+ All Categories
Home > Documents > Quimica General, Organica y Biologica 2a. Wolfe

Quimica General, Organica y Biologica 2a. Wolfe

Date post: 06-Mar-2016
Category:
Upload: nicolas-ivan-rebello
View: 2,057 times
Download: 357 times
Share this document with a friend
Description:
Gran libro de Química General orgánica y Biológica de Wolfe. Recomendado para estudiantes de universidad.
788
Transcript
  • QUMICA GENERAL, ORGNICA Y BIOLGICA

    Segunda edicin (en espaol)

  • QUMICA GENERAL, ORGNICA Y BIOLGICA

    Segunda edicin (en espaol)

    Drew H. Wolfe Hillsborough Community College

    Traduccin: Mara del Consuelo Hidalgo Mondragn

    Doctora en Qumica Universidad Nacional Autnoma de Mxico

    Revisin tcnica: Q. F. P. Jos Carlos F. Roa Limas

    Profesor investigador del rea de Qumica Divisin de Ciencias Bsicas e Ingeniera

    Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco

    McGRAW-HILL

    MXICO BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK PANAM SAN JUAN SANTAF DE BOGOT SANTIAGO SAO PAULO

    AUCKLAND HAMBURGO LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI PARS SAN FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TOKIO TORONTO

  • Gerente de producto: Alfonso Garca Bada Mena Supervisor de edicin: Mateo Miguel Garca Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

    QUMICA GENERAL, ORGNICA Y BIOLGICA Primera edicin revisada

    Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor

    DERECHOS RESERVADOS 1996, respecto a la segunda edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE MXICO, S. A. de C. V.

    Atlacomulco 499-501, Fracc. Ind. San Andrs Atoto 53500 Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Nm. 1890

    ISBN 970-10-0907-X (ISBN 958-600-026-5 primera edicin)

    Translated of the first edition in English of ESSENTIALS OF GENERAL, ORGANIC, AND BIOLOGICAL CHEMISTRY

    Copyright MCMLXXXVI, by McGraw-Hill, Inc., U.S.A.

    ISBN 0-07-071415-0

    1234567890 PE-95 9087643215

    Impreso en Mxico Printed in Mxico

    Esta obra se termin de imprimir en Diciembre de 1995 en Programas Educativos, S.A. de C.V. Calz. Chabacano Nm. 65-A Col. Asturias Delegacin Cuauhtmoc 06850 Mxico, D.F.

    Se tiraron 4200 ejemplares

  • A Cynthia y Natasha

  • CONTENIDO

    PREFACIO ................................................................................ xv

    CAPTULO 1 MATERIA Y ENERGA................................... 1

    1.1 Propiedades de la materia................................................................... 2 1.2 Clasificacin de lamateria.................................................................. 4 1.3 Energa ............................................................................................... 9 1.4 Conservacin de la materia y de la energa ......................................... 11

    CAPTULO 2 MEDIDAS QUMICAS.................................. 17

    2.1 Sistema internacional de unidades ...................................................... 18 2.2 Unidades de medida importantes ........................................................ 20 2.3 Unidades de conversin y solucin de problemas qumicos ............... 29

    CAPTULO 3 ELEMENTOS, TOMOS Y LA TABLA PERIDICA................................................... 37

    3.1 Estructura de los tomos..................................................................... 38 3.2 Configuracin electrnica................................................................... 42 3.3 Propiedades peridicas de los elementos ............................................ 50

    CAPTULO 4 COMPUESTOS, MOLCULAS Y ENLACE QUMICO .................................. 57

    4.1 Compuestos inicos............................................................................ 58 4.2 Enlace inico...................................................................................... 59 4.3 Compuestos covalentes ....................................................................... 65 4.4 Enlace covalente en molculas diatmicas .......................................... 66 4.5 Enlace covalente en molculas ms complejas.................................... 70

  • viii CONTENIDO

    CAPTULO 5 MOLES, REACCIONES QUMICAS Y ESTEQUIOMETRA................................... 79

    5.1 La mol ................................................................................................ 80 5.2 Ecuaciones qumicas .......................................................................... 85 5.3 Estequiometra .................................................................................... 91

    CAPTULO ESTADOS FSICOS DE LA MATERIA: GASES, LQUIDOS Y SLIDOS................. 99

    6.1 Teora cintico molecular de los gases................................................. 100 6.2 Leyes de los gases............................................................................... 100 6.3 Lquidos.............................................................................................. 111 6.4 Fuerzas intermoleculares en los lquidos ............................................ 114 6.5 Slidos ................................................................................................ 116

    CAPTULO 7 SOLUCIONES Y COLOIDES......................... 121

    7.1 Soluciones .......................................................................................... 122 7.2 Concentracin de las soluciones ........................................................ 126 7.3 Electrolitos y no electrolitos ............................................................... 134 7.4 Propiedades de las soluciones ............................................................ 136 7.5 Coloides.............................................................................................. 142

    CAPTULO 8 VELOCIDAD DE REACCIN Y EQUILIBRIO QUMICO............................. 149

    8.1 Velocidad de las reacciones qumicas ................................................. 150 8.2 Factores que afectan las velocidades de reaccin ................................ 152 8.3 Sistemas en equilibrio qumico ........................................................... 157

    CAPTULO 9 CIDOS Y BASES ........................................ 167

    9.1 Definiciones de cido y base............................................................... 168 9.2 Reacciones de cidos y bases.............................................................. 171 9.3 Medida de la concentracin de H+y del pH........................................ 174 9.4 Soluciones buffer ................................................................................ 183

    CAPTULO 10 LOS ELEMENTOS DE LA VIDA.................... 193

    10.1 Los elementos ms importantes de la vida: oxgeno, carbono, nitrgeno e hidrgeno ........................................................................ 194

  • CONTENIDO ix

    10.2 Metales y iones metlicos de la vida ................................................... 202 10.3 No metales y iones no metlicos de la vida ......................................... 209

    CAPTULO 11 QUMICA NUCLEAR Y DE RADIACIN........................................ 217

    11.1 El ncleo ............................................................................................. 218 11.2 Radiactividad ...................................................................................... 218 11.3 Reacciones nucleares .......................................................................... 221 11.4 Deteccin y medida de la radiacin .................................................... 228 11.5 Efectos biolgicos de la radiacin ...................................................... 229 11.6 Usos mdicos de las sustancias radiactivas ......................................... 232

    CAPTULO 12 INTRODUCCIN A LA QUMICA ORGNICA ................................................. 239

    12.1 Qumica orgnica................................................................................ 240 12.2 Propiedades del carbono ..................................................................... 240 12.3 Estructuras moleculares de los compuestos orgnicos......................... 242 12.4 Frmulas estructurales condensadas ...... .......................................... 247 12.5 Clasificacin de los compuestos orgnicos .......................................... 251

    CAPTULO 13 ALCANOS Y HALUROS DE ALQUILO ................................................ 263

    13.1 Propiedades fsicas de los alanos ..................................................... 264 13.2 Nomenclatura de los alcanos ............................................................... 266 13.3 Ismeros de los alcanos....................................................................... 271 13.4 Cicloalcanos ........................................................................................ 273 13.5 Propiedades qumicas de los alcanos................................................... 276 13.6 Haluros de alquilo ............................................................................... 278

    CAPTULO 14 ALQUENOS, ALQUINOS Y AROMTICOS ......................................... 285

    14.1 Propiedades, estructuras y nombres de los alquenos ........................... 286 14.2 Isomera geomtrica............................................................................ 289 14.3 Propiedades qumicas de los alquenos ................................................ 294 14.4 Alquinos ............................................................................................. 300 14.5 Estructura, propiedades y nomenclatura de los hidrocarburos

    aromticos .......................................................................................... 301 14.6 Haluros aromticos .............................................................................. 305

  • x CONTENIDO

    CAPTULO 15 ALCOHOLES, FENOLES Y TERES.............. 313

    15.1 Introduccin ....................................................................................... 314 15.2 Estructuras, propiedades y nombres de los alcoholes.......................... 314 15.3 Alcoholes simples importantes........................................................... 320 15.4 Propiedades qumicas de los alcoholes............................................... 324 15.5 Fenoles................................................................................................ 329 15.6 teres .................................................................................................. 333

    CAPTULO 16 COMPUESTOS CARBONLICOS: ALDEHIDOS Y CETONAS........................... 339

    16.1 Compuestos carbonlicos ................................................................... 340 16.2 Nomenclatura de aldehidos y cetonas................................................. 341 16.3 Propiedades fsicas de aldehidos y cetonas ......................................... 345 16.4 Aldehidos y cetonas importantes........................................................ 347 16.5 Propiedades qumicas de los compuestos carbonlicos ....................... 350

    CAPTULO 17 CIDOS CARBOXLICOS Y SUS DERIVADOS...................................... 361

    17.1 Repaso de los cidos carboxlicos y sus derivados ................ ,............ 362 17.2 Nomenclatura de los cidos carboxlicos............................................. 362 17.3 Propiedades fsicas de los cidos carboxlicos..................................... 365 17.4 Acidez de los cidos carboxlicos ....................................................... 367 17.5 cidos carboxlicos importantes y sus sales........................................ 369 17.6 Propiedades qumicas de los cidos carboxlicos ............................... 371 17.7 Esteres y sus propiedades ................................................................... 373 17.8 Esteres importantes ............................................................................. 377

    CAPTULO 18 AMINAS Y AMIDAS..................................... 385

    18.1 Nomenclatura y propiedades de las aminas......................................... 386 18.2 Aminas heterocclicas......................................................................... 390 18.3 Propiedades qumicas de las aminas................................................... 395 18.4 Nomenclatura y propiedades de las amidas......................................... 397 18.5 Drogas que contienen nitrgeno......................................................... 401

    CAPTULO 19 CARBOHIDRATOS...................................... 409

    19.1 Introduccin a la bioqumica ............................................................. 410 19.2 Clasificacin de los carbohidratos ...................................................... 411

  • CONTENIDO xi

    19.3 Estereoismeros .................................................................................. 413 19.4 Monosacridos .................................................................................... 419 19.5 Reacciones y propiedades de los monosacridos................................. 423 19.6 Disacridos.......................................................................................... 427 19.7 Polisacridos ....................................................................................... 427

    CAPTULO 20 LPIDOS................................................. ....... 439

    20.1 Introduccin a los lpidos .................................................................... 440 20.2 cidos grasos ...................................................................................... 442 20.3 Triacilglicridos-grasas neutras........................................................... 444 20.4 Fosfolpidos......................................................................................... 448 20.5 Esteroides............................................................................................ 452 20.6 Membranas celulares........................................................................... 455

