Indíce

química

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RevisoRes técnicos MéXico Alicia Blanco Aquino universidad de Guadalajara

Ma. Luisa Martínez Medel universidad iberoamericana León víctor Hugo del valle Muñoz universidad anáhuac

Alejandra Montes servín Escuela Superior de ingeniería mecánica y Eléctrica del instituto Politécnico Nacional

Amador osorio Pérez universidad autónoma de Sinaloa

Rosario Alicia Gálvez chan instituto Tecnológico de Sonora

coLoMBiA

violeta Luz María Bravo Hernández Facultad de contaduría, uNam

carlos Alberto Arango M universidad icesi

Randall Gregory Jesus coffie Goedhoop Tecnológico de monterrey, campus Guadalajara

Óscar eduardo osorno Reyes universidad Nacional de colombia

teresita Guadalupe Avalos Munguía universidad de Guadalajara

Jorge Hernando castañeda Lizarazo universidad de américa

José Arturo León velázquez universidad autónoma de Sinaloa

Germán viveros cobo colegio Lacordaire - Dominicos

Julio Óscar Quintana Grado universidad autónoma de chihuahua

Jorge e. Granados A Fundación universidad autónoma de colombia

Luis Alfonso Guerrero Rodríguez universidad Panamericana campus Bonaterra

PeRÚ

nely Ríos Donato universidad de Guadalajara

susana esther Morales cabeza universidad Nacional de Piura

oralia orduño Fragoza universidad de Sonora

tulio Guido vignolo Boggio universidad Nacional de Piura

Fredy cuéllar Robles instituto Tecnológico de Toluca

césar Augusto Loayza Morales universidad Nacional del centro del Perú

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química Décima EDición

Raymond chang Williams College

Revisión técnica

Rodolfo Álvarez Manzo Departamento de Química Orgánica Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México

silvia Ponce López Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Monterrey

Rosa Zugazagoitia Herranz Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Xochimilco

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO pAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGApUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher education: miguel Ángel Toledo castellanos editor sponsor: Pablo E. Roig V. coordinadora editorial: marcela i. Rocha martínez editora de desarrollo: ana L. Delgado Rodríguez supervisor de producción: Zeferino García García traducción: Erika Jasso Hernán D’Borneville QuíMicA Décima edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DEREcHOS RESERVaDOS © 2010 respecto a la sexta edición en español por mcGRaW-HiLL/iNTERamERicaNa EDiTORES, S.a. DE c.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre a Piso 17, colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón c.P. 01376, méxico, D. F. miembro de la cámara Nacional de la industria Editorial mexicana, Reg. Núm. 736 isBn: 978-607-15-0307-7 (iSBN edición anterior: 970-10-6111-X)

Traducido de la décima edición de: chemistry, by Raymond chang, copyright © 2010 by The mcGraw-Hill companies, inc. all rights reserved. iSBN: 978-007-351109-2

1234567890

19876543210

impreso en méxico

Printed in Mexico

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acERca DEL auTOR

Raymond chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London university, en inglaterra y se doctoró en química en Yale university.

Después de realizar su investigación posdoctoral en Washington university y enseñar durante un año en Hunter college of the city university of New York, se unió al Departamento de química en Williams college, donde ha enseñado desde 1968.

El profesor chang ha prestado sus servicios en el american chemical Society Examination committee, el National chemistry Olympiad Examination committee y el Graduate Record Examinations (GRE) committee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. chang ha escrito libros sobre fisicoquímica, química industrial y ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de literatura juvenil.

Para relajarse, el doctor chang cultiva un jardín selvático, juega tenis, ping-pong, toca la armónica y practica el violín.

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

química. El estudio del cambio

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos

23 24 25

química nuclear

Átomos, moléculas y iones

40

Relaciones de masa en las reacciones químicas Reacciones en disolución acuosa Gases

78

120

172

Termoquímica

228

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos Relaciones periódicas entre los elementos Enlace químico i: conceptos básicos

274

322

364

Enlace químico ii: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 408 Propiedades físicas de las disoluciones cinética química Ácidos y bases

460

512

556

Equilibrio químico

614

658

Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad química en la atmósfera Electroquímica

712

768

Entropía, energía libre y equilibrio

800

836

metalurgia y la química de los metales

884

Elementos no metálicos y sus compuestos

912

química de los metales de transición y compuestos de coordinación 952 química orgánica

986 1024

Polímeros orgánicos sintéticos y naturales

APénDice APénDice APénDice APénDice

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2

1 2 3 4

1060

Derivación de los nombres de los elementos unidades para la constante de los gases Datos termodinámicos a 1 atm y 25°c Operaciones matemáticas

a-1

a-7 a-8

a-13

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Prefacio xxi Herramientas para obtener mayor provecho xxvi Nota para el estudiante xxx

química. El estudio del cambio 2 1.1 1.2 1.3

química: una ciencia para el siglo xxi 2 Estudio de la química 7 El método científico 8 QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big Bang 10

1.4 1.5 1.6 1.7

clasificación de la materia 10 Los tres estados de la materia 13 Propiedades físicas y químicas de la materia 14 mediciones 16 QUíMICA en acción La importancia de las unidades 21

1.8 1.9

manejo de los números

22

análisis dimensional en la resolución de problemas 27 Ecuaciones básicas 31 Resumen de conceptos 31 Términos básicos 31 Preguntas y problemas 32 MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios 38

Átomos, moléculas y iones 40 2.1 2.2 2.3 2.4

Teoría atómica 42 Estructura del átomo 43 Número atómico, número de masa e isotopos 49 La tabla periódica 51 QUíMICA en acción Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 52

2.5 2.6 2.7

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moléculas y iones 53 Fórmulas químicas 55 Nomenclatura de los compuestos 59

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viii

contenido

2.8

introducción a los compuestos orgánicos 68 Ecuaciones básicas 70 Resumen de conceptos 70 Términos básicos 70 Preguntas y problemas 71

Relaciones de masa en las reacciones químicas 78 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

masa atómica 80 Número de avogadro y masa molar de un elemento 81 masa molecular 85 Espectrómetro de masas 88 composición porcentual de los compuestos 88 Determinación experimental de fórmulas empíricas 92 Reacciones químicas y ecuaciones químicas 94 cantidades de reactivos y productos 99 Reactivo limitante 103 Rendimiento de reacción 106 QUíMICA en acción Fertilizantes químicos 108 Ecuaciones básicas 109 Resumen de conceptos 109 Términos básicos 109 Preguntas y problemas 110

Reacciones en disolución acuosa 120 4.1 4.2

Propiedades generales de las disoluciones acuosas 122 Reacciones de precipitación 124 QUíMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable 129

4.3 4.4

Reacciones ácido-base 129 Reacciones de oxidación-reducción 135 QUíMICA en acción Alcoholímetro 146

4.5 4.6 4.7 4.8

concentración de las disoluciones 147 análisis gravimétrico 151 Valoraciones ácido-base 153 Valoraciones redox 156 QUíMICA en acción Metal proveniente del mar 158 Ecuaciones básicas 159 Resumen de conceptos 159

