Fundamentos De Quimica

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B lo q u e /(e le m e n to s de transición internos)

B loque d (m etales d e transición)

18 VIIIA 2

B loque s

10 VIII

11 IB

12 IIB

16 VIA

17 VIIA

He

13 IIIA 5 B

14 IVA 6 C

15 VA 7

8

9

N

O

F

10 Ne

10.81 boro

12.01

carbono

14.01 nitrógeno

16.00 oxígeno

19.00 flúor

20.18 neón

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 C1

Ar

26.98 aluminio

28.09 silicio

30.97 fósforo

32.07 azufre

35.45 cloro

39.95 argón

32

4.00 helio

18

28

29

30

Ni

Cu

Zn

31 Ga

Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

58.69 níquel

63.55 cobre

65.39 zinc

69.72 galio

72.61 germanio

74.92 arsénico

78.96 selenio

79.90 bromo

83.80 criptón

46 Pd

47 Ag

48

49

50

52

Cd

In

Sn

51 Sb

Te

53 I

54 Xe

106.42 paladio

107.87 plata

112.41 cadmio

114.82 indio

118.71 estaño

121.76 antimonio

127.60 telurio

126.90 yodo

131.29 xenón

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Pt

Au

Hg

TI

Pb

Bi

Po

At

Rn

195.08 platino

196.97 oro

200.59 mercurio

204.38 talio

207.2 plomo

208.98 bismuto

(209) polomo

( 210 ) astato

(222) radón

110

111

112

Ds

Rg

**

114 **

(277)

(285)

(269) (272) darmstadio roentgenio

64

65

Gd

Tb

157.25 gadolinio

158.93 terbio

68

116 t

■

66

67

Dy 162.50 disprosio

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

164.93 holmio

167.26 erbio

168.93 tulio

173.04 iterbio

174.97 lutedo 103

69

70

71

96

97

98

99

100

10 1

10 2

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

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benjue^o

(251). californio

(252) einstenio

(257) fermio

(258) mendelevio

(259) nobelio

(262) laurendo

(247) cuno

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Fundamentos de Química

Fundamentos de Química QUINTA EDICIÓN

St. Louis Community College - Meramec

www.medilibros.com Traducción:

Héctor Javier Escalona y García Traductor profesional R ev isió n técnica:

Abigail González Peña Asesora técnica Preparatoria Abierta en el Estado de México Adaptación:

Leticia López Cuevas Universidad Nacional Autónoma de México Profesora de Química Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Ciudad de México

PEARSON

RALPH A. BURNS Quinta edición Pearson Educación, México, 2011 ISBN: 978-607-32-0683-9 Area: Bachillerato/Ciencias Formato: 20 X 25.5 cm

Páginas 776

Authorized adptation from the English languge entitled Fundamentáis of Chemistry, 4th edition, by Ralph A. Burns publised by Pearson Education, inc., publising as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2002. All rights reserved. ISBN 0-13-033719-6 Adaptación autorizada de la edición en idioma inglés, titulada: Fundamentáis o f Chemistry, 4a edición, por Ralph A. Burns, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE HALL, INC., Copyright ©2003. Todos los derechos reservados. Edición en inglés Sénior Editor: Kent Porter Hamann Editor-in-Chief, Physical Sciences: John Challice Vice President of Production and Manufacturing: David W. Riccardi Executive Managing Editor: Kathleen Schiaparelli Assistant Managing Editor: Beth Sweeten Sénior Marketing Manager: Steve Sartori Assistant Managing Editor, Science Media: Nicole Bush Assistant Managing Editor, Science Supplements: Dinah Thong Media Editor: Paul Draper Project Manager: Kristen Kaiser Director of Creative Services: Paul Belfanti Director of Design: Carole Anson Managing Editor, Audio/Video Assets: Grace Hazeldine Art Editor: Tom Benfatti Art Director: Joseph Sengotta/Maureen Eide Interior Design: Maureen Eide Manufacturing Manager: Trudy Pisciotti Assistant Manufacturing Manager: Michael Bell Photo Researcher: Christine Pullo Photo Editor: Carolyn Gauntt Art Studio: Artworks Sénior Manager: Patricia Burns Production Manager: Ronda Whitson Manager, Production Technologies: Matthew Haas Project Coordinator: Connie Long Illustrators: Royce Copenheaver, Jay McElroy, Mark Landis Art Quality Assurance: Timothy Nguyen, Stacy Smith, Pamela Taylor Editorial Assistants: Nancy Bauer, Jacquelyn Howard Production Supervision/Composition: Lithokraft II

Esta edición en español es la única autorizada.

Edición en español Dirección general: Laura Koestinger Dirección K-12: Santiago Gutiérrez Gerencia editorial: Rodrigo Bengochea Coordinación editorial: Gloria Morales Coordinación de arte y diseño: Asbel Ramírez Asesoría y revisión pedagógica: Verónica Valdés Edición sponsor: Enrique Quintanar e-mail: enrique .quintanar@pearson .com Edición de desarrollo: Zoraida Reyes Supervisión de arte y diseño: Mónica Galván Diseño de interiores y portada: RGB design Diagramación: RGB design Dirección K-12 Latinoamérica: Eduardo Guzmán Barros Gerencia editorial Latinoamérica: Clara Andrade QUINTA EDICIÓN, 2011 D. R. © 2011 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500-5° piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. Núm. 1031

ISBN LIBRO IMPRESO: 978-607-32-0683-9 ISBN E-BOOK: 978-607-32-0684-6 ISBN E-CHAPTER: 978-607-32-0685-3 Impreso en México. Printed in México. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 14 13 12 11 www.pearsoneducacion .net

PEARSON

Contenido sinóptico Prefacio xvii Guía para el uso del texto xxiii Carta para el alumno xxix 1

La química está en todas partes 1

2

Materia y energía 12

3

Mediciones fundamentales 35

4

Elementos, átomos y la tabla periódica 76

5

Estructura atómica: iones y átomos

6

Nombres, fórmulas y usos de los compuestos inorgánicos 154

7

Propiedades periódicas de los elem entos 184

8

Enlaces químicos 213

9

Cantidades químicas 249

10

Reacciones químicas 276

11

Estequiometría: cálculos con base en ecuaciones químicas 312

12

Gases 338

13

Líquidos y sólidos 376

14

Soluciones 407

15

Velocidades de reacción y equilibrio químico 437

16

Ácidos y bases 469

114

17 Oxidación y reducción 507 18

Fundamentos de química nuclear 539

19

Química orgánica 577

20

Bioquímica 624

APÉNDICE A

C o n ve rsio n e s entre los sistem as m étrico y anglosajón y algunas constantes físicas 656

APÉNDICE B

O p e ra c io n e s algebraicas b ásicas 657

APÉNDICE C

Uso de la notación exponencial 660

APÉNDICE D

Uso de factores de conversión para resolver problem as 664

APÉNDICE E

G lo sa rio 671

APÉNDICE F

S o lu cio n es de los e je rcicio s y respuestas a los problem as im pares 684

Créditos de fotografías 718 r

Índice 721

vil

Contenido

Prefacio xvii Guía para el uso del texto xxiii Carta para el alumno xxix

1

La química está en todas partes 1 La química en nuestro mundo 2 La química en acción La química es parte de nuestro estilo de vida 4 Un enfoque científico de la resolución de problemas 4 De la hipótesis a la teoría: el método científico 6 En busca de respuestas: investigación básica y aplicada 7 La química en nuestro m undo La química y el buceo en aguas profundas 8 Química: una ciencia fundamental en tu educación 8 Resumen del capítulo 9 Evalúa u comprensión 10 Términos dave 10 Problemas 10 Estudiantes en acción 11

2

Materia y energía 12

2.8 2.9

3

Materia 13 La materia tiene estados 14 Elementos y compuestos 17 Sustancias puras y mezclas 19 Propiedades y cambios físicos y químicos 20 Una mirada cercana Propiedades del azufre 23 Ley de conservación de la masa 24 Rostros de la química La química se convierte en ciencia cuantitativa 24 Energía y cambio químico 25 La química en nuestro m undo ¿Dónde quedó la materia: magia o ciencia? 25 La química en nuestro m undo Fotosíntesis y metabolismo 27 Ley de conservación de la energía 28 Conversión de materia en energía 29 Resumen á l apítulo 29 Evalúa u comprensión 30 Términos dave 30 Problemas 30 Estudiantes en acción 33

Mediciones fundamentales 35 3.1 3.2 3.3

Unidades métricas y SI 36 Medición métrica de la longitud y aproximaciones Factores de conversión y análisis dimensional 40

38

3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

3.10 3.11 3.12

4

Medición métrica del volumen y conversiones 43 Medición métrica de la masa y conversiones 46 Conversión entre unidades métricas y anglosajonas 49 La incertidumbre en las mediciones 50 Cifras significativas 51 Notación científica 56 Una mirada cercana Conteo de millones y milesde millones 58 Una mirada cercana ¿Cuánto es una parte por mil millones? 59 Densidad y densidad relativa 60 Medición de la temperatura 63 Temperatura y energía calorífica 66 Resumen á l apítulo 69 Evalúa u comprensión 69 Términos dave 70 Problemas 70 Estudiantes en acción 74

Elementos, átomos y la tabla periódica 76 Elementos: teoría antigua y moderna 77 Una mirada cercana Descrubimiento del darmstadtio 77 Nombres y símbolos 78 Elementos abundantes y elementos raros 81 La tabla periódica de los elementos 82 Propiedades físicas de los elementos 86 Átomos: de Demócrito a Dalton 88 Una mirada cercana Comprobación experimental 89 La teoría atómica de Dalton 90 Átomos y partículas subatómicas 94 Isótopos 98 Masas atómicas de los elementos 100 Cóm o contar con moles 102 Masas molares y fórmulas químicas: una introducción 105 Resumen á l apítulo 107 Evalúa u omprensión 108 Términos dave 108 Problemas 108 Estudiantes en acción 112

5

Estructura atómica: iones y átomos 114 5.1 5.2

5.3 5.4

Descubrimiento de la estructura atómica 115 Rostros de la química Los Curie 119 El espectro electromagnético 121 La química en nuestro m undo Nuestra capa atmosférica de ozono y la radiación UV 123 La química en nuestro m undo Filtros solares y bloqueadores solares 124 La química en acción Espectrofotómetros de infrarrojo (IR) 125 Electrones excitados y espectros 126 La química en nuestro m undo Fuegos artificiales y colores de flama 127 Los electrones en los átomos 128

La química en nuestro mundo ¿De qué estan hechas las partículas subatómicas? 129 Rostros de la química Niels Bohr 130 5.5 Modelo mecánico cuántico del átomo 132 Una mirada cercana El principio de incertidumbre 135 5.6 Niveles energéticos de los electrones 136 5.7 Electrones de valencia y símbolos de Lewis 137 Rostros de la química Gilbert N. Lewis 138 Estructura electrónica: conceptos adicionales optativos 5.8 Subniveles de energía y orbitales 139 5.9 Subniveles energéticos y la tabla periódica 142 5.10 Configuraciones electrónicas y diagramas de orbitales 144 Resumen á l apítulo 149 Evalúa u comprensión 150 Términos dave 150 Problemas 150 Estudiantes en acción 152

6

Nombres, fórmulas y usos de los compuestos inorgánicos 154

6.9 6.10

Iones monoatómicos 155 Iones poliatómicos 158 Nombres y fórmulas de los compuestos iónicos 159 Uso de paréntesis en la escritura de fórmulas químicas 162 Cómo saber el nombre de un compuesto iónico a partir de su fórmula 164 Nombres y fórmulas de compuestos binarios de no metales 165 La química en nuestro m undo Óxido nítrico, memoria y envejecimiento 166 Número de oxidación de los átomos en los compuestos poliatómicos 167 Nomenclatura de los ácidos y sus sales 169 La química en nuestro m undo El nitrito de sodio visto de cerca 172 Hidratos 174 Algunas sustancias químicas y sus usos 175 La química en nuestro m undo Com puestos de aluminio: ¿dañinos o benéficos? 178 Resumen á l apítulo 178 Evalúa u comprensión 179 Términos dave 179 Problemas 179 Estudiantes en acción 182

Propiedades periódicas de los elementos 184 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

Orden a partir del caos: descubrimientos sobre la periodicidad 185 La tabla periódica en nuestros días 186 Tamaño atómico y tamaño iónico 189 Energía de ionización 192 Tendencias de los puntos de fusión y de ebullición 193 Tendencias de la densidad y la conductividad 195 Examen de los elementos por grupos 197 La química en nuestro m undo El desarrollo y la caracterización del grafeno los hizo acredores al Premio Nobel de Física 2010 200

7.8 7.9

8

Metales de transición 205 Metales de transición interna 207 Resumen á l apítulo 208 Evalúa u comprensión 209 Términos dave 209 Problemas 209 Estudiantes en acción 211

Enlaces químicos 213

8.8

8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14

Enlaces iónicos 214 Enlaces covalentes 218 Electronegatividad 220 Enlaces covalentes polares 221 Enlaces metálicos 223 Conductividad, solubilidad y otros indicios de los enlaces químicos 224 Cómo escribir fórmulas de Lewis 227 La química en nuestro mundo Dióxido de carbono y monóxido de carbono 229 Formas moleculares: modelos de globos y repulsión de pares de electrones 231 La química en nuestro m undo Reacciones fotoquímicas y destrucción de la capa de ozono 232 Agua: una molécula no lineal 234 Amoniaco: una molécula piramidal trigonal 235 Iones amonio y enlaces covalentes coordinados 236 Metano: una molécula tetraédrica 238 Estructuras moleculares y la tabla periódica 239 Puentes de hidrógeno 242 Resumen del capítulo 243 Evalúa tu comprensión 244 Términos dave 244 Problemas 244 Estudiantes en acción 246

Cantidades químicas 249 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9

Pesos formulares y pesos moleculares 250 Moles y masas molares 250 Una mirada cercana ¿De qué tamaño es el número de Avogadro? 253 Cálculos de composición 254 Conversiones entre masa y moles 257 Cálculos con el número de Avogadro 258 Molaridad 262 Fórmulas empíricas y fórmulas moleculares 265 Cómo determinar fórmulas empíricas 266 Cómo determinar fórmulas moleculares 269 Resumen á l apítulo 270 Evalúa u comprensión 271 Términos dave 271 Problemas 271 Estudiantes en acción 274

10

R e a c c i o n e s q u í m i c a s 276 Reacciones químicas y ecuaciones químicas 277 Lo que nos dicen las ecuaciones químicas balanceadas 278 Cómo escribir y balancear ecuaciones químicas 280 Clasificación de las reacciones 286 Combustión 287 La química en nuestro mundo ¿A quién le corresponde disminuir los gases de efecto invernadero? 288 Reacciones de síntesis (combinación) 289 Reacciones de descomposición 290 Reacciones de los metales 293 Reacciones de los no metales 298 Reacciones de doble sustitución 299 Ecuaciones iónicas y ecuaciones iónicas netas 302 La química en nuestro mundo Reacciones químicas en las grutas de piedra caliza 303 10.12 Neutralización: una reacción de doble sustitución 303 Resumen á l capítulo 304 Evalúa u comprensión 305 Términos dave 305 Problemas 305 Estudiantes en acción 309

E s t e q u io m e t r ía : c á l c u l o s c o n b a s e e n e c u a c i o n e s q u í m i c a s 312 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7

12

Razones molares a partir de ecuaciones químicas 313 Cálculos de mol a mol 314 Cálculos con moles y masas 316 Cálculos con soluciones molares 319 Cálculos de reactivo limitante 321 Rendimiento porcentual 323 Cambios de energía en las reacciones químicas 325 Resumen á l capítulo 329 Evalúa u comprensión 330 Términos clave 330 Problemas 330 Estudiantes en acción 333

G ases 338 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9

La atmósfera 339 Teoría cinética molecular 339 Una mirada cercana Unidades de presión de un gas 342 Presión atmosférica 343 Ley de Boyle: presión y volumen de los gases 344 Ley de Charles: volumen y temperatura de los gases 348 Ley de Gay-Lussac: presión y temperatura de los gases 351 La química en nuestro mundo Tanques de gas para buceo profundo 354 Temperatura y presión normales 355 Ley combinada de los gases 356 Ley de Avogadro: volumen y moles de gases 357

12.10 12.11 12.12 12.13

13

Volumen molar y densidad de gases a TPE 358 Ley del gas ideal 360 Ley de Dalton de las presiones parciales 362 Estequiometría de gases: una visión integral 365 Resumen á l capítulo 368 Evalúa u comprensión 369 Términos dave 370 Problemas 370 Estudiantes en acción 374

L íq u id o s y s ó lid o s 3 7 6 Gases, líquidos y sólidos: algunas generalizaciones 377 Fuerzas interiónicas e intermoleculares 379 El estado líquido 383 Vaporización y condensación 385 El estado sólido 390 Fusión y congelación 394 Curvas de calentamiento y enfriamiento 396 Agua: un líquido fuera de lo común 397 La química en nuestro mundo Congelación... ¿de qué y para qué? 398 Resumen á l capítulo 401 Evalúa u comprensión 402 Términos dave 402 Problemas 402 Estudiantes en acción 405

14

S o lu c io n e s 4 0 7 ¿Qué es una solución? 408 Terminología de solubilidad 410 Solubilidad de los compuestos iónicos 411 Solubilidad de los compuestos covalentes 413 Equilibrios de solubilidad 415 Efectos de la presión y la temperatura en la solubilidad 416 Expresiones de la concentración de las soluciones 419 La química en nuestro mundo Límites de metales pesados en el agua 424 Propiedades coligativas de las soluciones 425 Coloides 426 Ósmosis y diálisis (opcional) 428 Resumen del capítulo 431 Evalúa tu comprensión 432 Términos clave 432 Problemas 432 Estudiantes en acción 436

15

V e lo c id a d e s d e r e a c c ió n y e q u ilib r io q u ím ic o 4 3 7 15.1 15.2

15.3

Velocidades de reacción: teoría de colisiones 438 Factores que gobiernan las velocidades de reacción 442 La química en nuestro mundo Temperaturas corporales 443 La química en acción Mecanismos de reacción 445 La química en acción La importancia de los catalizadores 448 Reacciones reversibles y equilibrio 449

15.4 15.5 15.6

16

Principio de Le Chatelier 453 La química en acción Síntesis de amoniaco 455 Efecto de un catalizador en un sistema 458 Expresión de la constante de equilibrio 459 Resumen del capítulo 462 Evalúa tu comprensión 462 Términos clave 463 Problemas 463 Estudiantes en acción 466

r

Á c i d o s y b a s e s 4 69 16.1 16.2

Ácidos y bases: teoría de Arrhenius 470 Ácidos fuertes y débiles 473 La química en acción Ácido sulfúrico 475 16.3 Bases fuertes y débiles 476 16.4 Reacciones de los ácidos 477 La química en nuestro mundo Lluvia ácida 479 La química en nuestro mundo ¿Hay ácido en tu pan? 480 16.5 Reacciones de las bases 480 La química en nuestro mundo Química de los antiácidos 482 16.6 Definiciones de ácidos y bases de Br 0nsted-Lowry 483 16.7 Definiciones de ácidos y bases de Lewis 485 16.8 Autoionización del agua 487 16.9 La escala de pH 488 16.10 Hidrólisis: sales en agua 496 16.11 Amortiguadores: regulación del pH 497 La química en nuestro mundo Acidez y la caries dental 498 16.12 Titulaciones ácido-base 499 Resumen del capítulo 500 Evalúa tu comprensión 501 Términos dave 501 Problemas 502 Estudiantes en acción 505

O x id a c ió n y r e d u c c ió n 50 7 17.1 17.2 17.3 17.4

17.5

17.6 17.7

Números de oxidación: repaso 509 Oxidación y propiedades químicas del oxígeno 509 La química en nuestro mundo Oxígeno 51 1 Reducción y propiedades químicas del hidrógeno 513 Una mirada cercana Hidrógeno 514 Algunos agentes oxidantes importantes 516 La química en acción Peróxido de hidrógeno 519 La química en nuestro mundo Antisépticos y desinfectantes 520 Algunos agentes reductores importantes 520 La química en nuestro mundo Oscurecimiento de la plata 521 La química en acción Fotografía 522 Medias reacciones de oxidación y reducción 523 Celdas electrolíticas 525

17.8

Celdas voltaicas 528 Una mirada cercana Corrosión 530 Resumen á l capítulo 533 Evalúa u comprensión 533 Términos dave 534 Problemas 534 Estudiantes en acción 537

Fundamentos de química nuclear 539 Radiactividad natural 540 Vida media 544 Cómo se mide la radiación: unidades 546 Detectores de radiación 547 Radiación de fondo 548 La química en nuestro m undo El radón-222 en la vida diaria 550 Transmutaciones artificiales 551 Radiactividad inducida 552 La química en acción Exámenes por tomografía de emisión de positrones (TEP) 555

Usos prácticos de algunos radioisótopos 556 La química en acción Fechado del manto de Turín 561 Fisión nuclear: dividir átomos 561 Centrales nucleoeléctricas 566 Una mirada cercana Desechos nucleares: ¿qué hacer con ellos? 568 18.11 Fusión nuclear 569 Una mirada cercana Energía nuclear 570 Resumen á l capítulo 571 Evalúa u comprensión 572 Términos dave 572 Problemas 573 Estudiantes en acción 575

19

Química orgánica 577 Propiedades generales de las sustancias orgánicas e inorgánicas 578 Alcanos: los hidrocarburos saturados 579 Uso de fórmulas estructurales 585 Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC 586 La química en acción Metano: un gas de efecto invernadero muy potente 590 Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados 592 La química en nuestro m undo Dos polietilenos 599 Hidrocarburos aromáticos 599 Alcoholes 602 La química en nuestro m undo Alcohol etílico 606 19.8 Fenoles 608 19.9 Éteres 608 19.10 Aldehídos y cetonas 609 19.11 Ácidos carboxílicos y ésteres 612 19.12 Aminas y amidas 615 Resumen á l capítulo 617 Evalúa u co mprensión 618 Términos dave 618 Problemas 618 Estudiantes en acción 622

20

B i o q u í m i c a 624 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5

Carbohidratos 625 Lípidos 631 La química en nuestro mundo Proyecto Mielina 634 Aminoácidos y proteínas 635 Ácidos nucleicos 640 La química en nuestro mundo Ingeniería genética 644 Algunas vitaminas y hormonas 645 Resumen á l capítulo 652 Evalúa u comprensión 652 Términos dave 652 Problemas 653 Estudiantes en acción 654

APÉNDICE

A

C o n v e r sio n e s e n tr e lo s s is te m a s m é tr ic o y a n g lo sa jó n y a lg u n a s c o n s ta n te s fís ic a s 656

APÉNDICE

B

O p e r a c io n e s a lg eb ra ica s b á sic a s 657

APÉNDICE

C

U so d e la n o ta c ió n e x p o n e n c ia l 6 6 0

APÉNDICE

D

U so d e fa c to r e s d e co n v e r sió n para re so lv e r p ro b le m a s 6 6 4

APÉNDICE

E

G losario 671

APÉNDICE

F

S o lu cio n es d e lo s ejercicio s y r e sp u esta s a lo s p ro b lem a s im p ares 684 C réd ito s d e fo to g ra fía s 718 Ín d ice 721

Prefacio

Para el profesor La amplia aceptación y el éxito de la cuarta edición de este texto han aportado el ímpetu para introducir refinamientos y modificaciones cuyo propósito es aumentar el atractivo y la eficacia de la obra. Un texto de éxito es, por definición, una obra en evolución. Debemos un especial agradecimiento a todos los usuarios y revisores que han aportado útiles sugerencias, gracias a las cuales esta nueva edición podrá cubrir las necesidades de la población estudiantil de hoy. Este texto ha sido preparado especialmente para los estudiantes que saben poco 0 nada de química. Está dirigido a la amplia diversidad de estudiantes que se están preparando para cursos posteriores de química y de otras ciencias. También es útil para quienes se preparan para seguir programas de enfermería, relacionados con la salud o técnicos, así como para alumnos de diversas disciplinas que toman el curso con fines de educación general. Si bien la química está por todas partes, y sin ella la vida no sería posible, los estudiantes no suelen manifestar emoción ni entusiasmo ante la perspectiva de apren­ der acerca de las sustancias y las reacciones químicas. Por el contrario, los jóvenes suelen acercarse al estudio de la química con apreciable recelo. Más aún, quienes se dedican a la enseñanza de esta materia en todos los niveles expresan una auténtica preocupación ante las limitadas bases científicas y destrezas matemáticas de mu­ chos estudiantes. Los jóvenes que se inician en el estudio de la química necesitan ayuda para: • • • • •

vencer sus temores, acercarse a la química con confianza, adquirir habilidades para resolver problemas y destrezas de razonamiento crítico, aplicar los principios de la química al resolver problemas, apreciar los emocionantes puntos de contacto con el mundo real y aplicaciones de la química y • comprender que la química es parte de la vida cotidiana. En esta quinta edición nos hemos propuesto alcanzar estas metas por medio de la combinación de estrategias de aprendizaje encaminadas a resolver los problemas comunes que los estudiantes suelen tener para comprender la química. Sólo si el alumno es competente podrá vencer el miedo y sentir confianza. A fin de ayudar a los estudiantes a alcanzar una comprensión profunda, este texto: 1 Se ocupa de sus actitudes desde u n principio. Antes del capítulo 1 se inserta una carta que se ocupa del recelo de los jóvenes y de las técnicas de estudio. La carta cita seis niveles de procesos mentales, describe diez principios del estudio productivo y propone pasos y acciones que conducen al éxito. Se recomiendan téc­ nicas de estudio específicas para ser aplicadas antes de las sesiones de clase, du­ rante ellas y antes de los exámenes. En vez de esperar que los estudiantes sepan automáticamente cómo abordar el estudio de la química, sugerimos y aportamos es­ trategias de aprendizaje satisfactorias.

I Llega a los estudiantes donde ellos se en cuentran. Cada capítulo se inicia con una introducción que relaciona los temas nuevos con aplicaciones comunes, y pro­ pone razones para aprender. A lo largo de cada capítulo se ha tenido cuidado de proveer una estructura de aprendizaje cimentada en explicaciones sencillas y exhaustivas, au­ nadas a notas al margen que apuntan hacia conexiones de aprendizaje, conexiones con el mundo real y conexiones médicas. Las conexiones de aprendizaje ayudan al alumno a relacionar los temas nuevos con términos, conceptos y problemas de secciones precedentes, y apuntan hacia temas posteriores donde el concepto será necesario o se abundará en él. De esta forma se atrae más de una vez la atención del estudiante hacia los puntos principales. La repetición intensifica la retención; las aplicaciones mejoran la comprensión. Hay conexiones por todas partes. Las notas al margen tienen títulos que enfocan la atención del estudiante en las Conexiones de aprendizaje, las Conexiones con el mundo real y las Conexiones médicas. Se utilizan recuadros cuando la aplicación o conexión se analiza con más detenimiento. Los alumnos aprenden conceptos nuevos estableciendo conexiones con conceptos y ejemplos conocidos. Para ello, frecuente­ mente se utilizan explicaciones en el texto relacionadas con sustancias comunes y analogías simples para que el estudiante considere detenidamente los conceptos nuevos. Véanse todas las notas al margen y la Fig. 11.4 (Preparación de empareda­ dos y reactivos limitantes), la Fig. 4.7 (Relacionar los metales y no metales con po­ siciones de la tabla periódica), la Fig. 4.27 (Conteo por pesaje), las Figs. 8.6 y 8.7 (Tendencias de electronegatividad: conceptos e iconos) y el recuadro Propiedades del azufre de la sección 2.5. Véanse también los iconos de tabla periódica de las Figs. 7.11, 7.12, 7.18, 7.19, 7.28 y otras. I Ayuda al estudiante a visualizar la quím ica. Para atraer la atención del estu­ diante, el material debe ser atrayente e interesante, pero además los materiales didácti­ cos deben facilitarle la visualización de los átomos, moléculas, estructuras moleculares y cambios químicos. Las ilustraciones son importantes. Asimismo, el color es parte sustancial de la química y de nuestra vida diaria, por lo que se usa en este texto como herramienta didáctica. Las tablas periódicas codificadas por color (Figs. 5.32, 5.33, 5.36 y la tabla periódica del interior de la cubierta) utilizan repetidamente el mismo esquema de colores para alentar al estudiante a establecer conexiones y, de esta ma­ nera, facilitar el aprendizaje. En todo el texto se utilizan extensamente fotografías y figuras de actualidad a cuatro colores para que el estudiante visualice mejor la quí­ mica. También se incluyen ventanas de aumento en las que se muestran los materia­ les en el nivel atómico y molecular al lado de la imagen macroscópica, a fin de que el estudiante piense más como químico, representándose mentalmente lo que ocu­ rre en el nivel molecular. Véase la Fig. 8.1 (Reacción de sodio con cloro), la Fig. 10.2 (Combustión de magnesio), la Fig. 10.22 (Precipitación), la Fig. 14.3 (Disolu­ ción de una sal) y la Fig. 14.16 (Ósmosis). I D estaca el aprendizaje p o r pasos pequeños. A partir del capítulo 2, cada sec­ ción de capítulo contiene uno o más ejemplos representativos resueltos que hacen un total de más de 250. En esta edición cada ejemplo va seguido de dos ejercicios, uno simple y el otro más complejo, con lo que en total se ofrecen más de 500 ejer­ cicios que sirven al estudiante como autoexámenes. En el apéndice F se dan las so­ luciones a los ejercicios. Los ejemplos y ejercicios proporcionan al estudiante un método estructurado para repasar los puntos principales de una sección antes de continuar con la siguiente. Estrategias de resolución de problemas, o “mapas concep­ tuales”, así como explicaciones paso a paso, complementan los ejercicios resueltos, los cuales sirven de modelo para resolver los problemas de final de capítulo, a los que se hace referencia en el margen al lado de los ejercicios.

Muchos de los 250 ejemplos resueltos se plantean en pasos pequeños. Los ejemplos de esta edición van seguidos de dos ejercicios, el ejercicio (a) es simple y el ejercicio (b), más complejo, cuyas respuestas se dan en el apéndice F. Véanse los ejemplos del 9.13 al 9.18, los ejercicios del 9.13 al 9.18 y los ejem­ plos del 11.2 al 1 1 .6 , junto con los ejercicios adjuntos del 11.2 al 11.6 y las figuras afines 11.1 y 1 1 .2 . I P ro p o rcio n a pares de problem as sim ilares. Más de 1950 problemas de final de capítulo en pares hermanados ofrecen abundantes oportunidades para “aprender haciendo”, que es el método de la ciencia. Se incluye un conjunto de problemas, or­ denados por tema y del más simple al más complejo. En el apéndice F se dan las respuestas a los problemas impares. La Guía de estudio y manual de soluciones para el alumno ofrece soluciones pormenorizadas completas a los problemas impa­ res. Los problemas impares y pares constituyen dos conjuntos de problemas de di­ ficultad equivalente; de este modo, el profesor que no desee que el alumno tenga acceso a las respuestas puede asignar los problemas pares. El Manual de soluciones para el profesor contiene soluciones completas de todos los problemas. I Pone de relieve el proceso de la ciencia. No basta con resolver problemas; es necesario entender los términos y conceptos. Con frecuencia se resuelven incorrec­ tamente los problemas sencillos cuando se confunden los principios fundamentales. Por otra parte, el estudiante se topa con el “proceso de la ciencia” cuando reflexiona detenidamente en los experimentos que dieron origen a los grandes descubrimien­ tos y que utilizan datos experimentales realistas para sustentar leyes científicas. Por ejemplo, el texto describe experimentos que condujeron a la ley de conservación de la masa y a sus aplicaciones actuales (Capítulo 2), a la teoría atómica de Dalton (Capítulo 4), y a descubrimientos que alteraron nuestros modelos de los átomos (Capí­ tulo 5), y experimentos que aportan información acerca de los enlaces químicos (Capítulo 8) y los gases (Capítulo 12). Siempre que es posible, se presentan resulta­ dos de experimentos antes de expresar una ley, a fin de crear un ambiente de aprendi­ zaje en el que se ha generado una “necesidad de saber”. Nos proponemos demostrar que la búsqueda de respuestas, en el pasado, en el presente y en el futuro, puede ser a la vez emocionante y estimulante. Para apoyar esta labor, el capítulo 8, Enlaces químicos, prensenta numerosas ilustraciones para mejorar el aprendizaje. Véanse la tabla 8.2, de la sección 8 .8 , y las Figs. 8.11, 8.15 y 8.18. Además se integran imágenes, junto con dibujos ilustra­ tivos, para facilitar al estudiante la visualización de conceptos importantes y difíci­ les en materia de equilibrio. Véanse las Figs. 15.3, 15.4, 15.6, 15.13, 15.14 y 15.15. I D a im p o rtan cia al lenguaje de la quím ica. Los términos y fórmulas químicas sirven para comunicar la química; es preciso comprenderlos para resolver problemas. Los términos clave aparecen en negritas en el texto donde se definen, y se incluyen en una lista al final del capítulo para su repaso. El capítulo 6 ofrece un tratamiento exhaustivo de la nomenclatura. Este capítulo “independiente” se puede exponer más pronto, más tarde, o en secciones pequeñas, a juicio del profesor. Se incluyen numerosos problemas de final de capítulo referentes a escritura de fórmulas y nomenclatura, a fin de brindar más flexibilidad. Las notas al margen proporcionan Conexiones de aprendizaje con referencias cruzadas para términos clave previamente definidos o analizados. Véanse las notas al margen de las seccio­ nes 14.1, 14.2, 14.4, 14.5 y 14.7. I Proporciona aplicaciones en el m undo real. Numerosos recuadros especiales, descripciones dentro del texto y notas al margen presentan aplicaciones, conexiones con el mundo real, ilustraciones con palabras e imágenes y puntos de relieve histórico referentes a prácticamente todos los principios que se estudian. Estos materiales ayudan al alumno a comprender que la química es parte de la vida diaria. Más aún,

el aprendizaje se facilita cuando los nuevos conocimientos se ligan y se relacionan con cosas ya conocidas. N U EV O : Ciertas secciones han sido sustituidas por contenidos de actualidad que muestran aplicaciones de la química. Véanse los recuadros: La química es parte central de nuestro estilo de vida, en la sección 1.1, ¿Dónde quedó la materia: magia 0 ciencia?, en la sección 2.7; Descubrimiento del darmstadtio, en la sección 4.1; ¿De qué están hechas las partículas subatómicas?, en la sección 5.4; Compuestos de alu­ minio, en la sección 6.10; El desarrollo y la caracterización del grafeno, en la sec­ ción 7.7; Reacciones fotoquímicas y destrucción de la capa de ozono, en la sección 8.8; ¿A quién le corresponde disminuir los gases de efecto invernadero?, en la sec­ ción 10.5; Tanques de gas para buceo profundo, en la sección 12.6; Congelación... ¿de qué y para qué?, en la sección 13.8; Límites de metales pesados en el agua, en la sección 14.7; La importancia de los catalizadores, en la sección 15.2; Acidez y la ca­ ries dental, en la sección 16.11; Oscurecimiento de la plata, en la sección 17.5; Dese­ chos nucleares: ¿qué hacer con ellos?, en la sección 18.10; Metano, un gas de efecto invernadero muy potente, en la sección 19.4 y Proyecto Mielina en la sección 20.2. 1 D estaca los aspectos fundam entales. Se ha puesto especial atención a la pro­ visión de descripciones claras y sencillas de temas que suelen confundir a los alumnos principiantes. Algunos ejemplos son (1) la formulación y uso de factores de conver­ sión para resolver problemas, ( 2) la elaboración de un plan o “mapa de conceptos” para resolver problemas, (3) el uso del número apropiado de dígitos significativos en las respuestas, (4) la escritura correcta de fórmulas y ecuaciones químicas y (5) el uso de la tabla periódica como herramienta para predecir propiedades y reacciones de sustancias químicas. Véanse las ilustraciones que favorecen el aprendizaje de los conceptos: Figs. 3.5, 3.13, 3.18, 4.27, 5.23, 8.11, 11.1, 11.4 y 11.5. I Ayuda al estudiante a evaluar su aprendizaje. Un recurso de autoevaluación denominado “Evalúa tu comprensión: repaso y autoevaluación” antecede a la lista de palabras clave y problemas de final de capítulo. Este recurso consiste en una breve lista, con referencias a las secciones del capítulo, que describe lo que el estudiante debe ser capaz de hacer para demostrar un conocimiento exhaustivo de los puntos principales del capítulo. Los ejemplos y ejercicios integrados al capítulo en cada sección, así como los problemas de final de capítulo también sirven como medios de autoevaluación. A fin de ofrecer más recursos de autoevaluación dentro del capítulo, los ejem­ plos van seguidos de dos ejercicios: el ejercicio (a), que es sencillo, y el ejercicio (b), de mayor complejidad. I Favorece el desarrollo de actividades experim entales y ex tracu rricu lares. Los contenidos del libro permiten acompañar a los estudiantes en la exploración del interesante mundo de la química, pero siempre habrá cuestionamientos adicionales que el estudiante desee comprobar o verificar por cuenta propia y es importante que desarrolle la capacidad para responder a retos intelectuales. Las actividades experi­ mentales y de aplicación tienen un papel fundamental en ese sentido, es por ello que en la presente edición se han integrado una sección especial con este objetivo. N U EV O : E studiantes en acción. Esta sección integra actividades para experi­ mentar en un laboratorio convencional de ciencias aplicando el método científico, así como actividades extracurriculares no experimentales que pondrán a prueba las habilidades adquiridas. Algunas actividades prácticas pueden llevarse a cabo con materiales conven­ cionales de laboratorio o en su caso elaborados por los propios estudiantes, implementando recursos comunes auxiliares.

En estas experiencias se reforzarán habilidades como el manejo de materiales de laboratorio y se aprenderán procesos necesarios para la síntesis y purificación de compuestos químicos tal y como se hace en laboratorios industriales. De esta ma­ nera, se favorece el acercamiento con el mundo real. Las experiencias de Estudiantes en acción están diseñadas para favorecer la consecución de los objetivos del capítulo. Permiten verificar la interrelación de los conceptos teóricos con la práctica, consolidar lo aprendido o simplemente ir más allá de los conceptos, con investigaciones complementarias que enriquecerán la for­ mación y le darán al estudiante la posibilidad de reflexionar con lo que sucede en su entorno. En todas ellas tendrá una oportunidad para sorprenderse con el fascinante mundo de la química.

Suplementos Para el estudiante

C om panion W ebsite (sitio com plem entario) p a ra F undam entos de Q uím ica, q u in ta edición, en w w w .pearsoneducacion.net/burns. Este innovador centro de recursos en línea ha sido proyectado específicamente para apoyar y reforzar el texto de Burns. El Website ofrece lo siguiente:galería de imágenes descriptivas y simula­ ciones de actividades experimentales. Además, se han agregado problemas multiconceptuales difíciles, así como un conjunto de problemas adicionales. Para el profesor

CD ROM con recursos para el profesor, que contiene videos, animaciones, presen­ taciones en Power Point y generador de exámenes (Test Gen).

Agradecimientos Mi gratitud para numerosas personas de Prentice Hall, en especial para mi editora, Kent Porter Hamann, de quien he recibido más ayuda y apoyo. Siempre ha estado disponible para hacer sugerencias, responder preguntas y brindar un sólido lide­ razgo. Agradezco especialmente a Kristen Kaiser, gerente de proyecto, por supervi­ sar la publicación de los suplementos; a Maureen Eide, directora de arte; Connie Long, coordinadora de proyecto; Paul Draper, editor de medios; Steve Sartori, ge­ rente de mercadotecnia; y Beth Sturla, asistente del editor en jefe. Agradezco asimismo a Suzanne Saum por su tedioso trabajo con el manual de soluciones, y a David Shaw por sus importantes aportaciones como revisor de exactitud. Tengo mucho que agradecer a las personas siguientes, quienes revisaron partes del manuscrito para las primeras tres ediciones, e hicieron útiles aportaciones y suge­ rencias. Estos profesores y las instituciones a las que pertenecen son los siguientes: Edward Alexander, San Diego Mesa College; Melvin Anderson, Lake Superior State University; Oren P. Anderson, Colorado State University; Paul Anderson, North­ western M ichigan College; Caroline L. Ayers, East Carolina University; David W. Ball, Cleveland State University; Jay Bardole, Vincennes University; Shay Bean, Southwestern Illinois College; David Blackman, University of the District of Columbia; Doug Campbell, Eastern Oregon University; Armando L. Cruz-Rods, Oklahoma State University, Oklahoma City; Sara M. Deyo, Indiana University-Kokomo; David Dozark, Kirkwood Community College; Jerry Driscoll, University of Utah; Evelyn S. Enerich, The State University of New Jersey-Rutgers; Steve Gentemann, Southwestern Illinois College; John B. Grutzner, Purdue University; James Hardcastle, Texas W oman’s University; Richard Hartung, University of Nebraska-

Kearney; Victor Heasley, Point Loma Nazarene College; Willian Jensen, University of Cincinnati; James Johnson, Sinclair Community College; Joanna Kirvaitis, Moraine Valley Community College; Gerald Kokoszka, State University of New YorkPlattsburgh; Doris K. Kolb, Bradley University; Robert Kowerski, San Mateo Community College; George F. Kraus, Charles County Community College; Roger Lloyd, University of Memphis; Brian McBurnett, California State University, Chi­ co; George G. Lowry; Western Michigan University; Katherine W. McLean, Phoenix College; Wendell H. Morgan, Hutchinson Community College; Joanna Petridou-Fischer, Spokane Falls Community College; Fred Redmore, Highland Community College; Jorge Salinas, Miame Dade Community College; Sue Saum, Lindenwood College; William D. Schulz, Eastern Kentucky University; David B. Shaw, Madison Area Technical College; Mike Sheets, Texarkana College; Donald Showalter, University of Wisconsin-Stevens Point; Trudie Jo Wagner, Vincennes Uni­ versity; Danny V. White, American River College; Linda Wilkes, University of SouthernC olorado. Por último, deseo agradecer a mis alumnos del St. Louis Community CollegeMeramec, quienes me apoyaron con entusiasmo, señalaron errores y me ayudaron a identificar campos que requerían una explicación más amplia que en la edición anterior. Gracias también a mis colegas Michael Hauser, Gee Krishnan, Andrew Langrehr, John Munch y L. Gray Rueppel del St. Louis Community College-Meramec, y Pauline Bellavance del Fontbonne College, que aportaron retroalimentación ys ugerenciass obred iversasi deasy a spectos. Enseñar a los estudiantes y verlos madurar en su conocimiento de la química durante el curso de un semestre es un auténtico gozo. Les deseo lo mejor a ellos y a todos los que utilizan este texto. Los comentarios, correcciones y sugerencias de los usuariosd ee stet extos eráns iempreb ienvenidos. R.A.B.

Agradecimiento especial Por sus valiosos comentarios que han servido para enriquecer el desarrollo de esta nueva edición. Carlos Capunay Instituto Episcopal San Cristóbal, Panamá Esteban Durán Herrera Universidad de Costa Rica Jenncy Carazo Mesen Universidad Latina. San José, Costa Rica Máximo Juan Lau La Riva Universidad Latina. San José, Costa Rica

Guía para el uso del texto La quinta edición de Fundam entos de Química llega a los estudiantes donde ellos se encuentran. Se han incorporado recursos para facilitar a los jóvenes la comprensión de las explicaciones paso a paso que son parte de sólidas estrategias para resolver problemas, para mostrar las aplicaciones y conexiones de la química con el mundo real, para ayudarles a visualizar los átomos, moléculas, estructuras moleculares y cambios químicos y para llevar a cabo actividades experimentales.

I Resolución de problemas C á lc u lo s d e r e a c tiv o lim ita n te

Muchos de los 250 ejemplos resueltos hacer hincapié er el proceso de

1. Calcula en todos los casos la cantidad de producto que se forma (en moles o gramos)c onb asee nl ac antidadc onocidad ec adar eactivo. 2. Identifica el reactivo limitante. Es el reactivo que forma la menor cantidad de pro­ ducto. 3. La cantidad de producto que se puede formar durante la reacción es la que forma el reactivol imitante.

aprendizaje por pasos pequeños. Los ejemplos

Ahora que ya comprendes los conceptos que permiten resolver problemas con reactivos limitantes, efectúa los cálculos que se muestran en el ejemplo 1 1 .6 .

ofrecen al estudiante un método estructurado para

EJEMPLO 11.6

repasar los puntos

Si se colocan 55.0 g de nitrógeno gaseoso en un recipiente de reacción junto con 55.0 g de hidrógeno gaseoso, determina cuál sustancia es el reactivo limitante y cuántos gramosd ea moniacog aseosop uedep roducire star eacción.

principales de una sección

Cálculos de reactivo limitante

antes de continuar con la N 2 (g) + 3 H 2 (g)---- > 2 NH 3 (g)

sección siguiente.

SO LU CIÓ N La información proporcionada te permite saber que se trata de un proble-

Los ejemplos van seguidos

mad er eactivol imitante. ■ PASO 1 Con base en las cantidades indicadas en el problema, calcula cuántos gra­ mos de producto se forman a partir de cada reactivo.

de dos ejercicios: el ejercicio (a) es sencillo; el ejercicio (b) es más complejo con el propósito de alentar al estudiante a aplicar sus conocimientos y resolver un problema más difícil. El

1 mol N,

^

X

2m olN H .

X

17.0 g NH.

Con el N2:

55.QgN2 X ^

= 66.8 g NH3

Con el N,;

1 meHt, 2 jneHffL 17.0 g NH, 55.0 g Hj X 2.02 g X 3 mol H2 X lm olNH 3 = 309S NH!

■ PASO 2 La menor cantidad de producto se forma con la cantidad de nitrógeno in­ dicada^ ort anto, el N 2 ese lr eactivol imitante. ■ PASO 3 La cantidad de producto que se forma es la menor cantidad de gramos calculadae ne lp aso 6 6 . 8 g de NH 3 . (respuesta)

estudiante dispone de más de 500 ejercicios en total para autoevaluar su aprendizaje. En el apéndice F se dan las respuestas a los

EJERCICIO 11.6 Repite los cálculos descritos en el ejemplo 11.6, pero esta vez considera 55.0 g de nitrógenog aseosoy 1 0 .0 g d eh idrógenog aseosop arae stablecer (a) cuántosg ramosd ea moniacos ep uedenp roducir. (b) ¿Cuáls ustanciae se lr eactivol imitante ?¿ Cuále stáe ne xceso?

ejercicios tanto (a) como (b). P á g in a 323

▼ Reflexiona ▼ detenidam en te ▼ paso a paso

I Problemas de final de capítulo Los problemas de final de capítulo en pares

P roblem as 12.11

Teoría cinética molecular (TCM) 12.1

12.2

Los gases carecen de forma o volumen definido; se ex­ panden hasta llenar el recipiente que los contiene. Explica esta propiedad física en términos de la teoría cinética molecular (TCM).

12.12 12.13

Los gases son compresibles, su densidad es pequeña y se difunden (mezclan). Explica estas propiedades físi­ cas en términos de la teoría cinética m olecular (TCM).

12.3

Con base en la TCM , explica por qué aumenta la pre­ sión de un gas cuando su volumen se reduce a tempe­ ratura constante.

12.4

Con base en la TCM, explica por qué las partículas de helio y de nitrógeno tienen la misma energía cinética cuando se hallan en estado gaseoso en tanques y en las mismas condiciones de presión, volumen y temperatura.

12.14

hermanados ofrecen

Con base en la TCM, explica por qué se puede perci­ bir el aroma característico del café en una habitación distinta de aquélla donde se está preparando. Con base en la TCM, explica por qué dormir en un col­ chón de aire es m ás cómodo que dormir en el suelo. Con base en la TCM, explica por qué se puede introdu­ cir aún m ás aire en un neumático de automóvil que ya parece tener toda la presión necesaria. Con base en la TCM , explica por qué las burbujas de gas del agua en ebullición se agrandan al acercarse a la superficie. ¿Por qué suben las burbujas a la superficie?

abundantes oportunidades para "aprender haciendo”, que es el método de la ciencia. El conjunto de P ro b le m a s está ordenado por temas,

Atmósfera y presión atmosférica 12.15

12.5

De acuerdo con la TCM, ¿cómo cambia la temperatura cuando la velocidad media de las partículas disminuye?

12.16

12.6

De acuerdo con la TCM, ¿cómo cambia la presión cuan­ do las partículas de u n gas golpean con menos frecuen­ cia las paredes de un recipiente?

12.17

12.7

Un tanque de he tio y un tanque de crip tón tienen la misma presión, volumen y temperatura. Compara (sin emplear números) la energía cinética, masa, rapidez de movimiento y número de partículas de cada tanque. Explica tu razonamiento.

12.19 12.20

12.8

El tanque A tiene un votumen de 10. L y contiene 800. g de O 2. El tanque B tiene un volumen de 5.0 L y contiene 400. g de O 2. Tomando la TCM como base de juicio, compara la presión de los dos tanques (a

12.18

12.21

del más simple al más

¿A qué nos referimos cuando hablamos de la atmósfera de la Tierra? M enciona los cuatro gases principales presentes en nuestra atmósfera. Define los términos presión y presión atmosférica.

complejo.

¿Por qué la presión atmosférica es mayor al nivel del m ar que a grandes altitudes? ¿Cómo funciona un baróm etro de mercurio? ¿Por qué no se escurre todo el mercurio fuera de un baróm etro de mercurio? Efectúa las conversiones de presión de gas que siguen. a. 1.00 atm = ? torr b. 912 torr = ? atm c. 0.500 atm = ? m m Hg

________ d. 1200 lb/pulg2 = ? atm_____________

P á g in a 3 7 0

I Estudiantes en acción La sección Estu d ia n te s
ición

4p

% % % CD

5s

4d

5p

6s

5d

6p

7s

6d

7p

O) o ce

X

f 4f

Elementos detrcinsici Snirrfesrnos

— ► 5f

E l supraíndice (1 en este caso) colocado delante de la designación del subnivel indi­ ca el núm ero de electrones presentes en el subnivel. D e m odo análogo, los dos electrones de un átom o de helio pueden estar am bos en el subnivel 1s; la estructura electrónica del helio es 1s2. C onform e se presenten las configuraciones de diversos elem entos, procura tener en m ente su posición en la tabla periódica. E l litio tiene tres electrones: dos en el prim er nivel de energía y un tercer electrón que debe estar en el subnivel s d el segundo nivel de energía. L a configuración electróni­ ca del L i es 1s22 s1. E n el caso del ion litio, L i+, sim plem ente quita el único electrón de v alencia 2s y escribe 1s2. E l berilio tiene cuatro electrones; su configuración electróni­ ca es 1s22s2. E l boro tiene cinco electrones: dos en el subnivel 1s, dos en el subnivel 2s y uno en el subnivel 2p. L a configuración electrónica del boro es 1s22 s22 p 1. L os tres electrones del segundo nivel de energía del boro — los subniveles 2s y 2p— son electron esd ev alencia. E l subnivel 2p, con tres orbitales p , puede contener com o m áxim o seis electrones (dos por orbital). L as configuraciones electrónicas del boro, carbono, nitrógeno, o x íg e­ no, flúor y neón exigen que el subnivel 2p esté ocupado p o r de uno a seis electrones, respectivam ente. E n el caso del neón, el subnivel 2p y, p o r tanto, el segundo nivel de energía, está lleno en su totalidad. L a configuración electrónica del neón es 1s22s22p6. L as configuraciones electrónicas de todos los elem entos de un a colum na determ inada de la tabla periódica se ajustan a un patrón, com o se resum e en la Fig. 5.35. E n la tabla 5.5s em uestranl asc onfiguracionese lectrónicasd el osp rim eros2 0e lem entos. U na configuración electrónica perm ite m ostrar de form a concisa el núm ero de electrones que hay en cada subnivel de un átom o, pero un d ia g ra m a d e o rb ita le s sirve p ara representar la distribución de los electrones dentro de los orbitales. E n la tabla 5.5 se m uestran los diagram as de orbitales de los prim eros 20 elem entos, al lado de las co n ­ figuraciones electrónicas respectivas. E n esta tabla se em plean círculos p ara representar orbitales: un círculo solo representa un orbital s, y tres círculos representan los tres orb i ta les p . U na sola flecha dentro del círculo representa un solo electrón; dos flechas que apuntan en sentidos opuestos representan un p ar de electrones con espines opuestos. L os dos m étodos siguientes para m ostrar un orbital con un p ar de electrones se pueden em pleari ndistintam ente.

Figura 5.35 Configuraciones electrónicasy l at ablap eriódica.

Tabla 5.5 Configuraciones electrónicas y diagramas de orbitales de los átomos de los primeros 20 elem entos

Nombre

Número atómico

Configuración electrónica

Dia gra ma d e or bi ta les

PERIODO 1

s

p

Hidrógeno

1

1s'

©

Helio

2

1s2

(D

Litio

3

1s22s^

[He] O

Berilio

4

1s22s2

[He]

Boro

5

1s22s22p'

[He]

© o o

Carbono

6

1s22s22p2

[He]

© © o

Nitrógeno

7

1s22s22pi

[He]

© © ©

Oxígeno

8

1s22s22pA

© © ©

Flúor

9

1s22s22p5

[He] [He]

Neón

10

1s22s22p6

[He]

PERIODO2

® ® © © ® ®

PERIODO3 So dio

11

1s22s22p63s'

[Ne] O

Magnesio

12

1s22s22p63s2

[Ne]

Aluminio

13

1s22s22p63s23p1

[Ne]

© o o

Silicio

14

1s22s22p63s23p2

[Ne]

© © o

Fósforo

15

1s22s22p63s23p3

[Ne]

© © ©

Azufre

16

1s22s22p 63s23p 4

[Ne]

® © ©

Clo ro

17

1s22s22p 63s23p 5

[Ne]

Argón

18

1s22s22p 63s23p 5

[Ne]

Po ta sio

19

1s22s22p 63s23p 64s1

[Ar]

Calcio

20

1s22s22p63s23p64s1

[Ar]

® ® © ® ® ®

PERIODO4

Siem pre que un átom o tenga electrones p , será necesario representar un subnivel p com pleto, con tres orbitales (representados por tres círculos o líneas), incluso cuando al­ gunos de los orbitales p no estén ocupados. Para que dos electrones ocupen un m ism o or­ bital deben tener espines opuestos, lo cual se representa m ediante un par de flechas que apuntan en sentidos opuestos. L os electrones no se aparean en un orbital hasta que todos los orbitales de ese subnivel tienen cada uno un electrón. E sto se conoce com o la reg la de H u n d . Los electrones no apareados tienen espines iguales (paralelos). Por ejem plo, un átom o de nitrógeno en estado basal tiene tres electrones en el subnivel 2p que perm anecen sin aparearse, com o lo predice la regla de Hund. 2p O

O

2p O

o

1 1 1

Figura 5.36 Diagramasd en ivelesd ee nergíae lectrónicos.L ose lectroneso cupanp rimerol os orbitalesd em enore nergía,e ne lo rdenq ues ee specifica.O bservaq uel oss ubnivelesm ása ltos están más próximos unos de otros en términos de energía que los subniveles más bajos. L a Fig. 5.36 m uestra los diagram as de niveles de energía correspondientes al orden de incorporación de los electrones en los orbitales atóm icos. L os orbitales de la parte in ­ ferior de los diagram as son los de m enor energía y se llenan antes que los orbitales de m ayor energía, com o se indica. L a diferencia de energía entre subniveles dism inuye progresivam ente a m edida que los electrones ocupan orbitales de m ayor energía. E l o r­ den de ocupación de los subniveles por los electrones obedece la regla de Hund. C on el fin de reducir el espacio necesario p ara escribir las configuraciones electró­ nicas y diagram as de orbitales de los elem entos con m uchos electrones, se suele em ­ p lear una notación abreviada. P ara utilizarla, localiza el elem ento especificado en la tabla periódica y escribe el sím bolo del gas noble inm ediato anterior entre corchetes, p ara luego escribir sólo la configuración electrónica de los electrones externos restantes.P or ejem plo,l ac onfiguracióne lectrónicad els odios er educea [ N e]3 s1. EJEM PLO 5.10

Configuraciones electrónicas y diagramas d e orbitales

E scribe las configuraciones electrónicas y diagram as de orbitales del átom o de nitróge­ no, N, y del ion nitruro, N 3 -, suponiendo que los electrones se hallan en su estado basal. SOLUCIÓN U n átom o de nitrógeno tiene siete electrones, dos de los cuates ocupan el subnivel 1s, dos m ás, el subnivel 2s, y los tres electrones restantes están en el subnivel 2p.

E n el diagram a de orbitales, los electrones del subnivel 2p se m uestran en orbitales sepa­ rados. E sto concuerda con la regla de Hund. E l ion nitruro, N 3 , se form a cuando un áto­ m o de nitrógeno captura 3 electrones para llenar el subnivel 2p. C onfiguracióne lectrónica

D iagram ad eo rbitales 2s

2p

Á tom od en itrógeno

1s22 s22 p 3

[He] O

O

O

O

Ionn itruro

1s22s22p6

[He] O

O

O

O

EJER CIC IO 5.10

(a) E scribe la configuración electrónica y el diagram a de orbitales del átom o de oxígeno,s uponiendoq uel ose lectroness eh allane ns ue stadob asal. (b) E scribe la configuración electrónica y el diagram a de orbitales del ion óxido, O 2 , suponiendoq uel ose lectroness eh allane ns ue stadob asal. Puedes seguir construyendo configuraciones electrónicas m ediante un pro cedi­ m iento sencillo. Prim ero, busca en la tabla p eriódica el núm ero atóm ico del elem ento; luego, coloca ese núm ero de electrones en los subniveles de energía m ás bajos posibles. Ten presente que el núm ero m áxim o de electrones en un subnivel s es de dos, y el núm erom áxim od ee lectronese nu ns ubnivel p es de seis. EJEM PLO 5.11

Configuraciones electrónicas y diagramas d e orbitales

E scribe las configuraciones electrónicas y diagram as de orbitales del átom o de cloro, Cl, y del ion cloruro, C l“ , suponiendo que los electrones se hallan en su estado basal. SOLUCIÓN L os átom os de cloro tienen 17 electrones, com o lo indica la tabla periódica, con 5 electrones en el subnivel 3p. E l átom o g an a un electrón p ara form ar el ion clo ru ­ ro, C l ,c uyos ubnivel3 p estát otalm entel leno. C onfiguracióne lectrónica

D iagram ad eo rbitales 3s

Á tom od ec loro 1s22s22p63s23p5

[Ne]

Io n c lo ru ro

[Ne]

1s22s22p63s23p6

t

3p t

^

1'

O OOO

A dvierte que la sum a de los supraíndices de la configuración electrónica del átom o de cloro es de 17, igual al núm ero atóm ico. E l ion tiene un electrón adicional. Véanse los problemas 5.69-5.72.

EJER CIC IO 5.11

(a) E scribe la configuración electrónica y el diagram a de orbitales del átom o de azu­ fre, suponiendo que los electrones se hallan en su estado basal. (b) E scribe la configuración electrónica y el diagram a de orbitales del ion sulfuro, S2 , suponiendo que los electrones se hallan en su estado basal.

E l tercer periodo de la tabla periódica term ina con el gas noble argón, que tiene ocho electrones en su segundo nivel de energía y ocho m ás en su tercer nivel, para dar lac onfiguracióne lectrónicas iguiente:1 s22s22p63s23p6. C abría esperar que el potasio, K, con 19 electrones, tuviese la configuración del ar­ gón m ás el 19o. electrón en el subnivel 3d. N o es así. E n cambio, la configuración electró­ nica del potasio es 1s22s22p63s23p64 s 1. E l subnivel 4 s se llena antes que el subnivel 3d com ience a ocuparse. O bserva la posición del potasio en la tabla periódica, al principio

del cuarto periodo, en una colum na con un electrón 4s externo. E l calcio, con 20 electro­ nes, tiene dos electrones 4s; su estructura electrónica abreviada es [Ar]4s2. E l tercer subnivel se com ienza a llenar con el escandio, el elem ento núm ero 21, [Ar]4s23d1. E l escandio es el prim er elem ento de transición. O bserva su posición en el bloque d de elem entos, en el centro de la tabla periódica. N o olvides que un subnivel d que se está llenando siem pre tiene un núm ero de nivel de energía inferior en una unidad al nú­ m ero del subnivel s que lo antecede. Por ejemplo, el 3d viene después del 4s, y el subnivel 4 d se llena después que el 5s . D e acuerdo con la regla de Hund, es de esperar que los elec­ trones 3d de los m etales de transición perm anezcan sin aparear hasta que el subnivel esté lleno a la mitad. E n realidad hay un par de excepciones al orden previsto de llenado de un subnivel d, pero no las presentarem os aquí. Existen aún m ás excepciones al orden previs­ to de ocupación de los subniveles f . N o presentarem os las configuraciones electrónicas y diagram as de orbitales m ás com plejos de estos elem entos de transición interna.

