguntas y problemas 362 Enlace qumico I: Conceptos bsicos 370 9.1 Smbolos de puntos de Lewis 371 9.2 Enlace inico 372 9.3 Energa reticular de los compuestos inicos 374 QUMICA en accin Cloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante 378 9.4 Enlace covalente 379 9.5 Electronegatividad 382 9.6 Escritura de las estructuras de Lewis 386 9.7 Carga formal y estructura de Lewis 389

13. xii Contenido 9.8 El concepto de resonancia 392 9.9 Excepciones a la regla del octeto 394 QUMICA en accin Slo diga NO 399 9.10 Entalpa de enlace 400 Ecuacin bsica 405 Resumen de conceptos 405 Trminos bsicos 405 Preguntas y problemas 405 Enlace qumico II: Geometra molecular e hibridacin de orbitales atmicos 414 10.1 Geometra molecular 415 10.2 Momento dipolar 425 QUMICA en accin Los hornos de microondas: el momento dipolar en accin 428 10.3 Teora de enlace-valencia 431 10.4 Hibridacin de orbitales atmicos 433 10.5 Hibridacin en molculas que contienen enlaces dobles y triples 442 10.6 Teora de orbitales moleculares 445 10.7 Configuraciones de orbitales moleculares 448 10.8 Orbitales moleculares deslocalizados 454 QUMICA en accin El buckybaln, un baln cualquiera? 456 Ecuaciones bsicas 458 Resumen de conceptos 458 Trminos bsicos 458 Preguntas y problemas 459 Fuerzas intermoleculares y lquidos y slidos 467 11.1 Teora cintica molecular de lquidos y slidos 468 11.2 Fuerzas intermoleculares 469 11.3 Propiedades de los lquidos 475 11.4 Estructura cristalina 478 QUMICA en accin Por qu los lagos se congelan desde la supercie hacia el fondo? 479 11.5 Difraccin de rayos X de estructuras cristalinas 486 11.6 Tipos de cristales 488

14. Contenido xiii QUMICA en accin Superconductores a altas temperaturas 490 QUMICA en accin Y todo por un botn 494 11.7 Slidos amorfos 494 11.8 Cambios de fase 495 11.9 Diagramas de fases 505 QUMICA en accin Hervir un huevo en la cima de una montaa, las ollas de presin y el patinaje sobre hielo 507 QUMICA en accin Cristales lquidos 508 Ecuaciones bsicas 510 Resumen de conceptos 510 Trminos bsicos 511 Preguntas y problemas 511 Propiedades fsicas de las disoluciones 520 12.1 Tipos de disoluciones 521 12.2 Enfoque molecular del proceso de disolucin 522 12.3 Unidades de concentracin 524 12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 529 12.5 Efecto de la presin en la solubilidad de los gases 531 QUMICA en accin El lago asesino 533 12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrlitos 534 12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrlitos 546 QUMICA en accin Dilisis 548 12.8 Coloides 548 Ecuaciones bsica 551 Resumen de conceptos 551 Trminos bsicos 552 Preguntas y problemas 552 MISTERIO de la qumica El cuchillo equivocado 562

15. xiv Contenido Cintica qumica 564 13.1 La rapidez de una reaccin 565 13.2 La ley de rapidez 573 13.3 Relacin entre la concentracin de reactivos y el tiempo 577 QUMICA en accin Datacin con radiocarbono 588 13.4 Constantes de rapidez y su dependencia de la energa de activacin y de la temperatura 590 13.5 Mecanismos de reaccin 596 13.6 Catlisis 601 QUMICA en accin Farmacocintica 608 Ecuaciones bsicas 610 Resumen de conceptos 610 Trminos bsicos 611 Preguntas y problemas 611 Equilibrio qumico 623 14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 624 14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 627 14.3 Relacin entre cintica qumica y equilibrio qumico 639 14.4 Qu informacin proporciona la constante de equilibrio? 640 14.5 Factores que afectan el equilibrio qumico 646 QUMICA en accin La vida a grandes alturas y la produccin de hemoglobina 653 QUMICA en accin El proceso Haber 654 Ecuaciones bsicas 656 Resumen de conceptos 656 Trminos bsicos 657 Preguntas y problemas 657 cidos y bases 668 15.1 cidos y bases de Brnsted 669 15.2 Propiedades cido-base del agua 670 15.3 El pH: una medida de la acidez 672 15.4 Fuerza de los cidos y las bases 675 15.5 cidos dbiles y la constante de ionizacin de un cido 679 15.6 Bases dbiles y la constante de ionizacin de una base 687 15.7 Relacin entre las constantes de ionizacin de los cidos y sus bases conjugadas 689

16. Contenido xv 15.8 cidos diprticos y poliprticos 690 15.9 Estructura molecular y fuerza de los cidos 694 15.10 Propiedades cido-base de las sales 698 15.11 Propiedades cido-base de los xidos y los hidrxidos 704 15.12 cidos y bases de Lewis 706 QUMICA en accin Anticidos y el balance del pH en el estmago 708 Ecuaciones bsicas 710 Resumen de conceptos 711 Trminos bsicos 711 Preguntas y problemas 711 MISTERIO de la qumica La descomposicin de los papeles 720 Equilibrios cido-base y equilibrios de solubilidad 722 16.1 Comparacin entre los equilibrios homogneo y heterogneo en disolucin 723 16.2 Efecto del ion comn 723 16.3 Disoluciones amortiguadoras 726 16.4 Valoraciones cido-base 732 QUMICA en accin Mantenimiento del pH de la sangre 734 16.5 Indicadores cido-base 741 16.6 Equilibrios de solubilidad 744 16.7 Separacin de iones por precipitacin fraccionada 751 16.8 El efecto del ion comn y la solubilidad 753 16.9 El pH y la solubilidad 755 16.10 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 758 QUMICA en accin Cmo se forma un cascarn de huevo? 762 16.11 Aplicacin del principio del producto de solubilidad al anlisis cualitativo 763 Ecuaciones bsicas 765 Resumen de conceptos 766 Trminos bsicos 766 Preguntas y problemas 766 MISTERIO de la qumica Un duro bocadillo 776

17. xvi Contenido Entropa, energa libre y equilibrio 778 17.1 Las tres leyes de la termodinmica 779 17.2 Procesos espontneos 779 17.3 Entropa 780 17.4 Segunda ley de la termodinmica 785 17.5 Energa libre de Gibbs 791 QUMICA en accin La eciencia de las mquinas trmicas 792 17.6 Energa libre y equilibrio qumico 798 17.7 Termodinmica en los sistemas vivos 802 QUMICA en accin La termodinmica de una liga 803 Ecuaciones bsicas 805 Resumen de conceptos 805 Trminos bsicos 805 Preguntas y problemas 806 Electroqumica 814 18.1 Reacciones redox 815 18.2 Celdas galvnicas 818 18.3 Potenciales estndar de reduccin 820 18.4 Termodinmica de las reacciones redox 826 18.5 Efecto de la concentracin sobre la fem de la celda 829 18.6 Bateras 834 QUMICA en accin Energa bacteriana 839 18.7 Corrosin 840 18.8 Electrlisis 843 QUMICA en accin Molestia producida por las amalgamas dentales 848 Ecuaciones bsicas 850 Resumen de conceptos 850 Trminos bsicos 851 Preguntas y problemas 851 MISTERIO de la qumica Agua sucia 862

18. Contenido xvii Qumica nuclear 864 19.1 Naturaleza de las reacciones nucleares 865 19.2 Estabilidad nuclear 867 19.3 Radiactividad natural 872 19.4 Transmutacin nuclear 876 19.5 Fisin nuclear 879 QUMICA en accin El reactor de sin nuclear de la naturaleza 884 19.6 Fusin nuclear 885 19.7 Aplicaciones de los istopos 888 19.8 Efectos biolgicos de la radiacin 890 QUMICA en accin Irradiacin de los alimentos 892 Ecuaciones bsicas 892 QUMICA en accin Terapia por captura neutrnica de boro 893 Resumen de conceptos 893 Resumen de conceptos 893 Trminos bsicos 894 Preguntas y problemas 894 MISTERIO de la qumica El arte de la falsicacin en el siglo xx 900 Qumica en la atmsfera 902 20.1 Atmsfera terrestre 903 20.2 Fenmenos en las capas externas de la atmsfera 906 20.3 Destruccin del ozono en la estratosfera 908 20.4 Volcanes 913 20.5 Efecto invernadero 914 20.6 Lluvia cida 918 20.7 Esmog fotoqumico 921 20.8 Contaminacin domstica 923 Resumen de conceptos 926 Trminos bsicos 927 Preguntas y problemas 927

19. xviii Contenido Metalurgia y la qumica de los metales 932 21.1 Presencia de los metales 933 21.2 Procesos metalrgicos 934 21.3 Teora de las bandas de conductividad elctrica 941 21.4 Tendencias peridicas de las propiedades metlicas 943 21.5 Metales alcalinos 944 21.6 Metales alcalinotrreos 948 21.7 Aluminio 950 QUMICA en accin Reciclamiento de aluminio 952 Resumen de conceptos 954 Trminos bsicos 954 Preguntas y problemas 954 Elementos no metlicos y sus compuestos 958 22.1 Propiedades generales de los no metales 959 22.2 Hidrgeno 960 QUMICA en accin Hidrgeno metlico 964 22.3 Carbono 965 QUMICA en accin Gas sinttico a partir del carbn 968 22.4 Nitrgeno y fsforo 969 QUMICA en accin Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 976 22.5 Oxgeno y azufre 977 22.6 Halgenos 984 Resumen de conceptos 991 Trminos bsicos 991 Preguntas y problemas 992

