1. www.pearsoneducacion.com ISBN 978-84-8322-680-3 9 7 8 8 4 8 3 2 2 6 8 0 3 Qumica General, Dcima edicin, es un texto dirigido a cursos de Qumica de primer ao de Universidad, presentando cada tema con una exposicin clara y bien argumentada y un tratamiento preciso y detallado. Las innovaciones y caractersticas ms relevantes de la obra son, entre otras, los Problemas de Seminario, los Ejercicios Prcticos que acompaan a los ejemplos insertados en cada captulo, los Apartados de Atencin y las notas al margen Recuerde que. Cada ejemplar de este excelente libro viene acompaado con un cdigo de acceso al sitio web www.masteringchemistry.com que ofrece una enseanza individualizada, mejora el aprendizaje y permite a los profesores obtener anlisis del rendimiento de los estudiantes. 10 ed. QumicaGeneral Petrucci Herring Madura Bissonnette ISBN 978-84-8322-680-3 9 7 8 8 4 8 3 2 2 6 8 0 3 CH 2 N CH O O C C C CHR O O NH N H H HH OH C NH N 10 edicin Qumica General OH 2 N NC NHOH O Zn2 O Petrucci Herring Madura Bissonnette Otro libro de inters Qumica. Una introduccin a la Qumica General, Orgnica y Biolgica, 10.a ed. Karen C. Timberlake PEARSOn PREnTiCE HALL iSBn 978-84-8322-743-5

2. 00-PRINCIPIOS.indd 2 1/3/11 16:25:38 3. QUMICA General Principios y aplicaciones modernas DCIMA EDICIN 00-PRINCIPIOS.indd 1 1/3/11 16:25:38 4. 00-PRINCIPIOS.indd 2 1/3/11 16:25:38 5. QUMICA General Principios y aplicaciones modernas DCIMA EDICIN Ralph H. Petrucci California State University, San Bernardino F. Geoffrey Herring University of British Columbia Jeffry D. Madura Duquesne University Carey Bissonnette University of Waterloo Traduccin: Concepcin Pando Garca-Pumarino Nerea Iza Cabo Universidad Complutense de Madrid Revisin Tcnica: Juan A. Rodrguez Renuncio Universidad Complutense de Madrid 00-PRINCIPIOS.indd 3 1/3/11 16:25:39 6. Cualquier forma de reproduccin, distribucin, comunicacin pblica o transformacin de esta obra solo puede ser realizada con la autorizacin de sus titulares, salvo excepcin prevista por la ley. La infraccin de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Cdigo penal). Dirjase a CEDRO (Centro Espaol de Derechos Reprogrficos: www.cedro.org), si necesita fotocopiar o escanear algn fragmento de esta obra. DERECHOS RESERVADOS 2011, PEARSON EDUCACIN, S.A. Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (Espaa) ISBN: 978-84-8322-680-3 Authorized translation from the Enflish language edition, entitled GENERAL CHEMISTRY: PRINCIPLES AND MODERN APPLICATIONS, 10th Edition by RALPH PETRUCCI; F. HERRING; JEFFRY MADURA; CAREY BISSONNETTE, published by Pearson Education Canada, Inc, Copyright 2011 All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any from or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. SPANISH language edition published by PEARSON EDUCACION, S.A., Copyright 2011 Depsito Legal: Equipo editorial: Editor: Miguel Martn-Romo Tcnico editorial: Esther Martn Equipo de produccin: Director: Jos A. Clares Tcnico: Irene Iriarte Diseo de cubierta: COPIBOOK, S.L. Fotografa cubierta: Fotola Composicin: COPIBOOK, S. L. Impreso por: Nota sobre enlaces a pginas web ajenas: Este libro puede incluir enlaces a sitios web gestionados por terceros y ajenos a PEARSON EDUCACIN, S.A. que se incluyen solo con finalidad informativa. PEARSON EDUCACIN, S.A. no asume ningn tipo de responsabilidad por los daos y perjuicios derivados del uso de los datos personales que pueda hacer un tercero encargado del mantenimiento de las pginas web ajenas a PEARSON EDUCACIN, S.A. y del funcionamiento, accesibilidad o mantenimiento de los sitios web no gestionados por PEARSON EDUCACIN, S.A. Las referencias se proporcionan en el estado en que se encuentran en el momento de publicacin sin garantas, expresas o implcitas, sobre la informacin que se proporcione en ellas. Impreso en Espaa Printed in Spain Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecolgicos Ralph H. Petrucci, F. Geoffrey Herring, Jeffry D. Madura y Carey Bissonnette Qumica General. Dcima edicin PEARSON EDUCACIN, S. A., Madrid, 2011 ISBN: 978-84-8322-680-3 Materia: 54, Qumica Formato: 215 * 270 mm Pginas: 1432 Datos de catalogacin bibliogrfica 00-PRINCIPIOS.indd 4 1/3/11 16:25:39 7. Prefacio a la versin espaola De nuevo presentamos la traduccin de esta obra, gracias a la excelente disposicin del grupo editorial Pearson Educacin, cuyo editor en Espaa, D. Miguel Martn Romo no ha dudado en acometer la tarea de incluir en su catlogo en espaol esta dcima edi- cin de la Qumica General de Petrucci, Herring, Madura y Bissonnette. El libro ha mejorado su presentacin y sus contenidos han sido ampliados y actualizados. Nosotros hemos disfrutado con el trabajo de traduccin de esta excelente obra y nos hemos esmerado en la nueva versin espaola. En esta ocasin, hemos tenido la oportunidad de com- partir comentarios y opiniones sobre el texto con un nutrido grupo de profesores de Qumica de diversas universidades iberoamericanas, participantes en la XV Olimpiada Iberoamericana de Qumica, celebrada en Mxico en octubre de 2010. La colaboracin y entusiasmo de todos ellos ha sido un verdadero estmulo para seguir trabajando y pro- moviendo la Qumica, cuidando, con la ayuda de esta obra, su imagen, su enseanza, su presentacin y su papel imprescindible en la sociedad. Nuestro ms sincero agradeci- miento a los profesores: Dr. Oscar Varela, Profesor Titular Plenario de la Facultad de Ciencias Exactas y Natu- rales de la Universidad de Buenos Aires (Argentina). Dra. Stella M. Formica, Profesora de la Facultad de Ciencias Exactas, Fsicas y Natura- les de Crdoba (Argentina). Dr. Leonardo Guzmn Alegra, Profesor Emrito de Fisicoqumica de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales de la Universidad Mayor de San Andrs, La Paz (Bolivia). Dr. Jos Luis Vila Castro, Profesor del rea de Qumica Analtica de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales de la Universidad Mayor de San Andrs, La Paz (Bolivia). Dr. Juan Vargas Marn, Profesor de la Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educacin (Chile). Dra. Elia Soto Sanhueza, Profesora de la Universidad Arturo Prat de Santiago (Chile). Dr. Dagoberto Cceres Rojas, Profesor Honorario de la Universidad Nacional de Colombia. Dr. Jos Muoz Castillo, Profesor Honorario de la Universidad Nacional de Colombia. Dr. Randall Syedd Len, Profesor de la Ctedra de Fisicoqumica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad Nacional (Costa Rica) M. Sc. Heilen Arce Rojas, Profesor de la Universidad de Costa Rica. Ph. D. Cristian Sal Campos Fernndez, Profesor de la Universidad de Costa Rica. Dra. Nilda Delgado Yanes, Profesora Auxiliar de la Universidad Pedaggica de La Habana (Cuba). Dr. Arturo Panameo Castro, Profesor de la Escuela de Qumica de la Universidad de El Salvador. Dra. Mara Antonia Dosal Gmez, Profesor Titular de Qumica Analtica de la Facul- tad de Qumica de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Dr. Ramiro Eugenio Domnguez Danache, Profesor Titular de Fisicoqumica de la Facultad de Qumica de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Dr. Jos Manuel Mndez Stivalet, Profesor Titular de Qumica Orgnica de la Facultad de Qumica de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Dr. Jos Camacho Gutirrez, Profesor de la Universidad Simn Bolivar de Venezuela. Dra. Amalia Torrealba Sanoja, Presidenta de la Asociacin Venezolana de Olimpiadas de Qumica (AVOQUIM). 00-PRINCIPIOS.indd 5 1/3/11 16:25:39 8. 00-PRINCIPIOS.indd 6 1/3/11 16:25:39 9. Resumen del Contenido 1 Las propiedades de la materia y su medida 1 2 Los tomos y la teora atmica 34 3 Compuestos qumicos 68 4 Las reacciones qumicas 111 5 Introduccin a las reacciones en disolucin acuosa 151 6 Gases 192 7 Termoqumica 241 8 Los electrones en los tomos 294 9 La Tabla Peridica y algunas propiedades atmicas 360 10 Enlace qumico I. Conceptos bsicos 395 11 Enlace qumico II. Aspectos adicionales 449 12 Fuerzas intermoleculares: lquidos y slidos 498 13 Las disoluciones y sus propiedades fsicas 557 14 Cintica qumica 602 15 Principios del equilibrio qumico 665 16 cidos y bases 697 17 Otros aspectos de los equilibrios cido-base 745 18 Solubilidad y equilibrios de iones complejos 784 19 Espontaneidad. Entropa y energa Gibbs 819 20 Electroqumica 863 21 Qumica de los elementos de los grupos principales I: Grupos 1, 2, 13 y 14 917 22 Qumica de los elementos de los grupos principales II: Grupos 18, 17, 16, 15 e hidrgeno 976 23 Elementos de transicin 1031 24 Iones complejos y compuestos de coordinacin 1069 25 Qumica nuclear 1111 26 Estructura de los compuestos orgnicos 1147 27 Reacciones de los compuestos orgnicos 1208 28 Qumica de los seres vivos 1266 APNDICES A. Operaciones matemticas A1 B. Conceptos fsicos bsicos A11 C. Unidades SI A15 D. Tablas de datos A17 E. Mapas conceptuales A37 F. Glosario A39 G. Respuestas a las Evaluaciones de conceptos A55 00-PRINCIPIOS.indd 7 1/3/11 16:25:39 10. 00-PRINCIPIOS.indd 8 1/3/11 16:25:39 11. Contenido Sobre los autores xiv Prefacio xv 1 Las propiedades de la materia y su medida 1 1.1 El mtodo cientfico 2 1.2 Propiedades de la materia 4 1.3 Clasificacin de la materia 5 1.4 Medida de las propiedades de la materia. Unidades SI 8 1.5 La densidad y la composicin porcentual y su utilizacin en la resolucin de problemas 13 1.6 La incertidumbre en las medidas cientficas 18 1.7 Cifras significativas 19 Resumen 23 Ejemplo de recapitulacin 24 Ejercicios 26 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 29 Problemas de seminario 31 Ejercicios de autoevaluacin 32 2 Los tomos y la teora atmica 34 2.1 Los primeros descubrimientos qumicos y la teora atmica 35 2.2 Los electrons y otros descubrimientos de la fsica atmica 38 2.3 El tomo nuclear 42 2.4 Los elementos qumicos 44 2.5 Masas atmicas 48 2.6 Introduccin a la tabla peridica 51 2.7 El concepto de mol y la constante de Avogadro 54 2.8 Utilizacin del concepto de mol en los clculos 56 Resumen 59 Ejemplo de recapitulacin 59 Ejercicios 60 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 64 Problemas de seminario 65 Ejercicios de autoevaluacin 66 3 Compuestos qumicos 68 3.1 Tipos de compuestos y sus frmulas 69 3.2 El concepto de mol y los compuestos qumicos 73 3.3 Composicin de los compuestos qumicos 76 3.4 Estados de oxidacin: otra herramienta para describir los compuestos qumicos 84 3.5 Nomenclatura de los compuestos orgnicos e inorgnicos 86 3.6 Nombres y frmulas de los compuestos inorgnicos 87 3.7 Nombres y frmulas de los compuestos orgnicos 94 Resumen 100 Ejemplo de recapitulacin 101 Ejercicios 103 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 107 Problemas de seminario 108 Ejercicios de autoevaluacin 110 4 Las reacciones qumicas 111 4.1 Las reacciones qumicas y la ecuacin qumica 112 4.2 La ecuacin qumica y la estequiometra 116 4.3 Las reacciones qumicas en disolucin 123 4.4 Determinacin del reactivo limitante 129 4.5 Otros aspectos prcticos de la estequiometra de la reaccin Resumen 138 Ejemplo de recapitulacin 139 Ejercicios 140 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 148 Problemas de seminario 148 Ejercicios de autoevaluacin 149 IX 00-PRINCIPIOS.indd 9 1/3/11 16:25:39 12. X Contenido 5 Introduccin a las reacciones en disolucin acuosa 151 5.1 Naturaleza de las disoluciones acuosas 152 5.2 Reacciones de precipitacin 