Usra de apliraciones .\'.\i Prefacio xxiii

Una nma para el esrudiante xxxi

Química: el estudio de l cambio 2

1.1 Quím ica: llnll cienc ia para el s iglo XXI 4

1.2 El estudio de la quírnic<l 7

1.3 El método científico 8

lJ LA QUÍMICA en acción El helio primordial y la teoría del B1g-Bang 1 O

1.4 C lasific;u:ión de la matcr i<t 1 1

1.5 l .os tre~ cst :~dos de la materia 13

1.6 Propiedades fís icas y química~ de la materia 14

1.7 Mediciones 15

;, LA QUÍMICA en acción

La importancia de las unidades 20

1.8 1-::1 manejo de los números 2 1

1.9 Análi~is dimen<;ional en la resolución de prob lema~ 27

R e\ltllll'll ,¡, tlaro~ y conceptos 31 l'r~lahm.l • /m t • 31 Pte/11111111' y problemas 31

MISTERIO de la qufmicu

La desaparición de los dinosaurios 38

Átornos, moléculas e iones 40 2.1 La teoría atómica 42

2.2 La estructura del átomo 43

2.3 úmcro aló mico. número de ma~a e i:.óto pos 49

2.4 La tab la periódica 50

LA QUÍMICA en acción

Distribución de los elementos en la Tierra

y en los sistemas vivos 52

2.5 Molécula~ e iones 53

2.6 f-órmula~ q uímil:as 54

ix

X Contenido

2.7 1 omenclawra de los compuestos 59

2.8 lmroJucción a los compuestos org•ínicos 68

Rewmeu dl' datm ,. conreptos 159 Pala/mil' rlm·e 70

Preguuta.\ Y pmhlema.1' 70

Relaciones de masa en las reacciones químicas 76 3.1 Y!a~a atómica 78

3.2 .\Júmero ele Avogadro y masa molar de un e lemento 79

3.3 Ma~a molecular !\3

3.4 El cspectrómetro de ma~as 86

3.5 Composición porcentual de los compuestos X6

3.6 Determinación expcrimcnral de fórmula empírica,

3.7 Reaccione~ química' ~ ecuacionc~ química' 92

3.8 CantidaJe) de reactivo y producto~ 97

3.9 Reactivos li mitantes 1 O 1

3.1 O Rendimiento Je reacción 103

41 LA QUÍMICA en acción Fertilizantes químicos 104

N e .\IIIIIt'fl de datns y rr111repto.~ /0 ()

Pala/un' d an• 107 J>rc~wltlll _,. pmhlcmm 107

Reacciones en disolución acuosa

4.1 4.2

Propicd¡¡de~ generales eJe lu' Ji solucione~ acuosa~

Reaccione'> de precipitac ión 122

~ LA QUÍMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable 126

4.3 4.4

4.5 4.6 4.7 4.8

Reacciones ácido-base 127

Reaccione~ oxidación-reducción

LA QUÍMICA en acción

Alcoholimetro 143

Concentración de la~ di~ol ucioncs

Anál i,is gravimétrico 148

Valoracionc :ícido-ba)c 150

Valoraciones redox 153

) LA QUÍMICA en acción Metal proventente del mar 155

R l'.\' 111111!11 de daws y CIJIIC<'fJIO.\" 156 Palahrtll dan· 156 Prl'~rmta; y problt:llllB 157

131

142

90

118

l 20

MISTERIO ele la químim ¿Quién asesinó a Napoleón?

Gases 168

166

5.1 5.2

Sustancias que cx i, tcn c.;nmo ga;,cs

Presión de un gas 171

5.3 La~ leyes de lo<; ga<;es 175

5.4 E<.:uw:iún del ga~ iueal 1 ¡¡ 1

5.5 La e5tequiomctría de lo~ gases 190

Contenido

170

5.6 Ley de Dalton de las pre<; ioncs parciales 192

5. 7 La twría c.;í nél ica molecular de los gases 1 Y7

LA QUÍMICA en acción El buceo y las leyes de los gases 198

LA QUÍMICA en accilín Átomos enfriados 205

5.8 De. viaeión del comportamiento ideal 206

Rc\'IIIIU.'n de dlltO.\ .' nnwepto 209 Pa/ahra~ l'im··· 2()9 T'rc¡.:untw y ¡Jmhh·mrl\· 2()9