    CAPTULO 21 PROTENAS .................................................. 461

    21.1 Introduccin a las protenas................................................................. 462 21.2 Aminocidos ....................................................................................... 462 21.3 Pptidos y polipptidos....................................................................... 469 21.4 Estructura de las protenas................................................................... 470 21.5 Desnaturalizacin de las protenas....................................................... 476 21.6 Clasificacin de las protenas............................................................... 478

    CAPTULO 22 ENZIMAS..................................................... 487

    22.1 Introduccin a las enzimas.................................................................. 488 22.2 Nomenclatura y clasificacin de las enzimas ..................................... 489 22.3 Estructura y funcin de las enzimas .................................................... 493 22.4 Factores que influyen en la actividad enzimtica ................................ 495 22.5 Usos mdicos de las enzimas .............................................................. 504

    CAPTULO 23 CIDOS NUCLEICOS ................................... 511

    23.1 Introduccin a los cidos nucleicos .................................................... 512 23.2 Nucletidos......................................................................................... 513 23.3 cidos desoxirribonucleicos .............................................................. 520 23.4 cidos ribonucleicos .......................................................................... 525 23.5 Sntesis de las protenas ...................................................................... 528 23.6 DNA recombinante e ingeniera gentica............................................. 535

  • xii CONTENIDO

    CAPTULO 24 FLUIDOS CORPORALES ............................. 543

    24.1 Introduccin a los fluidos corporales .................................................. 544 24.2 La sangre ............................................................................................ 544 24.3 Hormonas ........................................................................................... 553 24.4 Fluidos digestivos ............................................................................... 557 24.5 La orina............................................................................................... 560

    CAPTULO 25 NUTRICIN ................................................. 567

    25.1 Nutricin ............................................................................................ 568 25.2 Nutrientes minerales........................................................................... 570 25.3 Vitaminas solubles en agua................................................................. 572 25.4 Vitaminas solubles en lpidos .............................................................. 577

    CAPTULO 26 PRODUCCIN DE ENERGA EN LOS SISTEMAS BIOLGICOS.............. 585

    26.1 Consideraciones energticas en las reacciones bioqumicas ............... 586 26.2 Bioenergtica ..................................................................................... 588 26.3 Sistema de transporte de electrones .................................................... 592 26.4 Ciclo del cido ctrico......................................................................... 601

    CAPTULO 27 METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS .............................. 611

    27.1 Rutas metablicas ............................................................................... 612 27.2 Introduccin al metabolismo de los carbohidratos ............................. 612 27.3 Gliclisis ............................................................................................. 614 27.4 Metabolismo del glicgeno ................................................................. 617 27.5 Gluconeognesis ................................................................................. 620 27.6 Regulacin del metabolismo de la glucosa.......................................... 624

    CAPTULO 28 METABOLISMO DE LOS LPIDOS Y LAS PROTENAS ...................................... 629

    28.1 Repaso del metabolismo de los lpidos ............................................... 630 28.2 Liplisis.............................................................................................. 632 28.3 Sntesis de los cidos grasos ............................................................... 637 28.4 Bioqumica de la Diabetes mellitus .................................................... 640 28.5 Catabolismo de los aminocidos y ciclo de la urea............................ 644 28.6 Interrelaciones entre el metabolismo de los lpidos,

    las protenas y los carbohidratos......................................................... 649

  • CONTENIDO xiii

    APNDICES.............................................................................. 655

    Apndice 1 Repaso de matemticas............................................................ 657 Apndice 2 Incertidumbre en la medida y cifras significativas................... 675 Apndice 3 Vitaminas................................................................................ 679 Apndice 4 Respuestas a los problemas con numeracin impar ................ 685

    GLOSARIO...................................................................... 723

    NDICE............................................................................ 739

  • PREFACIO

    Qumica general, orgnica y biolgica, segunda edicin en espaol, es un texto para los estudiantes que se inician en esta rea del conocimiento humano, pues les proporciona los conceptos fundamentales de la qumica general, orgnica, biolgica y fisiolgica. El objetivo primordial de este libro es proveer a los estudiantes de bases slidas en qumica, que les servirn en sus estudios de biologa, ciencias de la salud y en sus futuros cursos de qumica. Para lograr este objetivo integr con un enfoque qumico las aplicaciones biolgicas y las de ciencias de la salud. Sin em-bargo, no he omitido las discusiones de los principios importantes de la qumica en favor de las aplicaciones biolgicas. Ante todo Qumica general, orgnica y bio-lgica es un manual de qumica.

    Una pregunta que se hace el autor de un manual de qumica aplicada a la salud es: "qu tanta informacin debe incluir?" Ningn libro de volumen razonable pue-de presentar todos los temas significativos de la qumica general, orgnica y biol-gica. Al contrario, hay que hacer concesiones. En algunos casos, incluir un tema importante significa excluir o no enfatizar otros. Mas con la ayuda de mis excelentes revisores creo que he logrado el balance de temas que prefiere la mayora de profe-sores de qumica.

    ORGANIZACIN DE LOS CAPTULOS

    Los tpicos de qumica general estn contemplados en los captulos 1 al 11. Los captulos del 1 al 5 contienen los principios fundamentales de la qumica que sirven de soporte a los captulos restantes. Le dedico poco a la biologa en estos cinco primeros captulos porque he encontrado que al principio del curso muchas aplica-ciones biolgicas complicadas pueden frustrar al estudiante antes que estimularlo. Sin embargo, en los captulos del 6 al 11 he incluido mucho ms aplicaciones a la salud para ayudar a los estudiantes a comprender la importancia del estudio de los fundamentos de la qumica.

    Los captulos 1 al 11 fueron los ltimos en ser escritos. De esta manera fui capaz de suprimir o restar nfasis a los temas qumicos que no sustentaban los problemas de qumica orgnica o biolgica en los restantes captulos. El orden de los siete primeros captulos es el habitual en textos de qumica. Para discutir los conceptos de equilibrio en el agua, coloqu velocidades de reaccin y equilibrio qumico (captulo 8) antes de cidos y bases (captulo 9). El captulo 10 est dedica-do a los elementos de la vida. En l se discuten las propiedades, reacciones y ciclos biogeoqumicos del carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno; tambin se investi-gan las propiedades de minerales importantes encontrados en los sistemas vivos. Qumica nuclear y radioactiva (captulo 11) es un captulo independiente que puede ser presentado en cualquier lugar despus del captulo 3: elementos, tomos y la tabla peridica.

  • xvi PREFACIO

    La qumica orgnica se discute en los captulos 12 al 18. El captulo 12 es una introduccin a la qumica orgnica, en el cual he tratado de hacer lo ms fcil posible la transicin de la qumica inorgnica a la orgnica. Adems de los tpicos habitua-les incluidos en un captulo como ste, incorpor el anlisis de frmulas moleculares condensadas y grupos funcionales. El conocimiento temprano de las frmulas condensadas y grupos funcionales ayuda a los estudiantes a entender mejor los captulos restantes del libro.

    Omit las reacciones de sntesis orgnica y las reacciones orgnicas clsicas con nombres especficos que no refuerzan el material en las secciones de bioqumica y qumica fisiolgica; lo hice no porque estas reacciones no sean importantes, sino para presentar una discusin ms completa sobre bioqumica. En todos los captu-los de qumica orgnica estn esparcidas abundantemente las aplicaciones biolgi-cas y mdicas. Por ejemplo, aminas y amidas (captulo 18) contiene una seccin sobre las aminas y amidas heterocclicas importantes encontradas en los sistemas vivos y contenidas en medicamentos y drogas. La estereoqumica no est incluida en los captulos de qumica orgnica, pero est presente junto con los carbohidratos y otros compuestos bioqumicos pticamente activos.

    La bioqumica descriptiva se encuentra en los captulos 19 al 23. Las discusio-nes de carbohidratos, lpidos, protenas, enzimas y cidos nucleicos estn separa-das de los cinco captulos finales que abarcan la qumica fisiolgica. Creo que los estudiantes deben conocer las propiedades fundamentales y las reacciones de la mayora de las clases de compuestos biolgicos antes de emprender el estudio del complicado e interconectado metabolismo. La parte de bioqumica comienza con carbohidratos (captulo 19), que contiene una introduccin a la bioqumica y una discusin de estereoqumica adicionales a los tpicos incluidos habitualmente en un captulo como ste. El captulo 22 est dedicado en su totalidad a las enzimas debido a su importancia en la qumica fisiolgica y en el mundo de la medicina.

    La qumica fisiolgica se discute en los cinco ltimos captulos. El captulo 24 trata sobre los lquidos principales del cuerpo. El captulo 25 est dedicado a la digestin y nutricin humanas y contiene anlisis sobre requerimientos nutri-cionales, nutrientes macrominerales, minerales traza y vitaminas. Si el tempo no lo permite, se puede omitir este captulo o dejarlo como opcional. Produccin de energa en los sistemas biolgicos (captulo 26) es una introduccin a la bioenergtica y termina con un anlisis del sistema de transporte electrnico y del ciclo del cido ctrico. De esta manera los estudiantes estarn capacitados para dominar los aspec-tos especficos del metabolismo de los carbohidratos, lpidos y protenas en los dos captulos finales, considerando que las rutas del catabolismo producen muchos de los precursores para el sistema de transporte electrnico y el ciclo del cido ctrico.

    PRESENTACIN DE LOS CAPTULOS

    Cada captulo empieza con una gua de estudio que resumen lo ms importante de cada uno de ellos. Todos los captulos contienen ilustraciones y fotografas para ayudar a los estudiantes a visualizar los conceptos abstractos de la qumica. Cuan-do se consider apropiado, se agregaron mnemnicas, diagramas y mapas de cl-culos. Las notas marginales de informacin amplan los temas presentados en el texto. En los captulos que contienen problemas numricos se presentan problemas

  • PREFACIO xvii

    modelo que se resuelven completamente en cuatro etapas; este procedimiento incluye el mtodo de conversin de factores. A lo largo del texto se incita a los estudiantes a que den sus respuestas con el nmero correcto de cifras significati-vas y con las unidades correctas. Al final de cada seccin del captulo se encuen-tran las preguntas de repaso, que pueden ser utilizadas por los estudiantes para comprobar sus conocimientos de la seccin antes de continuar con las siguientes. Cada captulo termina con el resumen completo de los temas ms importantes y con 50 a 80 preguntas y problemas. El enfoque de las preguntas y problemas vara desde el simple repaso hasta las tareas que incitan a pensar.