20. Contenido xix Qumica de los metales de transicin y compuestos de coordinacin 996 23.1 Propiedades de los metales de transicin 997 23.2 La qumica del hierro y el cobre 1000 23.3 Compuestos de coordinacin 1002 23.4 Estructura de los compuestos de coordinacin 1007 23.5 El enlace en los compuestos de coordinacin: teora de campo cristalino 1011 23.6 Reacciones de los compuestos de coordinacin 1017 QUMICA en accin Compuestos de coordinacin en los sistemas vivos 1018 23.7 Aplicaciones de los compuestos de coordinacin 1018 QUMICA en accin Cisplatino: el medicamento anticancergeno 1020 Ecuacin bsica 1022 Resumen de conceptos 1022 Trminos bsicos 1022 Preguntas y problemas 1023 Qumica orgnica 1027 24.1 Clases de compuestos orgnicos 1028 24.2 Hidrocarburos alifticos 1028 QUMICA en accin El hielo que se quema 1040 24.3 Hidrocarburos aromticos 1041 24.4 Qumica de los grupos funcionales 1044 QUMICA en accin La industria del petrleo 1050 Resumen de conceptos 1052 Trminos bsicos 1053 Preguntas y problemas 1053 MISTERIO de la qumica Desaparicin de huellas digitales 1058

21. xx Contenido Polmeros orgnicos sintticos y naturales 1060 25.1 Propiedades de los polmeros 1061 25.2 Polmeros orgnicos sintticos 1061 25.3 Protenas 1067 QUMICA en accin Anemia falciforme: una enfermedad molecular 1074 25.4 cidos nucleicos 1075 QUMICA en accin Huella digital del ADN 1078 Resumen de conceptos 1079 Trminos bsicos 1079 Preguntas y problemas 1079 MISTERIO de la qumica Una historia que le erizar los cabellos 1084 Apndice 1 Derivacin de los nombres de los elementos 1086 Apndice 2 Unidades para la constante de los gases 1092 Apndice 3 Datos termodinmicos a 1 atm y 25C 1093 Apndice 4 Operaciones matemticas 1098 Glosario 1100 Respuestas a problemas pares R-1 Crditos C-1 ndice analtico I-1

22. xxi Este libro empieza con la frase: La qumica es una ciencia activa y en evolucin que tiene importancia vital para nuestro plantea, tanto en la naturaleza como en la sociedad. A lo largo del libro, las secciones: Qumica en accin y Misterio de la qumica dan ejemplos especficos de esta qumica activa y en evolucin, en todas las facetas de nuestras vidas. Qumica en accin El helio primigenio y la teora del Big Bang 6 La importancia de las unidades 17 Distribucin de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 49 Fertilizantes qumicos 105 Una reaccin de precipitacin indeseable 126 Alcoholmetro 144 Metal proveniente del mar 156 El buceo y las leyes de los gases 200 tomos superenfriados 208 Fabricar nieve e inflar un neumtico de bicicleta 240 Clulas grasas blancas, clulas grasas marrn y una cura potencial para la obesidad 250 Cmo se defiende el escarabajo bombardero 257 Lser: la luz esplendorosa 290 Microscopa electrnica 294 Puntos cunticos 314 El tercer elemento lquido? 343 El descubrimiento de los gases nobles 360 Cloruro de sodio: un compuesto inico comn e importante 378 Slo diga NO 399 Los hornos de microondas: el momento dipolar en accin 428 El buckybaln. un baln cualquiera? 456 Por qu los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 479 Superconductores a altas temperaturas 490 Y todo por un botn 494 Hervir un huevo en la cima de una montaa, las ollas de presin y el patinaje sobre hielo 507 Cristales lquidos 508 El lago asesino 533 Dilisis 548 Datacin con radiocarbono 588 Farmacocintica 608 La vida a grandes alturas y la produccin de hemoglobina 653 El proceso Haber 654 Anticidos y el balance de pH en el estmago 708 Mantenimiento del pH de la sangre 734 Cmo se forma un cascarn de huevo? 762 La eficiencia de las mquinas trmicas 792 La termodinmica de una liga 803 Energa bacteriana 839 Molestia producida por las amalgamas dentales 848 El reactor de fisin nuclear de la naturaleza 884 Irradiacin de los alimentos 892 Terapia por captura neutrnica de boro 893 Reciclamiento de aluminio 952 Hidrgeno metlico 964 Gas sinttico a partir del carbn 968 Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 976 Compuestos de coordinacin en los sistemas vivos 1018 Cisplatino: el medicamento anticancergeno 1020 El hielo que se quema 1040 La industria del petrleo 1050 Anemia falciforme: una enfermedad molecular 1074 Huella digital del ADN 1078 Misterio de la qumica La desaparicin de los dinosaurios 36 Quin asesin a Napolen? 170 Sin oxgeno 228 El neumtico explosivo 274 Descubrimiento del helio y el surgimiento y cada del coronio 326 El cuchillo equivocado 562 La descomposicin de los papeles 720 Un duro bocadillo 776 Agua sucia 862 El arte de la falsificacin en el siglo xx 900 Desaparicin de huellas digitales 1058 Una historia que le erizar los cabellos 1084 Lista de aplicaciones

23. xxii Las animaciones que se enlistan en seguida se correlacionan con el presente libro. Dentro de cada captulo hay conos que permiten al estudiante y al profesor saber que hay disponible una animacin para un tema especfico y que se pueden encontrar en lnea. Animaciones de Qumica de Chang Absorcin de color (23.5) Catlisis (13.6) Celdas galvnicas (18.2) Configuraciones electrnicas (7.8) Desintegracin radiactiva (19.3) Difusin de los gases (5.7) Disolucin de un compuesto inico y un covalente (12.2) Disoluciones amortiguadoras (16.3) Dispersin de partculas a (2.2) Electrlitos fuertes, electrlitos dbiles y no electrlitos (4.1) Empaquetamiento de esferas (11.4) Energa de activacin (13.4) Enlace inico contra covalente (9.4) Enlaces sigma y pi (10.5) Equilibrio dinmico (11.8) Equilibrio qumico (14.1) Espectros de lneas (7.3) Fisin nuclear (19.5) Flujo de calor (6.2) Gota de aceite de Millikan (2.2) Hacer una disolucin (4.5) Hibridacin (10.4) Hidratacin (4.1) Ionizacin de un cido (15.5) Ionizacin de una base (15.6) La ley de los gases (5.3) Obtencin de un gas en agua (5.6) Orientacin de la colisin (13.4) smosis (12.6) Polaridad de molculas (10.2) Preparacin de una disolucin por dilucin (4.5) Presin de vapor de equilibrio (11.8) Principio de Le Chtelier (14.5) Quiralidad (23.4, 24.2) Radio atmico y inico (8.3) Rayos alfa, beta y gamma (2.2) Reacciones de neutralizacin (4.3) Reacciones de oxidacin-reduccin (4.4) Reacciones de precipitacin (4.2) Reactivo limitante (3.9) Resonancia (9.8) RPECV (10.1) Tubo de rayos catdicos (2.2) Valoraciones cido-base (16.4) Ms animaciones de McGraw-Hill Celdas unitarias cbicas y sus orgenes (11.4) Diagrama de fases y los estados de la materia (11.9) Enlace inico y covalente (9.4) Equilibrio dinmico (11.8) Espectros de emisin (7.3) Espectros de lneas atmicas (7.3) Experimento de Rutherford (2.2) Forma molecular e hibridacin orbital (10.4) Formacin de Ag2S por oxidacin-reduccin (4.4) Formacin de compuestos inicos (2.7) Formacin de un enlace covalente (9.4) Generacin de corriente desde una celda voltaica (18.2) Influencia de la forma en la polaridad (10.2) La celda voltaica Cu/Zn (18.2) La disociacin de cidos fuertes y dbiles (15.4) Operacin de celda voltaica (18.2) Produccin de aluminio (21.7) Propiedades de amortiguadores (16.3) Reaccin de Cu con AgNO3 (4.4) Reaccin de magnesio y oxgeno (4.4, 9.2) Teora del RPECV (10.1) Lista de animaciones