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contenido

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Términos básicos 160 Preguntas y problemas 160 MISTERIO de la química ¿Quién asesinó a Napoleón? 170

Gases 172 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Sustancias que existen como gases 174 Presión de un gas 175 Leyes de los gases 179 Ecuación del gas ideal 185 Estequiometría de los gases 194 Ley de Dalton de las presiones parciales 196 Teoría cinética molecular de los gases 201 QUíMICA en acción El buceo y las leyes de los gases 202 QUíMICA en acción Átomos superenfriados 210

5.8

Desviación del comportamiento ideal 211 Ecuaciones básicas 214 Resumen de conceptos 214 Términos básicos 215 Preguntas y problemas 215 MISTERIO de la química Sin oxígeno 226

Termoquímica 228 6.1 6.2 6.3

naturaleza y tipos de energía 230 cambios de energía en las reacciones químicas 231 introducción a la termodinámica 233 QUíMICA en acción Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 239

6.4 6.5

Entalpía de las reacciones químicas 239 calorimetría 245 QUíMICA en acción Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias 251

6.6

Entalpía estándar de formación y de reacción 252 QUíMICA en acción Cómo se defiende el escarabajo bombardero 257

6.7

calor de disolución y de dilución 258 Ecuaciones básicas 261 Resumen de conceptos 261

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x

contenido

Términos básicos 262 Preguntas y problemas 262 MISTERIO de la química El neumático explosivo 272

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 274 7.1 7.2 7.3

De la física clásica a la teoría cuántica 276 El efecto fotoeléctrico 280 Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 282 QUíMICA en acción Láser: la luz esplendorosa 288

7.4

La naturaleza dual del electrón 288 QUíMICA en acción Microscopia electrónica 292

7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

mecánica cuántica 293 Números cuánticos 294 Orbitales atómicos 297 configuración electrónica 300 El principio de construcción 307 Ecuaciones básicas 311 Resumen de conceptos 311 Términos básicos 312 Preguntas y problemas 312 MISTERIO de la química Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio 320

Relaciones periódicas entre los elementos 322 8.1 8.2 8.3

Desarrollo de la tabla periódica 324 clasificación periódica de los elementos 326 Variaciones periódicas de las propiedades físicas 330 QUíMICA en acción ¿El tercer elemento líquido? 337

8.4 8.5 8.6

Energía de ionización 337 afinidad electrónica 341 Variación de las propiedades químicas de los elementos representativos 344 QUíMICA en acción El descubrimiento de los gases nobles 355

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xi

contenido

Ecuaciones básicas 356 Resumen de conceptos 356 Términos básicos 356 Preguntas y problemas 356

Enlace químico i: conceptos básicos 364 9.1 9.2 9.3

Símbolos de puntos de Lewis 366 Enlace iónico 367 Energía reticular de los compuestos iónicos 369 QUíMICA en acción Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 373

9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9

Enlace covalente 374 Electronegatividad 377 Escritura de las estructuras de Lewis 380 carga formal y estructura de Lewis 383 El concepto de resonancia 386 Excepciones a la regla del octeto 389 QUíMICA en acción Sólo diga NO 393

9.10 Entalpía de enlace 394 Ecuaciones básicas 399 Resumen de conceptos 399 Términos básicos 399 Preguntas y problemas 399

Enlace químico ii: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 408 10.1 Geometría molecular 410 10.2 momento dipolar 420 QUíMICA en acción Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 424

10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

Teoría de enlace valencia 424 Hibridación de orbitales atómicos 428 Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles y triples 437 Teoría de orbitales moleculares 440 configuraciones de orbitales moleculares 443 Orbitales moleculares deslocalizados 448 QUíMICA en acción El buckybalón ¿un balón cualquiera? 450 Ecuaciones básicas 452 Resumen de conceptos 452 Términos básicos 453 Preguntas y problemas 453

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contenido

Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 460 11.1 11.2 11.3 11.4

Teoría cinética molecular de líquidos y sólidos 462 Fuerzas intermoleculares 463 Propiedades de los líquidos 469 Estructura cristalina 472 QUíMICA en acción ¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 473

11.5 Difracción de rayos X de estructuras cristalinas 480 11.6 Tipos de cristales 482 QUíMICA en acción Superconductores a altas temperaturas 486

11.7 Sólidos amorfos 486 QUíMICA en acción Y todo por un botón 488

11.8 cambios de fase 489 11.9 Diagramas de fases 498 QUíMICA en acción Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y el patinaje sobre hielo 500 QUíMICA en acción Cristales líquidos 501 Ecuaciones básicas 503 Resumen de conceptos 503 Términos básicos 504 Preguntas y problemas 504

Propiedades físicas de las disoluciones 512 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Tipos de disoluciones 514 Enfoque molecular del proceso de disolución 515 unidades de concentración 517 Efecto de la temperatura en la solubilidad 521 Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 524 QUíMICA en acción El lago asesino 526

12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrólitos 526 12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrólitos 539 QUíMICA en acción Desalinización 541

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contenido

12.8 coloides 541 Ecuaciones básicas 545 Resumen de conceptos 545 Términos básicos 545 Preguntas y problemas 546 MISTERIO de la química El cuchillo equivocado 554

cinética química 556 13.1 La rapidez de una reacción 558 13.2 La ley de rapidez 565 13.3 Relación entre la concentración de reactivos y el tiempo 569 QUíMICA en acción Determinación de la edad del Sudario de Turín 580

13.4 constantes de rapidez y su dependencia de la energía de activación y de la temperatura 582

13.5 mecanismos de reacción 588 QUíMICA en acción Femtoquímica 593

13.6 catálisis 594 Ecuaciones básicas 601 Resumen de conceptos 602 Términos básicos 602 Preguntas y problemas 602

Equilibrio químico 614 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 616 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 618 Relación entre cinética química y equilibrio químico 630 ¿qué información proporciona la constante de equilibrio? 632 Factores que afectan el equilibrio químico 638 QUíMICA en acción La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 645 QUíMICA en acción El proceso Haber 646 Ecuaciones básicas 646 Resumen de conceptos 646 Términos básicos 647 Preguntas y problemas 648

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contenido

Ácidos y bases 658 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7

Ácidos y bases de Brønsted 660

15.8 15.9 15.10 15.11 15.12

Ácidos dipróticos y polipróticos 681

Propiedades ácido-base del agua 661 El pH: una medida de la acidez 663 Fuerza de los ácidos y las bases 666 Ácidos débiles y la constante de ionización de un ácido 670 Bases débiles y la constante de ionización de una base 678 Relación entre las constantes de ionización de los ácidos y sus bases conjugadas 680 Estructura molecular y fuerza de los ácidos 685 Propiedades ácido-base de las sales 689 Propiedades ácido-base de los óxidos y los hidróxidos 695 Ácidos y bases de Lewis 697 QUíMICA en acción Antiácidos y el balance del pH en el estómago 698 Ecuaciones básicas 701 Resumen de conceptos 701 Términos básicos 702 Preguntas y problemas 702 MISTERIO de la química La descomposición de los papeles 710

Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 712 16.1 comparación entre los equilibrios homogéneo y heterogéneo en disolución 714

16.2 Efecto del ion común 714 16.3 Disoluciones amortiguadoras 717 16.4 Valoraciones ácido-base 723 QUíMICA en acción Mantenimiento del pH de la sangre 724

16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10

indicadores ácido-base 732 Equilibrios de solubilidad 735 Separación de iones por precipitación fraccionada 742 El efecto del ion común y la solubilidad 744 El pH y la solubilidad 746 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 749 QUíMICA en acción ¿Cómo se forma un cascarón de huevo? 753

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contenido

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16.11 aplicación del principio del producto de solubilidad al análisis cualitativo 754 Ecuaciones básicas 756 Resumen de conceptos 757 Términos básicos 757 Preguntas y problemas 757 MISTERIO de la química Un duro bocadillo 766

química en la atmósfera 768 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8

atmósfera terrestre 770 Fenómenos en las capas externas de la atmósfera 773 Destrucción del ozono en la estratosfera 775 Volcanes 780 Efecto invernadero 781 Lluvia ácida 785 Esmog fotoquímico 789 contaminación doméstica 791 Resumen de conceptos 794 Términos básicos 794 Preguntas y problemas 794

Entropía, energía libre y equilibrio 800 18.1 18.2 18.3 18.4

Las tres leyes de la termodinámica 802 Procesos espontáneos 802 Entropía 803 Segunda ley de la termodinámica 808 QUíMICA en acción La eficiencia de las máquinas térmicas 814

18.5 Energía libre de Gibbs 814 18.6 Energía libre y equilibrio químico 821 18.7 Termodinámica en los sistemas vivos 825 QUíMICA en acción La termodinámica de una liga 826 Ecuaciones básicas 828 Resumen de conceptos 828 Términos básicos 828 Preguntas y problemas 829

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xvi

contenido

Electroquímica 836 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6

Reacciones redox 838 celdas galvánicas 841 Potenciales estándar de reducción 843 Termodinámica de las reacciones redox

849

Efecto de la concentración sobre la fem de la celda 852 Baterías 857 QUíMICA en acción Energía bacteriana 861

19.7 corrosión 862 19.8 Electrólisis 866 QUíMICA en acción Molestia producida por las amalgamas dentales 871 Ecuaciones básicas 872 Resumen de conceptos 873 Términos básicos 873 Preguntas y problemas 873 MISTERIO de la química Agua sucia 882

metalurgia y la química de los metales 884 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7

Presencia de los metales 886 Procesos metalúrgicos 886 Teoría de las bandas de conductividad eléctrica 894 Tendencias periódicas de las propiedades metálicas 896 metales alcalinos 897 metales alcalinotérreos 901 aluminio 903 QUíMICA en acción Reciclamiento de aluminio 906 Resumen de conceptos 906 Términos básicos 907 Preguntas y problemas 908

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contenido

xvii

Elementos no metálicos y sus compuestos 912 21.1 Propiedades generales de los no metales 914 21.2 Hidrógeno 914 QUíMICA en acción Hidrógeno metálico 919

21.3 carbono 920 QUíMICA en acción Gas sintético a partir del carbón 923

21.4 Nitrógeno y fósforo 924 QUíMICA en acción Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 931

21.5 Oxígeno y azufre 932 21.6 Halógenos 939 Resumen de conceptos 946 Términos básicos 946 Preguntas y problemas 947

química de los metales de transición y compuestos de coordinación 952 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5

Propiedades de los metales de transición 954 La química del hierro y del cobre 957 compuestos de coordinación 959 Estructura de los compuestos de coordinación 964 El enlace en los compuestos de coordinación: teoría de campo cristalino 967

22.6 Reacciones de los compuestos de coordinación 973 22.7 aplicaciones de los compuestos de coordinación 974 QUíMICA en acción Compuestos de coordinación en los sistemas vivos 976 Ecuaciones básicas 976 Resumen de conceptos 976 QUíMICA en acción Cisplatino: el medicamento anticancerígeno 978 Términos básicos 978 Preguntas y problemas 978 MISTERIO de la química Datación de pinturas con el azul de Prusia 984

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xviii

contenido

química nuclear 986 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5

Naturaleza de las reacciones nucleares 988 Estabilidad nuclear 990 Radiactividad natural 995 Transmutación nuclear 999 Fisión nuclear 1001 QUíMICA en acción El reactor de fisión nuclear de la naturaleza 1006

23.6 Fusión nuclear 1007 23.7 aplicaciones de los isótopos 1010 23.8 Efectos biológicos de la radiación 1012 QUíMICA en acción Irradiación de los alimentos 1014 QUíMICA en acción Terapia por captura neutrónica de boro 1015 Ecuaciones básicas 1015 Resumen de conceptos 1016 Términos básicos 1016 Preguntas y problemas 1016 MISTERIO de la química El arte de la falsificación en el siglo xx 1022

química orgánica 1024 24.1 clases de compuestos orgánicos 1026 24.2 Hidrocarburos alifáticos 1026 QUíMICA en acción El hielo que se quema 1038

24.3 Hidrocarburos aromáticos 1039 24.4 química de los grupos funcionales 1042 QUíMICA en acción La industria del petróleo 1048 Resumen de conceptos 1051 Términos básicos 1051 Preguntas y problemas 1051 MISTERIO de la química Desaparición de huellas digitales 1058

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contenido

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Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1060 25.1 Propiedades de los polímeros 1062 25.2 Polímeros orgánicos sintéticos 1062 25.3 Proteínas 1067 QUíMICA en acción Anemia falciforme: una enfermedad molecular 1074

25.4 Ácidos nucleicos 1076 QUíMICA en acción Huella digital del ADN 1079 Resumen de conceptos 1080 Términos básicos 1080 Preguntas y problemas 1080 MISTERIO de la química Una historia que le erizará los cabellos 1084

APénDice 1 Derivación de los nombres de los elementos a-1 APénDice 2 unidades para la constante de los gases a-7 APénDice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°c a-8 APénDice 4 Operaciones matemáticas a-13 Glosario G-1 Respuestas a las preguntas pares R-1 Créditos C-1 Índice I-1

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D

esde la primera edición, mi intención ha sido escribir un texto de química general que ofrezca una base firme de conceptos y principios químicos, y que inculque en los estudiantes el reconocimiento de la función tan vital que la química desempeña en nuestra vida cotidiana. Es responsabilidad del autor del libro de texto ayudar tanto al estudiante como al maestro a lograr este objetivo; por eso, este libro contiene una amplia gama de temas presentados en una secuencia lógica. Siempre que ha sido posible, he intentado equilibrar la teoría y la práctica, así como ilustrar los principios básicos con ejemplos comunes.