    APNDICES Y GLOSARIO

    Los apndices de Qumica general, orgnica y biolgica contienen informacin valiosa. En el apndice 1 (Repaso de Matemticas) se trata de las operaciones algebraicas, de la notacin cientfica y la construccin de grficas. En el apndice 2 (Incertidumbre de medidas y cifras significativas) se discute la precisin de las medidas y las operaciones con cifras significativas. El apndice 3 (Vitaminas) inclu-ye en una tabla los nombres, las estructuras, solubilidades, fuentes alimenticias y los sntomas de deficiencia de todas las vitaminas. El apndice 4 contiene las res-puestas para casi todos los problemas y preguntas con nmero impar. Todas las respuestas se pueden encontrar en el Instructor 's Manual. El libro termina con un extenso glosario, que incluye todos los conceptos importantes manejados en el texto.

    MATERIALES SUPLEMENTARIOS

    Qumica general, orgnica y biolgica tiene una coleccin completa de materiales auxiliares. La Study Guide escrita para los estudiantes por Daniel Pantaleo y Wayne Anderson, de la Universidad de Bloomsburgo, contiene explicaciones de los tpi-cos ms importantes as como problemas modelo adicionales, autoexmenes y las respuestas de algunas preguntas de fin de captulo. Chemistry in Action, de Erwin Boschmann y Norman Wells, es el manual de laboratorio para acompaar el texto. Chemistry in Action contiene experimentos en qumica general, orgnica y biolgi-ca, todos ellos cuidadosamente descritos y, cuando es necesario, con advertencias sobre su peligrosidad. El Instructor 's Manual consta de cuatro secciones; una seccin contiene respuestas para todos los problemas y preguntas del libro; otra seccin contiene el banco de exmenes que incluye 1 200 preguntas con varias respuestas, a escoger la correcta. El banco computarizado de estas preguntas, Microexaminer, est disponible en diskettes para el uso en las microcomputadoras ms comunes. Las dos ltimas secciones del Instructor 's Manual contienen la gua para el manual de laboratorio y un juego de lminas transparentes para algunas ilustraciones del texto.

    AGRADECIMIENTOS

    La creacin de este texto es el resultado del trabajo en equipo. En las etapas de formacin y desarrollo de Qumica general, orgnica y biolgica recib la invaluable

  • xviii PREFACIO

    asistencia y consejos de un equipo excepcional de revisores. Quisiera expresar a estas personas mi ms sincero reconocimiento por sus beneficiosas crticas, suge-rencias y correcciones:

    Hugh Akers, Universidad de Lmar P. Wayne Ayers, Universidad del Este de Carolina Robert Batch, Colegio Canad Thomas Berke, Colegio de la Comunidad de Brookdale Therese Blecha, Colegio Marymount de Kansas Raymond Bratten, Colegio de la Comunidad de Piedmont de Virginia James R. Braun, Colegio Jnior de Clayton David Byrd, Universidad del Noreste de Louisiana Sharon L. Coleman, Colegio Estatal del Sureste de Missouri Neil R. Coley, Colegio Chabot Andrew C. Dachauer, Universidad de San Francisco Benjamn Feinberg, Universidad de Wisconsin-Milwaukee Alfred Foster, Universidad de Toledo George Gorin, Universidad del Estado de Oklahoma Stanley Grenda, Universidad de Nevada, Las Vegas John Griswold, Colegio de Cedar Crest Robert H. Harris, Universidad de Nebraska-Lincoln William L. Loeschke, Universidad de Valparaso P. Calvin Maybury, Universidad de la Florida del Sur Howard D. Mettee, Universidad de Youngstown William G. Movius, Universidad del Estado de Kent Nancy S. Paisley, Colegio Estatal de Montclair Thomas Pynadath, Universidad del Estado de Kent William Schulz, Universidad Oriental de Kentucky Ronald Swisher, Instituto de Tecnologa de Oregon David Tuleen, Universidad de Vanderbilt Ray M. Ward, Colegio Bakersfield Donald Williams, Colegio Hope Vernon L. Wolfmeyer, Colegio Jefferson

    Quisiera agradecer a mis colegas del Colegio de la Comunidad de Hillsborough, Drs. Robert Buckley y Kurt Donaldson, por su asistencia en lo referente a contestar todas las preguntas y problemas del libro; tambin quisiera expresar mi reconoci-miento al Dr. Stanley Birkin, de la Universidad de la Florida del Sur, por elaborar el Microexaminer o banco de preguntas computarizado.

    Una vez ms tuve el placer de trabajar con muchos profesionales de la Divisin Universitaria de McGraw-Hill Book Company. Agradezco sinceramente a toda la gente que trabaj intensamente en la produccin de este libro. Tengo una gran deuda con Kathleen Civetta, quien perfeccion el manuscrito y ayud en todos los aspectos para preparar la edicin del libro. Mis agradecimientos especiales para Stephen Zlotnik, el editor anterior de qumica, y para Karen Misler, actual editor de qumica; Jack Maisel, supervisor de edicin; Jo Jones, diseador; Leroy Young, supervisor de produccin; Celine Keating, copieditora; y Rosemary Rossi, investi-gadora en fotografa.

  • PREFACIO xix

    Mi esposa Cynthia y mi hija Natasha fueron mi inspiracin en este proyecto. Ellas me dieron su amor, apoyo y comprensin durante el transcurso del trabajo. No puedo expresar mi gratitud slo con palabras.

    Drew H. Wolfe

  • QUMICA GENERAL, ORGNICA Y BIOLGICA

  • 1 MATERIA Y ENERGA

  • 2 CAPTULO 1

    1.1 PROPIEDADES DE LA MATERIA

    Introduccin

    Nuestros cuerpos y todas las cosas materiales que nos rodean y constituyen el mundo, se componen de materia. Materia es todo aquello que ocupa un espacio y posee masa (la masa, una propiedad de la materia, se considera en el captulo 2). La qumica es el estudio de las propiedades de la materia y de los cambios que sta experimenta.

    Los qumicos son los cientficos que estudian la composicin y la estructura de la materia. La composicin se refiere a las identidades y cantidades de los componentes de la materia. La estructura se refiere a la distribucin de los com-ponentes de la materia.

    Otros ejemplos de propiedades fsicas son la densidad, la fuerza de tensin, la compresin, la fluidez y la viscosidad.

    Si se magnetiza una barra de hierro, sta experimenta un cambio fsico. An-tes, durante y despus del cambio, la barra magnetizada contina siendo hierro.

    Propiedades y cambios fsicos

    Propiedades fsicas son las caractersticas de las sustancias individuales que pue-den medirse sin cambiar la composicin de la sustancia. Las sustancias son las for-mas ms bsicas de la materia: elementos y compuestos. Estudiaremos los elemen-tos y los compuestos en la seccin 1.1. Algunos ejemplos de propiedades fsicas son el color, la dureza, la conductividad elctrica, el punto de fusin y el punto de ebullicin. Las propiedades fsicas se determinan mediante la observacin de lo que ocurre cuando la materia interacta con la luz, el calor, la electricidad y otras formas de energa, o cuando es sometida a diferentes tensiones y fuerzas.

    Cada sustancia tiene una serie de propiedades fsicas que la diferencian de otras sustancias. Por ejemplo, el agua es un lquido incoloro que ebulle a 100C y funde a 0C. El agua se distingue fcilmente del bromo, el cual es un lquido txico de color marrn rojizo que ebulle a 59C y funde a -7.2C.

    Cuando las propiedades fsicas de una sustancia se alteran pero la composi-cin permanece igual, decimos que ha ocurrido un cambio fsico. En un cambio fsico no se forma una nueva sustancia. Son ejemplos los cambios de dimensin, estado, forma, propiedades magnticas y conductividad elctrica. Despus de un cambio fsico, la sustancia inicial est an presente, pero se encuentra en un estado modificado. Por ejemplo, cuando una roca se tritura, conserva la composicin inicial; solamente el tamao de sus partculas ha cambiado. Cuando el agua lqui-da se congela, se convierte en agua congelada o hielo. De este congelamiento no resulta ninguna sustancia nueva; vase la figura 1.1.

    Las propiedades qumicas y los cambios

    Cuando cambia la composicin de una sustancia, decimos que ha ocurrido un cambio qumico. En tales cambios se forman nuevas sustancias con propiedades fsicas diferentes de las originales. Si se quema un pedazo de papel, las cenizas y gases invisibles resultantes tienen propiedades fsicas diferentes a las del papel. El papel ya no existe. Las propiedades qumicas describen cmo la composicin de

  • MATERIA Y ENERGA 3

    FIGURA 1.1 o) Despus de que sucede un cambio fsico, la composicin de una sustancia permanece igual. La accin del calor sobre el hielo lo trans-forma en agua lquida, mientras que al someter el agua lquida al calor sta cam-bia a vapor, b) Slo hay un cambio en la forma de la roca cuando se rompe en pedazos; un cambio en la forma es un cambio fsico. Los cambios qumicos son usualmente menos reversibles que los cambios f-sicos.

    una sustancia cambia o no, cuando sta interacta con otras sustancias o formas de energa. Las propiedades qumicas solamente se observan cuando una sustancia cambia su composicin. Por ejemplo, el hecho de que la nitroglicerina explote cuando se detona es una propiedad qumica, ya que es un cambio qumico que experimenta la nitroglicerina. Otro ejemplo de propiedad qumica es la corrosin del hierro expuesto al aire. Despus de la corrosin del hierro, se produce el xido de hierro (una nueva sustancia). La figura 1.2 muestra ejemplos de cambios qu-micos.

    FIGURA 1.2 a) Despus de que sucede un cambio qumico, cambia la composicin del material inicial. El gas natural se quema en un mechero Bun-sen, los productos resultantes son dixido de carbono, monxido de carbono y vapor de agua, b) Si se pasa una corriente elctrica a travs del agua, sta sufre un cambio qumico separndose en sus elementos constitu-yentes, hidrgeno y oxgeno.

  • 4 CAPTULO 1

    EJERCICIOS DE REPASO

    1.1 Con qu est relacionado bsicamente el estudio de la qumica? 1.2 D una definicin de materia. 1.3 Enumere cinco tipos diferentes de materia. 1.4 Cul es la diferencia entre la composicin y la estructura de la materia? 1.5 a) Qu es una propiedad fsica? b) D un ejemplo de propiedad fsica, c) Qu es un

    cambio fsico? d) D un ejemplo de cambio fsico, e) Cmo se diferencia una pro piedad fsica de un cambio fsico?

    1.6 a) Qu es una propiedad qumica? b) D un ejemplo de propiedad qumica, c) Qu es un cambio qumico? d) D un ejemplo de cambio qumico, e) Cmo se diferencia una propiedad qumica de un cambio qumico?

    1.2 CLASIFICACIN DE LA MATERIA

    La figura 1.3 muestra una de las posibles clasificaciones de la materia. Primero determinemos si una porcin de materia es una sustancia o una mezcla. Las sus-tancias se dividen en elementos y compuestos. Las mezclas pueden ser homog-neas y heterogneas. Consideremos cada una de estas categoras.