24. diatamente despus de terminar con la electroqumica. Adems de reconocer la creciente importancia de la medicina nuclear y el debate actual sobre el papel que jugar la energa nuclear en la resolucin de las necesidades energ- ticas futuras, la ubicacin del tema de energa nuclear antes de la qumica atmosfrica ayuda a comprender la explicacin de la contaminacin con radn. En esta nueva edicin, se han agregado numerosos problemas de final de captulo. Varios de ellos ponen a prueba la capacidad del estudiante para interpretar datos grficos y para explicar conceptos. Se ha agregado un nuevo tipo de problemas llamados Interpretacin, modelacin y estimacin, que estn diseados para ensear a los estudiantes a resolver problemas del mundo real, y exigen el arte de la estimacin basada en suposiciones adecuadas, la bsqueda de la informacin necesaria y la formulacin de un plan para obtener respuestas de estimacin en muchos casos. En la seccin 1.10 se describe este tipo de problemas y se da un ejemplo resuelto. Se han agregado nuevas secciones de Revisin de conceptos a la mayora de los captulos. sta es una prueba rpida de conocimiento para que el estudiante mida su comprensin del concepto recin presentado. Se han aadido nuevos ensayos de Qumica en accin a los captulos 7 (Puntos cunticos), 12 (Dilisis) y 13 (Farmacocintica). Tambin hemos puesto al da los ensayos de Qumica en accin sobre Clulas grasas blancas, clulas grasas marrn y una cura potencial para la obesidad en el captulo 6, Buckybaln y grafeno en el captulo 10 y El sudario de Turn en el captulo 13. Muchos captulos y secciones tienen contenido nuevo y revisado con base en los comentarios de revisores y usua- rios. Algunos ejemplos: Captulo 1. Nueva seccin 1.10 sobre Resolucin de problemas del mundo real: Informacin, suposiciones y simplificaciones, incluyendo el nuevo ejemplo 1.9. Captulo 3. Seccin 3.9, Reactivo limitante, revisada, incluyendo el nuevo ejemplo 3.16 que muestra cmo los qumicos de sntesis a menudo tienen que ajustar los reactivos en exceso para compensar reacciones late- rales. Captulo 4. Nuevo ejemplo 4.4 sobre la escritura de ecuaciones molecular, inica y inica neta en las que partici- pan cidos dbiles diprticos y triprticos. Captulo 6. Tambin es nuevo el cambio del smbolo E por U para energa interna, para estar de acuerdo con el uso aprobado. xxiii D esde la primera edicin, mi propsito fue escribir un texto de qumica general que ofreciera una base firme de conceptos y principios qumicos, y que inculcara en los estudiantes una valoracin del rol vital que desempea la qumica en nuestra vida diaria. Es responsabi- lidad de un autor de libros de texto ayudar a los instructores y a sus estudiantes en su esfuerzo continuo para lograr este objetivo, por ello este libro contiene una amplia gama de temas presentados en secuencia lgica. Siempre que ha sido posible, he tratado de equilibrar la teora y la prctica, as como de ilustrar los principios bsicos con ejemplos de la vida diaria. En esta undcima edicin, como en las anteriores, mi propsito ha sido crear un texto que sea claro al explicar los conceptos abstractos, conciso de modo que no abrume a los lectores con informacin innecesaria y, al mismo tiempo, suficientemente amplio de modo que prepare a los estudiantes para avanzar al siguiente nivel de aprendizaje. La reali- mentacin alentadora que he recibido de instructores y estudiantes me ha convencido de la eficacia de este mtodo. Qu es nuevo en esta edicin? Ken Goldsby, de la Florida State University, se ha asocia- do con Raymond Chang como autor en la undcima edicin de Qumica. La experiencia de Ken en qumica orgnica ha aadido profundidad al contenido y a los problemas, y su amplio trabajo con estudiantes de licenciatura, tanto en el aula como en el laboratorio, refuerza la larga tradicin de Raymond de entendimiento y respeto de la perspectiva del estudiante sobre el material, as como la del profesor. Nueva organizacin de los captulos en la parte final del texto, como sigue: Captulo 17: Entropa, energa libre y equilibrio Captulo 18: Electroqumica Captulo 19: Qumica nuclear Captulo 20: Qumica en la atmsfera Captulo 21: Metalurgia y la qumica de los metales Captulo 22: Elementos no metlicos y sus compuestos Captulo 23: Qumica de los metales de transicin y compuestos de coordinacin Captulo 24: Qumica orgnica Captulo 25: Polmeros orgnicos sintticos y naturales La reorganizacin de estos captulos permite a quie- nes ensean qumica nuclear introducir este material inme- Prefacio

25. xxiv Prefacio Visualizacin Las grficas y los diagramas de flujo son importantes en ciencia. En Qumica, los diagramas de flujo muestran el proceso mental de un concepto, y las grficas presentan datos para comprender el concepto. Un nmero importante de problemas y revisiones de conceptos, incluyendo muchos nuevos de esta edicin, incluyen datos grficos. La representacin molecular aparece en varios for- matos y tiene diferentes funciones. Los modelos moleculares ayudan a visualizar la disposicin tridimensional de los tomos en una molcula. Los mapas de potencial electros- ttico ilustran la distribucin de densidad electrnica en las molculas. Finalmente estn las ilustraciones que relacionan lo macroscpico con lo microscpico, para ayudar a los estudiantes a comprender los procesos a nivel molecular. Las fotografas se usan para ayudar a los estudiantes a familiarizarse con los productos qumicos y a entender cmo se ven las reacciones qumicas en la realidad. Las imgenes de aparatos permiten al estudiante visualizar la distribucin real en un laboratorio de qumica. Ayudas para el estudio Ambientacin Cada captulo comienza con un Sumario y con un Avan- ce del captulo. El Sumario permite al estudiante captar rpidamente el panorama completo y enfocarse en las ideas principales del captulo. El Avance del captulo ofrece al estudiante una sntesis de los conceptos que se presentarn en el captulo. Herramientas didcticas En Qumica abundan las ayudas tiles para el estudio, y se deben usar constantemente para reforzar la comprensin de los conceptos qumicos. Las notas al margen se usan para dar sugerencias y retro- alimentacin con el fin de enriquecer la base cognitiva del estudiante. Los ejemplos resueltos, junto con el Ejercicio de prctica correspondiente, son herramientas muy importantes para aprender y dominar la qumica. Los pasos de la resolucin de problemas guan al estudiante a travs del pensamiento crtico necesario para dominar esta materia. El uso de esquemas ayuda al estudiante a estudiar la estructura interna de un problema (vea el ejemplo 6.1 en la pgina 238). La nota al margen en- lista problemas similares que se incluyen en la seccin de problemas de final de captulo, lo que permite al estudiante aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del mismo tipo. Las respuestas a los Ejercicios de prc- Captulo 7. Nuevo ejemplo 7.6 sobre mecnica cuntica. Captulo 9. El ejemplo 9.11 proporciona discernimiento para dibujar estructuras de Lewis en compuestos que contienen elementos en el tercer periodo y ms all, y se refiere a la controversia respecto al dibujo de estas estructuras. Captulo 13. Nueva seccin sobre reacciones de seu- doprimer orden. Captulo 19. Cobertura ampliada y puesta al da de la aplicacin mdica de la datacin mediante carbono 14, y nuevo contenido sobre la isla de estabilidad. Resolucin de problemas El desarrollo de habilidades para la resolucin de problemas ha sido siempre un objetivo principal de este texto. A continuacin se muestran las dos principales categoras de aprendizaje. Los ejemplos resueltos siguen una probada estructura de estrategia y resolucin paso a paso. El planteamiento del problema es la mencin de los datos necesarios para resolver el problema con base en la pregunta que se hace. La estrategia es un plan o mtodo cuidadosamente ideado que sirve como una importante funcin de aprendizaje. La solucin es el proceso paso a paso para resolver un problema. La verificacin permite al estudiante comparar y verificar con la informacin original para asegurarse de que la respuesta sea razonable. El ejercicio de prctica brinda la oportunidad de resolver un problema similar con objeto de adquirir experiencia en este tipo de problemas. Las notas al margen enlistan problemas similares adicionales para trabajar con ellos en la seccin de problemas de final de captulo. Los problemas de fin de captulo estn organizados de varias maneras. Cada seccin, comprendida debajo de un encabezado temtico, comienza con Preguntas de repaso y contina con Problemas. La seccin de Problemas adicionales ofrece problemas adicionales que no estn organizados por seccin, seguidos por un nuevo tipo de problemas llamado: Interpretacin, modelacin y estimacin. Muchos de los ejemplos y de los problemas de final de captulo presentan probaditas extra de conocimiento y capacitan al estudiante para resolver un problema qumico como lo hara un profesional. Los ejemplos y los problemas muestran a los estudiantes el mundo real de la qumica y sus aplicaciones en situaciones de la vida diaria.