Resumen del capítulo Las investigaciones con tubos de Crookes condujeron al descubrimiento del protón y del electrón. Thomson midió la razón de carga a masa de los electrones, y cuando M illikan mi­ dió la carga de un electrón, fue posible entonces calcular la masa del electrón. Rutherford propuso un modelo del átomo con un núcleo denso para explicar la dispersión de las partícu­ las alfa. Tiempo después, Chadwick descubrió que un átomo puede tener uno o más neutro­ nes, cada uno con una masa de 1 uma. Niels Bohr explicó los espectros de líneas de los átomos excitados deduciendo que los electrones están en niveles de energía específicos. Los trabajos sobre mecánica cuántica de Planck, Einstein y de Broglie indicaron que los electrones debían tener propiedades semejan­ tes a las de las ondas. Pauli explicó que los electrones parecen tener espín, pero el principio de incertidumbre de Heisenberg señala que no es posible establecer la trayectoria precisa de un electrón. La ecuación de onda de Schrodinger hizo posible calcular regiones de alta densi­ dad electrónica que corresponden a los orbitales s, p, d y f. La luz blanca, que se puede separar en muchas frecuencias, es tan sólo una de las formas de radiación electromagnética. Otras formas de radiación electromagnética son los rayos X, la radiación UV, la IR, las microondas y diversas frecuencias de radio. La energía y la frecuen­ cia de la radiación electromagnética aumentan a medida que la longitud de onda disminuye. El color (frecuencia) de la luz que los átomos excitados emiten es una propiedad característica. Los espectros permiten identificar los tipos de átomos presentes. Se produce una ionización cuando se arranca uno o más electrones a un átomo, dejando atrás una partícula con carga lla­ mada ion. Los diagramas de Bohr muestran el número de electrones presentes en cada nivel de energía, pero los electrones más importantes — los electrones de valencia— se muestran con claridad en los símbolos de Lewis de puntos. Un nivel de energía n tiene n subniveles. Los subniveles de energía, que se designan co­ mo s, p, d y f, tienen 1, 3, 5 y 7 orbitales, respectivamente. Cada orbital puede contener dos electrones como máximo, los cuales deben tener espines opuestos. Los electrones ocupan primero los orbitales de menor energía, como se muestra en las figuras 5.33 y 5.34. Las con­ figuraciones electrónicas y los diagramas de orbitales permiten especificar la distribución de los electrones en los subniveles de los átomos. La posición de los elementos en la tabla periódica permite predecir la configuración electrónica de átomos y iones. Los elementos representativos tienen electrones de valencia s y p, pero en los elementos de transición los electrones de mayor energía ocupan orbitales de subniveles d. En los elementos de transición interna se ocupan los orbitales de los subnive­ les f, como se muestra en la Fig. 5.35. Una vez comprendida la estructura electrónica general de los átomos y iones, podremos aprender a escribir fórmulas químicas y entender los enlaces y lasreacciones químicas. Estost emass ep resentaráne nc apítuloss ubsiguientes.

E v a lú a tu c o m p re n s ió n : r e p a s o y a u to e v a lu a c ió n 1. Describe los principales descubrimientos que revelaron información acerca de los átomos.[ 5.1] 2. Compara los modelos del átomo de Rutherford y de Bohr. [5.1, 5.4] 3. Explical osa delantosp rincipalesq uec ondujerona n uestrom odelod elá tomo.[ 5.5] 4. Explica cómo fue que los rayos X y el descubrimiento de la radiactividad permitieron obteneri nformacióni mportantea cercad el osá tomos.[ 5.1] 5. Com para la frecuencia, la longitud de onda y la energía de la radiación electromagnéti ca. [ 5.2] 6. Cital ost iposd er adiacióne lectromagnéticay s use nergíasr elativas. 7. Define la ionización y cita un ejemplo de ella. [5.4] 8. Dibuja los diagramas de Bohr de los primeros 20 elementos. [5.4] 9. Dibujal oss ímbolos deL ewisd el ose lementosr epresentativos.[ 5.7] 10. Escribe configuraciones electrónicas y diagramas de orbitales de átomos y iones. [5.8, 5.10] 11. Compara la frecuencia, la longitud de onda y la energía de la radiación electromagnéti ca. [ 5.2] T é rm in o s c la v e ánodo [5.1] cátodo[ 5.1] configuracióne lectrónica [5.10] cuan tos [ 5.3] diagramad eo rbitales[ 5.10] electronesd ev alencia[ 5.4] elementosd et ransición[ 5.9] elementosr epresentativos [5.9] energíad ei onización[ 5.4] espectro continuo[ 5.2] espectro del íneas[ 5.3]

espectrov isible[ 5.2] espectroscopio[ 5.3] estadob asal[ 5.4] estadoe xcitado[ 5.4] fluores cen cia [ 5.2] fo tones [ 5.3] frecuencia[ 5.2] ion [5.4] ionización[ 5.4] longitudd e onda[ 5.2] metalesa lcalinos[ 5.7] metalesa lcalinotérreos[ 5.7] mi croon das [ 5.2]

nivel de energía [5.4] niveld ee nergíap rincipal [5.6] orbital[ 5.5,5 .8] principiod ee xclusiónd e Pau li [ 5.8] principiod ei ncertidumbre [5.5] radar[ 5.2] radiacióne lectromagnética [5.2] radiacióni nfrarroja[ 5.2] radiaciónu ltravioleta[ 5.2]

radiactividad[ 5.1] rayoc atódico[ 5.1] rayosa lfa[ 5.1] rayosb eta[ 5.1] rayosg amma[ 5.1] rayos X [5.1] regla de Hund [5.10] símbolod eL ewisd ep untos [5.7] simetríae sférica[ 5.6] subcapa[ 5.5,5 .8] sub nivel [ 5.5, 5.8 ] teoríac uántica[ 5.3]

P ro b le m a s D escubrim iento del ae structuraa tómica

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

5.6 5.7

5.8

¿Cómo aplicó Mendeleev la información obtenida por Dulongy P etit? ¿Qué tenía Berzelius en común con Dulong y Petit? ¿Qué se observó al conectar un tubo de Crookes al va­ cío a una fuente de corriente directa? ¿Qué se observó al colocar un imán en posición perpendicularr espectoa lt ubod eC rookes? ¿Qué dispositivo moderno está estrechamente relacio­ nado en cuanto a forma y funcionamiento con el tubo de C roo kes? ¿Qué apariencia tenían los rayos catódicos en un tubo de Crookes, y cuál es la carga eléctrica de estos rayos? ¿Quién estableció la razón e/m del electrón? ¿Qué sig­ nifica el término “razón e/m”? ¿Por qué fue importante sud eterminación? ¿Qué relación hay entre los experimentos de Thomson y unc inescopiom odernod et elevisor?

5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17

Describe el modelo de “pudín de pasas” del átomo de Thomson.¿ Porq uée rai ncorrecto? ¿Cómo modificó Goldstein el tubo de Crookes? ¿Qué hechos nuevos aprendió de ello? ¿Quéi nformaciónn uevao btuvoR obertM illikan? Describee la paratoy e le xperimentod eM illikan. ¿Qué rayos nuevos descubrió Roentgen al utilizar un tu­ bo de Crookes? ¿Qué descubrió Becquerel? ¿Por qué los Curie se hicierona creedoresa p remiosN obel? Describe las diferencias entre los rayos alfa, beta y gam ma. ¿Por qué la mayor parte de los rayos alfa atraviesan una láminad elgadad eo ro? Cita tres observaciones realizadas por M arsden en el experimento de la laminilla de oro de Rutherford. Des­ cribe tres conclusiones de este experimento y el importantem odelod elá tomoq ues ef ormulóe ntonces.

5.18

Describe la constitución del átomo suponiendo que es delt amañod elS uperdomo.

5.39 5.40

El espectro electrom agnético

5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26

5.27 5.28 5.29 5.30 5.31

5.32

Menciona tres o más formas de radiación electromag­ nética, en orden, de menor frecuencia que la luz visible. Menciona tres formas de radiación electromagnética, en orden, de mayor frecuencia que la luz visible. Menciona los colores de la luz visible, comenzando por el color de más alta frecuencia. Describe la relación matemática entre la longitud de on­ da y la frecuencia, y define los símbolos que se utilizan. ¿A qué forma de radiación se le suele llamar “luz negra”? ¿A qué se debe que algunos objetos presenten fluores­ cencia? Además de las microondas, ¿qué otra forma de radiación puede tener una longitud de onda de cerca de 1 cm? ¿Qué forma de radiación electromagnética puede tener la frecuencia idónea para producir vibraciones molecu­ lares? Sugerencia:E xaminal af igura5 .15. Dispón estas radiaciones en orden de mayor a menor frecuencia: l uzv isible,U V,r adiod eo ndac orta. ¿Cuál luz tiene longitud de onda más larga: la luz ama­ rilla o la luz roja? ¿Qué forma de radiación puede tener una longitud de onda de 3000 nm? ¿Qué forma de radiación puede tener una longitud de onda de 90 cm? Cierto teléfono inalámbrico funciona con una frecuen­ cia de 900 M Hz (9.00 X 108 Hz). ¿Es ésta una longitud de onda corta, mediana o larga de la parte del espectro electromagnéticoc orrespondientea TV/FM? La banda X de los detectores de radar automovilísticos tiene una frecuencia de 10.50 a 10.55 GHz (1.050 a 1.055 X 1010 Hz). ¿Es ésta una longitud de onda corta, mediana o larga de la parte del espectro electromagné­ ticoc orrespondientea lr adar?

Los electrones en los átom os

5.41

Describe las diferencias entre un átomo en su “estado basal”y e nu n“ estadoe xcitado”.

5.42

¿Cómo explicó Niels Bohr el espectro de líneas del átomod eh idrógeno?

5.43

Cita cuatro formas de excitar los electrones de los átomos.

5.44

Define los términos (a) ion, (b) ionización, (c) energía de i o ni za ción.

5.45

Cuando un átomo emite luz, ¿qué cambio se ha producidod entrod elá tomo?

5.46

Cuando un electrón de un átomo absorbe un fotón, o cuanto de energía, ¿qué le ocurre al electrón?

5.47

¿Cuál es el número máximo posible de electrones en los niveles de energía primero, segundo, tercer y cuarto de los átomos? ¿Cuál es el nivel de energía de un átomo que se llena siempre primero? Dibuja diagramas de Bohr e indica el número de electro­ nes de valencia de los átomos de los elementos siguientes. a. mag ne sio b. cal cio c. ni tró ge no d. azu fre e. flúor Dibuja diagramas de Bohr e indica el número de electro­ nes de valencia de los átomos de los elementos siguientes. a. potasio b. aluminio c. carbono d. oxígeno e. cloro Dibuja diagramas de Bohr de los iones siguientes y explicae nq uéd ifierend el osá tomosc orrespondientes. a. ionp otasio,K + b. ionc loruro,C l— Dibuja diagramas de Bohr de los iones siguientes y explicae nq uéd ifierend el osá tomosc orrespondientes. a. ion calcio, Ca2+ b. ions ulfuro,S 2— Con base en el concepto de Bohr de electrones en los átomos, explica por qué los electrones excitados se comportan más como si subieran los escalones de una escaleraq uec omos is ubieranu nac olina.

5.48 5.49

5.50

5.51

5.52

5.53 Elec tro nes e xcitado s y espec tros

5.33 5.34

5.35

5.36

5.37

5.38

Explica el enunciado siguiente: “Cada elemento tiene un espectrod el íneasd iferente.” ¿Qué tipos de espectro producen el Sol y la luz azulosa de las lámparas de mercurio que suelen hallarse en los grandesl otesd ee stacionamiento? ¿A la presencia de qué elemento se debe la flama ama­ rilla dorada de los leños que arden en una chimenea? ¿Puedese xplicarp orq uée stáp resentee stee lemento? ¿Qué elemento deben contener los compuestos que se emplean para producir fuegos artificiales y luces de Bengalad ec olorr ojo? ¿Cuál es la relación (matemática) entre la energía y la frecuencia? Describe lo que le ocurre a la frecuencia a medidaq uel ae nergíaa umenta. ¿Qué otro nombre se da a un pequeño paquete de energíal umínica?

¿Qué elemento impartiría a los leños que arden un colorv erdeb rillante? Se calentó un sustituto de la sal en una flama y se obser­ vó un color azul lavanda. ¿Qué elemento estaba presente?

5.54

5.55

5.56

5.57

Con base en el concepto de Bohr de electrones en los átomos, explica por qué los electrones excitados se com­ portan más como los tonos de un piano u órgano que co­ mo los tonos que produce un violín o un violoncello. En términos de electrones, ¿qué le debe ocurrir a un átomo para que forme iones con las cargas siguientes? a. 1— b. 2 + c. 3+ En términos de electrones, ¿qué le debe o cum r a un átomo para que forme iones con las cargas siguientes? a. 1+ b. 2 — c. 3— Indica el número de electrones presentes en cada nivel (nos ubnivel)d ee nergíad el ose lementoss iguientes. a. silicio b. fósforo c. aluminio d. argón e. po ta sio

5.58

5.59 5.60

Indica el número de electrones presentes en cada nivel (nos ubnivel)d ee nergíad el ose lementoss iguientes. a. carbono b. nitrógeno c. neón d. calcio e. cloro ¿Cómo alteraron el modelo del átomo las aportaciones deS chrodingery H eisenberg? ¿En qué difiere el modelo de nube de carga del átomo respectoa lm odelod eB ohr?

Electrones de valencia y sím bolos de Lewis

5.61

5.62

5.63

5.64

Con base en la tabla periódica, escribe los símbolos de Lewisd ep untosd el ose lementoss iguientes. a. potasio b. boro c. nitrógeno d. azu fre e. clo ro Con base en la tabla periódica, escribe los símbolos de Lewisd ep untosd el ose lementoss iguientes. a. litio b. aluminio c. fósforo

5.67

5.68

5.69

5.70

d. oxígeno e. bromo Con base en la tabla periódica, escribe los símbolos de Lewis de puntos de los iones siguientes. a. ionf luoruro,F b. ion calcio, Ca2+ c. ions ulfuro,S 2­

5.71

Con base en la tabla periódica, escribe los símbolos de Lewis de puntos de los iones siguientes. a. iony oduro,I b. ionm agnesio,M g2+ c. ion óxido, O2-

5.72

Subniveles, orbitales y configuraciones electrónicas

5.65

5.66

Con respecto al segundo nivel de energía, describe los tipos de subniveles disponibles y el número de orbitales que hay en cada subnivel.

De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, ¿cuántos electrones pueden ocupar un orbital, y qué restriccioness ea plicana e sose lectrones? En el caso de los elementos de transición, ¿qué subnivel se está llenando, y qué tiene de singular el orden de llenado? En el caso de los elementos de transición interna, ¿qué subnivel se está llenando, y qué tiene de singular el ordend el lenado? Escribe la configuración electrónica y el diagrama de orbitales en la forma de notación abreviada de los elemen tos s i guien tes. a. litio b. aluminio c. fósforo d. oxígeno e. bromo Escribe la configuración electrónica y el diagrama de orbitales en la forma de notación abreviada de los elemen tos s i guien tes. a. berilio b. boro c. nitrógeno d. azufre e. cloro Escribe la configuración electrónica y el diagrama de orbitales en la forma de notación abreviada los iones si­ guientes.( Comparac one lp roblema5 .63.) a. ionf luoruro,F b. ion calcio, Ca2+ c. ions ulfuro,S 2­ Escribe la configuración electrónica y el diagrama de orbitales en la forma de notación abreviada de los iones siguientes.( Comparac one lp roblema5 .64.) a. iony o d u ro ,Ib. ionm agnesio,M g2+ c. ion óxido, O2-

© acción Estudiantes en

U n re g a lo p a r a tu s s e n tid o s M ateriales y reactivos • 5 vidrios de reloj

• Cloruro de potasio (reactivo analítico)

• 5 espátulas

• Ácido bórico (reactivo analítico)

• Cloruro de sodio (reactivo analítico)

• Metanol (alcohol metílico)

• Cloruro de estroncio (reactivo analítico)

• Frasco gotero

• Cloruro de litio (reactivo analítico)

• Encendedor largo

Procedim iento 1. Con una espátula distinta para cada caso, coloca aproximadamente 0.5 g de cada una de las sustancias (cloruro de sodio, clo­ ruro de estroncio, cloruro de litio, cloruro de potasio y ácido bórico) en diferentes vidrios de reloj. 2. Agrega 2 o 3 gotas de metanol (alcohol metílico) sobre los cristales de los compuestos. 3. Acerca el encendedor a los vidrios de reloj y observa.

Resultados Responde los cuestionamientos. 1.

En términos de la teoría de Bohr, ¿qué pasa con las sustancias?

2.

¿Cuál es el significado de la producción de distintos colores? Explica en cada caso.

Nombres, fórmulas y usos de los compuestos inorgánicos C O N T E N I D O 6.1

Iones monoatómicos

6.2

Iones poliatómicos

6.3

Nombres y fórmulas de los compuestos iónicos

6.4

Uso de paréntesis en la escritura de fórmulas químicas

6.5

Cómo saber el nombre de un compuesto iónico a partir de su fórmula

6.6

Nombres y fórmulas de compuestos binarios de no metales

6.7

Número de oxidación de los átomos en los compuestos poliatómicos

6.8

Nomenclatura de los ácidos y sus sales

6.9

Hidratos

6.10

Algunas sustancias químicas y sus usos

Cristales de tiosulfato de sodio, Na2S2O3, fotografiados a través de un microscopio de luz polarizada.

os quím icos han identificado m ás de 25 m illones de com puestos quím icos, y la lista continúa en aum ento. C ada com puesto tiene un nom bre y una estructura específicos. C on un núm ero tan grande de sustancias quím icas, es indispensableu tilizaru nm étodos istem áticop arad arlesn om brea t odase llas. Son dos las clasificaciones principales de los com puestos quím icos: orgánicos e inorgánicos. A unque el carbono no es el elem ento m ás abundante, existen m ás com ­ puestos diferentes que contienen carbono que de cualquier otro elem ento salvo el h i­ drógeno. E l gran grupo de com puestos que contienen átom os de carbono, los productos quím icos derivados del petróleo, los plásticos, las fibras sintéticas y m uchos m ás, se clasifican com o su sta n c ia s q u ím ic a s o rg á n ic a s. Todos los dem ás com puestos son su sta n c ia s q u ím ic a s in o rg á n ic a s . L a U nión Internacional de Q uím ica P ura y A plica­ da (IUPAC, por sus siglas en inglés) h a adoptado un sistem a no am biguo de nom bres y fórm ulas para las sustancias tanto orgánicas com o inorgánicas.

L

E n este capitulo estudiarem os la n o m e n c la tu ra q u ím ica , esto es, el sistem a de nom bres y fórm ulas de las sustancias quím icas inorgánicas. A ntes de estudiar los tem as subsiguientes, es preciso aprender a escribir rápida y correctam ente las fórm ulas y nom bresq uím icosd es ustanciasc om ol as ques ep resentane n e stec apitulo. I

l 6.1^

Es necesaria una práctica diaria y constante para ad q uirir habilidad en la escritura de fórm ulas quím icas. Resuelve algunos problem as cada día.

Iones monoatómicos

M uchos com puestos son com binaciones de iones positivos y negativos. Para escribir los nom bres y fórmulas de estos com puestos, antes debem os estar familiarizados con los n om ­ bres y fórm ulas de los iones individuales. Los nom bres de los iones positivos simples se derivan del nom bre del elem ento del que proceden, anteponiendo la p alabra ion. Por ejem plo, un átom o de sodio, N a, que pierde su único electrón de valencia se convierte en un ion sodio, N a +. D e form a análoga, un átom o de m agnesio, M g, pierde fácilm ente sus dos electrones de valencia para transform arse en un ion m agnesio, M g 2+. E n la ta ­ b la 6.1 se m uestran los nom bres y sím bolos de los cationes (iones positivos) m ás com u­ nes. L a carga del prim er grupo de iones de cada colum na de la tabla se puede predecir con base en la posición de los elem entos en la tabla periódica.

T a b la 6.1

S ím b o lo s y n o m b r e s d e a lg u n o s c a tio n e s c o m u n e s

C ationes 1+

Cationes 2 +

DEL GRUPO IA

Cationes 3 + y 4 +

DEL GRUPO IIA

DEL GRUPO IIIA

Hidrógeno

H+

Magnesio

Mg 2 +

Litio

Li+

Calcio

Sodio

Na+

Estroncio

Ca 2 + Sr2 +

Potasio

K+

Bario

Ba 2 +

OTROS

OTROS

Aluminio

Al3 +

OTROS

Amonio

n h 4+

Cinc

Plata

Ag+

Cadmio

Zn 2 + Cd 2 +

Cobre(I) o cuproso

Cu+

Cobre(II) o cúprico

Cu 2 +

Mercurio(I) o mercuroso

Hg2 2 +

Mercurio(II) o mercúrico

Hg2+

Cromo(II) o cromoso

Cr2 +

Cromo(III) o crómico

Cr3 +

Manganeso(II) o manganoso

Mn 2 +

Manganeso(III) o mangánico

Mn 3 +

Hierro(II) o ferroso

Fe 2 +

Hierro(III) o férrico

Fe3 +

Cobalto(II) o cobaltoso

Co 2 +

Cobalto(III) o cobáltico

Co 2 +

Níquel(II) o niqueloso

Ni2 +

Níquel(III) o niquélico

Estaño(II) o estañoso

Sn2 +

Estaño(IV) o estánico

Sn4 +

Pb 2 +

Plomo(IV) o plúmbico

Pb4 +

Plomo(II) o plumboso

I Conexión con el aprendizaje

Ni3 +

L osm etalesp ierdene lectronesp araf orm ari onesp ositivosl lam ados catio n es. L osn om etalesg anane lectronesp araf orm ari onesn egativosl lam ados an io n es. L os nom bres de los iones negativos sim ples con un solo tipo de átom o no m etálico se derivan del nom bre del elem ento del que proceden, anteponiendo la p alabra ion y cam biandol at erm inaciónp or- uro. P or ejem plo:

U n átom o de azufre, S, gana con facilidad dos electrones p ara form ar un ion sul­ furo, S2 -.

•

U n átom o de fósforo, P, gana con facilidad tres electrones p ara form ar un ion fo s­ furo, P 3 -.

E n la tabla 6.2 se m uestran los n om bres y sím bolos de los aniones (iones negativos) m ásc om unes. I E s indispensable em plear el nom bre preciso de un elem ento o de su ion al hablar o escribir; sus propiedades son totalm ente distintas. Por ejem plo, el sodio es un m etal reactivo de color plateado; en cam bio, los iones sodio, N a +, son estables y no tienen

T a b la 6 .2

S ím b o lo s y n o m b r e s d e a lg u n o s a n i o n e s c o m u n e s

A niones 1 -

A niones 2

A niones

3

- y4-

O2 S2 -

Nitruro

n 3-

Sulfuro

Fosfuro

p 3-

Fluoruro

F-

Seleniuro

Se2 -

Arseniuro

As3 -

Cloruro

Cl-

Teluriuro

Te2 -

Carburo

c 4-

Bromuro

Br-

Yoduro

IOH-

Hidrogenocarbonato (bicarbonato) HCO3-

Carbonato

c o 32-

Hidrogenosulfato (bisulfato)

h s o 4-

Sulfato

s o 42-

Fosfato

P

Hidrogenosulfito (bisulfito)

HSO3-

Sulfito

Fosfito

p o 33

Tiosulfato

S2 O 3 2 -

Peróxido* Hidruro

Hidróxido

Tiocianato

SCN-

Cianuro

CN-

Acetato

c h 3c o o 0 C2H3O2

Oxalato

C 2 O4 2 -

Nitrato

n o 3-

Cromato

CrO4 2 -

Nitrito

NO 2 -

Dicromato

Cr2 O 7 2 -

Permanganate

MnO 4 -

Perclorato^

ClO 4 -

Clorato^

ClO 3 -

Clorito^

ClO 2 -

Hipoclorito^

ClO-

* En el peróxido cada oxígeno tiene un número de oxidación de - 1. f Los iones con bromo o yodo en vez de cloro se nombran de forma análoga.

O

Óxido

H-

S wO -

Practica asignando los nom bres y sím bolos esp ecíficos de todos los cationes y aniones in cluid os en las tablas 6.1 y 6 .2 .

U n átom o de cloro, Cl, gana con facilidad un electrón para form ar un ion cloruro, C l- .

•

O -

I Conexión con el aprendizaje

•

la apariencia ni se com portan com o el sodio m etálico. E l cloro es un gas reactivo con el olor característico de las albercas; en cam bio, los iones cloruro, C l—, son com unes en el agua salada y en el agua de mar, así com o en los líquidos de las células anim alesy v egetales. Ten cuidado de no decir que una solución determ inada contiene cloro si lo que quieres decir es que contiene iones cloruro, ¡pues no son en absoluto lo m ism o! Adem ás,e vitae scribire ls ím bolod el elem ento cuandot ui ntencións ear eferirtea l ion.

Relaciones periódicas entre los iones sencillos E n la Fig. 6.1 se m uestran la relación p eriódica de algunos de los iones sencillos. O bser­ va que los m etales alcalinos del G rupo IA de la tabla periódica form an iones cuya carga es de 1 + (se suele escribir sim plem ente com o un signo de m ás). E l calcio y los dem ás m etales del G rupo IIA form an iones con una carga de 2 + . E l alum inio y los dem ás m e­ tales del G rupo IIIA form an iones cuya carga es de 3 + . C uando los elem entos no m etálicos ganan electrones se form an iones negativos. A los halógenos del G rupo V IIA les falta un electrón p ara tener un octeto de electrones; tienden a ganar un electrón para form ar iones halogenuro con un a carga de 1 —. A l o x í­ geno y al azufre del G rupo V IA les hacen falta dos electrones p ara tener un octeto de electrones; tienden a ganar dos electrones para form ar iones óxido, O 2—, y sulfuro, S2—. E l nitrógeno y el fósforo, del G rupo VA, tienden a ganar tres electrones p ara form ar ionesn itruro,N 3—, y fosfuro, P 3—. E n su m ayoría, los elem entos de transición, esto es, los elem entos de la región cen­ tral de la tabla periódica, form an m ás de un tipo de ion; cada uno tiene su carga peculiar. Por ejem plo, el hierro form a dos iones diferentes: uno es F e2+ y el otro F e 3+. H ay dos m étodos distintos para nom brar estos iones que tienen cargas múltiples. E n uno de ellos, el nom bre del m etal va seguido inm ediatam ente por un núm ero rom ano entre paréntesis que indica la carga del ion. P or ejemplo: E l ion F e 3+ sei dentificac om oh ierro(III);a lh ablar,d ecim os“ hierrot res” . E l ion F e2+ sei dentificac om oh ierro(II);a lh ablar,d ecim os“ hierrod os” . Figura 6.1 Relación periódica de algunos iones sencillos.

H+ IIA

NIA

IVA

Li+

Na+

Mg2+ IIIB

IVB

VB

VIB

Al3+ IB

Mn2+

Fe2+

Co2+

Ni2+

Cu+

C0_

Mn3+

Fe3+

Co3+

N¡3+

Cu2+

+ Ó

CNJ_

K+

VIII VIIB -----------------*---------------->

Ca2+

VA

VIA

VIIA

N3-

O2-

F"

P3-

S 2_

cr

IIB

Zn2+

Br“

+ Ó

Sn2+ Rb+

Sr2+

A g+

C d 2+

1“ Sn4+

C s+

Ba2+

Hg22+

Pb2+

Hg 2+

Pb4+

I El sistem a Sto ck fue ideado por A lfred Stock (1876-1946), un quím ico alem án que se fue a vivir a Estad os Unidos y enseñaba en la U niversidad C o rn ell.

L a IUPAC recom ienda nom brar p or este m étodo, llam ado sis te m a S to ck , los com pues­ tos con iones com o éstos. I U n m étodo m ás antiguo p ara nom brar ciertos iones m etálicos, y que aún se utiliza hoy en día, identifica el ion de m enor núm ero de carga con el nom bre en latín del ele­ m ento seguido de la term inación -o so . L a term inación -ic o identifica el ion de núm ero de carga m ayor. Así, por ejem plo, el ion F e2+ se puede describir com o un ion hierro(II) o com o un ion ferroso, en tanto que el ion F e 3+ puede llam arse ion hierro(III) o ion fé ­ rrico. L os iones de m ercurio plantean un a situación especial. E l ion m ercúrico, o m ercurio(II), se escribe H g2+, com o es de esperar, pero el ion m ercuroso, o m ercurio(I), se indica en la tabla 6.1 com o H g22+ p ara indicar que los iones H g+ existen siem pre por pares. M em oriza los nom bres y sím bolos de los diversos iones de los m etales de tran si­ ción y los dem ás cationes que se incluyen en la tabla 6.1.

E J E M P L O 6.1

Elementos, átom os y iones monoatómicos

C on ayuda de las tablas 6.1 y 6.2 y la tabla periódica, escribe los sím bolos siguientes. N ota: ¡M em oriza las fórm ulas de los iones de las tablas 6.1 y 6.2 lo m ás pronto posible! (a) un átom o de cobre, un ion cobre(I) y un ion cúprico (b) una m olécula de brom o, un átom o de brom o y un ion brom uro (c) una m olécula de oxígeno, un átom o de oxígeno y un ion óxido SOLUCIÓN (a) C u , C u+ , C u2+. L os átom os no tienen carga; los iones sí. C onsulta la tabla 6.1. (b) B r2, B r, B r .L asm oléculasd eb rom os ond iatóm icas.C onsultal as ección4 .4. (c) O 2, O , O 2 -. L as m oléculas de oxígeno son diatóm icas, el átom o es neutro y el ion óxido tiene una carga 2 - . E J E R C IC IO 6.1 (a) E scribel oss ím bolosd eln itrógenog aseosoy d eu n i onn itruro. (b) E scribe los sím bolos de un átom o de azufre de un ion sulfuro. (c) E scribe los sím bolos de un átom o de níquel y de un ion níquel(II).

^6.^

Iones poliatómicos

L os iones p o lia tó m ico s son aquéllos en los que hay un agrupam iento de dos o m ás áto­ m os que tienen una carga global. E l ion am onio, N H 4+, y el ion nitrato, N O 3- , son dos ejem plos. A unque se incluyen m uchos iones poliatóm icos en la tabla 6.2, advierte que el ion am onio es el único catión poliatóm ico que aparece en la tabla 6.1. Cuando una m o­ lécula de am oniaco neutra, N H 3, captura un ion hidrógeno, se form a un ion am onio, N H 4+. L a inform ación siguiente te ayudará a m em orizar los nom bres y fórm ulas de los anionesp oliatóm icosd el at abla6 .2. 1. L osi onesc ons ufijos -ato e -ito contienená tom osd eo xígeno. Ejem plos: nitrato,N O 3- , y nitrato, N O 2- . 2. U n ion que lleva el sufijo -ito tiene un átom o de oxígeno m enos que el ion correspondientec one ls ufijo -ato. Ejemplos: ion sulfato, SO42 -, y ion sulfito, SO 32 - ; ion nitrato, N O 3- , y ion nitri­ to, N O 2- . 3. A dvertencia: no todos los iones que llevan el sufijo -ato tienen el m ism o núm ero de átom os ni la m ism a carga. E sto tam bién es aplicable a los iones con el sufijo -ito .

Ejem plos: C om para un ion nitrato, N O 3 , con un ion sulfato, SO42 ; com para un ion nitrito, N O 2- , con un ion sulfito, SO 32 - . 4. E lp refijo bi- enl osi onesp oliatóm icoss ignificah idrógeno,n oe ln úm ero2 . Ejem plos: ion bicarbonato, H C O 3- , y ion bisulfato, H SO 42 -. E l prefijo bi- tambiéns el eec om oh idrógeno;e lb icarbonatoe st am biénh idrogenocarbonato.

6. U n anión con el prefijo hipo- (“debajo” en griego) contiene un átom o de oxígeno m enos que el ion -ito correspondiente. Ejem plos: ionh ipoclorito,C lO - , y ion clorito, C lO 2- .

C lO 4-

p e rclo rato

C lO 3-

clo rato

C lO 2-

clo rito

C lO -

o

Ejem plos: ionp erclorato,C lO4- , y ion clorato, C lO 3- .

I Conexión con el aprendizaje

p 0 1 o r

5. U n anión con el prefijo per- contiene un átom o de oxígeno m ás que el ion -ato ion correspondiente. I

7. E lp refijo tio- identifical ap resenciad ea zufree nv ezd eo xígeno. E je m p lo s: ion sulfato, SO42 -, y ion tiosulfato, S2O 32 -; ion cianato, O C N - , y ion tiocianato,S C N - . E s necesario que m em orices los nom bres y fórm ulas de los iones incluidos en las tablas 6.1 y 6.2. A prende a indicar ya sea la fórm ula o el nom bre de cada ion, com o se m uestrae nl ose jem ploss iguientes.Q uizán ecesitesp racticarm ucho.

E J E M P L O 6 .2

Iones poliatómicos

Véanselosproblemas 6.1 -6.1 0.

E scribe ya sea la fórm ula o el nom bre de los iones siguientes, según el caso. (a) ion anonio (d) ion silfito

(b) ionb icarbonato (e) PO 4 3 -

(c) ions ulfato (f) C r 2O 72 -

SOLUCIÓN P or ahora, responde con ayuda de las tablas 6.1 y 6.2, pero es necesario que aprendas a escribir todo esto sin usar las tablas. (a) iona m onio, N H 44 (b) ionb icarbonato, H C O 3 (c) ions ulfato, SO 42-

(d) ion sulfito, SO 32-

(e) P O 43 , io n f osfato

(f) & 2 O 7 2 - iond icrom ato

E J E R C IC IO 6.2 E scribe lasf órm ulasd el osi oness iguientes. (a) crom ato (b) perclorato (c) hipoclorito

(d) carbonato

Nombres y fórmulas de los compuestos iónicos P ara nom brar un com puesto iónico, escribe prim ero el nom bre del anión, en seguida la conjunción de y finalm ente el nom bre del catión. P or ejem plo, el com puesto form ado p o r iones m agnesio y iones cloruro se llam a cloruro de m agnesio (Fig. 6.2). E n todo com puesto iónico, la carga total de todos los iones positivos (cationes) debe ser igual a lac argat otald et odosl osi onesn egativos( aniones).

Todos los com puestos son neutros; la carga global es cero.

M ientras aprendes a escribir las fórm ulas quím icas de los com puestos, te será de ayuda escribir prim ero la fórm ula del catión con su carga y luego la del anión con su

Figura 6.2 El cloruro de magnesio, MgCl2, es un sólido cristalino blanco soluble en agua. Se usa, entre otras cosas, para preparar madera a prueba de fuego, en cerámica, como lubricante de hilos y en la fabricación de papel.

carga, antes de escribir la fórm ula final. U na vez m ás, la sum a de todas las cargas posi­ tivas y negativas debe ser igual a cero.

Cuando las cargas de los iones son iguales E je m p lo s : Ó xidod ec alcioy n itrurod ea lum inio C uando la carga de un catión individual es igual que la carga del anión (com o 2 + y 2 - ), la fórm ula se escribe sim plem ente con un ion de cada clase. Por ejem plo, la fórm ula del óxido de calcio es CaO , con un ion de cada clase, porque la carga positiva, 2 + , es igual a la carga negativa, 2 - .

U n ion C a2+ tiene la m ism a carga que un ion O 2 ; por tanto, la fórm ula es CaO, óxido dec alcio.

D e m odo análogo, la fórm ula del nitruro de alum inio se escribe AlN, con un ion de cada tipo, porque la carga del ion alum inio, A l3+, es igual a la carga del ion nitruro, N 3 -. P a­ ra escribir fórm ulas de com puestos form ados a partir de iones se em plea la proporción de núm eros enteros m ás sim ple. Si no hay subíndice, se sobrentiende que es uno. Por ejem plo, en el CaO y el A lN las proporciones de iones m ás sim ples son de 1 a 1. N o se m uestranl oss ubíndices;s es obrentiendeq ues onu no.

Cuando las cargas no son iguales E je m p lo s: C lorurod ec alcioy n itrurod ep otasio E n el com puesto cloruro de calcio, un ion calcio, C a2+, se com bina con dos iones cloruro, C l- , para conservar la neutralidad eléctrica en el com puesto. E sta proporción se indica en la fórm ula CaCl2 em pleando el subíndice 2 después de Cl; este subíndice se apli­ ca exclusivam entea lC l,n o a lC a.R esum iendo,

U n ion C a2+ tiene la m ism a carga que dos iones C l ; la fórm ula es C aC l2, cloruro de calcio.

I Conexión con el mundo real C a d a año se consum en más de 1.5 m illones de toneladas de C a C ^ para d eshielo de cam inos, control de polvo, perforación de pozos de petróleo y gas y com o aditivo para concreto.

E n las fórm utas quím icas no se m uestran las cargas de los iones. A sim ism o, se sobrentiende un subíndice de 1 cuando no aparece ningún otro núm ero en la posición del subíndice. E n la fórm ula C aC l2 se sobrentiende que el ion calcio lleva el subíndice 1, pero el 2 del cloro se escribe explícitam ente: C aCl2, no C a1C l2. L a fórm ula C aC l2 indica la presencia de tres iones en total, d a la proporción de iones calcio y cloruro (1 a 2) y re ­ presenta el com puesto: cloruro de calcio. A sí pues, la fórm ula es un a form a sim bólica de m ostrar un com puesto con un ion C a2+ y dos iones C l- . E ste m ism o procedim iento p ara escribir fórm ulas es aplicable siem pre que la carga d e uno de los iones es un m ú ltip lo sencillo de la carg a del otro ion. P or ejem plo, la fórm ula deln itrurod ep otasioe sK 3N.

Tres iones K+ tienen la m ism a carga que un ion N 3 -; la fórm ula es K 3N, nitruro de potasio.

E n los ejem plos que siguen se ilustra un procedim iento en tres pasos p ara escribir fórm ulas, el cual resu lta especialm ente útil cuando la carga de un ion no es un m últiplo

sencillo de la carga del otro ion. E s indispensable que m em orices las cargas de los iones com unes; por ahora, y h asta que lo hagas, quizá necesitarás consultar las tablas 6.1 y 6.2 p ara conocer las cargas de los iones.

E J E M P L O 6 .3

F ó rm u la s q u ím ic a s c o n io n e s m o n o a tó m ic a s

E scribe la f órm ulaq uím icad eló xido dea lum inio( F ig.6 .3). SOLUCIÓN ■ P A S O 1 E scribe los sím bolos quím icos (con carga) del catión y del anión, con el catióne np rim ert érm ino. A l3 + y O 2 — ■ P A S O 2 D eterm ina el núm ero m ás pequeño de iones de cada tipo que se n ecesi­ tan p ara dar una carga global de cero. Prim ero, calcula el m ínim o com ún m últiplo (M CM ) de las cargas de los iones, sin tener en cuenta los signos. E n el caso de A l 3 + y O 2 —, con cargas de 3 + y 2 —, el M C M es 3 X 2 = 6. D ivide el M C M entre la car­ ga del ion para calcular el núm ero de iones que necesitas. 3+ Sen ecesitand osi ones A l 3 :

Sen ecesitant resi onesO

2— 2 :

M CM 6 --------------------— = —2 N o tom es en cuenta los C arga del ion 3 . , , , , & signosa lc alculare l I El mínimo común múltiplo es el M CM I M CM 6 -------- ——— = — - = 3 C arga del ion 2

■ P A S O 3 E scribe la fórm ula quím ica con los subíndices apropiados p ara que el com puesto sea neutro en térm inos de carga. E n el caso del óxido del alum inio, su fórm ula es: A l2 O 3 . P orú ltim o,c om pruebae lr esultado:2 A l 3 + + 3 O 2 —= 2 ( + 3 ) + 3 (—2) = 0 E J E R C IC IO 6.3 (a) E scribe la f órm ulaq uím icad el sulfurod ea lum inio. (b) E scribe la fórm ula quím ica del óxido de crom o(III), que se em plea com o pigm entov erdee nc erám ica. E n el paso 2 del ejem plo 6.3 se utilizó un M C M de 6 p ara saber que se necesitarían dosi onesa lum iniop orc adat resi onesó xidop arae scribirl a f órm ula. A hora que ya sabes p o r qué se em plean los subíndices 2 y 3, es probable que el si­ guiente “atajo” te resulte útil al escribir fórm ulas cuando la carga de uno de los iones no es un m últiplo sencillo de la carga del otro ion. A dvierte que el subíndice que se coloca después de uno de los iones es igual que el valor num érico (sin considerar el signo) de la carga del otro ion, com o se m uestra en los ejem plos que siguen.

Iones participantes: Fórmula química:

Figura 6.3 El óxido de aluminio, Al2 O3, es un polvo blanco que funde a 2030°C. Entre sus usos se cuentan la producción de aluminio metálico, de abrasivos, cerámica, papel y gemas artificiales.

AP+

O?' AloOq

número entero más pequeño entre el que se pueden dividir ambos números de carga. Excluye los signos.

E J E M P L O 6 .4

Fórmulas químicas con base en el MCM

E scribel a f órm ulaq uím icad eln itrurod em agnesio. SO LUCIÓN ■ P A S O 1 E scribe los sím bolos quím icos (con carga) del catión y del anión, con el catióne np rim ert érm ino. M g2 + y N 3■ P A S O 2 D eterm ina el núm ero m ás pequeño de iones de cada tipo que se n ecesi­ tan p ara dar u na carga global de cero. P ara ello, encuentra el núm ero entero m ás p e­ queño entre el que am bos núm eros de carga son divisibles: el M C M . E n el caso de M g 2 + y N 3 - el M C M es 2 X 3 = 6. (N o tom es en cuenta los signos.) M CM Sen ecesitant resi onesM g 2 +: C a rg a d e lio n - ~2

6 - 3

M CM

Sen ecesitand osi o n e s N 3 :

6 — ~r~ — 2 C arga del ion 3

■ P A S O 3 E scribe la fórm ula quím ica con los subíndices apropiados p ara que el com puestos ean eutroe n t érm inosd ec arga.L a f órm ulac orrectae s M g 3N 2 . P orú ltim o,c om pruebae lr esultado:3 M g 2 + + 2 N 3 - = 3 (+ 2 ) + 2 ( - 3 ) = 0. E J E R C I C IO 6 .4 (a) E scribel a f órm ulaq uím icad ela rseniurod eb ario. (b) E scribe la fórm ula quím ica del sulfuro de estaño(IV ), que se em plea com o pigm entod oradod ei m itación.

Figura 6.4 El dicromato de amonio, (NH4 )2 Cr2 O7, es un sólido cristalino de color naranja que se emplea en la tinción de telas, en la preparación del cuero, en fotografía y en pirotecnia.

^6.4

Uso de parénte sis en la es critura de fórmulas químicas

L os iones poliatóm icos — los que contienen m ás de un tipo de átom o— se encierran en ­ tre paréntesis cuando está presente m ás de un a unidad del ion.

A l escribir la fórm ula quím ica de un com puesto que contiene un ion poliatóm ico, el ion se encierra entre paréntesis seguidos de un subíndice que indica el núm ero de iones poliatóm icosp resentes.

E sta regla sobre el uso de paréntesis debe seguirse invariablemente, a m enos que el subín­ dice sea (1), que no se escribe, en cuyo caso no se necesitan paréntesis. Por ejemplo, para escribir la fórm ula del dicrom ato de am onio con los iones N H 4+ y Cr2O72- se necesitan dos iones am onio por cada ion dicrom ato a fin de que las cargas sean iguales (Fig. 6.4). D os iones N H 4+ balancean un ion C r2O72 , así que la fórm ula es (NH 4)2C r2O7 A nálogam ente, para escribir la fórm ula del fosfato de m agnesio con los iones M g 2+ y PO43- se necesitan tres iones m agnesio por cada dos iones fosfato para conseguir la neutra­ lidad. E ne stec aso,e lm ínim oc om únm últiploe s6 .

Tres iones M g2+ balanceand osi onesP O43 , así que la fórm ula es M g 3(PO 4)2. A dvierte que el m agnesio (un ion m onoatóm ico) no se encerró entre paréntesis; en cam ­ bio, el fosfato (un ion poliatóm ico) se encerró entre paréntesis antes de escribir el sub­ índice. A le scribirf órm ulasq uím icas, no seu sanp aréntesisd onden os en ecesitan.

1. Los paréntesis no se usan a m enos que vayan seguidos de un subíndice. Por ejemplo: con C a2+ y SO42 -,e scribe C aSO 4, no C a(SO 4); con N H 4+ y SO42 -,e scribe (NH 4)2SO4, no (NH 4)2(SO 4). 2. Los iones m onoatómicos no se encierran entre paréntesis en las fórmulas. Por ejemplo: con C a2+ y C l , e scribe C aC l2, no C a(C l)2; con A l3+ y C l , e scribe A lC l3, n o A l(C l)3; con A l3+ y SO42 -,e scribe A l2(SO 4)3, no (A l)2(SO 4)3. Sigue los pasos descritos en los ejem plos de este capítulo, y p ractica la escritura de fórm ulas quím icas m ientras resuelves los ejercicios com plem entarios y los problem as d elf inald elc apítulo.

E J E M P L O 6 .5

Uso de paréntesis en las fórmulas

E scribe las fórm ulas quím icas para los siguientes com puestos: (a) hidróxidod ec obalto(III) (b) clorurod ec obalto(II) SO LUCIÓN (a) ■ P A S O 1 E scribe los sím bolos quím icos (con carga) del catión y del anión, con el catión en prim er térm ino. C o 3+ y O H ■ P A S O 2 D eterm ina el núm ero m ás pequeño de iones de cada tipo que se n e­ cesitan para dar una carga global de cero. E n este caso, son necesarios un ion C o 3+ y tres iones O H - . ■ P A S O 3 E scribe la fórm ula quím ica con los subíndices apropiados p ara que el com puesto sea neutro en térm inos de carga. L a fórm ula correcta es Co(O H )3. O bserva que el ion hidróxido está encerrado entre paréntesis y va seguido del subíndice 3. Por tanto, cada unidad form ular contiene un átom o de cobalto, tres átom os de oxígeno y tres átom os de hidrógeno. A hora, com prueba el re ­ sultado:! C o 3+ + 3 O H - = 1 (+ 3 ) + 3 ( - 1 ) = 0. (b) L a fórm ula del cloruro de cobalto(II) es C oC l2, sin paréntesis; no contiene iones poliatóm icos. I E J E R C I C IO 6.5 E scribe lasf órm ulasq uím icasd el osc om puestoss iguientes. (a) nitratod eh ierro(III) (b) sulfatod eh ierro(III) (c) sulfurod eh ierro(III)

I Conexión con el aprendizaje P robablem ente necesitarás p racticar m ucho para hacerte experto en e scrib ir con rapidez fórm ulas y nom bres de sustancias quím icas, pero estas destrezas serán necesarias para trabajar en los tem as y problem as de los capítulos subsiguientes.

Véanse los problemas 6.11-6.14.

Cómo saber el nombre de un compuesto iónico a partir de su fórmula Para escribir el nom bre de un com puesto iónico cuando se conoce la fórmula, basta con es­ cribir el nom bre del ion negativo primero, luego la conjunción de y finalmente el nom bre del ion positivo, com o se m uestra en el ejem plo que sigue. Luego, resuelve el ejercicio 6.6. E J E M P L O 6 .6

Nombres d e com puestos iónicos

¿C uál es el nom bre del com puesto K 2S? SO LUCIÓN E l com puesto contiene dos iones potasio, K+, y un ion sulfuro, S2—. E l com puesto es el sulfuro dep otasio . E J E R C I C IO 6.6 N om bral osc om puestos (a) C aC l2, (b) Z n(N O 3)2 y (c) N a2SO 4.

í Figura 6.5 Las brocas de barrena y buriladoras revestidas de nitruro de titanio(III) tienen una duración varias veces mayor que las brocas normales; son especialmente deseables para trabajar con metales. (Véase el ejercicio 6.7.)

Si uno de los dos iones tiene carga variable, com o Fe(II) y Fe(III) o Sn(II) y Sn(IV), po r ejem plo, el nom bre debe identificar explícitam ente el ion que está presente. Se pu e­ de usar el nom bre del sistem a Stock, cloruro de hierro(II), o el nom bre m ás antiguo, cloruro ferroso, pero es incorrecto referirse al com puesto sim plem ente com o cloruro de hierro,p uese su nn om brei ndefinidoy ,p orc onsiguiente,i ncorrecto. C uando el catión puede tener m ás de una carga, es posible que el valor de ésta no sea obvio. R ecuerda que la sum a de todas las cargas positivas y negativas debe ser cero. Si la carga de un ion positivo es variable, prim ero establece la carga negativa total (la carga del ion negativo m ultiplicada por el núm ero de iones negativos que participan). L a carga positiva total debe ser igual a la carga negativa total p orque los com puestos son neutros. D ivide la carga positiva total entre el núm ero de iones positivos que aparecen en la fórm ula p ara obtener la carga del catión. Por ejem plo, Sn(SO 4)2 contiene un ion estaño, pero hay dos cargas posibles. Para saber cuál es la carga del ion estaño, prim ero establece la carga negativa de dos iones sulfato: 2 ( —2) = —4. L a carga positiva total debe ser, por tanto, + 4 . D ivide esta carga totale ntree ln úm erod ei onese stañod elc om puesto.E n e stec aso, C arga positiva total + 4 1

El nom bre sulfuro de hierro es inaceptable, pues no es definido.

+4

E l catión es Sn4+. E l nom bre del com puesto es sulfato de estaño(IV ) o sulfato estánico.

E J E M P L O 6.7 I Conexión con el aprendizaje

io n positivo

Nombres d e com puestos iónicos

¿C uál es el nom bre del com puesto FeS? I SO LUCIÓN H ay dos tipos de iones hierro, F e2+ y F e3+. H ay un ion sulfuro, S2—, por cada ion hierro de la fórm ula, de m odo que el ion hierro de este com puesto debe ser F e2+, conocido co ­ m o hierro(II) o ferroso. E l nom bre del FeS es sulfurod eh ierro(II) o sulfurof erro so . E J E R C I C IO 6.7

Véanse los problemas 6.15-6.22.

(a) N om bra el com puesto F e2(SO 4)3, que se em plea en pigm entos y en la tinción de telas. (b) N om bra el com puesto TiN, que se utiliza en ciertas brocas de b arren a y burilado­ ras. (Fig. 6.5)

Nombres y fórmulas de compuestos binarios de no metales Se form a un com puesto covalente (m olecular) binario cuando los átom os de dos ele­ m entos no m etálicos com parten uno o m ás pares de electrones. E l dióxido de carbono y el m onóxido de carbono son dos ejem plos. A l nom brar com puestos de este tipo, h ab i­ tualm ente se nom bra prim ero el elem ento del com puesto que está m ás cerca del flúor en la tabla periódica. P or ejem plo, en un com puesto de nitrógeno y oxígeno, el oxígeno precede al n itrógeno en el nom bre, aunque no en la fórm ula. E n los casos en que hay in ­ certidum bre, la IUPAC h a establecido el siguiente orden de preferencia p ara decidir cuál no m etal se nom bra prim ero. B > Si > C > P > N > H > S > I > Br > C l > O > F E l núm ero de átom os de cada elem ento presentes en la m olécula se indican m ediante un prefijo griego (Tabla 6.3). E n general, el prefijo m ono- se om ite respecto al prim er ele­ m ento de un com puesto, a m enos que esto origine un nom bre am biguo. D e acuerdo con las norm as de la IUPAC, la últim a “o” de m ono- y la últim a “a” de tetra, penta, etc., se eli­ m inan cuando el prefijo va unido a un nom bre que com ienza con la letra “o” . Así, por ejemplo, m onóxido de carbono no se escribe m onoóxido de m onocarbono. E n el caso de los com puestos binarios, los que tienen dos tipos de átom os, el segun­ do elem ento del com puesto lleva el sufijo -uro , e - id o cuando se trata del oxígeno. Por ejem plo, SO 2 es dióxido de azufre. E n la tabla 6.4 se indican los nom bres y fórm ulas de varios com puestos covalentes binarios. D os com puestos m oleculares binarios m uy conoci­ dos que conservan sus nom bres tradicionales son el agua, H 2 O, y el am oniaco, N H 3 . O tros ejem plos son el óxido nítrico, N O , y el óxido nitroso, N 2O (tam bién conocido com og ash ilarante),q uel osd entistase m pleanc om oa nestésico. I E J E M P L O 6 .8

I N om bres tradicionales de com puestos m oleculares com unes Agua, H 2O A m oniaco, N H 3 Ó x id o nítrico, N O Ó x id o nitroso, N 2O

Nombres de com puestos covalentes binarios

E scribe un nom bre apropiado cuando se indica la fórm ula. E scribe la fórm ula cuando se indicae ln ombre. (a) pentóxidod ed initrógeno Figura 6.6 La cabeza de los fósforos que se encienden al frotarlos sobre cualquier superficie contiene

(b) tetraclorurod ec arbono (c) N O 2 (d) P 4 S 3 ; se em plea en los fósforos que encienden al frotarlos sobre cualquier super­ ficie (Fig. 6.6).

Carbono

Azufre

C o m p u e s to s b i n a r i o s d e n o m e ta l e s Fórmula

Nombre

NO

Monóxido de nitrógeno f

Dióxido de carbono

NO 2

Dióxido de nitrógeno

CS 2

Disulfuro de carbono

N2 O

Monóxido de dinitrógeno |

CCl4

Tetracloruro de carbono

N2O3

Trióxido de dinitrógeno

SO 2

Dióxido de azufre

N2 O5

Pentóxido de dinitrógeno

SO 3

Trióxido de azufre

PBr3

Tribromuro de fósforo

S ‘TI

T a b la 6.4

Fórmula

Nombre

CO

Monóxido de carbono*

CO 2

Hexafluoruro de azufre

PCl5

Pentacloruro de fósforo

Nitrógeno

Fósforo

* La “o” final de mono- se omite cuando va unida a óxido. + El prefijo mono- se omite en el caso del primer elemento. El N O también se llama óxido nítrico. + El N2O también se llama óxido nitroso.

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO Ó x id o n ítr ic o , m e m o r ia y e n v e je c im ie n to :¿ e s tá n re la c io n a d o s ? Por todo el cuerpo humano se producen moléculas sencillas de óxido nítrico, NO, constituidas por un solo átomo de nitrógeno unido a un átomo de oxígeno. El óxido nítrico actúa como men­ sajero biológico e interviene en diversas funciones biológicas. El sistema inmunológico lo emplea para combatir las infecciones. Puede provocar la dilatación de los vasos sanguíneos y regular así la presión sanguínea y la erección del pene. También desem­ peña un papel en la emisión y recepción de señales nerviosas. Los neurocientíficos, las personas que estudian la forma como el cerebro transmite y guarda información, han reportado información que sugiere que el NO puede ser una molécula men­ sajera que interviene en la memoria, la organización espacial y el aprendizaje. A mediados de los años ochenta, los científicos des­ cubrieron que ciertas células del sistema inmunitario utilizan el NO como agente de autodefensa química, pues emiten dosis tóxi­ cas de NO para matar bacterias y otros agentes nocivos. Investigadores británicos encontraron que el NO impide la elevación excesiva de la presión sanguínea. El tejido que reviste las paredes interiores de los vasos sanguíneos (el endotelio) li­ bera NO para relajar los músculos de los vasos. Esto provoca su dilatación, con el consecuente descenso de la presión sanguínea. Otros investigadores descubrieron que el NO combate la aglo­ meración de células sanguíneas que obstruye las arterias. También se encontró que el endotelio de los pacientes con aterosclerosis (endurecimiento de las arterias) produce menos NO que las ar­ terias normales. Ahora, la meta que se persigue es el descubri­ miento de fármacos que liberen NO lentamente y mantengan el flujo de la sangre hacia el corazón. El óxido nítrico también tiene un aspecto negativo. Se sos­ pecha que es uno de los culpables de varios padecimientos como la hemofilia, el cáncer de colon y la enfermedad de Alzheimer. Los investigadores estudian la relación entre el NO y el proceso de envejecimiento en conjunto, con la esperanza de poder retar­ darlo. Investigadores de la Universidad Johns Hopkins de Balti­ more encontraron que se produce NO en el hipocampo, que ac­ túa como importante centro de regulación del aprendizaje y la memoria. Su hipótesis es que el NO actúa como una de las cla­ ves del sistema de comunicación interna del cerebro. De ser esto correcto, las investigaciones subsiguientes sobre el NO podrían llevar a descubrir fármacos capaces de ayudar a las personas con capacidades declinantes de aprendizaje y de memoria, lo ques ea sociaa l ae nfermedadd e Alzheimer. Los expertos advierten que una deficiencia de NO puede ser peligrosa, pero un exceso de esta sustancia llega a ser tóxico.

El prem io Nobel de 1998 fue otorgado a investigadores que descub rieron im portantes funciones del óxido nítrico, NO, en el sistem a cardiovascular.

De hecho, es posible que durante un ataque de apoplejía algunas células del cerebro liberen suficiente NO para matar otras célu­ las cerebrales. Las investigaciones con ratas ya han demostrado que ciertas sustancias químicas bloquean la producción de NO en el cerebro y, por tanto, reducen en grado importante el daño causado por un ataque de apoplejía. Esto sugiere que podría ha­ ber fármacos, útiles en las salas de emergencia de los hospitales, capaces de bloquear la producción de NO en las víctimas de apoplejía, para de esta manera reducir los daños. Investigadores del Instituto Scripps de California, junto con un bioquímico de Ohio, informaron en 1997 que habían estableci­ do la compleja estructura molecular de la enzima que elabora NO a partir de L-arginina (un aminoácido) y otras sustancias quími­ cas. Los farmacólogos sugieren que es posible desarrollar fárma­ cos que regulen la producción de NO. Esto sería una muy buena noticia para las víctimas de ataques de apoplejía y para las perso­ nas con padecimientos cardiacos o respiratorios, hipertensión arterial, cáncer, enfermedades de Alzheimer y de Huntington, y diversos trastornos en los que hay pérdida de la memoria. Nota: Se recom iendan las lecturas adicionales siguientes: “Bioinorganic Reactions of N itric Oxide ...”, Chemical & Engineering News, 6 de m ayo de 1996, págs. 38-42. “Biological Roles of Nitric O xide”, Scientific Am erican, mayo de 1992, págs. 68-77. “Crystal Structure Offers Clues to Nitric A cid Regulation” , Chemical & Engineering News, 20 de octubre de 1997, pág. 12. “N eural Eavesdropping”, Scientific Am erican, mayo de 1992, pág. 16. “NO Delivery” , Chemistry (ACS), otoño de 2000, pág. 4. “NO News is Good News”, Science, diciembre de 1992, págs. 1862-3.

V ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ /

SO LUCIÓN L osp refijosg riegosi ndicane ln úm erod eá tom osp articipantes. (a) N 2 O 5 (b) C C l 4 (c) dióxidod en itrógeno (d) trisulfurod et etrafósforo

E J E R C IC IO 6.8 (a) E scribe lasf órm ulasq uím icasd eló xidon itrosoy d elt etróxidod ed initrógeno.

Véanse los problemas 6.23-6.26.

(b) E scribe lasf órm ulasq uím icasd ela m oniacoy d elt rióxidod ea zufre.