    Sustancias

    Si una porcin de materia cumple con las tres propiedades siguientes, se puede clasificar como sustancia:

    El perxido de hidrgeno es un agente antisptico comn que se compone de hidrgeno y oxgeno. El perxido de hidrgeno est compuesto de 6% en peso de hidrgeno y 94% en peso de oxgeno.

    1. Presenta la misma composicin en toda la muestra. 2. Sus componentes no pueden separarse mediante mtodos fsicos. 3. Experimenta cambios de estado a una temperatura constante.

    El anlisis de una sustancia revela idntica composicin en toda la muestra. Todas las partes de una sustancia contienen el mismo porcentaje de cada componente. El

    FIGURA 1.3 Todas las formas de la materia se pueden clasificar como sustancias o como mezclas. Las sustan-cias incluyen los elementos y los com-puestos. Las mezclas se subdividen en mezclas homogneas y heterogneas.

  • MATERIA Y ENERGA 5

    agua es una sustancia; todas las muestras de agua contienen 11% en peso de hidr-geno y 89% en peso de oxgeno. Si se encuentran porcentajes diferentes de hidr-geno y oxgeno en peso, entonces la sustancia no es agua pura, o simplemente, no es agua.

    Las sustancias no pueden separarse mediante mtodos fsicos. Se requiere de medios qumicos para lograr su total separacin. Por ejemplo, una manera de se-parar agua en sus componentes, hidrgeno y oxgeno, es pasar una corriente elc-trica a travs de ella, un mtodo qumico. Los mtodos fsicos tales como la filtra-cin o el calentamiento suave, no separarn el agua en sus componentes; el agua simplemente pasar a travs del filtro y el calentamiento solamente cambiar el agua a vapor, el cual es agua en estado gaseoso.

    Todas las sustancias experimentan cambios de estado a determinadas tempe-raturas. Un cambio de estado ocurre cuando un estado fsico (slido, lquido o gaseoso) cambia a otro. El punto de fusin de un slido particular es la temperatu-ra a la cual este slido pasa a lquido. El punto de ebullicin de un determinado lquido es la temperatura a la cual el lquido se convierte en gas. Por ejemplo, el punto de fusin del agua es de 0.0C y su punto de ebullicin es de 100C.

    Las sustancias se dividen en dos grupos: elementos y compuestos. Los ele-mentos son sustancias que no se pueden descomponer por medio de mtodos qu-micos. Los compuestos son sustancias que pueden descomponerse qumicamente en sus elementos constituyentes.

    La tabla peridica es la tabla ms impor-tante en qumica.

    Elementos

    Los elementos son las unidades bsicas de la materia. Estn contenidos en todas las clases de materia. Hoy se conocen cerca de 108 elementos diferentes, aproxi-madamente 90 se presentan en forma natural y los otros se obtienen artificialmente.

    Todos los elementos conocidos se encuentran en la tabla peridica (vanse las pginas 6 y el final del ndice). Cada elemento est localizado en una fila hori-zontal llamada periodo y en una columna vertical llamada grupo. Cada periodo est numerado consecutivamente del 1 a 7; a cada grupo de elementos se le asigna un nmero romano (I a VIII) y una letra (A o B); vase la figura 1.4. Una lista de los elementos en orden alfabtico se muestra tambin al final del ndice.

    Los smbolos qumicos se utilizan para designar cada elemento. Los smbo-los se derivan de la primera o las dos primeras letras del nombre del elemento en lenguaje moderno o en latn. Por ejemplo, los smbolos para el carbono, boro y nitrgeno son C, B y N, respectivamente; en cada caso, los smbolos corresponden a la primera letra del nombre del elemento. Los smbolos para el sodio, potasio, y hierro son Na, K y Fe respectivamente; en estos ejemplos, los smbolos son las primeras letras de sus nombres en latn: natrium, kalium, y ferrum. Cuando el smbolo de un elemento consta de dos letras, como Na, la primera letra es siempre mayscula y la segunda minscula. Por ejemplo, el smbolo para el cobalto es Co, y no CO. Esta distincin es importante porque CO no es un smbolo, sino que corresponde a la frmula del compuesto llamado monxido de carbono.

  • FIGURA 1.4 Todos los elementos se encuentran en la tabla peridica. Cada elemento es un miembro de un grupo qumico correspondiente a las columnas verticales y de un periodo, en las filas horizontales. A cada grupo qumico se le asigna un nmero romano y una letra (A o B). Cada grupo se denota mediante un nmero.

    El dixido de carbono, CO2, es liberado por las clulas cuando producen ener-ga.

    Compuestos

    Los compuestos son la segunda clase de sustancias. Para formar compuestos los elementos experimentan cambios qumicos, de manera que los compuestos son combinaciones qumicas de los elementos. En consecuencia, los compuestos slo pueden separarse por medios qumicos.

    Para representar los compuestos se utilizan frmulas qumicas. Cada frmu-la qumica muestra su composicin. Por ejemplo, la frmula del agua es H2O, es decir que el agua se compone de dos partes de hidrgeno y una parte de oxgeno. Cada frmula consta de los smbolos de los elementos que constituyen el com-puesto con subndices escritos a la derecha de estos smbolos. Por ejemplo, la frmula del dixido de carbono, CO2, indica que en el compuesto hay una parte de carbono y dos partes de oxgeno. El nmero 1 no se escribe nunca como subndice. Si no hay subndice en seguida del smbolo, se presume que es uno.

    La frmula anterior se lee, "ce-o-dos".

    Otros ejemplos de compuestos son: NaCl, cloruro de sodio; CH4, metano y C12H22O11, sacarosa. El NaCl es la sal de cocina. La mayora de los lquidos en los seres vivientes contienen cierta cantidad de NaCl disuelto. El metano, CH4, es un

    6 CAPTULO 1

    TABLA PERIDICA DE LOS ELEMENTOS

  • MATERIA Y ENERGA 7

    En Estados Unidos la mayora de sus habitantes consumen ms de 50 kilos de sacarosa cada ao.

    gas que se encuentra en grandes concentraciones en el gas natural. La sacarosa, C12H22O11, es el azcar de mesa. La sacarosa es el agente edulcorante de mayor uso en el mundo.

    Mezclas

    Las mezclas constituyen la segunda divisin principal de la materia. Las mezclas constan de dos o ms sustancias asociadas fsicamente. Si una porcin de materia presenta las tres propiedades siguientes, se clasifica entonces como mezcla:

    1. Su composicin es variable. 2. Sus componentes pueden separarse mediante mtodos fsicos. 3. Experimenta cambios de estado en un intervalo considerable de temperatura.

    Dos sustancias pueden mezclarse en cualquier proporcin para formar una mezcla. Las mezclas, a diferencia de las sustancias, se pueden separar mediante mtodos fsicos. Por ejemplo, una mezcla de azcar y agua puede separarse en sus componentes por evaporacin del agua, permaneciendo el azcar en el recipiente. Una mezcla experimenta un cambio de estado en un intervalo considerable de temperatura. El intervalo de temperatura comprende desde el punto donde la mez-cla comienza a cambiar de estado hasta la temperatura donde toda la mezcla se halla en el nuevo estado.

    Como ejemplos de mezclas figuran la leche, la gasolina, el agua de mar y el aire no contaminado. Los componentes de la leche incluyen compuestos tales como agua, protenas, grasas y vitaminas. La gasolina es una mezcla de muchos com-puestos orgnicos, principalmente compuestos de carbono e hidrgeno. El agua de mar es primordialmente agua con un gran nmero de sustancias disueltas: mi-nerales, sales y gases. El aire libre de contaminacin es una mezcla de gases, principalmente de los elementos nitrgeno y oxgeno, con cantidades menores de dixido de carbono, vapor de agua, argn y otras sustancias.

    Hetero es un prefijo que significa "diferente".

    Mezclas homogneas y heterogneas

    Las mezclas se clasifican en homogneas y heterogneas. Una mezcla heterognea es aquella que presenta ms de una fase. Una fase es una regin observable de

    FIGURA 1.5 Las mezclas heterog-neas contienen dos o ms fases, a) Si se mezcla el agua y el aceite, se pro-duce una mezcla de dos componentes. b) Si se mezcla arena y agua, se obtiene una mezcla de dos compo-nentes. En esta mezcla se encuentra la fase lquida del agua y la fase slida de la arena.

  • 8 CAPITULO 1

    Homo es un prefijo que significa "lo mismo" o "semejante".

    Alcohol de caa es un nombre comn para el etanol.

    materia con una composicin diferente a la de las regiones que la rodean. Cada fase se distingue por sus propiedades de las regiones limitantes.

    Cuando se agrega arena al agua, la arena no se disuelve, simplemente se pre-cipita hacia el fondo del recipiente. Cuando se observa la arena y el agua, se puede diferenciar la fase slida de la arena y la fase lquida del agua. El aceite y el agua, la sal y la arena, son dos ejemplos de mezclas heterogneas. Ejemplos adicionales de mezclas heterogneas se encuentran en la figura 1.5.

    Las mezclas homogneas de sustancias son las llamadas soluciones. Cuando se observa una solucin, nicamente se ve una fase. Un ejemplo de solucin es la mezcla azcar-agua, la cual se prepara adicionando azcar slido al agua lquida. Despus de disolver el azcar, se obtiene una mezcla homognea; vase la figura 1.6. Cuando se tiene una solucin de azcar-agua, a simple vista no se puede asegurar si lo que se tiene es agua pura o una solucin acuosa.

    Otro ejemplo de una solucin lquida es la mezcla de alcohol de caa y agua. El contenido de alcohol en algunos licores puede variar desde porcentajes muy

    FIGURA 1.6 Una solucin es una mezcla homognea de sustancias. Cuando se disuelve un cubo de azcar en agua, produce una solucin azcar-agua la cual corresponde a una mezcla homognea de dos sustancias.

    FIGURA 1.7 a) Una mezcla de agua y arena se separa por filtracin de gravedad. La mezcla se vierte en un embudo que contiene papel de filtro. El agua pasa a travs del papel de filtro y las partculas de arena quedan atrapadas en el papel de filtro, b) Una mezcla de hierro y aluminio se separa con un imn. El imn extrae el hierro por fuerte atraccin hacia l. El aluminio no es atrado por el imn.

  • MATERIA Y ENERGA 9

    bajos hasta un 60% de alcohol en volumen. El aire es una solucin gaseosa; todas las mezclas gaseosas presentan una sola fase y por lo tanto, todas las mezclas gaseosas son soluciones.