MISTERIO de la lfiiÍmicu Sin oxígeno 220

Termoquímica 222

6.1 Naturaleza y ti pm, de energía 224

6.2 Cambios de energía en las reaccione~ químicas 225

6.3 Introducción a la termod inámica 227

6.4 Enta lpía de la<; reacciones químicas 232

LA QUÍMICA l:'n acción Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 233

6.5 Calorimetría 2:19

LA QUÍMICA en acción Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias 245

6.6 1-:ntalpía estándar de formación y de re::~cción 24ú

LA QUÍMICA en an·iún Cómo se defiende el escarabajo bombardero 251

6. 7 Calor de disol uc.;i!Ín y de dilución 252

Rl'mmen dt• tlato1 y etiiiCt'fllo,· 254 Palahms rlm•e 254 Pregullta.1· y prniJ/ema' 255

MISTERIO de la química El neumático explosivo 264

x i

xii Conte nido

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 266

7 .l De la física clás ica a la teoría cuántica 268

7.2 El efecto fotoe lt!ctrico 272

7.3 Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 274

7.4 La naturaleza dual de l elect rón 279

~ LA QUÍMICA en acción ""\. Láser: la luz esplendorosa 280

...\, LA QUÍMICA en acción Microscopía electrónica 283

7.5 Mecánica cuántica 283

7.6 úmcros cuámicos 286

7.7 Orbitales atómicos 288

7.8 Configuración electrónica 292

7.9 El pri nc ipio de construcción 29X

R''"tmell de datm v , ·onU'fllm 302 Palabras clm·e 303 Pregwuas _1· problemas 303

MISTERIO de la química Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio

Relaciones periódicas entre los elementos 314 8.1 Desarrollo de la tabla periódica 3 16

8.2 C la~ i ficaciún periódica de los e lementos 318

8.3 Variacionc~ pcriooica~ de Ju~ propicdadc fí icas 322

~ LA QUIMICA en acción ¿El tercer elemento líquido? 329

8.4 Energía de ioniwción 329

8.5 Afi nidad electrónica 333

8.6 Variación de las propiedades químicas

de los elementos repre~entativos 335

;, LA QUÍMICA en al'cirín El descubrimiento de los gases nobles 346

Resumen de datas y canNiJIIOs 347 Palabras c/a1·e 348 Pregumas y problemas J-18

312

t @ IJ .. .,.~ ~~-~(lt~ ;..;. ............

tJ; .g~-f-l

O $ iJ • S fl. "' ~ -t.j - - ''12"' f ~Yfi loJ'i:" ,jo,"' a

~·tt

Contenido xtu

Enlace químico I: Conceptos básicos 356 9.1 Símbolos de puntos de Lewis 358

9.2 El enlace iónico 359

9.3 Energía reticular de los compuestos iónicos 361

~ LA OUfMICA en arriñn

" Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 365

9.4 1::1 enlace covalcntc 366

9.5 Electronegatividacl 369

9.6 Escritura de las estmcturas de Lcwis 372

9.7 Carga formal y estructura de Lewis 375

9.8 El concepto de n.:~onancia 377

9.9 Excepciones a la regla del octeto 37Y

~ LA OUIMICA en acción Sólo diga NO 384

9.10 Entalpía de enlace 31\5

Re~ww:n di! clatm· y cvnceptw, JYU PalaiJra~ d<ll'<' 3YU Pn'gwllm y problema; 390

Enlace químico Il: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 398 10.1 Geometría molecular 400

10.2 Momento di polar 409

-., LA QUÍMICA en acción Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 412

10.3 Teoríacle l enlacevalcnc ia 4 15

10.4 11 ibridación de orbitale~ atcímico& 417

10.5 H ibritlm.:ión en moléc ula~ que contienen enlaces dobles

y triples 426

10.6 Teoría de l orbital molecular 429

10.7 Configmacioncs de orbitales moleculares 432

10.8 Orbitales molccul;¡rcs dcslocalizados 437

Ne.\111/lt'll de dato.\ \' nmn·pto.\ 439

LA QUÍMICA en CICción El buckybalón 440

Palabras dav~: 442

Pregunta.\· y probli!lfli/.1 442

X I \ ' Conte nido

Fuerzas i ntenno lec u lares y líquidos y sólidos 450 11 .1 ll.2

La teoría cinética moleculnr de líquidos y sól idos

Fuerza~ i nlcrmolecu lare~ 4:'\:l

11.3 Propicdadc~ de lo~ líquidos 4.'W

11.4 Estrncnu·n c ristal ina 462

LA QUÍMICA el! accirin

452

¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo?