156 5.3 Reacciones cido-base 160 5.4 Principios generales de la oxidacin-reduccin 165 5.5 Ajuste de reacciones de oxidacin-reduccin 170 5.6 Agentes oxidantes y reductores 175 5.7 Estequiometra de las reacciones en disolucin acuosa y valoraciones 177 Resumen 181 Ejemplo de recapitulacin 182 Ejercicios 183 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 187 Problemas de seminario 189 Ejercicios de autoevaluacin 191 6 Gases 192 6.1 Propiedades de los gases: presin del gas 193 6.2 Las leyes elementales de los gases 198 6.3 Combinacin de las leyes de los gases: ecuacin del gas ideal y ecuacin general de los gases 204 6.4 Aplicaciones de la ecuacin del gas ideal 207 6.5 Los gases en las reacciones qumicas 210 6.6 Mezclas de gases 212 6.7 Teora cinetico-molecular de los gases 216 6.8 Propiedades de los gases en la teora cinetico-molecular 223 6.9 Gases no ideales (reales) 226 Resumen 229 Ejemplo de recapitulacin 230 Ejercicios 231 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 236 Problemas de seminario 238 Ejercicios de autoevaluacin 240 7 Termoqumica 241 7.1 Trminos bsicos en termoqumica 242 7.2 Calor 244 7.3 Calores de reaccin y calorimetra 248 7.4 Trabajo 252 7.5 El primer principio de la termodinmica 255 7.6 Calores de reaccin: U y H 259 7.7 Determinacin indirecta de H : ley de Hess 266 7.8 Entalpas de formacin estndar 268 7.9 Los combustibles como fuentes de energa 275 Resumen 281 Ejemplo de recapitulacin 282 Ejercicios 283 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 289 Problemas de seminario 291 Ejercicios de autoevaluacin 292 8 Los electrones en los tomos 294 8.1 Radiacin electromagntica 295 8.2 Espectros atmicos 300 8.3 Teora cuntica 302 8.4 El tomo de Bohr 307 8.5 Dos ideas que condujeron a la mecnica cuntica 313 8.6 Mecnica ondulatoria 317 8.7 Nmeros cunticos y orbitales de los electrones 324 8.8 Interpretacin y representacin de los orbitales del tomo de hidrgeno 327 8.9 Espn del electrn. Un cuarto nmero cuntico 333 8.10 tomos multielectrnicos 336 00-PRINCIPIOS.indd 10 1/3/11 16:25:39 13. Contenido XI 8.11 Configuraciones electrnicas 339 8.12 Configuraciones electrnicas y la tabla peridica 344 Resumen 348 Ejemplo de recapitulacin 349 Ejercicios 351 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 357 Problemas de seminario 358 Ejercicios de autoevaluacin 359 9 La Tabla Peridica y algunas propiedades atmicas 360 9.1 Clasificacin de los elementos. La ley peridica y la tabla peridica 361 9.2 Metales, no metales y sus iones 364 9.3 El tamao de los tomos y los iones 367 9.4 Energa de ionizacin 374 9.5 Afinidad electrnica 378 9.6 Propiedades magnticas 379 9.7 Propiedades peridicas de los elementos 381 Resumen 386 Ejemplo de recapitulacin 386 Ejercicios 389 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 391 Problemas de seminario 392 Ejercicios de autoevaluacin 393 10 Enlace qumico I. Conceptos bsicos 395 10.1 Visin general de la teora de Lewis 396 10.2 Introduccin al enlace covalente 399 10.3 Enlaces covalentes polares y mapas de potencial electrosttico 402 10.4 Escritura de las estructuras de Lewis 408 10.5 Resonancia 416 10.6 Excepciones a la regla del octeto 418 10.7 La forma de las molculas 421 10.8 Orden de enlace y longitud de enlace 433 10.9 Energas de enlace 434 Resumen 438 Ejemplo de recapitulacin 439 Ejercicios 440 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 446 Problemas de seminario 447 Ejercicios de autoevaluacin 448 11 Enlace qumico II. Aspectos adicionales 449 11.1 Objetivo de una teora de enlace 450 11.2 Introduccin al mtodo de enlace de valencia 451 11.3 Hibridacin de orbitales atmicos 453 11.4 Enlaces covalentes mltiples 461 11.5 Teora de orbitales moleculares 465 11.6 Electrones deslocalizados. El enlace en la molcula de benceno 474 11.7 El enlace en los metales 480 11.8 Algunos temas sin resolver: Pueden ayudar las representaciones de densidad de carga? 484 Resumen 489 Ejemplo de recapitulacin 489 Ejercicios 491 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 494 Problemas de seminario 495 Ejercicios de autoevaluacin 497 12 Fuerzas intermoleculares: lquidos y slidos 498 12.1 Fuerzas intermoleculares 499 12.2 Algunas propiedades de los lquidos 508 12.3 Algunas propiedades de los slidos 520 12.4 Diagramas de fases 522 12.5 Slidos de red covalente y slidos inicos 526 00-PRINCIPIOS.indd 11 1/3/11 16:25:39 14. XII Contenido 12.6 Estructuras cristalinas 530 12.7 Cambios de energa en la formacin de cristales inicos 542 Resumen 545 Ejemplo de recapitulacin 546 Ejercicios 547 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 552 Problemas de seminario 554 Ejercicios de autoevaluacin 556 13 Las disoluciones y sus propiedades fsicas 557 13.1 Tipos de disoluciones. Trminos utilizados 558 13.2 Concentracin de una disolucin 558 13.3 Fuerzas intermoleculares y procesos de disolucin 562 13.4 Formacin de la disolucin y equilibrio 567 13.5 Solubilidad de los gases 570 13.6 Presin de vapor de las disoluciones 573 13.7 Presin osmtica 577 13.8 Descenso del punto de congelacin y elevacin del punto de ebullicin de las disoluciones de no electrolitos 581 13.9 Disoluciones de electrolitos 584 13.10 Mezclas coloidales 587 Resumen 590 Ejemplo de recapitulacin 591 Ejercicios 592 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 597 Problemas de seminario 599 Ejercicios de autoevaluacin 600 14 Cintica qumica 602 14.1 La velocidad de una reaccin qumica 603 14.2 Medida de velocidades de reaccin 605 14.3 Dependencia de las velocidades de reaccin con la concentracin. Ecuacin de velocidad 608 14.4 Reacciones de orden cero 611 14.5 Reacciones de primer orden 612 14.6 Reacciones de segundo orden 619 14.7 Resumen de la cintica de reaccin 620 14.8 Modelos tericos de la cintica qumica 622 14.9 Dependencia de las velocidades de reaccin con la temperatura 626 14.10 Mecanismos de reaccin 629 14.11 Catlisis 637 Resumen 642 Ejemplo de recapitulacin 643 Ejercicios 645 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 650 Problemas de seminario 652 Ejercicios de autoevaluacin 654 15 Principios del equilibrio qumico 655 15.1 Equilibrio dinmico 656 15.2 Expresin de la constante de equilibrio 656 15.3 Relaciones entre las constantes de equilibrio 663 15.4 Significado del valor numrico de una constante de equilibrio 669 15.5 El cociente de reaccin, Q: prediccin del sentido del cambio neto 670 15.6 Modificacin de la condiciones de equilibrio. Principio de Le Chtelier 673 15.7 Clculos de equilibrios. Ejemplos ilustrativos 679 Resumen 686 Ejemplo de recapitulacin 686 Ejercicios 688 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 693 Problemas de seminario 694 Ejercicios de autoevaluacin 695 00-PRINCIPIOS.indd 12 1/3/11 16:25:39 15. Contenido XIII 16 cidos y bases 697 16.1 Breve revisin de la teora de Arrhenius 698 16.2 Teora de cidos y bases de Brnsted-Lowry 698 16.3 La autodisociacin del agua y la escala de pH 703 16.4 cidos fuertes y bases fuertes 706 16.5 cidos dbiles y bases dbiles 708 16.6 cidos poliprticos 717 16.7 Los iones como cidos y como bases 723 16.8 Estructura molecular y carcter cido-base 727 16.9 cidos y bases de Lewis 732 Resumen 736 Ejemplo de recapitulacin 736 Ejercicios 738 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 742 Problemas de seminario 743 Ejercicios de autoevaluacin 744 17 Otros aspectos de los equilibrios cido-base 745 17.1 Efecto del ion comn en los equilibrios cido-base 746 17.2 Disoluciones reguladoras 750 17.3 Indicadores cido-base 759 17.4 Reacciones de neutralizacin y curvas de valoracin 762 17.5 Disoluciones de sales de cidos poliprticos 770 17.6 Resumen de los clculos de equilibrios cido-base 771 Resumen 773 Ejemplo de recapitulacin 773 Ejercicios 775 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 779 Problemas de seminario 782 Ejercicios de autoevaluacin 783 18 Solubilidad y equilibrios de iones complejos 784 18.1 Constante del producto de solubilidad, Ksp 785 18.2 Relacin entre solubilidad y Ksp 786 18.3 Efecto del ion comn en los equilibrios de solubilidad 788 18.4 Limitaciones del concepto de Ksp 790 18.5 Criterios para la precipitacin y precipitacin completa 792 18.6 Precipitacin fraccionada 795 18.7 Solubilidad y pH 797 18.8 Equilibrios que implican iones complejos 799 18.9 Anlisis cualitativo de cationes 805 Resumen 810 Ejemplo de recapitulacin 810 Ejercicios 812 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 815 Problemas de seminario 816 Ejercicios de autoevaluacin 817 19 Espontaneidad. Entropa y energa Gibbs 819 19.1 Espontaneidad: significado del cambio espontneo 820 19.2 El concepto de entropa 821 19.3 Evaluacin de la entropa y cambios entrpicos 827 19.4 Criterios de espontaneidad. El segundo principio de la termodinmica 832 19.5 Variacin de energa Gibbs estndar, G 836 19.6 Variacin de energa Gibbs y equilibrio 837 19.7 Dependencia de G y K de la temperatura 848 19.8 Reacciones acopladas 851 Resumen 852 Ejemplo de recapitulacin 853 Ejercicios 854 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 858 Problemas de seminario 860 Ejercicios de autoevaluacin 861 00-PRINCIPIOS.indd 13 1/3/11 16:25:39 16. XIV Contenido 20 Electroqumica 863 20.1 Potenciales de electrodo y su medida 864 20.2 Potenciales estndar de electrodo 869 20.3 Ecel, G y K 874 20.4 Ecel en funcin de las concentraciones 880 20.5 Bateras y pilas: obtencin de electricidad por medio de reacciones qumicas 888 20.6 Corrosin: celdas voltaicas no deseadas 894 20.7 Electrlisis: produccin de reacciones no espontneas 896 20.8 Procesos industriales de electrlisis 900 Resumen 904 Ejemplo de recapitulacin 905 Ejercicios 907 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 912 Problemas de seminario 914 Ejercicios de autoevaluacin 915 21 Elementos de los grupos principales I: Grupos 1, 2, 13 y 14 917 21.1 Tendencias peridicas y densidad de carga 918 21.2 Grupo 1. Metales alcalinos 920 21.3 Grupo 2. Metales alcalinotrreos 933 21.4 Grupo 13. La familia del boro 941 21.5 Grupo 14. La familia del carbono 951 Resumen 968 Ejemplo de recapitulacin 969 Ejercicios 970 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 972 Problemas de seminario 974 Ejercicios de autoevaluacin 974 22 Elementos de los grupos principales II: Grupos 18, 17, 16, 15 y el hidrgeno 976 22.1 Tendencias peridicas en el enlace 977 22.2 Grupo 18. Los gases nobles 979 22.3 Grupo 17. Los halgenos 985 22.4 Grupo 16. La familia del oxgeno 994 22.5 Grupo 15. La familia del nitrgeno 1004 22.6 El hidrgeno: un elemento excepcional 1017 Resumen 1021 Ejemplo de recapitulacin 1022 Ejercicios 1023 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 1026 Problemas de seminario 1028 Ejercicios de autoevaluacin 1029 23 Elementos de transicin 1031 23.1 Propiedades generales 1032 23.2 Principios de metalurgia extractiva 1037 23.3 Metalurgia del hierro y el acero 1044 23.4 Elementos de la primera serie de transicin: del escandio al manganeso 1046 23.5 Trada del hierro: hierro, cobalto y nquel 1052 23.6 Grupo 11: cobre, plata y oro 1054 23.7 Grupo 12: cinc, cadmio y mercurio 1056 23.8 Lantnidos 1059 23.9 Superconductores a alta temperatura 1059 Resumen 1062 Ejemplo de recapitulacin 1062 Ejercicios 1063 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 1066 Problemas de seminario 1067 Ejercicios de autoevaluacin 1068 00-PRINCIPIOS.indd 14 1/3/11 16:25:39 