26. Prefacio xxv En cada captulo aparecen los recuadros: Qumica en accin, cada uno sobre diversos temas y con su propia historia de cmo puede la qumica afectar una parte de la vida. El estudiante aprender sobre la ciencia del buceo y la medicina nuclear, entre otros muchos casos interesantes. La seccin: Misterio de la qumica presenta al estudiante un caso de misterio. Una serie de preguntas qumicas da pistas sobre cmo se podra resolver el misterio. Esta seccin fomentar un alto nivel de pensamiento crtico gracias a los pasos bsicos para la resolucin de problemas desarrollados a lo largo del texto. Agradecimientos Nos gustara agradecer a los siguientes revisores y partici- pantes en simposios, cuyos comentarios fueron de gran ayuda para nosotros al preparar esta edicin: William K. Adeniyi North Carolina Agricultural and Technical State University Rachel J. Allenbaugh Murray State University Yiyan Bai Houston Community College Mufeed M. Basti North Carolina Agricultural and Technical State University Shuhsien Batamo Houston Community College Ilan Benjamin University of CaliforniaSanta Cruz John Blaha Columbus State Community College Stuart Burris Western Kentucky University Tabitha Ruvarashe Chigwada West Virginia University Guy Dadson Fullerton College Jay Deiner New York City College of Technology Jerome Delhommelle University of North Dakota Fredesvinda Dura New York City College of Technology Jahangir Emrani North Carolina Agricultural and Technical State University Theodore Fickel Los Angeles Valley College Sheree J. Finley Alabama State University Jason F. Fuller Eastern Kentucky University Eric Goll Brookdale Community College Byron Howell Tyler Junior College Mark D. Kernen University of TennesseeMartin Edith Kippenhan University of Toledo James F. Kirby Quinnipiac University Evguenii Kozliak University of North Dakota Michael Langoh, Tarrant County College Estelle Lebea, Central Michigan University Joan Lebsack Fullerton College Douglas P. Linder Southwestern Oklahoma State University Karen Lou Union College tica se presentan despus de los problemas al final de captulo. La revisin de conceptos permite a los estudiantes evaluar si han comprendido el concepto presentado en cada seccin. Las ecuaciones bsicas se presentan dentro de cada captulo y se resaltan para captar la atencin del estudiante hacia el material que necesita entender y retener. Las ecuaciones bsicas se incluyen tambin como parte del resumen del captulo y son fcilmente identificables para facilitar el repaso y el estudio. El resumen de conceptos ofrece un repaso rpido de los conceptos presentados y analizados a detalle dentro del captulo. Las listas de trminos bsicos, con todos los conceptos importantes, ayudan al estudiante a entender el lengua- je de la qumica. Ponga a prueba su conocimiento La revisin de conceptos permite a los estudiantes hacer una pausa y poner a prueba su comprensin del concepto presentado y analizado en determinada seccin. Las preguntas y problemas permiten al estudiante poner en prctica el pensamiento crtico y las habilidades para la resolucin de problemas. Los problemas se divi- den en varios tipos: Por seccin del captulo. Las Preguntas de repaso ponen a prueba la comprensin conceptual bsica, seguidas por los Problemas, que sirven para probar la habilidad del estudiante para la resolucin de problemas pertene- cientes a esa seccin especfica del captulo. Los Problemas adicionales apelan al conocimiento adquirido en las diversas secciones y captulos previos para su resolucin. Los Problemas de interpretacin, modelacin y estimacin ensean a los estudiantes el arte de formular modelos y de estimar respuestas de aproximacin basadas en suposiciones adecuadas. Relevancia prctica En todo el texto se usan ejemplos interesantes de las diferentes aplicaciones de la qumica en la vida cotidiana. Cuando es oportuno, se emplean analogas para fomentar la comprensin de conceptos qumicos abstractos. Las preguntas y problemas plantean muchos cuestiona- mientos pertinentes para el estudiante. Algunos ejemplos: Por qu los entrenadores de natacin a veces vierten una gota de alcohol en el odo del nadador para sacarle el agua? Cmo se puede estimar la presin en una envase de refresco carbonatado antes de destaparlo?

27. xxvi Prefacio obra maestra como autora de sugerencias y retroalimenta- cin para enriquecer todos los problemas de tareas del sistema. Las siguientes personas ayudaron a escribir y revisar el contenido didctico orientado a metas para LearnSmart for General Chemistry: Margaret Ruth Leslie, Kent State University; David G. Jones, North Carolina Central University; Erin Whitteck; Margaret Asirvatham, University of ColoradoBoulder; Alexander J. Seed, Kent State University; Benjamin Martin, Texas State UniversitySan Marcos; Claire Cohen, University of Toledo; Manoj Patil, Western Iowa Tech Community College; Adam I. Keller, Columbus State Community College; Peter de Lijser, California State UniversityFullerton; Lisa Smith, North Hennepin Community College. Han sido de gran beneficio las discusiones con nues- tros colegas de Williams College y Florida State University, y la correspondencia con muchos instructores dentro y fue- ra del pas. Es un placer reconocer el apoyo que nos han brindado los siguientes miembros de la Divisin Universitaria de McGraw-Hill: Tammy Ben, Annette Doerr, Kara Kudronowicz, Marty Lange, Thomas Timp, Scott Stewart y Kurt Strand. En particular, nos gustara mencionar a Sandy Wille por supervisar la produccin, David Hash por el diseo del libro, John Leland por la investigacin icono- grfica, Judi David por los medios de comunicacin y Tami Hodge, gerente de comercializacin, por sus sugerencias y su estmulo. Tambin agradecemos a nuestro editor sponsor, Jeff Huettmann y al editor, Ryan Blankenship, por sus consejos y su apoyo. Finalmente, nuestro especial agrade- cimiento a Shirley Oberbroeckling, editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasmo por el proyecto y su supervi- sin en cada etapa de la escritura de esta edicin. Raymond Chang y Ken Goldsby Mary K. Lovato J. Sargeant Reynolds Community College Yin Mao Camden County College Angela McGuirk Central Michigan University Dennis McMinn Gonzaga University Jeremy T. Mitchell-Koch Emporia State University Svetlana Mitrovski Eastern Illinois University David Nachman Mesa Community College Elijah Nyairo Alabama State University Manoj Patil Western Iowa Tech Community College Les L. Pesterfield Western Kentucky University Karla Radke North Dakota State University Michael E. Rennekamp Columbus State Community College Arun Royappa University of West Florida Diana Samaroo New York City College of Technology Mark Schraf West Virginia University Rhodora Snow J. Sargeant Reynolds Community College David Son Southern Methodist University Lothar Stahl University of North Dakota Jeffrey Temple Southeastern Louisiana University Kristofoland Varazo Francis Marion University Cheryl B. Vaughn Columbus State Community College Anthony Wren Butte College Wei Zhou Southern Polytechnic State University Asimismo, Connect se enriqueci mucho por los esfuerzos de Yasmin Patell, de la Kansas State University; MaryKay Orgill de la University of Nevada, en Las Vegas; Mirela Krichten, de The College of New Jersey, quien hizo una

28. xxvii Relevancia de la vida real A lo largo del libro se emplean ejemplos interesantes sobre cmo la qumica se aplica en la vida cotidiana. Asimismo se usan analogas, donde es conveniente, para reforzar la comprensin de conceptos qumicos abstractos. Los recuadros titulados Qumica en accin aparecen en cada captulo, con diversos temas, y cuentan historias de cmo la qumica puede afectar algn aspecto de la vida. El estudiante puede aprender acerca de la ciencia del buceo y de medicina nuclear, entre muchos otros fasci- nantes temas. El misterio de la qumica son, como su nombre lo indica, casos de misterios para el estudiante. Mediante una serie de preguntas de qumica se van dando pistas para resolver el misterio. Estos recuadros promueven un nivel superior de pensamiento crtico mediante el empleo de los pasos bsicos de resolucin de problemas que se usan a lo largo del texto. Visualizacin Grficas y Arte molecular tablas de flujo La piedra caliza (CaCO3) y la dolomita (CaCO3 MgCO3), dispersas en la superficie de la Tierra, con frecuencia ingre- san en los mantos acuferos. De acuerdo con la tabla 4.2, el carbonato de calcio es insoluble en agua. No obstante, en presencia del dixido de carbono disuelto (de la atmsfera), el carbonato de calcio se convierte en bicarbonato de calcio soluble [Ca(HCO3)2]: donde HCO3 2 es el ion bicarbonato. El agua que contiene iones Ca21 , Mg21 , o ambos, se cono- ce como agua dura, y el agua que carece de estos iones se denomina agua blanda. El agua dura no es adecuada para usos domsticos ni industriales. Cuando el agua que contiene iones de Ca21 y HCO3 2 se calienta o se lleva a ebullicin, la reaccin de disolucin se invierte para producir el precipitado CaCO3 y se libera dixido de carbono gaseoso: El carbonato de calcio slido que se forma de esta manera es el principal componente de los depsitos que se acumulan en los calentadores de agua, tuberas y cafeteras. Una delgada capa de depsito reduce la transferencia de calor y la eficacia y durabili- dad de los calentadores de agua, tuberas y aparatos. En las Una reaccin de precipitacin indeseable tuberas domsticas de agua caliente el flujo del agua se puede restringir o bloquear por completo. Un mtodo sencillo que los plomeros utilizan para remover estos depsitos es agregar una pequea cantidad de cido clorhdrico, el cual reacciona con el CaCO3 (y por lo tanto disuelve): De esta forma, CaCO3 se convierte en CaCl2 soluble. QUMICA en accin Los depsitos de los calentadores casi obstruyen por completo esta tubera de agua caliente. Estos depsitos estn compuestos en su mayor parte por CaCO3 y un poco de MgCO3. CaCO3(s) 1 CO2(ac) 1 H2O(l) Ca21 (ac) 1 2HCO2 3 (ac) Ca21 (ac) 1 2HCO2 3 (ac) CaCO3(s) 1 CO2(ac) 1 H2O(l) CO2(ac) CO2(g) CaCO3(s) 1 2HCl(ac) CaCl2(ac) 1 H2O(l) 1 CO2(g) PV RT 0 P (atm) 1 2001 000800600400200 2.0 1.0 Gas ideal NH3 H2 CH4 Antes del inicio de la reaccin Despus que se ha completado la reaccin H2 CH3OHCO Relevancia de la vida real