Número de oxidación de los átomos en los compuestos poliatómicos E n las secciones 6.1 y 6.3 se estudiaron las cargas específicas de iones m onoatóm icos com o N a+, M g2+ y C l- . E n los com puestos poliatóm icos estos iones individuales tie­ nen cargas específicas, pero no hay una carga iónica claram ente m ensurable asociada con los átom os de un ion poliatóm ico. P o r ejem plo, en el com puesto nitrato de sodio, N aN O 3, el sodio tiene una carga d e 1 + , y e l ion nitrato, un a carga d e 1 - , p ero no hay un a carga iónica en el nitrógeno porque éste está unido de form a covalente con los áto ­ m os de oxígeno. N o obstante, se puede establecer la “carga aparente” que parece estar asociadac one ln itrógenoe ne lc om puesto. L as cargas de los iones sencillos y las “cargas aparentes” que se asignan a los áto­ m os dentro de los com puestos se llam an n ú m e ro s d e o x id ació n . E l núm ero de o x id a­ ción, tam bién conocido com o e s ta d o d e o xidación , de un átom o sirve p ara llevar la cuenta de los electrones en un sistem a de contabilidad electrónica. E n ocasiones resulta útil com parar los estados de oxidación de un elem ento com o el cloro, p o r ejem plo, que varían am pliam ente de un com puesto a otro. Tam bién m uchos m etales de transición tie­ nen varios estados de oxidación. P or ejem plo, el m anganeso tiene seis estados de oxida­ ción, cada uno de un color diferente, com o se m uestra en la tabla 6.5 y en la Fig. 6.7. C onsidere las reglas siguientes para asignar núm eros de oxidación a un elem ento dentro de un ion o un com puesto. R e g la sp a r a a s ig n a r n ú m e ro s d e o x id a c ió n 1. A todo elem ento unido consigo m ism o se le asigna un núm ero de oxidación de ce­ ro. E jem plos: K, Fe, H 2, O 2. 2. E n un com puesto, la sum a de todos los núm eros de oxidación de todos los átom os esc ero. 3. E n un ion poliatóm ico, la sum a de los núm eros de oxidación de todos los átom os es igual a la carga del ion. 4. A todos los iones m onoatóm icos se les asignan núm eros de oxidación iguales a la carga de los iones. E jem plo: el núm ero de oxidación de un ion K+ es + 1 . 5. C uando un com puesto o ion contiene oxígeno, por lo regular tiene un núm ero de oxidación de - 2 . (Son excepciones los peróxidos, com o H 2O 2, en los que el o x íg e­ no tiene un núm ero de oxidación de - 1 . )

T a b la 6.5

N ú m e ro s d e o x id a c ió n d e l m a n g a n e s o

Ion o com puesto

Estado de oxidación del manganeso

MnO4-

+7*

Púrpura

MnO42-

+ 6

Verde oscuro

MnO3-

+5

Azul claro

MnO 2

+4

Pardo (sólido)

MnO3+

+3

Violeta rosado

MnO2+

+2 *

Rosado

Estados de oxidación más estables.

Color

Figura 6.7 Se forman iones MnO4- de color púrpura cuando se oxidan iones MnO42- de color verde (con el manganeso en un estado de oxidación de + 6 ) para dar iones MnO4- (con el manganeso en un estado de oxidación de +7 ).

6. E l hidrógeno tiene norm alm ente un núm ero de oxidación de + 1 , salvo en los hidrurosm etálicos,c om oN aH y L iA lH 4 , donde H e s —1. A l establecer el núm ero de oxidación de un átom o específico de un com puesto o ionp oliatóm ico,r esultaú tild ividire lp rocedim ientoe n t resp asos. ►►►

R eflexiona d e te n id a m e n te p o r p asos

Cómo establecer el número de oxidación 1. A nota los núm eros de oxidación conocidos de los átom os que aparecen en la fórmula. 2. M ultiplica el núm ero de oxidación de cada elem ento p o r el subíndice apropiado que se indica en la fórm ula. A nota estos núm eros de oxidación totales debajo de los sím bolosc orrespondientesd el a f órm ula. 3. E scribe una ecuación sencilla donde la sum a de todos los núm eros de oxidación sea igual a la carga del ion, o igual a cero en el caso de un com puesto. (R epresenta con un sím bolo el núm ero de oxidación desconocido, m ultiplicado por el núm ero de áto­ m os dele lem entoe n c uestión.)D espejae ln úm erod eo xidaciónf altante. P ractica el uso de estas reglas y pasos p ara establecer núm eros de oxidación en los ejem plosy e jercicioss iguientes.

E J E M P L O 6.9

Números d e oxidación en com puestos

¿C uál es el núm ero de oxidación del crom o en el dicrom ato de potasio, K 2 C r 2 O 7 ? SOLUCIÓN ■

■

PASO 1 Átomo

Número d e oxidación

K Cr O

+1 Cr (desconocido

= x)

— 2

P A S O 2 N úm erosd eo xidaciónt otales K ,C r ,0 ,

+2/

■

PASO 3

c?

V_ _ 14

+ 2 + 2x + ( —14) = 0 2x = + 1 2 x = +6

L a sum a de todos los núm eros de oxidaciónd eu n c om puestoe sc ero

E l núm ero de oxidación del crom o en el dicrom ato de potasio es + 6 . E J E R C I C IO 6.9 (a) ¿C uál es el núm ero de oxidación del nitrógeno en el N aN O 3 ? (b) ¿C uál es el núm ero de oxidación del nitrógeno en el N aN O 2?

E J E M P L O 6 .1 0

Números de oxidación en iones

¿C uál es el núm ero de oxidación del cloro en un ion clorato, C lO 3 —?

SOLUCIÓN ■ PASO 1 Átomo

Número de oxidación

Cl O

Cl (desconocido = x) - 2

■ P A S O 2 N úm erosd eo xidaciónt ótales C IO ,

■ PASO 3 x + ( - 6 ) = - 1 L a ctrga cfel ón es - 1 .

I Conexión con el aprendizaje C o n la práctica, aprenderás a efectuar m entalm ente el paso 3 , sin escribirlo.

x = +5 E l núm ero de oxidación del cloro en un ion clorato es + 5 . E J E R C IC IO 6.10 (a) ¿C uál es el núm ero de oxidación del carbono en un ion carbonato, C O 32 -? (b) ¿C uál es el núm ero de oxidación del carbono en un ion hidrogenocarbonato, HCO3 ?

Véanse los problemas 6.27-6.28.

^6.8^ Nomenclatura de los ácidos y sus sales C iertos com puestos liberan iones hidrógeno, H+, cuando se disuelven en agua. Estas sustancias reciben el nom bre de ácidos; tienen un sabor agrio característico y reaccio­ nan con ciertos m etales produciendo hidrógeno gaseoso. L a nom enclatura (nom bres) tradicional de los ácidos es diferente de la nom enclatura de los dem ás com puestos. Por ejem plo, el H N O 3 en solución acuosa se conoce com o ácido nítrico, no com o nitrato de hidrógeno.

Ácido clorhídrico E l cloruro de hidrógeno gaseoso, H Cl(g), es un com puesto m olecular. Sin em bargo, una solución a c u o sa (se abrevia ac) de cloruro de hidrógeno, un a solución de H C l en agua, tiene propiedades totalm ente distintas; se trata del conocido ácido clorhídrico, HCl(ac) (Fig. 6.8). C uando se disuelve H C l en agua, se form an iones H+ y C l- , hecho que se d e­ m u estra m idiendo la conductividad eléctrica de la solución ácida. A unque el agua d esti­ lada es m ala conductora, el ácido clorhídrico es un excelente conductor de la electricidad debido a la p resencia de iones. L os ácidos que se ionizan totalm ente se clasifican com o ácido sfu e rte s. C uando el H C l libera un ion hidrógeno, H+, éste se com bina con el agua p ara for­ m ar un io n h id ro n io , H 3O +.E star eaccións er epresentac om os igue. H C l(g) + H 2O H C l gaseoso A gua

------>

H 3O+ Ion hidronio

+

C lIon cloruro

C onocidoc om oá cidoc lorhídrico Se puede pensar en los iones hidronio de las soluciones ácidas com o iones hidrógeno u nidosa m oléculasd ea gua. Todas olucióná cidac ontienei onesh idronio.

Figura 6.8 El ácido clorhídrico, HCl(ac), se produce disolviendo cloruro de hidrógeno gaseoso en agua. Este ácido se emplea extensamente en la refinación de petróleo, en la preparación de alimentos y para limpiar metales, así como en muchos procesos industriales.

Ácido acético y ácido carbónico E l sabor agrio del vinagre se debe a la p resencia de iones hidronio (hidrógeno) en el áci­ do acético. A diferencia del ácido clorhídrico, el ácido acético es m al conductor de la electricidad; cuando se disuelve ácido acético en agua, sólo una pequeña fracción de sus m oléculas se ionizan. E l ácido acético, al igual que otros ácidos que contienen carbono, se clasifica com o un ácido débil. L a fórm ula del ácido acético se escribe H C 2H 3O 2 o C H 3CO O H . L as fórm ulas estructurales siguientes m uestran los enlaces y la ionización delá cidoa céticop arad ari ones acetatoe h idrógeno.

H -C -C H Figura 6.9 Todas las bebidas carbonatadas contienen ácido carbónico, H2 CO3, que se forma cuando se disuelve dióxido de carbono gaseoso en agua.

+ H+

H -C -C V

„

h

V

L ai onizaciónd elá cidoa céticot am biéns ep ueder epresentarc om os igue: C H 3C O O H ---- t C H 3CO O ~ Á cidoa cético

Iona cetato

+

H+ Ionh idrógeno

L as estructuras m uestran que los átom os de hidrógeno unidos a carbono no se ioni­ zan; el único hidrógeno que se desprende y se ioniza está en el grupo — C O O H del áci­ do. E ste grupo — C O O H se llam a g ru p o carb o x ilo . A dem ás del ácido acético, hay m uchos otros ácidos que contienen el grupo carboxilo unido a un a cadena de átom os de carbono. E n todos los casos, la acidez de estos ácidos orgánicos, conocidos com o ácidos carboxílicos, se debe al hidrógeno del grupo carboxilo. E l grado de ionización es peque­ ño en estos ácidos carboxílicos; por esta razón, se les clasifica com o ácidos débiles. O tro ácido débil im p o rtan te es el ácido carbónico, H 2C O 3, qu e se fo rm a cuando se disuelve dióxido de carbono en agua. Todas las b ebidas carb o n atad as contienen ácido carbónico (Fig. 6.9). M em oriza los nom bres y fórm ulas del ácido acético y del ácido carbónico.

Otros ácidos, sus sales y los números de oxidación C uando el hidrógeno de un ácido se sustituye p o r un catión, el com puesto iónico que se form a es una sal. Por ejem plo, el cloruro de sodio (sal com ún) es la sal de sodio del áci­ do clorhídrico. D e m odo análogo, el cloruro de calcio, CaCl2, es la sal de calcio del ácido clorhídrico. E n la tabla 6.6 se m uestran los nom bres y fórm ulas de algunos ácidos, sus aniones y sales representativas. D ebes m em orizar los nom bres y fórm ulas de ciertos ácidos,d ea cuerdoc onl asi ndicacionesd et up rofesor. V arios de los ácidos de la tabla 6.6 son oxiácid o s; sus aniones contienen oxígeno unido a otro no metal. A dvierte que los oxiácidos de nitrógeno, fósforo, azufre y los halógenost ienenu nan om enclaturac ongruente: L os aniones de los oxiácidos con la term inación -ico llevane ls ufijo- ato. Por ejem plo, el ácido sulfúrico libera aniones sulfato, y el ácido nítrico, aniones nitra­ to. A sí, el sulfato de sodio y el sulfato de calcio son sales del ácido sulfúrico; el nitrato de sodio y el nitrato de potasio son sales del ácido nítrico. L os aniones de los oxiácidos con la term inación -oso llevane ls ufijo- ito. P or ejem plo, el ácido sulfuroso libera aniones sulfito, y el ácido nitroso, aniones nitrito. A sí, el sulfito de sodio es un a sal del ácido sulfuroso, y el nitrito de sodio es una sal del ácido nitroso. (Lee el recuadro “L a quím ica en nuestro mundo: E l nitrito de sodio” .)

T a b la 6.6

Fórmula del ácido

Á c id o s im p o r t a n t e s y s u s s a le s

Nombre del ácido

Fórmula del anión

Nombre del anión

Sal representativa

Estado de oxidación del átom o identific.

Ácidos binarios de halógenos HF

Ácido fluorhídrico

F—

Ion fluoruro

NaF

F = —1

HCl

Ácido clorhídrico

Cl—

Ion cloruro

NaCl

Cl = —1 Br = —1

HBr

Ácido bromhídrico

Br—

Ion bromuro

NaBr

HI

Ácido yodhídrico

I—

Ion yoduro

NaI

I = —1

Ácido sulfúrico

SO42-

Ion sulfato

CaSO 4

S = +6

Ácido sulfuroso

I

Ion sulfito

Na2 SO3

S = +4

H2 S

Ácido sulfhídrico

S2—

Ion sulfuro

Na2 S

S = —2

Ácido nítrico

n o 3—

Ion nitrato

kno3

N = +5

NO 2 —

Ion nitrito

kno2

N = +3

Ion fosfato

Ca3(PO4)2

P = +5

h p o 32—

Ion monoNa3 HPO 3 hidrogenofosfito

P = +3

3

2

H 2 SO 4 H 2 SO 3

S O

Ácidos que contienen azufre

Ácidos que contienen nitrógeno o fósforo HNO 3

H 3 PO 3

Ácido fosforoso

1

Ácido nitroso Ácido fosfórico

4 3O P

HNO 2 H 3 PO4

Ácidos im portantes que contienen carbono H 2 CO 3

Ácido carbónico

c h o 3—

Ion bicarbonato

NaHCO 3

C = +4

CH 3 COOH*

Ácido acético

c h 3c o o —

Ion acetato

NaCH 3 COO

C =

Ácido perclórico

ClO4—

Ion perclorato

KClO 4

Cl = + 7

0

Oxiácidos que contienen cloro f HlO 4 HlO 3

Ácido clórico

ClO3—

Ion clorato

KClO 3

Cl = +5

HlO 2

Ácido cloroso

ClO 2 —

Ion clorito

KClO 2

Cl = +3

HlO

Ácido hipocloroso

ClO—

Ion hipoclorito

KClO

Cl =

* La fórmula del ácido acético se suele escribir como H C 2H 3O 2, y la del acetato, como C 2H 3O 2 . + Los demás oxiácidos que contienen halógenos, y sus sales, se nombran de forma análoga.

E l núm ero de átom os de oxígeno de un oxiácido con la term inación -oso es siem ­ p re uno m enos que el núm ero de átom os de oxígeno del ácido correspondiente con la term inación -ico (el átom o central de los ácidos -osos tam bién tiene siem pre un núm ero de oxidación m enor). P or ejem plo, el núm ero de átom os de oxígeno del ácido sulfuro­ so, el ácido nitroso y el ácido fosforoso es siem pre uno m enos que el núm ero presente en los ácidos -icos correspondientes: los ácidos sulfúrico, nítrico y fosfórico, respecti­ vam ente. D e form a análoga, el núm ero de átom os de oxígeno presentes en una sal con la term inación -ito es siem pre uno m enos que el núm ero presente en la sal correspon­ d iente con la term inación -ato. L os com puestos nitrito de sodio, N aN O 2, y nitrato de sodio,N aN O 3,i lustrane step unto. C uando se form an varios ácidos a p artir de un m ism o no m etal, el núm ero de oxi­ d ación del átom o no m etálico central puede variar am pliam ente, com o se m u estra en la tabla 6.6. Por ejem plo, advierte que se incluyen cinco ácidos que contienen cloro; en ca­ da uno el cloro tiene un núm ero de oxidación diferente. S e incluyen tres ácidos que c o n ­ tiene azufre; en cada uno, el azufre tiene un núm ero de oxidación distinto. T am bién se incluyen dos ácidos que contienen nitrógeno y dos m ás que contienen fósforo, ju n to con susn úm erosd eo xidación.

+ 1

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO E l n itr ito d e s o d io v is to d e c e r c a Los nombres de las sustancias químicas, al igual que los nom­ bres de las personas, se olvidan fácilmente a menos que uno se familiarice con ellos y memorice sus características peculiares. Un nombre como “nitrito de sodio”, por ejemplo, quizá signifique poco más que un nombre en un directorio telefónico, a menos

Nitrito de sodio, NaNO2

que uno lo conozca de primera mano, trabaje con él y aprenda algoi nteresanter espectoa é l. “Nitrito de sodio” es un nombre químico que probable­ mente reconoces, pues ha sido objeto de considerable contro­ versia. Durante muchos años se ha empleado el NaNO 2 para conservar carnes. Además de inhibir su descomposición, ayuda a conservar el color rosado de jamones ahumados, salchichas y carnes frías. Sin embargo, los nitritos han sido investigados co­ mo posible causa de cáncer en el estómago. En presencia del ácido estomacal, los nitritos se convierten en ácido nitroso, HNO2. Si el ácido nitroso reacciona con ciertos compuestos que se cla­ sifican como aminas secundarias, se forman compuestos nitro­ so. Las investigaciones han demostrado que los compuestos nitroso son potentes carcinógenos (sustancias que provocan cán­ cer). Preocupa la posibilidad de que se produzcan compuestos nitroso cuando las carnes que contienen nitritos se calientan a temperaturase levadasa la sarlaso f reírlas. Se ha reducido la cantidad permisible en los alimentos, pero esta medida puede no ser suficiente. La búsqueda de más infor­ mación y mejores productos es permanente; debemos desarrollar nuevos productos continuamente para sustituir los que han deja­ do de ser deseables o eficaces. Como todo en la vida, las necesi­ dades son siempre mayores que los recursos económicos.

V_______________________________________________________________________________________________________________ /

Ácidos que contienen halógenos y sus sales Com parem os ahora los cinco ácidos diferentes de la tabla 6.6 que contienen cloro. U no de ellos, el HCl, se incluye con los ácidos binarios, pues no contiene oxígeno. L os otros cuatro ácidos de cloro son oxiácidos: contienen un átom o de cloro ligado a diversos n ú ­ m eros de átom os de oxígeno. E n la tabla 6.6 se agrupan los oxiácidos de cloro. A dvier­ te que el núm ero de oxidación del cloro es diferente en cada uno de estos ácidos, y varía desde -1 en el H C l hasta + 7 en el H C lO 4. E n la tabla 6.7 se enum eran los sufijos de los oxiácidos de cloro y de sus aniones correspondientes. C om o en el caso de otros oxiácidos, advierte un a vez m ás que 1. L oso xiácidosc one ls ufijo -ico form an aniones y sales que term inan en -ato. 2. L oso xiácidosc one ls ufijo -oso form an aniones y sales que term inan en -ito . 3. U n oxiácido con el sufijo -oso siem pre tiene un átom o de oxígeno m enos que el áci­ do correspondienteq uet erm inae n -ic o . C uando hay m ás de dos oxiácidos de un no m etal en particutar, se usa el prefij o p er- junto con el sufijo -ico para indicar que el núm ero de átom os de oxígeno de un ácido

T a b la 6.7

S u fijo s d e á c id o s y s u s s a le s

Sufijo del ácido

Ejemplo

Sufijo del ion

Ejemplo

Ácid -ico

Ácido perclórico, HClO 4

-ato

Perclorato, ClO4-

-ito

Clorito, ClO2-

Ácido clórico, HClO 3 Ácid -oso

Ácido cloroso, HClO 2 Ácido hipocloroso, HClO

Clorato, ClO3-

Hipoclorito, ClO-

y de su anión correspondiente h a aum entado en uno (p er- tam bién identifica un m ayor estado de oxidación del cloro). Se usa el prefijo hipo- ju n to con el sufijo -oso para indi­ car que el núm ero de átom os de oxígeno de un ácido y de su anión correspondiente ha dism inuido en uno y que, asim ism o, el núm ero de oxidación del cloro h a dism inuido. L os dem ás ácidos que contienen halógenos, y sus sales, se nom bran de form a aná­ loga. Por ejem plo, el H B rO 3 y el H IO 3 se llam an ácido bróm ico y ácido yódico; sus aniones,B rO 3~ e I O3 ,s el lam ani onesb rom atoy y odato,r espectivam ente.

Sales de ácidos polipróticos E l ácido sulfúrico, H 2SO4, se clasifica com o ácido diprótico, pues tiene dos átom os de hidrógeno reem plazables por otros cationes. Cuando los dos átom os de hidrógeno del ácido sulfúrico se sustituyen po r iones sodio, se form a una sal: sulfato de sodio. C uan­ do los tres átom os de hidrógeno del ácido fosfórico, H 3PO 4, se sustituyen p o r iones so­ dio, se form a una sal: fosfato de sodio. L os nom bres y fórm ulas de sales com o éstas se escribenc om os ee xplicór espectoa o trosc om puestosi ónicose nl as ección6 .3. L os ácidos polipróticos, los que tienen m ás de un hidrógeno ácido ionizable, no pierden necesariam ente todos sus átom os de hidrógeno en las reacciones. L as sales que contiene uno o m ás átomos de hidrógeno reem plazables por otros cationes se llam an sales ác id a s. P or ejem plo, si se sustituye un solo ion hidrógeno del ácido sulfúrico, H 2SO4, p o r un ion sodio, se form a la sal ácida: hidrogenosulfato de sodio (N aH SO 4 o bisulfato de sodio). E sta sal ácida contiene el ion hidrogenosulfato, H SO 4 . E n la tabla 6.8 se m uestranl osn om bresy f órm ulasd ei onesy s alesq uec ontienenh idrógenosá cidos.

E J E M P L O 6.11

I Conexión con el mundo real El hidrogenosulfato de sodio se em plea en ciertos lim piadores de tazas de inodoro.

Á cidosysussales

E n los incisos que siguen, escribe la fórm ula quím ica d onde se indica el nom bre; escri­ b e el nom bre donde se m uestra la fórm ula quím ica. (a)

ácidoh ipocloroso

(b) ácidos ulfuroso

(c) ácidob róm ico

(d)

K C H 3C O O

(e) C a(C lO )2

(f) IO f

SOLUCIÓN C onsulta en las tablas 6.6 a 6.8 los nom bres y fórm ulas de com puestos sim ilares. (a)

H C lO

(b) H 2 S O 3

(c) H B rO 3

(d)

acetatod ep otasio

(e) hipocloritod ec alcio

(f) iony odato

T a b la 6.8 Ácido

I Conexión con el mundo real El hipoclorito de calcio es un producto quím ico com ún que se em plea para acondicionar el agua de las alb ercas dom ésticas. Véase el ejem plo 6 .11e.

S a le s y io n e s q u e c o n t i e n e n h id r ó g e n o s á c id o s Ion ácido

Nombre del ion

Sal representativa

Nombre de la sal

H2CO3

h c o 3~

Hidrogenocarbonato (bicarbonato)

NaHCO 3

Hidrogenocarbonato de sodio (bicarbonato de sodio)

H 2 SO4

h s o 4~

Hidrogenosulfato (bisulfato)

NaHSO 4

Hidrogenosulfato de sodio (bisulfato de sodio)

h 2so 3

h s o 3~

Hidrogenosulfito (bisulfito)

NaHSO 3

Hidrogenosulfito de sodio (bisulfito de sodio)

h 3p o4

H 2 PO4 -

Dihidrogenofosfato

NaH 2 PO 3

Dihidrogenofosfato de sodio

h p o 42-

Hidrogenofosfato

Na 2 HPO 4

Hidrogenofosfato de sodio*

*Algunos químicos dirían hidrogenofosfato de disodio, para mayor claridad.

E J E R C IC IO 6 .11 Véanse los problemas 6.29-6.36.

(a) E scribel a f órm ulaq uím icad elá cidoc arbónicoy e ln om bred elK H SO 4. (b) E scribel a f órm ulaq uím icad elh ipocloritod ec alcioy e ln om bred elC H 3CO O H .

Hidratos U n com puesto inorgánico cristalino que contiene un núm ero definido de m oléculas de agua recibe el nom bre de h id ra to . Estos sólidos cristalinos tienen una com posición defini­ da y no parecen contener humedad, pero un calentam iento m oderado provoca el desprendi­ miento de una cantidad fija de agua. Por ejemplo, cuando el hidrato sólido cristalino, de color azul brillante, del sulfato de cobre(II) se calienta p o r encim a de los 100°C en un tubo de ensayo, se desprende agua, la cual se m anifiesta en form a de gotitas de hu m e­ dad en la parte superior, m ás fría, del tubo de ensayo. A l retirar la fuente de calor, en el fondo del tubo queda un residuo sólido casi blanco. E l desprendim iento de agua del h i­ dratos er epresentac om os igue: calor.

Figura 6.10 Los cristales del pentahidrato de sulfato de cobre(II) poseen un color azul brillante característico. Esta sustancia se emplea en medicina, como conservador de madera y en procesos de galvanoplastia, entre otros usos.

CuSO 4 • 5H 2O

CuSO 4

5H 2O

H i dra to

Sal anhidra

A gua

C uando se elim ina el a g u a d e h id r a ta c ió n del hidrato, la sal que se obtiene se d es­ cribe com o una sa l a n h id ra , pues no tiene agua de hidratación. Si el hidrato es colori­ do, com o en el caso del sulfato de cobre(II), se produce un cam bio de co lo r a la p ar de la pérdida de agua; sin em bargo, los hidratos en su m ayoría son blancos, com o sus sales anhidras. Para escribir la fórm ula de un hidrato, coloca un punto centrado entre la fórm ula de la sal anhidra y el núm ero de m oléculas de agua de la unidad m ás sencilla del hidrato. C u SO4 • 5H 2O es la fórm ula del hidrato que se describe en nuestro experim ento. E n este com puesto, hay cinco unidades de fórm ula de H 2O asociadas con u na unidad form ular deC uSO 4 ene ls ólidoc ristalino( F ig.6 .10). Para escribir el nom bre de un hidrato, anota el nom bre de la sal anhidra precedido de las palabras hidrato de con el prefijo griego correspondiente (Tabla 6.3) p ara indicar el núm ero de m oléculas de agua del hidrato. E l nom bre del C uSO 4 • 5H 2O es p en tah i­ drato de sulfato de cobre(II). E n la tabla 6.9 se m uestran los nom bres y fórm utas de algunos hidratos. A dvierte que varios hidratos tienen nombres com unes y aplicaciones m uy conocidas.

E J E M P L O 6.12

Hidratos

E scribel a sf órm ulasd el osh idratoss iguientes. (a) decahidratod ec arbonatod es odio,t am biénc onocidoc om os osap aral avar. (b) heptahidratod es ulfatod em agnesio,t am biénc onocidoc om os ald eE psom . SOLUCIÓN (a) N a 2C O 3 • 10H 2 O (b) M gS O 4 • 7H 2 O E J E R C I C IO 6.12 E scribee ln om breq uím icod el osh idratoss iguientes. (a) C aSO 4 • 2H 2O. E ste com puesto tam bién recibe el nom bre de yeso. E s la sustancia ques ec olocae ntrec apasd ec artónp araf abricarm urosp refabricados. (b) C oC l 2 • 6H 2 O. C onform e este hidrato pierde agua, su color cam bia de rosado a azul. Tiras de papel de ensayo im pregnadas de este hidrato sirven p ara com probar lah um edadd eu nah abitación.

T a b la 6.9

N o m b r e s y f ó r m u l a s d e a lg u n o s h i d r a t o s Nombre químico (nom bre común)

Usos

CaSO 4 • 2H2O

Dihidrato de sulfato de calcio (yeso)

Placas de muro seco, figurillas de escayola

CuSO 4 • 5H2O

Pentahidrato de sulfato de cobre(II) (vitriolo azul)

Insecticida alguicida, conservador de madera

KAl(SO 4 ) 2 • l2H2O

Dodecahidrato de sulfato de aluminio y potasio (alumbre)

Auxiliar en la tinción de telas, incluso pantalones vaqueros

MgSO 4 • 7H2O

Heptahidrato de sulfato de magnesio (sal de Epson)*

Medicina (purgante), tinción, curtido

Na2 CO 3 • 10H2O

Decahidrato de carbonato de sodio (sosa para lavar)

Ablandador de agua, agentes de limpieza

Na2 B4 O 7 • 10H2O

Decahidrato de tetraborato de sodio (bórax)

Detergentes para lavandería, agente ablandador de agua

Na2 S2 O 3 • 5H2O

Pentahidrato de tiosulfato de sodio (hiposulfito para fotografía)

Revelado fotográfico

Fórmula del hidrato

*La sal de Ep so n d ebe su nom bre a Epson, Inglaterra, donde las aguas m inerales q u e contienen esta sal se usaban para rem ojar las articulaciones adoloridas.

Í6.10

Algunas sustancias químicas y sus usos

L a m ayoría de las personas conoce sólo por sus nom bres com unes a m uchas sustancias quím icas de uso cotidiano. Si bien los nom bres quím icos sistem áticos Stock identifican con precisión la com posición del com puesto, no ocurre lo m ism o con los nom bres co ­ m unes. N o obstante, el público en general continúa em pleando los nom bres com unes de las sustancias m ás conocidas. E n la tabla 6.9 se indican los nom bres com unes de algunosh idratos. L a tabla 6.10 incluye los nom bres com unes de varias sustancias quím icas m ás, ju n ­ to con sus fórm ulas, nom bres com unes y usos respectivos. U na de estas sustancias q u í­ m icas es el bicarbonato de sodio, cuyo nom bre com ún de bicarbonato p ara hornear se debe a su uso en ciertas recetas de cocina; tam bién ayuda a elim inar olores del refrig e­ rador. E l óxido de calcio es otra sustancia quím ica im portante, a la que se suele llam ar cal viva, o sim plem ente cal, y es un ingrediente básico del cem ento. C uando se m ezcla óxido de calcio con agua, se desprende gran cantidad de calor y se form a hidróxido de calcio. E ste procedim iento se llam a apagado, y el producto (hidróxido de calcio) se co ­ noce, por tanto, com o cal apagada. E n la tabla 6.10 podrás conocer nom bres com unes de m ás sustancias quím icas y sus usos.

Sus tancias quími cas indus tria les impor tantes Ciertas sustancias quím icas son especialm ente im portantes p ara la industria quím ica ac­ tual. Q uizá conozcas algunas de ellas, pero no otras, porque m uchas se em plean com o m aterias prim as para elaborar otros productos m ás conocidos. C ada año la industria quím ica produce cantidades enorm es de una extensa variedad de sustancias quím icas industriales que se em plean en la m anufactura de m etales y productos m etálicos, papel y sus derivados, productos alimenticios, fertilizantes, fibras sintéticas, adhesivos, plásticos, pintura y otros recubrim ientos, ferretería y productos para la construcción, m edicam entos que se venden con receta o sin receta m édica, cosméticos, productos de lim pieza y m uchos m ás. (Lee el recuadro “L a quím ica en nuestro m undo: C om puestos de alum inio: ¿dañi­ nos o benéficos?) P rácticam ente todos los productos com erciales im plican su preparación, ensayos o em paque por procesos químicos; es decir, han estado en contacto con la industria química.

T a b la 6 .1 0

A lg u n a s s u s t a n c i a s q u ím i c a s c o m u n e s ; s u s n o m b r e s , f ó r m u la s y u s o s

Ácido acético

CH 3 COOH

Vinagre

Carbonato de calcio

CaCO 3

Hidróxido de calcio

Ca(OH ) 2

Piedra caliza, mármol, calcita Cal apagada

Óxido de calcio Dióxido de carbono sólido

CaO CO 2

Cal viva Hielo seco

Monóxido de dinitrógeno (óxido nitroso) Etanol (alcohol etílico) Ácido clorhídrico

N2 O

Gas hilarante

C 2 H5 OH

Alcohol de grano

HCl

Ácido muriático

Óxido de plomo(II)

PbO

Litargirio

Hidróxido de magnesio Metanol (alcohol metílico) Carbonato de potasio

Mg(OH ) 2 CH 3 OH

Leche de magnesia Alcohol de madera

K2 CO 3

Potasa

Bicarbonato de sodio Carbonato de sodio

NaHCO 3 Na2 CO 3

Bicarbonato para hornear Sosa, soda

Cloruro de sodio Hidróxido de sodio

NaCl NaOH

Sal común Sosa cáustica, lejía

Tiosulfato de sodio Sacarosa

Na2S2O3

Hiposulfito Azúcar de caña o de remolacha

Ácido sulfúrico

H 2 SO 4

I Conexión con el mundo real Ácido sulfúrico, núm. 1: El ácido sulfúrico, que es el producto quím ico principal de Estad os Unidos, se em plea en la m anufactura de m ultitud de productos que prácticam ente todo el mundo utiliza.

C 1 2 H2 2 O

11

Ácido de acumulador

Encurtidos, aderezos para ensalada, fabricación de otras sustancias químicas Antiácidos, recubrimientos de tableta, fabricación de cemento Mortero, argamasa, neutralización industrial de ácidos Cemento, mortero, fabricación de acero Refrigeración de objetos enviados por correo, extinguidores de incendios (CO 2 licuado) Anestesia, oxidante para combustible de alta energía Aguardiente, cerveza, vino, combustible, disolvente industrial, manufactura química Limpieza de ladrillos y metales, presente en el ácido estomacal Cemento para conexiones de tubos metálicos Laxante, antiácido Disolvente, combustible, fabricación de adhesivos, plásticos, fibras Fabricación de vidrio, jabón y otras sustancias químicas Bicarbonato para hornear, polvos para hornear Fabricación de vidrio, papel, ablandadores de agua y otras sustancias químicas Sazonador, fusión de hielo Neutralización de ácidos, limpiadores, producción de papel y otras sustancias químicas Procesamiento fotográfico Edulcorante Fabricación de fertilizantes y otras sustancias químicas, refinación de petróleo

L a tabla 6.11 es una lista de algunas de las sustancias quím icas de uso m ás extendido, dispuestas en orden de su producción anual. A unque las cantidades que se producen en E stados U nidos varían año con año, vale la pena echar un vistazo a estas cantidades y a los nom bres, fórm ulas y usos de estas sustancias químicas. Piensa por un m om ento en los productos que com pras o utilizas. ¿C uáles no tienen que ver con sustancias quím icas de alguna m anera? Si crees que puedes citar algunos, ¡piénsalo dos veces! E l ácido sulfúrico, H 2SO4, aparece en p rim er lugar en la tabla 6.11. C on una p ro ­ ducción anual de 48 m illones de toneladas en E stados U nidos (43.5 m illones de tonela­ das m étricas), ocupa el prim er lugar en la producción de productos quím icos en ese país. I P ara tener una idea de la influencia que esta sustancia quím ica tiene en la eco n o ­ m ía de ese país, podem os calcular fácilm ente las ventas anuales totales si consideram os un costo prom edio de $84.00/ton. 4 8 0 0 0 0 0 0 ton -----------------------------------

ano

X

$84.00 ----------- = $4 0 0 0 m illo n es/añ o ton

T a b la 6.11

A lg u n a s s u s t a n c i a s q u ím i c a s i n d u s t r ia le s , s u p r o d u c c ió n y usos*

Nombre químico Fórmula

Producción anual en Estados Unidos (millones de ton)

Fuente

Algunos usos

Ácido sulfúrico H2SO4

48

Oxidación de azufre a SO 3 más agua

Fertilizantes (70%), procesamiento de metales, fabricación de otras sustancias químicas

Nitrógeno N 2 (líquido)

35 (80 000 Mm3)f

Aire licuado

Metales, manufactura química; producción de fertilizantes, refrigeración (—196°C)

Oxígeno

28 (64 000 Mm3)f

Aire licuado

Procesamiento y fabricación de metales (60%), productos químicos (2 0 %)

27

Refinación de petróleo

Plásticos de polietileno para envases de leche, etc. 75%, anticongelante (10%), fibras (5%)

CaO (de piedra caliza) más agua

Manufactura de metales, neutralización de ácidos, papel, control de la contaminación

Reacción de N2 + H2 Electrólisis de NaCl

Fertilizantes (80%), fibras, plásticos, explosivos (5%)

Fosfato roca fosfórica + ácido

Fertilizantes (95%), detergentes, alimento para animales

Electrólisis de NaCl

Manufactura de sustancias químicas (50%), papel, jabón, limpiadores

Minerales o salmuera

Vidrio y sustancias químicas (75%), detergentes y limpiadores ( 1 0 %)

NH 3 , O 2 y H 2 O

Fertilizantes (70%), plásticos, explosivos, fabricación de sustancias químicas

O 2

Etileno C

H2

C

H2

Cal apagada Ca(OH ) 2

2 1

Amoniaco NH3 Cloro Cl2

19

Ácido fosfórico H3PO4

13

Hidróxido de sodio NaOH Carbonato de sodio Na2 CO 3 Ácido nítrico HNO 3 Nitrato de amonio NH 4 NO 3

14

1 2

11

9 8

Sustancias químicas orgánicas y plásticos (65%), blanqueo de pulpa en la fabricación de papel y tratamiento de aguas ( 1 0 %)

Amoniaco + HNO 3

Fertilizantes, explosivos, sustancias químicas orgánicas

Urea (NH 2 )2 C = O

7

Reacción de NH 3 + CO 2

Fertilizantes (80%), alimentos para animales, plásticos

Dióxido de carbono CO 2

5

Subproducto del gas natural y de la fabricación de NH 3

Refrigeración (50%), bebidas (20%), metales y producción de sustancias químicas (15%)

Ácido clorhídrico HCl

4

Subproducto de manufacturas químicas

Refinación de petróleo, sustancias químicas y procesamiento de metales

*Las sustancias químicas aparecen en orden de producción anual estadounidense en 1999. f Mm3 5 millones de metros cúbicos.

L as ventas anuales de las otras sustancias quím icas m ás im portantes se pueden calcular d e f orm aa nálogas is ec onocee lp reciou nitario. C om o el ácido sulfúrico es el ácido de m ás bajo costo, se usa extensam ente en la industria para m uchos fines. A lrededor del 70% de todo el ácido sulfúrico se utiliza en la producción de fertilizantes. C uando se hace reaccionar ácido sulfúrico con m inerales ricos en fosfato de calcio se produce ácido fosfórico, el cual se em plea en la fabricación de cantidadese norm esd e f ertilizantesa b ased e f osfatos. O tro 10% de la producción de ácido sulfúrico se destina al procesam iento de menas de metales y a la fabricación de productos metálicos. U na parte del ácido sulfúrico se emplea

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO C o m p u e s to s d e a lu m in io : ¿ d a ñ in o s o b e n é fic o s ? Los compuestos de aluminio son sustancias importantes. Por ejemplo, para purificar el agua se usa sulfato de aluminio Al2 (SO4 ) 3 e hidróxido de calcio Ca(OH ) 2 (cal apagada). Otro uso está en antiácidos y analgésicos con hidróxido de aluminio (AlOH)3. En lo que toca a alimentación, al elaborar pan, queso y harinas para repostería, se usa fosfato sódico de alu­ minio como agente auxiliar para la fermentación. Y también es común cocinar en recipientes de aluminio. Algunos investigadores han expresado preocupación por la exposición a compuestos de aluminio. Al cocinar puede ocurrir una lixiviación (se extraen uno o varios solutos del sólido, medi­ ante la utilización de un disolvente líquido). En particular, al hervir tomates en ollas de aluminio, pues éstos tienen ácidos que disuelven una capa superficial de óxido de aluminio (Al2 O3), la cual se queda en los alimentos. Se ha vinculado el Alzheimer con el aluminio, pues se ha encontrado este elemento en los pliegues de una proteína de­ formada característica del padecimiento. Pero esto aún no se considera evidencia de una relación entre aluminio y

Véanse los problemas 6 .3 7 -6.4 0 .

Alzheimer. Se sabe que en esta enfermedad inciden factores genéticos que determinan la predisposición, y factores ambien­ tales que la desencadenan. Así que la pregunta aún está abierta: ¿es el aluminio uno de los factores ambientales que favorecen el desarrollo de Alzheimer?

C ie rto s productos de uso cotidiano, com o algunas h arinas para repostería, incluyen alum inio en su com posición.

en los acum uladores de autom óvil. L a industria quím ica consum e grandes cantidades de este ácido en la elabo ració n de otras sustancias q uím icas y de otros p ro d u cto s en los cam pos de la refinación de petróleo, plásticos, detergentes, tintes, m edicinas, insecticidas, herbicidas y m uchos m ás. E l ácido sulfúrico sigue siendo la sustancia quím ica m ás importante; su precio influye en gran m edida en el precio de m uchos otros productos.

Resumen del capítulo Con más de 25 millones de sustancias químicas diferentes, para cualquier sistema de no­ menclatura resulta indispensable contar con nombres y fórmulas carentes de ambigüedad. Cada especie química tiene una fórmula y un nombre definidos. Para nombrar los compues­ tos iónicos, es necesario conocer los nombres y símbolos precisos de los cationes y aniones que los forman. Las tablas 6.1 y 6 . 2 muestran varios iones. En los compuestos, los cationes con números de oxidación diferentes se nombran según el sistema Stock, que emplea números romanos para identificar el estado de oxidación, o en ocasiones mediante un sistema más antiguod es ufijos- oso e -ico. Los aniones que contienen oxígeno (oxianiones) terminan con el sufijo -ato o -ito. El sufijo -ato identifica el oxianión con número de oxidación más alto (el oxianión con más átomos de oxígeno). Cuando existen más de dos oxianiones de un mismo no metal, el ion con un número de oxidación más alto (y más átomos de oxígeno) se identifica mediante el uso combinado del sufijo -ato con el prefijo -per. De forma análoga, el uso del prefijo -hipo con el anión que tiene la terminación -ito identifica el anión con un número de oxidación más bajo, y menos átomos de oxígeno. Todos los compuestos binarios, los que tienen sólo dos tipos de átomos, terminan en el sufijo -uro o -ido para el caso del oxígeno. Todo ion que contenga más de un tipo de átomos se debe encerrar entre paréntesis antes de escribir el subíndice. Se expusieron las reglas pa­ ra nombrar compuestos iónicos cuando se conocen sus fórmulas, y para escribir las fórmulas cuando se indican sus nombres. En un ion poliatómico o compuesto, el número de oxidación de un tipo determinado de átomo se establece por diferencia, con base en los números de oxidaciónf ijosd ec iertase species.

Los compuestos binarios de los no metales se nombran empleando prefijos griegos (Ta­ bla 6.3) para identificar el número de átomos de un tipo determinado presentes en el com­ puesto. En general, el elemento más próximo al flúor en la tabla periódica se escribe primero en el nombre, y al final en la fórmula. Los ácidos acuosos contienen iones hidrógeno además de aniones. Se forman sales cuando los átomos de hidrógeno ionizables de los ácidos se sustituyen por cationes. La tabla 6 . 6 contiene ejemplos de nombres y fórmulas de ácidos y sus sales. Un ácido con la terminación -ico forma una sal con el sufijo -ato. Un ácido con la terminación -oso forma una sal con el sufijo -ito. Los hidratos son compuestos cristalinos con un número definido de moléculas de agua por unidad formular. Para escribir el nombre de un hidrato, al nombre de la sal anhidra se an­ teponen las palabras “hidrato de” con el prefijo griego apropiado para indicar el número de moléculas de agua en la unidad formular. Véase la tabla 6.9. Se continúan usando los nombres comunes de muchas sustancias químicas (Tabla 6.10). En la tabla 6.11 se muestran algunas de las sustancias químicas que se producen en mayor cantidad comenzando por el ácido sulfúrico, que ocupa el primer lugar en términos de producción anual. Prácticamente todos los productos de consumo del comercio implican su producción, ensayos o empaque en procesos químicos. Para resolver los problemas de los capítuloss iguientesn ecesitaráse scribirn ombresy f órmulasq uímicas.

Evalúa tu comprensión: repaso y autoevaluación 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Escribir símbolos y nombres de cationes y aniones. [6.1, 6.2] Escribirf órmulasd ec ompuestosi ónicosc uandos ec onoces un ombre.[ 6.3,6 .4] Escribirn ombresd ec ompuestosi ónicosc uandos ec onoces uf órmula.[ 6.5] Escribirf órmulasy n ombresd ec ompuestosb inariosd en om etales.[ 6 .6 ] Establecer el número de oxidación de los elementos presentes en compuestos o iones.[ 6.7] Escribir nombres y fórmulas de ácidos y sus sales. [6 .8 ] Escribirn ombresy f órmulasd eh idratos.[ 6.10] Identificarl osn ombresc omunesy u sosd ec iertass ustanciasq uím icas.[ 6.10] Identificar los nombres comunes y usos de las principales sustancias químicas industriales.[ 6 . 1 0 ]

Términos clave ácido [6 .8 ] ácido carboxílico [6 .8 ] acuoso [6 .8 ] agua de hidratación [6.9] aniones [6 . 1 ] cationes [6 . 1 ] estado de oxidación [6.7]

grupo carboxilo [6 .8 ] hidrato [6.9] ion hidronio [6 .8 ] iones poliatómicos [6 .2 ] mínimo común múltiplo [6.3] nomenclatura química [introducción]

número de oxidación [6.7] oxiácido [6 .8 ] sal [6 .8 ] sal ácida [6.9] sal anhidra [6.9] sistema Stock de nomenclatura [6 . 1 ]

sustancias químicas inorgánicas [introducción] sustancias químicas orgánicas [introducción]

Problemas S ím b o lo sd e i o n e s in d iv id u a le s 6 .1

¿Qué elemento está presente en los iones que tiene los sufijos- ato e -ito?

Escribe los símbolos, con carga, de los iones siguien­ tes; además, determina el número total de átomos pre­ sentes en cada uno de ellos.

6 .2

Describe lo que indican los prefijos bi-, tio-, hipo- y per- en la nomenclatura química.

a. ionb icarbonato

b. ionc arbonato

c. iont iosulfato

d. ionc romato

6 .3

6 .4

Escribe los símbolos, con carga, de los iones siguien­ tes; además, determina el número total de átomos pre­ sentes en cada uno de ellos. a.iona monio

b.

c.

ionb isulfito

d. ionp ermanganato

e.

ionh idróxido

f.

g.

ionh ipoclorito

h.

ionb isulfato

6 .5

e. iona cetato

f. ionf osfato

g. ionf osfito

h. ionf osfuro

Escribe los nombres de los iones siguientes empleando los sufijos -oso e -ico. Describe cómo se emplean los sufijos- oso e -ico en cada par.

iond icromato

a. co bre(I) y c o bre(II)

ionp erclorato

b. hierro(II)y h ierro(III)

6 .6

Escribe los nombres de los iones siguientes empleando los sufijos -oso e -ico. Describe cómo se emplean los sufijos- oso e -ico en cada par. a. estaño(II)y e staño(IV)

6 .1 7

Escribe los nombres de los compuestos del problema 6.15 empleando las antiguas terminaciones latinas -oso e -ico.

6 .1 8

Escribe los nombres de los compuestos del problema 6.16 empleando las antiguas terminaciones latinas -oso e -ico.

6 .1 9

b. mercurio(I)y m ercurio(II) 6 .7

Escribe los símbolos del ion peróxido y del ion mercuro so.

6 .8

¿Qué tienen en común los iones peróxido y mercuroso?

Escribe la fórmula química de los compuestos siguien­ tes.

6 .9

Escribee ln ombred el osi oness iguientes.

a. hidróxidod eb ario

a. 6 .1 0

ClO3—

b. ClO4—

d. SCN—

e. SO42—

c. carbonatod ea monio d. cianuro cúprico (se emplea para depositar electrolíticamentec obres obreh ierro ;e st óxico)

Escribee ln ombred el osi oness iguientes. a. B r— b. N 3— c. O2— d. P 3—

e. fosfato de calcio (se emplea en fertilizantes, como agente antiendurecedor en alimentos y en polvos de pu li men to)

e. O H —

6 .2 0

N o m e n c la tu ra d e c o m p u e s to s ió n ic o s 6 .1 1

b. ni tri to d e c ro mo(III)

c. CO32—

M uestra los iones y fórmulas para cada uno de los compues tos s i guien tes. a.

peróxidod es odio

b.

c.

nitratod ec obalto(III)

d. sulfatod ec romo(III)

a. nitratod ec admio b. hidróxidod en íquel(III)

óxidof érrico

c. dicromatod ea monio d. hipoclorito de calcio (se emplea como desinfectante ya lguicidae nl asa lbercas)

e. permanganatod ep otasio 6 .1 2

6 .1 3

M uestra los iones y fórmulas para cada uno de los compues tos s i guien tes. a.

clo ru ro d e a lu mi nio

b.

hi dró xi do d e a lu minio

c.

sul fa to d e a mo nio

e. oxalato de amonio (se emplea para eliminar herrum­ bre y sarro) 6 .2 1

Escribe la fórmula química de los compuestos siguien­ tes.

d. fosfatof erroso

a. cromato estánico (se emplea para colorear loza y porcelana)

e. sul fu ro d e a n ti mo nio(III)

b. sulfurod ep lomo(II)( minerall lamadog alena)

M uestra los iones y fórmulas individuales de los compues tos s i guien tes.

c. acetato ferroso (se emplea como conservador de la madera y en la tinción textil)

a. hidróxidod ec alcio( see mpleae ne lm ortero)

d. tiocianatod ea monio

b. fluoruroe stanoso( see mpleae np astasd entífricas) c. fosfatod ea monio( see mpleae nf ertilizantes)

6 .1 4

Escribe la fórmula química de los compuestos siguien­ tes.

e. hidróxidod en íquel(III)

d. carbonatod ec alcio( see mpleae na ntiácidos)

Escribe la fórmula química de los compuestos siguien­ tes.

6 .2 2

e. hipocloritod ec alcio( see mpleae nl asa lbercas)

a. fosfatod ep lomo(II)( muyt óxico)

M uestra los iones y fórmulas individuales de los compues tos s i guien tes.

b. cromato férrico (se emplea en cerámica y metalur­ gia)

a. carbonatod ep otasio( see mpleap arah acerv idrio) b. acetatod ec alcio( see mpleae nl ac arnee nlatada)

c. cianuro cuproso (se emplea en la galvanoplastia de latóny c obre)

c. hidróxidod em agnesio( see mpleae nl axantes)

d. sul fu ro d e a mo nio

d. tiosulfatod es odio( see mpleae nf otografía)

e. nitrurod ep lata

e. carbonatod es odio( see mpleae nd etergentes) 6 .1 5

6 .1 6

Escribe el nombre Stock (IUPAC) de estos compuestos. a. SnCl 4

b. Hg 2 Cl2

N o m e n c la tu ra d e c o m p u e s to s b in a r io s d e n o m e ta le s

c. FeO

d. M nCl 2

6 .2 3

e. CuS

f. Co (NO 3 ) 3

Escribe el nombre Stock (IUPAC) de estos compuestos.

Escribe las fórmulas donde se indican los nombres, y escribe los nombres con prefijos griegos donde se muestranl asf órmulas.

a. Cr2 O 3

b. CuCH 3 COO

a.

óxidon ítrico

b. disulfurod ec arbono

c. Pb (NO 3 ) 2

d. HgS

c.

N2 O3

d. N 2O

e. Fe 2 (SO 4 ) 3

f. Cu(OH) 2

e.

SO 3

f. P 2 O 5

6 .2 4

Escribe las fórmulas donde se indican los nombres, y escribe los nombres con prefijos griegos donde se mues­ tran las fór mu las.

6 .3 3

a. óxidon itroso b. tetraclorurod ec arbono c. SF 6 6 .2 5

d. N 2 O 5

6 .3 4

f. PCl3 e. NO, Escribe las fórmulas donde se indican los nombres, y escribe los nombres con prefijos griegos donde se mues­ tran las fór mu las. 6 .3 5

a. pentaclorurod ef ósforo b. tetróxidod ed initrógeno C. P 4O 10 6 .2 6

d. N 2O 5 Escribe las fórmulas donde se indican los nombres, y escribe los nombres con prefijos griegos donde se mues­ tran las fór mu las.

6 .3 6

a. hexa sul fu ro d e t e trafós fo ro

Escribe el nombre correcto de los ácidos y sales si­ guientes. a. H 3 PO 4

b. K 3 PO 4

c. K2H PO 4

d. KH 2PO 4

Escribe el nombre correcto de los ácidos y sales siguien­ tes. a. H 2 SO 4

b.

KH SO 4

c. HNO 3

d.

KNO 3

Escribe el nombre correcto de los ácidos y sales siguien­ tes. a. H 2 CO 3

b.

KH CO 3

c. K 2 CO 3

d.

HF(ac)

Escribe el nombre correcto de los ácidos y sales siguien­ tes. a. H 2 SO 3

b.

c. N a 2 SO 3

d. CH 3 COOH

NaH SO 3

b. trióxidod ed initrógeno c. SO 2

Q u ím ic a d e s c rip tiv a , n o m b re s c o m u n e s d e s u s ta n c ia s q u ím ic a s y s u s ta n c ia s q u ím ic a s in d u s tria le s

d. CBr 4 D e te r m in a c ió n d e n ú m e ro s d e o x id a c ió n 6 .2 7

Determina el número de oxidación del elemento que se especificae nl osc ompuestosy i oness iguientes. a. S en K 2 SO 4

6 .2 8

6 .3 7

Escribe la fórmula química, el nombre y un uso común de cada una de estas sustancias químicas. (Consulta las fórmulas en las tablas 6.9 y 6.10.) a. eld ecahidratoc onocidoc omos osap aral avar

b. S en SO 32 -

b. elp entahidratol lamadoh iposulfitop araf otografía

c. S en SO 3 gaseoso d. Ie nH IO 3

c. cal a pa ga da

d. le che d e m ag ne sia

e. I en HIO 2

e. bicarbonatop arah ornear g. hielos eco

f. ácidod ea cumulador h. gash ilarante

f. I en HIO

Determina el número de oxidación del elemento que se especificae nl osc ompuestosy i oness iguientes. b. P en PO 33 a. P en Na 3 PO 4 c. M n en MnO 4

d. M n en M nO 2

Escribe la fórmula química, el nombre y un uso común de cada una de estas sustancias químicas. (Consulta las fórmulas en las tablas 6.9 y 6.10.)

e. N en HNO 3

f. N en HNO 2

a. eld ihidratol lamadoy eso

6 .3 8

b. sal d e E p som, u n h ep ta hi dra to c. bórax,u nd ecahidrato

N o m e n c la tu ra d e lo s á c id o s y s u s s a le s 6 .2 9

6 .3 0

a. ácidob romhídrico

b. ácido nítrico

c. ácidon itroso

d. ácidoc arbónico

e. bromurod ep lata

f. nitratod ep lata

6 .3 2

e. cal v iva f. piedrac aliza g. eli ngredientef undamentald elv inagre h. azúcard ec aña

Escribel af órmulad el osá cidosy s aless iguientes. a.

ácidoh ipocloroso

b. ácidoc loroso

c.

áci do c ló ri co

d. áci do p er cló ri co

Escribe la fórmula química, la fuente industrial, la pro­ ducción anual aproximada y dos usos de cada una de estasi mportantess ustanciasq uímicasi ndustriales.

f. hipocloritod es odio

a. ácidos ulfúrico

e. cloritod es odio 6 .3 1

d. lejía,s osac áustica

Escribel af órmulad el osá cidosy s aless iguientes.

6 .3 9

Escribel af órmulad el osá cidosy s aless iguientes.

b. áci do f os fó ri co

a.

ácidoa

cético b. acetatod ep otasio

c. hi dró xi do d e s o dio

c.

ácidos

ulfuroso d.

e.

áci do c

lor hi dri co f.

sulfitod ea monio

clo ru ro d e m ag ne sio 6 .4 0 Escribel af órmulad el osá cidosy s aless iguientes. a.

ácidoc arbónico

b. carbonatod el itio

c.

ácidof osfórico

d. fosfatod em agnesio

e.

ácidos

ulfúrico f. sulfatod eb ario

d. carbonatod es odio Escribe la fórmula química, la fuente industrial, la pro­ ducción anual aproximada y dos usos de cada una de estasi mportantess ustanciasq uímicasi ndustriales. a. cala pagada c. urea

b. amoniaco d. ácidon ítrico

/ Q v Estudiantes en

™ acción Ha nacido un compuesto... y ¿cómo se llama? Lleva a cabo la siguiente actividad y enfrenta el reto de nombrar los compuestos químicos que se forman. Consulta las reglas de Nomenclatura de este capítulo y las Tablas 6.1 y 6.2 de símbolos y nombres de algunos cationes y aniones comunes. M a te ria le s y re a c tiv o s • Tubos de ensayo para microescala

• Lentes de seguridad

• Pipetas de 1 mL

• Pinzas

• Espátula

• Blanqueador doméstico

• Clavo

• Azufre en polvo

• Lija

• Ácido clorhídrico 0.1 M

• Cucharilla de combustión

• Hidróxido de sodio 0.1 M

• Magnesio en tiras metálicas

• Vidrio de reloj

• Mechero Bunsen

• Vaso de precipitados de 10 mL.

• Guantes de neopreno

E x p e rim e n to A P r o c e d im ie n to 1.

Lija un clavo, sumérgelo en blanqueador doméstico y observa al día siguiente. El blanqueador es una disolución en la que por acción del hipoclorito se aumenta la concentración de oxígeno disuelto, debido a ello, es oxidante y al colocar el objeto se oxida más rápidamente.

2.

Completa la tabla con los iones que dan origen al compuesto x. Escribe los datos faltantes e investiga algunos usos del com­ puesto formado. La reacción producida es:

F e (s) hierro

C atión

Fe3*

Anión

+ O 2(ac ) oxígeno

+

H 2O (1 ) — > F e ( O H ) 3(ac) agua

compuesto x

Fórmula del com puesto x

N om bre del com puesto x

Usos

Fe(OH)3

E x p e rim e n to B 1.

Con ayuda de las pinzas, sostén una tira de magnesio de aproximadamente 1 cm y llévala a la parte azul de la flama de un mechero Bunsen. Caliéntala hasta que percibas una luz blanca muy intensa (no la mires directamente, cuando la percibas, desvía la vista, sin dejar de trabajar), recoge las cenizas en un vidrio de reloj.

2.

Completa la tabla con los iones que dan origen al compuesto x , escribe los datos que hacen falta e investiga algunos usos del compuesto formado.

La reacción producida es:

2 M g (s)

+

O 2(g )

magnesio

Catión

— > 2 M g O (s)

oxígeno

compuesto x

Fórmula del com puesto x

Anión

N om bre del com puesto x

Usos

MgO

O2—

E x p e r im e n to C 1.

Coloca azufre en polvo hasta un tercio de la capacidad de una cucharilla de combustión limpia y seca. Luego, llévala a la parte azul de la flama de un mechero Bunsen y observa.

2.

Completa la tabla con los elementos que dan origen al compuesto x, escribe los datos que hacen falta e investiga algunos usos del compuesto formado. La reacción p roducida es:

S (s)

+ O 2( g )

azufre

No m etal

— > 2 S O 2(g )

oxígeno

compuesto x

Oxígeno

Fórmula del com puesto x

O2

SO2

N om bre del com puesto x

Usos

E x p e rim e n to D 1.

Usa guantes de neopreno y gafas de seguridad para este paso. Coloca 0.5 mL de hidróxido de sodio 0.1 M en un vaso de pre­ cipitados de 10 mL y, con mucho cuidado, adiciona 0.5 mL de ácido clorhídrico 0.1 M.

2.

Completa la tabla con los iones que originan al compuesto x y al subproducto, escribe los datos que hacen falta e investiga algunos de los usos del compuesto formado. La reacción producida es:

N a O H (a c )

+

hidróxido de sodio

H C l(a c ) ----» N a C l(s ) ácido clorhídrico

+

compuesto x

Cationes (falta incluir uno de ellos)

Aniones (falta incluir uno d e ellos)

Fórmula del com puesto x

Na*

Cl—

NaCl

H 2O (1 ) subproducto

N om bre del com puesto x

Usos

7

Propiedades periódicas de los elementos

H ay belleza en la ROSA que surge de la incorporación ordenada de pétalos, capa sobre capa, hasta formar un hermoso capullo o una flor. Hay belleza en la MÚSICA que surge de una serie de tonos que se conjugan, octava tras octava, a partir de un conjunto fundamental de notas, hasta formar un espectro total de sonido. H ay belleza en la QUÍMICA que surge de una serie de propiedades de elementos que se repiten una y otra vez, periodo tras periodos, en la tabla periódica. —Ralph Burns

l estudiar las diversas propiedades de los elementos y sus reacciones, los quí­ micos comprendieron que estas propiedades se presentan de forma periódica, y que estas propiedades guardan una relación directa con la estructura electró­ nica. En este capítulo explicaremos lo valiosísima que resulta la tabla periódica para predecir ciertas propiedades de los elementos. Asimismo, incluiremos algunos usos prácticosd ev ariose lementosp aram ostrarl ad ependenciae ntreu sosy p ropiedades.