17. Contenido XV 24 Iones complejos y compuestos de coordinacin 1069 24.1 Introduccin a la teora de los compuestos de coordinacin de Werner 1070 24.2 Ligandos 1072 24.3 Nomenclatura 1075 24.4 Isomera 1076 24.5 El enlace en los iones complejos. Teora de campo cristalino 1083 24.6 Propiedades magnticas de los compuestos de coordinacin y teora del campo cristalino 1088 24.7 El color y los colores de los complejos 1090 24.8 Algunos aspectos de los equilibrios de los iones complejos 1093 24.9 Reacciones cido-base de los iones complejos 1095 24.10 Consideraciones cinticas 1096 24.11 Aplicaciones de la qumica de coordinacin 1097 Resumen 1102 Ejemplo de recapitulacin 1103 Ejercicios 1104 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 1106 Problemas de seminario 1108 Ejercicios de autoevaluacin 1109 25 Qumica nuclear 1111 25.1 La radiactividad 1112 25.2 Estado natural de los istopos radiactivos 1115 25.3 Reacciones nucleares y radiactividad inducida artificialmente 1117 25.4 Elementos transurnidos 1118 25.5 Velocidad de desintegracin radiactiva 1119 25.6 Energas implicadas en las reacciones nucleares 1125 25.7 Estabilidad nuclear 1128 25.8 Fisin nuclear 1130 25.9 Fusin nuclear 1133 25.10 Efecto de la radiacin sobre la materia 1134 25.11 Aplicaciones de los radiostopos 1137 Resumen 1139 Ejemplo de recapitulacin 1140 Ejercicios 1141 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 1144 Problemas de seminario 1145 Ejercicios de autoevaluacin 1146 26 Estructura de los compuestos orgnicos 1147 26.1 Introduccin a los compuestos orgnicos y sus estructuras 1148 26.2 Alcanos 1155 26.3 Cicloalcanos 1161 26.4 Estereoisomera de los compuestos orgnicos 1168 26.5 Alquenos y alquinos 1175 26.6 Hidrocarburos aromticos 1179 26.7 Grupos funcionales en los compuestos orgnicos 1181 26.8 De la frmula molecular a la estructura molecular 1192 Resumen 1195 Ejemplo de recapitulacin 1197 Ejercicios 1198 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 1204 Problemas de seminario 1205 Ejercicios de autoevaluacin 1207 27 Reacciones de los compuestos orgnicos 1208 27.1 Introduccin a las reacciones orgnicas 1209 27.2 Introduccin a las reacciones de sustitucin nucleoflica 1211 27.3 Introduccin a las reacciones de eliminacin 1225 27.4 Reacciones de los alcoholes 1234 27.5 Introduccin a las reacciones de adicin: reacciones de los alquenos 1239 27.6 Sustitucin electrfila aromtica 1244 00-PRINCIPIOS.indd 15 1/3/11 16:25:40 18. XVI Contenido 27.7 Reacciones de los alcanos 1248 27.8 Polmeros y reacciones de polimerizacin 1250 27.9 Sntesis de compuestos orgnicos 1254 Resumen 1256 Ejemplo de recapitulacin 1257 Ejercicios 1259 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 1263 Problema de seminario 1264 Ejercicios de autoevaluacin 1265 28 Qumica de los seres vivos 1266 28.1 Estructura qumica de la materia viva. Una visin panormica 1267 28.2 Lpidos 1268 28.3 Hidratos de carbono 1271 28.4 Protenas 1279 28.5 Aspectos del metabolismo 1286 28.6 cidos nucleicos 1292 Resumen 1295 Ejemplo de recapitulacin 1296 Ejercicios 1297 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 1300 Problemas de seminario 1301 Ejercicios de autoevaluacin 1302 APNDICES A Operaciones matemticas A1 B Conceptos fsicos bsicos A11 C Unidades SI A15 D Tablas de datos A17 E Mapas conceptuales A37 F Glosario A39 G Respuestas a las cuestiones de las Evaluaciones de conceptos A55 Crditos de las fotografas PC1 ndice I1 00-PRINCIPIOS.indd 16 1/3/11 16:25:40 19. Contenido XVII Atencin a Discusiones sobre Mastering ChemistryTM (www.masteringchemistry.com) 1 Atencin a El mtodo cientfico en accin: poliagua 2 Atencin a Estado natural y abundancias de los elementos 3 Atencin a Espectrometra de masas. Determinacin de frmulas moleculares y estructurales 4 Atencin a La qumica industrial 5 Atencin a El tratamiento de aguas 6 Atencin a La atmsfera terrestre 7 Atencin a Grasas, hidratos de carbono y almacenamiento de energa 8 Atencin a Lseres de helio-nen 9 Atencin a La ley peridica y el mercurio 10 Atencin a Molculas en el espacio. Medida de longitudes de enlace 11 Atencin a Espectroscopa fotoelectrnica 12 Atencin a Cristales lquidos 13 Atencin a Cromatografa 14 Atencin a Combustin y explosiones 15 Atencin a El ciclo del nitrgeno y la sntesis de compuestos nitrogenados 16 Atencin a Lluvia cida 17 Atencin a Disoluciones reguladoras en la sangre 18 Atencin a Conchas, dientes y fsiles 19 Atencin a Reacciones acopladas en sistemas biolgicos 20 Atencin a Potenciales de membrana 21 Atencin a Arseniuro de galio 22 Atencin a La capa de ozono y su papel medioambiental 23 Atencin a Puntos cunticos 24 Atencin a Los colores de las gemas 25 Atencin a Eliminacin de residuos radioactivos 26 Atencin a Resolucin qumica de enantimeros 27 Atencin a Qumica sostenible y lquidos inicos 28 Atencin a Sntesis de protenas y el cdigo gentico 00-PRINCIPIOS.indd 17 1/3/11 16:25:40 20. XVIII Sobre los autores Ralph H. Petrucci Ralph Petrucci se gradu en Qumica en el Union College, Schenectady, NY, y obtuvo su doctorado en la Universidad de Wisconsin-Madison. Durante diez aos se dedic a la en- seanza, investigacin y fue consultor, dirigiendo los institutos NSF para profesores de ciencias de secundaria en la Universidad de Case Western Reserve, Cleveland, OH. En 1964, el Dr Petrucci particip en el equipo que planific el nuevo campus de la Universi- dad del Estado de California en San Bernardino. All, adems de ser profesor en la facul- tad, particip como director de la Divisin de Ciencias Naturales y decano de Planifica- cin Acadmica. El profesor Petrucci, ahora retirado de la enseanza, es coautor del libro General Chemistry con John W. Hill, Terry W. McCreary y Scott S. Perry. F. Geoffrey Herring Geoff Herring se gradu y doctor en Qumica Fsica por la Universidad de Londres. Actualmente es profesor emrito en el Departamento de Qumica en la Universidad de British Columbia en Vancouver. El campo de investigacin del Dr. Herring es la qumi- ca Biofsica en el que ha publicado ms de 100 artculos. Recientemente, el Dr. Herring ha realizado estudios para integrar las tecnologas de la informacin y los mtodos interactivos en la enseanza de la qumica general, con el fin de mejorar la compren- sin y el aprendizaje de los estudiantes. El Dr. Herring ha enseado qumica en todos los niveles universitarios durante 30 aos y ha recibido en dos ocasiones el premio de exce- lencia en la enseanza denominado Premio Killam. Jeffry D. Madura Jeffry D. Madura es profesor en el Departamento de Qumica y Bioqumica de la Uni- versidad Duquesne de Pittsburg, PA. Se gradu en el Thiel College en 1980 y obtuvo su doctorado en Qumica Fsica, en la Universidad Purdue en 1985. Tras el doctorado rea- liz una estancia postdoctoral en la Universidad de Houston, trabajando con el profesor J. Andrew McCammon en biofsica. La investigacin del Dr. Madura se centra en el campo de la qumica computacional y la biofsica. Ha publicado ms de 80 artculos en qumica fsica. El profesor Madura ha enseado qumica durante 20 aos en todos los niveles universitarios y ha recibido el Premio Dreyfus (Teacher-scholar Award). Tam- bin ha sido galardonado por la Bayer School of Natural and Environmental Sciences y ha obtenido el premio Duquesne University Presidential Award for Excellence in Scholarship en 2007. Carey Bissonnette Carey Bissonnette es profesor (Continuing Lecturer) en el Departamento de Qumica de la Universidad de Waterloo en Ontario. Se gradu en la Universidad de Waterloo en 1989 y obtuvo su doctorado en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 1993. Su investiga- cin se centra en el desarrollo de mtodos de modelizacin dinmica de molculas polia- tmicas en fase gaseosa. Ha recibido premios docentes como el Distinguished Teaching Award de la Universidad de Waterloo en 2005. El Dr. Bissonnette ha impulsado el uso de las tecnologas, tanto en la clase como en el laboratorio, para crear con sus estudian- tes un clima interactivo de aprendizaje y exploracin. En los ltimos aos, ha estado im- plicado en el desarrollo del curriculum de qumica universitario y de secundaria y en la coordinacin de los concursos de qumica organizados por la universidad para los estu- diantes de secundaria de todo el mundo. 00-PRINCIPIOS.indd 18 1/3/11 16:25:40 21. XIX Prefacio Conozca su audiencia. En esta nueva edicin, hemos intentado seguir este consejo im- portante dirigido a los autores, para responder todava mejor a las necesidades de los es- tudiantes que estn trabajando intensamente en esta materia. Sabemos que la mayora de los estudiantes de qumica general, debido a su carrera, no estn interesados en la qumi- ca, sino en otras reas como la biologa, la medicina, la ingeniera, las ciencias del medio ambiente y agrcolas. Tambin somos conscientes de que la qumica general ser el ni- co curso universitario de qumica para muchos estudiantes y su nica oportunidad de aprender algunas aplicaciones prcticas de la qumica. Hemos diseado este texto para todos estos estudiantes. Los estudiantes de este texto probablemente hayan estudiado algo de qumica, pero aquellos que no lo hayan hecho, y los que lo utilizan como recordatorio, encontrarn que en los primeros captulos se desarrollan conceptos fundamentales a partir de las ideas ms elementales. Los estudiantes que piensan convertirse en qumicos profesionales tam- bin comprobarn que el texto se adapta a sus intereses especficos. El estudiante medio puede necesitar ayuda para identificar y aplicar los principios y para visualizar su significado fsico. Las caractersticas pedaggicas de este texto es- tn diseadas para proporcionar esta ayuda. Al mismo tiempo, esperamos que el tex- to sirva para aumentar la destreza en la resolucin problemas y la capacidad crtica del alumno. De esta manera, hemos intentado conseguir el balance adecuado entre princi- pios y aplicaciones, razonamientos cuantitativos y cualitativos y entre rigor y simpli- ficacin. A lo largo del texto y en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringche- mistry.com) se muestran ejemplos del mundo real para resaltar la discusin. Tambin se pueden encontrar en numerosas ocasiones, ejemplos relevantes de las ciencias bio- lgicas, la ingeniera y las ciencias medioambientales. Esto ayuda a mostrar a los es- tudiantes una qumica viva y les ayuda a entender su importancia en cada una de las carreras. En la mayor parte de los casos, tambin les ayuda a profundizar en los con- ceptos bsicos. ORGANIzACIN En esta edicin, mantenemos la organizacin fundamental de la novena edicin, pero con una cobertura adicional, en profundidad y amplitud en algunas reas. Despus de una breve revisin general de los conceptos bsicos en el Captulo 1, se introduce la teo- ra atmica, incluyendo la tabla peridica, en el Captulo 2. La tabla peridica es un ins- trumento extraordinariamente til y su presentacin al comienzo del texto nos permi- te utilizarla de modo diferente en los primeros captulos del texto. En el Captulo 3 se introducen los compuestos qumicos y su estequiometra. Los compuestos orgnicos se incluyen en esta presentacin. La introduccin de los compuestos orgnicos en los pri- meros captulos nos permite utilizar ejemplos orgnicos a lo largo de todo el libro. En los Captulos 4 y 5 se introducen las reacciones qumicas. En el Captulo 6 se estudian los