29. xxviii Relevancia de la vida real Herramientas para el estudio Ecuaciones clave: material para recordar Resumen de conceptos: repaso rpido a los trminos relevantes Trminos bsicos: conceptos importantes de aprender Ecuacin clave Nmero de masa 5 nmero de protones 1 nmero de neutrones 5 nmero atmico 1 nmero de neutrones (2.1) cido, p. 62 Altropo, p. 52 Anin, p. 51 tomo, p. 40 Base, p. 64 Catin, p. 51 Compuesto binario, p. 56 Compuesto inico, p. 51 Compuesto orgnico, p. 56 Compuesto ternario, p. 57 Compuestos inorgnicos, p. 56 Electrn, p. 41 Familias, p. 48 Frmula emprica, p. 53 Frmula estructural, p. 53 Frmula molecular, p. 52 Frmula qumica, p. 52 Gases nobles, p. 50 Grupos, p. 48 Halgenos, p. 50 Hidrato, p. 64 Ion, p. 50 Ion monoatmico, p. 51 Ion poliatmico, p. 51 Istopo, p. 46 Ley de la conservacin de la masa, p. 40 Ley de las proporciones definidas, p. 40 Ley de las proporciones mltiples, p. 40 Metal, p. 48 Metales alcalinos, p. 50 Metales alcalinotrreos, p. 50 Metaloide, p. 48 Molcula, p. 50 Molcula diatmica, p. 50 Molcula poliatmica, p. 50 Neutrn, p. 45 No metal, p. 48 Ncleo, p. 44 Nmero atmico (Z), p. 46 Nmero de masa (A), p. 46 Oxicido, p. 62 Oxianin, p. 63 Partculas alfa (a), p. 43 Partculas beta (b), p. 43 Periodos, p. 48 Protn, p. 44 Radiacin, p. 41 Radiactividad, p. 43 Rayos alfa (a), p. 43 Rayos beta (b), p. 43 Rayos gamma (g), p. 43 Tabla peridica, p. 48 Trminos bsicos 1. La qumica moderna empez con la teora atmica de Dalton, que establece que toda la materia est compuesta por partculas pequeas e indivisibles llamadas tomos; que todos los tomos del mismo elemento son idnti- cos; que los compuestos contienen tomos de diferentes elementos combinados en proporcin de nmeros enteros, y que los tomos no se crean ni se destruyen durante las reacciones qumicas (ley de la conservacin de la masa). 2. Los tomos de los elementos que constituyen un compues- to en particular siempre se combinan en la misma proporcin en masa (ley de las proporciones definidas). Cuando dos elementos se combinan para formar ms de un compuesto, la masa del elemento que se combina con una cantidad fija de masa del otro elemento siempre es una relacin de nmeros enteros pequeos (ley de las proporciones mltiples). 3. Un tomo est constituido por un ncleo central muy den- so, que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del ncleo a una distancia relativa- mente grande. 4. Los protones estn cargados positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones estn cargados negativa- mente. Los protones y neutrones tienen casi la misma masa, que es alrededor de 1 840 veces mayor que la masa de un electrn. 5. El nmero atmico de un elemento es el nmero de protones presentes en el ncleo de un tomo de ese elemento, y determina su identidad. El nmero de masa es la suma del nmero de protones y de neutrones presentes en el ncleo. 6. Los istopos son tomos de un mismo elemento, con el mismo nmero de protones pero diferente nmero de neutrones. 7. Las frmulas qumicas combinan los smbolos de los elementos que las forman, con nmeros enteros como subn- dices para indicar el tipo y nmero de tomos contenidos en la unidad ms pequea de un compuesto. 8. La frmula molecular indica el nmero y tipo especfico de tomos combinados en cada molcula de un compuesto. La frmula emprica muestra la relacin ms sencilla de los tomos que forman una molcula. 9. Los compuestos qumicos pueden ser compuestos moleculares (en los que la unidad ms pequea son molculas individuales discretas), o bien compuestos inicos, consti- tuidos por cationes y aniones. 10. Los nombres de muchos compuestos inorgnicos se dedu- cen a partir de algunas reglas sencillas. Las frmulas se pueden escribir a partir de los nombres de los compuestos. 11. Los compuestos orgnicos contienen carbono y elementos como hidrgeno, oxgeno y nitrgeno. Los hidrocarburos son el tipo ms sencillo de compuestos orgnicos. Resumen de conceptos Sistema de aprendizaje de Chang Repase el contenido con esta rpida prueba de conocimientos. a) b) c) d) Revisin de conceptos El diagrama en a) muestra un compuesto integrado por tomos de dos elementos (representados por las esferas rojas y verdes) en estado lquido. Cul de los diagramas en b) a d) representa un cambio fsico y cul un cambio qumico?

30. Relevancia de la vida real xxix Ejemplo 4.3 Clasifique cada una de las siguientes especies como un cido o una base de Brnsted: a) HBr, b) NO2 2, c) HCO3 2 . Estrategia Qu caracteriza a un cido de Brnsted? Contiene al menos un tomo de H? Salvo el amoniaco, la mayora de las bases de Brnsted que usted encontrar hasta esta etapa son aniones. Solucin a) Sabemos que HCl es un cido. Debido a que tanto el Br como el Cl son halgenos (grupo 7A), esperamos que el HBr, al igual que el HCl, se ionicen en agua como sigue: Por lo tanto, HBr es un cido de Brnsted. b) El ion nitrito en disolucin puede aceptar un protn para formar cido nitroso: Esta propiedad hace al NO2 2 una base de Brnsted. c) El ion bicarbonato es un cido de Brnsted porque se ioniza en disolucin de la siguiente manera: Tambin es una base de Brnsted porque puede aceptar un protn para formar cido carbnico: Comentario Se dice que la especie HCO2 3 es un anftero porque posee ambas propiedades, cidas y bsicas. La doble flecha indica que ambas reacciones son reversibles. Ejercicio de prctica Clasifique cada una de las siguientes especies como un cido o una base de Brnsted: a) SO4 22 , b) HI. HBr(ac) H1 (ac) 1 Br2 (ac) NO2 2 (ac) 1 H1 (ac) HNO2(ac) HCO2 3 (ac) H1 (ac) 1 CO22 3 (ac) HCO2 3 (ac) 1 H1 (ac) H2CO3(ac) Aprenda el proceso de resolucin de problemas y compruebe sus resultados. Utilice el enfoque de resolucin de problemas en aquellos ejemplos que son de la vida real. Son una novedad en esta undcima edicin de Qumica los problemas de Interpretacin, modelacin y estimacin, que proveen al estudiante la oportunidad de resolverlos como un qumico. 4.171 Los suministros pblicos de agua a menudo se fluo- ran mediante la adicin de compuestos como NaF, H2SiF6 y Na2SiF6. Est bien establecido que el fluoruro ayuda a evitar la caries dental, sin embargo, se debe tener cuidado de no exceder el lmite seguro de fluoruro, que puede manchar o rayar el esmalte dental (fluo- rosis dental). Generalmente se considera que la concentracin segura y eficaz de fluoruro en el agua potable es alrededor de 1 mg/L. Cunto fluoruro con- sumira una persona bebiendo agua fluorurada en un ao? Cul sera la masa equivalente como fluoruro de sodio?

31. xxx L a qumica general suele considerarse como una materia ms difcil que las dems. En cierto sentido esto es justificable por una razn: la qumica tiene un vocabulario muy especializado. En primer lugar, estudiar qumica es como aprender un nuevo idioma. Adems, algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es per- severante completar este curso exitosamente y hasta es posible que lo disfrute. Aqu se presentan algunas sugerencias que lo ayudarn a formar buenos hbitos de estudio y a dominar el material de este libro. Asista regularmente a clases y tome apuntes detallados. Si es posible, repase a diario los apuntes de los temas que se cubrieron ese da en clase. Utilice su libro para complementar sus notas. Use el pensamiento crtico. Pregntese si realmente comprendi el significado de un trmino o el uso de una ecuacin. Una buena forma de probar lo que ha apren- dido es explicar un concepto a un compaero de clases o a otra persona. No dude en pedir ayuda al maestro o a su asistente. Las herramientas para la undcima edicin de Qumica estn diseadas para permitirle aprovechar mejor su curso de qumica general. La siguiente gua explica cmo obtener el mayor provecho del texto, la tecnologa y otras herramientas. Antes de ahondar en el captulo, lea el sumario y la introduccin del captulo para darse una idea de los temas importantes. Utilice el sumario para organizar sus apuntes en clase. Al final de cada captulo encontrar un resumen de conceptos, ecuaciones bsicas y una lista de trminos bsicos, todo lo cual le servir como un repaso para los exmenes. Las definiciones de las palabras clave se pueden estudiar en su contexto en las pginas indicadas en la lista al final de captulo o en el glosario al final del libro. Un estudio detallado de los ejemplos solucionados en el cuerpo de cada captulo mejorar su capacidad para ana- lizar problemas y hacer los clculos necesarios para resolverlos. Tambin, tmese el tiempo para resolver el ejercicio de prctica que sigue a cada ejemplo y asegurarse de que ha entendido cmo resolver el tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios de prctica aparecen al final de cada captulo, despus de la lista de problemas. Como prctica adicional, puede recurrir a problemas similares como los que aparecen al margen del ejemplo. Las preguntas y problemas al final del captulo estn organizados por secciones. En las pginas finales del libro encontrar una lista de figuras y tablas con referencias de pginas. En este ndice podr encontrar rpidamente informacin cuando est resolviendo problemas o estudiando temas relacio- nados en diferentes captulos. Si sigue estas sugerencias y cumple asiduamente con sus tareas, encontrar que la qumica es una materia desa- fiante, pero menos difcil y mucho ms interesante de lo que esperaba. Raymond Chang y Ken Grosby Nota para el estudiante