11.5

11.6 Di fraccicín de rayos X por los cri~ l ulcs

Tipos de cr i ~ talc<; 47 1

LA QUÍMICA en ucciún Superconductores a altas temperaturas

11.7 Súlidm am01f o<; 476

LA QUÍMICA en ucciún Y todo por un botón 478

11.8 Carnhio~ de fase 479

11.9 Diagramas de fa~c 4XX

LA QUÍMICA en acción

469

476

Hervir un huevo en la cima de una montaña. las ollas de presión y el patinaje sobre hielo 490

LA QUfMICA <'11 acción Cristales líquidos 491

Rl' <tllllr!!l dr: dato' y r·onrepto' 493 Pala/,·a.\ rime 493 Preguntm \' pmblt:lllll' -194

Propiedades físicas de las disoluciones 502 12.1 Tipo~ de disolucionc~ 504

12.2 Enfoque molecular del proce:.o de d isolución 505

12.3 Unidades de concentración 507

12.4 Efec to de la te mperatura e n la soluh il idad 51 1

12.5 Efecto de la presión en la solubilidad uc los ga~c<> 5 1 :l

463

12.6 Propiedades eol igati,·a<; ele lns di>olucioncs de no cll:ctr(,J itos 5 15

LA QUÍMICA en acción El lago asesino 51 6

12.7 Propicdadc:-. co ligariva <; de la<; disolucionc~ de clectr61i to~ 52R

LA QUÍMICA e11 acción Desalinización 530

12.8 Coloide~ 5~0

Resui/WII dt' tltllm .1 umce¡>ltH <i.I.J l'alithm.\ rlm t' 534 l're¡:wuas ,. pmh!t•ouH 534

MISTERIO de la q11imirn El cuchillo equivocado 542

Contenido

Cinética quítnica 544 13.1 L a velocidud de una re<1cción 546

13.2 L ey de la velocid:~d SS~

13.3 Relación enrrc la m nccntraciún <..le reacti"o~ y el tiempo 557

~ LA QUÍMICA en acción Determinación de la edad del Sudario de Turín 568

13.4 Constante~ de velocidad y~~~ <..lepcn<..lcncia

<..le la energía de nctiv:~ción y de la tempcr:nura .'i6X

13.5 Mee:~ ni~mos de reacción 575

~ LA QUÍMICA en acción Femtoquimica 580

13.6 Catá l i~1s SXI

R t'\ lllllt' ll t!e t!uto,, ' conn·r•~~>< 588 Palui>ml' dm·t· 589 Pre¡;tm/11.\ 1 ¡n'II/J/1'11111.\ 589

Equilibrio químico 600

14.1 El coiK'epto l.le equi librio y l:1 constante de equi librio 602

14.2 Escritu ra de las expre~iones de la¡, cnn~ta ntes <..le equil ibrio 604

14.3 Relac ión ente ci nética química y equi librio químico 616

14.4 ¿Qué información proporciona la con<:tante de equil ibrio '.' 617

14.5 Factores que afcct:~n el equi librio químico 62:)

~ LA QUÍMICA en acción La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 630

LA QUÍMICA e11 acción El proceso Haber 631

Rt' l'lllllt' ll "'' tfmns ' rnnu•pro' 632 Palabra' rim't' 6.12 f't·e~umns ,. pmh/emas 633