gases, en parte porque son conocidos por los estudiantes (esto les ayuda a adquirir confianza) pero tambin porque algunos profesores prefieren tratar pronto esta materia para coordinar mejor los programas de clases y laboratorio. Observe que el Captulo 6 puede retrasarse fcilmente para unirlo con los otros estados de la materia en el Cap- tulo 12. En el Captulo 8 se profundiza ms en la mecnica ondulatoria, aunque se hace de forma que se pueda omitir este material a discrecin del profesor. Como en ediciones anteriores, hemos resaltado la qumica del mundo real en los captulos finales que cu- bren la qumica descriptiva (Captulos 21-24) y hemos tratado de facilitar el adelanto de esta materia a las primeras partes del texto. Adems, muchos temas de estos captulos 00-PRINCIPIOS.indd 19 1/3/11 16:25:40 22. XX Prefacio pueden tratarse de forma selectiva sin necesidad de estudiar los captulos completos. El texto termina con sendos captulos de qumica orgnica (Captulos 26-27) muy asimila- bles y de bioqumica (Captulo 28). CAMBIOS EN ESTA EDICIN En esta edicin, hemos hecho hincapi en el aspecto pedaggico y se ha profundizado ms en algunas reas, siempre de acuerdo con las ideas actuales de cmo ensear me- jor la qumica general. Se ha cambiado ligeramente la organizacin, para mejorar el flu- jo de informacin al estudiante. Los prrafos siguientes resumen las mejoras introduci- das a lo largo del libro. Procedimiento lgico para la resolucin de problemas. Todos los ejemplos se presentan consistentemente con un esquema en tres etapas: planteamiento, resolucin y con- clusiones. Esta presentacin, no solo estimula al estudiante a seguir un procedi- miento lgico para la resolucin de problemas, sino que le proporciona una forma de empezar a enfocar un problema que aparentemente pareca imposible. Es el pro- cedimiento utilizado implcitamente por los que ya saben resolver problemas, pero para los que estn empezando, la estructura planteamiento-resolucin-conclusio- nes sirve para recordar a los estudiantes que (1) se analiza la informacin y se pla- nea una estrategia, (2) se desarrolla la estrategia y (3) se comprueba o valora la res- puesta para asegurarnos que es razonable. Ejemplos de recapitulacin y Ejercicios al final del captulo. Los usuarios de las edicio- nes anteriores han valorado positivamente la calidad de los Ejemplos de recapitu- lacin al final de cada captulo y la variedad de los Ejercicios al final del captulo. Hemos aadido dos Ejemplos prcticos (Ejemplo prctico A y Ejemplo prctico B) a cada Ejemplo de recapitulacin. En lugar de sustituir ejercicios por otros nuevos, hemos optado por aumentar el nmero de ejercicios. En la mayora de los captulos se han incluido al menos diez ejercicios nuevos, y muchas veces han sido veinte o ms los ejercicios nuevos aadidos. Recomendaciones de la IUPAC. Estamos muy contentos con que nuestro libro sir- va de referencia a profesores y estudiantes de todo el mundo. Como la comuni- cacin entre cientficos, y entre los qumicos en particular, es ms fluida si se em- plean los mismos trminos y smbolos, hemos decidido seguir (con muy pocas excepciones) las recomendaciones de la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC). Por ejemplo, la tabla peridica que aparece en el texto, es la adoptada por IUPAC. La versin de IUPAC coloca los elementos lantano (La) y actinio (Ac) en las series de lantnidos y actnidos, y no en el grupo 3. Es inte- resante comprobar que muchos libros de qumica usan todava la versin anti- gua de la tabla peridica, aunque la correcta colocacin del La y Ac data de hace ms de 20 aos! Tambin hemos hecho los siguientes cambios importantes en los distintos captulos y apndices. En los Captulos 1 a 6, se han resuelto numerosos problemas tanto paso a paso como usando la secuencia de conversin. Los estudiantes sin estudios anteriores en qumica pueden verse intimidados por la secuencia de conversin y preferir la resolucin paso a paso. Los que solamente necesiten refrescar sus conocimientos preferirn utilizar la secuencia de conversin. Esperamos que se satisfagan las ne- cesidades de profesores y alumnos incluyendo ambos mtodos en los primeros ca- ptulos. En el Captulo 6 (Gases) hemos cambiado la definicin de temperatura y presin es- tndar para adoptar las recomendaciones de IUPAC. Hemos aadido una discusin 00-PRINCIPIOS.indd 20 1/3/11 16:25:40 23. Prefacio XXI sobre los volmenes molares de los gases y la distribucin de velocidades molecu- lares. La discusin sobre la distribucin de velocidades moleculares se puede uti- lizar como introduccin de la expresin de Arrhenius de la constante de velocidad en el Captulo 14 (Cintica qumica). En el Captulo 8 (Los electrones en los tomos) hemos introducido la partcula en una caja en una seccin nueva, as queda a discrecin del instructor, incluirla o ex- cluirla. La discusin se ha alargado un poco para ilustrar el uso de las funciones de onda para hacer clculos de probabilidad para un electrn en un determinado estado. En el Captulo 10 (Enlace qumico I. Conceptos bsicos) se ha introducido el simbo- lismo de cuas y barras para representar estructuras tridimensionales de molcu- las que despus se utilizar a lo largo del texto. Tambin se ha aadido una nueva seccin Est preguntndose? comparando los estados de oxidacin y las cargas formales. El Captulo 12 (Fuerzas intermoleculares: lquidos y slidos) se ha reorganizado de forma que se empieza por las fuerzas intermoleculares. Las propiedades de los l- quidos y slidos se discuten en funcin de las fuerzas intermoleculares que contri- buyen a la atraccin entre las entidades que forman la sustancia. En el Captulo 14 (Cintica qumica) se utiliza la definicin recomendada por la IUPAC para la velocidad de reaccin que tiene en cuenta los coeficientes este- quiomtricos de la ecuacin qumica ajustada. Tambin se ha incluido una nue- va seccin Est preguntndose? con una interpretacin molecular del avance de la reaccin. En el Captulo 15 (Principios del equilibrio qumico) se han ampliado las discusio- nes sobre relaciones entre actividades, presiones y concentraciones, y tambin en- tre K, Kp y Kc. En el Captulo 16 (cidos y bases) se han introducido flechas curvas, como se hace en qumica orgnica, para resaltar el movimiento del par de electrones en la reac- cin cido-base. Tambin se incluye una discusin actualizada de la conexin entre la estructura molecular y la fuerza de los cidos. En el Captulo 20 (Electroqumica) se han hecho cambios en la notacin, para adap- tarse a la IUPAC, y lo que es ms importante, se introduce el concepto de nmero de electrones, z, que se usa en lugar de n, en la ecuacin de Nernst y en otras ecua- ciones. Los Captulos 21 (Elementos de los grupos principales I: Grupos 1, 2, 13 y 14) y 22 (Elementos de los grupos principales II: Grupos 18, 17, 16, 15 e hidrgeno) se han actualizado para incluir la discusin de materiales interesantes e importantes, tales como los teres corona, zeolitas y grafeno. En el Captulo 21 se introduce el concep- to de densidad de carga que se utiliza en estos dos captulos para racionalizar las similitudes y las diferencias de las propiedades de los elementos. Se dedican dos captulos a la qumica orgnica. El Captulo 26 (Estructura de los compuestos orgnicos) se dedica al estudio estructural, conformaciones, prepara- cin y usos de los compuestos orgnicos. El Captulo 27 (Reacciones de los com- puestos orgnicos) se dedica a unos pocos tipos de reacciones importantes y sus mecanismos. Al examinar dichas reacciones, se aplican los conceptos introduci- dos anteriormente, como fuerza de cidos o bases, electronegatividad y polariza- bilidad. En el Apndice D se han aadido los calores molares de las sustancias incluidas en la tabla D.2 (Propiedades termodinmicas de sustancias a 298,15 K). Tambin se in- cluye una nueva Tabla D.5 de masas y abundancias isotpicas. 00-PRINCIPIOS.indd 21 1/3/11 16:25:40 24. XXII Prefacio GUA PARA LA UTILIzACIN DE ESTA EDICIN En esta edicin se ha hecho el esfuerzo de incorporar caractersticas que faciliten la enseanza y el aprendizaje de la qumica. 13 Las disoluciones y sus propiedades fsicas 579 del soluto. Las pro- ncentracin de part- an propiedades coli- presiones osmticas presenta por el sm- es temperatura Kel- es el volumen, en li- uacin para la ley de ar trminos para ob- la disolucin, repre- La disminucin de la presin de vapor, de acuerdo con la ley de Raoult para disoluciones ideales, es tambin una propiedad coligativa. ica general 2. Todos los tomos de un elemento son semejantes en masa (peso) y otras propie- dades, pero los tomos de un elemento son diferentes de los del resto de los ele- mentos. 3. En cada uno de sus compuestos, los diferentes elementos se combinan en una pro- porcin numrica sencilla: por ejemplo, un tomo de A con un tomo de B (AB), o un tomo de A con dos tomos de B (AB2). Si los tomos de un elemento son indestructibles (supuesto 1), entonces los mismos tomos deben estar presentes despus de una reaccin qumica. La masa total permane- ce invariable. La teora de Dalton explica la ley de conservacin de la masa. Si todos los tomos de un elemento tienen una misma masa (supuesto 2) y si los tomos se unen en proporciones numricas fijas (supuesto 3), la composicin centesimal de un compuesto debe tener un nico valor, independientemente del origen de la muestra analizada. La teora de Dalton tambin explica la ley de la composicin constante. Como todas las buenas teoras, la teora atmica de Dalton condujo a una prediccin, la ley de las proporciones mltiples. Si dos elementos forman ms de un compuesto sencillo, las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento estn en una relacin de nmeros enteros sencillos. Para ilustrar esto, considere los dos xidos de carbono (un xido es una combinacin de un elemento con oxgeno). En un xido, 1,000 g de carbono se combina con 1,333 g de oxgeno, y en el otro, con 2,667 g de oxgeno. Vemos que el segundo xido es ms rico en oxgeno; de hecho contiene el doble de oxgeno, 2,667 g/1,333g 2,00. Ahora sabe- mos que la frmula molecular del primer xido es CO y la del segundo, CO2 (vase la Fi- gura 2.3). Las masas relativas caractersticas de los tomos de los diferentes elementos se cono- cen como pesos atmicos y a lo largo del siglo XIX los qumicos trabajaron para estable- cer valores fiables de los pesos atmicos relativos. Sin embargo, los qumicos dirigieron su atencin principalmente al descubrimiento de nuevos elementos, sintetizando nue- vos compuestos, desarrollando tcnicas para analizar materiales, y, en general, almace- nando una gran cantidad de conocimientos qumicos. Los fsicos fueron los que dedi- caron sus esfuerzos en desvelar la estructura del tomo, como veremos en las prximas secciones. 