    Todas las mezclas, sean homogneas o heterogneas, pueden separarse me-diante mtodos fsicos. Por ejemplo, para separar una solucin de sal y agua, se evapora el agua (vase la figura 1.7); la sal queda en el recipiente y el agua se condensa. Se puede separar una mezcla de limaduras de hierro y aluminio me-diante un imn. El imn extrae el hierro del aluminio (vase la figura 1.7).

    EJERCICIOS DE REPASO

    1.7 a) Cules son las dos divisiones principales de la materia? b) Cules son las clases de materia en que a su vez se subdividen estas dos?

    1.8 Cmo se diferencia un compuesto de un elemento? 1.9 Cules son los nombres para cada uno de los siguientes elementos? a) Si, b) Ca, c)

    Li, d) F, e) V. 1.10 Escriba los smbolos para los siguientes elementos: ) arsnico, b) potasio, c) sodio,

    d) aluminio, e) manganeso. 1.11 Haga una lista de los nombres y smbolos de todos los elementos cuyos smbolos

    comiencen con la letra M. 1.12 Escriba los nombres y los smbolos para todos los elementos cuyos nombres

    comiencen con la letra B. 1.13 Qu se conoce de un compuesto cuando se tiene su frmula? 1.14 Escriba el nombre y cantidad de cada elemento en los siguientes compuestos: a)

    N2O, b) AsH3, c) AlPO4, d) K2SO4, e) Ca(OH)2. 1.15 a) Qu es una fase de la materia? b) Qu clases de materia exhiben ms de una

    fase? 1.16 Cmo se diferencia una mezcla homognea de una heterognea? D un ejemplo de

    cada una.

    1.3 ENERGA

    La energa se define como la capacidad o la habilidad para hacer un trabajo. El trabajo se realiza cuando la materia es desplazada aplicndole una fuerza ya sea de empuje o de traccin. Por ejemplo, se realiza un trabajo cuando se levanta un libro de una mesa o se lanza un baln; vase la figura 1.8. En ciencia, algo se debe mover para hacer trabajo. Por lo tanto, energa es la capacidad de mover o efectuar cambios en la materia.

    Existen dos formas generales de energa: potencial y cintica. Energa po-tencial es la energa almacenada; sta puede ser almacenada de tres formas. Un objeto puede poseer energa potencial como consecuencia de su posicin, condi-cin o composicin. Por ejemplo, una roca en la parte alta de un risco, posee energa potencial de posicin (la roca puede caer del risco y aplastar los objetos ubicados debajo de ella). Un resorte comprimido posee una energa potencial de condicin; espontneamente el resorte puede expandirse y hacer un trabajo (im-pulsar algo). La nitroglicerina posee energa potencial de composicin o energa potencial qumica. Nadie deseara agitar vigorosamente una botella de nitroglice-rina y liberar la energa almacenada en ella.

  • 10 CAPTULO 1

    FIGURA 1.8 Se realiza un trabajo cuando una fuerza acta sobre una distancia. Si una persona alza un libro de ur a mesa (aplicacin de una fuerza), el libro se desplaza una cierta distancia de la mesa; por lo tanto la persona ha realizado un trabajo sobre el libro.

    Si dos objetos tienen igual masa, aquel que se mueva ms rpido poseer ms energa cintica.

    Energa cintica es la energa asociada con la materia en movimiento. Cuan-do un objeto se mueve, posee energa cintica. La energa potencial se libera en forma de energa cintica. Una roca en la cumbre de un risco posee solamente energa potencial, pero tan pronto cae del risco su energa potencial se convierte en energa de movimiento o cintica. En el momento en que la roca golpea el suelo y cesa el movimiento, no posee ms energa cintica (vase la figura 1.9).

    La energa cintica de un objeto es directamente proporcional a su masa y velocidad (la velocidad es una medida de la rapidez y de la direccin). Cuanto mayor sea la masa de un objeto y ms rpido su movimiento, mayor ser la energa cintica que posee; sta se calcula utilizando la siguiente frmula:

    en la cual EC es energa cintica, m es la masa, y v la velocidad del objeto.

    La energa se encuentra en las siguientes formas: mecnica, elctrica, qumi-ca, lumnica, calrica, sonora y nuclear. Todos estos ejemplos son formas de ener-ga, ya que cada una tiene la capacidad de producir cambios en la materia.

    La energa puede transformarse de una forma a otra; por ejemplo, los seres vivos toman los alimentos y los transforman en energa biolgica. Las plantas pueden transformar la energa lumnica en energa qumica durante el proceso fotosinttico. La energa potencial qumica de la gasolina se transforma en energa mecnica y en energa calrica en el motor de un automvil.

    ENERGA CALRICA

    La mayor parte de la energa alma-cenada en los alimentos se encuentra en las grasas y los carbohidratos.

    FIGURA 1.9 a) Una piedra sobre el suelo no tiene energa cintica porque no se est moviendo, y no tiene energa potencial con respecto al suelo, b) Se necesita energa para mover la roca hasta la cima del risco. En la cima del risco la roca no tiene energa cintica, pero tiene energa potencial de posicin con respecto al suelo. A mayor distan-cia, h, del suelo, mayor es su energa potencial, c] Si la roca se cae del risco, posee energa cintica y potencial hasta que llegue al suelo.

    La energa calrica es especialmente importante porque todas las otras formas de energa pueden transformarse en calor, y porque en las reacciones qumicas hay transferencia de calor. El calor es una forma de energa cintica; nunca puede clasificrsele como energa potencial. Genera cambios qumicos y fsicos, con un calentamiento suficiente, los slidos se funden, los lquidos se evaporan y algunas sustancias se descomponen o experimentan cambios qumicos.

    Qu ocurre cuando se calienta una sustancia? Se puede decir que se torna ms caliente. En algunas casos esto es correcto. La materia se torna ms caliente, debido a que el calor transferido incrementa el movimiento de las partculas que la componen y hay un aumento de energa cintica. Observamos dicho incremento

  • MATERIA Y ENERGA 1 1

    FIGURA 1.10 o) Si dos objetos a diferentes temperaturas (T1 > T2) se ponen en contacto, el calor fluye espon-tneamente del objeto caliente, T1 hacia el objeto ms fro, T2. Inicialmente T1 dis-minuye de temperatura y T2 aumenta hasta que T1 se hace igual a T2, en ese momento, cesa el flujo de calor, b) Si dos objetos a la misma temperatura (T1 = T2) se ponen en contacto no se transfiere calor entre los objetos.

    de la energa cintica mediante la determinacin de la temperatura de la sustancia. El aumento de la temperatura de la sustancia, conlleva un movimiento ms rpido de sus partculas.

    La energa calrica se detecta solamente cuando se pasa de un cuerpo a otro. El calor se transfiere en un solo sentido, siempre se transfiere de un objeto ms caliente a un objeto ms fro; el fenmeno inverso no se presenta nunca espont-neamente (vase la figura 1.10).

    Cuando dos objetos que estn a temperaturas diferentes se ponen en contacto, el calor se transfiere al objeto con la ms baja temperatura. Las partculas rpidas del objeto caliente chocan con las partculas lentas del objeto fro. Durante estas colisiones o choques, la energa se transfiere de las partculas que se estn movien-do rpidamente a las partculas de movimiento lento; en otras palabras, la energa cintica promedio de las partculas rpidas disminuye y la energa cintica prome-dio de las partculas lentas aumenta. Cuando las energas promedio llegan a ser iguales, el flujo de calor se detiene.

    Consideremos lo que ocurre al dejar una taza de caf caliente durante cierto tiempo en una habitacin. A medida que transcurre el tiempo, la temperatura del caf disminuye. Si ste no se consume, su temperatura continuar descendiendo, hasta alcanzar la misma temperatura de la habitacin. Qu le sucede al calor? El calor fluye del caf a los alrededores ms fros y calienta la habitacin; pero la cantidad total original de calor en el caf es demasiado pequea para elevar significativamente la temperatura de la habitacin.

    EJERCICIOS DE REPASO

    1.17 Escriba dos definiciones diferentes de energa. 1.18 a) Cules son los tres tipos diferentes de energa potencial? b) Cul es la diferencia

    entre energa potencial y energa cintica? 1.19 Cules son los dos factores que determinan la energa cintica de un objeto? 1.20 Qu tipo de transformaciones de energa tiene lugar en un rayo? 1.21 En qu direccin fluye espontneamente el calor? D una explicacin. 1.22 Describa la diferencia entre calor y temperatura.

    1.4 CONSERVACIN DE LA MATERIA Y DE LA ENERGA

    Con frecuencia, la ley de conservacin de la materia, se denomina ley de conservacin de la masa.

    La materia y la energa estn regidas por dos leyes naturales fundamentales. Una se conoce como ley de conservacin de la materia y la otra se denomina ley de conservacin de la energa.

    La ley de conservacin de la materia establece que la materia no se puede crear ni destruir durante los cambios qumicos ordinarios. Ilustremos analizando lo que ocurre a un lefio cuando se quema en una chimenea. La masa de todos los productos gaseosos, holln, partculas de polvo y cenizas es igual a la masa inicial del lefio quemado ms la masa del oxgeno; vase la figura 1.11. Si las masas no son iguales, podemos asegurar, con certeza, que se cometi un error. La materia no se puede destruir. Si la materia se "pierde" en una parte del universo, reaparece en otro lugar; realmente no se pierde.

  • 12 CAPTULO 1

    Un motor eficiente convierte en energa mecnica solamente del 10% al 20% de la energa almacenada en el combus-tible.

    FIGURA 1.11 En un recipiente cerra-do, un leo y una cantidad de oxgeno (O2), tienen una masa conjunta de 100 kg. Si el leo se prende y se deja que-mar, ste libera una mezcla de gases. Despus de que se ha quemado comple-tamente, la masa de las cenizas y de los productos gaseosos es igual a 100 kg, masa del leo y del oxgeno. En las reacciones qumicas la masa se con-serva.

    La ley de conservacin de la energa establece que la energa no puede crearse ni destruirse. Como se discuti anteriormente, sta puede transformarse de una forma a otra. Durante estas conversiones no se pierde energa. Si hay una prdida aparente de energa, se debe a que existe un error de medicin; la energa se en-cuentra en alguna parte del universo. Generalmente, la energa que no se puede "encontrar" ha escapado en forma de calor.

    El calor es inevitablemente emitido en las transformaciones de energa. Por ejemplo, solamente una pequea cantidad de la energa recibida por el filamento de una bombilla es convertida en luz; la mayora se emite como calor. El cuerpo humano es una "mquina" eficiente, pero aun as slo est capacitado para tomar una fraccin relativamente pequea de la energa que poseen los alimentos. Parte del calor que se pierde de esta manera, se utiliza para mantener la temperatura apropiada del cuerpo.