32. Al aplicar campos elctricos para empujar las molculas de ADN a travs de poros creados en grafeno, los cientficos han desarrollado una tcnica, que algn da se usar, para el secuenciamiento rpido de cuatro bases qumicas de acuerdo con sus propiedades elctricas nicas. Qumica El estudio del cambio Avance del captulo Este captulo inicia con una breve introduccin al estudio de la qumica y su funcin dentro de la sociedad moderna. (1.1 y 1.2) A continuacin conoceremos las bases del mtodo cientfico, que es una metodolo- ga sistemtica para la investigacin en todas las disciplinas cientficas. (1.3) Definiremos el concepto de materia y observaremos que una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Distinguiremos entre una mezcla homognea y una heterognea. Aprenderemos que, en principio, toda la materia puede existir en cualquiera de tres estados: slido, lquido o gaseoso. (1.4 y 1.5) Para caracterizar una sustancia necesitamos conocer sus propiedades fsicas, las cua- les son observables sin que sus propiedades qumicas e identidad sufran cambio alguno, lo que slo puede demostrarse mediante cambios qumicos. (1.6) Debido a que se trata de una ciencia experimental, la qumica involucra el uso de las mediciones. Conoceremos las unidades bsicas del Sistema Internacional de Medidas (SI) y emplearemos sus unidades derivadas en cantidades como el volumen y la densidad. Tambin estudiaremos las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. (1.7) Con frecuencia, los clculos qumicos implican el uso de cantidades muy pequeas o muy grandes, y una manera conveniente para tratar con algunas de estas cifras es la notacin cientfica. En los clculos o mediciones cada cantidad debe presentar el nmero adecuado de cifras significativas, las que corresponden a dgitos importantes. (1.8) Por ltimo, entenderemos la utilidad del anlisis dimensional para los clculos qumicos. Al considerar las unidades a lo largo de la secuencia completa de clculos, todas las unidades se cancelarn, a excepcin de aquella que se busca. (1.9) La resolucin de problemas del mundo real frecuentemente significa hacer suposiciones y simplificaciones. (1.10) Sumario 1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi 1.2 Estudio de la qumica 1.3 El mtodo cientfico 1.4 Clasificacin de la materia 1.5 Los tres estados de la materia 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 1.7 Mediciones 1.8 Manejo de los nmeros 1.9 Anlisis dimensional en la resolucin de problemas 1.10 Resolucin de problemas del mundo real: informacin, suposiciones y simplificaciones

33. 2 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio El ideograma chino para el trmino qumica signica el estudio del cambio. La qumica es una ciencia activa y en evolucin que tiene importancia vital en nuestro planeta, tanto en la naturaleza como en la sociedad. Aunque sus races son antiguas, la qumica es en todos sentidos una ciencia moderna, como veremos ms adelante. Iniciaremos el estudio de la qumica en el nivel macroscpico, donde es posible observar y medir los materiales que forman nuestro mundo. En este captulo analizaremos el mtodo cientfico, que es la base para la investigacin no slo en qumica, sino tambin en las dems ciencias. Luego, descubriremos la forma en que los cientficos definen y caracterizan la materia. Por ltimo, dedica- remos tiempo al aprendizaje del manejo de los resultados numricos de las mediciones qumicas y a la resolucin de problemas numricos. En el captulo 2 iniciaremos la exploracin del mundo microscpico de tomos y molculas. 1.1 Qumica: una ciencia para el siglo xxi La qumica es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos bsicos de qumica son indispensables para los estudiantes de biologa, fsica, geologa, ecologa y muchas otras disciplinas. De hecho, la qumica es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sera ms breve en lo que llamaremos condiciones primitivas: sin automviles, sin electricidad, sin computadoras, ni discos compactos y muchas otras como- didades. Aunque la qumica es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo xix, cuando los adelantos intelectuales y tecnolgicos permitieron que los cientficos separaran sustancias en sus componentes y, por lo tanto, explicaran muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El desarrollo acelerado de tecnologa cada vez ms refinada durante el siglo xx nos ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es inapreciable a simple vista. El uso de computadoras y microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los qumicos analicen la estructura de los tomos y las molculas (unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la qumica), y diseen nuevas sustancias con propiedades especficas, como frmacos y productos de consumo no contaminantes. En este principio del siglo xxi conviene preguntarnos qu funcin tendr la ciencia central en esta centuria. Es casi indudable que la qumica mantendr una funcin deter- minante en todas las reas de la ciencia y la tecnologa. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformacin, consideremos algunas fronteras que los qumicos exploran actualmente (figura 1.1). Sin importar las razones por las que tome un curso de introduccin a la qumica, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitir apre- ciar sus efectos en la sociedad y en usted. 1.2 Estudio de la qumica En comparacin con otras disciplinas, es comn la idea de que la qumica es ms difcil, al menos en el nivel bsico. Dicha percepcin se justifica hasta cierto punto, por ejemplo, es una disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo, si ste es el primer curso de qumica que toma usted, ya est familiarizado con el tema mucho ms de lo que supone. En las conversaciones cotidianas escuchamos palabras relacionadas con la qumica, si bien no necesariamente usadas en el sentido cientficamente correcto. Ejemplo de ello son trminos como electrnica, salto cuntico, equilibrio, catalizador, reaccin en cadena y masa crtica. Adems, si usted cocina, entonces es un qumico en accin! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua en la estufa llega un momento en que se evapora por completo. Tambin aplica los principios de la qumica y la fsica cuando usa el bicarbonato de sodio en la elaboracin de pan; una olla a presin para abreviar el tiempo de preparacin de guisos, aade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limn sobre rebana-

34. 1.2 Estudio de la qumica 3 das de pera para evitar que se tornen oscuras o sobre el pescado para minimizar su olor, o agrega vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los das observamos esos cambios sin pensar en su naturaleza qumica. El propsito de este curso es hacer que usted piense como qumico, que vea el mundo macroscpico, lo que podemos ver y tocar directamente, y visualice las partculas y fenmenos del mundo microscpico que no podemos expe- rimentar sin la tecnologa moderna y nuestra imaginacin. Al principio es factible que le confunda que su profesor de qumica y este libro alter- nen de manera continua entre los mundos microscpico y macroscpico. Simplemente debe tener presente que los datos de las investigaciones qumicas provienen de observaciones de fenmenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en el mundo microscpico invisible e imaginario de tomos y molculas. En otras palabras, los qumicos con frecuencia ven algo (en el mundo macroscpico) y piensan en algo ms (en el mundo microscpico). Por ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un qumico pensara en las propiedades bsicas de los tomos individuales de hierro y la forma en que interaccionan dichas unidades con otros tomos y molculas para producir el cambio observado. Figura 1.1 a) Salida de datos de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada lnea muestra una secuencia (indicada por colores distintos) obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas fotovoltaicas. c) Fabricacin de oblea de silicio. d) La hoja de la izquierda se tom de una planta de tabaco no sometida a ingeniera gentica y expuesta a la accin del gusano del tabaco. La hoja de la derecha s fue sometida a ingeniera gentica y apenas la atacaron los gusanos. Es posible aplicar la misma tcnica para proteger las hojas de otras clases de plantas. a) b) c) d)

35. 4 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio 1.3 El mtodo cientfico Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de lo que se denomina mtodo cientfico, que es un enfoque sistemtico para la investigacin. Por ejemplo, un psiclogo, que pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender qumica, y un qumico, interesado en medir el calor liberado por la combustin del hidrgeno gaseoso en presencia de aire, utilizaran aproximadamente el mismo proce- dimiento en sus investigaciones. El primer paso consiste en definir de manera minuciosa el problema. El siguiente es realizar experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la informacin, o datos, concernientes al sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En los ejemplos anteriores los sistemas son el grupo de personas que estudia el psiclogo y una mezcla de hidrgeno y aire, respectivamente.) Los datos obtenidos en una investigacin pueden ser cualitativos, o sea, consistentes en observaciones generales acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los nmeros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los qumicos usan smbolos y ecuaciones estandarizados en el registro de sus mediciones y observaciones. Esta forma de representacin no slo simplifica el proceso de registro, sino que tambin constituye una base comn para la comunicacin con otros qumicos. Una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el paso siguiente del mtodo cientfico es la interpretacin, en la que el cientfico intenta explicar el fenmeno observado. Con base en los datos recopilados, el investigador formula una hiptesis, que es una explicacin tentativa de un conjunto de observaciones. Luego, se disean experimentos adicionales para verificar la validez de la hiptesis en tantas formas como sea posible y el proceso se inicia de nuevo. En la figura 1.3 se resumen los pasos principales del proceso de investigacin. Despus de recopilar un gran volumen de datos, a menudo es aconsejable resumir la informacin de manera concisa, como una ley. En la ciencia, una ley es un enunciado conciso, verbal o matemtico, de una relacin entre fenmenos que es siempre la misma bajo iguales condiciones. Por ejemplo, la segunda ley del movimiento de sir Isaac Newton, que tal vez recuerde de sus cursos de fsica, afirma que la fuerza es igual a la masa por la aceleracin (F = ma). El significado de esta ley es que el aumento en la masa o en la 88n Fe Fe2O3 O2 Figura 1.2 Vista molecular simplicada de la formacin de la herrumbre (Fe2O3) a partir de tomos de hierro (Fe) y molculas de oxgeno (O2). En realidad, el proceso requiere agua y la herrumbre tambin contiene molculas de agua.