2.2 Los electrones y otros descubrimientos de la fsica atmica Afortunadamente, podemos comprender cualitativamente la estructura atmica sin te- ner que seguir el curso a todos los descubrimientos que precedieron a la fsica atmi- ca. Sin embargo, s necesitamos algunas ideas clave sobre los fenmenos interrelaciona- dos de electricidad y magnetismo, que discutimos aqu brevemente. La electricidad y el magnetismo se utilizaron en los experimentos que condujeron a la teora actual de la es- tructura atmica. Algunos objetos, muestran una propiedad denominada carga elctrica, que puede ser positiva ( ) o negativa ( ). Las cargas positivas y negativas se atraen entre s, mientras que dos cargas positivas o dos negativas se repelen. Como veremos en esta seccin, to- dos los objetos materiales estn formados por partculas cargadas. Un objeto elctrica- mente neutro tiene un nmero igual de partculas cargadas positiva y negativamente y no lleva carga neta. Si el nmero de cargas positivas es mayor que el nmero de cargas ne- gativas, el objeto tiene una carga neta positiva. Si el nmero de cargas negativas excede al de las positivas, el objeto tiene una carga neta negativa. Se puede observar que cuan- do frotamos una sustancia contra otra como cuando nos peinamos, se produce una car- ga elctrica esttica, lo que implica que el frotamiento separa algunas cargas positivas y n (1766-1844) autor mica. Dalton no ha ado como un experi- pecialmente bueno, o a su ceguera para enfermedad deno- nismo. Sin embargo, bilidad los datos de mular su teora at- afa de la Coleccin DE o que sabemos es undo xido es dos rico en oxgeno que . Si el primero es sibilidades para el on CO2, C2O4, C3O6, ivamente. (Vase Ejercicio 18). 3 s CO y CO2 ilustran proporciones arbono es la misma olculas, pero la masa n el CO2 es el doble el oxgeno en el CO. do con la ley de las mltiples, las masas n los dos compuestos una masa de carbono una razn de nmeros los, 2:1. 655 C O N T E N I D O 15.1 Equilibrio dinmico 15.2 Expresin de la constante de equilibrio 15.3 Relaciones entre las constantes de equilibrio 15.4 Significado del valor numrico de una constante de equilibrio 15.5 El cociente de reaccin, Q. prediccin del sentido del cambio neto 15.6 Modificacin de las condiciones de equilibrio. Principio de Le Chtelier 15.7 Clculos de equilibrios. Ejemplos ilustrativos Principios del equilibrio qumico 15 H asta este momento se ha centrado la atencin en las reacciones que trans- curren por completo y en los conceptos de estequiometra que nos per- miten calcular los resultados de estas reacciones. En ocasiones nos he- mos referido a las situaciones que implican una reaccin directa y otra inversa, las reacciones reversibles. En este captulo se examinarn estas reacciones de ma- nera sistemtica y detallada. Se resaltarn las condiciones del equilibrio alcanzado cuando las reacciones directa e inversa transcurren a la misma velocidad. La principal herramienta para el estudio del equilibrio ser la constante de equilibrio. Se introducirn en primer lugar algunas relaciones clave de las constantes de equilibrio, despus se harn predicciones cualitativas sobre las condiciones de equilibrio y finalmen- te se harn varios clculos de equilibrios. Como se ver a lo largo de este texto, las condiciones de equilibrio juegan un papel importante en muchos fenmenos naturales e influyen en los mtodos de obtencin de muchos productos qumi- cos importantes en la industria. Durante el relmpago, se produce una reaccin natural muy importante: N2(g) O2(g) 2NO(g). Esta reaccin es reversible pero normalmente, la reaccin directa no ocurre de modo apreciable, salvo a las altas temperaturas que se producen en el relmpago. En el equilibrio a alta temperatura tiene lugar una conversin de N2(g) y O2(g) en NO(g) que es medible. En este captulo se estudia el equilibrio en una reaccin reversible y los factores que le afectan. Captulo 13 Las disoluciones y sus propiedades fsicas 559 Esta disolucin se prepar disolviendo 25,0 mL de CH3OH(l) por cada 100,0 mL de disolucin acuosa. Otra posibilidad es expresar la masa del soluto y el volumen de la disolucin. Una di- solucin acuosa que contiene 0,9 g de NaCl en 100,0 mL de disolucin se dice que es del 0,9 por ciento (masa/volumen) de NaCl. El porcentaje masa/volumen se utiliza mucho en medicina y farmacia. Partes por milln, partes por billn y partes por trilln En disoluciones en las que el porcentaje en masa o volumen de un componente es muy bajo, a menudo cambiamos a otras unidades para expresar la concentracin de la diso- lucin. Por ejemplo, 1 mg de soluto/L de disolucin, supone solo 0,001 g/L. Una disolu- cin que sea tan diluda, tendr la misma densidad que el agua, aproximadamente 1 g/ mL; por tanto, la concentracin de la disolucin es 0,001 g de soluto/1000 g de disolu- cin, que es la misma que 1 g de soluto/1 000 000 g de disolucin. Se puede describir la concentracin de forma ms sucinta como 1 parte por milln (ppm). Para una disolucin con solo 1 g de soluto/L de disolucin, la situacin es 1 10 6 g de soluto/1000 g de di- solucin o 1,0 g de soluto/1 109 g de disolucin. Aqu, la concentracin de soluto es 1 parte por billn (ppb). Si la concentracin de soluto es nicamente 1 g de soluto/L de di- solucin, la concentracin es 1 parte por trilln (ppt)*. Como estos trminos se utilizan con frecuencia en los informes medioambientales, pue- den resultar ms comunes que otras unidades utilizadas por los qumicos. Por ejemplo, un consumidor en California, podra leer en el informe anual sobre la calidad del agua, proce- dente del departamento municipal correspondiente, que el nivel de contaminacin mxi- ma permitido para el ion nitrato es 45 ppm y para el tetracloruro de carbono 0,5 ppb. Fraccin molar y porcentaje molar Para relacionar ciertas propiedades fsicas (como la presin de vapor) con la concentra- cin de la disolucin, se precisa una unidad de concentracin en la que todos los com- ponentes de la disolucin estn expresados en moles. Esto puede lograrse con la fraccin molar. La fraccin molar del componente i, designada xi, es la fraccin de todas las mol- culas en una disolucin que son del tipo i. La fraccin molar del componente j es xj, y as sucesivamente. La fraccin molar del componente de una disolucin se define como cantidad del componente i (en moles) cantidad total de todos los componentes de la disolucin (en moles) La suma de las fracciones molares de todos los componentes de la disolucin es 1. xi xj xk 1 El porcentaje molar del componente de una disolucin es el porcentaje de todas las mo- lculas en disolucin que son de un tipo determinado. Los porcentajes molares son las fracciones molares multiplicadas por 100 por cien. O 13.1 EVALUACIN DE CONCEPTOS En un mol de disolucin con una fraccin molar de agua de 0,5, cuntas molculas de agua habr? Molaridad En los Captulos 4 y 5 se introdujo la molaridad para proporcionar un factor de conver- sin que relacionara la cantidad de soluto y el volumen de la disolucin y se utiliz en varios clculos estequiomtricos. Como se vio en ese momento, molaridad (M) cantidad de soluto (en moles) volumen de disolucin (en litros) * (N.T. En esta escala de concentraciones, billn y trilln tienen el significado de dicha cantidad en ingls, es decir, 109 y 1012 , respectivamente, en lugar de 1012 y 1018 respectivamente, en espaol. No obstante, la forma habi- tual en espaol, es referirse a ppb y ppt para fracciones de 10 9 y 10 12 , respectivamente.) Una parte por billn: En promedio, la cabeza tiene 10 000 pelos. Por tanto, 1 parte por billn es un pelo cada 100 000 personas. RECUERDE que 1 ppm 1 mg/L, 1 ppb 1 g/L, y 1 ppt 1 ng/L. 572 Qumica general Bucear en la profundidad del mar nos proporciona una vez ms otro ejemplo de la ley de Henry. Los buceadores deben llevar un suministro de aire para respirar mientras per- manecen bajo el agua. Si permanecen sumergidos durante un cierto tiempo, los bucea- dores deben respirar aire comprimido. Sin embargo, el aire a alta presin es mucho ms soluble en la sangre y otros fluidos corporales que el aire a presiones normales. Cuando un buceador vuelve a la superficie, el exceso de N2(g) disuelto se desprende de los flui- dos del cuerpo como finas burbujas. Cuando el ascenso a la superficie se hace demasia- do rpidamente, el N2 se difunde fuera de la sangre demasiado rpidamente causando fuerte dolor en las extremidades y articulaciones, probablemente por interferencia con el sistema nervioso. Esta situacin peligrosa, conocida como borrachera de las profundi- dades, puede evitarse si el buceador asciende muy lentamente o permanece un tiempo en una cmara de descompresin. Otro mtodo eficaz es sustituir el aire comprimido por una mezcla de helio-oxgeno. El helio es menos soluble en la sangre que el nitrgeno. La ley de Henry (vase la Ecuacin 13.2) falla para gases a presiones elevadas; tambin falla si el gas se ioniza en agua o reacciona con agua. Por ejemplo, a 20 C y con PHCl 1 atm, una disolucin saturada de HCl(aq) es aproximadamente 20 M. Pero para preparar HCl 10 M no es necesario mantener PHCl 0,5 atm sobre la disolucin, ni es PHCl 0,05 atm sobre HCl 1 M. Ni siquiera es posible detectar HCl(g) sobre HCl 1 M por su olor. La razn de no poder detectarlo es que el HCl se ioniza en disoluciones acuosas, y en diso- luciones diluidas, prcticamente no hay molculas de HCl. HCl (g) H2O H (aq) Cl (aq) La ley de Henry se aplica solamente al equilibrio entre las molculas de un gas y las mismas molculas en disolucin. EJEMPLO 13.5 Utilizacin de la ley de Henry A 0 C y una presin de O2 de 1,00 atm, la solubilidad del O2(g) en agua es 48,9 mL de O2 por litro. Cul es la mo- laridad del O2 en una disolucin acuosa saturada cuando el O2 est sometido a su presin parcial normal en aire, de 0,2095 atm? Planteamiento Considere que el problema tiene dos partes. (1) Determine la molaridad de la disolucin saturada de O2 a 0 C y 1 atm. (2) Utilice la ley de Henry en la forma indicada anteriormente. Resolucin Determine la molaridad del O2 a 0 C cuando PO2 1 atm. molaridad 0,0489 L O2 1 mol O2 22,4 L O2 (STP) 1 L disolucin 2,18 10 3 M O2 Calcule la constante de la ley de Henry. gas 2,18 10 3 M O2 1,00 atm Aplique la ley de Henry. gas 2,18 10 3 M O2 1,00 atm 0,2095 atm 4,57 10 4 M O2 Conclusin Cuando se resuelven problemas que implican solutos gaseosos en una disolucin en la que el soluto se encuentra a con- centracin muy baja, utilice la ley de Henry. EJEMPLO PRCTICO A: Utilice los datos del Ejemplo 13.5 para determinar la presin parcial del O2 sobre una disolucin acuosa a 0 C sabiendo que contiene 5,00 mg de O2 por 100,0 mL de disolucin. EJEMPLO PRCTICO B: En un manual de datos se encuentra que la solubilidad del monxido de carbono en agua a 0 C y 1 atm de presin es 0,0354 mL de CO por mililitro de H2O. Cul debera ser la presin del CO(g) sobre la disolucin para obtener una concentracin 0,0100 M de CO? Para evitar una situacin dolorosa y peligrosa de apopleja por cambios bruscos de presin, los buceadores no deben ascender a la superficie demasiado rpidamente desde grandes profundidades. Cabecera de Captulo Cada captulo empieza con una relacin de los apartados principales, lo cual proporciona una visin de conjunto de los contenidos. Trminos clave Los Trminos clave se escriben en negrita cuando se defi- nen. Hay un Glosario de trminos clave con sus definicio- nes en el Apndice F. Cuadros resaltados en color Las ecuaciones, conceptos y reglas importantes se resaltan con un color de fondo para referenciarlos mejor. Evaluacin de conceptos Las preguntas de evaluacin de conceptos (muchas de ellas cualitativas) se encuentran distribuidas a lo largo de los ca- ptulos, para permitir a los estudiantes conocer su grado de asimilacin de los conceptos bsicos, antes de seguir ade- lante. Las soluciones a estas preguntas se encuentran en el Apndice G. Ejemplos acompaados de Ejemplos prcticos A y B A lo largo de todo el texto hay Ejemplos resueltos para ilustrar y aplicar los conceptos. En muchos casos incluyen dibujos o fotografas para ayudar a visualizar su conteni- do. Todos siguen un esquema de trabajo: Planteamiento- Resolucin y Conclusiones para animar a los estudian- tes a adoptar un procedimiento lgico en la resolucin de problemas. Cada Ejemplo resuelto se acompaa de dos Ejemplos prcticos, el primero, Ejemplo prctico A pone en prcti- ca lo desarrollado en el Ejemplo con un problema muy si- milar. El segundo, Ejemplo prctico B suele llevar al estu- diante un paso ms adelante que el problema del Ejemplo, y suele ser similar en dificultad a los problemas del final del captulo. Las respuestas a todos los Ejemplos prcti- cos se dan en la pgina web del Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). Notas al margen Las Notas al margen ayudan a clarificar conceptos. 