En esta décima edición, como en las anteriores, mi meta ha sido crear un texto que explique con claridad conceptos abstractos, lo bastante conciso para no abrumar a los estudiantes con información extraña e innecesaria, pero lo suficientemente amplio para prepararlos para el siguiente nivel de aprendizaje. Los comentarios alentadores que he recibido de maestros y estudiantes me han convencido de la eficacia de este método.

Lo nuevo en esta edición • Se han agregado muchos problemas nuevos de final de capítulo con la representación gráfica de moléculas, para poner a prueba las habilidades de comprensión conceptual y razonamiento crítico del estudiante. Los problemas más desafiantes se incluyen bajo la sección “Problemas especiales”.

• En el capítulo 10 se incluyeron nuevos diagramas orbitales moleculares generados por computadora.

• Se han revisado y actualizado muchas secciones con base en los comentarios de revisores y usuarios. algunos ejemplos incluyen: — Tratamiento revisado de las cantidades de reactivos y productos en el capítulo 3.

— Explicación revisada de las ecuaciones termoquímicas en el capítulo 6.

— cobertura ampliada de la carga nuclear efectiva en el capítulo 8.

— Tratamiento revisado del factor de orientación en el capítulo 13.

— análisis revisado de la entropía en el capítulo 18.

— Nueva sección agregada de química en acción (Terapia por captura neutrónica de boro) en el capítulo 23.

Resolución de problemas Desarrollar las habilidades de resolución de problemas siempre ha sido uno de los objetivos primordiales de este texto. Las dos principales categorías de instrumentos para el aprendizaje son los ejemplos solucionados y los problemas de final de capítulo. muchos de ellos presentan piezas adicionales de conocimiento y permiten al estudiante resolver un problema que un químico resolvería. Los ejemplos y problemas muestran a los estudiantes el mundo real de la química y aplicaciones para las situaciones cotidianas.

• ejemplos resueltos siguen una estrategia probada de resolución paso por paso y su solución.

— enunciación del problema es la presentación de los datos necesarios para resolver el problema con base en la pregunta formulada.

— estrategia es un plan o método cuidadosamente diseñado para tener una importante función didáctica.

— solución es el proceso de resolver por etapas un problema determinado.

— verificación permite al estudiante verificar y comparar con la fuente de información para asegurarse de que la respuesta sea razonable.

— ejercicio de práctica ofrece la oportunidad de resolver un problema similar con el fin de obtener destreza en la resolución de este tipo de problemas.

La nota al margen enlista problemas similares adicionales para trabajar en la sección de problemas al final del capítulo.

• Problemas de final de capítulo están organizados de varias formas. cada sección comprendida debajo de un encabezado temático comienza con Preguntas de repaso seguidas por Problemas. La sección de Problemas adicionales ofrece más problemas no organizados por secciones. Por último, la sección “Problemas especiales” contiene problemas con un mayor grado de dificultad.

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visualización • Gráficas y diagramas de flujo son importantes en ciencia. En Química, los diagramas de flujo muestran el proceso mental de un concepto y las gráficas presentan datos para comprender el concepto.

• Representación molecular aparece en varios formatos y tiene diferentes funciones. Los modelos moleculares ayudan a visualizar las distribuciones atómicas tridimensionales de las moléculas. Finalmente, la representación macroscópica a microscópica, ayuda a los estudiantes a comprender procesos en el nivel molecular.

• Fotografías ayudan a los estudiantes a familiarizarse con los químicos y a comprender cómo se presentan realmente las reacciones químicas.

• imágenes de aparatos permiten al estudiante visualizar la distribución real de un laboratorio químico.

Ayudas para el estudio ambientación un despliegue de dos páginas al inicio de cada capítulo consta de las secciones: sumario del capítulo y avance del capítulo.

• sumario del capítulo permite al estudiante captar rápidamente el panorama de las principales ideas que se exponen en él.

mismo tipo. Las respuestas a los Ejercicios de práctica se presentan al final de los problemas del capítulo.

• Revisión de conceptos permite al estudiante evaluar si ha comprendido el concepto presentado en cada sección.

• ecuaciones básicas se presentan dentro de cada capítulo y se resaltan para captar la atención del estudiante en cuanto al material que necesita comprender y recordar.

También se presentan como parte del resumen de cada capítulo y son fácilmente identificables para fines de repaso y estudio.

• Resumen de conceptos ofrece un repaso rápido de los conceptos presentados y analizados a detalle dentro de cada capítulo.

• Palabras clave son listas de todos los términos importantes para ayudar al estudiante a comprender el lenguaje de la química.

Ponga a prueba sus conocimientos • Revisión de conceptos permite al estudiante hacer una pausa y poner a prueba su comprensión del concepto presentado y analizado en determinada sección.

• Problemas de final de capítulo Permiten al estudiante poner en práctica sus habilidades de pensamiento crítico y resolución de problemas. Los problemas se dividen en diferentes tipos:

Herramientas didácticas

— Por sección de capítulo. Desde las Preguntas de repaso que ponen a prueba la comprensión conceptual básica, hasta los Problemas que prueban la habilidad del estudiante para la resolución de problemas pertenecientes a esa sección particular del capítulo.

Química abunda en ayudas didácticas útiles que se deben usar de manera constante para reforzar la comprensión de los conceptos químicos.

— Los Problemas adicionales utilizan el lenguaje obtenido de las diferentes secciones y capítulos previos para su resolución.

• Avance del capítulo ofrece al estudiante una síntesis de los conceptos que se presentarán en el mismo.

• notas al margen se utilizan para dar sugerencias, pistas e información con el fin de enriquecer la base cognitiva del estudiante.

• ejemplos resueltos junto con el Ejercicio de práctica, son una herramienta didáctica muy importante para el dominio de la química. Los pasos para la resolución de problemas guían al estudiante a través del pensamiento crítico necesario para dominar esta materia. usar esquemas lo ayudará a comprender el funcionamiento interno de un problema (vea el ejemplo 6.1 de la página 237). una nota al margen muestra problemas similares en la sección de problemas al final del capítulo, lo que permite aplicar un nuevo enfoque a otros problemas del

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— La sección de Problema especial contiene problemas más difíciles idóneos para proyectos grupales.

Relevancia práctica En todo el libro se presentan ejemplos interesantes de las diferentes manifestaciones cotidianas de la química. Se usan analogías para ayudar a mejorar la comprensión de conceptos químicos abstractos.

• Problemas de final de capítulo presentan muchas preguntas relevantes para el estudiante. Ejemplos: ¿Por qué en ocasiones los entrenadores de natación vierten

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una gota de alcohol en el oído de los nadadores para extraer el agua? ¿cómo se estima la presión en un envase de refresco carbonatado antes de destaparlo?

• Química en acción son recuadros que aparecen en cada capítulo y que presentan una variedad de temas, cada uno con su propia historia de la manera en que la química puede afectar una parte de la vida. El estudiante aprenderá aspectos de la ciencia del buceo y la medicina nuclear, entre muchos otros temas interesantes.