A

[ 7.1

Orden a partir del caos: descubrimientos sobre la periodicidad

Hagamos un viaje imaginario en el tiempo, al siglo x i x . En esa época se descubrían nue­ vos elementos con una frecuencia sorprendente. Ya para 1830 se conocían 55 elementos, todos ellos con propiedades que parecían distintas y sin un orden evidente. Las personas en general —no sólo los científicos— tienden a buscar patrones regulares en la naturaleza e intentan encontrar orden en medio de un caos aparente. Varios químicos hicieron intentos por organizar los elementos de alguna forma sistemática. En 1817 J. W. Dobereiner, profesor de química en Alemania, demostró que la masa atómica del estroncio se aproxima mucho a un promedio de las masas atómicas de dos metales similares: el calcio y el ba­ rio. Tiempo más tarde, descubrió que hay otras tríadas de elementos similares, como li­ tio, sodio y potasio, o cloro, bromo y yodo (Fig. 7.1). Dobereiner recomendó clasificar los elementos por tríadas, pero no consiguió identificar suficientes de ellas para que el sistema fuese útil. Su propuesta no encontró la aceptación deseada, pero se le reconoce por estos intentos precursores de clasificar los elementos. Se propusieron también otros esquemas de clasificación, entre ellos el de Newlands. I La organización más satisfactoria de los elementos fue obra de Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907), un profesor ruso de química (Fig. 7.2), quien señaló que las propiedades, tanto físicas como químicas, de los elementos varían periódicamente al aumentar la masa atómica. I Esto se conoce como la ley periódica. En 1869, a la edad de 35 años, Mendeleev publicó una tabla periódica de los elementos que es parecida a la tabla periódica moderna. En su tabla los elementos estaban ordenados por masa atómica creciente, y en periodos, de modo que los elementos con propiedades químicas simila­ res estuviesen en la misma columna vertical, o grupo. Hubo algunos casos en los que Mendeleev tuvo que colocar un elemento de masa atómica un poco mayor antes de un elemento de masa atómica algo menor. Por ejemplo, situó el telurio (con masa atómica de 127.6) antes que el yodo (con masa atómica de 126.9) porque las propiedades del te­ lurio se parecían a las del azufre y del selenio, en tanto que el yodo se asemeja al cloro y al bromo. Mendeleev dejó algunos huecos en su tabla. En vez de considerar esos espacios en blanco como defectos, audazmente predijo la existencia de elementos que aún no habían sido descubiertos. Más aún, predijo incluso las propiedades de algunos de esos elementos faltantes. En vida de Mendeleev se descubrieron varios elementos nuevos, entre ellos el

1

2

H

He

1.01 3

NA

NIA IVA

4

5

6

7

Li

Be

B

c

N

6.94 9.01 11 12 Na

K

Ca

VIA VI IA 4.00 8 9 10 O

F

Ne

10.8 12.0 14.0 16.0 19.0 20.2 13 14 15 16 17 18

Mg

23.0 24.3 19 20

VA

Al

Si

P

S

Cl

Ar

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

27.0 28.1 31.0 32.1 35.5 40.0 31 32 33 34 35 36

Se

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

39.1 40.1 45.0 47.9 50.9 52.0 54.9 55.9 58.9 58.7 63.5 65.4 69.7 72.6 74.9 79.0 79.9 83.8 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Te

Ru

85.5 87.6 88.9 91.2 92.9 95.9 (99) 101 55 56 57 72 73 74 75 76 Cs

Ba

La

Mf

Ta

W

Re

Os

Rh

Pd

Ag

Cd

Ir

Pt

Au

Hg

133 137 139 179 181 184 186 190 192 195 197 201 87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112 Fr

Ra

Ac

Rf

Db

Sq

Bh

Hs

ln

Sn

Sb

Te

I

Xe

103 106 108 112 115 119 122 128 127 131 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 TI

Pb

Bi

Po

Mt

(233) (226) (227) (261) (262) (263) (264) (265) (268) (269) (272) (277)

At

Rn

204 207 209 (210) (210) (???) 114 116 (285)

(289)

I Ley d e las octavas En 1864, el quím ico inglés John A. R. New lands propuso su “ley de las octavas” después de advertir que, cuando se organizan los elem entos en orden de masa atómica creciente, cada octavo elem ento tiene p ro piedad es sim ilares. (En esa época aún no se habían descub ierto los gases nobles.) El trabajo de New lands fue ridiculizado por otros científicos de la Royal C h e mi cal So ciety, quie nes se negaron a publicarlo, pero m uchos años más tarde fue distingui do por la mis ma so cie dad por sus im portantes aportaciones.

I

Para M endeleev, la periodicidad estaba relacionada con la masa atóm ica, pero hoy día se usa el número atóm ico. Véase el trabajo de M oseley en la secció n 7.2.

Figura 7.1

L o sp eso sa tóm icos

d ele lem en to cen trald ec ad at ríada d ee lem entos tien en v alores n um éricoss itu ad o sa m edioc am ino entrel osc o rresp o n d ien tesa l o so tros elem en to sd e la t ríada.

escandio (Sc), el galio (Ga) y el germanio (Ge); sus propiedades químicas coincidieron, dentro de límites estrechos, con las propiedades pronosticadas por Mendeleev. Aunque se reconoce a Mendeleev como el descubridor de la tabla periódica, el quí­ mico alemán Lothar Meyer había ideado de forma independiente su propia tabla perió­ dica en 1868, pero su trabajo no se publicó hasta 1870, un año después de la publicación de Mendeleev, quien, sin embargo, ya había logrado considerable notoriedad al predecir I audazmentel asp ropiedadesq uímicasd ec iertose lementoss ind escubrir. EJEM PLO 7.1

Predicción d e las m asas atóm icas

Para la tríada Li, Na y K, determina la masa atómica del Na con una precisión de 0.1 uma, calculando el promedio de las masas del Li y K. (Las masas atómicas aparecen en la tabla periódica de la parte interior de la portada de este libro.) Com­ para tu respuesta con la masa atómica del sodio que presenta la tabla. SOLUCIÓN

Li uma + K uma 6.9 uma + 39.1 uma „ --------------------- = ----------- ------------- = 23.0 uma

2

Figura 7.2

D m itriM endeleev

(1 8 3 4 -1 9 0 7 ) fu e el q u ím ico ruso que

2

Esta masa atómica del sodio, Na, coincide con el valor que se muestra en la tabla perió di ca.

in v en tó l at ab lap erió d icad el os elem en to s.N acid o enS ib e ria ,f ue el m en o r d e 17 herm anos.

Véanse los problemas 7.1 -7.8 .

EJER CIC IO 7.1

(a) Determina la masa atómica prevista para el escandio con una aproximación de 0.1 uma promediando las masas del Ca y del Ti. Compara tu respuesta con la ma­ sa del Sc que se muestra en la tabla periódica. (b) Determina la masa atómica prevista para el germanio con una aproximación de 0.1 uma promediando las masas del Si y del Sn. Compara tu respuesta con la ma­ sa del Ge que se muestra en la tabla periódica.

^7.^ I Un premio perdido M endeleev no recib ió el Premio Nobel de Q uím ica de 1906 por un solo voto, y murió antes de la elección del año siguiente. Al elem ento 101 (descubierto en 1955) se le dio el nom bre de m endelevio en su honor.

La tabla periódica en nuestros días

Desde la época de Mendeleev, la tabla periódica ha experimentado numerosos cambios pa­ ra incluir elementos nuevos, valores más exactos y diferentes formas de rotular los grupos (columnas) de elementos de la tabla. El interior de la cubierta de este libro muestra una ta­ bla periódica moderna, la cual será conveniente consultar con frecuencia. En la tabla perió­ dica moderna el orden de los elementos coincide con el aumento en el número atómico, es decir, en el número de protones presentes en el núcleo de cada elemento. Aproximadamen­ te 45 años después de que Mendeleev ideara la tabla periódica, pero tan sólo dos años des­ pués de las investigaciones de Rutherford sobre el núcleo, Henry Moseley, un estudiante de posgrado que trabajaba con Rutherford, perfeccionó una técnica para establecer el tamaño de la carga positiva de un núcleo. Moseley concluyó que cada elemento difiere de todos los demás elementos en que tiene un número de protones (o número atómico) distinto. En el caso de la mayor parte de los elementos, el aumento en el número atómico coincide con un aumento de masa atómica. Son excepciones a esta regla el telurio y el yodo, ya menciona­ dos, así como el cobalto, el níquel, el argón y el potasio. En la actualidad, los elementos están organizados en la tabla periódica en orden del número atómico, no de la masa atómica, creciente. Observa que no falta ningún número atómico entre los primeros 112 elementos incluidos en la tabla. Por tanto, podemos estar seguros de que jamás se descubrirá algún elemento intermedio entre dos cualesquiera de estos 112 elementos. Las dos filas de metales de transición interna, situados debajo del cuerpo principal de casi todas las tablas periódicas actuales, no formaban parte de la tabla periódica de Mende­ leev. Hasta antes de que Glenn T. Seaborg (1912-1999) desoyera el consejo de sus colegas

S9

Metales de transición interna

Figura 7.3

G len n T.S eaborg

(1912-1999), qu ien p articip arae n eld escu b rim ien to y preparación d ev ario se lem en to st ransuránicos, tam b ién h izo h isto riac uando m o d ificó l at ablap eriódica co lo can d o l o sa ctínidosd ebajo d el cu erp o principal de la tab la, ju n to con lo s dem ás elem entos de tran sició n i nterna,c o m o a quís e m uestra. F u e un o de los g alardonados cone lP rem io N obel d eQ u ím icad e1 951. A le lem en to 106 se le d io el n om bre de seaborgio, Sg, en su honor.

y publicara su propia versión de la tabla periódica, los elementos de número atómico 90, 91 y 92 (torio, Th, protactinio, Pa, y uranio, U) seguían al actinio en el cuerpo principal de la tabla periódica (Fig. 7.3). Seaborg estaba convencido de que el Th, el Pa y el U, así co­ mo los recién descubiertos elementos transuránicos I precisamente los que Seaborg y sus colegas sintetizaran en la Universidad de Calfornia en Berkeley, tenían propiedades seme­ jantes a las de los demás elementos de transición interna situados debajo del cuerpo princi­ pal de la tabla periódica. Su modificación de la tabla periódica hizo posible predecir con exactitud las propiedades de elementos transuránicos aún no descubiertos. La síntesis de varios de estos elementos probó que Seaborg tenía razón; su perspicacia cambió la forma de las tablas periódicas que se usan hoy en día.

P e rio d o s d e e le m e n to s: te n d e n c ia s g e n e ra le s

Un periodo de elementos, una fila horizontal (Fig. 7.4), de la tabla periódica presenta una variación en cuanto a propiedades físicas y químicas que muestra un estrecho para­ lelismo con la variación de las propiedades de otros periodos. Por ejemplo, el segundo y tercer periodos de elementos comienzan con metales brillantes y reactivos a la izquierda, seguidos de sólidos opacos y no metales reactivos. Cada periodo termina en un gas noble incoloro y no reactivo. Esta tendencia del aspecto va de la mano de la tendencia del ca­ rácter metálico al no metálico dentro de un periodo. El aumento en el número de electrones de valencia de los elementos del tercer perio­ do es paralelo al incremento en el número de electrones de valencia de los elementos del segundo periodo. El primer elemento de cada periodo tiene un electrón de valencia en su nivel de energía más alto. Por ejemplo, el litio tiene un electrón en su segundo nivel de

I C onexión con el aprendizaje Los elem entos transuránicos son los que siguen al uranio en la tabla periódica; es decir, son los elem entos de número atómico m ayor de 9 2 .

Figura 7.4

E nl at ablap eriód ica

hays ietep eriodosd ee lem entos. A q u í se d estaca el p eriodo 3.

1

.........................

-

2_ 3 4

| | | | | | | | |

5 _________________________ 6 __________________ 7

energía; el sodio, un electrón de valencia en su tercer nivel de energía, y el potasio, un electrón de valencia en su cuarto nivel de energía. En resumen, los cambios periódicos de las propiedades de los elementos coinciden con su ubicación en la tabla periódica. G ru p o s y fa m ilia s d e e le m e n to s

Las columnas verticales de elementos de la tabla periódica se llaman grupos de elemen­ tos cuando se incluye el número de la columna, o bien familias químicas cuando se in­ cluye el nombre de la familia. Por ejemplo, los melales del Grupo IA pertenecen a la familia de los metales alcalinos (Fig. 7.5). Los elementos de una misma familia tienden a tener propiedades químicas similares. En Estados Unidos los encabezados de grupo de los elementos representativos (los de las primeras dos y las últimas seis columnas de elementos) se han designado tradicional­ mente mediante un número romano seguido de la letra A, en el caso de los grupos del IA al VIIIA (los gases nobles). Los grupos de los metales de transición, situados cerca del centro de la tabla, se designan con la letra B. En Europa, todos los grupos a la izquierda del Gru­ po VIII de los metales de transición se designan como grupos A, y los que están a la derecha de ese mismo grupo se designan como grupos B. Se han presentado numerosas propuestas para resolver este dilema. Una propuesta de la American Chemical Society que está ganando aceptación evita la notación A y B numerando simplemente los grupos en or­ den, del 1 al 18. Debido a que aún no se ha resuelto la cuestión de cómo rotular los grupos, los estudiantes de química tendrán que aceptar el uso de tablas periódicas con sistemas de notación diferentes. En este libro emplearemos el extendido sistema de rótulos A y B, pre­ ferido por muchos educadores en el campo de la química. Como se describió en el capítulo 5, todos los elementos de un mismo grupo tienen igual número de electrones de valencia. Todos los elementos del Grupo IA tienen un electrón de valencia: un electrón s. Todos los elementos del Grupo IIA tienen dos elec­ trones de valencia s. Estos dos grupos de elementos constituyen el bloque s de elemen­ tos. Los elementos de los grupos IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA y VIIIA tienen de uno a seis electrones, respectivamente, en el subnivel p más externo. Estos elementos constituyen el bloque p de elementos. Los grupos de los metales de transición, situados cerca del centro de la tabla periódica, tienen de uno a diez electrones en el subnivel d.

Figura 7.5

L a fam ilia d e los

m etalesa lcalin o s( G rupoI A )e s

1

18

IA

VINA

H 1s1

el g ru p o que o cu p a el extrem o izq u ierd o d el at ab lap eriódica.

2

13

14

15

IIA

NIA

IVA

VA VIA

Li 2s1 Na 3s1 K 4s1 Rb 5s1 Cs 6s1 Fr 7s1

3

4

MIES IVB

5

6

7

VB

VIB

VIIB

8

9 VIIIB

10

11

12

IB

IIB

16

17 Vil A

EJEM PLO 7.2

F u n d am en to s d e la ta b la p eriódica

Indica el nombre de la familia de elementos con números atómicos 9, 17, 35, 53 y 85, y describe sus semejanzas en términos de propiedades metálicas o no metálicas, número dee lectronesd ev alenciay s ubniveld ee lectrones. SO LUCIÓN Se trata de la familia de elementos de los halógenos (identificada en el

capítulo 4). Todos los halógenos son no metales con siete electrones de valencia (dos electronesd ev alenciae stáne nu ns ubnivel s, y cinco más, en un subnivel p). EJER CIC IO 7.2

(a) ¿Qué periodos de elementos contienen metales de transición? ¿Cuáles no los con­ tienen? (b) ¿Quép eriodosd ee lementosc ontienenm etalesd et ransicióni nterna?

^ 7.^

Véansel os problemas 7 . 9 -7 . 2 2 .

Tamaño atómico y tamaño iónico

No es posible establecer el radio o volumen exacto de un átomo porque éste no es una esfera dura con límites definidos. La probabilidad de encontrar un electrón disminuye a distancias mayores respecto al núcleo, de una manera comparable con la disminución del oxígeno atmosférico al aumentar la distancia respecto a la Tierra. Por consiguiente, el tamaño atómico se basa en una distancia media entre los electrones externos y el nú­ cleo. El radio de un átomo se puede citar en angstroms (1 Á = 1 X 1 0 10 m), pero las unidades SI son los nanómetros (1nm = 1 X 10 9 m) o picómetros (1 pm = 1 X 1 0 12m). Por ejemplo, un átomo de sodio tiene un radio de 1.86 Á, 0.186 nm o 186 pm.

T e n d e n c ia s d e l ta m a ñ o a tó m i co

La variación del tamaño de los átomos es una propiedad periódica, como se muestra en la Fig. 7.6. Observa que cada máximo de la gráfica representa el radio relativamente grande del átomo de un metal alcalino. En la Fig. 7.7 se muestran en formato de tabla periódica, con fines comparativos, los radios atómicos de los elementos representativos. Last endenciasd elt amañoa tómicos er esumenc omos igue.

Figura 7.6

E lt am añ o a tó m ico e s

unap ropied ad p eriódica,c om o l o in d ical ag ráficaq uem u estrae lr adio atóm icoe n f u n ció n d eln úm ero ató m ico de los elem entos de los periodos 2 , 3 , 4 y 5. (N o se inclu y e el tam año de los metales de transición.)

Número atómico

H

He

37

53 NA

IIIA

IVA

VA

VIA

Vil A

d

Li

Be

B

C

N

0

F

Ne

152

111

88

77

75

73

71

69

9

«

4

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

186

160

143

117

104

99

97

4 3

9

9

110 a

»

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

153

122

121

117

114

109

231

197

L itro s ------>M o le s ------>G ram os

1L 0.125 mol 294 g K ,C r,07 250.0 m L X ----------- X ------------- X ------B ^ 2 7 = 9.19 g K ,C r,0, 1000 mL L mol & ^ 2 7 Para preparar la solución se deben disolver 9.19 g de K2Cr20 7 en agua suficiente para com ­ pletar un volum en total de 250. mL. L a solución se debe rotular com o K2Cr20 7 0.125 M. E J E R C IC IO 9.13

(a) ¿C uántos gram os de K C l se necesilan p ara preparar 500. m L de u na solución 0.100 M ? (b) ¿C uántos gram os de K 2C r20 7 se n ecesitan p ara preparar 500. m L de un a solución 0.150 M ?

Figura 9.6 Parap reparar2 50m L deu nas oluciónd em olaridad específica,( a)s eo btienel am asa apropiadad el as ustanciaq uímica, (b) se transfiere la sustancia a un matraz aforado de 250 mL, parcialmente llenod ea gua destilada, y (c) se agrega agua destiladae nc antidads uficiente para llenar el matraz hasta la marca correspondiente. Una vez que se ha mezcladop erfectamente,s ep uede colocarl as olucióne nu nab otella cone lr ótuloa decuadop arau sarla en el laboratorio. (a) U na vez preparada la solución de m olaridad específica com o se describe en el ejem plo 9.13 y en la figura 9.6, se puede m edir el volum en específico necesario para obtener un núm ero determ inado de m oles o gram os de la sustancia quím ica deseada. U n a vez m ás, parte de la cantidad conocida (el núm ero de m oles o gram os) y usa la m o­ laridad com o factor de conversión para calcular el volum en necesario, com o se m uestra en el ejem plo 9.14. Cálculo de volúmenes d e soluciones molares

E J E M P L O 9*14

¿C uántos m ililitros de solución 0.125 M de K 2C r2O7 (preparada com o se describe en el ejem plo 9.13) se necesitan para obtener 0.0250 m ol de K 2C r2O 7? SOLUCION ■ P A S O 1 Inicia con la cantidad conocida: el núm ero de m oles de K 2C r2O 7. ■ P A S O 2 Convierte los m oles a litros con la m olaridad com o factor de conversión. ■ P A S O 3 C onvierte los litros a m ililitros porque la cantidad se debe indicar en m i­ lilitros. L as erie dec onversioness er esum ec om os igue. Plan: M o le s ------>L itros 1

0.0250 m ol X

M i li li tros

L

1000 m L X — --------- = 200. m L 1L 0.125 m ol

O bserva que la m olaridad, M , en m oles por litro se em plea com o factor de conversión invertida, escrita con litros en el num erador (arriba) p ara que los m oles se elim inen y se o btenga una cantidad en litros. D espués, en el factor siguiente, los litros se convierten a m ililitros. E J E R C IC IO 9.14

(a) ¿C uántos m ililitros de solución 0.125 M de K 2C r2O 7 (preparada com o se describe en el ejem plo 9.14) se necesitan para obtener 1.36 g de K 2C r2O7? Sugerencia: Parte de los gram os de K 2C r2O7, convierte a m oles y continúa com o se indica en el ejem plo 9.14. (b) ¿C uántos m itititros de sotución 0.125 M de K 2C r2O7 se necesitan p ara obtener 2.38 g de K 2C r2O 7?

Véansel os problemas 9.4 7 -9.5 4 .

264

| CAPÍTULO 9 ■ C antidades quím icas

Preparación de soluciones por dilución U na solución de concentración conocida se puede diluir con agua p ara preparar un a so ­ lución de cualquier concentración que se desee, siem pre y cuando sea m enor que la de la solución original. Por ejem plo, el ácido clorhídrico concentrado, que se com pra com o solución de H C l 12.0 M , se puede diluir p ara preparar un volum en específico de un a so­ lución de H C l 2.0 M . E l núm ero de m oles de soluto presentes en la solución original se calcula m ultiplicando el volum en de la solución original en litros (V1) p o r la m olaridad del as olucióno riginal( M 1 en m oles p o r litro).

Moles Volumen de la solución original en litros X -------- = Moles de soluto antes de la dilución Litro V 1M 1 = M o les1 D e form a análoga, m ultiplicando el volum en de la solución diluida en litros (V2) po r la m olaridad de la solución d iluida (M2 en m oles por litro) se obtiene el núm ero de m olesd es olutop resentese n l as oluciónd iluida.

Moles Volumen de la solución diluida en litros X -------- = Moles de soluto después de la dilución Litro V2M 2 = M oles2 D urantel ad ilución,e ln úm erod em olesd es oluton oc am bia. M oles 1 = M oles2 P or tanto, el producto del volum en por la m olaridad (V 1M 1) antes de diluir es igual al producto del volum en por la m olaridad (V2M 2) después de la dilución. E sto proporciona la ecuación siguiente, que es m uy útil p ara efectuar cálculos relacionados con diluciones. V1M 1 = V2M 2 L as unidades de volum en que se utilicen en esta ecuación no deben ser forzosam en­ te litros, pero se deben em plear las m ism as unidades p ara V1 y V2. Se pueden em plear co ­ m o unidades de volum en m ililitros, cuartos, pintas, cucharadas, onzas fluidas o cualquier otra unidad de volum en, siem pre y cuando las unidades sean las m ism as para am bos vo­ lúm enes. D e m odo análogo, las concentraciones (C 1 y C2) pueden indicarse en m olari­ dad, en porcentaje o en cualquier otra unidad de concentración idónea. Tam bién en este caso se deben em plear las m ism as unidades de concentración p ara las soluciones original y final. A sí pues, se pueden em plear cualesquiera unidades de volum en y unidades de concentración apropiadas p ara efectuar cálculos relacionados con diluciones, siem pre y cuando no se cam bie de unidades durante los cálculos. L a ecuación general es V1C1 = V2Q E l ejem plo9 .15i lustral osc álculosr eferentesa d iluciones.

E J E M P L O 9.15

Cálculos d e diluciones

C alcula cuántos m ililitros de ácido clorhídrico concentrado, H C l 12.0 M , se necesitan p ara preparar 500. m L de una solución de H C l 2.00 M . E x p lica cóm o se debe llevar a cabol a dilución. SOLUCIÓN ■ P A S O 1 É stee su np roblem ad ec oncentracionesm olares.L ae cuacióne s V1M 1 = V M ■ P A S O 2 Identifical osv aloreso riginaly f inal( despuésd ed iluir).

■

Original

Final

E = ? M 1 = 12.0 M

V2 = 500. m L M 2 = 2.00 M

P A S O 3 Sustituyel osv aloresa propiadose nl ae cuación. Vj X 12.0 M = 500. m L X 2.00 M (500. m L) (2.00 M ) (12.0 M )

■

= 83.3 m L

P A S O 4 P ara preparar la solución 2.00 M , diluye 83.3 m L el H C l 12.0 M hasta com pletara nv olum ent otald e5 0 0 .m L y m ezclap erfectam ente.

Véansel os problemas 9.5 5 -9.58

E J E R C IC IO 9.15

(a) ¿C uántos galones de una solución de insecticida al 16.0% utilizaría una com pañía de jardinería p ara preparar 800. gal de una solución al 0.0450% ? E xplica cóm o se debe efectuar la dilución. (b) ¿C uántos m ililitros de H C l 2.00 M se necesitan p ara preparar 250. m L de una so­ lución de H C l 0.100 M ?

1

Figura 9.7 Ela cetileno( a)y elb enceno( b)t ienenf órmulas molecularesd iferentes( C2H2 y C6H6,r espectivamente),p erol a mismaf órmulae mpírica( CH).

9 .7 , Fórmulas empíricas y fórmulas mole cu lares

Las fórm ulas em píricas y m oleculares son dos tipos claram ente distintos de fórmulas quí­ m icas que se em plean con propósitos diferentes. Com parem os el acetileno gaseoso, C2H2, que se utiliza para soldar, con el benceno, C6H6, un líquido que se usa com o disolvente y en la producción industrial de m uchas sustancias quím icas orgánicas. L a com posición p o r­ centual de las dos sustancias se puede establecer m ediante el procedim iento descrito en la sección 9.3. A unque las fórm ulas m oleculares son diferentes, observa que el benceno tiene tres veces m ás átom os de C y de H que el acetileno. Los cálculos siguientes dem uestran que am bos com puestos tienen los m ism os porcentajes de carbono y de hidrógeno.

Un mol de acetileno, C2H2 = 26.0 g C:

24.0 g C tt

26.0 g C2H2

Fórmula molecular:

c 2h 2

Fórmula empírica:

CH

(a)

Un mol d e benceno, C6H6 = 78.0 g 72.0 g C

x 100% = 92.3% C

C : 7 8 . 0 g C 6H 6 X 1 0 0 % = 9 2 . 3 % C

X 10 0 % - 7 7 % H

H ; 7 8 .0 g C 6 H 6 * 1 0 0 % — 7 .7 % H

2.0 g H H ; 2 6 .0 g C A

H—C = C —H

6.0 g H

Suma de los porcentajes = 100.0%

H

Suma de los porcentajes = 100.0%

H

L a fó rm u la m o le cu lar de un com puesto indica el núm ero real de átom os de cada elem ento presentes en cada m olécula. L as fórm ulas m oleculares del acetileno y del ben ­ ceno son C2H 2 y C 6H 6,r espectivam ente. L a fó rm u la em p íric a , tam bién conocida com o la fó rm u la m á s sim ple, indica la ra ­ zón m ás sim ple de núm eros enteros de los átom os de cada elem ento presente en un com ­ puesto. Por consiguiente, la fórm ula em pírica del acetileno es CH. L a razón m ás simple de átom os de C a átom os de H en el benceno, C6H 6, tam bién es de 1:1. L a fórm ula em pí­ rica del benceno es CH . A sí pues, am bos com puestos tienen la m ism a fórm ula em pírica, que es CH (Fig. 9.7).

H

/ Cv

xc

c

e cv

H

I H

Fórmula molecular:

CgHg

Fórmula empírica:

CH

(b)

E n resum en, el acetileno y el benceno tienen fórm ulas m oleculares diferentes, C 2H 2 y C6H6, pero estos com puestos tienen la m ism a fórm ula m olecular, CH , y los m ism os porcentajes de C y de H.

E J E M P L O 9.16

Fórmulas em píricas y moleculares

C onr espectoa c ad af órm ulam olecular, proporcional a f órm ulae m p íricaa propiada. (a ) glucosa,C 6H 12O 6 (b ) agua, H 2O (c) etilenglicol,u na nticongelante,C 2H 6O 2 SOLUCION (a ) D ividel oss ubíndicese n tre6 p arao b ten er C H 2O . (b ) L a f órm ulae m píricat am biéne s H 2O . (c) D ividel oss ubíndicese ntre2 p arao b ten er C H 3O . E J E R C IC IO 9.16

Véanse los problemas 9.5 9 -9.6 2 .

(a) ¿C uále sl a f órm ulae m píricad elp eróxidod eh idrógeno,H 2O 2? (b) ¿C uále sl a f órm ulae m píricad elb utano,C 4H 10?

Cómo determinar fórmulas empíricas

Conexión con el aprendizaje Evalúa lo que has comprendido resolviendo los ejercicios y después los problemas que se incluyen al fi nal del ca pítu lo.

L a fórm ula em pírica de un com puesto se determ ina a partir de datos experim entales. E sto es posible si conocem os y a sea la cantidad en gram os de cada elem ento que se com bina p ara form ar un com puesto en particular, o bien el porcentaje de cada elem ento presentee ne lc om puesto( lac om posiciónp orcentual). R ecuerda que la fórm ula em pírica m u estra la razón m ás sim ple de los átom os p re­ sentes en el com puesto. L as razones atóm icas son proporcionales al núm ero de m oles de cada tipo de átom o presente. Si podem os establecer el núm ero de m oles de cada ele­ m ento presente, tam bién podem os calcular las razones de núm eros enteros m ás sim ples de los átom os presentes. E ste conjunto m ás sim ple de núm eros enteros corresponde a los subíndices de la fórm ula em pírica del com puesto. E stu d ia los pasos que se describen en los ejem plos siguientes. L os ejem plos 9.17 y 9.18 ilustran la form a de calcular las fórm ulas em píricas cuando se conoce y a sea la cantidad en gram os de cada elem ento o losp orcentajesd ec adau no.

E J E M P L O 9.17

Fórmula empírica

Se calentó una m uestra de 6.50 g de crom o pulverizado en oxígeno puro. L a m asa del com puesto que se obtuvo fue de 9.50 g. ¿C uál es su fórm ula em pírica? SOLUCION ■ P A S O 1 E stablecel am asad ec adae lem entop resentee n e lc om puesto. M asa de C r = 6.50 g (dato) M asa de O = 9.50g d em asac om binada - 6.50 g de C r = 3.00g d eo xígeno( obtenidap o r“ diferencia”) ■ P A S O 2 Convierte los gram os de cada elem ento a m oles con base en las m asas m olares. Cr:

1 m ol C r 6.50 g C r X -------------= 0.125 m ol C r 5 52.0 g Cr

1 m ol O 3.00 g O X ------------ = 0.188 m ol O 16.0 g O

O:

L as razones m olares aquí obtenidas son iguales a las razones atóm icas. P or tanto, podríam os escribir la fórm ula em pírica com o C r0.125O 0.188, pero esta form a no es aceptable.D ebem ose stablecere lc onjuntom ásp equeñod en úm eros enteros. ■

P A S O 3 D educe el conjunto m ás pequeño de núm eros enteros. Prim ero, divide el núm ero de m oles de cada elem ento entre el m enor de los dos valores. 0.125 m ol Cr: --------------- = 1.00 0.125 m ol

O:

0.188 m ol --------------- = 1.50 0.125 m ol

Si en este punto aparece un valor decim al, com o se m u estra en este problem a, en ­ tonces no hem os obtenido el conjunto m ás pequeño de núm eros enteros, esto es, las razones atóm icas. P ara elim inar los decim ales m ultiplica am bos valores por el en ­ tero m ás pequeño posible (2, 3, 4 o 5) que dé el conjunto m ás pequeño de núm eros enteros. E n el caso de este problem a, necesitam os m ultiplicar am bos valores por 2 porquee ld ecim ald elo xígenoe stáe nm edios. Cr:

1.00 X 2 = 2

O:

1.50 X 2 = 3

L a f órm ulae m píricae s C r2O 3. E J E R C IC IO 9.17

(a) U na m uestra de 1.75 g de estaño m etálico reaccionó con brom o suficiente para producir un com puesto con una m asa de 4.10 g. ¿C uál es su fórm ula em pírica? (b) U na m uestra de 1.00 g de estaño m etálico reaccionó con 4.27 g de yodo. ¿C uál es la f órm ulae m pírica delc om puesto? E n el paso 3 del ejem plo 9.17 el valor decim al del oxígeno fue de 1.50. E n este ca­ so m ultiplicam os por 2 porque 1.50 equivale a 1 - o -f. Siem pre que el valor decim al apa­ rezca com o un m últiplo de 0.50 o - , podrem os elim inar las fracciones m ultiplicando por 2. D e m odo análogo, si el valor decimal es un m últiplo de 0.333 o 0.666, el equivalente en fracciones está en tercios. Podem os elim inar los m últiplos de un tercio multiplicando por 3. A sim ism o, si el valor decim al es un m últiplo de 0.250 o 0.750, el equivalente en fraccio nes está en cuartos. Podem os elim inar los múltiplos de un cuarto multiplicando por 4. P or últim o, si el v alor decim al es un m ú ltip lo d e 0.20, com o 0.40, 0.60, 0.80, y así sucesivam ente, el eq uivalente en fracciones está en q uintos. P od em o s elim in ar los m ú ltip lo s de un quinto m u ltip lican d o p o r 5. E n la tabla 9.1 se resum en los valores decim ales y sus equivalentes en fracciones sim ples. Se entiende que un valor calculado de 0.498 o 0.499 se debe probablem ente a pequeños errores al redondear los valores y debe tratarse com o 0.500. D el m ism o m o ­ do, los valores de 1.32 y 1.65 deben tratarse com o 1.333 y 1.666, respectivam ente. T a b la 9.1

E q u iva le n cia s en tre d e c im a le s y fra c c io n e s sim p les

Valor decimal

Fracción simple

Multiplicada por este en tero

Da este número en tero

Valor decimal

Fracción simple

Multiplicada por este entero

Da este número entero

0.500

=T

X2

1

0.200

=y

X5

1

0.333

=T

X3

1

0.400

=T

X5

2

0.667

=■

X3

2

0.600

= |

X5

3

0.250

= 4-

X4

1

0.800

=f

X5

4

0.750

= 44

X4

3

Todos los cálculos p ara establecer fórm ulas em píricas deben efectuarse a tres o cuatro cifras significativas. U n redondeo dem asiado prem aturo (con m enos de tres cifras sig­ nificativas) puede dar lugar a errores en las razones m ás sim ples de núm eros enteros. E l cálculo de fórm ulas em píricas tam bién se puede llevar a cabo con base en porcen­ tajes en vez de las m asas individuales de los elem entos presentes en el com puesto, com o se m uestra en el ejem plo 9.18. Para ello, conviene utilizar sim plem ente una m uestra de 100.0 g del com puesto y m ultiplicar cada porcentaje p o r 100.0 g. Por ejem plo, el 82.7% de 100.0 g es 82.7 g, y el 17.3% de 100.0 g es 17.3 g. D e este m odo, podem os em plear los porcentajes de igual form a que las m asas. E J E M P L O 9.18

Fórmulas em píricas a partir de porcentajes

E l glicerol, una sustancia quím ica que se em plea en lociones p ara las m anos, contiene 39.10% de carbono, 8.77% de hidrógeno y 52.13% de oxígeno. ¿C uál es la fórm ula empíricad elg licerol? SOLUCION ■ P A S O 1 Si las cantidades se indican com o porcentajes, supón que tienes una m uestra de 100.0 g del com puesto. Para calcular la m asa de cada elem ento p resen ­ te en la m uestra, m ultiplica el porcentaje de cada elem ento p o r 100 g. E n 100.0 g de glicerol hay 39.10 g de carbono, 8.77 g de hidrógeno y 52.13 g de oxígeno. ■ P A S O 2 C on base en las m asas m olares, convierte los gram os de cada elem ento (paso 1 ) a m oles.

C:

1 mol C 39.10 g C X -----------------= 12.0 g C

3.258 mol C

H:

1 mol H 8.77 g H X ------------ = 8.683 mol H 1.01 g H

O:

1 mol O 52.13 g O X ------------ = 3.258 mol O 16.0 g O

L as razones m olares aquí obtenidas son iguales a las razones atóm icas. Ya sólo hace faltae stablecere lc onjuntom ásp equeñod en úm eros enteros. ■ P A S O 3 D ivide el núm ero de m oles de cada elem ento entre la m enor de las tres cantidadesc alculadas.E n e stec aso,d ividirem ose ntre3 .258m ol.

_ 3.258 mol ^ ------ - = 1.00 C: 3.258 mol ^

O:

8.683 mol ^ ------ - = 2.66 3.258 mol

H:

3.258 mol ------- 7 3.258 mol

tt—

=

„

1 .0 0

U no de los valores, 2.66, no es un núm ero entero; está en tercios. Podem os m ultiplicarlop or3 p arao btenere lc onjuntom ásp equeñod en úm erose nteros. C:

1.00 X 3 = 3 O:

H:

2.66 X 3 = 7.98 u 8.0

1.00 X 3 = 3

L a f órm ulae m píricae s C 3H 8O 3. E J E R C IC IO 9.18

Véanse los problemas 9 .63-9 7 o.

(a) ¿C uál es la fórm ula em pírica de un com puesto que contiene 43.66% de fósforo y 56.34% de oxí geno? (b) ¿C uál es la fórm ula em pírica de un com puesto que contiene 11.44% de fósforo y 88.56% de brom o?

Si se conoce la m asa m olar de un com puesto y su fórm ula em pírica, se puede establecer la fórm ula molecular. C om o se explicó en la sección 9.7, tanto el acetileno, C2H 2, con una m asa m olar de 26.0 g/mol, com o el benceno, C6H 6, con una m asa m olar de 78.0 g/mol, tienen la m ism a fórm ula em pírica, CH. E l acetileno, C2H2, contiene dos unidades de fórm ula empírica. Su fórm ula m olecular contiene dos veces m ás átom os de C y de H que los que están presentes en la fórm ula em ­ pírica, y su m asa m olar es el doble de la m asa de la fórm ula empírica. M asa m olar d el acetileno

_ 26.0 g

M asa d e la fórm ula em pírica C H

13.0 g = 2 unidades d e fórm ula em pírica

E la cetileno,c ond osu nidadesd e f órm ulae m pírica,t ienel a f órm ulam olecularC 2H 2. E l benceno tiene una fórm ula m olecular que contiene seis veces m ás átom os de C y de H que los que están presentes en la fórm ula em pírica, y su m asa m olar es seis veces el peso de la fórm ula em pírica. M asa m olar del benceno

78.0 g

M asa de la fórm ula em pírica C H

13.0 g = 6 unidades de fórm ula em pírica

E lb enceno,c ons eisu nidadesd e f órm ulae m pírica,t ienel a f órm ulam olecularC 6H 6. A sí pues, podem os calcular el núm ero de unidades de fórm ula em pírica presentes en la fórm ula m olecular dividiendo la m asa m olar de un com puesto entre la m asa de su fórm ula em pírica. L a fórm ula m olecular se establece m ultiplicando cada subíndice de la fórm ula em pírica por el núm ero de unidades de fórm ula em pírica.

Fórm ula em pírica Ejem plos:

X

N úm erod eu nidadesd e fórm ulae m pírica

CH CH

X X

2 6

= =

C 2H 2 C 6H 6

(acetileno) (benceno)

C H 3O

X

2

=

C 2H 6O 2

(eti len gli col)

E J E M P L O 9 .19

F ó rm ulad e lam olécula

Fórmulas moleculares a partir d e fórmulas empíricas

P or m edio de un espectróm etro de m asas de un laboratorio de quím ica analítica, se en ­ contró que uno de los com puestos presentes en la gasotina tenía una m asa m o tar de 114.0 g /m o l. O tro análisis perm itió establecer los porcentajes de C y de H en el co m ­ puesto, encontrándose que el com puesto tiene la fórm ula em pírica C4H 9. ¿C uál es la fórm ula m oleculard ee stec om puesto? SOLUCION ■ P A S O 1 C alcula eln úm erod eu nidadesd e f órm ulae m píricad elc om puesto. M asa m olar del compuesto

114.0 g

M asa de la fórm ula empírica C4H 9

57.0 g = 2 unidades de fórmula empírica

Fórm ula em pírica

X

N úm erod eu nidadesd e fórm ulae m pírica

Fórm ulad e lam olécula

C4H 9

X

2

C»H1S

L a f órm ulam oleculare s C SH, Véanse los problemas 9.71 -9.7 4 .

E J E R C IC IO 9.19

(a) U na sustancia quím ica que se utiliza en la fabricación de alfom bras p ara interio­ res y exteriores tiene la fórm ula em pírica C H 2 y un a m asa m olar de 42.0 g/mol. ¿C uále sl a f órm ulam oleculard ee stec om puesto,c uyon om bree sp ropileno? (b) U na sustancia quím ica presente en el líquido para encender carbón tiene la fórm u­ la em pírica C H 2 y una m asa m olar de 168 g/m ol. ¿C uál es la fórm ula m olecular de esta sustancia?

E n el próxim o capítulo trabajarem os con varios tipos de reacciones quím icas. M ás adelante, en el capítulo 1 1 , com binarem os los cálculos descritos en este capítulo con inform ación referente a reacciones quím icas específicas (Capítulo 10) para determ inar cantidades de sustancias que participan en reacciones químicas.

Resumen del capítulo Nuestra capacidad para hacer uso de la información química se ve muy limitada hasta que aprendemos a realizar cálculos en los que interviene el mol químico. La suma de las masas atómicas de un compuesto, en unidades de masa atómica, proporciona el peso formular, llamadot ambiénp esom olecularc uandoe lc ompuestot ienee nlacesc ovalentes. Con el mol se puede contar el número de Avogadro (6.022 X 1023) de moléculas, áto­ mos, electrones o cualquier otro tipo de unidades formulares. La fórmula química indica la proporción de átomos y la proporción de moles de átomos presentes en el compuesto. La composición porcentual de un compuesto es una lista de los porcentajes, en masa, de cada elementop resentee ne lc ompuesto. La masa molar de un compuesto es equivalente al peso formular expresado en gramos. La masa molar se emplea como factor de conversión para convertir gramos a moles y vice­ versa. Si se conoce la masa de un mol de partículas, se puede calcular la masa de cualquier partículau nitariad ividiendol am asad eu nm old ep artículase ntree ln úmerod e Avogadro. La molaridad, M, de una solución es el número de moles de una sustancia disueltos en agua suficiente para completar un litro de solución. Una vez que se ha preparado una solu­ ción con una molaridad específica, se puede calcular el volumen de solución necesario para teneru nn úmeroe specíficod em oleso d eg ramosd es oluto. M o le s

V olum en (en litros) X ---------- = M oles de soluto L itro „ M oles G ram os „ , , V olum en (en litros) X -----------X ------------ = G ram os de soluto L itro M ol E l volum en, V1, de un a solución de concentracion conocida, C 1, que se necesita para preparar un volum en específico, V2, de una solución de concentración C2 por dilución sec alculam ediantel ae cuación

La razón de números enteros más simple de los átomos de cada elemento presente en un compuesto se le llama fórmula empírica. La fórmula molecular indica el número real de áto­ mos de cada elemento presente en una molécula. La composición porcentual de un compuesto permite calcular la fórmula empírica de éste. Si se conoce la masa molar del compuesto, se puede establecer el número de unidades de fórmula empírica y la fórmula m olecular real. La fórmula molecular puede ser igual a la fórmula empírica, o bien un múltiplo entero simple (1, 2, 3, etc.) de la fórmula empírica. La mejor forma de aprender a resolver problemas como éstos consiste en practicar resolviendol osp roblemasq ues ei ncluyena lf inald elc apítulo.

Evalúa tu comprensión: repaso y autoevaluación 1. Calculap esosf ormularesy p esos molecularesd ec ompuestos.[ 9.1] 2. Describee lm olq uímicoy e ln úmerod e Avogadro.[ 9.2] 3. Definel am asam olary c alculam asasm olaresd ec ompuestos.[ 9.2] 4. Calculal ac omposiciónp orcentuala p artird eu naf órmulaq uímica.[ 9.3] 5. Convierteg ram osd eu nas ustanciaa m olesy v iceversa.[ 9.4] 6. Calculal am asad eá tomosy m oléculasi ndividuales.[ 9.5] 7. Interconviertem asa,m olesy n úmerod eá tomoso i ones.[ 9.5] 8. Describel ap reparaciónd es olucionesc onc oncentracionesm olares.[ 9.6] 9. Explical ad iferenciae ntrel as formulase mpíricasy l asm oleculares.[ 9.7] 10. Calculaf órmulase mpíricasy m olecularesa p artird ed atos.[ 9.7-9.9]

Térmi nos clave composiciónp orcentual[ 9.3] concentración[ 9.6] disolvente [9.6] fórmulae mpírica[ 9.7]

fórmulam áss imple[ 9.7] fórmulam olecular[ 9.7] masam olar[ 9.2] mol [9.2]

mo lar [ 9.6] molaridad[ 9.6] peso formular[ 9.1] peso molecular[ 9.1]

porcentajee np eso[ 9.3] so lu to [ 9.6]

Pro ble mas Pesosf orm ularesy pesosm oleculares

M oles y m a sas m ola res

9.1

Describe el uso correcto de los términos “peso formu­ lar’^ “ pesom olecular” .

9.5

9.2

Critica este enunciado: “El peso molecular del KCl es de 74.6 uma.”

9.3

Calculae lp esof ormulard el osc ompuestoss iguientes. a. Ca3(P 0 4)2 (presentee nl osh uesos) b. C2H50 H ,e tanol( alcohole tílico) c. ácido sulfúrico (la sustancia química que más se fabri ca) d. nitratod em agnesio( seu tiliza enp irotecnia)

9.4

Calculae lp esof ormulard el osc ompuestoss iguientes. a. M g (0 H )2 (presentee nl a“ leched em agnesia”) b.

(NH4)3P 0 4 (see mpleae nf ertilizantes)

c. hidróxido de calcio (se emplea en el mortero para ladri llos) d. CH3C 0 0 H ,á cidoa cético( presentee ne lv inagre)

9.6

La fórmula del dióxido de carbono gaseoso es C 0 2. De­ termina a. la masa de un mol (la masa molar) del C 0 2 gaseoso. b. el número de átomos presentes en una molécula de C 0 2 gaseoso. c. el número total de átomos presentes en un mol de C 0 2 ga seo so. d. la masa de 2.50 mol de C 0 2 gaseoso. e. el número de moles de C 0 2 gaseoso que hay en 70.0 g de C 0 2 gaseoso. Laf órmulad elo xígenog aseosoe sO 2.D etermina a. la masa de un mol (la masa molar) del oxígeno gaseoso. b. el número de átomos presentes en una molécula de oxígenog aseoso. c. el número total de átomos presentes en un mol de oxígenog aseoso. d. la masa de 2.50 mol de oxígeno gaseoso. e. el número de moles de oxígeno gaseoso que hay en 70.0g d eo xígenog aseoso.

9.7

9.8

9.9

9.10

9.11

La fórmula de la glucosa es C6H 12O 6.D etermina a. la masa de un mol de glucosa. b. el número de átomos presentes en una molécula de glu co sa. c. el número total de átomos presentes en un mol de gluco sa. d. la masa de 0.125 mol de glucosa. e. el número de moles de glucosa que hay en 50.0 g de glu co sa. La fórmula de la cafeína es C8H 10N4O 2.D etermina a. la masa de un mol de cafeína. b. el número de átomos presentes en una molécula de cafeína. c. el número total de átomos presentes en un mol de cafeína. d. la masa de 0.125 mol de cafeína. e. el número de moles de glucosa que hay en 50.0 g de cafeína. Con respecto al hidróxido de calcio, Ca(OH)2, que se empleae ne lm orterop aral adrillos,d etermina a. el número de iones calcio, Ca2+, presentes en una uni­ dad formular de Ca(OH)2. b. el número de iones hidróxido, OH - , presentes en una unidadf ormulard eC a(OH)2. c. el número de moles de iones calcio, Ca2+, presentes en 2.50 mol de Ca(OH)2. d. el número de moles de iones hidróxido, O H - , pre­ sentes en 2.50 mol de Ca(OH)2. Con respecto al (NH4)3PO4, que se emplea en muchos fertilizantes,d etermina a. el número de iones amonio, NH4+, presentes en una unidadf ormulard e( NH4)3PO4. b. el número de iones fosfato, PO43-, presentes en una unidadf ormulard e( NH4)3PO4. c. tnúmero de moles de iones amonio, NH4+, presentes en 0.240 mol de (NH4)3PO4. d. el número de moles de iones fosfato, PO43 -, presen­ tes en 0.240 mol de (NH4)3PO4. Con respecto al hidróxido de aluminio, Al(OH)3, que se empleae nc iertosa ntiácidos,d etermina a. el número de iones aluminio presentes en una uni­ dad formular de Al(OH)3. b. el número de iones hidróxido presentes en una uni­ dadf ormulard e Al(OH)3. c. el número de moles de iones aluminio presentes en 0.222 mol de Al(OH)3. d. el número de moles de iones hidróxido presentes en 0.222 mol de Al(OH)3. Con respecto al fosfato de sodio, N a3PO4, que se em­ plea en la fabricación de papel y textiles y para limpiar superficiesq ues ev ana p intar,d etermina a. el número de iones sodio presentes en una unidad formulard eN a3PO4. b. el número de iones fosfato presentes en una unidad formulard eN a3PO4.

c. el número de moles de iones sodio presentes en 0.130 mol de N a3PO4. d. el número de moles de iones fosfato presentes en 0.130 mol de N a3PO4. C álculosd ec om posición

9.13 9.14 9.15 9.16 9.17 9.18

¿Cuántos gramos de nitrógeno contiene un fertilizante pa­ ra pasto por cada 1000 g de (NH4)3PO4 presentes en él? ¿Cuántos gramos de fósforo contiene un fertilizante pa­ ra pasto por cada 1000 g de (NH4)3PO4 presentes en él? ¿Cuántos gramos de iones N a+ contiene una muestra de 10.0 g de NaCl (sal común)? ¿Cuántos kilogramos de Cu se pueden obtener de cada 10.0 kg de mena de Cu2S? ¿Cuántos kilogramos de Zn se pueden obtener de cada 10.0 kg de mena de Zn2SiO4? ¿Cuántos kilogramos de Pb se pueden obtener de cada 10.0 kg de mena de PbS (llamada galena)?

9.19

¿Cuál es la composición porcentual (en masa) del amoniacog aseoso,N H3?

9.20

¿Cuál es la composición porcentual (en masa) del sul­ fato de amonio, (NH4)2SO4?

9.21

¿Cuál es la composición porcentual (en masa) del nitra­ to de amonio, NH4N O 3? ¿Cuál es la composición porcentual (en masa) de la urea, N 2H4CO? Todos los compuestos mencionados en los problemas del 9.19 al 9.22 se emplean como fertilizantes. ¿Cuál de ellos tiene el mayor porcentaje (en masa) de nitrógeno?

9.22 9.23

9.24 9.25

¿Cuál compuesto, el fosfato de amonio o el fosfato de calcio,t ienee lm ayorp orcentaje( enm asa)d ef ósforo? El sulfato de hierro(II), FeSO4, se puede emplear como complementod eh ierroe nl ad ieta.D etermina a. el porcentaje en masa de hierro en el FeSO4.

9.26

b. la cantidad de hierro en miligramos que contiene una tableta con 500. mg de FeSO4. El carbonato de calcio, CaCO3, se puede emplear como complementod ec alcioe nl ad ieta.D etermina a. el porcentaje en masa de calcio en el CaCO3. b. la cantidad de calcio en miligramos que contiene una tableta con 500. mg de carbonato de calcio.

Conversionese ntrem asa y moles

9.27

9.28

Conviertea m olesl asc antidadess iguientes. a. b.

10.0 g de 10.0 g de

Fe Fe2O3

c.

92.0 g de

etanol,C2H 5OH

d. 92.0 g de oro Conviertea m olesl asc antidadess iguientes. a. 44.0 g de H2O b. 44.0 g de CO2 c. 90.0 g de glucosa, C6H 12O6 d. 90.0 g de H2 gaseoso

9.29

¿Cuántos gramos hay en cada una de las muestras si­ guientes? a. 0.800 mol de Fe b. 0.800 mol de Fe20 3 c. 1.50 mol de etanol, C2H50 H d. 1.50 mol de oro

9.30

¿Cuántos gramos hay en cada una de las muestras si­ guientes? a. 1.50 mol de H20 b. 1.50 mol de C 0 2 c. 0.750 mol de glucosa, C6H120 6 d. 0.750 mol de H2 ga seo so

Cálculosc one ln úmero d e A vogadro

9.31

¿Cuál es la masa (en gramos) de un átomo de carbono?

9.32

¿Cuál es la masa (en gramos) de un átomo de oro?

9.33

¿Cuál es la masa (en gramos) de un átomo de nitrógeno?

9.34

¿Cuál es la masa (en gramos) de un átomo de plata?

9.35

¿Cuál es la masa (en gramos) de una molécula de dió­ xido dec arbono?

9.36

¿Cuál es la masa (en gramos) de una molécula de pentó xi do d e d ini tró geno, N 20 5?

9.37

¿Cuál es la masa (en gramos) de una molécula de aspiri na, C 9H80 4?

9.38

¿Cuál es la masa (en gramos) de una molécula de alco­ hole tílico,C 2H50 H ?

9.39

Se encontró que la masa de una sota gota de agua es de 0.0500 g. ¿Cuántas moléculas de agua contiene esta go ta?

9.40

Dos cristales de sacarosa, C 12H220 n (azúcar de mesa), tienen una masa de 0.0012 g. ¿Cuántas moléculas de sacarosac ontienee sta muestra?

9.41

¿Cuántos iones hidróxido se encuentran en solución a partir de 1.00 mg de A l(0H )3, que se emplea como an­ tiácido?

9.42

¿Cuántos iones hidróxido se encuentran en solución a partir de 1.00 mg de M g(0H )2, que se emplea como an­ tiácido?

9.43

¿Cuántos iones cloro hay en una muestra de 1.50 g de CaCl2?

9.44

¿Cuántos iones nitrato hay en una muestra de 1.50 g de Cr (N03)3? ¿Cuántas motécut as hay en 1.00 mg de vitamina C, C6H8O6? ¿Cuántas moléculas hay en 1.00 mg de aspirina, C9H 804?

9.45 9.46

M ola ridad

9.47

¿Cuántos gramos de nitrato de potasio, K N 0 3, se nece­ sitan para preparar 500. mL de una solución 0.100 M? ¿Cómop repararíase stas olución?

¿Cuántos gramos de sulfato de cobre(II), C u S 0 4, se ne­ cesitan para preparar 250. mL de una solución 0.100 M? ¿Cómo prepararías esta solución? 9.49 ¿Cuántos gramos de glucosa, C6H 120 6, se necesitan para preparar 250. mL de una solución 0.150 M? Describe cómo preparar esta solución. 9.50 ¿Cuántos gramos de M g (0 H )2 se necesitan para prepa­ rar 500. mL de una solución 1.25 M? Describe cómo pre­ parare stas olución. 9.51 ¿Cuántos mililitros de una solución de glucosa 0.150 M (Problema 9.49) se deben emplear para obtener 2.00 g de glu co sa? 9.52 ¿Cuántos mililitros de una solución de M g(0H )2 1.25M (Problema 9.50) se deben emplear para obtener 5.00 g de Mg(0H)2? 9.53 ¿Cuántos mililitros de una solución de glucosa 0.150 M se deben emplear para obtener 500. mg de glucosa? 9.54 ¿Cuántos mililitros de una solución de M g(0H )2 1.25M se deben emplear para obtener 250. mg de M g(0H )2? 9.48

Dilución

9.55

9.56

9.57

9.58

¿Cuántos mililitros de una solución de ácido clorhídrico concentrado 12.0 M se necesitan para preparar 2.00 L de una solución 0.100 M? Describe cómo se debe hacer esta dilución. ¿Qué cantidad de una solución de ácido sulfúrico 6.00 M se necesita para preparar 500 mL de una solución 1.50 M? Describe cómo se debe hacer esta dilución. ¿Cuántos litros de solución blanqueadora comercial al 5.25% deben emplearse para preparar 50.0 L de solu­ ción blanqueadora al 1 .00%, que se utilizará para limpiary d esinfectarp isos?¿ Cómoh aríase stad ilución? ¿Cuántos mililitros de una solución de peróxido de hidró­ geno, H20 2, al 10.0% se necesitan para preparar 2.00 L de una solución al 3.00%, que puede emplearse como an­ tiséptico? ¿Cómo harías esta dilución?

Fórmulas em píricas y f órm ulasm oleculares

9.59

9.60

9.61

Escribe la fórmula empírica de los compuestos siguientes. a. C8H 18,o ctano( componented e lag asolina) b. C 12H22O jj,s acarosa( azúcard em esa) c. H g2Cl2 d. CaCl2 Escribe la fórmula empírica de los compuestos siguientes. a. C20H42,p resentee nl ap arafina b. C2H4,e teno( see mpleap araf abricarp olietileno) c. C3H80 3,g licerol d. C 10H22,d ecano Determina la fórmula molecular correcta a partir de la fórmula empírica y el peso formular de cada compuesto. a. CH2, P.F. = 84.0 uma b. CH20 , P.F. = 60.0 uma c. C3H40 3 (vitamina C), P.F. = 176 uma d. BH3, P.F. = 27.7 uma

9.62

Determina la fórmula molecular correcta a partir de la fórmula empírica y el peso formular de cada compuesto.

9.71

b. CH2, P.F. = 56.0 uma

La hidracina es una sustancia química que se emplea eno casionesc omoc ombustiblep arac ohetes.C ontiene 87.5% de nitrógeno y 12.5% de hidrógeno, y su peso moleculare sd e3 2.0.D etermina

c. C5H7N (nicotina), P.F. = 81.0 uma

a. laf órmulae mpíricad elc ompuesto.

a. CH3, P.F. = 30.0 uma

b. laf órmulam oleculard elc ompuesto.

d. P2O 5, P.F. = 284 uma 9.63

¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto, que contiene 18.6 mg de fósforo y 12.6 mg de nitrógeno?

9.64

¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto, que contiene 18.6 g de fósforo y 14.0 g de nitrógeno?

9.65

¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto que con­ tiene 35.6% de fósforo y 64.4% de azufre?

9.66

¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto que con­ tiene 43.7% de fósforo y 56.3% de azufre?

9.67

¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto que con­ tiene 36.84% de nitrógeno y 63.16% de oxígeno?

9.68

¿Cuál es la fórmula empírica de un compuesto que con­ tiene 63.64% de nitrógeno y 36.36% de oxígeno?

9.69

Una fibra de acrilonitrilo, cuyo nombre comercial es Orlón, contiene 67.89% de C, 5.71% de H y 26.40% de N.¿ Cuále ss uf órmulae mpírica?

9.70

El politcloruro de vinilo), PVC (por sus siglas en int glés), es un plástico con el que se hacen tarjetas de cré­ dito, tubos de plástico para drenaje y revestimientos exteriores de casas. Contiene 38.40% de C, 4.80% de H y 56.80% de Cl. ¿Cuál es su fórmula empírica?

9.72

Se encontró que una sustancia química presente en el vinagre tiene 40.0% de carbono, 6.67% de hidrógeno y 53.3% de oxígeno, y un peso molecular de 60.0. Determi na a. laf órmulae mpíricad elc ompuesto. b. laf órmulam oleculard elc ompuesto.

9.73

Se encontró que un compuesto con un peso molecular de 98.0 contiene 24.49% de carbono, 4.08% de hidrógenoy 7 2.43%d ec loro.D etermina a. laf órmulae mpíricad elc ompuesto. b. laf órmulam oleculard elc ompuesto.

9.74

Se encontró que un ácido orgánico con un peso molecular de 88.0 contiene 54.55% de carbono, 9.09% de hidróge­ no y 36.36% de oxígeno. Determina a. laf órmulae mpíricad elc ompuesto. b. laf órmulam oleculard elc ompuesto.