Ácidos y bases 644 15.1 Acido-; y ba~e<; de l:lrons¡ed 646

15.2 Propicdade.; ácido-hase <..!e l agua 647

15.3 El pH : una m..:uil.la de la acidet. 649

15.4 Fuerza <.k los ¡ícidos y las ba es 6.51

15.5 Ácido~ débib y la eon. tanre de ioni7ación de un ácido 656

15.6 Ba~e~ débiles y la con~tantc <..le ioniLaeión de una base 663

15.7 Relac ión entre l a~ constantes Ut' ion iLación de los ácidos

15.8 15.9

y ~us bases conj ugildas 665

Áci<..lo~ J iprúticos > polipróticos 666

Estructura molecular y fucr7a ele lo~ :leido~

15.10 Propiedades :ícido-ba'>e de la ' •mies 674

ó70

15.11 Prop iedades ítcido-basc <..le los Ú.\iUo~ y los hidróxido!> 679

XV

Contenido

15.12 Ácidos y base~ de Lewi~ 682

LA QUÍMICA en acctón Antiác1dos y el balance del pH en el estómago 684

Rt'l/llllell de doto.\ y cunaptus 686 Po/abra\ dttl'e 686

Prt!guma., .1 pmhletlllll 686

MISTERIO de la química La descomposición de los papeles 694

Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 696

16.1 Comparación ent re loe; equilibrio<; homogéneo

y heterogéneo en di~oluc ión 698

16.2 Efecto Jel ion wmún 698

16.3 Di~oluciones amoniguadora-. 701

LA QUÍMICA en acctón Mantenimiento del pH de la sangre

16.4 Valoraciones ácido-base 708

16.5 lndicadorc~ ácido-baJ.c 716

16.6 Equilibrios de ~olubilidad 718

706

16.7 16.8 16.9

Separación de iones por prec ipitación fraccionada

El efecto del ion común y la solubilidad 727

El pH ) la olubilidad 72

725

J 6. 1 O Los equil ibrio> de ione~ complejos y la ~olubil idad 731

LA OUiMICA en arción ¿Cómo se forma un cascarón de huevo 737

16.11 Aplicación del principio del producto de ~olubi l idad al análisis cuali tati\o 737

Re.\IIIIIPII de da111.1 \' f'nnceptn< 739 Palabra< cfa¡·e 740

l'regwrta\ y problema.\ 740

MISTERIO de la químim Un duro bocadillo 748

Química en la atmósfera 750

17.1 La atmó::.fera tcrrc~tre 752

17.2 I.O'> fenómeno'> en las capas externas de la atmósfera 755

17.3 Disminución de l o7ono en la estrato<;fera 757

17.4 Lo::. vokancs 762

17 .S El efecto im crnadero 763

17.6 La lluvia ácida 76 7

17.7 El l:'imog fotoqufmicn 77 1

17.8 Contaminación doméstica 773

Contenido

Re.ntmen de datns y ronceptos 776 l'alaf¡ras clave 776 Pregwuas y problemas 776

Entropía, energía libre y equilibrio 782 18.1 Las tres leyes ele la termodinámica 784

18.2 Los procesos espontáneos 71!4

18.3 Entropía 785

18.4

~

18.5 18.6

La segunda ley de la termodinámica 790

LA QUÍMICA en acción La eficiencia de las máquinas térmicas 796

La energía l ibre de Gibhs 796

La energía l ibre y el equilibrio químico 803

LA QUÍMICA en acción La termodinámica de una liga 807

18.7 La termodinámica en los sistemas vivos 808

R P.\W/11!11 de da/0.\ y n mceptos 809 Pa labrus c/m•e 810

Prel:U/1/aS y pmb/emas 810

Electroquímica 818 19.1 Reacciones redox 820

19.2 Celdas e lectroquímica~ 823

19.3 Putcm:ialc~ estándar de rcdu¡;ción 825

19.4 Espontaneidad de las reacciones rcdux. 831

19.5 Efecto de la concentración sobre la tem de la celda 834

19.6 13arerías 839

LA QUÍMICA er1 acción Energía bacteriana 843

19.7 Corrosión 844

19.8 Elcctr@sis 848

LA QU[MJCA en acción Molestia producida por las amalgamas dentales 853

R e.\WIU' II de datos y r·rmc·cplo.\ 854

Palabra.\ cla\'1! 855 Preguntas y l'mblenws 855

MISTERIO de la química Agua sucia 864

xvii

xviii Contenido

Metalurgia y la quúnica de los metales 866

20.1 20.2 20.3

Abundancia de Jo¡¡ metale-. 86!!