• Misterio químico presenta al estudiante un caso misterioso. Varias preguntas químicas ofrecen pistas acerca de cómo se podría resolver el misterio. “misterio químico” fomentará un grado de nivel de pensamiento crítico gracias a los pasos básicos para la resolución de problemas desarrollados a lo largo del texto.

Agradecimientos me gustaría agradecer a los siguientes revisores y participantes de simposios cuyos comentarios fueron muy valiosos para mí en la preparación de esta revisión: michael abraham University of Oklahoma michael adams Xavier University of Louisiana Elizabeth aerndt Community College of Rhode Island Francois amar University of Maine Taweechai amornsakchai, Mahidol University Dale E. arrington Colorado School of Mines mufeed m. Basti North Carolina A&T State University Laurance Beauvais San Diego State University Vladimir Benin University of Dayton miriam Bennett San Diego State University christine V. Bilicki Pasadena City College John J. Blaha Columbus State Community College mary Jo Bojan Pennsylvania State University Steve Boone Central Missouri State University Timothy Brewer Eastern Michigan University michelle m. Brooks College of Charleston Philip Brucat University of Florida John D. Bugay Kilgore College maureen Burkhart Georgia Perimeter College William Burns Arkansas State University Stuart Burris Western Kentucky University Les Butler Louisiana State University Bindu chakravarty Houston Community College Liwei chen Ohio University Tom clausen University of Alaska–Fairbanks allen clabo Francis Marion University

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Barbara cole University of Maine W. Lin coker iii Campbell University Darwin Dahl Western Kentucky University Erin Dahlke Loras College Gary DeBoer LeTourneau University Dawn De carlo University of Northern Iowa Richard Deming California State University–Fullerton Gregg Dieckman University of Texas at Dallas michael Doughty Southeastern Louisiana University Bill Durham University of Arkansas David Easter Texas State University–San Marcos Deborah Exton University of Oregon David Frank California State University–Fresno John Gelder Oklahoma State University Leanna c. Giancarlo University of Mary Washington Kenneth Goldsby Florida State University Eric Goll Brookdale Community College John Gorden Auburn University Todor Gounev University of Missouri–Kansas City Thomas Gray University of Wisconsin–Whitewater alberto Haces Florida Atlantic University michael Hailu Columbus State Community College Randall Hall Louisiana State University Ewan Hamilton Ohio State University at Lima Gerald Handschuh Kilgore College michael a. Hauser St. Louis Community College Daniel Lee Heglund South Dakota School of Mines Brad Herrick Colorado School of Mines Huey Hoon HNG, Nanyang Technological University Byron E. Howell Tyler Junior College Lee Kim Hun, NUS High School of Math and Science Tara Hurt East Mississippi Community College Wendy innis-Whitehouse University of Texas at Pan American Jongho Jun, Konkuk University Jeffrey Keaffaber University of Florida michael Keck Emporia State University myungHoon Kim Georgia Perimeter College Jesudoss Kingston Iowa State University Pamela Kraemer Northern Virginia Community College Bette a. Kreuz University of Michigan–Dearborn Jothi V. Kumar North Carolina A&T State University Joseph Kushick Amherst College Richard H. Langley Stephen F. Austin State University William Lavell Camden County College

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Daniel B. Lawson University of Michigan–Dearborn Young Sik Lee, Kyung Hee University clifford Lemaster Ball State University Neocles Leontis Bowling Green State University alan F. Lindmark Indiana University Northwest Teh Yun Ling, NUS High School of Maths and Science arthur Low Tarleton State University Jeanette madea Broward Community College Steve malinak Washington Jefferson College Diana malone Clarke College c. michael mccallum University of the Pacific Lisa mccaw University of Central Oklahoma Danny mcGuire Carmeron University Scott E. mcKay Central Missouri State University John milligan Los Angeles Valley College Jeremy T. mitchell-Koch Emporia State University John mitchell University of Florida John T. moore Stephan F. Austin State University Bruce moy College of Lake County Richard Nafshun Oregon State University Jim Neilan Volunteer State Community College Glenn S. Nomura Georgia Perimeter College Frazier Nyasulu Ohio University maryKay Orgill University of Nevada–Las Vegas Jason Overby College of Charleston m. Diane Payne Villa Julie College Lester L. Pesterfield Western Kentucky University Richard Petersen University of Memphis Joanna Piotrowska Normandale Community College amy Pollock Michigan State University–East Lansing William quintana New Mexico State University Edward quitevis Texas Tech University Jeff Rack Ohio University Lisa Reece Ozarks Technical Community College michelle Richards-Babb West Virginia University Jim D. Roach Emporia State University Rojrit Rojanathanes, Chulalongkorn University Steve Rowley Middlesex County College Kresimir Rupnik Louisiana State University Somnath Sarkar Central Missouri State University Jerry Sarquis Miami University Susan Scheble Metropolitan State College of Denver Raymond Scott University of Mary Washington Thomas Selegue Pima Community College Sheila R. Smith University of Michigan–Dearborn

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David Speckhard Loras College Rick Spinney Ohio State University David Son Southern Methodist University Larry O. Spreer University of the Pacific Shane Street University of Alabama Satoshi Takara University of Hawaii Kimberly Trick University of Dayton Bridget Trogden Mercer University cyriacus uzomba Austin Community College John B. Vincent University of Alabama Thomas Webb Auburn University Lyle Wescott University of Mississippi Wayne Wesolowski University of Arizona Ken Williams Francis Marion University W.T. Wong, The University of Hong Kong Troy Wood University of Buffalo Gloria a. Wright Central Connecticut State University Stephanie Wunder Temple University christine Yerkes University of Illinois Timothy Zauche University of Wisconsin–Platteville William Zoller University of Washington También agradezco a las siguientes personas por todos sus comentarios y sugerencias: mufeed Basti North Carolina A&T Ken Goldsby Florida State University John Hagen California Polytechnic University Joseph Keane Muhlenberg College Richard Nafshun Oregon State University michael Ogawa Bowling Green State University Jason Overby College of Charleston John Pollard University of Arizona William quintana New Mexico State University Troy Wood University of Buffalo Kim Woodrum University of Kentucky También me gustaría agradecer al doctor Enrique Peacock-Lopez y Desire Gijima por los diagramas orbitales generados por computadora del capítulo 10. como siempre, me he beneficiado de las discusiones con mis colegas del Williams college y de la correspondencia con los profesores de ahí y del extranjero.

Es un placer agradecer el apoyo que me han otorgado los siguientes miembros de la división de estudios universitarios de mcGraw-Hill: Tammy Ben, Doug Dinardo, chad Grall, Kara Kudronowicz, mary Jane Lampe, marty Lange, michael Lange, Kent Peterson y Kurt Strand. En particular,

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me gustaría mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la producción, a David Hash por el diseño del libro, a John Leland por la investigación fotográfica, a Daryl Bruflodt y Judi David por el formato multimedia y a Todd Turner, gerente de marketing, por sus sugerencias y aliento. Vaya también mi agradecimiento a mis editores comerciales Tami

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Hodge y Thomas Timp, por sus consejos y ayuda. Por último, mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, la editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasmo en el proyecto, y la supervisión en cada etapa de la elaboración de esta edición.