Estudiantes en

© acción Galería de cantidades químicas Lleva a cabo la siguiente actividad para que puedas familiarizarte con las cantidades químicas. Ahora serás tú quien le muestre a tus compañeros el significado físico de éstas. M ateriales y sustancias

♦ Agua destilada

1 matraz volumétrico de 250 mL

♦ Sulfato de cobre(II) pentahidratado

5 matraces volumétricos de 25 mL

♦ Permanganato de potasio

4 vidrios de reloj

♦ Cloruro de potasio

1 cristalizador

♦ Dicromato de potasio

Espátulas

♦ Cám ara fotográfica (puede ser la de un teléfono celular)

1 balanza analítica o electrónica

♦ 1 probeta de 20 mL

Procedim iento

1. Prepara 1 mol de agua líquida. Realiza los cálculos correspondientes tomando en cuenta la masa molar y su densidad. M ués­ tralo en una probeta de 10 mL. Tómale una fotografía y guárdala. En una hoja, elabora un letrero como el que se presenta a continuación.

1 m ol de H2O, una molécula con enlaces covalentes, tiene una masa de 18 g. Contenido 6.022 X 1023 moléculas, constituidas por: 2(6.022 X 1023 )átomos de hidrógeno 6.022 X 1023 átomos de oxígeno 2.

3.

Prepara 1 mol de sulfato de cobre(II) pentahidratado, realiza los cálculos correspondientes tomando en cuenta la masa molar, sus hidratos y colócalo en un cristalizador. Tómale una fotografía y guárdala. Elabora para ella un letrero como el señalado en el punto anterior. Prepara 1 mol de permanganato de potasio, realiza los cálculos correspondientes tomando en cuenta la masa molar y coló­ calo en un cristalizador. Tómale una fotografía. Para el pie de figura, haz un letrero como en el punto 1.

4.

Prepara 250 mL de una disolución 1 M de cloruro de potasio. Realiza los cálculos correspondientes y preséntala en un m a­ traz volumétrico. Tómale una fotografía al sólido antes de di­ solver y otra cuando ya está en el matraz volumétrico. Elabora un letrero en el que indiques la masa de cloruro de potasio, los moles de iones potasio y los moles de iones clo­ ruro que ocupaste para preparar la disolución anterior.

5.

Diluciones. Prepara 25 mL de una disolución de dicromato de potasio 1.00 M. Después, prepara cinco disoluciones más, por el método de dilución, las concentraciones son: a)

1 X 10- 1 M

b)

1 X 10~2M

c)

1 X 10~3 M

d)

1 X 10~4 M

e)

1 X 10~5 M

Prepara las disoluciones en 5 matraces volumétricos de 25 mL. Tómales una fotografía y diseña un letrero con los cálculos que hiciste para obtener las diferentes concentraciones.

Nota: el tipo de compuestos puede variar de acuerdo con la disponibilidad en el laboratorio. Consulta con tu profesor si

considera pertinente cambiar alguno. Recuerda que el objetivo de la actividad es apreciar las cantidades químicas de forma tangible, para dejar de verlas sólo como números abstractos. Exposición

Organiza tu m aterial para presentar tu galería. A dicionalm ente, deberás h acer lo siguiente. a)

Explica el procedimiento que seguiste para preparar lo indicado para cada sustancia, las diferencias entre 1 mol de m olécu­ las de agua y 1 mol de unidades fórmulas de los distintos compuestos unidos por enlaces iónicos (C uS 04.5H20 y K M n 0 4).

b)

Explica cómo preparaste la disolución de KCl cuya concentración es 1 M (1 mol/L) y las diluciones del K2Cr20 7, incluyendo las razones por las que el procedimiento de dilución se hace a partir de una disolución más concentrada a una más diluida. Para cerrar, agrega algunos casos de la vida cotidiana, en los que tener la concentración exacta de la sustancia (compuesto, elemento, iones) es vital. Elige cualquiera de estas opciones para la exposición: T ipo I. Presentación. Integra las fotografías y los letreros en diapositivas y destina algunas para la información de los incisos a) y b). T ipo II. Cartel. Pega tus fotografías en un cartel y prepara una exposición oral en la que incluyas la información solicitada. T ipo III. Exposición física en el laboratorio. 0rganízala en el laboratorio, muestra todos los materiales que empleaste y co­ menta a tus compañeros la información indicada. Recuerda que en cualquiera de las opciones deberás incluir o presentar el letrero con la cantidad de átomos, iones, molécu­ las y cálculos, según el caso.

10

Reacciones químicas

C O N T E N I D O 10.1

Reacciones químicas y ecuaciones químicas

10.2

Lo que nos dicen las ecuaciones químicas balanceadas

10.3

Cómo escribir y balancear ecuaciones químicas

10.4

Clasificación de las reacciones

10.5

Combustión

10.6

Reacciones de síntesis (combinación)

10.7

Reacciones de descomposición

10.8

Reacciones de los metales

10.9

Reacciones de los no metales

10.10

Reacciones de doble sustitución

10.11

Ecuaciones iónicas y ecuaciones iónicas netas

10.12

Neutralización: una reacción de doble sustitución

Esta vigorosa reacción del óxido de hierro(III) con aluminio pulverizado, conocida como reacción de termita, produce hierro fundido al mismo tiempo que libera una cantidad considerable de calor. Esta reacción se utilizó para soldar rieles durante la construcción de ferrocarriles en el viejo O este.

uando se conduce un autom óvil, se libera energía al m om ento que la gasolina se com bina de form a explosiva con oxígeno gaseoso p ara producir dióxido de carbono y vapor de agua. É ste es un ejem plo de un cam bio quím ico, o reacción quím ica com ún, m uy im portante (Fig. 10.1a). D urante un a com pleja serie de rea c­ ciones que se llevan a cabo dentro de las células de tu organism o, la glucosa y otros carbohidratos de los alim entos se consum en (m etabolizan) conform e reaccionan con oxígeno para producir dióxido de carbono y vapor de agua, que exhalas al respirar (Fig. 10 .1b). E stos dos ejem plos m uestran cóm o ciertas sustancias desaparecen y otras se producen durante las reacciones quím icas. L as dos reacciones se asem ejan en varios aspectos. E n am bos casos, un co m ­ puesto que contiene carbono reacciona con oxígeno para p roducir dióxido de carbono y agua. Ya sea en el interior del cuerpo hum ano, en un m o to r de autom óvil o al aire

C

Figura 10.1 (a) Las reacciones químicas nos llevan de un lugar a otro. Gasolina + Oxígeno -----» Dióxido de carbono + Agua (b) Durante el metabolismo, los carbohidratos reaccionan con oxígeno y producen dióxido de carbono y agua, la cual es visible cuando hace frío.

libre, las sustancias reaccionan para producir otras sustancias nuevas. U n a vez que entendem osl oq ueo curre,e ncontram osq uel asr eaccioness onp redecibles. E n toda reacción quím ica no se crean ni se destruyen átom os; los que están p resen­ tes se reorganizan para form ar sustancias diferentes. E n todos los casos, la m ateria se conserva y la m asa total no cam bia I . P ara escribir ecuaciones quím icas de reacciones com o las que se han descrito, antes es necesario fam iliarizarse con las fórm ulas quím icas y lo que éstas representan. E n el capítulo 6 se presentaron las fórm ulas quím icas, de las que se h ará un uso extenso en estec apítulo I .

Reacciones químicas y ecuaciones químicas Se producen rea ccio n es q u ím ic a s cuando las sustancias sufren cam bios fundam entales de identidad; se consum e una o m ás sustancias al m ism o tiem po que se form a una o m ás sustancias. L a com bustión de la gasolina y de la glucosa son ejem plos de este fenóm e­ no. A las sustancias presentes al inicio de la reacción, es decir, los m ateriales de p arti­ da, se les llam a reactiv o s. L as sustancias que la reacción p roduce se conocen com o p ro d u c to s. L as ecu acio n es q u ím ic a s sirven para representar, de form a sim bólica, lo que ocu ­ rre durante la reacción. L a reacción de la glucosa (un azúcar) con oxígeno durante el m etabolism o p ara producir dióxido de carbono y agua se puede escribir com o una ecuaciónq uím ica con palabraso c ons ím bolos( fórm ulasq uím icas). G lucosa

O xígeno

C6H 12O 6

6 O 2(g)

D ióxidod ec arbono 6 C O 2(g)

+

+

A gua 6 H 2O(g)

L os reactivos, o m ateriales de partida, se m uestran en el lado izquierdo de la ecuación, separados por un signo de m ás ( + ). L os productos se indican en el lado derecho de la ecuación. U na flecha ( ------>) que se lee com o o p ro d u ce , separa los reactivos de los p ro ­ ductos. L a reacción de la glucosa con oxígeno pro du ce dióxido de carbono y agua. L a ecuación quím ica se puede escribir con palabras; sin em bargo, la ecuación escrita con fórm ulasq uím icasp roporcionam ucham ási nform ación.

I Conexión con el aprendizaje Recuerda la ley de conservación de la masa (Sección 2.6). I Conexión con el aprendizaje Si te resulta difícil escribir fórmulas químicas, repasa el capítulo 6 antes de intentar escribir ecuaciones químicas.

L as reacciones quím icas que hasta aq u í se h an descrito fueron elegidas porque con­ ciernen a procesos m uy conocidos. M ás adelante escribirem os ecuaciones quím icas de reaccionesm uchom enosc onocidas,a unquen om enosi m portantes. E n las ecuaciones quím icas se suelen em plear sím bolos especiales p ara proporcio­ n ar inform ación específica acerca de las sustancias participantes o sobre las condiciones de la reacción. L as sustancias que existen en estado gaseoso en el m om ento de la reac­ ción se designan m ediante una (g) colocada inm ediatam ente después de la fórm ula, co ­ m o se m ostró en el caso de los gases de la ecuación de com bustión de la glucosa. Los sím bolos (s) y (l) sirven p ara identificar sólidos y líquidos, respectivam ente. U n a su s­ tancia disuelta en agua, que form a por tanto lo que se conoce com o una so lu ció n a c u o ­ sa, se identifica en la ecuación m ediante el sím bolo (ac). E n ciertos casos se agrega una sustancia para acelerar una reacción que de otra m ane­ ra se llevaría a cabo con lentitud, o que incluso podría no ocurrir. Esta sustancia, llamada c a ta liz a d o r, se m uestra encim a de la flecha, y no se consum e durante la reacción. Las enzim as son catalizadores especiales que el cuerpo hum ano elabora y utiliza en todas y cada una de las reacciones que se llevan a cabo durante el m etabolism o.

[10.2

Lo que nos dicen las ecuaciones químicas balanceadas

U na reacción se puede representar m ediante un a ecuación expresada en palabras para indicar la identidad de reactivos y productos, pero la ecuación quím ica, que em plea sím bolos, proporciona esta inform ación y tam bién las fórm ulas y las cantidades pro p o r­ cionales de las sustancias participantes. C om o se puede ver en la ecuación de com bus­ tión de la glucosa (Sec. 10.1), la ecuación quím ica resum e, de form a sim bólica, lo que estáo curriendo. P or desgracia, la ecuación quím ica no dice todo lo que uno querría saber acerca de una reacción. N o indica con qué rapidez se lleva a cabo la reacción. É sta podría avanzar, po r ejem plo, con tanta lentitud com o el enm ohecim iento del hierro, o bien con la rap i­ dez suficiente para constituir un a explosión. L a ecuación básica no indica cuánto calor, luz o cualquier otra form a de energía se desprende o es necesaria p ara que la reacción ocurra. Tam poco describe la apariencia de los reactivos n i de los productos durante la reacción; n i siquiera indica si, de hecho, la reacción se lleva a cabo.

En el nivel atómico P ara entender lo que ocurre en efecto durante una reacción, resulta útil visualizar lo que sucede en el nivel m olecular o atóm ico. U n a ecuación quím ica contiene gran cantidad de inform ación de este tipo. P or ejem plo, el m agnesio m etálico arde en oxígeno y p ro ­ duce un polvo blanco: óxido de m agnesio (Fig. 10.2). E n el nivel átóm ico y m olecular, estae cuación 2 Mg

+

O 2(g)

------>

2 M gO

indica con fórm ulas el hecho de que dos átom os de m agnesio reaccionan con una m o ­ lécula de oxígeno gaseoso para producir dos unidades form ulares de óxido de magnesio. (N o se debe decir m oléculas de óxido de m agnesio porque los enlaces son m ás iónicos que covalentes.) 2 átom os de M g

+

1m oléculad eO 2

------>

2u n id ad esf orm ularesd eM gO

L a Fig. 10.3 ayuda a visualizar lo que ocurre en el nivel atóm ico. E n un a reacción quí­ m ica ningún átom o se gana ni se pierde; la m ateria se conserva. P or tanto, en una e c u a ­ ció n q u ím ic a b a la n c e a d a el núm ero de átom os de cada elem ento representados com o reactivos y com o productos debe ser el m ism o; los átom os están balanceados. A hora procedam os a aum entar la escala de las proporciones p o r un factor de 1 2 . D oce objetos constituyen una docena; por tanto, podem os em plear docenas p ara escribirl asc antidadesd er eactivosy p roductos.

Figura 10.2 El magnesio metálico arde en oxígeno para producir óxido de magnesio.

2 MgO

2 docenas de átom os de M g

+

1d ocenad em oleculasd eO 2 ------> 2d ocenas deu n id ad esf orm ularesd eM gO

E stas cantidades son dem asiado pequeñas para verlas, así que usem os ahora un m illón co m of actor: 2 m illones de átom os de M g

+

1 m illón de m oléculas de O 2 ------> 2m illones deu n id ad esf orm ularesd eM gO

Incluso este gran núm ero de átom os o de unidades form ulares es dem asiado p eq u e­ ño para verlo a sim ple vista, así que aum entem os la escala de la reacción utilizando 6.022 X 1023 com o factor; las proporciones son las m ism as. Puesto que 6.022 X 1023 es el núm ero de partículas unitarias que hay en un m ol, del m ism o m odo que 12 es el núm erod eo bjetosq ueh acenu nad ocena,p odem ose scribir 2 m ol de M g

+

1 m ol de O 2

------>

2 m ol de M gO

A l utilizar m oles, tenem os cantidades que se pueden ver y pesar. A unque los núm eros de partículas unitarias, o m oles de partículas unitarias, guardan entre sí proporciones sim ples de núm eros enteros, no ocurre lo m ism o con las proporciones de las m asas. A sí com o la m asa de una docena de p elotas de ping pong es diferente de la m asa de una do­ cena de pelotas de golf, la m asa de un m ol de M g difiere de la m asa de un m ol de O 2. E stas m asas son las m asas m olares que estudiam os en el capítulo 9. D ado que un m ol de M g tiene una m asa de 24.3 g; un m ol de O 2, una m asa de 2 X 16.0 = 32.0 g; y un m ol M gO , una m asa de 24.3 + 16.0 = 40.3 g, podem os escribir las ecuaciones siguientes, donde se m uestra que la m asa antes de la reacción es igual a la m asa después de ella.

Figura 10.3 Dos átomos de magnesio reaccionan con una molécula de oxígeno gaseoso para producir dos unidades formulares de óxido de magnesio. No se crea ni se destruye materia. 2 Mg

+

02

-----►

2 MgO

48.6 g

+

32.0 g

------ ►

80.6 g

2 Mg

+

O 2 -----> 2 M gO

2(24.3 g)

+

32.0 g -----> 2(40.3 g)

48.6 g

+

32.0 g ----> 80.6 g 80.6 g

=

80.6 g

C adae cuacióni ndical asp roporcionesd em asay d en úm erod ep artículasu nitarias. L a m asa total de los reactivos es igual a la m asa total de los productos (Fig. 10.4). E sto con­ cuerda con la ley de conservación de la masa: no se crean ni se destruyen átomos, y tam po­ co se crea ni se destruye masa. L a ecuación balanceada representa todas estas relaciones.

Cómo escribir y balancear ecuaciones químicas

I Conexión con el aprendizaje Recuerda que el H2 y el O2 son gases diatómicos.

Partam os de la ecuación quím ica de la reacción que se lleva a cabo cuando un a chispa enciende una m ezcla de hidrógeno y oxígeno gaseosos y se produce agua y la energía suficiente para producir un fuerte estallido (Fig. 10.4) o im pulsar un transbordador es­ pacial (Fig. 10.5). P rim ero se deben escribir las fó rm u la s correctas de los reactivos y productos. Si se desea se puede identificar el hidrógeno y el oxígeno com o gases (g). I E stoe s opcional. H 2(g) + O 2( g ) ------> H 2O (l)

(noe stába lanceada)

E l núm ero de átom os de esta ecuación no está balanceado (Fig. 10.6). L os reactivos m uestran dos átom os de oxígeno (com o O 2), y no aparece m ás que un átom o de oxíge­ no en los productos (en el H 2O). P ara balancear los átom os de oxígeno se debe colocar el núm ero dos antes de la fórm ula del agua (Fig. 10.7). H 2(g) + O 2( g ) ------> 2 H 2O (l)

(noe stába lanceada)

E ste núm ero indica que se producen dos m oléculas de agua por cada m olécula de o x í­ geno que reacciona. E l núm ero que se cotoca antes de un a fórm uta quím ica en una ecuación recibe el nom bre de coeficiente. E l coeficiente que precede a un a fórm ula es una instrucción de m ultiplicar todo lo que hay en la fórm ula p o r ese núm ero. C uando no aparece ningún núm ero, se sobreentiende que el coeficiente es 1. A l duplicar el H 2O, hem os representado dos átom os de oxígeno y cuatro átom os de hidrógeno. Pero la ecu a­ ción de este ejem plo aún no está balanceada.

Figura 10.4 Al encender una mezcla de hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso 2:1 se produce un estallido acompañado de una fuerte detonación.

W~> +

A

Vela

JH \ H

O/

H \H

O/

V Vapor de agua

Vela

Figura 10.5 El principal combustible que emplean los motores del transbordador espacial es el hidrógeno. Los tanques individuales de 8 metros de diámetro y 40 metros de largo transportan 1440 m3 de hidrógeno líquido y 530 m3 de oxígeno líquido para el transbordador. P ara balancear los átom os de hidrógeno, se debe colocar el coeficiente 2 antes de H2. 2 H 2(g) + O 2( g ) ------> 2 H 2O (l)

(balanceada)

H

0

H

0

J J

9 9

O O

O

A hora aparecen cuatro átom os de hidrógeno y tam bién dos átom os de oxígeno rep re­ sentados en am bos lados de la ecuación. L a ecuación está balanceada (Fig. 10.8). C o m ­ pru eba siem pre que la ecuación esté balanceada contando y com parando los átom os de cadae lem entoc om or eactivosy c om op roductos.

C onteo d e átom os Átomos de reactivos

Áto mos de productos

4H

4H

2O

2O

L a ecuación balanceada m uestra que no se crean ni se destruyen átom os. I Si hubiésem os intentado balancear la ecuación m odificando el subíndice del o x íg e­ no del agua, la ecuación parecería estarb alanceada H 2(g) + O 2( g ) ------> H 2O 2(l)

(¡unc am biod es ignificado!)

p ero no significaría “el hidrógeno reacciona con oxígeno p ara form ar agua”. L a fórm u­ la H 2O 2 representa el peróxido de hidrógeno, una sustancia por com pleto diferente. Por consiguiente, para balancear una ecuación quím ica no p odem os alterar los subíndices de las fórm ulas porque eso cam biaría las sustancias representadas y tam bién el significado de la ecuación. E n cambio, la ecuación se balancea, com o ya se explicó, modificando los coeficientesp arar epresentarl asp roporcionesc orrectasd es ustanciase nl ar eacción. U nae cuaciónq uím ican oe stác om pletae n t anton oe stéb alanceada. U na de las m ejores form as de aprender algo nuevo consiste en intentar hacerlo uno m ism o. R esuelve los ejem plos y ejercicios que siguen p ara tener la seguridad de que si­

Figura 10.6 H2 + O2 -----> H2O (no está balanceada)

I Conexión con el aprendizaje Cuando una ecuación está balanceada • el número de átomos como reactivos y como productos no cambia. • las masas de los reactivos y de los productos son iguales. • no se crean ni se destruyen átomos ni masas.

H

O O

0 9 9

H

JJ OO

0

gues los procesos m entales que perm iten balancear ecuaciones. Se harán sugerencias a lol argod elc am inop araf acilitartee lb alanceod ev ariost iposd ee cuaciones.

9 9

E J E M P L O 10.1

Balanceo d e ecuaciones sencillas

B alancea la ecuación quím ica siguiente de la reacción de nitrógeno gaseoso con hidrógenog aseosop arap roducira m oniacog aseoso,N H 3. N 2(g) + H 2( g ) ------> N H 3(g)

(noe stába lanceada)

SOLUCIÓN L a ecuación m uestra dos átom os de hidrógeno a la izquierda y tres a la derecha. E l m ínim o com ún m últiplo de 2 y 3 es 6. Por tanto, seis es el m enor núm ero de átom os de hidrógeno que podem os tener com o reactivos y com o productos. Se n ecesi­ tan tres m oléculas de hidrógeno y dos de N H 3.

Figura 10.7 H2 + O2 -----> 2 H2O (no está balanceada)

N 2(g) + 3 H 2( g ) ------> 2 N H 3(g) H

OO 00

0 9 9

H

OO 00

0 9

(balanceada)

A hora debem os com probar que la ecuación está balanceada contando los átom os de cad at ipo presentesc om or eactivosy c om op roductos.

9

C onteo d e átomos

Figura 10.8 2 H2 + O2 -----> 2 H2O La ecuación está balanceada. Se conserva la masa.

Figura 10.9 Para balancear la ecuación de la reacción del H2(g) con el N2(g), primero coloca las fórmulas correctas de los reactivos a la izquierda y la fórmula correcta del amoniaco, que es el producto, a la derecha. Si se duplica la cantidad de NH3(g) a la derecha y se triplica el H2(g) a la izquierda, la ecuación quedará balanceada con dos átomos de nitrógeno y seis átomos de hidrógeno en cada lado. La ecuación balanceada se escribe así: N2 + 3 H2 -----> 2 NH3.

Átomos de reac ti vos

Áto mos de pro duc tos

2N

2N

6H

6H

A l balancear el núm ero de átom os de hidrógeno, tam bién se h a balanceado el núm ero deá tom osd en itrógeno.L ae cuaciónc om pletae stáb alanceada( Fig.1 0.9).

H ü 0

H O O

H

N 3

Q

N O O

N

J J O J J OO o

H

N

O O 3 O

H

N

OO OO OO

J

H

N

00 00 00

Figura 10.10 La herrumbre se forma en virtud del proceso de oxidación que se lleva a cabo cuando el hierro reacciona lentamente con el oxígeno gaseoso del aire.

E J E R C IC IO 10.1 (a) B alancea la ecuación quím ica de la reacción del calcio m etálico con oxígeno gaseosop arap roducir óxidod ec alcio. C a + O 2( g ) ------> CaO

(noe stába lanceada)

(b) E l m onóxido de carbono gaseoso, C O (g), reacciona con el oxígeno gaseoso, O 2(g), para dar dióxido de carbono. E scribe un a ecuación balanceada de esta reac ción.

E J E M P L O 10.2

Escritura y balanceo de ecuaciones químicas

E scribe y balancea una ecuación de la reacción de enm ohecim iento del hierro; la ecua­ ción debe m ostrar que el hierro reacciona con oxígeno p ara producir óxido de hierro(III), la herrum bre (Fig. 10.10). SOLUCIÓN ■ P A S O 1 E scribe la ecuación quím ica no b alanceada con las fórm ulas correctas de losr eactivosy p roductos.L a sf órm ulasq uím icasn os ei ndicane ne le nunciado. F e + O 2 ------> F e2O 3

(noe stába lanceada)

■ P A S O 2 B alancea la ecuación con los coeficientes apropiados. Se recom ienda no com enzar por un elem ento que esté solo, com o el hierro en este caso, pues será fá ­ cil encargarse de él m ás tarde, después de balancear los dem ás elem entos. E n vez de ello, cuenta el núm ero de átom os de oxígeno que hay en cada lado. C on dos áto­ m os de oxígeno a la izquierda y tres a la derecha, el m últiplo m ás pequeño es seis. P or tanto, se puede balancear el oxígeno aplicando un coeficiente de 3 al O 2 y un coeficiente de 2 al F e2O 3. F e + 3 O 2 ------> 2 F e2O 3

(noe stába lanceada)

E l oxígeno ya está balanceado, pero no los átom os de hierro. L os cuatro átom os de h ie­ rro que aparecen a la derecha se balancean colocando un coeficiente de 4 antes del Fe del ai zquierda. 4 F e + 3 O 2 ------> 2 F e2O 3

(balanceada)

U n “conteo de átom os” m uestra que hay el m ism o núm ero de átom os de cada clase

C onteo d e átomos Reactivos

Pro duc tos

4 Fe

4 Fe

6O

6O

en am bos lados de la ecuación, con lo que ésta queda balanceada. E J E R C IC IO 10 .2 (a) C uando el alum inio m etálico se oscurece al paso del tiem po, ello se debe a que el alum inio reacciona con el oxígeno p ara form ar óxido de alum inio, A l2O 3, que es opaco.E scribey b alanceau n ae cuación dee star eacción. (b) L a reacción de term ita que se ilustra en la fotografía con la que se inicia el capítu­ lo libera una cantidad enorm e de energía. E scribe y b alancea la ecuación quím ica de esta reacción, en la que el alum inio m etálico reacciona con óxido de hierro(III) p ara f orm arh ierrom etálicoy ó xidod ea lum inio.

E J E M P L O 10.3

Ecuaciones d e combustión

E scribe y balancea la ecuación quím ica de la com bustión del m etano, C H 4, el principal com ponente del gas natural. D urante la com bustión, una sustancia quím ica se com bina con oxígeno. L a com bustión de una sustancia que contiene átom os de C y H siem pre produced ióxidod ec arbonoy a guac uandol ac om bustióne sc om pleta. SOLUCIÓN ■ P A S O 1 E scribe la ecuación quím ica no b alanceada em pleando las fórm ulas quím icasc orrectas. CH 4 + O 2 ------> C O 2 + H 2O

I Conexión con el aprendizaje Balancea el C, el H y el O en ese orden en las ecuaciones que describen la combustión de sustancias que contienen carbono.

(noe stába lanceada)

■ P A S O 2 B alancea la ecuación. D ebido a que el oxígeno aparece en dos productos diferentes, conviene dejarlo p ara el final. E n el caso de las reacciones en las que hay una com bustión, p o r lo general es m ejo r balancear el carbono, después el h i­ drógeno y finalm ente el oxígeno. I (El oxígeno aparece com o elem ento individual a la izquierda, por lo que anteponer cualquier coeficiente necesario al O 2 no afecta a los dem ás elem entos que y a han sido balanceados.) E n este ejem plo el carbono ya está balanceado, con un átomo en cada lado de la ecuación. Para balancear el hidróge­ no, del que ya hay cuatro átom os a la izquierda y dos a la derecha, se debe anteponer el coeficiente 2 al H 2O de la derecha. A hora tenem os cuatro átom os de hidrógeno en cadal ado. C H 4 + O 2 ------> C O 2 + 2 H 2O

(noe stába lanceada)

E l últim o elem ento p o r balancear es el oxígeno. H ay cuatro átom os de él en el lado derecho; po r tanto, un coeficiente de 2 antepuesto al O 2 b alanceará los átom os de oxígeno. C H 4 + 2 O 2 ------> C O 2 + 2 H 2O

(balanceada)

D espués de contar para com probar que hay el m ism o núm ero de átom os de cada clase en am bos lados de la ecuación (un “conteo de átom os”), se concluye que la ecuación ya estáb alanceada. E J E R C I C IO 10.3 (a) E scribe y balancea la ecuación quím ica de la com bustión del propano gaseoso, C3H8, que produce dióxido de carbono y agua.

(b) E scribe y balancea la ecuación quím ica de la com bustión del hexano, C 6H 14, un productod erivadod elp etróleom uyv olátil.

E J E M P L O 1 0 .4

Reacciones d e precipitación

E scribe y balancea una ecuación de la reacción del sulfato de alum inio con nitrato de bario para form ar nitrato de alum inio y un precipitado sólido blanco de sulfato de bario (Fig. 10.11). I Identificae lp recipitadoc one ls ím bolo( s). SOLUCIÓN ■ P A S O 1 E scribe la ecuación no balanceada em pleando las fórm ulas quím icas co ­ rrectas. A l2(SO 4)3 + B a(N O 3)2 ------> A l(N O 3)3 + B aSO 4(s)

(noe stába lanceada)

■ P A S O 2 B alancea la ecuación. E n este caso la ecuación incluye com puestos con iones poliatóm icos: los iones sulfato y nitrato. Se debe tratar estos iones com o u n i­ dades individuales y balancearlos com o un todo. A l ocurrir la reacción, los iones B a2+ de un com puesto reaccionan con los iones SO42~ del otro y form an el precipitadod eB aSO 4,d ejandoe ln itratod ea lum inioe ns olución. L a técnica de “responder al golpe” com o se aplica en el tenis, los bolos o el golf, ayuda a balancear la ecuación. E lige un com ponente clave que aparezca en un solo com puesto en cada lado de la ecuación, com o el A l en este caso, y balancéalo en am bos lados de la ecuación. I P ara balancear el Al, se debe colocar un coeficien­ te de 2 antes del A l(N O 3)3. A l2(SO 4)3 + B a(N O 3)2 ------> 2 A l(N O 3)3 + B aSO 4(s)

(noe stába lanceada)

Pero el coeficiente de 2 del A l(N O 3)3 tam bién duplica el núm ero de iones nitrato (produce 2 X 3 = 6 iones nitrato), así que “responde al golpe” con el nitrato b alan ­ ceándolo a continuación. P ara tener seis iones nitrato en el lado izquierdo se debe colocar un 3 antes del B a(N O 3)2. A l2(SO4)3 + 3 B a(N O 3)2 ------> 2 A l(N O 3)3 + B aSO 4(s)

(noe stába lanceada)

C on el 3 antes del B a(N O 3)2, ahora hay tres iones bario en el lado izquierdo de la ecuación. P or consiguiente, se debe “responder” balanceando el bario, p ara lo cual se antepone un 3 al B aSO 4 en el lado derecho de la ecuación. A l2(SO 4)3 + 3B a(N O 3)2 ------> 2 A l(N O 3)3 + 3B aSO 4(s)

(balanceada)

C on el bario ya balanceado, se debe “responder” revisando el sulfato que está com bina­ do con el bario. A l revisar el sulfato, se observa que ya está balanceado. C on esto se com pleta el círculo y se regresa al sulfato de alum inio del cual se partió. L a ecuación estáb alanceada.C om pruébaloe fectuandou n “ conteod eá tom os” . E J E R C IC IO 10 .4 (a) E scribe una ecuación b alanceada de la reacción del hidróxido de sodio con clo ru ­ ro de hierro(III) para form ar cloruro de sodio y un precipitado de hidróxido de hierro(III). (b) E scribe una ecuación b alanceada de la reacción del sulfato de alum inio con cloruro d eb ariop araf orm arc loruro dea lum inioy u np recipitadod es ulfatod eb ario.

A hora que ya has escrito y balanceado las ecuaciones quím icas de los ejem plos, conviene resum ir qué es lo que realm ente está “balanceado” y qué no lo está.

I Conexión con el mundo real El sulfato de bario que aquí se describe es la sustancia que se emplea en el cóctel que se administra a un paciente durante un examen médico del aparato digestivo superior o inferior para que el tracto intestinal sea visible en la radiografía.

I Conexión con el aprendizaje Aplica la técnica de “RESPONDER AL GOLPE” para balancear cualquier ecuación en la que se forme un precipitado. Figura 10.11 El sulfato de aluminio, Al2(SO4)3, reacciona con el nitrato de bario, Ba(NO3)2, y forma un precipitado blanco de sulfato de bario, BaSO4.

1. Á to m o s. E l núm ero de átom os de cada elem ento es el m ism o en los reactivos y en los productos. E sto concuerda con la ley de conservación de la m ateria. 2. M a sa . Puesto que la m asa de los átom os no cam bia, y tam poco cam bia el núm ero de átom os presentes antes y después de la reacción, se tiene la seguridad de que tampo co c am bial am asa durantel ar eacción. I Conexión con el aprendizaje Cuantas más ecuaciones balancees, más pronto te harás experto en hacerlo. Quizá parezca fácil cuando otra persona lo hace, pero sólo después de haber practicado la REFLEXIÓN DETENIDA sobre el procedimiento tendrás la seguridad de poder hacerlo con rapidez y confianza. Resuelve los ejercicios y después los problemas que se incluyen al final del capítulo.

Véanse los problemas 10.1-10.12.

3. M olécu la s. E l núm ero total de m oléculas (o unidades form ulares) representadas com o reactivos y com o productos no es necesariam ente el m ism o. C om para los reactivos y los productos de las ecuaciones balanceadas de los ejem plos anteriores. 4. M o les. Puesto que el m ol es una cantidad específica, el núm ero de A vogadro de partículas unitarias, el núm ero total de m oles de reactivos y de productos no es n e ­ cesariam ente el mismo. Para com probarlo, exam ina una vez m ás la ecuación balan­ ceada del ejem plo 10.4: hay 4 unidades form ulares de reactivos y 5 unidades form ulares de productos. H ay 4 m oles de reactivos por cada 5 m oles de productos. Haz una com paración análoga en los ejem plos 10.1, 10.2 y 10.3. (Los m oles de reactivos son iguales a los m oles de productos únicam ente en el ejem plo 10.3.) E n resum en, durante las reacciones quím icas los átom os de los com puestos se reo r­ ganizan para form ar otros com puestos, p ero no se crea n i se destruye ningún átom o durante este proceso. L os átom os y la m asa se conservan; no así las m oléculas n i los m oles. I

Clasificación de las reacciones U na vez fam iliarizados con el balanceo de ecuaciones quím icas, conviene exam inar con m ás detenim iento varios tipos diferentes de reacciones y su clasificación. L os quím icos clasifican las reacciones con arreglo a diversos criterios, pero la m ayor parte de ellas se pueden ubicar en una o m ás de las cinco categorías siguientes. 1. R eacciones de com bustión. D urante la com bustión, los com puestos que contienen carbono, hidrógeno y a veces oxígeno arden en el aire (consum iendo oxígeno) y form an dióxido de carbono y agua. E l ejem plo 10.3, referente a la com bustión del m etano, C H 4, es un a reacción de com bustión representativa. E n la sección 10.5 se describirác onm ásd etenim ientoe stet ipod er eacción. 2. R eacciones de com binación (síntesis). C uando un elem ento reacciona o se com bi­ n a con otro elem ento p ara form ar un com puesto, se dice que se h a sintetizado una sustancia nueva. L as reacciones de este tipo se clasifican com o de com binación o de síntesis,y s er epresentand e f orm ag eneralc om os igue. A + B ------> AB L a síntesis de am oniaco (Ejem plo 10.1) ilustra este tipo de reacción. E n la sección 10 .6s ed escribenm ásr eaccionesd es íntesis. 3. R eacciones de descom posición. U n a reacción de descom posición es aquélla en la que un solo com puesto, sim bolizado com o AB, se descom pone en dos o m ás sustanciass encillas.E stet ipod er eaccións er epresentac om os igue. AB ------> A + B E nl as ección1 0.7s ep resentane jem p lo sd er eaccionesd ed escom posición. 4. R eacciones de sustitución sim p le. E n las reacciones de sustitución sim ple un ele­ m ento, sim bolizado com o A, reacciona con un com puesto, BC, y tom a el lugar de uno de los com ponentes del com puesto. E ste tipo de reacción se representa mediantel ase cuacionesg eneraless iguientes.

A + BC ------> AC + B

(cuando A es un m etal)

A + BC ------> B A + C

(cuando A es un no m etal)

L as reacciones de sustitución sim ple de m etales se estudian en la sección 10.8. Las reacciones de sustitución sim ple de no m etales se estudian en la sección 10.9. M uchas de las reacciones que se ajustan a alguna de estas prim eras cuatro cate­ gorías im plican un proceso de oxidación-reducción que se describirá m ás adelante ene stec apítulo. 5.

R eacciones de doble sustitución. E n las reacciones de doble sustitución se puede pensar que dos com puestos, AB y CD, “intercam bian com pañero” p ara form ar dos com puestosd iferentes, A D y C B. AB + C D ------> A D + CB E l ion positivo, A, del prim er segundo com puesto, en tanto com bina con el ion negativo, sustitución se describen en las

E J E M P L O 10.5

com puesto se com bina con el ion negativo, D, del que el ion positivo, C, del segundo com puesto se B, del prim er com puesto. Las reacciones de doble secciones 10 .10 y 10 .1 2 .

Clasificación de reac cio nes

C lasificae stasr eaccionese n t érm inosd el asc incoc ategoríasd escritas. (a) D el ejem plo 10.2, 4 F e + 3 O 2 ------> 2 F e2O 3. (b) D el ejem plo 10.4, A l2(SO 4)3 + 3B a(N O 3)2 ------> 2 A l(N O 3)3 + 3B aSO 4. SO LUCIÓN (a) É sta es una reacción de com binación (os íntesis): A + B ------> AB. (b) É sta es una reacción de dobles ustitución.L osi o n es“ intercam bianc om pañero” . E J E R C I C IO 10.5 (a) C lasifica las reacciones descritas en los ejem plos 10.1 y 10.3. (b) C lasifica las reacciones descritas en los ejem plos 10.4a y 10.4b.

L a m ayor parte de las reacciones se ajustan a una de las cinco categorías aq u í d es­ critas, pero no es ésta la única form a de clasificar las reacciones. C om o se verá en las secciones que siguen, es fácil com parar las sim ilitudes entre las reacciones cuando éstas sea grupane nv ariasc ategoríasm ásr educidas.

Combustión C uando una sustancia que contiene carbono e hidrógeno (un hidrocarburo) sufre una c o m b u stió n com pleta, se consum e oxígeno y al m ism o tiem po se produce dióxido de carbono y agua. L ee el recuadro sobre “Combustión, dióxido de carbono y el efecto de in­ vernadero” ene stas ección.L ae cuación generaln ob alanceadae se n e stec aso H idrocarburo + O 2 ------> C O 2 + H 2O

(noe stába lanceada)

E l ejem plo 10.3 m ostró cóm o balancear la ecuación de la com bustión del m etano, CH 4, unh idrocarburos encillo.L a f orm am ás rápidad eh acere stoc onsistee n 1 . balancearp rim erol osá tom osd e carbono. 2 . balanceare ns egundol ugarl osá tom osd eh idrógeno. 3 . balancearl osá tom osd eo xígeno alf inal.

Véanse los problemas 10.13-10.18.

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO ¿A q u ié n le c o r r e s p o n d e d is m in u ir lo s g a s e s d e e f e c to in v e rn a d e r o ? Es común escuchar noticias sobre el efecto invernadero y el ca­ lentamiento global. El efecto invernadero es un proceso natural gracias al cual nuestro planeta es habitable. El vapor de agua, el dióxido de carbono y los gases de la troposfera absorben parte de la radiación térmica que emite el suelo y vuelven a reflejarla. De esta manera, atrapan la energía solar como si fuera un sistema de vidrios planos, permiten que la luz solar sea devuelta al espacio y que la radiación térmica (infrarroja), sea retenida. Esto provoca un aumento de la temperatura del suelo y la capa inferior de la atmósfera, sin ella, la temperatura media sería de —18°C. El calentamiento global tiene su origen en diversos factores, entre ellos están el crecimiento de la población humana, porque esto ha incrementado el consumo de recursos, y el desarrollo in­ dustrial que se ha experimentado en los últimos siglos. Los principales gases de efecto invernadero son: dióxido de carbono (CO2) en 55%, metano (CH4) en 20%, óxido nitroso (N2O) en 5%, hidrofluorocarbonos (HFC) en 15%, y en porcentaje menor, los perfluorocarbonos (PFC) y el hexafluoruro de azufre (SF6). En su mayoría éstos provienen de industrias generadoras de combustibles y de materiales para la manufactura y la construc­ ción; procesos industriales para elaborar productos químicos, metálicos y halocarbonos; labores agrícolas (fermentación, cultivo de arroz, quema de campos); incineración de basura, manejo de aguas residuales, entre otras actividades humanas.

Algunos investigadores han alertado que los glaciares están teniendo un rápido deshielo debido al incremento en la temperatura por el calentamiento global.

De esta manera, la superficie terrestre ha sido modifi­ cada por las actividades humanas con consecuencias para el clima. Por ejemplo, la fijación industrial del nitrógeno N2 es mayor que la natural, por lo que esta actividad incrementa la concentración de gases de efecto invernadero, sin embargo, su producción es fundamental porque constituye la materia prima de los fertilizantes para el cultivo de numerosos productos agrícolas. La atmósfera modificada debido a los gases emitidos por actividades humanas retiene más calor. Desde el inicio de la Revolución Industrial hasta la fecha, la concentración de dióxido de carbono (CO2) ha aumentado hasta en 30%. Éste se origina por la combustión del petróleo, el carbono y los gases comburentes. Hidrocarburo + O2 (g) ^

CO2 (g) + H2O (g)

De acuerdo con algunos científicos, si las emisiones de CO2 siguen aumentando, ocasionarán un incremento máximo de 2.5°C de la temperatura media terrestre en 2050, que provo­ caría al deshielo de los glaciares, la elevación en el nivel de los mares e inundaciones, así como fuertes tormentas. Estas predicciones llevaron a establecer el Protocolo de Kioto en 1997. En esta reunión se congregaron líderes de varias naciones industrializadas: Estados Unidos, Rusia, Ale­ mania, Reino Unido, Italia, Francia, Canadá y Japón. El principal compromiso derivado fue la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, así, se acordó que entre 2008 y 2012, las emisiones de CO2 deberían reducirse 5% por debajo del valor de 1990. El acuerdo entraría en vigor cuando lo ratificaran las 55 naciones que en 1990 en conjunto eran responsables de la emisión de 55% del CO2 generado. Estados Unidos firmó el Protocolo de Kioto durante la presidencia de Bill Clinton, pero el presidente George W. Bush lo revocó en 2001. A fines de 2003, 120 países habían ratificado el protocolo, pero la suma de sus emisiones equivalía sólo a 44.2%. En 2004, Rusia ratificó el Protocolo. Este hecho fue de suma im­ portancia, ya que por sí sola ésta producía 18% de los gases de efecto invernadero. Para cumplir con su compromiso, Rusia cerró gran número de establecimientos industriales. En las reuniones se han dado avances en materia ambien­ tal y también algunos retrocesos. Pero nunca hay que olvidar que aunque existan más de 198 naciones, todas comparten un solo planeta y tienen la responsabilidad de cuidarlo. Consulta todos los acuerdos del protocolo de Kioto en: h ttp://unfccc.int/resource/docs/publications/08_unfccc _kp_ref_manual.pdf.

Si es necesario em plear coeficientes fraccionarios, en especial m últiplos de -,s e p u e­ de hacer. D espués, para elim inar esos coeficientes fraccionarios, se debe m ultiplicar la ecuaciónc om pletap ore lm ínim oc om únd enom inadord el a sf racciones. A l principio del capítulo se m encionó la reacción de com bustión de la gasolina. B alanceem osl ae cuacióne m pleandoe lo ctano,q uee stáp resentee n e stec om bustible.

E J E M P L O 10.6

Combustión

E scribe y balancea la reacción de com bustión del octano, C 8H 18, presente en la gasolina. SO LUCIÓN ■ P A S O 1 E scribe lae cuaciónn ob alanceadae m pleandol a sf órm ulasc orrectas. C 8H 18 + O 2 ------> C O 2 + H 2O

(noe stába lanceada)

■ P A S O 2 B alancea C, H y O siguiendo los tres pasos descritos en esta sección. C 8H 18 + 1 2 - O 2 ------> 8 C O 2 + 9 H 2O

(balanceada)

L a ecuación está balanceada, pero se debe elim inar el coeficiente fraccionario del oxígenom ultiplicandot odosl osc oeficientesp or2 ,p arao btener 2 C 8H 18 + 25 O 2 ------> 16 C O 2 + 18 H 2O

(balanceadac onn úm erose nteros)

E J E R C I C IO 10.6 (a) E scribe y batancea la ecuación quím ica de la com bustión del etanol, C 2H 5OH. (Fig. 10.12) (b) E scribe y balancea la ecuación quím ica de la com bustión del éter etílico, C4H 10O, unl íquidom uyi nflam able.

Tu destreza para escribir y balancear ecuaciones quím icas aum entará con la práctica. O bservar cóm o tu profesor balancea ecuaciones y leer estas páginas no te proporcionará la experiencia suficiente para aprender el procedim iento. E studia los ejem plos y resuelve los ejercicios; después, aum enta tu destreza y tu rapidez resolviendo los problem as que se incluyena lf inald el capítulo.

Figura 10.12 La combustión del etanol (también llamado alcohol etílico o alcohol de grano) que aquí se muestra, y el metabolismo del etanol en el cuerpo humano, constituyen la misma reacción global y liberan una cantidad equivalente de energía.

Reaccio nes de sínte sis (com binación) A la producción de un solo com puesto a partir de la reacción entre dos o m ás sustancias se le llam a re a c c ió n d e co m b in a c ió n o re a c c ió n d e sín tesis. L a form a general de las reaccionesd ee stet ipoe sl as iguiente.

Véanse los problemas 10.19-10.24.

A + B ------> AB L a síntesis de am oniaco gaseoso, N H 3(g), a partir de N 2(g) y H 2(g) es un proceso industrial im portante. E l am oniaco se utiliza directam ente com o fertilizante I o para elaborar otras sustancias quím icas que se utilizan en fertilizantes, en explosivos y en la industriap araf abricaro trosp roductosq uím icos. N 2(g) + 3 H 2(g) ------> 2 N H 3(g) O tra reacción de síntesis es la del H 2(g) con el O 2(g) p ara form ar agua. L a ecuación de esta reacción se balanceó en la sección 10.3. chispa

2 H 2(g) + O 2(g) — ^ 2 H 2O (1 ) E l hidrógeno arde en oxígeno con flam a estable, pero una m ezcla de los dos gases, en­ cendida por una chispa, reacciona rápidam ente y produce un a explosión. E l hidrógeno se puede utilizar com o com bustible, pero es preferible pensar en él com o un portador y no com o una fuente de energía. L a razón de ello es que es necesario sum inistrar energía de otra fuente para descom poner el agua del m ar y liberar hidrógeno.

I Conexión con el mundo real Anualmente se producen alrededor de 18 millones de toneladas métricas de amoniaco en Estados Unidos. Gran parte del NH3 se utiliza como fertilizante de cultivos que necesitan grandes cantidades de nitrógeno. Véanse la sección 8.10 y la Fig. 8.16.

O trasr eaccionesd es íntesiss onl ass iguientes. N 2(g) - O 2(g)

^

2 N O (g)

Monóxido de nitrógeno

2 N O (g)

O 2(g)

^

2 N O 2(g) Dióxido de nitrógeno

Véanse los problemas 10.25 y 10.26.

E l N O producido por los m otores de autom óvil aum enta la contam inación. E l N O incoloro reacciona de inm ediato con el O 2 del aire p ara form ar N O 2 gaseoso de color pardo.

S e incluyen m ás reacciones de síntesis en los problem as qu e aparecen al final de este capítulo.

Reacciones de descomposición C uando un solo com puesto se descom pone en dos o m ás sustancias m ás sim ples, se tra­ ta de una reacción de d esco m p o sició n ,c om os ei ndicam ediantel ae cuacióng eneral AB

A + B

L a reacción de síntesis de H 2(g) con O 2(g) p ara form ar ag u a libera energía. L a reaccióni nversa,u n ad escom posición,d ebea b sorbere nergía( Fig.1 0.13). E s necesario sum inistrar de form a continua, desde un a batería u o tra fuente de corriente eléctrica directa (cd), la energía necesaria p ara que la reacción se lleve a cabo. E ste procedim iento recibe el nom bre de electró lisis (en griego, separar m ediante elec­ tr ic id a d ) ^ uandos ed esconectal a f uented ee nergía,l ar eaccións ed etiene. Figura 10.13 Electrólisis del agua. 2 H2O — ^ 2 H2 + O2 Durante la electrólisis el agua se descompone (a) en presencia de una corriente directa con desprendimiento de dos volúmenes de hidrógeno gaseoso y un volumen de oxígeno gaseoso. La razón molar de hidrógeno a oxígeno es también de 2:1. (b) Puedes hacer este experimento en casa. Simplemente coloca una batería de 9 volts en un vaso de agua y observa las burbujas de H2 y O2.

2 H O ( l) — + 2 H 2(g ) + O 2(g)

Figura 10.14 El óxido mercúrico pulverizado, de color naranja, se descompone al calentarlo en mercurio líquido y oxígeno gaseoso.

Descomposición de óxido metálicos E l quím ico francés A ntoine L avoisier (véase la sección 2.6) consiguió descom poner polvo de óxido m ercúrico, de color rojo anaranjado, en m ercurio líquido y un gas, al cual dio el nom bre de oxígeno. P ara sum inistrar el calor necesario p ara la descom posi­ ción, L avoisier enfocó luz solar a través de una lente. L levó a cabo esta investigación en un sistem a cerrado y encontró que la m asa no cam biaba durante la reacción. Sus inves­ tigaciones contribuyeron a establecer la quím ica com o ciencia experim ental. I L a rea c­ ción (Fig. 10.14) es la siguiente. 2 H g O ( s ) ------> 2 H g(l) + Ü 2(g)

I Conexión con el aprendizaje Ve la sección 2.6 (Ley de conservación de la masa) y el recuadro de Rostros de la Química “La química se convierte en ciencia cuantitativa” en esa misma sección.

C iertos óxidos de m etales pesados, com o el H gO y el PbO 2, se descom ponen fácil­ m ente po r efecto del calor, en tanto que otros óxidos m etálicos, com o el A l2O 3, son m uy difícilesd ed escom poner.

Des compo sición de clo ratos y nitratos C uando se calientan com puestos que contienen cloratos, se descom ponen en el cloruro m etálico y oxígeno gaseoso. L os cloratos se em plean extensam ente en fuegos artificia­ les y luces de bengala para las carreteras (Fig. 10.15). Se puede utilizar un catalizador, com o el M nO 2, para acelerar la reacción. E l catalizador I no cam bia quím icam ente; se escribes obrel a f lecha,n oc om or eactivon ic om op roducto. MnO2

2 K C lO 3( 3 s ) ------> 2 K C l(s) + 3 O 2(g)

I Conexión con el aprendizaje Un catalizador (Sec. 10.1) es una sustancia que se agrega para acelerar una reacción, pero que no se consume durante ésta.

C uando los com puestos que contienen nitratos se calientan, no liberan con facilidad todos los átom os de oxígeno presentes, sino que se descom ponen para dar un com puesto que es un nitrito, y adem ás oxígeno gaseoso, com o se m uestra en el ejem plo siguiente.

E J E M P L O 10.7

Reacciones d e descomposición

E scribe una ecuación quím ica balanceada p ara la descom posición del nitrato de sodio al calentarlo. SOLUCIÓN I Conexión con el aprendizaje Una ecuación no representará una reacción como es debido si las fórmulas no están escritas correctamente. Éste es, de hecho, un error muy común entre los estudiantes.

■ P A S O 1 E scribe la ecuación b alanceada em pleando las fórm ulas correctas I de to das l as s us tan cias. N aN O 3 ------> N aN O 2 + O 2(g)

(noe stáb alanceada)

■ P A S O 2 B alancea la ecuación con los coeficientes apropiados. Puesto que el N a y el N parecen estar balanceados, com ienza contando y com parando los átom os de oxígeno de cada lado de la ecuación. E n vista de que el N aN O 3 contiene tres áto ­ m os de oxígeno y el N aN O 2 contiene dos, duplica el N aN O 3, que tiene un núm ero im par de átom os de oxígeno. D uplica el N aN O 2 p ara que todos los átom os estén balanceados. 2N aN O 3 ------> 2N aN O 2 + O 2(g)

(balanceada)

E l conteo de los átom os de oxígeno de la izquierda (seis) y de la derecha (seis) m uestra que los átom os de oxígeno están balanceados. N o es necesario ajustar el coeficiente que antecedea lO 2. Véanse los problemas 10.27 y 10.28.

E J E R C IC IO 10 .7 (a) E scribe una ecuación quím ica b alanceada de la descom posición del nitrato de potasiop orc alentam iento. (b) Escribe una ecuación quím ica balanceada de la descom posición del clorato de sodio.

Descomposición del peróxido de hidrógeno E n otra reacción de descom posición que presenta un interés especial particip a el p eró ­ xido de hidrógeno, el cual se descom pone en oxígeno gaseoso y agua en p resencia de un catalizador (Fig. 10.16). Tanto el ion yoduro com o el M nO 2 catalizane star eacción. _

M n O o ion I_

_

_

2 H 2O 2 ----- 2-------> 2 H 2O + O 2(g) Figura 10.16 El peróxido de hidrógeno se descompone en oxígeno gaseoso y agua en presencia de diversos catalizadores.

E s probable que tengas una botella de peróxido de hidrógeno al 3% en el botiquín de tu casa. L a solución de peróxido de hidrógeno al 6% sirve p ara decolorar el cabello, en tan­ to que la solución al 90% se h a em pleado com o fuente de oxígeno en ciertos cohetes.

Reaccio nes de los metales L os m etales m uy reactivos del G rupo IA de la tabla periódica reaccionan rápidam ente con el oxígeno del aire p ara form ar óxidos m etálicos, cuya fórm ula general es M 2O. E s­ tos m etales se guardan sum ergidos en aceite m ineral o queroseno p ara im pedir que reaccionen con la atm ósfera o con el agua. L os dem ás m etales reaccionan con el o x íg e­ no con m ás lentitud. H e aquí algunos ejem plos. M etal + O x íg e n o ------> Ó xidom etálico Ejem plos: 4 N a + O 2( g ) ------> 2 N a2O (s)

Rápida.

arde

2 M g + O 2(g) ------> 2 M gO (s)

E l M g arde con flam a.

4 F e + 3 O 2( g ) ------> 2 F e2O 3(s)

Algunos metales del Grupo IA también forman peróxidos de fórmula general M2O2, o superóxidos de fórmula general MO2, pero no se presentarán aquí estos casos especiales.

Lenta, a m enos que se caliente.

Herrumbre

Reacciones de los óxidos metálicos con agua L as reacciones del conjunto precedente producen óxidos m etálicos. C uando se disu el­ ven en agua, los óxidos m etálicos solubles en este disolvente producen hidróxidos m etálicos, que son básicos. L as soluciones b ásica s contienen iones O H - capaces de neutralizar los iones H+ de los ácidos. L a presencia de bases se detecta m ediante in d i­ cadores ácido-base. I P ara establecer las reacciones siguientes partirem os de los óxidos m etálicosp roducidosp orl asr eacciones delc onjuntop recedented ee jem plos. Ó xidom etálico + A g u a ------> H idróxidom etálico N a2O + H 2O ------>

2 N aO H

M gO + H 2O ------>

M g(O H )2

Reacciones de los metales con diversos agentes oxidantes U n a m alla fina de alam bre de cobre se oxida y se pone incandescente cuando se calien­ ta en una flam a, pero tam bién se p one incandescente si se calienta y se introduce en una botellac onc lorog aseoso.L ar eacciónp roduceu ns ólidov erde.L ae cuacióne s C u(s) + C l2(g) ------> C uC l2(s) A l principio de esta sección se describieron las reacciones de los m etales con el o x íg e­ no, las cuales se clasificaron com o reacciones de com binación; pero tam bién podrían clasificarse com o reacciones de o x id a ció n -red u c ció n . D urante la reacción del m etal con oxígeno, y tam bién con cloro, el átom o m etático neutro pierde electrones al ser “oxidado” po r un no m etal y convertirse en un ion m etálico con carga positiva. E n la ecuacióng enerald el ao xidación M ------> M n+ + n e~ (D urantel ao xidacións ep ierdene lectrones.) M representa el m etal, y n, la carga del ion y tam bién el núm ero de electrones que se pierden.

I Conexión con el aprendizaje Las propiedades de los ácidos y las bases se estudian con más detenimiento en el capítulo 16.

E l m etal siem pre sufre una p érd id a d ee lectrones durantel a ox id ació n .

L a oxidación se produce acom pañada de un a red u c ció n , esto es, de un a ganancia de electrones, po r parte de otra sustancia quím ica a la que se designa com o el a g e n te o xi­ d a n te . Siem pre que una sustancia se oxida, otra se reduce. E n los prim eros ejem plos, el oxígeno actúa com o el agente oxidante, lo que perm ite com prender por qué el proceso se llam a oxidación; pero el cloro tam bién provoca que el cobre pierda electrones (se oxide). Por tanto, tam bién el cloro es un agente oxidante. El flúor, el cloro, el brom o (Fig. 10.17), el yodo, así com o cualquier sustancia que induzca al m etal a perder electrones, pueden ser agentes oxidantes. L a sustancia que pierde elec­ trones es el ag e n te re d u c to r, el cual se oxida. A lgunos buenos ejem plos de oxidación es­ pontánea — donde la reacción ocurre sin adición de calor— son los siguientes. 2 Sb(s) + 3 C l2(g) ------> 2 SbC l3(s) 2 A l(s) + 3 B r2(l) ------> 2 A lB r3(s) 2 A l(s) + 3 I2(s) ------> 2 A lI3(s) Figura 10.17 El aluminio metálico reacciona espontáneamente con el bromo para formar bromuro de aluminio. El aluminio se oxida. El bromo es el agente oxidante.

L os no m etales (cloro, brom o y yodo) cam bian de elem entos neutros a iones negativos, lo cual significa que ganan electrones y, p o r tanto, se reducen. Por ejem plo, 3 C l2 + 6 e~ ------> 6

C r

E l no m etal (representado por X) se reduce al ganar electrones. L a siguiente es una ecuacióng enerald el ar educción. X + n e~ ------> X n~

I Conexión con el aprendizaje Cuando los metales reaccionan con los no metales, el metal es el agente reductor y el no metal es el agente oxidante.

(D urantel ar educcións eg anane lectrones.)

Se podría describir al no m etal com o un arrebatador de electrones. Cuando el no m etal se reduce, actúa com o un agente oxidante respecto al m etal. P ara resum ir lo que ocurre, en lae cuacións iguientes ei dentificanl osa genteso xidantey r eductor. I Agenter eductor

Agenteo xidante

2 A l(s) + 3 I2(s) pierdee lectrones ganae lectrones y se oxida. y se reduce.

E J E M P L O 10 .8

------> 2 A lI3

Oxidación y reducción

E n la reacción 2 A l(s)

+

3 B r2(1)

------> 2 A l B r3(s)

representadae nl aF ig.1 0.17,i dentifical os iguiente. (a) ¿Q uée lem entos eo xida? (b) ¿Q uée lem entos er educe? (c)

¿Q ués ustanciae se la genteo xidante?

(d)

¿Q ués ustanciae se la genter eductor?

SO LUCIÓN (a) E l alum inio pierdee lectronesp araf orm ari ones A l3+; por tanto, se oxida. (b) E l brom o ganae lectronesp araf orm ari onesB r “ ; por tanto, se reduce. (c)

E l b rom o, que es el no m etal, actú a com o agente oxidante al ganar electrones.

(d)

E l alum inio, que es el m etal, actúa com o agente reductor al perder electrones.

E n l ar eacciónd ela n tim oniom etálicoc onc loro( descritae n e stas ección) (a) identifica el elem ento que se oxida y el elem ento que se reduce.

Véanse los problemas 10.29-10.32.

(b) identificae la genteo xidantey e la genter eductor.