00-PRINCIPIOS.indd 22 1/3/11 16:25:41 25. Prefacio XXIII Notas al margen, Recuerde Estas notas le ayudarn a recordar las ideas introducidas anteriormente en el texto, que son importantes para com- prender lo que se est discutiendo en ese momento. A veces, tambin previenen a los alumnos sobre errores frecuentes. Est preguntndose? Los recuadros Est preguntndose? Plantean y respon- den las preguntas que se suelen hacer los estudiantes. Algu- nas tratan de evitar frecuentes errores, otras proporcionan analogas o explicaciones alternativas y otras ponen de ma- nifiesto aparentes inconsistencias. Estos recuadros pueden ser utilizados u omitidos a discrecin del instructor. Atencin a Al final de cada captulo se hace referencia a una discusin llamada Atencin a que se encuentra en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). Estas discusiones describen aplicaciones interesantes y sig- nificativas de cada captulo y ayudan a demostrar la im- portancia de la qumica en todos los aspectos de la vida diaria. Material suplementario en el Captulo de Qumica Orgnica El Captulo 27 incluye referencias a discusiones sobre cidos y bases orgnicos, mecanismos E2, cidos carbox- licos y sus derivados. El mecanismo de adicin-elimina- cin se encuentra en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). Resumen Se incluye un Resumen amplio en cada captulo. El resu- men est organizado segn los apartados principales del ca- ptulo e incorpora los trminos clave en negritas. Ejemplos de recapitulacin Se incluye un Ejemplo de recapitulacin al final de cada captulo. Estos ejemplos significan un reto para los es- tudiantes y muestran cmo resolver problemas comple- jos relacionando entre s varios conceptos del captulo y de captulos anteriores. Cada Ejemplo de recapitula- cin viene acompaado por un Ejemplo prctico A y un Ejemplo prctico B. Las respuestas a todos los Ejemplos prcticos se dan en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). quida en el componente ms voltil. O 13.5 EVALUACIN DE CONCEPTOS Describa un caso en el que en un diagrama como el de la Figura 13.12 las curvas de lquido y vapor deben converger en una curva sencilla. Es probable que exista un caso as? Destilacin fraccionada Vamos a ver de forma diferente, un equilibrio lquido-vapor en mezclas de benceno- tolueno. En lugar de representar las presiones de vapor en funcin de las composiciones de la disolucin y del vapor, vamos a representar la temperatura de ebullicin normal, temperatura a la que la presin de vapor total de la disolucin es 1 atm. El grfico resul- tante se muestra en la Figura 13.13. Este grfico es til para explicar la destilacin frac- cionada, un procedimiento de separacin de lquidos voltiles de los que no lo son. Observe que el grfico empieza a una temperatura alta, 110,6 C, el punto de ebulli- cin del tolueno y termina a una temperatura ms baja, 80,0 C, el punto de ebullicin del benceno. Esta situacin es la inversa de la Figura 13.12. Adems, aqu la curva del vapor se encuentra por encima de la curva del lquido en la Figura 13.13, no por debajo como en el caso de la Figura 13.12. La Figura 13.13 indica que una disolucin de benceno-tolueno con xbenc 0,30 hierve a una temperatura de 98,6 C y est en equilibrio con un vapor en el que xbenc 0,51. Imagi- ne que se extrae algo de ese vapor y se enfra hasta que se condensa a lquido. Este nue- vo lquido tendr xbenc 0,51 y representa el final de la etapa 1 en la Figura 13.13. Ahora imagine que se repite el proceso, es decir, que se evapora la disolucin con xbenc 0,51 y RECUERDE que la posicin de las dos curvas en los diagramas de equilibrio lquido-vapor es tal que el vapor es ms rico que el lquido, en el componente ms voltil. El componente ms voltil es el de presin de vapor ms alta o punto de ebullicin ms bajo. 566 Qumica general Formacin de disoluciones inicas Para establecer los requisitos de energa para la formacin de disoluciones acuosas de compuestos inicos, veamos el proceso representado en la Figura 13.6. Se muestran di- polos de agua agregados alrededor de iones en la superficie de un cristal. Los extre- mos negativos de los dipolos de agua apuntan hacia los iones positivos y los extremos positivos de los dipolos de agua hacia los iones negativos. Si estas fuerzas de atrac- cin ion-dipolo son suficientemente intensas para vencer las fuerzas de atraccin inte- rinicas en el cristal, tendr lugar la disolucin. Por otra parte, estas fuerzas ion-dipo- lo continan actuando en la disolucin. Un ion rodeado por un agregado de molculas de agua se dice que est hidratado. La energa se desprende cuando los iones se hidratan. Cuanto mayor es la energa de hidratacin comparada con la energa necesaria para se- parar los iones a partir del cristal inico, ser ms probable que el slido inico se di- suelva en agua. Una vez ms puede utilizarse un proceso hipottico de tres etapas para describir la di- solucin de un slido inico. La energa necesaria para disociar un mol de un slido i- nico en iones gaseosos separados, proceso endotrmico, tiene el mismo valor que la ener- ga de red, cambiado de signo. Se libera energa en las dos etapas siguientes, hidratacin de 13.1 EST PREGUNTNDOSE...? Qu clase de fuerzas intermoleculares existen en una mezcla de disulfuro de carbono y acetona? El disulfuro de carbono es una molcula no polar, de forma que en la sustancia pura las nicas fuerzas intermoleculares son las dbiles fuerzas de dispersin; el disulfuro de car- bono es un lquido voltil. La acetona es una molcula polar y en la sustancia pura las fuerzas dipolo-dipolo son fuertes. La acetona es algo menos voltil que el disulfuro de carbono. En una disolucin de acetona en disulfuro de carbono, los dipolos de las mol- culas de acetona polarizan las molculas de disulfuro de carbono, dando lugar a interac- ciones dipolo-dipolo inducido. Dipolo inducido Las fuerzas dipolo-dipolo inducido entre las molculas de acetona y disulfuro de car- bono son ms dbiles que las interacciones dipolo-dipolo entre las molculas de acetona, haciendo que las molculas de acetona sean relativamente menos estables en sus disolu- ciones con disulfuro de carbono que en acetona pura. Como resultado, las mezclas aceto- na-disulfuro de carbono son disoluciones no ideales. 58 Qumica general Planteamiento Fundamentalmente se necesita realizar la conversin mL leche atomos 40 K. No hay un nico factor de conversin que nos permita realizar esta conversin en una etapa, de forma que tendremos que hacerlo en varias etapas o conver- siones. Se sabe que la leche contiene 1,65 mg K/mL 1,65 10 3 g K/mL y esta informacin puede utilizarse para lle- var a cabo la conversin: mL de leche g de K. Podemos llevar a cabo las conversiones g K mol K atomos K uti- lizando factores de conversin basados en la masa molar del K y la constante de Avogadro. La conversin final: tomos de K tomos de 40 K puede llevarse a cabo utilizando un factor de conversin basado en el porcentaje de abundancia natural del 40 K. Se muestra a continuacin un esquema completo de conversin: mL leche mg K g K mol K tomos K tomos 40 K Resolucin Las conversiones pueden realizarse en etapas o pueden combinarse en una lnea de clculo nica. Vamos a realizar el clculo en etapas. Primero, convertimos los mL de leche a g de K. ? g K 225 mL leche 1,65 mg K 1 mL leche 1 g K 1000 mg K 0,371 g K A continuacin, convertimos g de K a mol de K, ? mol K 0,371 g K 1 mol K 39,10 g K 9,49 10 3 mol K Y despus convertimos mol de K a tomos de K. ? tomos K 9,49 10 3 mol K 6,022 1023 tomos K 1 mol K 5,71 1021 tomos K Finalmente, convertimos tomos de K a tomos de 40 K. ? tomos 40 K 5,71 1021 tomos K 0,012 tomos 40 K 100 tomos K 6,9 1017 tomos 40 K Conclusin La respuesta final se redondea a dos cifras significativas porque la cantidad conocida con menos precisin en el clcu- lo es el porcentaje de abundancia natural, con dos cifras significativas. Es posible combinar las etapas anteriores en una nica lnea de clculo. 6,9 1017 tomos 40 K 6,022 1023 tomos K 1 mol K 0,012 tomos 40 K 100 tomos K ? tomos 40 K 225 mL leche 1,65 mg K 1 mL leche 1 g K 1000 mg K 1 mol K 39,10 g K EJEMPLO PRCTICO A: Cuntos tomos de Pb hay en un trozo pequeo de plomo con un volumen de 0,105 cm3 ? La den- sidad del Pb 11,34 g/cm3 . EJEMPLO PRCTICO B: El renio-187 es un istopo radiactivo que puede utilizarse para determinar la edad de los meteo- ritos. Una muestra de 0,100 mg de Re contiene 2,02 1017 tomos de 187 Re Cul es el porcentaje d abundancia del re- nio-187 en la muestra? Cul es el elemento ms abundante? Esta simple pregunta parece que no tiene una respuesta sencilla. Para aprender ms sobre las abundancias de los elementos en el universo y la corteza terrestre, vaya al Atencin a del Captulo 2 titulado: Abundancias naturales de los elementos, en la pgina web de Mastering Chemistry. www.masteringchemistry.com 590 Qumica general se la Fig. 13.12) o bien los puntos de ebullicin de la disolucin (vase la Figura 13.13) como una funcin de la composicin de la disolucin, nos ayudan a visualizar la destilacin fracciona- da, un mtodo normal de separacin de los componentes vol- tiles de una disolucin. Dichas curvas ilustran tambin la for- macin de azetropos en algunas disoluciones no ideales. Los azetropos son disoluciones que hierven a una temperatura constante y producen vapor de la misma composicin que el lquido; tienen puntos de ebullicin que en algunos casos son mayores que los puntos de ebullicin de los componentes pu- ros, y en algunos casos menores (vase la Figura 13.15). 13.7 Presin osmtica. La smosis es el flujo espont- neo del disolvente a travs de una membrana semipermeable que separa dos disoluciones de diferente concentracin. El flu- jo neto va desde la disolucin menos a la ms concentrada (va- se la Figura 13.17). El flujo osmtico puede detenerse aplican- do una presin, denominada presin osmtica, a la disolucin ms concentrada. En la smosis inversa, la direccin del flujo se invierte aplicando una presin que excede a la presin os- mtica sobre la disolucin ms concentrada. Ambas smosis y smosis inversa tienen importantes aplicaciones prcticas. La presin osmtica puede ser calculada mediante una relacin sencilla (Ecuacin 13.4) que recuerda la Ecuacin del gas ideal. Las propiedades coligativas son ciertas propiedades que de- penden nicamente de la concentracin de partculas de soluto en una disolucin, y no de la naturaleza del soluto. La dismi- nucin de la presin de vapor (Seccin 13.6) es una de dichas propiedades, y la presin osmtica es otra. 13.8 Descenso del punto de congelacin y elevacin del punto de ebullicin de las disoluciones de no elec- trolitos. El descenso del punto de congelacin y la eleva- cin del punto de ebullicin (vase la Figura 13.19) son pro- piedades coligativas que tienen muchas aplicaciones prcticas familiares. Para disoluciones razonablemente diluidas, sus va- lores son proporcionales a la molalidad de la disolucin (Ecua- ciones 13.5 y 13.6). Las constantes de proporcionalidad son Kf y Kb, respectivamente (vase la Tabla 13.2). Histricamente, la disminucin del punto de congelacin fue un mtodo comn para calcular las masas molares. 