—Raymond Chang.

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Herramientas para obtener mayor provecho

Relaciones de masa en las reacciones químicas

Herramientas didácticas Página de apertura de cada capítulo: Prepárese para un mayor aprovechamiento con el sumario del capítulo.

Azufre en combustión con el oxígeno para formar dióxido de azufre. Los modelos muestran moléculas de azufre elemental (S8), de oxígeno y de dióxido de azufre.

Cada año, alrededor de 50 millones de toneladas de SO2 se liberan a la atmósfera.

Sumario

Examine “avance del capítulo” para familiarizarse con los conceptos del capítulo.

3.1 3.2

Masa atómica

3.3 3.4 3.5

Masa molecular

3.6

Determinación experimental de fórmulas empíricas

3.7

Reacciones químicas y ecuaciones químicas

3.8

Cantidades de reactivos y productos

3.9 3.10

Reactivo limitante

Avance del capítulo •

Iniciaremos este capítulo con el estudio de la masa de un átomo, la cual está basada en la escala del isótopo de carbono-12. A un átomo del isótopo de carbono-12 se le asigna una masa de exactamente 12 unidades de masa atómica (uma). A fin de trabajar con la escala de gramos, más conveniente, se utiliza la masa molar. La masa molar del carbono-12 tiene una masa de exactamente 12 gramos y contiene el número de Avogadro (6.022 × 1023) de átomos. Las masas moleculares de otros elementos también se expresan en gramos y contienen el mismo número de átomos.

(3.1 y 3.2)

•

El análisis de la masa atómica se relaciona con la masa molecular, la cual es la suma de las masas de los átomos presentes. Aprenderemos que la forma más directa de determinar la masa atómica y molecular es mediante el uso de un espectrómetro de masas. (3.3 y 3.4)

•

Para continuar con el estudio de las moléculas y compuestos iónicos, aprenderemos a calcular la composición porcentual de estas especies a partir de sus fórmulas químicas. (3.5)

•

Estudiaremos cómo se determinan, mediante experimentación, la fórmula empírica y molecular de un compuesto. (3.6)

•

Después aprenderemos a escribir una ecuación química para describir el resultado de una reacción química. Una ecuación química se debe balancear de manera que se pueda tener el mismo número y clase de átomos para los reactivos, las materias primas, y los productos, las sustancias formadas al final de la reacción. (3.7)

•

Con base en el conocimiento adquirido de las ecuaciones químicas, continuaremos con el estudio de las relaciones de masa de las reacciones químicas. Una ecuación química permite el uso del método del mol para predecir la cantidad de producto(s) formado(s), una vez conocida la cantidad de reactivo(s) utilizado(s). Observaremos que el rendimiento de una reacción depende de la cantidad del reactivo limitante (el reactivo que se consume primero) presente. (3.8 y 3.9)

•

Aprenderemos que el rendimiento real de una reacción es casi siempre menor que el pronosticado a partir de la ecuación, conocido como rendimiento teórico, debido a diversas complicaciones. (3.10)

Número de Avogadro y masa molar de un elemento Espectrómetro de masas Composición porcentual de los compuestos

Rendimiento de reacción

E

n este capítulo estudiaremos las masas de los átomos y de las moléculas y lo que les ocurre cuando se realizan cambios químicos. El análisis se basará en la ley de la conservación de la masa.

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Herramientas visuales: comprenda los principios químicos por medio de los diferentes estilos de ayudas visuales y el desglose de conceptos importantes.

Herramientas para la resolución de problemas ejemplos: Domine el pensamiento lógico y sistemático para la resolución de problemas.

Revisión de conceptos: compruebe su comprensión mediante la herramienta Revisión de conceptos que se encuentra después de las secciones correspondientes en cada capítulo.

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CAPÍTULO 3

Relaciones de masa en las reacciones químicas

Preguntas y problemas Masa atómica Preguntas de repaso 3.1 3.2

3.3 3.4

¿Qué es una unidad de masa atómica? ¿Por qué es necesaria la introducción de dicha unidad? ¿Cuál es la masa (en uma) del átomo de carbono-12? ¿Por qué la masa del carbono aparece como 12.01 uma en la tabla periódica de la segunda de forros de este libro?

Explique de manera clara el significado del enunciado “la masa atómica del oro es 197.0 uma”. ¿Qué información se necesita para calcular la masa atómica promedio de un elemento?

Problemas 3.5

3.6

3.7 3.8

35 37 Las masas atómicas de 17 Cl (75.53%) y 17 Cl (24.47%) son 34.968 uma y 36.956 uma, respectivamente. Calcule la masa atómica promedio del cloro. Los porcentajes entre paréntesis indican la abundancia relativa.

Las masas atómicas de 36Li y 37Li son 6.0151 uma y 7.0160 uma, respectivamente. Calcule la abundancia natural de estos dos isótopos. La masa atómica promedio del Li es 6.941 uma. ¿Cuál es la masa (en gramos) de 13.2 uma? ¿Cuántas uma existen en 8.4 g?

Número de Avogadro y masa molar Preguntas de repaso 3.9

Defina el término “mol”. ¿Cuál es la unidad para el mol en los cálculos? ¿Qué tiene en común el mol con el par, la docena y la gruesa? ¿Qué representa el número de Avogadro?

3.10 ¿Qué es la masa molar de un átomo? ¿Cuáles son las unidades comúnmente utilizadas para masa molar?

Problemas 3.11 La población mundial es aproximadamente de 65 mil millones. Suponga que cada persona sobre la Tierra participa en un proceso de contar partículas idénticas a una rapidez de dos partículas por segundo. ¿Cuántos años llevaría contar 6.0 × 1023 partículas? Suponga años de 365 días.

3.12 El espesor de una hoja de papel es 0.0036 pulgadas. Considere que cierto libro tiene el número de Avogadro de hojas; calcule el grosor de dicho libro en años-luz. (Sugerencia: Vea el problema 1.47 para la definición de añoluz.)

3.13 ¿Cuántos átomos hay en 5.10 moles de azufre (S)?

3.14 ¿Cuántos moles de átomos de cobalto (Co) hay en 6.00 × 109 (6 mil millones) de átomos de Co? 3.15 ¿Cuántos moles de átomos de calcio (Ca) hay en 77.4 g de Ca?

3.16 ¿Cuántos gramos de oro (Au) hay en 15.3 moles de Au? 3.17 ¿Cuál es la masa en gramos de un solo átomo de cada uno de los siguientes elementos? a) Hg, b) Ne. 3.18 ¿Cuál es la masa en gramos de un solo átomo de cada uno de los siguientes elementos? a) As, b) Ni. 3.19 ¿Cuál es la masa en gramos de 1.00 × 1012 átomos de plomo (Pb)?

3.20 ¿Cuántos átomos están presentes en 3.14 g de cobre (Cu)?