    Despus de que Albert Einstein descubri la equivalencia entre materia y energa, en la cual demostr que la materia y la energa son intercambiables, las dos leyes de conservacin enunciadas anteriormente se combinaron en una ley llamada ley de conservacin de la materia y de la energa. As, la materia puede convertirse en energa y la energa en materia; por lo tanto una prdida de materia genera energa y una prdida de energa genera materia; vase la figura 1.12. Tales conversiones tienen lugar en reacciones especficas conocidas como reacciones nucleares, las cuales se consideran en el captulo 9. En todos los otros casos son aplicables la ley de conservacin de la materia y la ley de conservacin de la energa.

    RESUMEN

    La qumica estudia las propiedades de la materia y los cambios que sta experi-menta. Materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. El estudio de la qumica se relaciona con la composicin y la estructura de la materia. La

  • MATERIA Y ENERGA 13

    FIGURA 1.12 La energa liberada en la explosin de una bomba atmica se debe a la transformacin de una pequea cantidad de materia en ener-ga. La explosin que aparece en la figura ocurri en 1952 en un sitio de pruebas localizado en Nevada, Estados Unidos. Este pas ya no hace pruebas atmosfricas de bombas nucleares. (Agencia de Defensa Nuclear)

    composicin hace referencia a las identidades y cantidades de los componentes de la materia. La estructura se refiere al arreglo espacial de los componentes de la materia.

    Para identificar los diferentes tipos de materia, se pueden utilizar las propie-dades fsicas y qumicas. Una propiedad fsica es aquella que puede medirse sin cambiar la composicin de la sustancia. Ejemplo de propiedades fsicas son el color, la forma, el punto de fusin y el punto de ebullicin. Las propiedades qu-micas se observan cuando las sustancias experimentan cambios qumicos. La combustibilidad o las caractersticas inertes son ejemplos de propiedades qumi-cas.

    La materia se clasifica en sustancias y mezclas. Las sustancias poseen una composicin constante, no pueden separarse mediante procesos fsicos y experi-mentan cambios de estado a temperatura constante. Las mezclas tienen una com-posicin variable, pueden separarse utilizando medios fsicos y experimentan cam-bios de estado en un intervalo amplio de temperaturas. Las sustancias se subdivi-den en elementos y compuestos; los elementos son las unidades fundamentales de la materia. Los compuestos constan de dos o ms elementos combinados qumica-mente. Las mezclas pueden ser homogneas o heterogneas. Una mezcla homog-

  • 14 CAPTULO 1

    nea es una combinacin de sustancias que presenta una sola fase; las mezclas homogneas se conocen como soluciones. Las mezclas heterogneas difieren de las mezclas homogneas en que poseen dos o ms fases.

    La energa es la capacidad o habilidad para hacer un trabajo. La energa tiene dos clasificaciones principales: energa potencial y cintica. La energa potencial es la energa almacenada como resultado de la posicin, condicin o composicin qumica de un cuerpo. La energa cintica es la energa del movimiento. Todas las cosas que se mueven poseen energa cintica. La energa puede transformarse de un tipo a otro. Siempre que hay intercambio de energa, una fraccin de sta usual-mente se pierde como calor. El calor es un tipo de energa cintica. La energa calorfica fluye espontneamente de los objetos ms calientes a los ms fros. En los cambios qumicos se conservan tanto la materia como la energa. La materia no se puede crear ni destruir. Igualmente, la energa no se puede crear ni destruir.

    EJERCICIOS

    1.23 Defina o explique cada uno de los siguientes trmi-nos: a) materia, b) energa, c) propiedades de la mate-ria, d) propiedad fsica, e) propiedad qumica. f) cam-bio fsico, g) cambio qumico, h) estado fsico. i) cam-bio de estado,j) punto de fusin, k) punto de ebulli-cin, l) sustancia, m) mezcla, n) elemento, o) com-puesto, p) smbolo qumico, q) frmula qumica, r) materia homognea, s) materia heterognea, t) solu-cin, u) trabajo, v) energa cintica, w) energa poten-cial, x) temperatura, y) calor.

    Materia

    1.24 a) Haga una lista de cuatro objetos simples, b) Qu tipos de materia constituyen estos objetos?

    1.25 a) Qu es constante en la composicin de masas igua- les de agua, vapor de agua y hielo? En qu son dife- rentes el agua, el vapor de agua y el hielo?

    1.26 D un ejemplo de cada uno de los siguientes concep- tos, utilizando el agua como ejemplo: a) cambio fsi- co, b) cambio qumico, c) propiedad fsica, d) propie- dad qumica.

    1.27 Describa la diferencia entre un cambio fsico y un cam- bio qumico.

    1.28 Clasifique como propiedad fsica o propiedad qumi- ca cada una de las siguientes caractersticas: a) existe en estado gaseoso, b) no magntico, c) combustible, d) inflamable, e) punto de fusin,f) se corroe, g) au- menta su temperatura cuando se calienta, h) tiene una determinada forma.

    1.29 Clasifique como cambio fsico o qumico cada uno de los siguientes sucesos: ) solidificacin de la materia

    por enfriamiento, b) frer un huevo, c) un trozo de vi-drio roto, d) evaporacin de agua e) gasolina ardien-do, g) un papel humedecido con agua, g) alimento en proceso de digestin, h) metal en corrosin,i) flexin de una barra de acero,j) un pastel en el horno.

    1.30 Considere las siguientes propiedades del diamante (una forma pura del carbono): a) aislador elctrico, b) qu- micamente inerte, c) extremadamente duro y d) com- bustin en presencia de oxgeno para producir dixido de carbono. Clasifique cada una de las propiedades mencionadas del diamante como fsicas o qumicas.

    1.31 El azufre es un slido amarillo plido que se quema en el aire para formar xidos de azufre venenosos. Al calentarse se decolora y a 180C toma una coloracin marrn. Funde a 113C, no es soluble en agua. Identi- fique y clasifique todas las propiedades qumicas y fsicas del azufre enumeradas anteriormente.

    1.32 Cules son las tres propiedades caractersticas de to das las sustancias?

    1.33 Clasifique como sustancia o mezcla: a) una bebida no alcohlica, b) la carne de res, c) las barras de oro de Fort Knox, d) el agua de acueducto, e) el carbn de lefia,f) el polvo de hornear, g) un cubo de azcar, h) la pintura,i) el vapor,j) una moneda.

    1.34 Cules son los nombres de los siguientes elementos? a) Kr, b) Sr, c) S, d) Ar, e) Be,f) Sb, g) B, h) Zn, i) U, j) Ag.

    1.35 Escriba los smbolos de cada uno de los siguientes ele mentos: a) nitrgeno, b) nquel, c) nen, d) neodimio, e) niobio,f) nobelio, g) neptunio.

    1.36 Investigue los smbolos de cada uno de los siguientes elementos: a) bario, b) iridio, c) galio, d) plomo, e) estao,f) xenn, g) arsnico, h) zinc, i) plata.

  • MATERIA Y ENERGA 15

    1.37 Escriba los nombres y smbolos de cada uno de los siete elementos qumicos cuya primera letra de su nom bre empiece con A.

    1.38 Escriba los nombres y smbolos de cada uno de los 11 elementos cuyo nombre comienza con la letra C.

    1.39 Escriba los nombres y smbolos de los ocho elemen tos del segundo periodo de la tabla peridica.

    1.40 Cul es la diferencia entre una frmula qumica y un smbolo qumico?

    1.41 D el nombre y nmero de cada tomo en las siguien tes frmulas: a) OF2, b) Al2S3, c) N2O5, d) K2CO3, e) LiClO3,f) RbH2PO4, g) FeC2O4, h) (NH4)2 CrO4, i) HgSiF6,j) MnC4H4O6.

    1.42 De acuerdo con la informacin dada, clasifique como elemento o compuesto: a) punto de fusin 120C, punto de ebullicin 228C, se descompone en Si e I; b) de color blanco, funde a 44C, se combina con el oxgeno para formar P2O5; c) metal plateado y blando que re acciona violentamente con el agua.

    1.43 Qu tipo(s) de materia posee cada una de las siguientes propiedades? a) composicin variable con una fase, b) no se puede separar por medios qumicos, c) pre-senta dos o ms fases, d) cambia de estado a tempera-tura constante y puede separarse qumicamente.

    1.44 Cules son las tres propiedades comunes a todas las mezclas?

    1.45 Explique el significado del enunciado "las mezclas tie nen composicin variable".

    1.46 Clasifique cada uno de los siguientes trminos como mezcla homognea o heterognea: a) una moneda, b) caf, c) cemento, d) aceite para motor, e) algodn, f) papel, g) aceite y vinagre, h) esmog.

    1.47 Cmo podra usted separar cada una de las siguientes mezclas? a) arena y agua, b) aceite y agua, c) arena y sal, d) azcar y agua.

    1.48 Corrija cada uno de los siguientes enunciados: a) Los componentes de un compuesto pueden separarse por medios fsicos, b) Los compuestos pueden tener una composicin variable, c) Las mezclas homogneas comprenden dos o ms fases diferentes, d) Se sabe que existe un nmero ilimitado de elementos, e) Los ele- mentos experimentan cambios de estado en un inter- valo de temperaturas, f) La sal disuelta es un ejemplo de una mezcla heterognea, g) CO es un ejemplo de elemento.

    1.49 Cuntas fases se observarn en los siguientes ejem- plos (sin incluir el recipiente ni el aire)?: a) un vaso de

    t helado, b) una botella de agua de mar con residuos de aceite, c) un acuario con cuatro colores diferentes de arena, d) un vaso de agua mineral con cubos de hielo.

    Energa

    1.50 a) Cul es la diferencia entre energa cintica y ener- ga potencial? b) D un ejemplo de la conversin de energa potencial a cintica.

    1.51 Qu tipo(s) de energa potencial posee cada uno de los siguientes objetos: a) una roca en un risco, b) una ban- da de caucho tensionada, c) un resorte comprimido, d) un cono de helado, e) una manzana sobre un rbol,f) una bala.

    1.52 a) Cmo se define el trabajo? b) D dos ejemplos de trabajo, c) Existe algn tipo de trabajo cuando se mantiene un libro en una posicin fija durante una hora? Explique.

    1.53 En las centrales hidroelctricas para produccin de electricidad el agua de un ro fluye en una represa y hace girar una turbina conectada a un generador-elc trico. Qu transformaciones de energa ocurren en la produccin de electricidad en las hidroelctricas?

    1.54 a) Describa la energa potencial y cintica que posee una roca ubicada en la cima de una montaa: b) Qu le ocurre a la energa potencial y cintica cuando la roca cae de la cima? c) Describa la energa cintica y potencial de la roca despus de alcanzar el suelo.