13.9 Disoluciones de electrolitos. El clculo de las pro- piedades coligativas de las disoluciones de electrolitos es ms difcil que para las disoluciones de no electrolitos. Las partcu- las de soluto en las disoluciones de electrolitos son iones o io- nes y molculas. Los clculos que utilizan las Ecuaciones (13.5) y (13.6) deben basarse en el nmero total de partculas pre- sentes, y se introduce el factor de Vant Hoff dentro de estas ecuaciones para dar cuenta de ese nmero. En todas las diso- luciones, excepto en las ms diluidas, la composicin debe ex- presarse en trminos de actividades, concentraciones efectivas que consideran las fuerzas interinicas. 13.10 Mezclas coloidales. Los coloides son un impor- tante estado intermedio entre una disolucin verdadera y una mezcla heterognea. Las mezclas coloidales son responsables de algunos fenmenos inusuales (vase la Figura 13.21) y se en- cuentran en un amplio intervalo de situaciones, desde fluidos en organismos vivos hasta contaminantes en grandes masas de aire (vase la Tabla 13.4). 13.1 Tipos de disoluciones. Trminos utilizados. En una disolucin, el disolvente, normalmente el componente presente en la mayor cantidad, determina el estado de la mate- ria en la que existe la disolucin (vase la Tabla 13.1). Un solu- to es un componente de la disolucin disuelto en el disolvente. Las disoluciones diluidas contienen cantidades relativamente pequeas de soluto, y las disoluciones concentradas cantida- des grandes. 13.2 Concentracin de una disolucin. Cualquier des- cripcin de la composicin de una disolucin debe indicar las cantidades de soluto y disolvente (o de disolucin) presentes. Las concentraciones de la disolucin expresadas como porcen- taje en masa, porcentaje en volumen, y porcentaje en masa/vo- lumen todas tienen importancia prctica, as como las unida- des, partes por milln (ppm), partes por billn (ppb), y partes por trilln (ppt). Sin embargo, las unidades de concentracin fundamentales son la fraccin molar, la molaridad, y la molali- dad. La molaridad (moles de soluto por litro de disolucin) de- pende de la temperatura, pero la fraccin molar y la molalidad (moles de soluto por kilogramo de disolvente) no dependen. 13.3 Fuerzas intermoleculares y procesos de disolu- cin. Las predicciones acerca de si dos sustancias se mez- clarn para formar una disolucin precisan del conocimiento de las fuerzas intermoleculares entre molculas semejantes y diferentes. (vanse las Figuras. 13.2 y 13.3). Esta aproximacin hace posible identificar una disolucin ideal, cuyas propieda- des pueden predecirse a partir de las propiedades de los com- ponentes individuales de la disolucin. La mayora de las di- soluciones no son ideales. 13.4 Formacin de la disolucin y equilibrio. Ge- neralmente, un disolvente tiene una capacidad limitada para disolver un soluto. Una disolucin que contiene la cantidad mxima posible de soluto es una disolucin saturada. Una di- solucin con menos de esa cantidad mxima es una disolucin no saturada. Bajo ciertas condiciones, puede prepararse una disolucin que contiene ms soluto que una disolucin satura- da normal; dichas disoluciones se denominan sobresaturadas. La solubilidad se refiere a la concentracin de soluto en una disolucin saturada y depende de la temperatura. Las grficas de solubilidad del soluto frente a la temperatura (vase la Fig. 13.8) pueden utilizarse para predecir las condiciones de recu- peracin de un soluto puro a partir de una disolucin de va- rios solutos a travs de la cristalizacin fraccionada (recrista- lizacin) (vase la Fig. 13.9). 13.5 Solubilidad de los gases. Las solubilidades de ga- ses dependen de la presin as como de la temperatura, y mu- chos fenmenos familiares estn relacionados con las solubili- dades de los gases. La ley de Henry (Ecuacin 13.2) relaciona la concentracin de un gas en disolucin con su presin sobre la disolucin. 13.6 Presin de vapor de las disoluciones. La presin de vapor de una disolucin depende de las presiones de vapor de sus componentes puros. Si la disolucin es ideal, puede ut- lizarse la ley de Raoult (Ecuacin 13.3) para calcular la presin de vapor de la disolucin. Las curvas de equilibrio lquido-va- por, que muestran las presiones de vapor de la disolucin (va- Resumen Captulo 14 Cintica qumica 643 ponentes m n es igual a 2 (Ecuaciones 14.17 y 14.18). La representacin de 1/[A] frente al tiempo para una reaccin de segundo orden del tipo A productos, es una lnea recta cuya pendiente es k (Fig. 14.6). Para una reaccin de segundo orden, la vida media no es constante; cada perodo de vida media es dos veces ms largo que su predecesor (Ecuacin 14.19a y b). Algunas reacciones de segundo orden se pueden tratar como de primer orden si uno de los reactivos est presente en tal alta concentracin que el valor de su concentracin perma- nece prcticamente constante durante la reaccin. Se las deno- mina reacciones de pseudo-primer orden. 14.7 Resumen de la cintica de reaccin En esta Sec- cin se pueden encontrar un resumen de las ideas bsicas de la cintica qumica (Tabla 14.5) 14.8 Modelos tericos de la cintica qumica La velo- cidad de reaccin depende del nmero de colisiones molecula- res por unidad de volumen y unidad de tiempo, de la propor- cin de molculas que tengan energas superiores a la energa de activacin (Fig. 14.8) y de la adecuada orientacin de las molculas para que la colisin sea efectiva (Fig. 14.9). El perfil de reaccin (Fig. 14.10) describe el camino de reaccin, resal- tando los estados energticos de los reactivos, de los produc- tos, y del complejo activado, una especie hipottica transitoria que existe en un estado de transicin de alta energa entre los reactivos y los productos. 14.9 Dependencia de las velocidades de reaccin con la temperatura El efecto de la temperatura sobre la veloci- dad de una reaccin qumica se describe mediante la Ecuacin de Arrhenius (14.21) o una variante de ella (14.22). La repre- sentacin de ln k frente a 1/T es una lnea recta cuya pendien- te es Ea/R (Fig. 14.12). 14.10 Mecanismos de reaccin Un mecanismo de re- accin es una descripcin detallada de una reaccin qumica presentada como una serie procesos elementales. Las ecua- ciones de velocidad se escriben para los procesos elementales y se combinan en una ecuacin de velocidad para la reaccin global. Para que un mecanismo de reaccin sea aceptable debe ser consistente con la estequiometra de la reaccin global y su ecuacin de velocidad experimental. Los procesos elementales ms frecuentes son unimolecula- res (una molcula que se disocia) o bimoleculares (dos mol- culas que colisionan). En los procesos elementales pueden in- tervenir intermedios de reaccin, especies que se producen en un proceso elemental y se consumen en otro. Uno de los proce- sos elementales puede ser la etapa determinante de la veloci- dad. Cuando no se puede identificar la etapa determinante de la velocidad, se suele aplicar al mecanismo la aproximacin del estado estacionario. Los mecanismos de reaccin tambin pue- den representarse por un perfil de reaccin (Fig. 14.14). El smog fotoqumico se forma por la accin de la luz solar sobre los productos de la combustin de los motores de com- bustin interna. El mecanismo de su formacin ha sido muy estudiado con los mtodos de la cintica qumica. 14.11 Catlisis Un catalizador sustituye el mecanismo de una reaccin por otro con una menor energa de activacin, produciendo la aceleracin de la reaccin global, pero el ca- talizador no se altera durante la reaccin. En la catlisis ho- mognea, la reaccin catalizada tiene lugar en una sola fase (Fig. 14.17). En la catlisis heterognea, la accin del catali- zador tiene lugar sobre una superficie que separa dos fases (Figs. 14.18 y 14.19). En las reacciones bioqumicas, los catali- zadores son protenas de alta masa molecular, llamadas enzi- mas. El reactivo, llamado sustrato, se une a la posicin activa de la enzima, que es donde ocurre la reaccin (Fig. 14.20). La velocidad de una reaccin catalizada por enzimas puede calcu- larse con la Ecuacin (14.36) que se basa en un mecanismo ge- neralmente aceptado para la catlisis enzimtica. Ejemplo de recapitulacin El nitrato de peroxiacetilo (PAN) es un contaminante atmosfrico que aparece en el smog fotoqumico por reaccin de los hidro- carburos con los xidos de nitrgeno en presencia de la luz solar. El PAN es inestable y se disocia en radicales peroxiacetilo y NO2(g). Su presencia en el aire contaminado representa una especie de depsito para almacenar NO2. O CH3COONO2 PAN O CH3COO radical peroxiacetilo NO2 La descomposicin del PAN es de primer orden, su vida media es de 35 h a 0 C y de 30,0 min a 25 C. Si una muestra de aire contiene 5,0 1014 molculas de PAN por litro, a qu temperatura alcanzar una velocidad de descomposicin de 1,0 1012 mo- lculas de PAN por litro y minuto? Planteamiento Este problema, que tiene cuatro tareas, se centra en la relacin entre las constantes de velocidad y la temperatura (Ecuacin 14.22) y entre las constantes de velocidad y las velocidades de reaccin (Ecuacin 14.6). Concretamente, necesitaremos (1) convertir las dos vidas medias en valores de k; (2) determinar la energa de activacin, con los valores de k anteriores; (3) encontrar el valor de k corres- pondiente a la velocidad de descomposicin especificada; y (4) calcular la temperatura a la que k tiene el valor calculado en (3). Resolucin Determine el valor de k a 0 C para una reaccin de primer orden. 