3.21 ¿Cuál de las siguientes cantidades contiene más átomos: 1.10 g de átomos de hidrógeno o 14.7 g de átomos de cromo?

3.22 ¿Cuál de las siguientes cantidades tiene mayor masa: 2 átomos de plomo o 5.1 × 10–23 moles de helio.

Problemas al final del capítulo: Practique su habilidad y conocimiento de los conceptos resolviendo los problemas que se encuentran al final de cada capítulo.

Masa molecular Problemas 3.23 Calcule la masa molecular (en uma) de cada una de las siguientes sustancias: a) CH4, b) NO2, c) SO3, d) C6H6, e) NaI, f) K2SO4, g) Ca3(PO4)2.

3.24 Calcule la masa molar de cada una de las siguientes sustancias: a) Li2CO3, b) CS2, c) CHCl3 (cloroformo), d) C6H8O6 (ácido ascórbico, o vitamina C), e) KNO3, f) Mg3N2.

3.25 Calcule la masa molar de un compuesto si 0.372 moles de él tienen una masa de 152 g.

3.26 ¿Cuántas moléculas de etano (C2H6) están presentes en 0.334 g de C2H6?

3.27 Calcule el número de átomos de C, H y O en 1.50 g del azúcar glucosa (C6H12O6).

3.28 La urea [(NH2)2CO] se utiliza, entre otras cosas, como fertilizante. Calcule el número de átomos de N, C, O e H en 1.68 × 104 g de urea.

3.29 Las feromonas son un tipo especial de compuestos secretadas por las hembras de muchas especies de insectos con el fin de atraer a los machos para aparearse. Una feromona tiene la fórmula molecular C19H38O. Normalmente, la cantidad de esta feromona secretada por un insecto hembra es de alrededor de 1.0 × 10–12 g. ¿Cuántas moléculas hay en esta cantidad?

3.30 La densidadProblemas del agua es 1.00 g/mL a 4°C. ¿Cuántas moléculas de agua están presentes en 2.56 mL de agua a di-12 13 3.33 cha temperatura? El carbono tiene dos isótopos estables, 6C y19 6C, en tanto que el flúor tiene sólo un isótopo estable, 9 F. ¿Cuántas señales esperaría observar en el espectro de masas del ion Espectrometría de masas positivo de CF4+? Suponga que dicho ion no se rompe en fragmentos más pequeños.

Preguntas de repaso 3.34 El hidrógeno tiene dos isótopos estables, 11H y 12H, en tanto 32 33 34 3.31 Describa cómo funciona un espectrómetro masas. estables, 16 S, 16 S, 16 Sy que el azufre tiene cuatrodeisótopos 36 esperaríaisotópica observar en el espectro de 3.32 Describa cómo podría determinarseñales la abundancia 16 S. ¿Cuántas + masasdedel positivo sulfuro de hidrógeno H2S ? Sude un elemento a partir su ion espectro de masas. ponga que el ion no se descompone en fragmentos más pequeños.

Composición porcentual y fórmulas químicas Preguntas de repaso 3.35 Utilice el amoniaco (NH3) para explicar el significado de la composición porcentual en masa de un compuesto.

3.36 Describa cómo el conocimiento de la composición porcentual en masa de un compuesto desconocido puede ayudar a su identificación.

3.37 ¿Cuál es el significado de la palabra “empírica” en el término fórmula empírica?

3.38 Si conocemos la fórmula empírica de un compuesto, ¿cuál otra información adicional necesitamos para determinar su fórmula molecular?

Problemas 3.39 El estaño (Sn) existe en la corteza terrestre como SnO2.

Calcule la composición porcentual en masa de Sn y de O en el SnO2.

3.40 Durante muchos años se utilizó el cloroformo (CHCl3) como anestésico de inhalación a pesar de ser también una sustancia tóxica que puede dañar el hígado, los riñones y el corazón. Calcule la composición porcentual en masa de este compuesto.

3.41 El alcohol cinámico se utiliza principalmente en perfumería, en especial en jabones y cosméticos. Su fórmula molecular es C9H10O. a) Calcule la composición porcentual en masa de C, H y O del alcohol cinámico. b) ¿Cuántas moléculas de alcohol cinámico están presentes en una muestra de 0.469 g?

3.42 Todas las sustancias que aparecen a continuación se utilizan como fertilizantes que contribuyen a la nitrogenación del suelo. ¿Cuál de ellas representa una mejor fuente de nitrógeno, de acuerdo con su composición porcentual en masa? a) Urea (NH2)2CO b) Nitrato de amonio, NH4NO3 c) Guanidina, HNC(NH2)2 d) Amoniaco, NH3 3.43 La alicina es el compuesto responsable del olor característico del ajo. Un análisis de dicho compuesto muestra la siguiente composición porcentual en masa: C: 44.4%; H: 6.21%; S: 39.5%; O: 9.86%. Calcule su fórmula empírica.

Preguntas y problemas

111

¿Cuál es su fórmula molecular si su masa molar es aproximadamente de 162 g?

3.44 El peroxiacilnitrato (PAN) es uno de los componentes del esmog. Está formado por C, H, N y O. Determine la composición porcentual de oxígeno y la fórmula empírica, a partir de la siguiente composición porcentual en masa: 19.8% de C, 2.50% de H y 11.6% de N. ¿Cuál es su fórmula molecular si su masa molar es aproximadamente de 120 g?

3.45 La fórmula de la herrumbre se puede representar como Fe2O3. ¿Cuántas moles de Fe están presentes en 24.6 g del compuesto?

3.46 ¿Cuántos gramos de azufre (S) se necesitan para reaccionar completamente con 246 g de mercurio (Hg) para formar HgS? 3.47 Calcule la masa en gramos de yodo (I2) que reaccionará completamente con 20.4 g de aluminio (Al) para formar yoduro de aluminio (AlI3).

3.48 Frecuentemente se agrega fluoruro de estaño(II) (SnF2) a los dentífricos como un ingrediente para evitar las caries. ¿Cuál es la masa de F en gramos que existe en 24.6 g de este compuesto?

3.49 ¿Cuál es la fórmula empírica de cada uno de los compuestos que tiene la siguiente composición? a) 2.1% de H, 65.3% de O y 32.6% de S, b) 20.2% de Al y 79.8% de Cl. 3.50 ¿Cuál es la fórmula empírica de cada uno de los compuestos que tiene la siguiente composición? a) 40.1% de C, 6.6% de H y 53.3% de O, b) 18.4% de C, 21.5% de N y 60.1% de K. 3.51 El agente antiaglutinante agregado a la sal de Morton es el silicato de calcio, CaSiO3. Este compuesto puede absorber hasta 2.5 veces su masa en agua y sigue conservando su textura de polvo fino. Calcule la composición porcentual de CaSiO3.

3.52 La fórmula empírica de un compuesto es CH. Si la masa molar de este compuesto es aproximadamente de 78 g, ¿cuál será su fórmula molecular?