36. 1.3 El mtodo cientfico 5 aceleracin de un objeto siempre incrementa en forma proporcional su fuerza, en tanto que una disminucin en la masa o en la aceleracin invariablemente reduce su fuerza. Las hiptesis que resisten muchas pruebas experimentales de su validez pueden con- vertirse en teoras. Una teora es un principio unificador que explica un conjunto de hechos o las leyes basadas en esos hechos. Las teoras tambin son sometidas a valoracin constante. Si una teora es refutada en un experimento se debe desechar o modificar para hacerla compatible con las observaciones experimentales. Aprobar o descartar una teora puede tardar aos o inclusive siglos, en parte por la carencia de la tecnologa necesaria. La teora atmica, que es tema del captulo 2, es un ejemplo de esto. Se precisaron ms de 2 000 aos para confirmar este principio fundamental de la qumica que propuso Demcrito, un filsofo de la antigua Grecia. Un ejemplo ms contemporneo es la teora del Big Bang sobre el origen del universo, que se comenta en la pgina 6. Los adelantos cientficos pocas veces, si acaso, se logran de manera rgida, paso a paso. En ocasiones una ley precede a la teora correspondiente o viceversa. Es posible que dos cientficos empiecen a trabajar en un proyecto exactamente con el mismo objetivo y terminen con enfoques distintos. Despus de todo los cientficos son seres humanos, y su forma de pensar y trabajar est sujeta a la influencia considerable de sus antecedentes, su capacitacin y su personalidad. El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y, a veces, ilgico. Los grandes descubrimientos son resultado de las contribuciones y las experiencias acumuladas de muchos investigadores, pese a que el crdito por la formulacin de una teora o ley por lo regular se otorga a una sola persona. Por supuesto, la suerte es un factor en los descubrimientos cientficos, si bien se ha afirmado que las oportunidades favorecen a las mentes prepara- das. Se requiere atencin y capacidad para reconocer la importancia de un descubrimien- to accidental y sacar mximo provecho de l. Es muy frecuente que el pblico general se entere slo de los adelantos cientficos espectaculares. Sin embargo, por cada una de esas historias muy conocidas existen cientos de casos de cientficos que han dedicado aos a trabajar en proyectos que finalmente terminaron siendo infructuosos, y en los que se logran resultados positivos slo despus de muchos errores y a un ritmo tan lento que pasan desapercibidos. Inclusive esas investigaciones infructuosas contribuyen de alguna manera al avance continuo del conocimiento del universo fsico. Es el amor por la investigacin lo que mantiene a muchos cientficos en el laboratorio. Revisin de conceptos Cul de los siguientes enunciados es verdadero? a) Una hiptesis siempre conduce a la formulacin de una ley. b) El mtodo cientfico es una secuencia rigurosa de pasos para la resolucin de problemas. c) Una ley resume una serie de observaciones experimentales; una teora ofrece una explicacin de esas observaciones. RepresentacinObservacin Interpretacin Figura 1.3 Los tres niveles del estudio de la qumica y su relacin. La observacin corresponde a fenmenos en el mundo macroscpico; los tomos y molculas conforman el mundo microscpico. La representacin es una escritura cientca abreviada que describe un experimento con smbolos y ecuaciones qumicas. Los qumicos usan su conocimiento de los tomos y molculas para explicar un fenmeno observado.

37. 6 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio De dnde venimos? Cmo se origin el universo? Los seres humanos nos hemos formulado estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La bsqueda de respuestas constituye un ejemplo del mtodo cientfico. En la dcada de 1940 George Gamow, fsico ruso-esta- dounidense, plante la hiptesis de que el universo se inici miles de millones de aos atrs con una explosin gigantesca, el Big Bang. En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen diminuto y su temperatura era ms alta de lo imagina- ble. Esta brillante bola de fuego de radiacin mezclada con partculas microscpicas de materia se enfri gradualmente, hasta que se formaron los tomos. Por la influencia de la fuerza de gravedad, estos tomos se agruparon para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra: la Va Lctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo est en expansin, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento explosivo del universo. Al imaginar tal expansin en retroceso, como cuando se rebobina una pelcula, los astrnomos han dedu- cido que el universo se inici hace unos 13 000 millones de aos. La segunda observacin que sustenta la hiptesis de Gamow es la deteccin de radiacin csmica de fondo. A lo largo de miles de millones de aos, el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, 2270C)! A esta temperatura, gran parte de la energa corresponde a la regin de microondas. Puesto que el Big Bang habra ocurrido simultnea- mente en todo el diminuto volumen del universo en formacin, la radiacin que gener debe haber llenado todo el universo. As pues, la radiacin debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las seales de microondas que registran los astrnomos son independientes de la direccin. El tercer dato que sustenta la hiptesis de Gamow es el descubrimiento del helio primigenio. Los cientficos piensan que el helio y el hidrgeno (los elementos ms ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolucin csmica. (Se cree que otros elementos ms pesados, como el carbono, el nitrgeno y el oxgeno, se formaron ms adelante por reacciones nucleares en las que participaron el hidrgeno y el helio, en el centro de las estrellas.) De ser as, un gas difuso for- mado por hidrgeno y helio se habra diseminado por todo el El helio primigenio y la teora del Big Bang Fotografa a color de alguna galaxia distante y un quasar. universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los astrnomos que analizaron la luz ultravio- leta proveniente de un lejano quasar (poderosa fuente de luz y de seales de radio que se considera como una galaxia en explosin en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los tomos de helio en su trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en cuestin dista de nuestro planeta ms de 10 000 millones de aos luz (un ao luz es la distancia que reco- rre la luz en un ao), la luz que llega a la Tierra corresponde a fenmenos que ocurrieron hace ms de 10 000 millones de aos. Por qu el hidrgeno no fue el elemento ms abundante que se detect? El tomo de hidrgeno tiene un solo electrn, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionizacin. Los tomos de hidrgeno ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el tomo de helio tiene dos electrones. La radiacin puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los tomos de helio ionizados todava absorben luz y, por lo tanto, son detectables. Los defensores de la explicacin de Gamow se regocijaron ante la deteccin de helio en los confines distantes del universo. En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los cientficos ahora se refieren a la hiptesis de Gamow como teora del Big Bang. 1.4 Clasificacin de la materia En la seccin 1.1 definimos la qumica como el estudio de la materia y los cambios que experimenta. La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La materia incluye lo que podemos ver y tocar (como el agua, la tierra y los rboles) y lo que no podemos ver ni tocar (como el aire). As pues, todo en el universo tiene una conexin qumica. 6 QUMICA en accin

38. 1.4 Clasificacin de la materia 7 Los qumicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composicin y propiedades. La clasificacin de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, adems de los tomos y molculas, que estudiaremos en el captulo 2. Sustancias y mezclas Una sustancia es una forma de materia que tiene composicin definida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, el amoniaco, el azcar de mesa (sacarosa), el oro y el oxgeno. Las sustancias difieren entre ellas por su composicin y se pueden identificar segn su aspecto, color, sabor y otras propiedades. Una mezcla es una combinacin de dos o ms sustancias en la que stas conservan sus propiedades distintivas. Algunos ejemplos familiares son el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no poseen composicin constante. As, las muestras de aire obtenidas en distintas ciudades probablemente diferirn en su composicin a causa de diferencias de altitud, contaminacin atmosfrica, etctera. Las mezclas pueden ser homogneas o heterogneas. Cuando se disuelve una cucha- rada de azcar en agua, se obtiene una mezcla homognea, en la que la composicin de la mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar arena con virutas de hierro, tanto una como las otras se mantienen separadas (figura 1.4). En tal caso se habla de una mezcla heterognea porque su composicin no es uniforme. Cualquier mezcla, sea homognea o heterognea, se puede formar y luego separar por medios fsicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes. As pues, el azcar se puede recuperar de una disolucin acuosa al calentar esta ltima y evaporarla por completo. La condensacin del vapor permite recuperar el agua. En cuan- to a la separacin de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imn para separar las virutas de hierro, ya que el imn no atrae a la arena misma [figura 1.4b)]. Despus de la separacin, los componentes de la mezcla tendrn la misma composicin y propiedades que al principio. Elementos y compuestos Las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un elemento es una sustancia que no se puede separar en otras ms sencillas por medios qumicos. Hasta la fecha se han iden- tificado 118 elementos. La mayora de stos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios cientficos mediante procesos nucleares, que son tema del captulo 19. a) b) Figura 1.4 a) La mezcla contiene virutas de hierro y arena. b) Un imn permite separar las virutas de hierro de la mezcla. Esta misma tcnica se usa en mayor escala para separar hierro y acero de objetos no magnticos, como aluminio, vidrio y plsticos.