    1.55 El calor se clasifica como energa potencial o como energa cintica? Explique.

    1.56 a) Qu mide la temperatura? b) Cul es la diferencia entre un objeto a una temperatura ms alta respecto a otro con una temperatura ms baja en el mismo estado fsico?

    1.57 Enuncie: a) ley de conservacin de la materia, b) ley de conservacin de la energa, c) ley de conservacin de la materia/energa.

    1.58 Qu transformacin de energa acompaa inevitable mente a casi todas las transformaciones de energa?

    1.59 Explique cmo podra usarse una bombilla para ilus trar la ley de conservacin de la materia.

    1.60 Por qu la ley de conservacin de la materia y la ley de conservacin de la energa se fusionaron en una sola ley?

  • 2 MEDIDAS QUMICAS

  • 18 CAPTULO 2

    La abreviacin SI proviene del francs: le Sistme International d'Unites.

    2.1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

    Tal como estudiamos, la qumica est relacionada con las propiedades de la mate-ria. Estas propiedades se identifican mediante la realizacin de mediciones. Una medida es un procedimiento en el cual se compara una cantidad desconocida con una cantidad conocida. Normalmente la cantidad conocida se obtiene utilizando un aparato calibrado para mostrar el valor correcto. Por ejemplo, cuando usted quiere determinar su peso, se para sobre una balanza con una escala construida para mostrar el peso en kilogramos (kg). Cada medida se compone de dos partes, un nmero y una unidad. Por ejemplo, si usted pesa 70 kg, 70 es el nmero y kilos es la unidad. El nmero 70 no posee ningn significado sin las unidades dadas, en este caso, kilos.

    Los cientficos de todo el mundo utilizan las mismas unidades de medidas estandarizadas. El sistema estandarizado de unidades se conoce como Sistema Internacional de Unidades (SI). En el lenguaje comn, cuando hablamos del sis-tema mtrico nos referimos al Sistema Internacional. El sistema mtrico se desa-rroll inicialmente en 1790 y se ha revisado muchas veces. La revisin ms moder-na del sistema mtrico es el Sistema Internacional de Unidades.

    En este texto se utilizarn las unidades SI junto con algunas unidades que no pertenecen al SI, pero que continan siendo populares en las comunidades mdicas y cientficas. En el sistema SI, hay siete unidades bsicas, de las cuales se derivan todas las dems unidades. Las siete unidades bsicas del Sistema Internacional son:

    1. Metro (m) unidad de longitud 2. Kilogramo (kg) unidad de masa 3. Segundo (s) unidad de tiempo 4. Kelvin (K) unidad de temperatura 5. Mol (mol) unidad de cantidad de una sustancia 6. Amperio (A) unidad de corriente elctrica 7. Candela (cd) unidad de intensidad lumnica

    Todas las dems unidades SI se denominan unidades derivadas ya que se generan al combinar las unidades bsicas.

    Se utilizan prefijos con la unidad bsica SI para cambiar la magnitud de la unidad. Consideremos el metro (m) como ejemplo. El metro es una unidad de longitud equivalente en el sistema comn de unidades de los Estados Unidos a 39.37 pulgadas (pulg). Mientras se facilita medir las dimensiones de una habita-cin en metros, no es lgico expresar la distancia entre ciudades en metros. Para incrementar el metro 1000 veces, slo se necesita agregar el prefijo kilo a metro, lo cual produce la unidad kilmetro (km).

    1 kilmetro = 1 000 metros 1 km = 1 000 m

  • MEDIDAS QUMICAS 19

    Cuando se desean medir distancias pequeas, el metro es una unidad inadecuada. Por esta razn, se agrega un prefijo a metro para producir una unidad de longitud ms pequea. Los prefijos centi, 1/100, y mili 1/1000, se utilizan comnmente en medidas de longitud.

    En qumica, los prefijos ms utilizados son:

    La tabla 2.1 presenta una lista ms completa de los prefijos del SI.

    EJERCICIOS DE REPASO

    2.1 a) Qu es una medida? b) Cmo se mide la materia? 2.2 Qu es el Sistema Internacional de Unidades? 2.3 Haga una lista de las siete unidades bsicas del SI conjuntamente con lo que ellas

    miden. 2.4 Cul es el significado de cada uno de los siguientes prefijos? a) centi, b) mili,

    c) kilo, d) mega, e) micro

    FIGURA 2.1 Un metro es equivalen-te a 1.093 yd, 3.280 pies, o 39.37 pulg.

  • 20 CAPTULO 2

    FIGURA 2.2 Mltiplos del metro.

    2.2 UNIDADES DE MEDIDA IMPORTANTES

    Longitud

    El metro es la unidad bsica de longitud en el SI; un metro es igual a 39.37 pulg, el cual es ligeramente mayor (9%) que una yarda (36 pulg); vase la figura 2.1.

    1 m = 39.37 pulg

    Aun cuando el metro es una medida conveniente en la vida diaria, general-mente es demasiado grande para medidas de longitud en qumica, ya que los qu-micos manejan partculas muy pequeas. Por lo tanto, a la palabra metro se adicio-nan prefijos para obtener unidades de longitud ms tiles.

    Un centmetro (cm) es 0.01 m y un milmetro (mm) es 0.001 m.

    1 cm =0.01 m o 100cm = 1 m 1 mm = 0.001 m o 1 000 mm = 1 m

    Estas unidades todava son muy grandes para expresar las dimensiones de partcu-las pequeas tales como tomos y molculas. Un prefijo comnmente utilizado cuando se consideran dimensiones atmicas es nano (10 9). Un nanmetro (nm) es igual a 0.000000001 metros.

    1 nm = 10-9 m o 109 nm = 1 m

    La figura 2.2 muestra el tamao de diferentes objetos que van desde muy pequeos a muy grandes.

    Masa

    En Francia se encuentra una masa estndar de un kilogramo. Todas las dems masas estndar son comparadas con este bloque de metal.

    La masa se define como la cantidad de materia contenida en un objeto. La masa est relacionada con la fuerza (un empuje o traccin) necesaria para mover el obje-to. Los objetos grandes requieren mayor fuerza para moverse que los objetos pe-queos; vase la figura 2.3. En el sistema SI el kilogramo (kg) es la unidad bsica de masa. Un kg es igual a 2.205 Ib.

    1 kg = 2.205 lb

    El trmino masa se confunde frecuentemente con peso. Masa es la cantidad de materia de un objeto, y es constante sin importar el lugar donde se localice el objeto. El peso es la fuerza de atraccin gravitacional que acta sobre la masa. A

  • MEDIDAS QUMICAS 2 1

    FIGURA 2.3 Si se aplican fuerzas de igual magnitud a una masa grande o) y a una masa pequea b), la aceleracin de la masa ms pequea es mayor que la aceleracin de la masa mayor. La masa de un objeto es inversamente pro-porcional a su aceleracin para una fuerza constante aplicada.

    FIGURA 2.4 o) La balanza de doble platillo es un instrumento que mide la masa de un objeto compa-rndolo con masas conocidas, b) La escala de resorte es el instrumento que mide el peso de un objeto.

    diferencia de la masa, el peso vara dependiendo del lugar del universo donde se localice el objeto. Por ejemplo, si usted viajara a la Luna, su masa permanecera constante, pero su peso en la Luna sera aproximadamente un sexto de su peso en la Tierra, porque la atraccin gravitacional en la Luna es un sexto de la atraccin gravitacional en la Tierra. La masa y el peso se miden con instrumentos diferentes; la masa se mide en un balanza y el peso en una escala; vase la figura 2.4.

    Para medir el volumen de los lquidos se utilizan diversos instrumentos; entre otros, pipetas, buretas, cilindros gradua-dos, vasos de precipitado graduados, matraces volumtricos y jeringas.

    Volumen. Una unidad derivada

    El volumen es la cantidad de espacio ocupado por la materia. Se mide en unidades cbicas, es decir, una unidad de longitud a la tercera potencia. Por ejemplo, el volumen (V) de un objeto rectangular, se calcula mediante la multiplicacin de la longitud del objeto (l) por su ancho (a), por su altura (h).

    V = lah

    La unidad bsica de longitud es el metro; as, la unidad bsica para el volumen en el SI es m m m, o m3. Puesto que 1 m3 es aproximadamente 264 galones (gal), el m3 es una unidad muy grande para tomar las medidas rutinarias en el laboratorio.

    Una unidad de volumen ms conveniente es el decmetro cbico (dm3). Deci es el prefijo que significa 0.1, y por lo tanto un decmetro es igual a 0.1 m. Un decmetro cbico contiene el mismo volumen que el litro (1), una unidad que no pertenece al SI. El decmetro cbico y el litro son iguales a 0.001 m3.

    1 dm3=l L = 0.001 m3

    Un decmetro cbico (1 dm3 o 1 L) es igual a 1.057 cuartos (ct).

    1 dm3=l L= 1.057 ct

    En la figura 2.5 se hace la comparacin entre diferentes unidades de volumen.

  • 22 CAPTULO 2

    FIGURA 2.5 Un metro cbico (1 m3) es una unidad de volumen muy grande: (1 m3 - 1000 dm3 - 264 galones). Para mediciones de laboratorio se utili-za una unidad de volumen ms conve-niente que es el decmetro cbico (dm3); 1 dm3 es equivalente a 1 litro, L. El de-cmetro cbico es una unidad del SI mientras que el litro no lo es.

    En las reas distintas a la qumica, co-mnmente se utiliza la abreviatura ce para el centmetro cbico en lugar de cm3: 1cc= 1 cm3 = 1 ml.

    El decmetro cbico es todava demasiado grande para muchas de las medidas de volumen en el laboratorio y en consecuencia se utiliza con regularidad en qumi-ca el centmetro cbico (cm3). Un centmetro cbico es igual a un mililitro (1 ml). Cada una de estas medidas es igual a 0.001 dm3.

    1 cm3= 1 ml = 0.001 dm3

    Densidad

    La densidad de una sustancia describe la cantidad de masa presente en una unidad de volumen.

    Las sustancias con densidades ms altas poseen mayor cantidad de masa en el mismo volumen que las sustancias con densidades ms bajas. Por ejemplo, 1.0 cm3

    FIGURA 2.6 a) Puesto que la densi-dad del oro es 19 veces mayor que la del agua, el peso de 1.0 cm3 de oro es 19 veces mayor que el peso de 1.0 cm3

    de agua, b) El volumen de 1.0 g de oro es un diecinueveavo del volumen de 1.0 g de agua.

  • MEDIDAS QUMICAS 23

    La densidad es una medida que indica cunta materia est contenida en una unidad de volumen.

    La densidad vara con la temperatura porque casi todas las sustancias se ex-panden o se contraen al calentarlas.

    de oro tiene un peso de 10 g; por el contrario, 1.0 cm3 de agua tiene un peso de 1.0 g. Si se comparan las masas de oro y agua, el oro ocupara un diecinueveavo (1/19) del volumen ocupado por el agua; vase la figura 2.6.