3.53 La masa molar de la cafeína es 194.19 g. ¿Cuál es la fórmula molecular de la cafeína, C4H5N2O o bien C8H10N4O2?

3.54 Se sospecha que el glutamato monosódico (MSG), un potenciador de sabor de alimentos, es el causante del “síndrome del restaurante chino”, ya que puede causar dolores de cabeza y de pecho. El MSG tiene la siguiente composición porcentual en masa: 35.51% de C, 4.77% de H, 37.85% de O, 8.29% de N y 13.60% de Na. ¿Cuál será su fórmula molecular si su masa molar es aproximadamente de 169 g?

Reacciones químicas y ecuaciones químicas Preguntas de repaso 3.55 Utilice la formación de agua a partir de hidrógeno y oxígeno para explicar los siguientes términos: reacción química, reactivo, producto.

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Final del capítulo: al prepararse para los exámenes, ponga a prueba sus conocimientos con la ayuda de las siguientes herramientas: Ecuaciones básicas, Resumen, Términos básicos, Preguntas y problemas.

CAPÍTULO 8

Relaciones periódicas entre los elementos

Ecuaciones básicas Zefect = Z − s

(8.2)

Definición de carga nuclear efectiva.

Resumen de conceptos 1. Los químicos del siglo xix desarrollaron la tabla periódica acomodando los elementos en orden creciente de sus masas atómicas. Se resolvieron algunas discrepancias de las primeras versiones de la tabla periódica acomodando los elementos en orden creciente de sus números atómicos.

2. La configuración electrónica determina las propiedades de los elementos. La tabla periódica moderna clasifi ca los elementos de acuerdo con sus números atómicos y también según su configuración electrónica. La configuración de los electrones de valencia afecta de manera directa las propiedades de los átomos de los elementos representativos.

3. Las variaciones periódicas de las propiedades físicas de los elementos reflejan diferencias en la estructura atómica. El carácter metálico de los elementos disminuye a lo largo de un periodo: empieza con metales, continúa con metaloides y termina con no metales; además, aumenta de arriba abajo dentro de un grupo específico de elementos representativos.

4. El radio atómico varía periódicamente con la posición de los elementos en la tabla periódica. Disminuye de izquierda a derecha y aumenta de arriba abajo.

5. La energía de ionización es una medida de la tendencia de un átomo a evitar la pérdida de un electrón. A mayor energía de ionización, es mayor la fuerza de atracción del núcleo sobre el electrón. La afinidad electrónica es una medida de la tendencia de un átomo a ganar un electrón. Cuanto más positivo sea el valor de la afinidad electrónica, mayor la tendencia del átomo a ganar un electrón. Por lo general, los metales tienen bajas energías de ionización, y los no metales altas afinidades electrónicas.

6. Los gases nobles son muy estables debido a que sus subniveles externos ns y np están completamente llenos. Los metales de los elementos representativos (de los grupos 1A, 2A y 3A) tienden a perder electrones hasta que sus cationes se vuelven isoelectrónicos con el gas noble que los precede en la tabla periódica. Los no metales de los grupos 5A, 6A y 7A tienden a aceptar electrones hasta que sus aniones se vuelven isoelectrónicos con el gas noble que les sigue en la tabla periódica.

Términos básicos Afinidad electrónica, p. 341 Carga nuclear efectiva (Zefect), p. 330 Electrones internos, p. 327

Electrones de valencia, p. 327 Elementos representativos, p. 326

Energía de ionización, p. 337 Isoelectrónicos, p. 330 Óxido anfótero, p. 353

Radio atómico, p. 331 Radio iónico, p. 333 Relaciones diagonales, p. 344

Preguntas y problemas Desarrollo de la tabla periódica

Clasificación periódica de los elementos

Preguntas de repaso

Preguntas de repaso

8.1

8.5

8.2 8.3 8.4

Describa brevemente la importancia de la tabla periódica de Mendeleev. ¿Cuál fue la contribución de Moseley a la tabla periódica moderna?

Describa los lineamientos generales de la tabla periódica moderna. ¿Cuál es la relación más importante entre los elementos de un mismo grupo en la tabla periódica?

8.6 8.7

¿Cuáles de los siguientes elementos son metales, cuáles no metales y cuáles metaloides?: As, Xe, Fe, Li, B, Cl, Ba, P, I, Si. Compare las propiedades físicas y químicas de los metales y de los no metales.

Dibuje un esquema general de una tabla periódica (no se requieren detalles). Indique dónde se localizan los metales, los no metales y los metaloides.

Herramientas para obtener mayor provecho xxix

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a química general suele considerarse como una materia más difícil que las demás. En cierto sentido esto es justificable, por una razón: la química tiene un vocabulario muy especializado. En primer lugar, estudiar química es como aprender un nuevo idioma. además, algunos de sus conceptos son abstractos. Sin embargo, si es perseverante completará este curso exitosamente y hasta es posible que lo disfrute. aquí le presento algunas sugerencias que lo ayudarán a formar buenos hábitos de estudio y a dominar el material de este libro.

• asista regularmente a clases y tome apuntes detallados.

• Si es posible, repase a diario los apuntes de los temas que se cubrieron ese día en clase. utilice su libro para complementar sus notas.

• Pensamiento crítico. Pregúntese si realmente comprendió el significado de un término o el uso de una ecuación. una buena forma de probar lo que ha aprendido es explicar un concepto a un compañero de clases o a otra persona.

• No dude en pedir ayuda al maestro o a su asistente.

Las herramientas para la décima edición de Química están diseñadas para permitirle aprovechar mejor su curso de química general. La siguiente guía explica cómo obtener el mayor provecho del texto, la tecnología y otras herramientas.

• antes de ahondar en el capítulo, lea el sumario y el avance del capítulo para darse una idea de los temas importantes. utilice el sumario para organizar sus apuntes en clase.

• al final de cada capítulo, encontrará un resumen de conceptos, ecuaciones básicas y una lista de términos básicos, todo lo cual le servirá como un repaso para los exámenes.

• Los términos básicos están acompañados de la página, de manera que pueda remitirse al capítulo y estudie su contexto, o bien lo revise en el glosario al final del libro.

• un estudio detallado de los ejemplos solucionados en cada capítulo mejorará su capacidad para analizar problemas y hacer los cálculos necesarios para resolverlos.

También, tómese el tiempo para resolver el ejercicio de práctica que sigue a cada ejemplo y asegúrese de que ha entendido cómo resolver el tipo de problema ilustrado en el ejemplo. Las respuestas a los ejercicios de práctica aparecen al final de cada capítulo, después de la lista de problemas. como práctica adicional, puede recurrir a problemas similares como los que aparecen al margen del ejemplo.

• Las preguntas y problemas al final del capítulo están organizados por secciones.

• En el índice podrá encontrar rápidamente conceptos cuando esté resolviendo problemas o estudiando temas relacionados en diferentes capítulos.

Si sigue estas sugerencias y cumple asiduamente con sus tareas, encontrará que la química es una materia desafiante, pero menos difícil y mucho más interesante de lo que esperaba.

—Raymond Chang

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