Reacciones de sustitución simple de los metales C uando se sum erge un trozo de alam bre de cobre en un a solución de nitrato de plata, se lleva a cabo una reacción quím ica. Se form an cristales brillantes de plata, con form a de agujas, sobre el alam bre de cobre, com o se m uestra en la Fig. 10.18. L a reacción es Cu(s) + 2 A gN O 3(ac) ------> C u(N O 3)2(ac) + 2 A g(s)

(balanceada)

E n esta reacción el cobre se oxida a iones C u2+ y sustituye a los iones Ag+ del A gN O 3. L os iones A g+ se reducen a plata sólida. L as reacciones com o ésta se ajustan a la ecuaciónd es ustitucións im ple,c uy af orm ae sl as iguiente. A + BC ------> AC + B Sabem os que los m etales alcalinos son m uy reactivos, pero un vistazo a la tabla p e­ riódica no pone de m anifiesto cuáles m etales sustituyen a otros. E n cam bio, ciertas inves­ tigaciones experim entales que se llevan a cabo con relativa facilidad en el laboratorio perm iten elaborar una lista de m etales en orden de reactividad. E sta lista se conoce co ­ m o una se rie d e a c tiv id a d . L a tabla 10.1 m uestra la serie de actividad de algunos de los m etales m ás com unes en orden de reactividad decreciente, con el m etal m ás reactivo a la cabeza de la lista. L os m etales m ás reactivos, que son los alcalinos (G rupo IA), desplazan con facili­ dad el hidrógeno del agua fría para producir el hidróxido m etálico e hidrógeno gaseoso. E stas reacciones son m uy rápidas, pese a que el agua tiene fuertes enlaces covalentes que es necesario rom per. D os m etales alcalinotérreos (G rupo IIA ), el calcio y el bario, reaccionan con el ag u a con rapidez m oderada, pero el ag u a debe hallarse en form a de vaporp araq uer eaccionec one lm agnesio. A c ontinuacións em uestrand ose jem plos. M etala ctivo + A gua ------> H idróxidom etálico + H idrógenog aseoso 2 Na

+ 2 H 2O ------->

2 N aO H

+ H 2(g)

Ca

+ 2 H 2O ------->

C a(O H )2

+ ^ (g )

C om para estas reacciones con otras ya descritas en las que los óxidos m etálicos en con­ tacto cona guap roducenú nicam entee lh idróxidom etálico,s inh idrógenog aseoso.

E J E M P L O 10.9

M etales reactivos con agua

E scribe una ecuación de la reacción del potasio con agua. SO LUCIÓN ■ P A S O 1 Escribe la ecuación no balanceada con las fórm ulas correctas de todas las sustancias. K + H 2O ------> KOH + H 2(g)

(noe stába lanceada)

■ P A S O 2 B alancea la ecuación em pleando el conjunto m ás pequeño de coeficien­ tes enteros. C om ienza contando y com parando el núm ero de átom os de cada tipo de reactivos y productos. C on un núm ero im par de átom os de H en el lado derecho y un núm ero par en el izquierdo, duplica el K O H de la derecha p ara tener un núm e-

Figura 10.18 Un alambre de cobre inmerso en una solución de nitrato de plata reacciona y forma cristales brillantes, como agujas, de plata metálica, además de iones cobre(II).

Figura 10.19 El potasio y otros metales alcalinos reaccionan vigorosamente con el agua produciendo hidrógeno gaseoso y el hidróxido del metal. En este caso la reacción liberó la energía suficiente para encender al hidrógeno.

T a b la 10 .1

S e r ie d e a c tiv i d a d d e m e ta l e s Forma reducida (átom o metálico)

Forma oxidada (ion metálico) oxidación ---------> Ion metálico + n e" reducción Ion metálico + n e"

Átomo metálico Átomo metálico Li

^

Li+

+ e

K

K+ Ca2+

+ e"

Ca

^ ^

+ 2e

Na

^

Na+

+ e"

Mg Al

------ ^ ^

Mg2+ Al3+

+ 2 e" ' + 3 e"

Zn

------ ^

Zn2+

+ 2e

Cr

^

Cr3+

+ 3 e"

Fe

^

Fe2+

+ 2e

Cd

^

Cd2+

+ 2 e"

Ni

^

Ni2+

+ 2 e"

Sn

------ ^

Sn2+

+ 2 e"

Pb

^

Pb2+

+ 2 e"

h2

------ ^

2 H+

+ 2 e"

Cu

^

Cu2+

+ 2 e"

Hg Ag

------ ^

Hg2+

^

Ag+ Au3+

+ 2 e" + e"

Au

+ 3 e"

Reaccionan con agua fría, vapor de agua o ácidos liberando hidrógeno gaseoso

é

Reaccionan con vapor de agua o ácidos liberando hidrógeno gaseoso Reaccionan con los ácidos liberando hidrógeno gaseoso

No reaccionan con los ácidos con desprendimiento de hidrógeno gaseoso

ro par de H. A hora, con cuatro H en el lado derecho, duplica el H 2O de la izquierda p ara balancear los H. B alancea el K al últim o, pues está solo en el lado derecho. C uentat odosl osá tom osp arac om probare lr esultado. 2 K + 2 H 2O ------> 2 K O H + H 2(g) Véanse los problemas 10.33 y 10.34.

(balanceada)

E J E R C IC IO 10.9 (a) E scribe una ecuación de la reacción del litio con agua. (b) E scribe una ecuación de la reacción del m agnesio con vapor de agua.

L os m etales m ás reactivos desplazan con facilidad H 2(g) del a g u a fría o de los áci­ dos. E l siguiente grupo de m etales de la serie de actividad desplaza H 2(g) del vapor de agua o de los ácidos (Fig. 10.20). V ienen después en la serie m etales com o el níquel, que desplaza el hidrógeno de los ácidos pero no del vapor de agua n i del agua fría. La plata y otros m etales situados debajo del hidrógeno en la lista no lo desplazan, n i siquie­ ra de los ácidos. L a razón de estas diferencias de reactividad tiene que ver con la tendencia a ceder electrones para form ar iones. L os m etales que están m ás arriba en la serie de actividad ceden electrones (se oxidan) con m ás facilidad que los m etales situados m ás abajo en la serie. A prende a utilizar esta serie de actividad p ara predecir qué m etales reaccionarán con los ácidos y con otros com puestos.

E J E M P L O 1 0.10

M etales con ácidos

¿R eacciona el m agnesio con el ácido clorhídrico, H C l? Si la respuesta es afirm ativa, es­ cribe unae cuaciónb alanceadad el ar eacción. SO LUCIÓN ■ P A S O 1 C onsulta la serie de actividad p ara saber si el M g m etálico es m ás rea c­ tivo que los iones H+ del ácido. Sí lo es, así que podem os escrib ir la ecuación no balanceada. (Si se predij era que no hab ría reacción, b asta con escribir “n o hay reacción” despuésd el a f lecha. M g + H C l(ac) ------> M gC l2(ac) + H 2(g)

(noe stába lanceada)

■ P A S O 2 B alancea la reacción em pleando el conjunto m ás pequeño de coeficientese nteros. M g + 2 H C l(ac) ------> M gC l2(ac) + H 2(g)

(balanceada)

E J E R C I C IO 10.10 (a) ¿R eacciona el m ercurio o el oro con un ácido? (C onsulta la tabla 10.1.) (b) ¿R eacciona el alum inio m etálico con el H C l(ac)? E n caso afirm ativo, escribe una ecuaciónb alanceadad el ar eacción.

A hora podem os explicar por qué el alam bre de cobre reaccionó con el nitrato de p la­ ta. U n m etal reactivo de la serie de actividad sustituirá al ion de cualquier m etal que se encuentre m ás abajo en la lista. Por consiguiente, es de esperar que el C u m etálico rea c­ cione con los iones Ag+ I porque los iones Ag+ están m ás abajo en la lista. D e m odo an á­ logo, el cinc m etálico reacciona con el Pb(N O 3)2 en solución. C onform e el Zn, que es m ás reactivo que el plom o, se oxida a iones Z n2+, los iones P b2+ se reducen a cristales de plom o m etálico. L a conversión de los iones Pb2+ a Pb es la reacción inversa de la que se indica en la serie de actividad, porque im plica una reducción en vez de una oxidación.

Figura 10.20 Muchos metales, como el magnesio que aquí se muestra, sustituyen los iones hidrógeno de los ácidos y provocan el desprendimiento de burbujas de hidrógeno gaseoso.

I Conexión con el aprendizaje Localiza estos metales y sus iones en la serie de actividad, a medida que lees este párrafo.

Zn(s) + P b(N O 3)2(ac) ------> Z n(N O 3)2(ac) + Pb(s) E l cinc reacciona con el P b(N O 3)2; la reacción inversa no se lleva a cabo. Con ayuda de la serie de actividad (Tabla 10.1), podrás sin duda p redecir m uchas reacciones de sustitucións im ple.

E J E M P L O 10.11

La serie d e actividad y la sustitución simple

¿R eaccionará la plata m etálica con una solución que contenga iones Z n 2+? E n caso afir­ m a tiv o ^ scribeu n ae cuaciónb alanceadad el ar eacción. SOLUCIÓN C onsulta la serie de actividad para saber si la A g m etálica es m ás reactiva (está m ás arriba en la lista) que los iones Z n 2+. N o es así; p o r tanto, no es de esperar que hayar eacción.P ort anto,d ebem ose scribir A g(s) + Z n2+(ac) ------> N o hay reacción E J E R C I C IO 10.11 (a) ¿R eaccionará el zinc m etálico con una solución que contenga iones A g+? E n casoa firm ativo,e scribeu nae cuaciónb alanceadad el ar eacción. (b) ¿R eaccionará el zinc m etálico con una solución que contenga iones N a+? E n casoa firm ativo,e scribeu nae cuaciónb alanceadad el ar eacción.

Véanse los problemas 10.35-10.38.

Los no m etales arden en el aire, es decir, reaccionan con oxígeno, para form ar óxidos no metálicos. Por ejemplo, el azufre, de color am arillo pálido, arde en oxígeno gaseoso puro con flam a azul pálida y produce dióxido de azufre, un gas incoloro e irritante (Fig. 10.21). L a fórm ula del azufre es S8porque los átom os de azufre form an anillos de ocho miembros. S8(s) + 8 O 2(g) ------> 8 SO 2(g)

Figura 10.21 El azufre arde en oxígeno y forma dióxido de azufre gaseoso, el cual tiene un olor característico e irritante, parecido al de un fósforo encendido.

L a oxidación ulterior del SO 2 produce trióxido de azufre, SO 3. Se produce dióxido de carbono cuando se quem a carbón vegetal u otras form as de carbono. L a com bustión del fósforo, P4, produce decóxido de tetrafósforo, P4O 10, tam bién llam ado pentóxido de difós­ foro porques u f órm ulam áss im ple( em pírica)e sP 2O 5. P4(s) + 5 O 2(g) ------> P4O 10W E l cloro y el brom o tam bién oxidan el fósforo para form ar halogenuros com o PCl5 y PB r3.

Reacciones de los óxidos no metálicos con agua Conexión con el mundo real La presencia de rastros de azufre en la gasolina, actualmente del orden de 340 ppm, es objeto de estudio por parte del Organismo de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos. El EPA está considerando la posibilidad de fijar niveles objetivo de 150, 100 y 40 ppm. Los fabricantes de automóviles, el American Petroleum Institute (Instituto Estadounidense del Petróleo) y el EPA aún no están de acuerdo respecto a las reducciones necesarias.

L os óxidos no m etálicos reaccionan con agua p ara producir ácidos. A lgunos ejem plos son los siguientes.

E J E M P L O 10 .12

SO2 + H 2O

— >

H2SO3 Ácido sulfuroso

SO 3 + H 2O

— >

H2SO4 Ácido sulfúrico

C O 2 + H 2O

— >

H2CO3 Ácido carbónico

Los óxidos no metálicos y el agua forman ácidos

E scribe una ecuación b alanceada de la reacción del P4O 10 con ag u a p ara form ar ácido fosfórico,H 3PO 4. SO LUCIÓN ■ P A S O 1 E scribe la ecuación no balanceada con las fórm ulas correctas de todas las sustancias. P4O 10 + H 2O ------> H 3PO 4

(noe stába lanceada)

■ P A S O 2 B alancea la ecuación em pleando el conjunto m ás pequeño de coeficien­ tes enteros. D ado que el oxígeno está en todos los com puestos, balancéalo al final. C om ienza con el P y después “responde” con el H antes de com probar el oxígeno. P4O 10 + 6 H 2O ------> 4 H 3PO 4

(balanceada)

E J E R C I C IO 10 .12 (a) R esum e en tus palabras lo que sucede cuando los óxidos no m etálicos reaccionan con agua. (b) E scribe una ecuación b alanceada de la reacción del N 2O 5 con agua p ara form ar ácidon ítrico,H N O 3.

Reaccio nes de sus titu ción simple de los no me ta les C iertos halógenos son m ás reactivos que los dem ás. L os halógenos m ás activos reaccio­ nan con los com puestos que contienen iones de los halógenos m enos activos. E n estas

reacciones, el halógeno activo — com o elem ento— es el agente oxidante, y se reduce durante el proceso. E l orden de reactividad es el siguiente, con el halógeno m ás reacti­ vo en prim er térm ino de la lista: F 2, C l2, B r2 e I2. E ste orden coincide con el orden d es­ cendente de los halógenos en la tabla periódica, con el flúor, el m ás electronegativo y m ás no m etálico, en el prim er lugar de la serie. C om para lo siguiente. 2 H I(g) incoloro

C l2(g) verdoso C l2(g)

+

I2(s) violeta

Serie de actividad de los halógenos F, Cl, 2

2 H Cl(g) incoloro

N aF(ac) ------> N o hay reacción

C om o se ve, el cloro sustituye a los iones yoduro, I", p ero no a los iones fluoruro, F ". E xam ina detenidam ente la serie de actividad de los h alógenos m ientras repites el últim o enunciado. A horap ruebac one stee jem plo.

E J E M P L O 10 .13

Reacciones d e sustitución de los no m etales

E scribe una ecuación balanceada de lo que esperes que ocurra cuando se m ezcla brom o, unl íquidor ojo,c on unas olucióni ncolorad eN aCl. SOLUCIÓN ■ P A S O 1 C onsulta la tabla periódica para com parar las posiciones del cloro y del brom o. E l brom o está debajo del flúor y de cloro en la tabla; p o r tanto, es de esperarq ues ustituyaa li ony odurop ero no al osi on esf luoruron ic loruro. ■ P A S O 2 E scribe tup redicción B r2 + N aC l(ac) ------> N o hay reacción E J E R CI C IO 10 .13

Véanse los problemas 10.39-10.42.

(a) E scribe una ecuación balanceada de lo que esperes que ocurra cuando se m ezcla brom o con una solución de yoduro de sodio. (b) E scribe una ecuación balanceada de lo que esperes que ocurra cuando se m ezcla cloro,C l2, con una solución de NaBr.

^0.^0 Reacciones de doble sustitución L asr eaccionesd e d o b les u stitu c ió n , o de m e tátesis, adoptan la form a AB + C D ------> A D + CB E n otras palabras, los iones de los com puestos AB y C D intercam bian com pañero. Las reacciones de este tipo se llevan a cabo en solución acuosa cuando al m enos uno de los productose s: 1. U ns ólidoi nsolubleo c asii nsoluble,c onocidoc om o p re c ip ita d o . 2. U nc om puestoc ovalentee stable,i nclusoe la guay l osg asesc om unes. L a fuerza m otriz de estas reacciones, y m uchas otras, es la form ación de un producto e s­ ta ble.

Formación de un gas C uando se calienta ácido sulfúrico, H2SO4, con sulfuro de sodio se d esprende sulfuro de hidrógeno, H 2S, un gas acre con olor de huevos podridos. L a ecuación de la reacción es H 2SO4 + N a2S ------> H 2S(g) + N a2SO4

L a f uerzam otrizd ee star eaccióne sl a f orm aciónd es ulfurod eh idrógenog aseoso. E l cloruro de hidrógeno gaseoso se p rep ara en escala com ercial, y tam bién en el la­ boratorio, m ediante la reacción del ácido sulfúrico concentrado con cloruro de sodio, com os igue. H 2SO4 + N aC l ------> H C l(g) + N aH S O 4 E l H C l gaseoso producido se puede disolver en agua p ara preparar ácido clorhídrico. Tam bién se produce el tóxico cianuro de hidrógeno gaseoso, H C N (g), cuando los áci­ dos reaccionanc onl osc ianuros. H C l(ac) + N aC N ------> H C N (g) + N aC l L os carbonatos liberan dióxido de carbono gaseoso cuando reaccionan con un áci­ do, o cuando se calientan intensam ente, com o lo ilustran estas reacciones del carbonato dec alcio,C aC O 3, presente en la p ied ra caliza y el m árm ol. C aC O 3(s) + 2 H C l(ac) ------> C O 2(g) + H 2O ® + C aC ^(ac)

C aC O 3(s) Carbonato de calcio (piedra caliza) Conexiones con el mundo real • El CaCÜ3 se emplea en algunos antiácidos comunes porque reacciona con los ácidos, como aquí se muestra. • La piedra caliza, que contiene CaCÜ3, se calienta a temperaturas elevadas para producir cal viva, CaO, que se utiliza para fabricar cemento.

calor ------> C O 2(g) +

CaO (s) Óxido de calcio (cal viva)

L a reacción de producción de CaO a partir de C aC O 3 es una reacción de descom posi­ ción que se h a incluido aquí con fines com parativos. L os carbonatos liberan C O 2 gaseo­ so cuando reaccionan con ácidos y cuando son som etidos a tem peraturas altas p orque el C O 2 gaseosoe sm áse stableq uel osm aterialesd ep artida.

Reaccio nes de pre cipitación A l m ezclar una solución acuosa (en agua) incolora de nitrato de sodio con un solución incolora de yoduro de potasio se form a un producto opaco de color am arillo brillante que, si se deja en reposo, se asienta en el fondo del m atraz (Fig. 10.22). A este p ro d u c­ to insoluble se le llam a precipitado (se abrevia pp). E n las ecuaciones el precipitado se identificam ediantee ls ím bolo( s),d es ólido,c om o a quís em uestra. P b(N O 3)2(ac) + 2 K I(ac) ------> PbI2(s) + 2 K N O 3(ac)

I Conexión con el aprendizaje Pregunta a tu profesor cuáles reglas de solubilidad debes memorizar.

Reglas de solubilidad aquí aplicadas. • Los halogenuros de plata son insolubles. • Los sulfatos de Ba, Sr y Pb son insolubles. • Todos los hidróxidos de metales de transición son insolubles.

D urante la reacción, los iones Pb2+(ac) del P b(N O 3)2 (ac) y los iones I _ del K I(ac) form ane lp recipitadod eP bI2(s).L osi onesh ani ntercam biados uc om pañero. L a form ación de un precipitado es la fuerza m otriz de esta reacción y de m uchas otras. L a tabla 10.2 indica varias reglas generales de solubilidad que te ayudarán a d eci­ d ir cuáles productos de un a reacción son precipitados, en caso de haberlos. I L as reac­ ciones de m etátesis (doble sustitución) siguientes ilustran la form ación de precipitados. N aC l(ac) + A gN O 3(ac) ------> N aN O 3(ac) + AgCl(s) K 2SO 4(ac) + B aC l2(ac) ------> 2 K C l(a c ) + B aSO 4(s) 3 K O H (ac) + F eC l3(ac) ------> 3 K C l(ac ) + F e(O H )3(s)

E J E M P L O 10.14

Reacciones d e doble sustitución

Escribe una ecuación quím ica balanceada de la reacción entre soluciones acuosas de cro­ m ato de potasio y nitrato de plata, en la cual se form a un precipitado.

Figura 10.22 Las soluciones transparentes de (a) nitrato de plomo(II) y yoduro de potasio reaccionan (b) para producir un precipitado amarillo de yoduro de plomo. Los iones potasio y los iones nitrato permanecen en solución.

Precipitado de P b L

SO LUCIÓN ■

P A S O 1 E scribe la ecuación no balanceada con las fórm ulas correctas de todas las s us tan cias. K 2C rO 4(ac) + A gN O 3(ac) ------> K N O 3 + A g2C rO 4

(noe stába lanceada)

P ara decidir cuál de los dos productos es el que form a el precipitado, seguirem os un procedim iento de elim inación. E l prim er producto que se indica es un nitrato, y sabem os que todos los nitratos son solubles; así pues, el K N O 3 no puede ser el p re­ cipitado. Por consiguiente, el precipitado que se form a debe ser el otro producto, A g2C rO 4, que se debe identificar en la ecuación con un a (s).

Tabla 10.2

Reglas de solubilidad de los compuestos iónicos*

1. Los compuestos de metales alcalinos, los nitratos y los compuestos de amonio son solubles. 2.

Los hidróxidos de los metales alcalinos y de algunos metales alcalinotérreos (Ca2+, Sr2+ y Ba2+) son solubles. Todos los demás hidróxidos son insolubles.

3.

Todos los cloruros son solubles excepto AgCl, PbCl2 y Hg2Cl2.

4.

La mayor parte de los sulfatos son solubles; son excepciones el BaSO4, el PbSO4 y el CaSO4.

5.

La mayor parte de los fosfatos, carbonatos, cromatos y sulfuros son insolubles, salvo los de metales alcalinos.*

*Los términos insoluble y ligeramente soluble se emplean indistintamente; sólo se disuelven en agua cantidades extremadamente pequeñas. En el caso de las sustancias que son solubles, se pueden preparar soluciones 0.10 M o de mayor concentración.

■

P A S O 2 B alancea la ecuación em pleando el conjunto m ás pequeño de coeficientese nteros. K 2CrO 4(ac) + 2 A g N O s(a c )------> 2 K N O 3 (ac) + A g2& O 4(s)

Véanse los problemas 10.43-10.46.

(balanceada)

E J E R C IC IO 10 .14 (a) E scribe una ecuación quím ica b alanceada de la reacción entre soluciones acuosas de cloruro de calcio y nitrato de plata, en la cual se form a un precipitado. (b) ¿C uál es el precipitado que se form a, y cuál es la fuerza m otriz de esta reacción?

Ecuacio nes ióni cas y ecuacio nes ió ni cas ne tas L a ecuación que se balanceó en el ejem plo 10.14 es un a ecuación quím ica norm al y re ­ presentativa que proporciona abundante inform ación, com o las fórm ulas de todas las sustancias participantes en la reacción y las proporciones en las que reaccionan. Tambiéni ndicaq uee lc rom atod ep latas ólidos ep roducee n f orm ad ep recipitado. E s m ucho m ás lo que se puede m ostrar fácilm ente respecto de las reacciones que se llevan a cabo en solución acuosa. L a solución original de crom ato de potasio contiene iones potasio, K+, y iones crom ato, CrO 42", disueltos en agua. E stos iones se desplazan librem ente en la solución acuosa. D e form a análoga, los iones plata, A g + ,y los iones nitrato, N O 3", tam bién están disueltas en agua y se desplazan p o r todas partes de form a libre e independiente. L o m ism o ocurre con los iones potasio y nitrato que aparecen com o product os. D e hecho, el único com ponent e en el que est o no se cum ple es el A g2C rO 4(s), que es un precipitado. Se puede escribir una ec u a ció n ió n i c a que m ues tra todosl osi onesd isueltos( acuosos)e scritosp ors eparado. 2 K +(ac) + C rO 42"(ac) + 2 A g+(ac) + 2 N O 3"(ac) ------> 2 K+ (ac) + 2 N O 3"(ac) + A g2C rO 4(s) P ara que la ecuación se conserve balanceada, cada uno de los iones se m ultiplica por el m ism o coeficiente aplicado en la ecuación b alanceada norm al que y a se m ostró. A d ­ vierte que el crom ato de potasio produce al disolverse dos iones K+ individuales, que se indican com o 2 K+, no com o K 2+. E studia esta ecuación iónica com o m odelo p ara escribiro trase cuacionesi ónicas. U na ecuación iónica m uestra con m ás exactitud lo que ocurre durante una reacción, pero puede ser bastante larga y parecer com plicada. Observa, al exam inar esta ecuación ió­ nica, que hay dos iones K+ y dos iones N O 3" com o reactivos y com o productos. A estos iones que parecen “estar observando” cóm o se lleva a cabo la reacción, se les llam a iones espectadores. L a reacción ocurre porque los iones plata reaccionan con los iones cromato para form ar crom ato de plata, un precipitado, con lo cual estos iones salen de la solución. Sis eo m itenl osi onese spectadores,s eo btienel ae cuacións iguiente. CrO 42"(ac) + 2 A g+(ac) ------> A g2C rO 4(s) I Conexión con el aprendizaje Cerciórate de saber identificar una ecuación química, una ecuación iónica y una ecuación iónica neta, y de saber representar una reacción de metátesis mediante cualquiera de las tres.

E sta ecuación se denom ina ec u ac ió n ió n ic a n e ta . I E incluye únicam ente los iones que reaccionan para form ar el precipitado. L os iones espectadores se dejan fuera. D e este m odo, la ecuación iónica neta nos dice — de form a concisa— cuáles iones son los que reaccionan y por qué se lleva a cabo la reacción. L os quím icos suelen em plear ecuaciones iónicas y ecuaciones iónicas netas. L ee el recuadro de L a quím ica en nuestro m undo “R eacciones quím icas en las grutas de piedra caliza”p aras aberc óm os ea plicane stosc onceptos. E J E M P L O 10.15

Ecuaciones iónicas y iónicas netas

E scribe de nuevo esta ecuación, prim ero com o ecuación iónica y luego com o ecuación iónican eta. 3N aO H (ac) + F eC l3(ac) ------> 3N aC l(ac) + F e(O H )3(s)

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO R e a c c io n e s q u ím ic a s e n la s g r u ta s d e p ie d r a c a liz a Las grutas de piedra caliza se forman cuando el agua que con­ tiene CO2 gaseoso disuelve el carbonato de sodio, CaCO3, pre­ sente en la roca caliza. CaCO3(s) + H2O + CO2( g ) ----- > Ca2+(ac) + 2 HCO3- (ac) La formación de CaCO3 en las estalactitas que cuelgan del techo de la grutas de piedra caliza, y en las estalagmitas que se forman en el piso de estas grutas, tiene lugar cuando se invierte la reacción anterior. Ca2+(ac) + 2 HCO3- (ac) ----- > CaCO3(s) + H2O + CO2(g) Lo que hace posible la inversión de la reacción es el hecho de que el agua se evapora lentamente de las superficies húmedas de las grutas y, a medida que el dióxido de carbono gaseoso y el agua se desprenden, el CaCO3, ligeramente soluble, queda atrás en forma de precipitado.

Formaciones de piedra caliza en las Cavernas Perdidas de Pensilvania.

__________________________________ J

V______________________________________________________

SOLUCIÓN L a ecuación iónica debe m ostrar todos los iones disueltos escritos por separado. 3 N a+(ac) + 3 O H ( a c ) + F e3+(ac) + 3 C l ( a c ) ------> 3 N a+(ac) + 3 C l ( a c ) + F e(O H )3(s) L ae cuacióni onican etas iguienten om uestral osi onese spectadores. I 3 O H ( a c ) + F e 3+( a c ) ------> F e(O H )3(s) E J E R C IC IO 10 .15 (a) E n el ejercicio 10.14 se te pidió escribir una ecuación balanceada de la reacción entre soluciones acuosas de C aC l2 y A gN O 3. E scríbela ahora com o ecuación ióni ca. (b) E scribe l ae cuacióna nteriorc om oe cuacióni ónican eta.

I Conexión con el aprendizaje El que los iones OH- aparezcan antes o después de los iones Fe3+ en la ecuación iónica neta es arbitrario. Aquí se presentan en el orden en que aparecen en la ecuación iónica.

10.12 Neutralización: una reacción de doble sustitución U n ácido, que contiene iones H+, neutraliza una b ase, que contiene iones O H - , y form a agua y una sal. E sta sal contiene el catión de la base y el anión del ácido. A co n ti­ nuación sep resenta lae cuacióng eneral yu n ae cuacióni lustrativa. Á cido Ejem plo:

+ B ase

----- > A gua

+ Sal

H C l(ac) + N a O H (a c )------> H 2O (l) + N aC l(ac)

L a fuerza m otriz de esta reacción de n e u tra liz a c ió n es la reacción de los iones H+ con los iones O H - p ara f orm arm oléculasc ovalentese stablesd ea gua.

Véanse los pr°blemas 10.47-10.52.

E n la sección precedente se describieron las ecuaciones iónicas. E scribam os ahora una ecuacióni ónicad el an eutralizaciónd eá cidoc lorhídricoc onh idróxidod es odio. H +(ac) + C l"(ac) + N a+(ac) + O H "(ac) ------> H 2O (l) + N a+(ac) + C l"(ac) Sis eo m itenl osi onese spectadoresN a+ y C l", se tiene la ecuación iónica neta H +(ac) + O H (ac) ------> H 2O(l) Todas las reacciones de neutralización entre ácidos y bases fuertes tienen esta m ism a ecuación iónica neta. Se incluye aquí un ejem plo m ás de reacción ácido-base: la neutralizaciónd eá cidos ulfúricoc onh idróxidod ec alcio. I Conexión con el mundo real El CaSO4 es un componente del cemento, el cartón de yeso, el estuco, la argamasa, el papel, la pintura y los polvos de pulimento.

H 2SO4(ac) + C a(O H ^ (ac) -------- > 2 H 2O + C aSO 4(s) I E lc a p ítu lo l 6p roporcionam ási nform acióna cercad el osá cidosy l asb ases.

E J E M P L O 10.16

Neutralización ácido-base

C onr espectoa l ar eaccióne ntre elá cidos ulfúricoy e lh idróxidod es odio,p roporciona (a) lae cuaciónq uím ica, (b) lae cuacióni ónicay (c) lae cuacióni ónican eta. SO LUCIÓN (a) L ae cuaciónq uím icae s H 2SO4(ac) + 2 N aO H (ac) ------> 2 H 2O + N a2SO4(ac) (b ) L ae cuacióni ónicae s 2 H +(ac) + SO 42"(ac) + 2 N a+(ac) + 2 O H "(ac) ------> 2 H 2O + 2 N a+(ac) + SO 42"(ac) (c) L ae cuacióni ónican etae s H +(ac) + O H (ac) ------> H 2O(l) E J E R C I C IO 10.16 Véanse los problemas 10.53-10.56.

(a) E scribe la ecuación iónica n eta que es com ún a todas las reacciones de neutralizacióná cido-base. (b) ¿C uále sl a f uerzam otrizd et odasl asr eaccionesd en eutralizacióná cido-base?

L as reacciones quím icas im portantes están p o r todas partes, en la naturaleza, en la industria, en nuestro h ogar y en el interior de nuestro cuerpo, aunque suelen pasar in ad ­ vertidas.

Resumen del capítulo Uno de los temas más importantes de toda la química es el estudio de las reacciones quími­ cas y de la notación simbólica con la que se escriben las ecuaciones químicas. La ecuación resume información acerca de la identidad (las fórmulas) de los reactivos y productos; además, proporciona un sistema para contabilizar cada átomo — o moles de átomos— de los reactivos y de los productos. La ecuación química debe satisfacer la ley de conservación de la masa, confirmando que no se crea ni se destruye materia durante el proceso. Los coeficientes que se anteponen a los reactivos y productos constituyen la clave para determinar las proporciones de las sustancias que reaccionan, ya sea en términos de átomos

o de moles de átomos. Lo primero que se necesita hacer es traducir la descripción de una reacción química en palabras a fórmulas y ecuaciones. Para balancear una ecuación, es in­ dispensable escribir correctamente todas las fórmulas. Durante el proceso de balanceo de una ecuación, sólo se ajustan los coeficientes . Las ecuaciones iónicas y las ecuaciones ióni­ cas netas permiten representar de modo más completo lo que ocurre durante la reacción. Es forzoso admitir que todo esto exige práctica. Los tipos generales de reacciones han sido agrupados en categorías para facilitar su aprendizaje. Las secciones de la 10.4 a la 10.12 ofrecen numerosas muestras y ejemplos re­ sueltos de ecuaciones de reacciones de combustión; reacciones de síntesis y descomposi­ ción; y reacciones de sustitución simple y doble (metátesis) en las que participan metales, no metales, ácidos, bases y sales. Además de conocer la terminología, debes ser capaz de completar una ecuación y ba­ lancearla, cuando se dan ya sea los reactivos o los productos de reacciones similares a las que se presentan en este capítulo. En el caso de las reacciones que se llevan a cabo en solu­ ción, también debes ser capaz de escribir ecuaciones iónicas y iónicas netas. El aprendizaje es engañoso. Observar a alguien hacerlo no significa que puedes balancear las ecuaciones o predecir los productos. La mejor forma de aprender a escribir y balancear ecuaciones quími­ cas consiste en resolver por tu cuenta los ejemplos de este capítulo, y después, los problemas que se incluyen al final.

Evalúa tu comprensión: repaso y autoevaluación 1. 2. 3. 4. 5.

Explica la diferencia entre reacciones químicas y ecuaciones químicas. [ 10. 1] Describe el significado, en el nivel molecular, de una ecuación dada. [ 10 .2 ] Describe lo que está “ balanceado” en una “ ecuación balanceada” . [ 10.3 ] Balancea ecuaciones químicas en las que conoces todas las fórmulas. [ 10 .3 ] Utiliza la descripción de reacciones químicas para escribir reacciones con palabras y reacciones químicas balanceadas. [ 10.3 ]

6. Clasifica las reacciones en las categorías siguientes: combustión; síntesis; descom­ posición; sustitución simple; doble sustitución; oxidación y reducción; y neutrali­ zación^ 10 .4 - 10. 12]

7. Predice los productos y balancea ecuaciones de reacciones similares a las que ilus­ tran cada una de las categorías presentadas. [ 10 .4 - 10 . 12]

8. Escribe ecuaciones iónicas y iónicas netas con base en reactivos o productos cono­ cidos. [10.11-10.12]

Términos clave ácido [10.12] agente oxidante [10.8] agente reductor [10.8] base [10.12] catalizador [10.1] coeficiente [ 10 .3 ] combustión [10.5] ecuación iónica [10.11] ecuación iónica neta [10.11] ecuación química [10.1]

ecuación química balanceada [10.2] electrólisis [ 10.7 ] iones espectadores [10.11] neutralización [10.12] oxidación [10.8] oxidación-reducción [10.8] precipitado [10.10] produce o como [10.1] productos [10.1]

reacción de combinación [10.6] reacción de descomposición [ 10 .7 ] reacción de doble sustitución [10.10] reacción de metátesis [10.10] reacción de síntesis [10.6] reacción de sustitución simple [10.8]

reacción química [10.1] reactivos [10.1] reducción [10.8] sal [10.12] serie de actividad [10.8] solución acuosa [10.1] solución básica [10.8]

Problemas 10.1

Con base en la ley de conservación de la masa, explica por qué se balancean las ecuaciones.

10.2 ¿Qué relación guarda la ley de conservación de la masa con el número de átomos de reactivos y productos?

10.3 En una ecuación química balanceada, ¿qué de lo siguien­ te debe estar balanceado: átomos, masa, moléculas, mo­ les? Explica tu respuesta.

10.4 ¿Qué se debe escribir correctamente antes de balancear una ecuación química?

Balanceo de ecuaciones

10.5 Balanceae stase cuacionesq uímicas. a. b. c. d. e.

10.13 Clasifica las reacciones siguientes como de combus­

Cr + O2 ----- y Cr2O 3 SO 2 + O2 ----- y SO 3 PbO2 ----- y PbO + O 2(g) NaOH + C O 2 ----- y N a2C O 3 + H2O A l2(SO4)3 + NaOH ----- y Al(O H )3 + Na2SO4

10.6 Balanceae stase cuacionesq uímicas. a. A l + O2 ----- y A l2O3 b. c. d. e.

N2 + O2 ----- y NO2 H2O2 ----- > H2O + O2(g) LiOH + C O 2 ----- > L i2C O 3 + H2O Fe2(SO4)3 + NaOH ----- y Fe(OH)3 + Na2SO4

10.7 De los enunciados siguientes, ¿cuáles son verdaderos y cuáless onf alsosr espectoa u nae cuaciónb alanceada? a. Los átomos de los reactivos deben ser iguales a los átomosd el osp roductos. b. Los moles de átomos de reactivos deben ser iguales a los moles de átomos de productos. c. Los gramos de reactivos deben ser iguales a los gramosd ep roductos.

tión, síntesis, descomposición, sustitución simple o do­ ble s us titu ción. a. la reacción del problema 10.10c b. la reacción del problema 10.9 a c. la reacción del problema 10.9 d d. la reacción del problema 10.11d e. la reacción del problema 10.12c

10.14 Clasifica las reacciones siguientes como de combus­ tión, síntesis, descomposición, sustitución simple o do­ ble s us titu ción. a. la reacción del problema 10.10e b. la reacción del problema 10.11c c. la reacción del problema 10.9 e d. la reacción del problema 10.10a e. la reacción del problema 10.12d

10.15 Las pequeñas cantidades de azufre presentes en la hulla producen emisiones de dióxido de azufre en las centra­ les termoeléctricas que queman hulla. En el control de la contaminación se utiliza óxido de calcio para absor­ ber el SO 2 gaseoso,c onformea l ae cuación

d. El total de moléculas de reactivos debe ser igual al totald em oléculasd ep roductos.

SO 2(g) + CaO(s) ----- y CaSO 3(s)

e. El total de moles de reactivos debe ser igual al total de molesd ep roductos.

Clasifica esta reacción con base en las cinco categorías mencionadas en los problemas 10.13 y 10. 14 .

10.8 Explica tus respuestas, con ayuda de un ejemplo, a ca­

10.16 Cuando se calienta piedra caliza, que es C aC O 3 impu­

da uno de los incisos del problema 10 .7 .

10.9 Balanceae stase cuacionesq uímicas. a. M g + H2O(g) ----- y Mg(OH)2 + ^ ( g ) b. N aH CO3 + H3PO4 ----- y Na2HPO4 + H2O + C O 2 c. A l + H2SO4(ac) ----- y A l2(SO4)3 + H2(g) d. C 3H + O2(g) ----- y CO2 + H2O e. CH 3OH + O 2(g) ----- y C O 2 + H2O

C aC O 3(s) ----- y CaO(s) + C O 2(g) Clasifica esta reacción con base en las cinco categorías mencionadas en los problemas 10.13 y 10. 14 .

10.17 El bromo, Br2, es preparado comercialmente por cierta

10.10 Balanceae stase cuacionesq uímicas. a. Ca + H2O ----- y Ca(OH)2 + ^ ( g ) b. KH C O 3 + H3PO4 ----- y K 2HPO4 + H2O + C O 2 c. (NH4)2Cr2O7 ----- y Cr2O3 + H2O + N ( g )

compañía a partir de NaBr (de pozos de salmuera de Arkansas) tratado con cloro gaseoso. Balancea la ecua­ ción que aquí se muestra y clasifica la reacción con basee nl asc incoc ategoríasd escritas. NaBr(ac) + C l2(g) ----- y NaCl(ac) + Br2(l)

d. C2H2 + O2(g) ----- y CO2 + H2O e. C 3H7OH + O 2(g) ----- y C O 2 + H2O

(noe stáb alanceada)

10.18 Las menas de estaño que contienen SnO2 se calientan

10.11 Balanceae stase cuacionesq uímicas. a. C aC O 3 + HCl ----- y C aC l2 + H2O + C O 2(g) b. PCl5 + H2O ----- y H3PO4 + HCl c. KClO3

ro, a 950 °C se produce óxido de calcio, llamado cal vi­ va, el cual tiene muchos usos, entre ellos la producción de cemento y el control de la contaminación como se describe en el problema 10 . 15 . La ecuación es

y K C l + O2(g)

con carbono a temperaturas por encima de 1000 °C pa­ ra producir estaño metálico fundido. Balancea la ecua­ ción que aquí se muestra y clasifica la reacción con base enl asc incoc ategoríasd escritas.

d. Ba(OH)2 + H3PO4 ----- y B a3(PO4)2 + H2O e. C2H6(g) + O2(g) ----- y CO2(g) + H2O(g)

10.12 Balanceae stase cuacionesq uímicas. a. C aC O 3 + H2SO4 ---- y CaSO 4+ C O 2

+ H2O

b. A g + H2S + O2 ----- y Ag2S + H2O c. N aC lO 3 ----- y N aCl + O 2(g) d. Cu(OH)2 + H3PO4 -----y Cu3(PO4)2 + H2O e. C 4H9OH(g) + O2(g) ----- y CO2(g) + H2O(g)

SnO2(s) + C(s)

cal°r> Sn + CO(g) (no e s tá b a lan cea da )

R eaccio nes d e com bus tión

10.19 Cuando el butano gaseoso, C 4H 10, de un pequeño en­ cendedor de bolsillo arde en el aire, se forman dióxido de carbono y agua. Escribe una ecuación balanceada de estar eacción.

10.20 El acetileno gaseoso, C 2H2, se utiliza para soldar. Arde con flama caliente y forma C O 2 y agua. Escribe una ecuaciónb alanceadad ee star eacción.

10.21 La acetona, C 3H6O, es uno de los componentes princi­

10.28 Completa y balancea las ecuaciones de estas reacciones ded escomposición. a. H2O — U b. B aO 2 ----- > BaO + ____

pales del removedor de esmalte de uñas. Escribe una ecuación balanceada de la combustión completa de la acetonac onf ormaciónd ed ióxidod ec arbonoy a gua.

d. N aN O 3 ----- >

10.22 Cuando tus células metabolizan la glucosa, C 6H12O 6,

e. HgO(s) ----- >

este compuesto se combina con oxígeno gaseoso y forma dióxido de carbono y agua, al igual que en la combus­ tión. Escribe una ecuación balanceada del metabolismo del ag lucosa.

10.23 El propano gaseoso, C 3H8, es un combustible de uso común en ciertas parrillas para asar al aire libre y en la calefacción doméstica donde no se dispone de gas na­ tural. Escribe una ecuación balanceada de esta reacción dec ombustión.

10.24 La gasolina contiene octano, C 8H 18. Escribe una ecua­ ciónb alanceadad ee star eacciónd ec ombustión. R eaccionesd e síntesis

10.25 Completay b alanceal ase cuacioness iguientes.

c. K C lO 3 ----- >

O x i d ac ió n d e m e tales

10.29 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de oxidaciónd em etales. a. ____ + _____ ___> L i2O b. ____ + _____ ___> A lI3 c. El bromo líquido oxida el hierro metálico con forma­ ción de bromuro de hierro(III). d. El aluminio metálico nuevo brillante poco a poco se torna opaco a medida que se forma una superficie durad eó xidod ea luminio.

10.30 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de

a. El monóxido de carbono gaseoso reacciona con oxí­ geno gaseoso con formación de dióxido de carbono.

oxidaciónd em etales.

b. El cinc calentado con azufre en polvo (S8) produce sulfurod ec inc.

b. ____ + _____ ___> SbCl3

c. Se hace reaccionar el nitrógeno gaseoso con hidró­ geno gaseoso a alta presión y temperatura moderada para producir amoniaco, que se emplea como fertili­ zante. d. NO(g) + O2(g) ----- > Dióxidod en itrógeno e. ____ + _____ ___> FeBr3

10.26 Completay b alanceal ase cuacioness iguientes. a. El hidrógeno gaseoso mezclado con cloro gaseoso estalla si se enciende, con formación de cloruro de hidró ge no g aseo so. b. El fósforo, P4, reacciona espontáneamente con el bromoc onf ormaciónd et ribromurod e f ósforo. c. Cuan do una chis pa en cien de hi dró ge no ga seo so y oxígeno gaseoso encerrados en una botella, la mez­ cla estalla y forma vapor de agua.

a. ____ + _____ ___> Fe2O3

c. El calcio metálico reacciona con el oxígeno del aire y forma de óxido de calcio. d. El aluminio metálico reacciona espontáneamente con elb romol íquidop arad arb romurod ea luminio.

10.31 Las monedas de cobre metálico se oxidan lentamente con formación de óxido de cobre(I). Escribe una ecua­ ciónb alanceadad ee stao xidación.

10.32 El cloro gaseoso oxida el cobre metálico y forma cloruro de cobre(II). Escribe una ecuación balanceada de esta reacción, en la que el cloro actúa como el agente oxi­ dan te.

M etalesa ctivos yó xidos m etálicosc on agua

10.33 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de

d. SO 2(g) + O2(g) ----- > Trióxidod ea zufre

metales y óxidos metálicos con el agua. Si no ocurre una reacción, muestra los reactivos y escribe “ no hay reacción” después de la flecha.

e. ____ + _____ ___> A lC l3

a. L i2O + H2O ----- >b. Na + H2O ------------ >

R eacciones d e d escom posición

10.27 Completa y balancea las ecuaciones de estas reacciones ded escomposición.

c. M g + H2O(g) ----- >

d. A g + H2O ------ >

e. SrO + H2O ----- >

10.34 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de

c. N aC lO 3 ----- >

metales y óxidos metálicos con el agua. En caso de no haber reacción, muestra los reactivos y escribe “ no hay reacción” después de la flecha. b. K + H2O ----- > a. M gO + H2O ----- >

d. K N O 3 ----- >

c. Pb + H2O ----- > d. Ca + H2O -------------->

e . H2O 2

e. Fe2O 3 + H2O ----- >

a. A l2O 3 — U b. PbO2 ----- > PbO + ____

*

R eacciones d e su stitu c ió n sim p le d e los m e tales

10.35 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de sustitución simple. En caso de no haber reacción, muestra los reactivos y escribe “ no hay reacción” después de la flecha.

a. S8 + O2(g) - --- > b. SO2 + H2O ---- >

(sóloá cidos ulfuroso)

c. N 2O 5 + H2O ----- > (sóloá cidon ítrico) d. K Br + Cl2 - — > e. K C l + I2 -

a. Zn + HCl(ac) ----- >

10.40 Completa y balancea ecuaciones de las reacciones si­

b. Cu + HCl(ac) ----- >

guientes, en las que participan no metales. Si se prevé que no habrá reacción, muestra los reactivos y escribe “no hay reacción” después de la flecha.

c. M g + Fe(NO3)2(ac) ----- > d.

A gN O 3(ac) + A l ---- >

e.

Fe + M gC l2(ac) ---- >

10.36 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de sustitución simple. En caso de no haber reacción, muestra los reactivos y escribe “ no hay reacción” después de la flecha. a. A l + HNO3(ac) ----- > b.

A g + HNO3(ac) ---- >

c. Pb + C uC l2(ac) ----- > d.

H2SO4(ac) + Au ---- >

e. Zn + N i(NO3)2(ac) ----- >

a. P4 + O2(g) ----- > b. P 4O 10 + H2O ----- > (sóloá cidof osfórico) c. C O 2 + H2O ----- >

(sóloá cidoc arbónico)

d. Br2 + K C l ----- > e. KI + C l2 ----- >

10.41 ¿Qué esperarías que ocurriese al mezclar HI(g) con cloro gaseoso? Escribe una ecuación para explicar tu razonamiento.

10.42 Describe lo que ocurriría si se agrega yoduro de sodio a una alberca que contiene cloro. Escribe una ecuación parae xplicart ur azonamiento.

10.37 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de sustitución simple. En caso de no haber reacción, muestra los reactivos y escribe “ no hay reacción” después de la flecha. a. Se vertió ácido sulfúrico en un recipiente de aluminio. b. Se dejó caer un anillo de oro en un tanque de ácido clorhídrico. c. Se dejó un clavo de hierro en una solución de sulfa­ to de cobre(II). d. Escribe primero una ecuación apropiada y luego ex­ plica por qué se puede preparar compota de manza­ na, que contiene ácido acético, en un perol de cobre. e. Escribe una ecuación y describe si habría algún pro­ blema al transportar nitrato de plomo(II) en un recipiented ea luminio.

10.38 Completa y balancea ecuaciones de estas reacciones de sustitución simple. En caso de no haber reacción, mues­ tra los reactivos y escribe “no hay reacción” después de la flecha. a. Sep usoc alciom etálicoe ná cidoc lorhídrico. b. Se dejó caer un anillo de oro en ácido sulfúrico. c. Se dejó una solución de sulfato de cobre(II) en un cubog alvanizado( recubiertod ec inc). d. Se dejó cobre metálico en una solución de cloruro de sodio. e. Se limpió aluminio metálico con una solución que conteníaá cidoc lorhídrico.

R eaccio n e s d e los no m e ta les

10.39 Completa y balancea ecuaciones de las reacciones si­ guientes, en las que participan no metales. Si se prevé que no habrá reacción, muestra los reactivos y escribe “ no hay reacción” después de la flecha.

R eaccio n es d e d o b le su stitu c ió n

10.43 Escribe ecuaciones de las reacciones de doble sustitución siguientes. En todos los casos se forma un precipitado, el cual deberás identificar mediante una (s). Además, su­ braya el precipit ado par a que no haya duda de cuál producto se trata. Ayúdate aplicando las reglas de solubilidadd ee stec apítulo. a. Se mezclan soluciones de nitrato de plata y cloruro dep otasio. b. Se mezclan soluciones de cloruro de hierro(III) e hidróxidod es odio. c. Se mezclan soluciones de sulfato de aluminio y nitratod eb ario. d. Se mezclan soluciones de nitrato de plomo(II) y dicromatod ep otasio. e. Se mezclan soluciones de nitrato de plata y cromato dep otasio.

10.44 Escribe ecuaciones de las reacciones de doble sustitu­ ción siguientes. En todos los casos se forma un precipita­ do, el cual deberás identificar mediante una (s). Además, subraya el precipitado para que no haya duda de cuál producto se trata. Ayúdate aplicando las reglas de solubilidadd ee stec apítulo. a. Se mezclan soluciones de bromuro de sodio y nitra­ to de plata. b. Se mezclan soluciones de cloruro de níquel(II) e hidróxidod ep otasio. c. Se mezclan soluciones de cromato de potasio y nitratod ep lomo(II). d. Se mezclan soluciones de cloruro de bario y sulfato dea luminio. e. Se mezclan soluciones de nitrato de plata y yoduro dep otasio.

10.45 ¿Se produce una reacción al mezclar las sustancias quí­

10.51 Escribe primero una ecuación química balanceada, lue­

micas siguientes? En caso afirmativo, escribe una ecua­ ción química balanceada e identifica los precipitados o gases que se forman. En caso de no haber reacción, explicat ur azonamiento.

go una ecua ción ió nica y final men te un ecua ción ió nica neta de la reacción del nitrato de plata con cloruro de calcio.

10.52 Escribe primero una ecuación química balanceada, lue­

a. NH4Cl(ac) + K N O 3(ac) ----- >

go una ecua ción ió nica y final men te un ecua ción ió nica neta de la reacción del nitrato de cobalto(II) con hidróxidod ep otasio.

b. C aC O 3(s) + HCl(ac) ----- > c. HCl(ac) + Na2S(ac) ----- > d. B aC l2(ac) + K 2SO4(ac) ----- >

R eaccionesd en eutralización

10.46 ¿Se produce una reacción al mezclar las sustancias quí­ micas siguientes? En caso afirmativo, escribe una ecua­ ción química balanceada e identifica los precipitados o gases que se forman. En caso de no haber reacción, explicat ur azonamiento.

10.53 ¿Qués ignifical an eutralizacióne ne ln iveli ónico? 10.54 Describe por qué la neutralización ácido-base es un tipod er eacciónd ed obles ustitución.

10.55 Escribe la ecuación balanceada o proporciona la infor­ ma ción q ue s e s o li ci ta.

a. Na2S(ac) + H2SO4(ac) ----- >

a. El ácido sulfúrico neutraliza al hidróxido de potasio.

b. NaOH(ac) + K 2SO4(ac) ----- >

b. Identifica el ácido, la base, la sal y el agua entre las sustanciasq uímicasd eli nciso( a).

c. M gC O 3(s) + H2SO4(ac) -----> d. N i(NO3)2(ac) + NaOH(ac) ----- >

c. Escribe una ecuación iónica de la reacción del inci­ so (a). d. ¿Cuáless onl osi onese spectadores?

E cuacio n es ió n i cas y ecu acio n es ió n i cas n e ta s

10.47 Escribe ecuaciones iónicas completas de las reacciones

10.56 Escribe la ecuación balanceada o proporciona la infor­ ma ción q ue s e s o li ci ta.

delp roblema 1 0 .43 .

10.48 Escribe ecuaciones iónicas completas de las reacciones delp roblema 1 0 .44 .

10.49 Escribe ecuaciones iónicas netas de las reacciones del problema 10 .43 .

10.50 Escribe ecuaciones iónicas netas de las reacciones del

a. El ácido clorhídrico neutraliza el hidróxido de calcio. b. Identifica el ácido, la base, la sal y el agua entre las sustanciasq uímicasd eli nciso( a). c. Escribe una ecuación iónica de la reacción del inci­ so (a). d. ¿Cuáless onl osi onese spectadores?

problema 10 .44 .

Estudiantes en

acción Transformaciones: ¿qué reacciones ocurrieron? Lleva a cabo la siguiente actividad para experimentar con diversas reacciones e identificar de qué tipo es cada una. M ateriales y reactivos

• Lentes de seguridad

Pipetas de 1 mL

Etanol

• 5 tubos de ensayo

Vasos de precipitados

Sulfato de aluminio

• Pinzas para tubo

Ó xid o de mercurio(II)

Nitrato de plata

• Mechero Bunsen

Tiras de magnesio metálico

Alam bre de cobre

• Vidrio de reloj

Agua destilada

• Pinzas para disección

Tira indicadora de pH

Nitrato de bario Recipiente de polietileno de alta densidad de un galón

Nota: los tipos de reacción a considerar son: síntesis, desplazamiento simple, desplazamiento doble, descomposición,

óxido-reducción, neutralización (un tipo específico de doble sustitución) y combustión. Repasa las secciones 10.4 a la 10. 12, para recordar cada tipo de reacción.

Experim ento A Procedim iento

1.

En un tubo de ensayo, agrega aproximadamente 0.5 g de óxido de mercurio(II). Con ayuda de las pinzas, colócalo en la flama azul de un mechero Bunsen dentro de una campana de extracción y calienta por 3 minutos. Deja enfriar el tubo y ob­ serva en el fondo.

La reacción producida es:

H gO (s) - » H g(1) + O 2(g)

¿Cuál es el nombre de estos productos? Hg

O2

¿Qué tipo de reacción se llevó a cabo? Explica tu respuesta.

Balancea la reacción ___________________________________________________________________________ Experim ento B

1.

Con ayuda de unas pinzas para disección, sostén una tira de magnesio de aproximadamente 1 cm y llévala a la flama azul de un mechero Bunsen. Caliéntala hasta que veas una luz blanca muy intensa (cuando la percibas, mira hacia otro lado, sin dejar de trabajar), recoge en un vidrio de reloj el compuesto formado.

La reacción producida es:

M g(s) R esponde.

magnesio

+

O 2(g) - > M gO (s) oxígeno

¿Cuál es su nombre?

¿Qué aspecto tiene el compuesto formado?__________________________________ ¿Cuál es el nombre de este producto?_______________________________________ ¿Qué tipo de reacción se llevó a cabo? Describe brevemente el fundamento de tu elección.

Balancea la reacción.___________________________________________________________________________

2.

Coloca las cenizas del compuesto anterior en un tubo de ensayo, agrega 2 mL de agua y agita. Sujeta el tubo con unas pin­ zas y caliéntalo por las paredes durante al menos 1 minuto; cuida que no se regurgite acercándolo y retirándolo de vez en vez. Con ayuda de una tira indicadora, determina el valor del pH.

La reacción producida es:

MgO (s) + H2O(1) -» Mg(OH)2(ac)

R esponde. ¿Qué aspecto tiene el compuesto formado? ¿Cuál es su pH? ¿Cuál es el nombre de este producto? ¿Qué tipo de reacción se llevó a cabo? Fundamenta tu respuesta.

Experim ento C

1.

Usa lentes de seguridad para este paso. En un recipiente de un galón de polietileno de alta densidad, limpio y seco, coloca aproximadamente 5 mL de etanol, distribúyelo por las paredes y vierte el exceso en un vaso de precipitados. Sujeta un ceri­ llo con unas pinzas muy largas, enciéndelo e introdúcelo en el recipiente. ¡No te acerques, la reacción es muy exotérmica!

Ésta es:

C 2H 6O (1)

+

O 2(g) - > CO 2(g)

etanol

2.

oxígeno

+

H 2O (g)

¿Cuál es su nombre?

Deja enfriar el recipiente a temperatura ambiente y cuando esté frío, colócalo boca bajo y verifica si sale de él algún líquido. ¿Qué e s ? ____________________________________________________________________________________

R esponde. ¿Qué aspecto tienen los compuestos formados? ¿Se distinguen?---------------------------------------------------------------------------¿Cuál es el nombre de estos productos? C O 2 ------------------------------------------- H2O -----------------------------------------------¿Qué tipo de reacción se llevó a cabo? Explica tu respuesta. -------------------------------------------------------------------------------Balancea la reacción. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Experim ento D

1.

Prepara una disolución 0.1 M de sulfato de aluminio, y una disolución 0.3 M de nitrato de bario: en un tubo de ensayo, co­ loca 1 mL de sulfato de aluminio 0.1 M y 1 mL de de nitrato de bario 0.3 M.

La reacción q ue ocurre es la siguiente:

A l 2(SO 4) 3(ac)

+ B a(N O 3) 2(ac)

sulfato de aluminio

—> A l(N O 3) 3(ac)

+

BaSO 4(s)

nitrato de bario

R esponde. ¿Qué aspecto tienen los compuestos formados? ¿Se distinguen? ___________________________________________ ¿Cuál es el nombre de estos productos? Al(N O 3)3 _____________________ B aSO 4 __________________________ ¿Qué tipo de reacción se llevó a cabo? Justifica tu respuesta.______________________________________________ Balancea la reacción____________________________________________________________________________

Experim ento E

1.

Prepara una solución 0.2 M de nitrato de plata. En un tubo de ensayo, coloca un alambre de cobre y, a continuación, adiciona 2 mL de nitrato de plata. Observa.

La reacción ocurrida es:

Cu(s) cobre

+ A gN O 3(ac)

—> C u(N O 3) 2(ac)

+ A g(s)

nitrato de plata

R esponde. ¿Qué aspecto tienen los compuestos formados? ¿Se distinguen?____________________________________________ ¿Cuál son los nombres de estos productos? Cu(NO3)2 _____________________ A g -------------------------------------------¿Qué tipo de reacción se llevó a cabo? Explica tu respuesta______________________________________________

y

11

Estequiometría: cálculos con base en ecuaciones químicas

C

O

11.1

N

T

E

N

I

D

O

Razones m olares a p artir de ecuaciones q uím icas

11.2

C á lcu lo s de m ol a mol

11.3

C á lcu lo s con m oles y masas

11.4

C á lcu lo s con soluciones m olares

11.5

C á lcu lo s de reactivo lim itante

11.6

Rendim iento porcentual

11.7

C am b ios de energía en las reacciones q uím icas

I C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je La palabra “estequiom etría” proviene del griego s to ic h e io n , elem ento, y m etro n , medir.

¿Q u é cantidad de una sustancia química en particular reacciona totalmente con cierta can­ tidad de otra sustancia? Podrás responder preguntas de este tipo una vez que hayas enten­ dido cómo se efectúan los cálculos que se describen en este capítulo.

l término estequiometría designa el cálculo de cantidades de las sustancias que participan en las reacciones químicas. I Si se conoce la cantidad de una sustancia que participa en una reacción química, y si se tiene la ecuación química balan­ ceada (Capítulo 10), se pueden calcular las cantidades de los demás reactivos y produc­ tos. Estas cantidades pueden estar dadas en moles (Capítulo 9), en masas (gramos) o en volúmenes (litros). Los cálculos de este tipo ocupan un lugar central en la química; se emplean de forma rutinaria en los análisis químicos y durante la producción de todas las sustancias químicas que la industria utiliza o que se venden al consumidor. Por ejemplo, se emplean cálculos estequiométricos cuando se determina la canti­ dad de oxígeno necesaria para quemar una cantidad específica de alcohol etílico. Aún más, el número de moles, o la cantidad en gramos, de oxígeno gaseoso que se necesi­ tan para quemar la muestra de alcohol es la misma ya sea que el alcohol se queme en un mechero, en un motor o en el interior de las células del cuerpo humano; es decir, la estequiometríae sl am isma.