    Las densidades de las sustancias se miden determinando la masa de un volu-men conocido de la sustancia. La masa se mide generalmente en gramos y el volu-men en decmetros cbicos (o litros) y centmetros cbicos (o mililitros). Por lo tanto las unidades de densidad estn dadas en gramos sobre centmetro cbico (g/ cm3) y gramos sobre decmetro cbico (g/dm3).

    d = g/cm3 o d = g/dm3

    Las densidades se expresan en gramos sobre centmetro cbico para las formas ms compactas de la materia (lquidos y slidos); para formas menos densas de la materia (gases), las densidades se expresan en gramos sobre decmetro cbico.

    Cada sustancia tiene una densidad caracterstica; por ejemplo, el agua a 4C tiene una densidad de 1.00 g/cm3; esto significa que 1.00 g de agua a 4C ocupa un volumen de 1.00 cm3. En la tabla 2.2 se encuentran sustancias seleccionadas y sus respectivas densidades.

    La densidad de una sustancia se halla mediante la determinacin de la masa de un volumen conocido de la sustancia. El ejemplo 2.1 muestra cmo se calcula la densidad de una sustancia.

    EJEMPLO 2.1

    Una probeta de 50 cm3 tiene una masa de 123.9 g; despus de agregar 50 cm3 de un lquido desconocido, la masa total es de 170,4 g. Calcule la densidad del lquido.

    TABLA 2.2 DENSIDADES DE SUSTANCIAS SELECCIONADAS

    Sustancia Densidades

    A. Lquidos y slidos g/cm3 (25 C) Aluminio 2.70 Benceno 0.860 Oro 19.3 Alcohol de caa 0.785 Hierro 7.86 Plomo 11.4 Mercurio 13.6 Uranio 18.9

    B. Gases g/dm3(1 atm, 0C) Aire 1.29 Dixido de carbono 1.977 Cloro 3.21 Hidrgeno 0.090 Oxgeno 1 43 Criptn 3.71 Nitrgeno 1.251 Xenn 5.85

  • 24 CAPTULO 2

    Solucin

    1. Cul es la incgnita? Densidad, g/cm3 2. Qu se conoce?

    3. Encuentre la masa del lquido.

    Para encontrar la masa del lquido se debe restar la masa de la probeta, de la masa total de la probeta y el lquido.

    Masa del lquido = (masa de la probeta + lquido) - masa de la probeta = 170.4 g-123.9 g = 46.5 g de lquido

    4. Calcule la densidad

    Para hallar la densidad se divide la masa del lquido entre su volumen

    La densidad del lquido desconocido es de 0.930 g/cm

    Peso especfico

    El peso especfico es una medida estrechamente relacionada con la densidad. El peso especfico se define como la relacin de la densidad de una sustancia con la densidad del agua. Dicho de otra forma, es la relacin entre la masa de una sustan-cia y la masa de un volumen igual de agua.

    Puesto que la densidad del agua es 1 g/cm3, los valores numricos del peso especfico y la densidad de una sustancia son los mismos. Sin embargo, el peso

  • MEDIDAS QUMICAS 25

    FIGURA 2.7 El hidrmetro se cons-truye para que flote en los lquidos de tal manera que el peso especfico del lquido se lee en la escala en la superfi-cie de ste.

    La nocturia se diagnostica cuando se pesan ms de 500 cm3 de orina con un peso especfico inferior a 1.018 en un periodo de 12 horas. La nocturia es un sntoma de diabetes y de enfermedad del rion.

    especfico es una cantidad que no tiene unidades porque las unidades se cancelan al efectuar la operacin. Por ejemplo, la densidad del mercurio es 13.6 g/cm3 y el peso especfico es 13.6. Si se comparan volmenes iguales de mercurio y agua, la muestra de mercurio tiene 13.6 veces la masa de agua.

    A diferencia de las determinaciones de densidad, las determinaciones del peso especfico se realizan en laboratorios mdicos y tcnicos, debido a que se miden fcilmente con un hidrmetro. Un hidrmetro es un tubo de vidrio que est disea-do para medir el peso especfico mientras flota en un lquido; vase la figura 2.7. El hidrmetro posee una parte calibrada de tal manera que se puede leer el peso espe-cfico del lquido en la superficie de ste (vase la figura 2.7). En los laboratorios mdicos se utiliza un hidrmetro especial llamado urinmetro, para medir el peso especfico de la orina. El peso especfico de la orina ayuda a los mdicos a diag-nosticar condiciones anormales tales como enfermedades del rifin o diabetes.

    EJERCICIOS DE REPASO

    2.5 a) Qu es la masa de una sustancia? b) Cul es la diferencia entre masa y peso? c) Qu instrumento se utiliza en la determinacin de la masa? d) Qu instrumento se utiliza en la determinacin del peso?

    2.6 a) Qu es el volumen de un objeto? b) Qu medida se obtiene cuando se tiene una relacin entre la masa y el volumen de una sustancia?

    2.7 a) Qu unidad de volumen que no pertenece al SI es equivalente a un decmetro cbico? b) Qu unidad de volumen que no pertenece al SI es equivalente a un centmetro cbico?

    2.8 a) Use la tabla 2.2 y compare la densidad del plomo con la densidad del aluminio, b) Si se tuvieran volmenes iguales de plomo y aluminio, cul tendra mayor masa? c) Si se tuvieran masas iguales de plomo y aluminio, cual ocupara el mayor volumen?

    2.9 a) Qu es el peso especifico de una sustancia? b) Cul es la diferencia entre peso especfico y densidad? c) Qu se utiliza para medir el peso especfico?

  • 26 CAPTULO 2

    Temperatura

    La temperatura es el grado de calor de un objeto y es la propiedad de la materia que determina la direccin en la cual fluye la energa calrica. El calor siempre fluye espontneamente desde el objeto ms caliente hasta el ms fro; vase la figura 2.8. La temperatura se mide con un termmetro similar al que se ilustra en la figura 2.9.

    Los cientficos utilizan las escalas de temperatura celsius (no es SI) y kelvin (SI). En la escala de temperatura celsius el punto de congelacin del agua es 0.0C y el punto de ebullicin normal del agua es 100C. En la escala celsius, la tempera-tura ambiente es de 25C y el promedio de temperatura del cuerpo humano es de 37C.

    La unidad de temperatura en el SI es el kelvin. Un kelvin tiene exactamente la misma magnitud que un grado celsius. La escala de temperatura kelvin se desplaza de la escala de temperatura celsius en 273 grados. El punto cero de la escala kelvin se llama cero absoluto y es igual a-273.15C.

    0K = -273.15C

    El cero absoluto es la temperatura ms baja posible. Cuando se trabaja con tempe-raturas kelvin, la convencin del SI es escribir la cantidad seguida por K, en lugar de K. Por ejemplo, 45 kelvins se expresan como 45 K y no como 45K.

    Para transformar una temperatura celsius a kelvin slo se necesita sumar 273 a la temperatura celsius.

    K = C + 273

    En la escala kelvin los puntos de congelacin y ebullicin del agua son 273 K y 373 K, respectivamente.

    Punto de congelacin del H2O en K = 0C + 273 = 273 K

    Punto de ebullicin del H2O en K = 100C + 273 = 373 K.

    Mientras las escalas C y K se utilizan universalmente en las ciencias, en Estados Unidos predomina la escala Fahrenheit en el uso cotidiano. En la escala fahrenheit el punto de congelacin del agua pura es de 32F y el punto normal de ebullicin es de 212F. La figura 2.10 muestra las magnitudes relativas de los puntos de conge-lacin y de ebullicin de algunas sustancias en las tres escalas de temperatura.

    Algunas veces es necesario convertir temperaturas de escala fahrenheit a celsius y/o a kelvin, o viceversa. Las conversiones de temperatura se logran con el uso de frmulas algebraicas de conversin. Para convertir una temperatura de escala fahrenheit a celsius se utiliza la siguiente frmula:

    Por lo tanto, dada una temperatura fahrenheit, primero se le resta 32 y luego se multiplica por 5/9 para obtener la temperatura celsius. Por ejemplo, cuando susti-

  • MEDIDAS QUMICAS 17

    tuimos 212F, obtenemos 100C y cuando sustituimos 32F obtenemos 0C.

    El ejemplo 2.2 ilustra un problema de conversin de temperaturas.

    EJEMPLO 2.2

    Convertir 68F a C.

    Solucin

    Para hallar la respuesta, se sustituye la temperatura fahrenheit en la siguiente ecuacin:

    Una temperatura de 68F corresponde a 20C.

    Para convertir una temperatura celsius a fahrenheit, despejamos F de la ecuacin.

    FIGURA 2.9 La mayora de los ter-mmetros de laboratorio contienen mercurio. El calor transferido al bulbo de mercurio hace que el mercurio se expanda hacia el tubo vaco. Se utiliza mercurio porque se expande uniforme-mente en un rango amplio de tempera-turas.

    FIGURA 2.10 Comparaciones de las escalas de temperatura celsius, kelvin y fahrenheit.

  • 28 CAPTULO 2

    EJEMPLO 2.3

    Convertir 123C a F.

    Solucin Simplemente se sustituyen los nmeros en la nueva ecuacin,

    VALOR CALRICO DE AUMENTOS SELECCIONADOS

    Alimento Contenido calrico en kcal

    Manzana 55 Cerveza 200 Torta de queso, un trozo 275 Barra de chocolate

    con nueces 250 Caf, sin azcar 0 Bebida de cola, un vaso 95 Huevo 75 Hamburguesa, asada 245 Jugo de naranja, 1/2 vaso 50 Man, 10 50 Pizza, una rebanada 450 Papas fritas, 10 100

    Una temperatura de 123C corresponde a una temperatura de 253F.

    Energa

    La energa se mide en julios (J) y caloras (cal). Un julio es una unidad derivada de las unidades bsicas del sistema SI; por lo tanto, un julio es una unidad del SI. Una calora es una unidad que no pertenece al SI. Una calora se define exactamente como 4.184 julios

    1 cal = 4.184 J

    En el pasado se defini una calora como la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de 1 g de agua pura de 14.5C a 15.5C. Puesto que los julios y caloras son unidades de energa relativamente pequeas, los kilojulios (kJ) y las kilocaloras (kcal) se utilizan frecuentemente en qumica.

    lkJ =1000J =239.0 cal lkcal= 1000 cal = 4.184 kJ

    En anlisis nutricional, el kilojulio y la kilocalora se utilizan para medir la energa derivada de los alimentos. Los nutricionistas se han interesado en el factor

    TABLA 2.3


Recommended