39. 8 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio Por conveniencia, los qumicos usan smbolos de una o dos letras para representar los elementos. Cuando son dos letras la primera siempre es mayscula. Por ejemplo, Co es el smbolo del elemento cobalto, en tanto que CO es la frmula de la molcula monxido de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y smbolos de algunos de los elementos ms comunes; en las pginas finales de este libro aparece una lista completa de los elementos y sus smbolos. Los smbolos de algunos elementos se derivan de su nombre en latn, por ejemplo, Au de aurum (oro), Fe de ferrum (hierro) y Na de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre en ingls. En el apndice 1 se incluye una lista del origen de los nombres de la mayora de los elementos y de sus descubridores. Los tomos de una gran cantidad de elementos pueden interactuar entre s para formar compuestos. Por ejemplo, la combustin del hidrgeno gaseoso con el oxgeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades difieren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrgeno por una de oxgeno. Esta composicin no se modifica, sin importar que el agua provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en Mongolia Exterior o de las capas de hielo de Marte. As pues, el agua es un compuesto, o sea, una sustancia formada por tomos de dos o ms elementos unidos qumicamente en proporciones fijas. A diferencia de las mezclas, los compuestos slo se pueden separar en sus componentes puros por medios qumicos. Las relaciones entre los elementos, compuestos y otras categoras de materia se resumen en la figura 1.5. Revisin de conceptos Cul de los siguientes diagramas representa elementos y cul representa compuestos? Cada esfera de color (o esfera truncada) representa un tomo. Nombre Smbolo Nombre Smbolo Nombre Smbolo Aluminio Al Cromo Cr Oro Au Arsnico As Estao Sn Oxgeno O Azufre S Flor F Plata Ag Bario Ba Fsforo P Platino Pt Bismuto Bi Hidrgeno H Plomo Pb Bromo Br Hierro Fe Potasio K Calcio Ca Magnesio Mg Silicio Si Carbono C Manganeso Mn Sodio Na Cloro Cl Mercurio Hg Tungsteno W Cobalto Co Nquel Ni Yodo I Cobre Cu Nitrgeno N Zinc Zn Tabla 1.1 Algunos elementos comunes y sus smbolos a) b) c) d)

40. 1.5 Los tres estados de la materia 9 1.5 Los tres estados de la materia Por lo menos al principio, todas las sustancias pueden existir en tres estados: slido, l- quido y gas. Como se muestra en la figura 1.6, los gases difieren de los lquidos y slidos en la distancia que media entre las molculas. En un slido, las molculas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa libertad de movimiento. Las molculas de un lquido estn cerca unas de otras, sin que se mantengan en una posicin rgida, por lo que pueden moverse. En un gas, las molculas estn separadas entre s por distancias grandes en comparacin con el tamao de las molculas mismas. Son posibles las conversiones entre los tres estados de la materia sin que cambie la composicin de la sustancia. Al calentar un slido (por ejemplo, el hielo) se funde y se transforma en lquido (agua). (La temperatura en la que ocurre esa transicin se denomina punto de fusin.) Su calentamiento adicional convierte el lquido en gas. (Esta conver- sin sobreviene en el punto de ebullicin del lquido.) Por otra parte, el enfriamiento de un gas hace que se condense en la forma de lquido. Al enfriar adicionalmente ste, se congela, es decir, toma una forma slida. Los tres estados de la materia se muestran en Mezclas homogneas Mezclas Separacin por mtodos qumicos Separacin por mtodos fsicos Materia Sustancias Mezclas heterogneas Compuestos Elementos Figura 1.5 Clasicacin de la materia. Slido GasLquido Figura 1.6 Representacin microscpica de un slido, un lquido y un gas.

41. 10 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio la figura 1.7. Advierta que las propiedades del agua son nicas entre las sustancias comunes, ya que las molculas en su estado lquido estn ms cerca unas de otras que en el estado slido. Revisin de conceptos Un cubo de hielo se coloca en un recipiente cerrado. Cuando se calienta, el cubo de hielo primero se derrite y despus el agua hierve hasta formar vapor. Cul de los siguientes enunciados es verdadero? a) La apariencia fsica del agua es diferente en cada etapa de cambio. b) La masa de agua es la mayor para el cubo de hielo y la menor para el vapor. 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia Se identifica a las sustancias por sus propiedades y su composicin. El color, punto de fusin y punto de ebullicin son propiedades fsicas. Una propiedad fsica se puede medir Figura 1.7 Los tres estados de la materia. Un lingote caliente transforma el hielo en agua y luego en vapor de agua.

42. 1.6 Propiedades fsicas y qumicas de la materia 11 Combustin del hidrgeno en el aire para formar agua. a) b) c) d) y observar sin que se modifique la composicin o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible medir el punto de fusin del hielo al calentar un bloque de hielo y registrar la temperatura en la que se convierte en agua. El agua difiere del hielo slo en su aspecto, no en su composicin, de modo que se trata de un cambio fsico; es posible congelar el agua para obtener de nuevo hielo. De esta manera, el punto de fusin de una sustancia es una propiedad fsica. De modo similar, cuando se afirma que el helio gaseoso es ms ligero que el aire se hace referencia a una propiedad fsica. Por otra parte, la aseveracin: el hidrgeno se quema en presencia de oxgeno para formar agua describe una propiedad qumica del hidrgeno, ya que a fin de observar esta propiedad debe ocurrir un cambio qumico, en este caso, la combustin. Despus del cambio desaparece la sustancia qumica original, el hidrgeno, y slo queda otra sustancia qumica distinta, el agua. Es imposible recuperar el hidrgeno a partir del agua mediante un cambio fsico, como la ebullicin o congelacin. Cada vez que se cuece un huevo ocurre un cambio qumico. Cuando la yema y la clara se someten a temperaturas cercanas a 100C, experimentan cambios que no slo modifican su aspecto fsico, sino tambin su composicin qumica. Despus al comerse el huevo se modifica de nuevo, por efecto de sustancias del cuerpo humano llamadas enzimas. Esta accin digestiva es otro ejemplo de un cambio qumico. Lo que ocurre durante la digestin depende de las propiedades qumicas de las enzimas y los alimentos. Todas las propiedades mensurables de la materia corresponden a una de dos categoras adicionales: propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de una propiedad extensiva depende de la cantidad de materia que se considere. La masa, que es la cantidad de materia en una muestra dada de una sustancia, es una propiedad extensiva. Ms materia significa ms masa. Los valores de una misma propiedad extensiva pueden sumarse. Por ejemplo, dos monedas de cobre tienen la misma masa combinada que la suma de las masas de cada moneda, en tanto que la longitud de dos canchas de tenis es la suma de las longitudes de ambas canchas. El volumen, que se define como la longitud elevada al cubo, es otra propiedad extensiva. El valor de una cantidad extensiva depende de la cantidad de materia. El valor medido de una propiedad intensiva no depende de cunta materia se considere. La densidad, que se define como la masa de un objeto dividida entre su volumen, es una propiedad intensiva. Tambin lo es la temperatura. Suponga que se tienen dos matraces llenos de agua que estn a la misma temperatura. Si se combinan para tener un solo volumen de agua en un matraz ms grande, la temperatura de este mayor volumen de agua ser la misma que en los dos matraces separados. A diferencia de la masa, longitud y volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas. Revisin de conceptos El diagrama en a) muestra un compuesto integrado por tomos de dos elementos (representados por las esferas rojas y verdes) en estado lquido. Cul de los diagramas en b) a d) representa un cambio fsico y cul un cambio qumico?

43. 12 CAPTULO 1 Qumica: el estudio del cambio Probeta graduada Matraz volumtricoPipetaBureta mL 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 mL 0 1 2 3 4 15 16 17 18 20 19 25mL 1 litro Figura 1.8 Algunos dispositivos de medicin comunes en los laboratorios de qumica. No se ilustran a escala proporcional. Los usos de estos dispositivos de medicin se analizan en el captulo 4. 1.7 Mediciones Los qumicos frecuentemente realizan mediciones que usan en clculos para obtener otras cantidades relacionadas. Los diferentes instrumentos permiten medir las propiedades de una sustancia: con una cinta mtrica se mide la longitud; con la bureta, pipeta, probeta graduada y matraz volumtrico, el volumen (figura 1.8); con la balanza, la masa, y con el termmetro, la temperatura. Estos instrumentos proporcionan mediciones de propiedades macroscpicas que pueden determinarse directamente. Las propiedades microscpicas, en la escala atmica o molecular, tienen que determinarse con un mtodo indirecto, como analizaremos en el captulo 2. Una cantidad medida suele describirse como un nmero con una unidad apropiada. Afirmar que la distancia en automvil entre Nueva York y San Francisco por cierta carre- tera es de 5 166 no tiene sentido. Se requiere especificar que la distancia es de 5 166 km. Lo mismo es vlido en qumica; las unidades son esenciales para expresar correctamente las mediciones. Unidades del Sistema Internacional (SI) Durante muchos aos, los cientficos registraron las mediciones en unidades mtricas que se relacionan de manera decimal, es decir, con base en potencias de 10. Sin embargo, en 1960 la Conferencia General de Pesos y Medidas, que es la autoridad internacional en cuanto a unidades, propuso un sistema mtrico revisado, al que se llam Sistema Internacional de Unidades (SI, del francs Systme Internationale dUnites). En la tabla 1.2 se muestran las siete unidades bsicas del SI. Todas las dems unidades de medicin se derivan de ellas. Al igual que las unidades mtricas, las del SI se modifican de manera decimal con prefijos, como se ilustra en la tabla 1.3. En este texto se utilizan tanto las unidades mtricas como las del SI.

44. Las mediciones que se utilizan frecuentemente en el estudio de la qumica son las de tiempo, masa, volumen, densidad y temperatura. Masa y peso Aunque los trminos masa y peso suelen usarse indistintamente, en sentido estricto se trata de cantidades diferentes. Mientras que la masa es una medicin de la cantidad de materia en un objeto, el peso, en sentido tcnico, es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto. Una manzana que cae de un rbol es atrada hacia abajo por la gravedad de la Tierra. La masa de la manzana es constante y no depende de su ubicacin, en tanto que el peso s. Por ejemplo, en la superficie de la Luna la manzana pesara apenas una sexta parte de lo que pesa en la Tierra, ya que la gravedad lunar equivale a un sexto de la terrestre. La menor gravedad de la Luna permiti que los astronautas saltara

Química 11 Ed chang

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