E

[ 11.1

Razones molares a partir de ecuaciones químicas

Recuerda (Capítulo 10) que los coeficientes numéricos de una ecuación química balan­ ceada indican las proporciones más simples de números enteros de todas las sustancias químicas participantes en la reacción. Por ejemplo, considera la ecuación balanceada de lar eaccióne ntree ln itrógenoy e lh idrógenog aseososp araf ormara moniacog aseoso. N (g ) + 3 H ( g ) ----- > 2 NH 3(g) Los coeficientes numéricos que permiten balancear la ecuación indican que 1 mol de ni­ trógeno gaseoso reacciona con 3 moles de hidrógeno gaseoso para producir 2 moles de amoniaco. Con base en estos coeficientes numéricos podemos escribir una razón mo­ lar para cualquier par de sustancias representadas en la ecuación. Dado que intervienen tres sustancias químicas diferentes en la ecuación química de la síntesis de amoniaco, se pueden escribir tres pares de razones molares. El par de razones molares que sigue relacional osd osr eactivos:n itrógenoe h idrógenog aseosos. 1 mol N 2 3 mol H 2

0

3 mol 1 mol N 2

Las razones molares del nitrógeno gaseoso (un reactivo) y del amoniaco gaseoso (el únicop roductod el ar eacción)s ee scribenc omos igue. 1 mol N 2 2 mol NH 3

°

2 mol NH 3 1 mol N 2

De forma análoga, las razones molares del hidrógeno gaseoso (un reactivo) y del amo­ niacos ee scribenc omos igue. 3 mol H 2 2 mol NH 3

°

2 mol NH 3 3 mol H 2

Podemos emplear los coeficientes numéricos I de cualquier ecuación química ba­ lanceada para escribir razones molares de cada par de sustancias participantes. Más adelan­ te se mostrará cómo se usan estas razones molares como factores de conversión para calcular lasc antidadesd el ass ustanciasq uer eaccionan. Estudia el ejemplo resuelto que sigue, en el que intervienen las razones molares de la combustión del alcohol etílico. Luego, resuelve el ejercicio 11.1 y los problemas similares que se incluyen al final de este capítulo. EJEM PLO 11.1

Razones molares

Escribe las razones molares de todos los pares de sustancias químicas que intervienen enl ae cuaciónb alanceadad el ac ombusiónd ela lcohole tílico,C 2H 5OH. C2H5OH + 3 O 2-----> 2 CO 2 + 3 H2O S O L U C I Ó N En la ecuación participan cuatro sustancias químicas; por tanto, hay seis pares de razones molares, lo que hace un total de 12 razones, como sigue.

C2H5OH y 0 2: 2 5 2*

1 mol C,H,OH 2 5 3 mol 0 2

_

C2H5OH y C 0 2: z 2

1 mol C-H.OH — -----^ ---2 mol C 0 2

o

3 mol O, 2 1 mol C 2H5OH 2 mol CO, „ * 1 mol C 2H5OH

I C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je C o e fic ie n te s Los coeficientes de las ecuaciones químicas son números exactos; no limitan el número de cifras significativas en los cálculos.

C2H 50 H y H 20:

1 mol C2H5OH

3 mol H20

0 2 y C 0 2:

3 2

mol O 2 mol C 0 2

2 mol C 0 2 3 mol 0 2

3

mol 0 2

0 2y HjO.

3 moj jj^ o

3 mol HzO 3 mol 0 2

C 0 2 y H 20 :

0

2 mol C 0 2 3 mol H20

3 mol HjO 2 mol C 0 2

EJE R C IC IO 11.1 Véanse los problem as 11.1 y 11.2.

Con respecto a la ecuación xA + y B ----- >zC, donde x, y y z representan coeficientes numéricos,y A, By C ,s ustanciasq uímicasd iferentes, (a) escribe los pares de razones molares de A y C. (b) escribe los pares de razones molares de B y C.

11.2^ Cálculos de mol a mol Si se conoce la ecuación química balanceada, y también el número de moles de uno cualquiera de los reactivos o productos, se puede establecer el número proporcional de moles de cualquier otro reactivo o producto por medio de la razón molar apropiada. Por ejemplo, consideremos de nuevo la reacción de la producción de amoniaco descrita en la sección 1 1 .1 . N 2(g) + 3 H 2(g)------> 2 NH 3(g) Suponiendo que se cuenta con una provisión suficiente de nitrógeno gaseoso, es fácil calcular cuántos moles de amoniaco gaseoso, NH 3(g), se pueden producir a parlir de 10.8 mol de hidrógeno gaseoso. Considera la siguiente serie de pasos para llevar a cabo estet ipod ed eterminación. 1. Obténu nae cuaciónq uímicab alanceada.( Estae cuacións ec onoce.) 2. Anota la cantidad dada de una sustancia química (expresada en este caso en moles) como punto de partida. Puede ser cualquier reactivo o producto de la reacción. (En estep roblemas ei ndica 1 0.8m old eh idrógenog aseosoc omop untod ep artida.) 3. Escribe también la razón molar apropiada con base en la ecuación química balanceada.E star azónm olard ebet enerl af ormas iguiente. Moles de la sustancia deseada Moles de la sustancia de partida En este problema partimos de moles de H 2 y debemos determinar los moles de NH3. Con base en la ecuación, la conversión es 3 H 2(g )----- >2 NH 3(g). Por tanto, la razón molar apropiada es la que tiene moles de NH 3 arriba: 2 mol NH 3 3 mol Ü 2 4. Multiplica el número indicado de moles de la sustancia de partida (paso 2) por la razónm olara propiada( paso3 )p arao btenerm olesd el as ustanciad eseada.

, . M o le s d e la s u sta n c ia d e se ad a M o le s in ic ia le s d e la s u s ta n c ia X -------- ------- — -------------------- ;— ------------ — M o le s d e la s u s ta n c ia d e p a rtid a

Parae step roblema,l ac onversións ee scribec omos igue. 10 .8 m o l H j X

2 m ol N H , 3 m oi H = ^ -2 0 m o l N H 3

(re sp u e sta )

Advierte que los moles de la sustancia de partida se eliminan, y se obtienen 7.20 mol de NH3. En este problema se hizo una conversión entre los moles de una sustancia dada, a los que podríamos llamar “moles de A”, y los moles de la sustancia deseada, que podrían denominarse “moles de B”, con ayuda de la razón molar como factor de conversión.L ac onversións er epresentac omos igue. Molesd e A ----- >Moles de B Ahora, aprende a seguir este método por pasos para convertir “moles de A” a “mo­ les de B”, como se ilustra en el ejemplo 11.2. EJEM PLO 11.2

Conversiones de mol a mol

¿Cuántos moles de oxígeno gaseoso se necesitan para quemar 1.20 mol de alcohol etíli­ co, C2H 5OH?L ae cuaciónq uímicab alanceadae sl as iguiente. C 2H5OH + 3 O 2(g)------ > 2 CO 2(g) + 3 H 2O(g) S O L U C IÓ N

Este problema es de la forma Plan: Moles de A ----- >Moles de B

■ PASO 1 Obténu nae cuaciónq uímicab alanceada.( Estae cuacións ec onoce.) ■ PASO 2 Anota la cantidad conocida de una sustancia (expresada en este caso co­

mo moles de A) como punto de partida. (En este problema se nos da 1.20 mol de C 2H5OHc omop untod ep artida.) I C 2H 5OH + 3 O 2(g)-> 2 CO 2(g) + 3 H 2O(g) 1.20 mol A

? mol B

■ PASO 3 Escribe además la razón molar apropiada con base en la ecuación quími-

cab alanceada.E sta razónm olard ebet enerl af orma Moles de la sustancia deseada Moles de la sustancia de partida Para resolver este problema, inicia con los moles de C2H5OH para calcular los mo­ les de O2. Con base en la ecuación, la conversión de moles de A ----- >moles de B es 1 mol C2H5O H ------> 3 mol O 2 Así, la razón molar apropiada es 3 mol 0 2 1 mol C2H5OH ■ PASO 4 Multiplica el número conocido de moles de la sustancia de partida (paso 2)

por la razón molar apropiada (paso 3) para obtener los moles de la sustancia deseada. 1 .2 0 m o l C 2H 5O H X 1

3 mol O, , „ H r i T j = 3 .6 0 m o l 0 2

(re sp u e sta )

I

C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je Resulta conveniente anotar 1.20 mol debajo de C 2H 5O H en la ecuación, y ? m o l debajo de O 2.

EJE R C IC IO 11.2 Véanse los problem as 11.3 y 11.4.

(a) ¿Cuántos moles de CO 2 se producen al quemar 1.20 mol de alcohol etílico, C 2H 5OH? (b) ¿Cuántos moles de agua se producen al quemar 1.20 mol de alcohol etílico?

, 11.3} Cálculos con moles y masas Los cálculos estequiométricos referentes a cantidades de sustancias que reaccionan y productos de reacción se pueden efectuar en términos de moles, como se describe en la sección 1 1 .2, pero las cantidades de sustancias químicas se suelen expresar como masas (en gramos o kilogramos). Las conversiones entre masa y moles de una sustancia dada se describieron en el capítulo 9. Ahora podemos combinar estas conversiones de masa a moles con las conversiones de “moles de A” a “moles de B” descritas en la sección 11.2. Para llevar a cabo esta serie de conversiones, la masa de una de las sustancias (“gramos de A”) se convierte primero a “moles de A” con base en la masa molar (gramos por mol) de la sustancia A. Después, los “moles de A” se convierten a “moles de B” mediante una ra­ zón molar. Los moles de la segunda sustancia (“moles de B”) se pueden convertir de nuevo a “gramos de B” con base en la masa molar de la sustancia B. Esta serie de conversiones se sintetiza como sigue. Modelod ec onversionese stequiométricas: Gramosd e A ----- > Molesd e A ----- > Moles de B ----- > Gramos de B La Fig. 11.1 es un diagrama del tipo “mapa” que muestra la serie de conversiones por hacer, junto con los factores de conversión necesarios para efectuar estos cálculos estequiométricos. La secuencia de conversión de “gramos de A” a “gramos de B” se completa siguiendoe stas eried ep asos. C ó m o c o n v e r tir g r a m o s d e A a g r a m o s d e B

▼ Reflexiona ▼ detenidam ente ▼ paso a paso

F ig u ra 11.1

M a p a de las

co n v ersio n ese stequiom étricas. L o sf acto resd ec onversión ap arecen al lad o d e las flech as.

1. Obténu nae cuaciónq uímicab alanceada. 2. Anota la cantidad conocida de un sustancia, identificada como “gramos de A”, co­ mo punto de partida. (Puede ser cualquier reactivo o producto de la reacción.) 3. Convierte “gramos de A” a “gramos de B” empleando la masa molar de A como fac­ tor dec onversión. 4. Convierte “moles de A” a “moles de B” por medio de la razón molar (mol B/mol A) obtenidad el ae cuaciónq uímicab alanceada. 5. Convierte “moles de B” a “gramos de B” empleando la masa molar de B como fac­ tor dec onversión.

Enu np roblemar epresentativod ee stet ipo,l asconversionesa doptanl af ormag eneral Moles de A Moles de B Gramos de B „ , Gramos de A X —-------- -r— X ——— ——- X ——— , D = ? gramosde B Gramos de A Moles de A Moles de B Lam asam olar Lar azónm olar de A( invertida) convierte convierteg ramos molesd e A de A a moles de A. a moles de B.

_

Lam asam olar deB c onvierte molesd eB a gramos de B.

Estos ep ueder epresentare nf ormad ed iagramac omos igue: Por la masa Gram os de A

invertida

M o le s A

Moles de B .Moles de A

-

Por la maSa molar deB

) ----------------►

M o le s B

--------------------►

Gram os B

El ejemplo 11.3 ilustra el uso de esta serie de pasos para resolver cálculos estequiométricos de conversiones de “gramos de A” a “gramos de B”. EJEM PLO 11.3

Gramos d e A a gramos de B

¿Cuántos gramos de oxígeno gaseoso se necesitan para quemar 10.0 g de alcohol etíli­ co, C2H 5OH?L ae cuaciónq uímicab alanceadae sl as iguiente. C 2H5OH + 3 O 2(g)-> 2 CO 2(g) + 3 H 2O(g) S O L U C IÓ N

Este problema se ajusta a la forma

Plan: Gramos de A ----- >Moles de A ----- >Moles de B ----- >Gramos de B (alcohol)

(oxígeno)

■ PASO 1 Obténu nae cuaciónq uímicab alanceada.( Estae cuacións ec onoce.) ■ PASO 2 Anota la cantidad conocida de un sustancia, identificada como “gramos

de A”, como punto de partida. (En este problema se indican 10.0 g de C2H5OH comop untod ep artida.) ■ PASO 3 Plantea la conversión de “gramos de A” a “moles de A” empleando la

masam olard e Ac omof actord e conversión. 3 mol C2H5OH 10.0 g C 2H5OH X 4 6 0 C H OH

(incompleta)

■ PASO 4 Convierte los “moles de A” a “moles de B” mediante la razón molar (mol

B/mol A)o btenidad el ae cuaciónq uímicab alanceada. 3 mol C,HsOH 3 mol O, 10.0 g C 2H ,O H X 46 0c¡H sQ H X i m o i c ^ O H

■ PASO 5 Para convertir “moles de B” a “gramos de B”, usa la masa molar de B (oxígeno) como factor de conversión. Ahora, prosigue con los cálculos matemáticosc ona yudad eu nac alculadora. 10.0

1 mol C 2H 5O H ^ 3 mol 0 2 ^ 32.0 g O 2 mol X . , C_ H ^PiH x 11 mr>! C ^ H TT OH - TT X ------2 C5,H ,O H46.0 g C2H 5O H X 1 mol C 2H 5O H X 11 mol O2 (respuesta)

Así pues, se necesitan 20.9 g de oxígeno gaseoso para quemar totalmente 10.0 g de al­ cohole tílico. Tambiéns ep odríac alcularl osg ramosd eC O 2 y H2O que se producen. EJE R C IC IO 11.3

(a) ¿Cuántos gramos de CO 2 se pueden producir al quemar 10.0 g de alcohol etílico? (b) ¿Cuántos gramos de H2O se pueden producir al quemar 10.0 g de alcohol etílico? En el ejemplo 11.3, la cantidad de la sustancia de partida se indicó en gramos, pero si esta cantidad inicial se da en moles (“moles de A” en vez de “gramos de A”), simple­ mente se omite el primer paso de conversión de la secuencia G ra m esd eA ----- > Molesd e A ----- > Moles de B ----- > Gramos de B

I C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je A d vie rte que, independientem ente de las unid ad es que se em pleen para los m ateriales de partida y los productos finales, las cantidades de dos sustancias quím icas se podrán com parar sólo si se expresan como mo les.

De forma análoga, si se desea conocer los “moles de B” en vez de los “gramos de B”, simplementes eo mitee lp asof inald ec onversiónd el as ecuencia. I El ejemplo 11.4 ilustra una secuencia de conversión donde la cantidad de la sustan­ cia de partida se indica en moles, y la cantidad de la segunda sustancia se debe calcular eng ramos.

EJEM PLO 11.4

Moles d e A a gramos de B

Calcula cuántos gramos de sulfuro de plomo(II) se pueden oxidar con 5.22 mol de oxígenog aseoso,d ea cuerdoc onl ae cuacións iguiente. 2 PbS + 3 O 2(g)------>2 PbO + 2 SO2(g) La galena es la principal mena de plomo y es principalmente PbS. El PbS se transforma en PbO, que se introduce en un alto horno y se reduce a plomo metálico, Pb. S O L U C IÓ N

Este problema se ajusta a la forma Plan:

Moles de A ----- >Moles de B ----- >Gramos de B (oxígeno)

(PbS)

(PbS)

■ PASO 1 Obténu nae cuaciónq uímicab alanceada.( Estae cuacións ec onoce.) ■ PASO 2 Anota la cantidad conocida de un sustancia, identificada como “moles de

A”, como punto de partida. (En este problema se indica que 5.22 mol de oxígeno es elp untod ep artida.) ■ PASO 3 Plantea la conversión de “moles de A” a “moles de B” empleando la ra-

zónm olar( molB /mol A)o btenidad el ae cuaciónq uímicab alanceada. 5.22 mol O,

X

2 mol PbS —-----—— 3 mol 0 2

.. , . (incompleta)

■ PASO 4 Convierte los “moles de B” a “gramos de B” (PbS en este problema) me­

diante la masa molar de B como factor de conversión. A continuación, prosigue con losc álculosm atemáticosc ona yudad eu nac alculadora. 5.22 m o l0 2 X

2 mol PbS 3

^

^

X

329 g PbS : mpl p bs = 832 g Pbs

(respuesta)

Usando la ecuación química proporcionada, 832 g de PbS pueden oxidarse por 5.22 mol de O 2 .

(a) Con base en la información proporcionada en el ejemplo 11.4, calcula cuántos gramos de PbO puede producir la reacción. (b) Con base en la cantidad de O 2 que se indica, calcula cuántos gramos de SO2 se pro du cen.

Véan sel os problem as 11.5-11.14.

Cálculos con soluciones molares Los cálculos con cantidades de sustancias que reaccionan se pueden efectuar con rapi­ dez si todas las cantidades se expresan en moles (Sección 11.2). Estos cálculos también se pueden llevar a cabo cuando las cantidades químicas se expresan en gramos (Sección 11.3),p eros onn ecesariosm ásp asos. En muchas reacciones químicas, ya sea una o las dos sustancias químicas que reaccio­ nan se disuelven en agua (especialmente los ácidos, las bases y las sales solubles en agua) para formar una solución acuosa. En esta sección se describirán los cálculos estequiométri­ cos en los que intervienen soluciones acuosas. Se puede calcular el número de moles de la sustancia disuelta si se conoce la concentración de la solución en términos de molaridad (M, moles por litro) y también el volumen de la solución. I En los cálculos que siguen se conocen el volumen y la molaridad de una solución, y se debe calcular la cantidad en gra­ mos de una segunda sustancia. La secuencia de conversión es en este caso.

I

C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je Los cálculos básicos con molaridad, M, se estudiaron en la secció n 9.6.

Molaridadd e A

Volum en A (solución)

> Moles de A -— > Moles de B -— > Gramos de B

Por otra parte, si se conoce la masa de una sustancia química (“gramos de A”) y se debe calcular el volumen de una segunda solución (de molaridad conocida), la secuen­ cia de conversión es ahora Molaridadd eB

Gramos de A - — > Moles de A - — > Moles de B ■

Volum en B (solución)

La Fig. 11.2 muestra un “mapa” expandido de las conversiones estequiométricas con cantidades de soluciones medidas en volumen y con concentraciones en molaridades. En el ejemplo 11.5 se efectúan cálculos de este tipo.

F ig u ra 11.2

Gramos de B

C onversiones

esteq u io m étricasc on c oncentracionesm olares.L os factoresd ec o nversióna parecen

Por la masa molar de A invertida

Por la masa molar deB

razón molar moles de B Moles de B

molaridad deB ►

1

Volumen de solución A

Volumen de solución B

al lad o de las flechas.

EJEM PLO 11.5

Estequiometría con soluciones molares

Calcula cuántos mililitros de ácido clorhídrico, HCl(ac), 0.125 M reaccionarán total­ mente con 0.500 g de CaCO 3 contenidos en una tableta antiácida, de acuerdo con la ecuaciónq uímicas iguiente.( Fig.1 1.3.) -

2 HCl + CaCO 3>CaCl2 + H2O + CO2(g) Puesto que la cantidad química conocida se indica en gramos, y se debe calcular el volumen de solución de otra sustancia (de molaridad conocida), se empleará las ecuenciad ec onversións iguiente. S O L U C IÓ N

Molaridadd eB

Plan:

Gramosd e A ----- >Molesd e A ----- >Molesd eB

----------► VolumenB (solución)

■ PASO 1 Obténu nae cuaciónq uímicab alanceada.( Estae cuacións ec onoce.) ■ PASO 2 Anota la cantidad conocida de un sustancia, identificada como “gramos

de A”, como punto de partida. (En este problema se nos da 0.500 g de CaCO 3 como puntod ep artida.) ■ PASO 3 Plantea la conversión de “gramos de A” a “moles de A” empleando la F ig u ra 11.3

U n at ableta

masam olard e Ac omof actord ec onversión.

an tiácid aq uec o n tien ec arb o n ato d e calcio r eaccio n ac o n á cido clo rh íd rico ,o c onc u alq u ierá cido

1 mol CaCO, 0.500 g C aC 0 3 X 10Q Q g C aC 0 3

(incompleta)

d ele stó m ag o ,y l ib erad ió x id o d e carbono.

■ PASO 4 Plantea la conversión de “moles de A” a “moles de B” empleando la ra-

zónm olar( molB /mol A)o btenidad el ae cuaciónq uímicab alanceada. 1 mol CaCO,

2 mol HCl

0.500 g C aC O , X ]00 „ - C aC Q j X j m ol C aC Q j

(incom pleta)

■ PASO 5 En este problema se debe convertir “moles de B” a un volumen de solu­ I

C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je Expresa siem pre la m olaridad, M, de una solución com o m o l/L para hacer cálculos. Por ejem plo, 0.125 M son 0.125 m ol/L.

ción, “volumen de B”. Para llevar a cabo esta conversión se emplea la molaridad de la solución (0.125 M, que significa 0.125 mol/L), I pero se usa la forma invertida (1 L/0.125 mol de HCl) para que los términos se eliminen. Efectúa estos cálculos cona yudad eu nac alculadora. 1 mol CaCO, 2 mol HCl 0 .5 0 0 ^ G a e a 3 X 10 0 _0 g C aC 0 3 X 1 mol C aC 0 3 X 0.125 moHiCT

1 L de solución

= 0.0800 L de solución El volumen de HCl(ac) debe indicarse en mililitros, por lo que es necesaria una conversióna dicional. 1000 mL 0.0800 L de solución X ---- —— = 80.0 mL de HCl (ac)

(respuesta)

Así pues, 80.0 mL de la solución de HCl especificada reaccionarán con los 0.500 g de CaCO 3 del at abletaa ntiácida. EJE R C IC IO 11.5 Véanse los problem as 11.15-11.20.

(a) ¿Cuántos mililitros de HCl 0.100 M reaccionarán con 243 mg de CaCO3?

(b) Una tableta antiácida típica no contiene CaCO 3puro; contiene almidón, saborizante y otros ingredientes. Si 41.3 mL de HCl 0.206 M reaccionan con todo el CaCO 3 de una tableta, ¿cuántos gramos de CaCO 3 contiene la tableta?

11.5^ Cálculos de reactivo limitante Cuando se conoce la cantidad de uno de los reactivos, las razones molares obtenidas de la ecuación química (Sección 11.1) permiten calcular las cantidades estequiométricas de todas las demás sustancias que participan en una reacción determinada. Si hay exceso de uno de los reactivos, como suele ser el caso en muchos procesos químicos, se tiene un sobrante de esa sustancia una vez que la reacción se ha completado. El reactivo que se consume totalmente durante la reacción es el reactivo limitante. Se tiene un problema de reactivo limitante siem­ pre que se indican las cantidades de dos o más reactivos. Cuando hay más de lo necesario de un reactivo en particular, se dice que el reactivo está en exceso. Los problemas de reactivo limitante se parecen mucho a la preparación de empareda­ dos, la cual se ilustra en la Fig. 11.4. Supón que cada emparedado debe llevar 2 rebanadas de pan, 3 rebanadas de carne y 1 rebanada de queso. 2 rebanadas de pan + 3 rebanadas de carne + 1 rebanada de queso ^ 1 EMPAREDADO ¿Cuántos emparedados se pueden preparar si se tienen 6 rebanadas de pan, 12 rebana­ das de carne y 5 rebanada de queso? Una forma de averiguarlo consiste en tomar cada “reactivo” por separado y establecer el número máximo de emparedados que se pueden prepararc onl ac antidadd isponible. 1 emparedado 6 re b an a d a s d e p a n X r

— r — t — t ------------= 3 em p are d ad o s 2 re b an a d a s d e p a n r 1 e m p ared ad o

12 rebanadas de carne X - — ------- — ---------- = 4 em paredados

3 rebanadas de carne

5 re b an a d a s d e q u e so X

F ig u ra 11.4

1 e m p are d ad o - — ---------- — ---------------- = 5 em p are d ad o s 1 re b a n a d a d e q u eso

C uando preparas em paredados con pan, carne y queso, cualquiera de los ingredientes que

se term ine Limitará el núm ero de em paredados que puedes preparar, del m ism o m odo que el “reactivo lim itan te” restringe el núm ero de productos que se pueden form ar durante u n a reacción quím ica.

Cada emparedado debe llevar: 2 rebanadas de pan

Se tiene: 6 rebanadas de pan

Reactivo limitante

3 rebanadas de carne

12 rebanadas de carne

1 rebanada de queso

5 rebanada de queso

3 emparedados

3 rebanadas 2 rebanadas de carne en de queso en exceso

I C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je El reactivo lim itante no necesariam ente es aquél del cual se tiene la m enor cantidad, porque las pro porcio nes de los reac ti vos pueden no ser de 1 a 1.

Se tienen tres respuestas diferentes, pero sólo la más pequeña es la correcta. En este ca­ so se puede pensar que el pan es un reactivo limitante: nos limita a sólo tres empareda­ dos. La carne y el queso están en exceso. Hay carne suficiente para preparar cuatro emparedados, y el queso alcanza para preparar seis; pero en ambos casos no tenemos su­ ficiente pan, que es, por tanto, el reactivo limitante. Advierte que el reactivo limitante, como lo demuestra la analogía de los emparedados, no necesariamente es aquél del cual se tiene la menor cantidad. I Como ejemplo de reactivos limitantes en química, regresemos a la reacción del nitrógenoc onh idrógenoq uep roducea moniaco. N (g ) + 3 H 2(g)-----> 2 NH 3(g) Supón que tienes seis moléculas de H 2y una molécula de N2, y deseas conocer la cantidad máxima de amoniaco que se puede producir, como lo ilustra la Fig. 11.5. El modelo que ideamos para averiguar el número máximo de emparedados es análogo al método que em­ plearemos para establecer la cantidad máxima de NH 3que se produce. 6 moléculas de H,

^

2 moléculas de NH 3 ----- t-,—.— , TT = 4 moléculas de NH, 3 moléculas de H 2 3

X

2 molécula de N 2 X

1 moléculadeN2

moléculas de NH 3 = 2 moléculas de NH 3

En este caso el reactivo limitante es el nitrógeno, que forma la menor cantidad de pro­ ductos: nos limita a la formación de dos moléculas de amoniaco. El hidrógeno está en exceso. Si se aumenta la escala de las cantidades y se emplean moles, las proporciones son las mismas que cuando se trataba de moléculas. Así, si partimos de 6 mol de H 2 y 1 mol de N2, podemos calcular el número de moles de NH 3 ques ep roducen.

X - z -----

1 mol N,

X

^

2

F ig u ra 11.5

2 mol NH 3 = 4 mol NH, 3 mol N 2 3

6 mol H,

2 mol NH, —¡----- T m - = 2 mol NH, 1 mol N , 3

C u an d o s e f orm a

am o n iaco a p artir d e u n a m ezcla de unam o lécu lad eN 2 y seis de H 2, to d o el nitrógeno se consum e en la form ación ded osm o lécu lasd e am o n iaco .L asp ro p o rcio n esn o

y

cam b ian si se em p lean m o les. L ac an tid ad d en itró g e n o l im ita la can tid ad de am o n iaco q u e se p u e d e f orm ar.E ln itró g e n o e se l

De una mezcla de una molécula de N2 y seis de H2

Se forman dos moléculas de NH3 y sobran tres moléculas de H2

rea ctivo l im ita n te.E lh idró g eno estáp resen tee n e xceso.

J

J

Molécula de nitrógeno (N2) Molécula de amoniaco (NH,)

J

J

Molécula de hidrógeno (H2)

Una vez más, el nitrógeno es el reactivo limitante: nos limita a la formación de dos molesd ea moniaco.H ayh idrógenom ásq ues uficientep aral ar eacción;e stáe ne xceso. Cuando las cantidades que reaccionan se dan en gramos o litros, primero es necesario convertir estos valores a moles. A partir de ese punto los cálculos se apegan al modelo aquí expuesto. Debes reflexionar detenidamente en cada problema, pero te será útil seguir los modelos de los emparedados y del amoniaco al resolver problemas con reactivos limitantes. C á lc u lo s d e r e a c tiv o lim ita n te

1. Calcula en todos los casos la cantidad de producto que se forma (en moles o gramos)c onb asee nl ac antidadc onocidad ec adar eactivo. 2. Identifica el reactivo limitante. Es el reactivo que forma la menor cantidad de pro­ ducto. 3. La cantidad de producto que se puede formar durante la reacción es la que forma el reactivol imitante. Ahora que ya comprendes los conceptos que permiten resolver problemas con reactivos limitantes, efectúa los cálculos que se muestran en el ejemplo 1 1 .6 . EJEM PLO 11.6

Cálculos de reactivo limitante

Si se colocan 55.0 g de nitrógeno gaseoso en un recipiente de reacción junto con 55.0 g de hidrógeno gaseoso, determina cuál sustancia es el reactivo limitante y cuántos gramosd ea moniacog aseosop uedep roducire star eacción. N 2(g) + 3 H 2(g)------> 2 NH 3(g) S O L U C I Ó N La información proporcionada te permite saber que se trata de un problemad er eactivol imitante. ■ PASO 1 Con base en las cantidades indicadas en el problema, calcula cuántos gra­ mos de producto se forman a partir de cada reactivo.

C on el N 2:

1 m eE N , 2 m o lN H , 17.0 g N H , 5 5 . 0 ^ í 2 X 2g X l j a o H ^ X ] m o lN H j = 66 8 8 ^ 1 m olE L

C o n e lN 2:

55.0 g H j X

2 m o lN H , X

17.0 g N H , X T ^ T Ñ H ¡ “ = 309g N H 3

■ PASO 2 La menor cantidad de producto se forma con la cantidad de nitrógeno in­

dicada^ ort anto, el N 2 ese lr eactivol imitante. ■ PASO 3 La cantidad de producto que se forma es la menor cantidad de gramos

calculadae ne lp aso 66.8 g de NH3. (respuesta). EJE R C IC IO 11.6

Repite los cálculos descritos en el ejemplo 11.6, pero esta vez considera 55.0 g de nitrógenog aseosoy 1 0.0g d eh idrógenog aseosop arae stablecer (a) cuántos gramosd ea moniacos e pueden producir. (b) ¿Cuáls ustanciae se lr eactivol imitante?¿ Cuále stáe ne x ce so?

Rendimiento porcentual En el ejemplo 11.6 se estableció que se pueden producir 66.8 g de amoniaco gaseoso cuan­ do 55.0 g de nitrógeno, que es el reactivo limitante, reaccionan con una cantidad suficiente

▼ Reflexiona ▼ detenidam ente ▼ paso a paso

de hidrógeno gaseoso. Esta cantidad calculada de amoniaco, denominada rendimiento teó­ rico, es el rendimiento máximo que la reacción es capaz de producir. El rendimiento teórico se define con más precisión como la cantidad máxima que se puede formar de una sustancia durante una reacción cuando el reactivo limitante reacciona en su totalidad, con­ forme a la ecuación química. Cuando se llevan a cabo reacciones químicas en el laboratorio y en actividades de fa­ bricación, es muy difícil obtener el 100% de rendimiento teórico. Esto se debe a varios factores, entre ellos a la reacción incompleta del reactivo limitante, condiciones de reac­ ción no ideales, reacciones reversibles, la formación de productos de reacción no busca­ dos y pérdidas de producto al transferir de un recipiente a otro. La cantidad de producto (por lo regular en gramos) que se obtiene de la reacción se le llama rendimiento real. El rendimiento porcentual de una reacción se obtiene dividiendo el rendimiento reale ntree lr endimientot eóricoy m ultiplicandop or 1 00%,c omoa quís em uestra. Rendimiento real ñ — t -—=— . . - •— X 100% = Rendimiento porcentual Rendimiento teonco En el ejemplo 11.6 se calculó un rendimiento teórico de 66.6 g de amoniaco. Si la cantidad real de amoniaco obtenida al término de la reacción fue de 56.9 g, el rendi­ miento porcentuale s 56.9 g (rendimiento real) X 100% = 85.4% — — -=— ~7~. ;--------- 7^ 66.6 g (rendimiento teonco) El ejemplo que sigue ilustra los cálculos en los que intervienen masas y volúmenes der eactivos,e lr endimientot eóricoy t ambiéne lr endimientop orcentual.

EJEM PLO 11.7

Rendimiento teórico y rendimiento porcentual

(a) Calcula el rendimiento teórico de cloruro de sodio (en gramos) que produce la reacción de 20.0 g de NaHCO 3 con 50.0 mL de ácido clorhídrico 6 M, con base enl ae cuaciónq uímicas iguiente. NaHCO 3 + HCl(ac)----- >NaCl + H2O + CO 2(g) (b) ¿Cuál es el rendimiento porcentual si se obtuvieron 12.3 g de NaCl? S O L U C IÓ N

(a) Parar espondere stei ncisos es eguiránl osp asosq uea c ontinuacións ei ndican. ■ PASO 1 Calculal ac antidade ng ramosq uec adar eactivof ormaría.

Conr espectoa lN aHCO 3 (masac onocida): 20.0

1 mol NaHCO, 1 mol NaCl 58.5 g NaCl g^NaHCOj X 84 0 # íía H e 0 3 X ] m0lN aH C 03 X 1 mol NaCl - 13 9 g NaC1

Conr espectoa l HCl(ac)( volumenc onocido): 6 0.0500 W iC l(ac) X

moIHE X

1 mol NaCl

58.5 g NaCl

X lffie H fe C 1 - 1 7 .6 gN aC l

■ PASO 2 La cantidad más pequeña de producto la forma la cantidad de NaHCO 3

indicada;p ort anto elN aHCO 3 ese lr eactivol imitante.

■

PASO 3 El rendimiento teórico de NaCl es la cantidad menor en gramos calcula­ da en el paso 1: 13.9g ( rendimiento teórico).

(b) Cálculo delr endimientop orcentual. 12.3 g (rendimiento real) ■ . . . ■\ X 100% = 88.5% 13.9 g (rendimiento teonco) EJER CI C IO 11.7

Véan sel os problem as 11.21-11.26.

(a) ¿Cuál será el rendimiento porcentual si en el ejemplo anterior el rendimiento real es tan sólo 1.0 g mayor? (b) ¿Cuál será el rendimiento porcentual si en el ejemplo anterior el rendimiento real es de 11.8 g?

^ 1.7! Cambios de energía en las reacciones químicas La energía que se libera durante las reacciones químicas es una importante fuerza mo­ triz de éstas. Este cambio de energía ayuda a explicar por qué se llevan a cabo las reac­ ciones, pues éstas tienden a proceder hacia la formación de productos en un estado de menor energía. I Se aprovecha este principio fundamental cuando se quema gas natural 0 cualquier otro combustible. El componente principal del gas natural es el metano, CH4. Cuando esta sustancia se quema, consume oxígeno del aire y libera energía, al mismo tiempo que produce dióxido de carbono gaseoso y vapor de agua (un gas). Una forma de mostrar que se desprende calor durante la reacción consiste en escribir la pa­ labra calor en el lado derecho de la ecuación, como sigue. CH4(g) + 2 O 2(g)----- > CO2(g) + 2 H 2(g) + Calor Esta ecuación, sin embargo, no indica la cantidad de energía que se libera. Las can­ tidades de energía calorífica se expresan en ocasiones en la conocida caloría (cal) o en la kilocaloría (kcal), pero la unidad SI que se prefiere es el joule (J) o el kilojoule (kJ). 1 Estasu nidadess ei nterconviertenc onf acilidad.P ord efinición, 1 cal = 4.184 J 1 kcal = 4.184 kJ La magnitud del cambio de energía que ocurre durante una reacción está determi­ nado por las sustancias químicas presentes, las cantidades empleadas y también las con­ diciones en las que se lleva a cabo la reacción. Se puede escribir de nuevo una ecuación química dada para mostrar la cantidad específica de energía que se libera cuando se quema un mol de metano en la atmósfera (donde la presión es constante) a 25°C, don­ de el agua que se produce es un vapor. En estas condiciones, la combustión de 1 mol de CH4(g) consume 2 mol de O2(g) para formar 1 mol de CO2(g) y 2 mol de H2O(g), al mismo tiempo que libera 802 kJ (192 kcal). CH4(g) + 2 O2(g)----- > CO2(g) + 2 H2O(g) + 802 kJ El cambio de energía es mayor cuando el agua se produce en estado líquido, porque el vapor de agua contiene más energía que el agua líquida. CH4(g) + 2 O2(g)----- > CO2(g) + 2 H2O(1) + 890 kJ Se libera energía durante la combustión de metano, gasolina, alcohol y de todos los demás combustibles. Una reacción en la que se libera energía calorífica se califica como reacción exotérmica. Si se liberan otras formas de energía, la reacción es exergónica (Sección2 .7).

I C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je • Una im portante fuerza motriz de las reacciones es que éstas tienden a liberar energía y, de este modo, a form ar productos en un estado de m enor energía. • O tra fuerza motriz, la tendencia hacia el máximo desorden, conocida com o entropía, se analizará al final de esta sección.

I C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je La caloría y el jo u le ya se presentaron en la secció n 3 .13.

I C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je La electrólisis del agua se mencionó inicialm ente en la secció n 4.6 en relación con la ley de las pro po rciones definidas, y se de scrib ió con más detenim iento en la secció n 10.7 com o ejem plo de reacción de des com posi ción.

E l coefi ciente fraccio na rio se uti liza en este caso porque se desea d estacar el cam bio de energía co rresp on d ien te a un mol de agua.

Las reacciones endotérmicas son aquéllas que absorben o toman energía calorífica. Aunque la mayor parte de las reacciones son exotérmicas, algunas son endotérmicas. Las reacciones de este tipo requieren una aportación constante de energía mientras se llevan a cabo. Si la energía que se absorbe tiene otra forma, la reacción es endergónica. La des­ composición del agua por una corriente eléctrica proveniente de una batería o de otra fuente de corriente directa es un buen ejemplo de reacción endergónica. Este procedi­ miento se conoce como electrólisis del agua, I y es un método para producir oxígeno e hidrógeno gaseosos de gran pureza. Se necesitan 283 kJ (67.6 kcal) de energía para des­ componer 1 mol de agua. Los 283 kJ se muestran en el lado izquierdo de la ecuación. H20(1) + 283 kJ dcctr61isis> H2(g) + ’ 0 2(g) La reacción inversa, sin embargo, es exotérmica; en ella se libera precisamente la misma cantidad de energía. Cuando se enciende una mezcla de hidrógeno y oxígeno ga­ seosos, se forma agua y un fuerte estallido acompaña la liberación de energía. Con res­ pecto a la combustión de un mol de hidrógeno se puede escribir H2(g) + ¿ 0 2(g) ^

H20(1) + 283 kJ

La energía que se libera en una reacción exotérmica está relacionada directamente con la diferencia de energía química entre los productos y los reactivos. No nos interesa tanto la energía química de los reactivos o los productos como el cambio de calor de una reacción, conocido como cambio de entalpía (cuando la presión es constante) y que se representa como AH (A = cambio, H = entalpía). El cambio de entalpía de una reac­ ción, AH, es igual a la suma de las entalpías de los productos menos la suma de las entalpías de los reactivos. En una reacción exotérmica, la suma de las entalpías de los productos es menor que la suma de las entalpías de los reactivos. Por tanto, AH es un nú­ mero negativo. La reacción exotérmica de la combustión del hidrógeno. H2(g) + 20 2( g ) -----> H20(1) + 283 kJ suelee scribirsed ee stao traf orma,m ostrandoe lv alorn egativod e AH. F ig u ra 11.6

R eacción

exotérm ica entreh idrógenoy

H2(g) + { 0 2(g) ----- > H p d )

oxígenog aseosos.L ac ombustión delh idrógenoe su nar eacción exotérm ica: A H = —283 kJ. L a energía que el producto (agua) posee es m enor que la energía de los reactivos ;p ort anto, A H es negativo.

El valor de AH se aplica a la reacción tal como está escrita en moles; es decir, 1 mol de H2, 0.5 mol de O2 y 1 mol de H2O. La Fig. 11.6 muestra un diagrama de niveles de ener­ gía de esta reacción exotérmica. Advierte que el nivel de energía de los productos está por debajo del nivel de energía de los reactivos; el AH del ar eaccióne sn egativo. La combustión del hidrógeno es exotérmica; en cambio, la electrólisis del agua es una reaccióne ndergónicac onu n AH positivo.

Reactivos

h2 +

lo 2

H20(1) electr6M> H2(g) + j 0 2(g)

283 kJ

Producto H20

AH = +283 kJ

En la Fig. 11.7 se muestra un diagrama de niveles de energía de esta reacción endergónica, en la cual el nivel de los productos es más alto que el de los reactivos, y AH esp ositivo. Considera, como una importante aplicación biológica, la reacción de combustión del ag lucosa. C6H12O6(s) + 6 O2(g)-> 6 CO2(g) + 6 ^ O (g ) glu co sa

AH = —2540 kJ

Ya sea que se queme al aire libre o se metabolice en el interior de las células del cuerpo humano (o de cualquier otro organismo), un mol de glucosa (180 g) libera la misma cantidad de energía: 2540 kJ o 607 kcal (o 607 Calorías para quienes siguen una dieta). La reacción inversa se lleva a cabo durante la fotosíntesis, en las plantas verdes. Mediante una serie de reacciones, el dióxido de carbono y el vapor de agua reaccionan en presencia de clorofila para formar glucosa y oxígeno. La planta obtiene del Sol la energía necesaria para este proceso endergónico. Advierte una vez más que el valor de AH tienes ignoo puestoc uandol ar eaccións ei nvierte. 6 CO2(g) + 6 H2O(g)-> C 6H 12O 6 + 6 O2(g)

Productos H2 +

283 kJ

Reactivos H20

AH = + 2540 kJ

glucosa

F ig u ra 11.7

EJEM PLO 11.8

2® 2

L a d escom posición

del agua es una reacción endergónica:

C a m b io d e e n ta lp ia

A H = + 2 8 3 kJ. L a energía que los

Calcula lae nergía( enk ilojoules)q uel iberae lm etabolismod e1 0.0g d eg lucosa.

productos poseen es m ayor que la

Escribe la ecuación y el cambio de entalpía de la combustión de glucosa como se ha mostrado en esta sección.

S O L U C IÓ N

energía de los reactivos; por tanto, A H esp o sitivo .C uandos eu tiliz a unac orrientee léctricap ara sum inistrarl ae nergía,e lp roceso

C6H12O6 + 6 O2(g)----- > 6 CO2(g) + 6 H2O(g)AH = -2 5 4 0 kJ

sel lam ae lectrólisis.

De conformidad con esta ecuación, la combustión (o el metabolismo) de 1 mol de glu­ cosa (180. g) libera 2540 kJ. Se puede escribir este dato como factor de conversión. 2540 kJ liberados 1 mol de glucosa Ahora, inicia con la cantidad de glucosa en gramos y multiplícala por los factores de conversióna propiadosp arao btenerl ae nergía liberada. , w 1 mol de glucosa w 2540 kJ liberados 10.0g de glucosa X — --------------X - ¡ -----------r - , — .--------------- = 141 kJ 0 0 180. g de glucosa 1 mol de glucosa

(respuesta) r

V éan sel os problem as 11.27-11.32.

„

F ig u ra 11.8

EJER CI C IO 11.8

(a) Calcula la energía (en kJ) que se libera al quemar 12.0 g de glucosa. (b) Calcula la energía (en kJ) que se libera al quemar 0.150 mol de glucosa.

Cuando se rompe el

cierreh erm éticoi nternod el a com presaf ríaa plicandou n a f uerza, el nitrato de am onio de un com partim ientos em ezclac on ela guad elo troc ompartimiento. Conform ee ln itratod ea monio se disuelve, se absorbe calor y la

¿P o r q u é s e lle v a n a c a b o la s r e a c c io n e s ?

La tendencia de una reacción a llevarse a cabo depende en gran medida de los cambios de energía que se producen. Asimismo, sabemos por la prim era ley de la term odinámi ca que en las reacciones químicas no se crea ni se destruye energía. La fuerza motriz principal de la mayor parte de las reacciones químicas es el hecho de que las sustancias con mucha energía tienden a reaccionar para formar productos más estables y de menor energía, por lo cual se libera energía y la reacción es exotérmica. Si esto fuera cierto en todos los casos, todas las reacciones serían exotérmicas y todas tendrían un cambio de entalpía negativo, - AH. Sin embargo, algunos cambios endotérmicos ocurren espontá­ neamente, por sí solos, con un cambio de entalpía positivo (AH). Por ejemplo, en una compresa fría (Fig. 11.8) se disuelve en agua nitrato de amonio, el cual toma energía ca­ lorífica del agua y, con ello, reduce la temperatura del líquido. Este proceso es endotér­ mico. Cuando el hielo se funde y cuando el agua se evapora, sus moléculas toman calor

temperaturad el ac om presaf ría desciender ápidam ente.E step roceso ese ndotérm ico;p ort anto, A H es negativo.

C o n e x ió n co n e l a p re n d iz a je La com binación de las cantidades term odinám icas AH , A S y la tem peratura perm ite p re d e cir con exactitud cuáles reacciones se llevarán a cabo, pero un análisis más detenido de estos tem as queda fuera del alcance de este libro. Estos tem as son im portantes, sus im p licacion es son de gran alcance, y los estudiarás en cursos subsiguientes de quím ica y física.

de su entorno y alcanzan estados de mayor energía. También estos cambios son endotér­ m icos^ AH esp ositivo. ¿Por qué no todos los cambios son exotérmicos? La pieza que falta en el rompecabe­ zas, y que no se ha mencionado, es el desorden. La medida del desorden es una cantidad termodinámica llamada entropía, que se identifica mediante el símbolo S. Cuando más desorden tiene un sistema, tanto mayor es su entropía. Mucho más que la cantidad de en­ tropía de un sistema, nos interesa su cambio de entropía, que se representa como AS. Un AS positivo indica un aumento del desorden. Un AS negativo indica una disminución del desorden. De acuerdo con la segunda ley de la term odinám ica, la entropía del universo au­ menta todo el tiempo; no necesariamente en un pequeño rincón, sino en conjunto. Por ejemplo, tu casa o tu escritorio tiende a estar más desordenado: la entropía aumenta. Sin embargo, si te dedicas a poner de nuevo en orden las cosas, el desorden y la entropía del sistema (el escritorio) disminuyen. No olvides, empero, que la disminución del desor­ den de tu casa o tu escritorio fue posible sólo porque trabajaste en ello, y esto consume energía. Para hacer el trabajo metabolizaste alimento y generaste calor, que emitiste ha­ cia el aire. Así pues, para que en un área —el escritorio o la casa— la entropía disminu­ yese y el orden aumentase, fue necesario realizar trabajo; por tanto, la entropía debió aumentare no trap arte. La sustancia que se funde o evapora pasa de un estado de menor energía a uno de mayor energía, y AH es positivo, pero estos procesos se acompañan de un aumento del desorden, es decir, un aumento de entropía. Si se mezclan dos sustancias puras, o si se disuelve una sustancia en otra, la entropía aumenta. Si se lleva a cabo una reacción quí­ mica y hay más moles de gas en el lado de los productos de la reacción, la entropía au­ menta. Cuando se eleva la temperatura de cualquier sustancia, ya sea sólida, líquida o gaseosa, el movimiento molecular aumenta y también la entropía. Por el contrario, si se reduce la temperatura de una sustancia, el movimiento molecular disminuye, y con ello lae ntropía. En la naturaleza hay una tendencia general hacia el desorden. Cuando llevamos mine­ rales de un lugar a otro, los fertilizantes serían un buen ejemplo, y los dispersamos por todo el planeta, simplemente estamos ayudando a la naturaleza a aumentar la entropía. Cuando extraemos mena de hierro de una mina y la convertimos en automóviles que terminan en depósitos de chatarra, en esencia estamos ayudando la naturaleza a aumentar la entropía. Siempre que un sistema ordenado se torna menos ordenado, la entropía aumenta. Ya sea que consideremos la formación del Gran Cañón o el deslave de terrenos agrícolas hacia los ríos, veremos que son sistemas bien ordenados en los que el desorden aumenta. La entropía del universo aumenta todo el tiempo.

EJEM PLO 11.9

Cambios de la entropía

Indica si AS es positivo o negativo, y explica las observaciones siguientes en términos deu na umentoo d isminuciónd eld esorden. (a) El hielo seco (CO2 sólido)s ublimay s et ransforma enC O2(g). (b) Un mazo de cartas nuevo cae al piso y siempre queda más desordenado. (c) Elh ierros ee nmohece: Fe(s) + 3 O 2(g)----- > 2 Fe 2O 3(s) S O L U C IÓ N

(a) Las moléculas de CO2 en estado gaseoso están mucho más separadas y se despla­ zan con mayor rapidez, por lo que el desorden aumenta; AS esp ositivo. (b) El mazo de cartas nuevo está muy organizado. La energía de la caída desorganiza lasc artas. AS esp ositivo.

(c) Hay moléculas gaseosas como reactivos, pero no como productos; por tanto, los productos están más ordenados que los reactivos y AS es negativo. Por tanto, la fuerza motriz de esta reacción no es AS,s ino AH. EJE R C IC IO 11.9

V éan sel os problem as 11.33 y 11.34.

Indica si AS es positivo o negativo, y explica las observaciones siguientes en términos deu na umentoo d isminuciónd eld esorden. (a) Un tazón de vidrio se rompe con facilidad, pero es difícil armarlo y pegarlo de nuevo. (b) Una mezcla de sal y pimienta no se separa espontáneamente en montones indivi­ duales de sal y de pimienta. (c) El agua se evapora no obstante que el AH delp rocesoe sp ositivo.

Resumen del capítulo Los cálculos estequiométricos sirven para establecer las cantidades proporcionales de las sustancias químicas participantes en una reacción, cuando se tiene una ecuación química ba­ lanceada y se conoce la cantidad de uno de los reactivos o productos. Con los coeficientes numéricos de la ecuación química balanceada se escriben razones molares de todos los pares de sustancias que intervienen en la reacción. El número de moles de una sustancia sirve de base para calcular el número de moles de una segunda sustancia; estos er epresentac omos igue. Molesd e A ----- > Moles de B Para efectuar esta conversión, el número de moles de una sustancia dada se multiplica por la razón molar apropiada para obtener el número de moles de una segunda sustancia. Esta operaciónd ec onversióna doptal af ormag eneral

, , Moles de B „ , , _ Moles de A X— -z— — = ? moles de B Moles de A Si se conoce la masa de cualquiera de los reactivos o productos (gramos de A), la se­ cuencia de conversión para determinar la masa de cualquier otra sustancia participante en la reacción (gramos de B ) se escribe como sigue. Gramosd e A ----- > Molesd e A ----- > Moles de B ----- > Gramos de B Las eried ec onversionesa doptal af ormag eneral Moles de A Moles de B Gramos de B Gramos de A X -----------——- X ——— —— X —— — —— = ? gramos de B Gramos de A Moles de A Moles de B Si la cantidad de la primera sustancia se indica en moles en vez de gramos, simplemente se omite el primer paso de conversión de la secuencia. De forma análoga, si se desea expresar la cantidad final en moles, se omite el paso final de conversión de la secuencia. Si se conoce el volumen y la molaridad de una solución acuosa de la sustancia de partida,l as ecuenciaa doptal af ormag enerals iguiente. molaridad de A

Volumen de A ------------► Moles de A ----- > Moles de B ----- > Gramos de B Asimismo, “moles de B ” se puede convertir a “volumen de B” si se conoce la molaridad de la s o lu ción B . molaridad de B

Gramosd e A ----- > Molesd e A ----- > Moles de B ------------►Volumen de B

Al reactivo que se consume en su totalidad en una reacción se le llama reactivo lim itan­ te. El rendimiento teórico es la cantidad máxima de producto que una reacción completa puede formar, con base en cálculos estequiométricos. El rendimiento real es la cantidad de producto que se obtiene finalmente luego de llevar a cabo una reacción. El rendimiento por­ centual de una reacción se calcula como sigue.

Rendimiento real -r.— t-—;— + + - •— X 100% = Rendimiento porcentual Rendimiento teórico El calor de reacción, o cambio de entalpía de una reacción, depende de las cantidades de las sustancias químicas que reaccionan. En una reacción exotérmica se libera energía calorífi­ ca; el cambio de entalpía tiene un valor negativo. En una reacción endotérmica se absorbe energía calorífica; el cambio de entalpía tiene un valor positivo. Para entender por qué se lleva a cabo una reacción, primero se examina el cambio de entalpía y la primera ley de la termodi­ námica. La mayor parte de las reacciones son exotérmicas. Sin embargo, de la segunda ley de la termodinámica se deduce la importancia de la entropía como fuerza motriz de las reacciones cuyos productos están apreciablemente más desordenados que sus reactivos. Independientemente de que nuestro interés se centre en la manufactura de plásticos, medi­ camentos, agentes limpiadores o fibras sintéticas; en la producción de metales a partir de sus menas; en la formación de gases contaminantes en la atmósfera; o en el metabolismo de los alimentos, todos estos procesos son estequiométricos. En todos estos procesos, como en cual­ quier otro cambio químico, intervienen cantidades de sustancias químicas y cambios energé­ ticos definidos. Durante los cambios químicos no se crea ni se destruye materia ni energía; por consiguiente, los cálculos estequiométricos nos permiten establecer las cantidades específicas en cues tión. E v a lú a t u c o m p r e n s ió n : r e p a s o y a u t o e v a l u a c i ó n 1.

Escribe razones molares de todos los pares de sustancias participantes en las reaccionesq uímicasd adas.[ 1 1 .1 ]

2.

Efectúac álculose stequiométricosd e“ molesd e A”a “ molesd eB ” .[ 11.2]

Efectúa cálculos de “moles de A” a “masa de B ” y de “masa de A” a “moles de B”. [11.3] 4 . Efectúac álculose stequiométricosc ons olucionesm olares.[ 11.4] 3.

5.

Identifica el reactivo limitante y calcula las cantidades de los productos de reacción conb asee nl asc antidadesc onocidasdes ustanciasq uím icas.[ 11.5]

6.

Calcular endimientost eóricosy r endimientosp orcentualesd er eacciones.[ 11.6]

7.

Calculac ambiosd ee nergíad er eaccionese xotérmicasy e ndotérmicas.[ 11.7]

8.

Explica, en términos de cambios de entalpía y de entropía, por qué se llevan a cabo lasr eacciones.[ 11.7]

T ér m i n o s c la v e caloría[ 11.7] electrólisis[ 11.7] entalpía[ 11.7] entropía[ 11.7] es te quio me tría [ in tro]

joule[ 11.7] primeral eyd el at ermodinámica[ 11.7] razónm olar[ 1 1 .1 ] reaccione ndotérmica[ 11.7]

reaccione xotérmica[ 11.7] reactivol imitante[ 11.5] ren di mien to p or cen tual [ 1 1 .6] ren di mien to r eal [ 1 1 .6] rendimientot eórico[ 1 1 .6]

segundal eyd el at ermodinámica[ 11.7]

P ro b le m a s c. de moles de HNO3 a moles de H 2O.

Razonesm olaresa partird ee cuaciones químicas 1 1 .1

d. de moles de NO a moles de HNO3.

Conr espectoa l ae cuaciónq uímicas iguiente 3NO2(g) + H2O (l)---- > 2 HNO3(ac) + NO(g) indical ar azónm olarq ues en ecesitap arac onvertir

1 1 .2

Conr espectoa l ae cuaciónq uímicas iguiente

Al2(SO4)3 + 3B a(NO3)2 ----- > 3B aSO4 + 2 Al(NO3)3

a. de moles de N O 2 a moles de HNO3.

indical ar azónm olarq ues en ecesitap arac onvertir

b. de moles de N O 2 a moles de NO.

a. de moles de Al2(SO4)3 a moles de BaSO4.

e. los gramos totales de reactivos y los gramos totales dep roductos.C omentat ur espuesta.

b. de moles de BaSO4 a moles de Al2(SO4)3. c. de moles de Ba(N O 3)2 am olesd e Al(NO3)3. d. de moles de Ba(N O 3)2 a moles de Al2(SO4)3.

1 1 .7

Cálculos de mol a mol 1 1 .3

2 C8H 18 + 25 O2 ----- > 16 CO2 + 18 H 2O

Con respecto a la reacción del problema 11.1, calcula eln úmerod e

calculae ln úmerod e a. moles de oxígeno necesarios para quemar 50.0 g de octano.

a. moles de HNO3 que se pueden producir a partir de 63.3 mol de N O 2.

b. gramos de oxígeno necesarios para quemar 50.0 g deo ctano.

b. moles de NO que se pueden producir a partir de 12.3 mol de N O 2.

c. moles de dióxido de carbono que se producen al que­ mar 50.0 g de octano.

c. moles de agua necesarios para producir 6.44 mol de h n o 3. d. motes de HNO3 que se pueden formar junto con 7.25 mol de NO. 1 1 .4

d. gramos de dióxido de carbono que se producen al quemar 50.0 g de octano. 1 1 .8

Con respecto a la reacción del problema 11.2, calcula eln úmerod e a. mo les de Ba SO4 que se pueden preparar a partir de 0.225 mol de Al2(SO4)3. b. moles de Al2(SO4)3 necesarios para preparar 3.30 mol de BaSO4.

calculae ln úmerod e a. moles de oxígeno necesarios para quemar 50.0 g de metanol.

c. mo les de Al (NO3)3 que se pueden preparar a partir de 0.750 mol de B a(NO3)2.

b. gramos de oxígeno necesarios para quemar 50.0 g de metanol.

d. mo les de Al2(SO4)3 que reaccionan con 9.33 mol de Ba (NO3)2.

c. moles de metanol que se deben quemar para produ­ cir 45.0 g de vapor de agua. d. gramos de metanol que se deben quemar para pro­ ducir 45.0 g de vapor de agua.

Con respecto a la reacción de neutralización ácido-base si guien te

1 1 .9

-

2 HCl(ac) + Ca(OH)2(s ) > 2 H2O + CaCl2(ac) y con 0.684 mol de HCl(ac), calcula

b. la cantidad máxima de agua, en gramos, que se puedef ormar.

Las bolsas de aire de los automóviles se inflan cuando la azida de sodio sólida, N aN 3, se descompone y produ­ ce nitrógeno gaseoso, conforme a la ecuación química nob alanceada N aN 3(s)----- > Na(s) + 3 N 2(g)

a. la can ti dad má xi ma de Ca(OH)2, en gramos, que se consumed urantel ar eacción.

¿Qué masa de nitrógeno gaseoso produce la descompo­ sición rápida de 450. g de N aN 3?

c. la cantidad máxima de CaCl2, en gramos, que se puedef ormar.

El hidróxido de litio se puede utilizar en ambientes cerrados, como el del Transbordador Espacial y en los submarinos, para eliminar el CO2 gaseoso en exceso. Lae cuaciónq uímican ob alanceadae s

d. la cantidad de HCl, en gramos, que se consume durantel ar eacción.

LiOH(s) + CO2(g )----- > Li2CO3(s) + H2O(g)

1 1 .1 0

e. los gramos totales de reactivos y los gramos totales dep roductos.C omentat ur espuesta. 1 1 .6

Con respecto a la combustión del metanol, CH3OH (tambiénl lamadoa lcoholm etílico), 2 CH3OH + 3 O 2----- > 2 CO2 + 4 H2O

Cálculose stequiométricos con moles y masas 1 1 .5

Con respecto a la combustión del octano, C8H 18, pre­ sen te e n l a g a so li na,

Si un recipiente eliminador de CO2 contiene 250. g de LiOH(s), ¿qué masa de CO2(g) podrá absorber el reci­ piente?

Conr espectoa l ar eaccións iguiente 3 Mg + 2 H3PO4(ac)--->M f o ^ ^ a c ) + 3 H (g ) y con 0.482 mol de H 3PO4(ac),c alcula a. la cantidad máxima de Mg, en gramos, que se consumed urantel ar eacción. b. la can ti dad má xi ma de M g3(PO4)2, en gramos, que se puedef ormar.