Proce~o~ metalúrgit:os X6X

Teoría d..: la~ banda~ de <.:onuu~.:tiv idau 876

20.4 Tendencias perit'ldicas ele )a<; propicdadc~ mct<i l icas 878

20.5 Lo<; metales alcalinos !!79

20.6 Lo~ metale~ alcalmotérn.:o-. XlU

20.7 Aluminio 885

" LA QUÍMICA en accit'i11 Reciclado de aluminio 888

Resuml!ll tle dato' ,. t'OIIC<'I"" ' 888 l'alahm.1 clt11·e 889 /'regwuas y pmhlunas 889

Elementos no metálicos y sus compuestos 894

21.1 Propiedades generales de Jo-. no mctalc~ 896

21.2 Hidrógeno X96

LA QUÍMICA en accióu Hidrógeno metálico 901

21.3 Carbono 902

., LA QUÍMICA en acción Gas sintético a partir del carbón 905

21.4 i trógeno y fó,foro 906

~ LA QUÍMICA en acción Nitrato de amonio: el ferti lizante explos1vo 913

21.5 Chígeno) a7ufre 91 4

21.6 Lo~ halógeno~ 92 1

He.Htme/1 de daw< y cm 1tep10.\ 928 l'a/ahra., dm·e 929 l're8Wifll' y probll!ma.\ 929

Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 934 22.1 22.2

22.3

Propiedades de lo~ metale'> de tran~ieión

La química del hierro y del cobre 9J9

Compuc<;tos de coordinat:iún 940

936

22.4 Estructura de lo~ compu...: ~tol> ck coord inación 946

22.5 El enlace en los compuestos oc coordinación: teoría del campo

<.:ristal i no 9~9

22.6 Reaccione~ de los compue<;to~ de coordinación Y55

22.7 Aplicadones de lo~ compue~to'> de coordmación 955

Contenido

LA QUÍMICA e11 acción Compuestos de coordinación en los sistemas vivos

LA QU[MICA en acción Cisplatino: el medicamento anticancerígeno 958

Rcstmtc/1 de doro' y rottrl'JII"·' 959 Pala/n·a, clm·e 960

Prl'fiwtfm y pmhlem(H 96()

MISTERIO de la QIIÍmira Datación de pinturas con el azul de Prusia 964

Química nuclear 966 23.1 La nalllr~tlcz~t de las rcac<.:ioncs nud eares 968

23.2 Eswbil idad nuclear 970

23.3 Radiactividad natll ral 975

23.4 Transmutación nuclear 97S

23.5 Fi ~ iún nudcar 981

LA QUÍMICA en acrió11 El reactor de fisión nuclear de la naturaleza

23.6 Fusión nudc:ar 987

23.7 J\plicacioncs de los isótopos 9HY

23.8 Efectos bio lógicos de la radiación <)<) 1

LA QUÍMICA t! tl acciú11 Irradiación de los alimentos 993

Ne,wmen ele timo~ .1 ,·ont·cpw., 994

Pala/m" dttl'<' 094 Preguntas y pmhlema.\ 994

MISTERIO de la química El arte de la falsificación en el siglo xx

Química orgánica 1002

1000

24.1 Cla~c~ de compuesto:, orgánicos 1004

24.2 Hidrocarburos ali fát icos 1004

LA QUÍMICA en acción Hielo que se quema 1016

24.3 Hidrocarburo~ aromático~ 1017

24.4 Química de los grupos funeionnlcs 1020

~ LA QUÍMICA en acción La industria del petróleo 1026

Resumen de daros y concep1os 1029 Palabras clm·e 102') 1-'refiumm y problemas 1()2')

~· MISTERIO de la lfUÍmica La desaparición de huellas digitales 1036

986

XIX

956

XX Contenido

Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1038 25.1 Propiedades de los polímeros 1040

25.2 Polímeros orgánico sintético<; 1040

25.3 Proteínas 1045

~ LA QUÍMICA en acción Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular 1 052

25.4 Ácido~ nuclcico~ 1054

~ LA QUIMICA en acririn Huella digital del DNA 1057

Re.\111/lf!ll de da/O.\ 1 1 Oll<epto.l 1058 Pa/abrav chn ·e J()58 Pres:wua.1 v pmhlenw\ 1058

1-. MISTERIO de la químira Una historia que le erizará los cabellos 1062

Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos A- 1

Apéndice 2 Unidades para la constante de Jos ga e A-7

Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8

Apéndice 4 Operaciones matemáticas A-13

Glosario C-1 Respuestas a problemas pares A P-1 Créditos C-1 Índice 1-1