0,693 35 h 1 h 60 min 3,3 10 4 min 1 0,693 1 2 Captulo 14 Cintica qumica 645 EJEMPLO PRCTICO A: A la temperatura ambiente (20 C), la leche se agra en aproximadamente 64 horas. En un refrige- rador a 3 C, la leche se conserva tres veces ms de tiempo. (a) Estime la energa de activacin de la reaccin que causa la leche cida. (b) Cunto durar la leche a 40 C? EJEMPLO PRCTICO B: El siguiente mecanismo puede usarse para explicar el aparente cambio de orden de las reacciones unimoleculares, como la conversin del ciclopropano (A) en propano (P), siendo A* una forma energetizada de ciclopropano que puede reaccionar o volver a ciclopropano sin reaccionar. A* 2 P A A 1 1 A* A Demuestre que a bajas presiones de ciclopropano, la ecuacin de velocidad es de segundo orden en A y a altas presiones es de primer orden en A. Encontrar ms cuestiones en el rea de estudio en www.masteringchemistry.com 00-PRINCIPIOS.indd 23 1/3/11 16:25:43 26. XXIV Prefacio Ejercicios y cuestiones de final de captulo Cada captulo termina con cuatro tipos de cuestiones: Los Ejercicios se agrupan por categoras relacionadas con las secciones del texto y se presentan por parejas. Las respuestas a los ejercicios seleccionados (los que se nume- ran en rojo) se encuentran en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). Los Ejercicios avanzados y de recapitulacin son ms dif- ciles que los de las secciones anteriores. No se agrupan por tipos. Tienden a integrar materia de varias secciones o cap- tulos y pueden introducir nuevas ideas o desarrollar algu- nas ms all de lo que se ha hecho en el texto. Las respuestas a los ejercicios seleccionados (los que se numeran en rojo) se encuentran en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). Los Problemas de seminario requieren un nivel ms alto de conocimientos por parte de los estudiantes. Algunos de es- tos problemas tratan sobre experimentos clsicos; otros re- quieren que los estudiantes interpreten datos o grficos; al- gunos sugieren procedimientos alternativos para resolver problemas o aportan materia nueva. Estos problemas son un recurso que se puede utilizar de diversas formas: discu- siones en clase, trabajo individual para casa, o para traba- jos en grupo. Las respuestas a los problemas seleccionados (los que se numeran en rojo) se encuentran en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). Los Ejercicios de autoevaluacin estn diseados para ayudar a los estudiantes a revisar y preparar algunos tipos de preguntas que suelen aparecer en los exme- nes. Los alumnos pueden usar estos ejercicios para de- cidir si estn preparados para abordar el estudio del ca- ptulo siguiente, o si deben trabajar ms los conceptos del presente captulo. Las respuestas con explicaciones a los ejercicios seleccionados (los que se numeran en rojo) se encuentran en la pgina web Mastering Chemistry (www.masteringchemistry.com). Mezclas homogneas y heterogneas 1. Cul de los siguientes compuestos espera que sea el ms soluble en agua y por qu? C10H8(s), NH2OH(s), C6H6(l), CaCO3(s). 2. Cul de los siguientes compuestos espera que sea modera- damente soluble tanto en agua como en benceno [C6H6(l)], y por qu? (a) 1-butanol, CH3(CH2)CH2OH; (b) naftaleno, C10H8; (c) hexano, C6H14; (d) NaCl(s). 3. Las sustancias que se disuelven en agua generalmente no se disuelven en benceno. Sin embargo, algunas sustancias son moderadamente solubles en ambos disolventes. Una de las siguientes sustancias tiene esta propiedad. Cul piensa que puede ser y por qu? (b)Alcohol saliclico (un anestsico local) (c)Difenilo (un agente de transferencia de calor) (d) (a) cido hidroxiactico (utilizado en tintorera textil) para-Diclorobenceno (un repelente de polillas) H O H HO C OH CH2OH C OH ClCl 4. Algunas vitaminas son solubles en agua y otras solu- bles en las grasas. (Las grasas son sustancias cuyas mo- lculas tienen cadenas hidrocarbonadas largas.) Las fr- mulas estructurales de dos vitaminas se muestran aqu. Una es soluble en agua y la otra es soluble en las gra- sas. Identifique cada una de ellas y exponga su razona- miento. Ejercicios EJEMPLO PRCTICO B: A una temperatura constante de 25,00 C, se hizo pasar una corriente de aire seco a travs de agua pura y despus a travs de un tubo de secado, D1, seguido del paso a travs de sacarosa 1,00 m y otro tubo de secado, D2. Despus del experimento, D1 ha ganado 11,7458 g en masa y D2 ha ganado 11,5057 g. Dado que la presin de vapor del agua es 27,76 mmHg a 25,00 C, (a) cul fue la disminucin de la presin de vapor en la sacarosa 1,00 m?, y (b) cul fue la disminucin esperada? Encontrar ms cuestiones en el rea de estudio en www.masteringchemistry.com H3C O CH3 C HO H H H C Vitamina E C CC OH H OH OH O C H H H H C C C C C C C C C CH3 HO O CH3 CH3(CH2CH2CH2 CH3 CH)3 Vitamina C 5. Dos de las sustancias incluidas aqu son muy solubles en agua; dos son solo ligeramente solubles en agua; y dos son insolubles en agua. Indique la situacin que espera para cada una de ellas. (a) yodoformo, CHI3. (b) cido benzoico, C O OH (c) cido frmico, C O OHH (d) alcohol butlico, CH3CH2CH2CH2OH (e) clorobenceno Cl (f) propilenglicol, CH3CH(OH)CH2OH Captulo 13 Las disoluciones y sus propiedades fsicas 597 86. De los siguientes diagramas, qu representacin muestra un electrolito fuerte? Gas Disolucin acuosa Gas Disolucin acuosa H3O Gas Disolucin acuosa CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COO (a) (b) (c) (d) CH4 CH4 CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH Gas Disolucin acuosa CH4 CH4 H3O H3O H3O Cl Cl Cl HCl HCl HCl Gas cin uosa Gas Disolucin acuosa H3O Gas cin uosa CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COO (a) (b) (c) (d) CH4 CH4 CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH Gas Disolucin acuosa CH4 CH4 H3O H3O H3O Cl Cl Cl HCl HCl HCl Gas Disolucin acuosa Gas Disolucin acuosa H3O Gas Disolucin acuosa CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COO (a) (b) (c) (d) CH4 CH4 CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH Gas Disolucin acuosa CH4 CH4 H3O H3O H3O Cl Cl Cl HCl HCl HCl Gas Disolucin acuosa Gas Disolucin acuosa H3O Gas Disolucin acuosa CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COOH CH3COO (a) (b) (c) (d) CH4 CH4 CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH CH3OH Gas Disolucin acuosa CH4 CH4 H3O H3O H3O Cl Cl Cl HCl HCl HCl 87. El refresco americano llamado root beer (cerveza de raz) contiene 0,13 por ciento de una disolucin del 75 por ciento en masa de H3PO4. Cuntos miligramos de fsforo hay en un bote de 12 oz de este refresco? Suponga una densidad de la disolucin de 1,00 g/mL; 1 oz 29,6 mL. 88. Una disolucin acuosa contiene 109,2 g de KOH/L de di- solucin. La densidad de la disolucin es 1,09 g/mL. Se desean utilizar 100,0 mL de esta disolucin para preparar KOH 0,250 m. Qu masa y de qu componente, KOH o H2O, debe aadirse a los 100,0 mL de disolucin? 89. La escala proof, utilizada an para describir el contenido de etanol de las bebidas alcohlicas, tuvo su origen en Ingla- terra en el siglo diecisiete. Una muestra de whisky se verta sobre plvora negra y se quemaba. Si la plvora negra se in- flamaba despus de arder el whisky, esto probaba que el whisky no haba sido rebajado con agua. El contenido mni- mo de etanol para una prueba positiva era alrededor del 50 por ciento en volumen. La disolucin de etanol del 50 por ciento lleg a ser conocida como 100 proof, valor 100 de la escala. As, un whisky 80 proof es del 40 por ciento de CH3CH2OH en volumen. En la tabla se incluyen algunos da- tos para varias disoluciones acuosas de etanol. Con una can- tidad mnima de clculo, determine cules son las disoluciones que tienen un contenido de etanol mayor de 100 proof. Suponga que la densidad del etanol puro es 0,79 g/mL. Molaridad del etanol (M) Densidad de la disolucin (g/mL) 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 0,970 0,963 0,955 0,947 0,936 0,926 0,913 Ejercicios avanzados y de recapitulacin 90. Se preparan cuatro disoluciones acuosas de acetona, CH3- COCH3, de concentraciones diferentes: (a) 0,100 por ciento en masa; (b) 0,100 M; (c) 0,100 m; y (d) acetona 0,100. Es- timar la presin parcial de vapor de agua ms alta que se obtendr en el equilibrio a 25 C por encima de estas di- soluciones. Estimar tambin el punto de congelacin ms bajo que se obtendr para estas disoluciones. 91. Una mezcla slida consta de 85,0 por ciento de KNO3 y 15,0 por ciento de K2SO4, en masa. Se aade una muestra de 60,0 g de este slido a 130,0 g de agua a 60 C. Recu- rriendo a la Figura 13.8 (a) Se disolver todo el slido a 60 C? (b) Si la disolucin resultante se enfra a 0 C, qu masa de KNO3 debe cristalizar? (c) cristalizar tambin K2SO4 a 0 C? 92. Suponga que dispone de 2,50 L de una disolucin (d 0,9767 g/mL) que tiene 13,8 por ciento en masa de eta- nol, CH3CH2. A partir de esta disolucin se deseara prepa- rar la cantidad mxima posible de disolucin anticongelan- te etanol-agua que ofrezca proteccin a 2.0 C. Aadira ms etanol o ms agua a la disolucin? Qu masa de l- quido aadira? 93. El cloruro de hidrgeno es un gas incoloro, incluso cuando se abre una botella de cido clorhdrico [HCl(conc aq)], y se escapan humos de la botella. Cmo justificara esto? 94. Utilice la siguiente informacin para confirmar que la tem- peratura del punto triple del agua es aproximadamente 0,0098 C. (a) La pendiente de la curva de fusin del agua en la re- gin del punto de fusin normal del hielo (vase la Figu- ra 12.30) es 0,00750 C/atm. (b) La solubilidad del aire en agua a 1 atm de presin y 0 C es 0,02918 mL de aire (medido a STP) por mL de agua. Captulo 13 Las disoluciones y sus propiedades fsicas 599 109. La concentracin de N2 en el ocano a 25 C es 445 M. La constante de Henry para el N2 es 0,61 10 3 mol L 1 atm 1 . Calcule la masa de N2 en un litro de agua ocenica. Calcu- le la presin parcial del N2 en la atmsfera. 110. Una disolucin contiene 750 g de etanol y 85,0 g de sa- carosa (180 g mol 1 ). El volumen de la disolucin es 810,0 mL. Calcule (a) la densidad de la disolucin (b) el porcentaje de sacarosa en la disolucin (c) la fraccin molar de sacarosa (d) la molalidad de la disolucin 111. Qu volumen de etilenglicol (HOCH2CH2OH, den- sidad 1,12 g mL 1 ), debe aadirse a 20,0 mL de agua (Kf 1,86 C/m) para obtener una disolucin que se con- gele a 10 C? 112. En la figura que aparece debajo, los rectngulos vacos re- presentan molculas de disolvente y los rectngulos lle- nos representan molculas de soluto. Gas Disolvente Soluto Disolucin acuosa (a) Cul es la fraccin molar de soluto en la fase lqui- da? (b) Qu componente tiene la presin de vapor mayor? (c) Cul es el porcentaje de soluto en el vapor? 120 Lquido Vapor 100 80 60 40 20 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 20 40 60 80 100 HCl puro H2O pura Temperatura,C xHCl 113. El aldehdo cinmico es el constituyente principal del aceite de la canela que se obtiene de las ramas y hojas de los rboles de la canela procedentes de regiones tro- picales. El aceite de canela se utiliza en la produccin de condimentos para alimentos, perfumes y cosmti- cos. El punto de ebullicin normal del aldehdo cinmi- co, C6H5CH CHCHO, es 246,0 C, pero a esta tempera- tura empieza a descomponerse. A consecuencia de ello, no puede purificarse por destilacin simple. Un mtodo que puede utilizarse en su lugar es la destilacin en arras- tre de vapor. Una mezcla heterognea de aldehdo cinmi- co y agua se calienta hasta que la suma de las presiones de vapor de los dos lquidos se iguala a la presin atmos- frica. En este momento, la temperatura permanece cons- tante mientras el lquido se evapora. El vapor de la mez- cla condensa obtenindose dos lquidos inmiscibles; un lquido es prcticamente agua pura y el otro es aldehdo cinmico. Las presiones de vapor del aldehdo cinmico son: 1 mmHg a 76,1 C; 5 mmHg a 105,8 C; y 10 mmHg a 120,0 C. Las presiones de vapor del agua se dan en la Tabla 13.2. (a) Cul es la temperatura aproximada a la que se pro- duce la destilacin a vapor? (b) La proporcin de los dos lquidos condensados del vapor, es independiente de la composicin de la mezcla lquida, mientras estn presentes los dos lquidos en la mezcla en ebullicin. Justifique por qu sucede esto. (c) Cul de los dos lquidos, el agua o el aldehdo cinmi- co, se condensa en mayor cantidad, en masa? Justifquelo. 114. El diagrama de fases de la figura adjunta es para mezclas de HCl y H2O a una presin de 1 atm. La curva roja re- presenta los puntos de ebullicin normal de las disolucio- nes de HCl(aq) con var