1 1 .1 1

Los antiácidos comunes y los complementos alimenti­ cios de calcio que se emplean para prevenir la osteoporosis (un trastorno en el que ocurre un debüitamiento de los huesos) contienen carbonato de calcio. Una tableta de CaCO3 se disuelve en el jugo gástrico, que contiene ácido clorhídrico. La ecuación química no balanceada es CaCO3(s) + H C l(ac)------>

c. la cantidad máxima de hidrógeno gaseoso, en gra­ mos, que se puede producir.

CaCl2(ac) + CO2(g) + H O O )

d. la cantidad de H 3PO4, en gramos, que se consume durantel ar eacción.

¿Qué masa de HCl se necesita para que reaccionen total­ mente dos tabletas, cada una con 500. mg de CaCO3?

1 1 .1 2

El ingrediente activo de ciertas tabletas antiácidas es hidróxido de aluminio, Al(OH)3, que reacciona con el jugo gástrico (principalmente HCl). La ecuación no ba­ lan cea da e s Al(OH)3(s) + H C l(ac)->AlCl3(ac) + H2O(l) ¿Qué masa de HCl se necesita para que reaccionen total­ mente dos tabletas, cada una con 400. mg de Al(OH)3?

1 1 .1 3

400. mg de Al(OH)3, ¿qué volumen de jugo gástrico (en mililitros) se consume? HCl(ac) + Al(OH)3(s) ----- >AlCl3(ac) + H 2O(l)

Cálculosd er eactivos limitantesy r endimientos porcentua les 1 1 .2 1

Cuando se colocaron 20.0 g de Mg en un vaso de precipi­ tados con ácido clorhídrico, una vigorosa reacción produjo hidrógeno gaseoso, cloruro de magnesio y calor suficien­ te para calentar el vaso. El Mg metálico reaccionó total­ mente con un exceso del ácido.

2Al

c. Si el rendimiento real es de 32.2 g de AlBr3, ¿cuál es elr endimientop orcentual? 1 1 .2 2

a. Escribe una ecuación química balanceada de la reac­ ción.

5.00 g

c. ¿Cuántos gramos de H2SO4 se consumieron durante lar eacción?

Cuando el jugo gástrico, que equivale a HCl 0.1 M, reac­ ciona totalmente con una tableta antiácida que contiene 500. mg de CaCO3, ¿qué volumen de jugo gástrico (en mililitros) se consume? CaCO3(s) + H C l(ac)----- > CaCl2(ac) + CO2(g) + H 2O(1)

1 1 .2 0

Cuando el jugo gástrico, que equivale a HCl 0.1 M, reac­ ciona totalmente con una tableta antiácida que contiene

40.5 g

c. Si el rendimiento real es de 37.5 g de PBr3, ¿cuál es elr endimientop orcentual? 1 1 .2 3

El nombre común del etanol, C2H5OH, es alcohol etílico. Gran parte del etanol comercial se produce por la reac­ ción del eteno, C2H4, con agua. Si 80.0 kg de eteno re­ accionaron con 55.0 kg de agua, efectúa los cálcutos necesariosc onb asee nl ae cuacións iguiente. -

c 2h 4 + h 2o > C 2H5OH

1 1 .1 7

1 1 .1 9

6 B r2(1) ----- > 4 PBr3

b. ¿Cuál es el rendimiento teórico de PBr3?

En el problema 11.14c se calculó la cantidad de H2SO4, en gramos, que reaccionó con el Zn. ¿Cuántos mililitros de ácido sulfúrico 6.00 M se necesitarían para que reac­ cione todo el cinc metálico?

¿Cuántos mililitros de ácido clorhídrico 3.00 M se nece­ sitarían para que reaccionen totalmente 10.0 g de cal, Ca(OH)2? La reacción de neutralización produce cloruro de calcio, CaCl2, y agua. 1 1 . 1 8 ¿Cuántos mililitros de ácido clorhídrico 1.00 M se ne­ cesitarían para que reaccione totalmente una tableta de leche de magnesia que contiene 310. mg de M g(OH)2? La reacción de neutralización produce cloruro de magne sio, M gCl2, y agua.

+

a. ¿Cuál sus tan cia es el reac tivo li mi tan te? (Mues tra los c ál cu los.)

Cálculos estequiométricos con soluciones molares

1 1 .1 6

Cuando se agrega un trozo de fósforo a bromo líquido, la reacción es espontánea y libera calor. Las cantidades de sustancias que se mezclaron se muestran debajo de los r eac tivos. P4

b. ¿Cuántos moles de H2(g)s ef ormaron?

En el problema 11.13c se calculó la cantidad de HCl, en gramos, que reaccionó con el Mg. ¿Cuántos milili­ tros de ácido clorhídrico 6.00 M se necesitarían para quer eaccionet odoe lm agnesiom etálico?

42.0 g

b. ¿Cuále se lr endimientot eóricod e AlBr3?

c. ¿Cuántos gramos de HCl se consumieron durante la reac ción?

1 1 .1 5

3 B r2(1) ----- > 2 AlBr3

a. ¿Cuál sus tan cia es el reac tivo li mi tan te? (Mues tra los c ál cu los.)

b. ¿Cuántos moles de H2(g)s ef ormaron?

Cuando se colocaron 20.0 g de Zn en un vaso de precipi­ tados con ácido sulfúrico, una vigorosa reacción produjo hidrógeno gaseoso y sulfato de cinc, y el vaso se calentó apreciablemente. El Zn metálico reaccionó totalmente.

+

4.00 g

a. Escribe una ecuación química balanceada de la reac­ ción.

1 1 .1 4

La reacción de aluminio metálico con bromo, un no metal líquido, es espontánea, es decir, no se necesita energía ex­ terna para iniciar la reacción. Las cantidades de sustancias que se mezclaron se muestran debajo de los reactivos.

a. ¿Cuál sustancia es el reactivo limitante? (Muestra los cálculos.) Sugerencia: Resuelve el problema em­ pleando gramos. Las cantidades en kilogramos y en gramoss onp roporcionales. b. ¿Cuále se lr endimientot eóricod ee tanol? c. Si el rendimiento real es de 125 kg de etanol, ¿cuál ese lr endimientop orcentual? 1 1 .2 4

El nombre común del metanol, CH3OH, es alcohol me­ tílico. La mayor parte del metanol se produce comercial­ mente por la reacción del monóxido de carbono, CO, con H2(g) a temperatura y presión elevadas. Si 72.0 kg de CO reaccionaron con 5.50 kg de H2, efectúa los cálcu­ los necesarios con base en la ecuación siguiente CO(g) + 2 H2(g )----- > CH3OHO) a. ¿Cuál sus tan cia es el reac tivo li mi tan te? (Mues tra los c ál cu los.)

b. ¿Cuále se lr endimientot eóricod em etanol?

2 C8HJ80) + 25 O2(g )------> 16 CO2(g) + 18 ^ O ( g )

c. Si el rendimiento real es de 39.5 kg de metanol, ¿cuál es elr endimientop orcentual? 1 1 .2 5

Con respecto a una mezcla de 15.0 g de aluminio metá­ lico y 30.0 g de Fe2O3(s), ¿cuál es el reactivo limitante, y cuántos gramos de hierro metálico se podrían formar conforme a esta ecuación, que cotresponde a la muy exotérmica reacción de termita?

AH = -5 4 6 0 kJ Compara esta energía con el valor calculado para 10.0 g de metano (Problema 11.29). 1 1 .3 1

2 Al(s) + Fe2O3(s )----- > 2 Fe(s) + Al2O 3(s) 1 1 .2 6

Con respecto a una mezcla de 12.0 g de aluminio metá­ lico y 54.0 g de Fe2O3(s), ¿cuál es el reactivo limitante, y cuántos gramos de hierro metálico se podrían formar conforme a est a ecuación, que corresponde a la muy exotérmicar eacciónd et ermita?

CaCO3(s) + 178 k J ------ > CaO(s) + CO2(g) 1 1 .3 2

2 Al(s) + Fe2O3(s )----- > 2 Fe(s) + Al2O3(s)

Este quio metría y cam bios de energía 1 1 .2 7

¿Cuál es la diferencia entre una reacción exotérmica y unar eaccióne ndotérmica?

1 1 .2 8

Define la entalpía. ¿Es positivo o negativo el valor del cambio de entalpía de una reacción exotérmica? Expli­ ca tur espuesta.

1 1 .2 9

Calcula el cambio de entalpía de la combustión de 10.0 g de metano, CH4, del gas natural. ¿Por qué es negativo el cambio de entalpía?

Compara esta energía con el valor calculado para 10.0 g de glucosa (Ejemplo 11.8). 1 1 .3 0

Calcula el cambio de entalpía de la combustión de 10.0 g de octano, C8H 18, de la gasolina. (El cambio de entalpía que se indica corresponde a la ecuación tal como está es­ crita, con 2 mol de octano.)

El óxido de calcio, CaO, llamado cal viva, se mezcla con agua para producir hidróxido de calcio, Ca(OH)2, cono­ cido como cal apagada. La cal apagada se emplea en el mortero y en la argamasa. Escribe de nuevo la ecuación siguiente en la forma que muestra el cambio de entalpía. Además, calcula el cambio de entalpía que tiene lugar cuando 1000. g de CaO se transforman en cal apagada. CaO(s) + H2O(1) ----- > Ca(OH)2(s) + 65.5 kJ

1 1 .3 3

Indica si la entropía aumenta o disminuye en los casos siguientes. a. See vaporaa gua. b. Seq uemag asolina( Problema1 1.30).

CH4(g) + 2 O2(g )------ > CO2(g) + 2 H 2O(g) A H = - 8 0 2 kJ

Se calienta carbonato de calcio, CaCO3, que proviene de piedra caliza, a alta temperatura en un horno para producir óxido de calcio, CaO. El CaO, llamado cal viva, está presente en el cemento. Escribe de nuevo la ecua­ ción siguiente en la otra forma que muestra el cambio de entalpía. Además, calcula el cambio de entalpía ne­ cesario para producir 1000. g de CaO.

1 1 .3 4

Indica si la entropía aumenta o disminuye en los casos siguientes. a. El agua se congela. b. Sed escomponep iedrac aliza( Problema 1 1.31).

© acción Estudiantes en

S í n t e s i s d e s u l f a t o d e c o b r e ( I I ) p e n t a h id r a t a d o Realiza esta actividad conforme a los pasos que se indican.

Materiales y reactivos • Balanza electrónica

• Espátula

• 1 vaso de precipitado de 50 mL

• 1 propipeta de 5 mL

• Parrilla de calentamiento

• 2 matraces Erlenmeyer de 50 mL

• Embudo Buchner microescala

• 2 tapones monohoradados

Materiales y reactivos (continuación) • Tubo en “ U”

• Tijeras

• 1 agitador de vidrio

• 1 par de guantes de cirujano

• Vidrio de reloj

• Baño de hielo

• Alambre de cobre

• Indicador universal

• Papel filtro

• Agua destilada

• Jeringa para filtración al vacío o bomba de vacío

• Cobre

• Pinzas de 3 dedos con nuez

• Ácido nítrico concentrado

• 1 probeta de 20 mL

• Ácido sulfúrico al 25 %

• 1 soporte universal

• Bicarbonato de sodio

• 1 pipeta de 5 mL

• Papel indicador de pH

• 1 pipeta de 1 mL

I. T r a t a m ie n t o d e l m a t r a z B

Procedimiento 1.

Coloca un tapón monohoradado en cada uno de los dos matraces Erlenmeyer y conéctalos mediante un tubo en “U”, como se muestra en la figura 1. En uno de los matraces agrega aproximadamente 20-25 mL de agua destilada y unas 3 o 4 gotas de indicador universal. M árcalo como “matraz A” .

2.

Pesa 0.63 g de cobre y colócalo en el matraz Erlenmeyer vacío del sistema. M árcalo como “matraz B” .

3.

Trabaja en la campana de extracción y ponte guantes de cirujano. Con ayuda de una pipeta y una propipeta, mide 5 mL de ácido sulfúrico al 25% y adiciónalos al matraz B, que contiene el cobre. Con mucho cuidado, agrega 1 mL de ácido nítrico concentrado. Espera 2 minutos, aproximadamente, y luego adiciona 1 mL de ácido nítrico más. R e g is t ra tu s o b s e r v a c io n e s . ______________________________________________________________________________________________________

A n o t a s i lo o b s e r v a d o e s u n c a m b io f ís ic o o q u ím ic o .

4.

Cuando detectes que el cambio ha concluido, coloca el matraz B, que contiene la reacción, en una parrilla de ca­ lentamiento en el número 2 (es muy importante que sea en este número) durante 3 a 4 minutos, como se observa en la figura 2. Cuida de que no se desconecte el sistema para seguir recogiendo los gases tóxicos en el matraz A. Puedes poner una base que soporte el matraz A para que los dos se encuentren al mismo nivel. ¿ Q u é c a m b io s o b s e r v a s ?

5.

Retira el matraz de la parrilla para que no se escape el gas o se rompa el sistema. E s c r ib e la e c u a c ió n q u ím ic a d e la r e a c c ió n q u e s e e stá lle v a n d o a c a b o .

F ig u ra 2.

6.

C alen tam ien to del sistem a

Matraz A

Deja enfriar el matraz a temperatura ambiente. Permite que los cristales de sulfato de cobre(II) pentahidratado se formen por lo menos 24 horas y regresa al día siguiente al laboratorio.

II. Tratamiento del matraz A 1.

Puedes realizar este paso fuera de la campana de extracción, pero con mucho cuidado. Cuando ya no se observen burbujas en el matraz, ni haya coloración del gas rojo, habrá terminado la reacción. Una vez que esto suceda, con ayuda de papel indicador determina el valor del pH y regístralo. p H (so lu c ió n )

E s c r ib e la r e a c c ió n d e l p ro d u c to q u e se fo rm ó .

2.

3.

En un vidrio de reloj, pesa 0.5 g de carbonato monoácido de sodio (bicarbonato de sodio) y, con una espátula, agrega un poco de este compuesto al matraz A. Hazlo con mucho cuidado, para que no se derrame el contenido del matraz por el exceso de CO2 producido. Continúa agregando un poco más del bicarbonato de sodio. Cuando observes que la solución vira de rojo a azul, verifica nuevamente el pH con ayuda del papel indicador y registra su valor. p H (so lu c ió n )

4.

Pesa la cantidad de bicarbonato de sodio que quedó en el vidrio de reloj y, por diferencia, determina lo que se utilizó. E s c r ib e la r e a c c ió n d e n e u t r a liz a c ió n .

a) Para cada uno de los reactivos y productos, escribe el nombre correcto según la nomenclatura de la IUPAC.

b) Balancea la reacción por el método de redox.

c) Realiza los cálculos estequiométricos de acuerdo con las cantidades utilizadas, identifica el reactivo limitante e indica la cantidad teórica del sulfato de cobre (II) pentahidratado por obtener y anótalos.

d) Explica qué ejemplos de la clasificación de la materia observaste: mezclas heterogéneas, mezclas homogéneas, compues­ tos y elementos.

e) ¿Qué puedes decir acerca de la solubilidad del sulfato de cobre (II) en agua: es altamente soluble o moderadamente solu­ ble? ¿El efecto de la temperatura tiene algún efecto en la solubilidad? ¿Es soluble en etanol?

f) ¿Por qué es importante neutralizar una mezcla antes de verterla al drenaje?

Gases

C O N T E N I D O 12.1

La atmósfera

12.2

Teoría cinética molecular

12.3

Presión atmosférica

12.4

Ley de Boyle: presión y volumen de los gases

12.5

Ley de Charles: volumen y tempe ratu ra de los gases

12.6

Ley de Gay-Lussac: pre sión y tempe ratu ra de los gases

12.7

Tempe ratu ra y pre sión normales

12.8

Ley combi nada de los gases

12.9

Ley de Avogadro: volumen y moles de gases

12.10

Volumen molar y den sidad de gases a TPE

12.11

Ley del gas ideal

12.12

Ley de Dalton de las pre siones parcia les

12.13

Este quiome tría de gases: una visión integral

Los globos de aire caliente comenzaron a atraer la atención hacia las propiedades de los gases en la década de 1780 a 1790. Los globos, alas delta, dirigibles y aviones continúan atrayendo nuestra atención hacia las sorprendentes propiedades de los gases, las cuales estudiaremos en este capítulo.

os gases que envuelven al planeta Tierra le dan un carácter único dentro de nues­ tro sistem a solar. Las naves espaciales terrestres han fotografiado la desolación de M ercurio desde pocos kilóm etros de altitud, y han m edido las altas tem peratu­ ras de Venus, que son tan elevadas que pueden fundir el plomo. Las fotografías tom adas desde el espacio nos han proporcionado incluso retratos m uy cercanos de las turbu len­ tas y aplastantes atm ósferas de Júpiter y Saturno. N i los datos atm osféricos ni los ex perim entos efectuados sobre la superficie de M arte han conseguido detectar la presencia de vida en ese planeta. D espués de estas investigaciones y de otras m ás, está cada vez m ás claro que el planeta Tierra, una pequeña isla verde y azul en la inm ensidad del espacio, está equi­ p ada de m odo singular p ara satisfacer las necesidades de la vida que lo habita. U no de los com ponentes indispensables del sistem a que sostiene la vida de la nave espacial Tierra es su atm ósfera, u na capa relativam ente delgada de gases que ro d ea y envuelve al planeta (Fig. 12.1).

L

Todos los gases, incluso el aire, obedecen a ciertas leyes físicas. En este capítulo se exam inarán algunas de estas leyes al m ism o tiem po que se estudian ciertas propiedades peculiares de los gases. E n particular, se estudiarán detenidam ente las relaciones en las que intervienen la presión, el volumen, la tem peratura y la cantidad de gas de una muestra.

La atmósfera E l delgado m anto de gases que envuelve nuestro plan eta se llam a a tm ó sfe ra . Es difícil m edir su profundidad, pues no term ina abruptam ente; el núm ero de m oléculas p o r u n i­ dad de volum en dism inuye gradualm ente a m edida que aum enta la distancia respecto a la superficie terrestre. Su lím ite es indefinido, pero el 99% de la atm ósfera está a m enos de 30 km de la superficie de la Tierra. I Si se com para la T ierra y su atm ósfera con una m anzana, la delgada capa de aire sería en proporción m ás delgada que la cáscara de es­ te fruto. E sa fina capa de aire es todo lo que nos separa del vacío del espacio, y nuestra provisiónd ea ire,q uee nu n t iem pos ep ensói nagotable,a horap arecee starl im itada. E l aire es tan familiar, y a la vez tan nebuloso, que resu lta difícil pensar en él com o m ateria. Pero es m ateria en estado gaseoso. Todos los gases, incluso el aire, tienen m a­ sa y ocupan espacio. Podem os estirar la m ano y tocar los sólidos y los líquidos, pero no podem os sentir el aire a m enos que sople el viento. M ás aún, el aire y la m ayor parte de loso trosg asess oni ncolorosy p ort antor esultani nvisibles. E l aire se com pone de una m ezcla de gases. E l aire seco contiene (en volum en) apro­ xim adam ente 78% de nitrógeno (N2), 21% de oxígeno (O2) y 1% de argón (Ar). La cantidad de vapor de agua varía h asta un m áxim o de alrededor de 4 %. Tiene otros com ­ ponentes en pequeña proporción, el m ás im portante de los cuales es el dióxido de car­ bono, C O 2. Se piensa que la concentración de dióxido de carbono en la atm ósfera ha aum entado, de 296 partes por m illón (ppm) en 1900, a su valor actual de m ás de 365 ppm. L o m ás probable es que continúe aum entando al quem arse m ás com bustibles fósiles (hulla, petróleo y gas). L a com posición de la atm ósfera se resum e en la tabla 12.1.

^ 2.^

Teoría cinética molecular

Se afirm a que el aire es una m ezcla de gases; pero, ¿qué son los gases? E n el capítulo 2 se com pararon som eram ente varias propiedades generales de los tres estados de la materia, pero cinco propiedades físicas im portantes de los gases se resum en com o sigue.

T a b la 12 .1

C o m p o s ic ió n d e l a a t m ó s f e r a s e c a d e l a T ie r r a Fórmula

Nitrógeno

N2

Oxígeno

Número d e moléculas por cada 10 0 0 0 moléculas 7 800

78.00%

2 100

21.00

Argón

O2 Ar

93

0.93

Dióxidod ec arbono

3

0.03

Todasl asd emás

—

4

0.04

Total

■

Porcen ta je en vo lu men

2C O

Sustancia

10 000

100.0%

Figura 12.1 La nave espacial Tierra con la desolada Luna en primer plano. I Conexión con el aprendizaje La atmósfera de la Tierra, constituida por alrededor de 5.2 X 1015 toneladas métricas de aire, parece ser única en cuanto a su capacidad pa ra soste ner la vida.

Conexión con el aprendizaje Imagina la Tierra del tamaño de una manza na. La fi na ca pa de ai re se ría más delgada que su cáscara.

1. L os gases no tienen form a n i volum en definidos; se expanden h asta ocupar todo el volum en del recipiente que los contiene y se ajustan a su form a. 2. L os gases son com presibles; se puede hacer que un gas ocupe un volum en m ucho m enora um entandol ap resión. 3. L a densidad de los gases es pequeña en com paración con los líquidos y los sólidos. P or ejem plo, la densidad del aire seco es de aproxim adam ente 0.00117 g/cm 3 a la presión y tem peratura am bientales. A m ed id a que la presión aum enta, tam bién lo hace la densidad del gas.

(a)

4. L os gases encerrados en un recipiente ejercen un a presión uniform e sobre todas las paredes del recipiente. N o ocurre lo m ism o con los líquidos; la fuerza que un líqui­ do ejerce sobre las paredes de un recipiente es m ayor al aum entar la profundidad, debidoa l asf uerzas gravitatorias. concentración de Br2

concentración de aire

(b)

iguales

(c) Figura 12.2 Los gases se difunden; es decir, tienden a fluir espontáneamente de una región de alta concentración a una de baja concentración. (a) Con la Llave cerrada no hay flujo. (b) Con la llave abierta, los gases fluyen de las regiones de mayor concentración a las regiones de menor concentración. (c) Con la llave abierta, el flujo neto es nulo una vez que se tiene una mezcla uniforme y las concentraciones son iguales.

Figura 12.3 Lasm oléculasd eu n gass onc omparablesa b olas de billar que se mueven al azar, rebotando unas con otras y en las bandas de la mesa.

5. L os gases se m ezclan espontánea y totalm ente unos con otros a presión constante, siem pre y cuando no se lleve a cabo un a reacción quím ica. E ste fenóm eno se llam a d ifu sió n (Fig. 12.2). Por ejem plo, si se deja salir am oniaco gaseoso en un rincón de una habitación, el am oniaco se difunde por to d a la habitación hasta que to d a tiene finalm enel am ism ac oncentraciónd elg as. E l com portam iento de los gases se explica en térm inos de la te o ría cinética m o ­ le cu la r (TCM ), o sim plem ente te o ría cinética. E sta teoría, al igual que la atómica, ofrece un m odelo con generalizaciones am plias acerca de las propiedades de la materia. L a teoría cinética m olecular perm ite visualizar y com prender el com portam iento de los gases, pero sus fundam entos también son aplicables a los líquidos y a los sólidos. L a teoría cinética m olecular trata los gases com o conjuntos de partículas individuales en rápido movim iento (de ahí el térm ino cinética). L a palabra partícula puede significar un átom o o una m olécula, según el gas de que se trate. Por ejemplo, las partículas de argón ga­ seoso, Ar, son átomos, pero las partículas de nitrógeno gaseoso, N 2, y de dióxido de carbo­ no, CO 2, son moléculas. A continuación se describen los supuestos básicos de este modelo, que explica el com portam iento de los gases.

T e o ría c in é ti c a d e lo s g a s e s 1. L as partículas del gas se m ueven de form a continua, ráp id a y al azar en línea rectay e n t odasd irecciones. E l m ovim iento de las partículas del gas se podría com parar con el de bolas en cons­ tante m ovim iento sobre una m esa de billar, rebotando sin cesar en las bandas y tam bién unas con otras (Fig. 12.3). Las m oléculas del aire tienen una velocidad m edia (rapidez de m ovim iento) de aproxim adam ente 500 m/s, equivalente a alrededor de 1 800 kilóm etros po r hora. E l m ovim iento al azar de las m oléculas ayuda a explicar la observación de que

los gases se expanden hasta llenar un recipiente cerrado, característica que se citó com o prim era propiedad física de los gases. 2. L as partículas de gas son extrem adam ente p equeñas y las distancias entre ellas son grandes. L a m ayor parte de una m uestra de gas es en realidad espacio vacío (Fig. 12.4). Para visualizar m ejor este hecho, considera un m ol de agu a (18.0 g). U n m ol de ag u a líquida ocupa 18.0 m L o 18.0 cm 3. C uando un m ol de agua en su punto de ebullición (100°C) se calienta lo suficiente p ara transform arse en vapor (un gas), su volum en aum enta a 30 600 cm 3. E l volum en se h a expandido por un factor de 1 700. E l núm ero de m o lécu ­ las no ha cam biado, pero el volum en sí. Si originalm ente las m oléculas de agua estaban en contacto, y si el volum en se expande por un factor de 1 700, ahora las m oléculas de vapor de agua deben estar m uy separadas unas de otras. E l concepto de la TCM de partículas dim inutas con grandes distancias entre ellas per­ m ite explicar la observación de que los gases se com prim en con facilidad. E sta caracterís­ tica se citó com o la segunda propiedad física de los gases. E l hecho de que la densidad de los gases es pequeña — la tercera propiedad física de los gases— tam bién se com prende si se piensa que las partículas son pequeñas y ocupan una reducida fracción del volum en total. M ás aún, el hecho de que los gases se difunden o m ezclan espontáneam ente — la quinta propiedad física de los gases— se explica en térm inos del rápido m ovim iento de partículas pequeñas que disponen de espacio suficiente para mezclarse. A dem ás de explicar las propiedades de los gases, la teoría cinética m olecular p er­ m ite entender la naturaleza no com presible de los líquidos y los sólidos. A diferencia de las partículas de un gas, las partículas individuales de los sólidos y los líquidos están en contacto unas con otras, lo que perm ite m uy poca com presión. 3. Con respecto a los gases, tanto las fuerzas gravitatorias com o las fuerzas de atraccióne ntrep artículasd eg asr esultani nsignificantes. Las partículas de un gas están separadas por distancias relativamente grandes y se mueven con rapidez; en consecuencia, las fuerzas de atracción son insignificantes. E l efec­ to de la gravedad sobre los gases es relativam ente pequeño, y sus partículas se m ueven hacia arriba, abajo y a los lados con facilidad. A diferencia de los líquidos y los sólidos, no caen al fondo del recipiente. Cualquier recipiente de gas está lleno en su totalidad. L a pala­ bra lleno no significa en este caso que el gas esté em paquetado de form a compacta, sino que está distribuido en la totalidad del volumen del recipiente. 4. C uando las partículas chocan unas con otras o con las paredes del recipiente, nos ep ierdee nergía;t odasl asc olisioness onp erfectam entee lásticas. E l térm ino p e rfe c ta m e n te elásticas significa que las partículas continúan chocando sin perder energía. L as partículas, en conjunto, no presentan tendencia alguna a perder ra ­ pidez ni a detenerse en un m om ento dado. U na bola que se m ueve aquí y allá sobre una m esa de billar es un buen ejem plo de m o­ vimientos relativos aunque no perfectam ente elásticos. L a bola rebota en varias bandas de la m esa y con otras bolas antes de detenerse. Si los choques fueran verdaderam ente elásticos — sin pérdida de energía— , la b o la nunca se detendría. L as colisiones de las partículas de un gas son perfectam ente elásticas. Si no lo fueran, la presión en el interior de un reci­ piente cerrado de gas a una tem peratura dada dism inuiría con el tiempo. E l bom bardeo continuo en todas las paredes del recipiente por parte de las partículas del gas perm ite com prender el hecho de que los gases ejercen una presión uniform e so­ bre todas las paredes del recipiente, fenóm eno que constituye la cuarta propiedad física de los gases.

Figura 12.4 De acuerdo con la teoría cinética molecular, las partículas de un gas se hallan en constante movimiento y rebotan en las paredes del recipiente que las contiene y a veces unas con otras.

5. L a energía cinética m edia es la m ism a en todos los gases a un a m ism a tem pe­ r a tu r a ^ v aríap roporcionalm entec onl at em peraturae n k elvin.

I Conexión con el aprendizaje La energía potencial, a diferencia de la energía cinética, es la energía al ma ce na da que las mo lécu las poseen co mo con se cuen cia de las fuerzas de atracción y repulsión existentes dentro de las moléculas, en es pe cial las de bi das a los en laces quí micos.

L a e n e rg ía c in é tic a (E.C.) es la energía que las m oléculas poseen en virtud de su m ovim iento. I L os gases ligeros, com o el hidrógeno y el helio, tienen la m ism a energía cinética que los gases pesados, com o el cloro y el dióxido de carbono, a un a m ism a tem ­ peratura. L os gases de m asa m ás pequeña se m ueven con m ás rapidez que los gases de m asam ayor. C uanto m ás alta es la tem peratura de las partículas del gas, m ayor es la rapidez con que se m ueven las partículas. Sin em bargo, en un a m u estra individual cualquiera alg u ­ nas partículas se m ueven m ás aprisa que las otras; la tem peratura K elvin es p roporcio­ nal a la energía cinética m ed ia de las partículas del gas. L a energía cinética de las partículas se describe con m ás precisión p o r m edio de una ecuación m atem ática según la cual la E.C. es igual al producto de la m itad de la m a­ sa (m) por la velocidad al cuadrado (u2).E stae cuacións ee scribec om os igue. E.C. = j m u

2

2

D e acuerdo con esta ecuación, si la m asa es constante todo cam bio de energía ci­ nética debe estar relacionado con un cam bio en la velocidad de las partículas del gas. El oxígeno, po r ejem plo, tiene una m asa m olar constante de 32.0 g/m ol. L a energía cin éti­ ca del gas es proporcional al cuadrado de la velocidad de sus partículas.

UNA MIRADA CERCANA U n id a d e s d e p re s ió n d e u n g a s Existen varias unidades de presión para los gases. Se definirá ca­ da unidad en términos de exactamente 1 atmósfera de presión, 1 atm, que es la presión promedio al nivel del mar. Una presión de 1 atm es igual a la presión que ejerce una columna de mercurio de 760. mm (760. mm Hg) o 760. torr. 1 atm = 760 mm Hg = 760 torr En Estados Unidos los informes meteorológicos suelen indicarl ap resióna tmosféricae np ulgadasd em ercurio. 1 atm = 29.9 pulg Hg En general, los ingenieros emplean libras por pulgada cuadrada 1 atm = 14.7 lb/pulg2 La unidad SI de presión que se prefiere, y que está teniendo un uso cada vez más extendido, es el pascal (Pa). 1 atm = 101 325 Pa = 101.325 kPa Un pascal es una presión equivalente a la fuerza de 1 newton (N) por metro cuadrado. (Un newton es la fuerza que, aplicada a una masa de 1 kg, imparte a esa masa una aceleración de 1 m/sd urantec adas egundo.)

Un barómetro aneroide se calibra para obtener lecturas confiables de presión atmosférica ajustando un tornillo de la parte trasera, de modo que las lecturas del barómetro coincidan con las presiones indicadas por la oficina meteorológica de la localidad. En general, se espera buen tiempo cuando la presión va en aumento o es constante en alrededor de 30 pulgadas de mercurio. Es de esperar que llueva cuando la presión barométrica comienza a descender. La lluvia o las tormentas suelen ser precedidas por una caída rápida de la presión.

\ _______________________________________________________________________________________________________________ /

Aquí no hay aire

Altura de la columna de mercurio

Figura 12.5 (a)R epresentación esquemáticad eu nb arómetro dem ercurio.( b)B arómetrod e laboratorioc ientífico. E s tiem po de unir las piezas del rom pecabezas. C onform e la tem peratura de un gas aum enta, las partículas se m ueven m ás aprisa. E sta m ayor rapidez, com o lo indica la ecuación, da po r resultado un aum ento de la energía cinética de las partículas, que b o m ­ bardean las paredes del recipiente con m ayor frecuencia. C uando el bom bardeo sobre las paredes del recipiente es m ás frecuente, la presión aum enta. Si se tiene un núm ero determ inado de partículas de gas en un recipiente cerrado, la presión aum enta con la tem peratura. L as unidades de presión se definen en la sección 12.3 y en el recuadro de la página 342. (V éanse los problem as 12.1-12.14.)

Q

Presión atmosférica

L as m oléculas del aire rebotan constantem ente en las personas. E stas m oléculas son p e­ queñísim as, y por eso no se siente su im pacto individual. D e hecho, a altitudes ord in a­ rias no sentim os que las m oléculas de gas em pujen nuestro cuerpo p orque las m oléculas de gas del interior del organism o tam bién em pujan h acia afuera con la m ism a fuerza. Sin embargo, cuando la altitud cam bia con rapidez al subir en auto por una m ontaña, o al subir en un ascensor hasta el últim o piso de un edificio alto, los oídos chasquean porque hay m enos m oléculas afuera, em pujando hacia adentro, que adentro em pujando hacia afue­ ra. U na vez que se alcanza la cim a de la m ontaña o del edificio, la presión se iguala dentro y fuera del oído, y ya no se producen chasquidos. L a vida m arina del fondo del océano se ha acostum brado a vivir en un am biente donde la presión es m uy grande. Incluso quienes estam os en la superficie del planeta vi­ vim os en el fondo de un océano (de aire). Tam bién estam os habituados a vivir en un m e­ dio donde la presión — llam ada presión atm osférica— es considerable debido a este m anto de aire. L a p re sió n a tm o sfé ric a se define com o la fuerza total que las m oléculas de aire ejercen sobre cada unidad de área. E sta fuerza se debe a la atracción que la Tie­ rra ejerce sobre la colum na de aire que se extiende desde la superficie terrestre hasta las m oléculasm áse xterioresd el aa tm ósfera. L a p re sió n se define com o la fuerza que se ejerce por unidad de área. „ .„ Fuerza Presión = — -----Area L a presión de la atm ósfera se m ide por m edio de un dispositivo llam ado b a ró m e tro . El tipo m ás sencillo de baróm etro consiste en un tubo de vidrio de alrededor de 1 m de largo y cerrado por un extremo. Este tubo se llena de m ercurio y se invierte en una vasija poco

(b) Conexión con el aprendizaje Error muy extendido: En ocasiones se dice que el aire es “más delgado” a grandes altitudes, pero lo que se quiere decir en realidad es que hay menos mo lécu las por uni dad de vo lumen.

Véanse los problemas 1 2 .15 -1 2 .2 2 .

profunda que contiene m ercurio (Fig. 12.5). A l principio, parte del m ercurio sale del tubo, pero no todo, sino sólo hasta que la presión ejercida por el m ercurio que aún está dentro del tubo iguala la presión que la atm ósfera ejerce sobre la superficie del m ercurio que es­ tá en la vasija. Se podría decir que el m ercurio intenta salir por efecto de la gravedad al m ism o tiem po que la presión del aire lo em puja de nuevo hacia adentro. E n cierto punto se alcanza un equilibrio (un estado en donde am bas fuerzas están balanceadas). L a presión del aire se determ ina m idiendo la altura del m ercurio en el tubo (es d e­ cir, la diferencia entre los niveles de m ercurio dentro y fuera del tubo). E sta diferencia de altura suele expresarse en m ilím etros o pulgadas de m ercurio, p ero tam bién se empleano trasu nidadesd ep resión equivalentes. E l m ercurio es un líquido m uy denso (13.6 g/cm 3); es 13.6 veces m ás denso que el agua. E n prom edio y al nivel del m ar, un a colum na de m ercurio de 760. m m de altura ejerce sobre la superficie del líquido de la vasij a un a fuerza (por unidad de área) de igual m agnitud que la fuerza de la atm ósfera sobre la superficie del líquido. E s p o r ello que se dice que la presión atm osférica m ed ia al nivel del m ar es de 760. m m H g. E sta presión se define com o una a tm ó s fe ra (atm ), y es la que se utiliza com o patrón de refe­ rencia, por lo cual se le llam a p re sió n e s tá n d a r. A la unidad de presión m ilím e tro s de m e rc u rio (m m H g) tam bién se le llam a t o r r en honor del físico italiano del siglo x v i i E vangelista T orricelli,i nventord elb aróm etrod em ercurio. 1 atm = 760. m m Hg = 760. torr

Ley de Boyle: presión y volumen de los gases

Figura 12.6 Robert Boyle (1627-1691) nació en Irlanda. Inventó una bomba que utilizó para evacuar recipientes, y demostró que no es posible producir sonidos en el vacío. Se le recuerda especialmente por sus experimentos con los que demostró que el producto de la presión por el volumen es igual a una constante (ley de Boyle).

L a relación entre el volum en y la presión de un gas fue establecida p o r prim era vez en 1662 por el quím ico y físico irlandés R obert B oyle (Fig. 12.6). P or m edio de un ap ara­ to con un tubo en form a de J, com o el que se m uestra en la Fig. 12.7, B oyle encontró que el volum en de una m uestra de gas encerrado dism inuye conform e la presión extern aa um entac uandol at em peraturas em antienec onstante,e sd ecir,s inc am bio. C ada vez que se agrega m ás m ercurio al extrem o abierto del tubo en J (Fig. 12.7), la presión que se ejerce sobre la pequeña m uestra de gas aum enta y el volum en de la m uestra dism inuye. E n un m om ento dado, cuando se h a agregado el m ercurio suficien­ te para duplicar la presión, se encuentra que el volum en del gas se h a com prim ido a la m itad de su valor original. M ás aún, cuando se triplica la presión externa, el volum en de una m uestra de gas se red u ce a un tercio, y cuando se cuadruplica la presión, el volum en

Figura 12.7 Una forma de demostrar la ley de Boyle consiste en agregar mercurio líquido al extremo abierto de un tubo en forma de J. Conforme la presión aumenta por la adición de mercurio, el volumen de la muestra de gas encerrada disminuye. Existe una relación inversa entre la presión y el volumen; cuando uno aumenta, el otro disminuye. Gas encerrado

12.4 • Ley de Boyle: presión y volumen de los gases |

345

4 atm

Figura 12.8 Diagrama quei lustrae l efectod ed iferentes presioness obree lv olumen de un gas.

-.i o * > *» 1 L

0.5 L

0.25 L

del gas dism inuye a la cuarta parte de su valor original (Fig. 12.8). E ntre el volum en y la presión existe una relación inversa: un com ponente dism inuye cuando el otro aum enta. E n la Fig. 12.9 se m uestra una gráfica de datos experim entales de los cam bios de presión y volum en que sufre una m uestra determ inada de gas a tem peratura constante. O bserva la form a de la curva correspondiente a esta relación inversa. R obert Boyle dem ostró que la relación inversa entre la presión y el volum en se aplica a todos los gases. L a ley que expresa esta relación lleva su nom bre en su honor.

L ey d e B oyle: a tem peratura constante, el volum en, V, que ocupa un a m uestra de gas esi nversam ente proporcionala l ap resión, P.

^ 00 p -

(cont em peraturay m asac onstantes)

E l sím bolo a significa “es proporcional a” . L a expresión m atem ática de la ley de Boyle se lee “es proporcional a 1 sobre P ” . E sto significa que V es inversam ente proporcional a P . L a proporción inversa se transform a en una ecuación incluyendo un a constante de proporcionalidad, k.

Figura 12.9 Cuando la presión aumenta de 1 a 2 atmósferas, el volumen disminuye de 60 a 30 mL. Compara los volúmenes a 3 y 6 atm de pre sión.

0

1

2

3

4

Presión (atm)

5

6

7

k v

=

p

M ultiplicandoa m bosl adosp or P seo btiene PV = k É sta es una form a elegante y precisa, si bien un poco abstracta, de resum ir una gran canti­ dad de datos experimentales. Para que el producto de P por V sea una constante, V debe dis­ m inuir cuando P aum enta y viceversa. E sta ecuación resultará aún m ás útil si se considera el caso en el que una m uestra específica de gas con un volum en V1 se com prim e a un volu­ m en m ás pequeño, V2. L a presión inicial, P 1, aum enta a un nuevo valor, P 2. Para definir las condiciones iniciales y finales podem os escribir dos ecuaciones. P 1V1 = k P 2 V 2 = k2 E n tanto se utilice la m ism a m u estra de gas encerrado a un a tem peratura constante, k será igual a k2, y el producto de la presión inicial por el volum en inicial será igual al producto de la presión final por el volum en final. P or consiguiente, se puede escribir la útil ecuación siguiente, que representa la ley de Boyle. P 1V1 = P 2V2 D espejandod ee stae cuacióne lv o lum enf inals eo btiene

E s decir, cuando se m odifica la presión de u na m uestra de gas, el nuevo volum en se calcula m ultiplicando el volum en inicial p o r el cociente de los dos valores de presión. Si la presión final es m ayor que la presión inicial, el volum en debe dism inuir; por tanto, se debe m ultiplicar el volum en original p or un cociente de las presiones cuyo valor sea m e­ no r que 1: aquél en el que el num erador, P 1, es m ás p equeño que el denom inador, P 2. En cam bio, si la presión final es m enor que la presión inicial, el volum en debe aum entar y el cociente de presiones debe tener un valor m ayor que 1: aquél en el que el num erador, P 1, es m ás grande que el denom inador, P 2. Si se conocen V1 y V2, la presión final se calcula m ultiplicando la presión inicial pore lc ociented ev olúm enesa propiado.

I Conexiones con el mundo real Algu nas apli ca cio nes de la ley de Boy le son: • una bomba manual para neu máti cos. • la compresión de los cilindros de un motor. • aspirar y expirar. Cuando la caja to rácica se mueve pa ra reducir el volumen de gas en los pulmones, la presión del gas aumenta.

C on respecto a todos los cálculos que tienen que ver con la ley de Boyle, recuerda que el cociente de presiones o de volúm enes que se necesita es el que m antiene la proporcióni nversa.

U n m o d e l o d e l a l e y d e B o y le E n general, es m ás fácil com prender un principio específico si se puede pensar en un ejem plo conocido — un m odelo— que dem uestre el principio. U n a bom b a p ara n eu m á­ ticos de bicicleta dem uestra eficazm ente la ley de Boyle. C uando se reduce el volum en de gas dentro del cilindro de la bom ba em pujando el ém bolo, la presión del gas aum en­ ta (Fig. 12.10). I

Para visualizar lo que ocurre en el nivel m olecular durante un cam bio de presión y vo­ lum en en una m uestra fija de gas, piensa en los gases com o los describe la teoría cinéti­ ca m olecular. U na m uestra de gas en un recipiente ejerce cierta presión porque las partículas rebotan contra las paredes a un cierto ritm o y con una fuerza determ inada. Si se reduce el volum en del recipiente, las partículas recorrerán distancias m ás cortas an ­ tes de golpear las paredes. A dem ás, el área de las paredes dism inuye conform e el volu­ m en aum enta, por lo que cada unidad de área es golpeada p o r m ás partículas p o r unidad de tiem po. E n térm inos m ás sencillos, cuando el núm ero de golpes por segundo aum en­ tad a presiónt am biéna um enta. L os ejem plos siguientes se refieren a cálculos de la ley de Boyle. Al resolver proble­ m as relacionados con la ley de Boyle se pueden em plear cualesquiera unidades de presión y volum en que resulten apropiadas, siem pre y cuando se em pleen las m ism as unidades tanto en las condiciones iniciales com o en las finales.

E J E M P L O 12 .1

Ley de Boyle

U n cilindro de oxígeno tiene un volum en de 2.00 L. L a presión del gas es de 1470 lb/pulg2 a 20°C. ¿Q ué volum en ocupará el oxígeno a la presión atm osférica norm al (14.7 lb/pulg2), suponiendo que la tem peratura no cambia? SOLUCIÓN Prim ero,h azu nal istad el asc ondicioneso riginalesy f inales.

Inicial

Final

P 1 = 1470l b/pulg2 P 2 = 14.7l b/pulg2 V = 2.00 L V2 = ? L

L a sustitución directa de estos valores en la ecuación de la ley de Boyle es un m étodo para establecer el volum en final. También se puede em plear el m étodo de razonam iento, que es com o sigue. Se pide el volumen que resulta cuando la presión cam bia de 1470 lb/pulg2 a 14.7 lb/pulg2. Se ha reducido la presión; por tanto, el volumen debe aumentar. A nota el volum en inicial (2.00 L) y multiplícalo por una fracción com puesta de las dos presiones. Para que la fracción sea m ayor que 1 (a fin de que el volumen aumente), coloca el valor de presión m ás grande en el num erador (arriba). 1470 lb/pulg2 V~ = 2.00 L X — — r = 200. L 2 14.7 lb/pulg2

(respuesta)

E J E R C IC IO 12 .1 (a) U n tanque de helio gaseoso tiene un volum en de 12.0 L y una presión de 260. lb/pulg2. ¿Cuál sería el volumen de este gas a 1 atm (14.7 lb/pulg2)? (b) U n tanque de oxígeno tiene un votum en de 2.50 L y un a presión de 5.00 atm. ¿C uál sería el volum en de oxígeno a 1 atm?

L a com presibilidad de los gases perm ite guardar grandes cantidades de gas en un tanquepe queño.

E J E M P L O 12 .2

Ley de Boyle

U n a cápsula espacial está equipada con un tanque de aire cuyo volum en es de 0.100 m 3. E l aire está a una presión de 100. atm. D espués de una cam inata espacial, durante la

P2V2 Figura 12.10 Una sencilla bomba para neumáticos de bicicleta pone de manifiesto la ley de Boyle. Un aumento de presión de P 1 a P2 provoca una reducción del volumen de V1a V2. Existe una relación inversa entre la presión y el gas.

cual la p resión de la cabina se reduce a cero, se cierra la cabina y se llena con el aire del tanque. ¿C uál será la presión final si el volum en de la cápsula es de 12.5 m 3? SOLUCIÓN Prim ero,h azu nal istad el asc ondicioneso riginalesy f inales.

Inicial

Final

P 1 = 100. atm

P 2 = ? atm

V1 = 0.100 m3

V2 = 12.5 m3

Puesto que el volum en en el que el aire está confinado aum enta, la presión debe disminuir. A nota la presión inicial, 100. atm, y m ultiplica esta presión p o r un a fracción com puesta de los dos volúmenes. Con estos volúmenes, en m etros cúbicos, form ula un m ultiplicador que sea una fracción con un valor m enor que 1 (la presión dism inuye). 0.100 m 3 P 0 = 100. atm X ———— z- = 0.800 atm

12.5 u r

(respuesta)

R evisa tu t rabajo.E ne step roblem a, P 2 debe ser m enor que P 1. E J E R C IC IO 12 .2 Véanselos problemas 1 2 .23-1 2 .30.

(a) U n globo meteorológico está lleno de helio gaseoso. E n el suelo, donde la presión at­ m osférica es de 740. torr, el volumen del globo es de 10.0 m 3. ¿Cuál será la presión cuando el globo alcance una altitud de 5300 m , donde su volumen es de 20.0 m 3, su poniendo que la tem peratura es constante? (b) Si el globo m eteorológico a una presión de 740. torr y con un volum en de 10.0 m 3 asciende a otra altitud donde su volum en aum enta a 17.0 m 3, ¿cuál es la presión?

12.5

Ley de Charles: volumen y temperatura de los gases

E n 1787, el físico francés A. C. Charles estudió la relación entre la tem peratura y el volu­ m en de los gases. E n esa época en particular el uso de globos de aire caliente era objeto de m ucha atención en Francia, y Charles fue uno de los pioneros del ascenso en globos. Se le reconoce com o el prim ero en em plear hidrógeno gaseoso para inflar un globo desti­ nado a transportar personas. Charles, sin em bargo, hizo m ás respecto a sus aficiones que otros entusiastas de los globos: procedió a llevar a cabo investigaciones científicas rela­ cionadas con el efecto de la tem peratura en el volum en de un gas. C uando un gas se enfría a presión constante, su volum en dism inuye. C uando el gas se calienta, su volum en aum enta. L a tem peratura y el volum en son directam ente p ro ­ porcionales; es decir, aum entan o dism inuyen a la par. Sin em bargo, esta relación exige un poco m ás de reflexión. Si se calienta 1 L de gas de 100. a 200.°C a presión constan­ te, el volum en no se duplica, sino que sólo aum enta h asta aproxim adam ente 1.3 L. E sta relacióne ntree lv olum eny l at em peraturan oe st ans im plec om ou noq uisiera. ¿R ecuerdas cóm o se definieron las escalas de tem peratura? Si bien una presión de cero — no im porta qué unidades se utilicen— significa que no hay una presión por m e­ dir, y un volum en de cero significa que no hay volum en p o r m edir, una tem peratura de 0°C, com o seguram ente recordarás, es tan sólo un a m arca colocada de form a arbitraria en el term óm etro, en el p unto de congelación del agua. L a escala Celsius no term ina en este punto cero designado; se extiende en am bas direcciones p ara hacer posible la mediciónd et em peraturasm ásb ajaso m ása ltas.

Figura 12.11 Relacióne ntree l volumeny l at emperaturad elh elio gaseosoa p resiónc onstante.

L a Fig. 12.11 m uestra una gráfica de datos sim ilares a los obtenidos por Charles du­ rante sus experimentos con el efecto de la tem peratura sobre el volum en de una m uestra de gas a una presión constante. E l hecho de que los puntos de la gráfica yacen en línea recta indica que el volumen y la tem peratura del gas son directamente proporcionales. Com para esta gráfica de una relación directam ente proporcional con la gráfica de presión-volum en que m uestra una relación inversamente proporcional. L a línea que pasa por los puntos de la gráfica de la Fig. 12.11 puede extenderse hacia tem peraturas m ás bajas, incluso hasta el punto en el que el volum en del gas sea cero. A n­ tes de que un gas alcance este punto, se licua, de m odo que esto es un ejercicio sólo para la im aginación. (C uando la línea que pasa por los puntos de una gráfica se extiende m ás allá de los lím ites de los datos experim entales reales, se dice que se h a extrapolado y se m uestra en la gráfica com o una línea punteada.) A partir de la línea extrapolada de la grá­ fica de volum en-tem peratura, se puede establecer la tem peratura a la que el volum en del gas sería cero, suponiendo que el gas no se licua. E sa tem peratura es de -273.15°C ; se le conoce com o el cero absoluto, y se adoptó com o el punto cero de la escala absoluta cuan­ do las tem peraturas se m iden en kelvin (K). (Véase la sección 3.12.) Charles com paró los cam bios de volum en de una m uestra de gas con los cam bios de tem peratura en la escala absoluta. Al hacerlo, descubrió que al duplicar la tem peratura K elvin (de 100. a 200. K, po r ejem plo) tam bién se duplicaba el volum en (de 1 a 2 L, por ejem plo). H e aquí la relación sencilla que buscábam os. L a ley que enuncia esta relación se conoce com o ley de Charles.

L ey d e C h a rle s: a presión constante, el volum en que un a m uestra de gas ocupa es directam entep roporcionala s ut em peraturaK elvin. V x T

(conp resióny m asac onstantes)

L a proporción directa que se m uestra en la ley de C harles se transform a en una ecuacióna li ncluiru n ac onstanted ep roporcionalidad, k.

D ividiendoa m bosl adose n tre T seo btiene

A partir de esta ecuación se pueden escribir dos m ás, una con las condiciones iniciales V1 y T1, y la o tra con las condiciones finales V2 y T2.

I Conexión con el aprendizaje En todos los cálculos de las leyes de los gases se deben emplear temperaturas Kelvin (no °C ni °F).

C uando se trabaja con una m uestra de gas dada a presión constante, k 1 es igual a k2, y los cocientes V/T son iguales. P or tanto, se puede escribir la útil ecuación siguiente, que represental al eyd eC harles.

D espejandoe lv olum enf inal, V2, de esta ecuación se tiene: v2 = v1x ^

Figura 12.12 Cuandos e vierten itrógenol íquido( —196°C) sobre un globo, el gas encerrado en éste se enfría y el volumen disminuye, mientrasq uel ap resión permanecec onstante.E sto concuerda con la ley de Charles.

C om o aquí se indica, cuando la tem peratura de una m u estra específica de gas a presión constante cam bia, el nuevo volum en se calcula m ultiplicando el volum en inicial por el cociente de las dos tem peraturas Kelvin. R ecuerda que el volum en y la tem peratura son proporcionales: cuando la tem peratura K elvin aum enta, el volum en tam bién se in ­ crem enta, y viceversa. P or consiguiente, cuando la tem peratura aum enta se em plea el cociente de tem peraturas K elvin que es m ayor que 1, y cuando la tem peratura dism inu­ ye, el cociente de tem peraturas K elvin que es m enor que 1 . 1 Si se conocen los volúm enes inicial y final, pero se desea calcular la tem peratura final, T2, se puede m ultiplicar la tem peratura inicial por el cociente de volúmenes apropiado que m antenga la proporción directa.

R ecuerda que, en todos los cálculos relacionados con la ley de Charles, el cociente dev olúm eneso t em peraturasq ues er equieree se lq uem antienel ap roporciónd irecta.

U n m o d e lo d e la le y d e C h a r le s U n sim ple globo lleno de cualquier gas sirve com o m odelo de la ley de Charles. L a presión externa que el aire ejerce sobre el globo es constante. Cuando se calienta, el globo de gas se expande (su volumen aum enta). Cuando se enfría, el globo de gas se hace m ás pequeño (su volum en dism inuye). Al verter nitrógeno líquido ( —196°C) sobre un globo lleno de aire se dem uestra de m odo im presionante que el volumen dism inuye cuando la tem peratura dis­ m inuye (Fig. 12.12).

T e o ría d e la le y d e C h a r le s L a teoría cinética m olecular ofrece un m odelo de lo que ocurre en el nivel m olecular du­ rante un cam bio de tem peratura y volum en en un a m u estra específica de gas a presión constante. C uando se calienta un gas, se le sum inistra energía (E.C. = y- m v 2), y las p ar­ tículas de gas se m ueven con rapidez cada vez m ayor: la m asa (m ) no cam bia, pero la

velocidad (v) aum enta. E stas partículas m ás veloces golpean las paredes del recipiente con m ayor frecuencia. Para que la presión perm anezca constante, es necesario que el vo­ lum en del recipiente aum ente, y un volum en m ayor significa que las partículas disponen de m ás espacio donde m overse, por lo que les tom ará m ás tiem po viajar de una pared a otra. A dem ás, al ser m ayor el área de las paredes, los golpes por unidad de área serán m e­ nos frecuentes. Para que la presión perm anezca constante, el volum en del recipiente debe expan­ dirse sólo lo suficiente p ara com pensar la energía adicional de las partículas de gas m ás calientes. C uanto m ayor sea la tem peratura, m ayor será la rapidez de las partículas de gas y el volum en que ocupen. E J E M P L O 12.3

Ley d e Charles

U n globo que está en una habitación a una tem peratura de 27°C tiene un volum en de 2.00 L. ¿C uál se tá su volum en fu eta de la habitación, donde la tem peratura es de -2 3 °C ? (Supón que la presión no cam bia; la presión atm osférica es constante.) SOLUCIÓN P rim eroh azu nal istad e lasc ondicionesi nicialesy f inales. Inicial V1 = 2.00 L T1 = 27°C

Final

I Conexiones con el mundo real Aplicaciones de la ley de Charles: • Un globo se expande al calentarse. • Un globo se achica a medida que se enfría.

V2 = ? L T2 = —23°C

Se deben cam biar todas las tem peraturas a kelvin sum ando 273 a la tem peratura Celsius. T1 = 27 + 273 = 300. K T2 = —23 + 273 = 250. K L at em peraturad ism inuye;p ort anto, elv olum ent am biénd ebed ism inuir. V2 = 2.00 L X

250 K ' = 1.67 L 300. K

(respuesta)

E J E R C IC IO 12.3 (a) ¿C uál sería el volum en final del globo del ejem plo anterior si se m idiese a una tem ­ peratura de 47°C ? (Supón que la p resión no cam bia.)

Véanse los problemas 1 2.3 1 -1 2.3 8.

(b) U n globo con un volum en de 6.25 L a 20.°C, se enfrió y su volum en dism inuyó a 5.44 L. ¿C uál fue la tem peratura C elsius final?

Ley de Gay-Lussac: presión y temperatura de los gases A proxim adam ente en la m ism a época en que C harles realizaba experim entos con la tem ­ peratura y el volum en de los gases, el quím ico francés Joseph G ay-L ussac (1778-1823) investigaba la relación entre la presión y la tem peratura de los gases. I L a ley que enun­ cia esta relación se conoce com o ley de G ay-Lussac.

L ey d e G a y -L u ssac : a volum en constante, la presión que ejerce una m u estra esp ecí­ fica deg ase sd irectam entep roporcionala s ut em peraturaK elvin. (conv olum eny m asac onstantes)

I Conexión con el aprendizaje Gay-Lussac realizó varias ascensiones en globos más ligeros que el aire. En 1804 ascendió hasta una altitud de 6 900 m, con lo que estableció una marca que se mantuvo durante varias décadas.

L a proporción directa que aparece en la ley de G ay-L ussac tam bién se puede escribir com os igue. P = kT D ividiendoa m bosl adose n tre T seo btiene

A hora se puede escribir, con respecto a un volum en y m asa constantes de un gas, la ecuación siguiente, que relacio n a las condiciones iniciales, P 1 y Tl con las condiciones finales, P 2 y T2. P or consiguiente, la ley de G ay-L ussac se puede escribir com o sigue.

C uando un gas con cierta presión inicial, P 1, sufre un cam bio de tem peratura de T1 a T2, la nueva presión, P 2, se calcula m ultiplicando la presión inicial, P 1, por el cociente de las tem ­ peraturas Kelvin. L a presión y la tem peratura son directam ente proporcionales; por tanto, la presión aum enta cuando la tem peratura Kelvin aum enta, y viceversa.

p2= p1*Y1 T2

Tam bién, m ultiplicando la tem peratura K elvin dada por el cociente de presión apropiadan osp erm itec alcularl at em peraturar equeridac uandoe lv olum ene sc onstante.

E n todos los cálculos relacionados con la ley de G ay-L ussac, el cociente de presiones o det em peraturasK elvinq ues er equieree se lq uem antienel ap roporciónd irecta. Se puede construir un dispositivo para m edir presiones a diversas tem peraturas aco ­ plando un m anóm etro a un recipiente rígido cerrado. E ste dispositivo se puede colocar en un horno o sum ergir en líquidos a diversas tem peraturas p ara obtener datos en una am ­ p lia variedad de condiciones. L uego de registrar y graficar los datos, se puede trazar una línea recta que pasa por los puntos de la gráfica. Si se extiende (extrapola) esta línea, se puede establecer la tem peratura que corresponde a una presión de cero. E sta tem peratu­ ra, conocida com o el cero absoluto, es de -2 7 3 ° C , el m ism o valor que se obtuvo m e­ diante la gráfica de la ley de Charles del volum en y la tem peratura de un gas.

U n m o d e lo d e la le y d e G a y -L u s s a c I Conexiones con el mundo real Aplicaciones de la ley de Gay-Lussac: • Calentamiento de una lata a presión de fijador para el cabello. • Ca lenta miento de una lata de comida sin abrir. • Palomitas de maíz que se inflan. • Fluctuaciones de presión en los neu máti cos de auto móvil con los cambios apreciables de temperatura.

Por todas partes hay ejem plos que ilustran la ley de G ay-L ussac. B asta con exam inar una lata a presión de pintura, fijador p ara el cabello, lim piador o cualquier otro p ro d u c­ to que se venda en este tipo de envase. E l aviso de P recaución típico que llevan estos productos dice m ás o m enos así: C ontenidoa p resión.N os ei ncineree lr ecipiente. N os ee xpongaa lc alorn is ea lm acenea t em peraturasm ayoresd e5 0°C. L a razón de estos avisos de precaución es la relación entre la tem peratura y la presión, según la describe la ley de G ay-L ussac. I

D ebido a que un aum ento de tem peratura provoca un aum ento de presión en una m u estra de gas a volum en constante, puede ocurrir una explosión si se calienta un rec i­ p iente cerrado, especialm ente si éste ya se encuentra a un a presión considerable a tem ­ p eratura am biente. E ste m ism o principio es el que aprende un n iño explorador a quien se le indica que debe practicar un orificio en la tapa de una lata de com ida antes de p o ­ n erla a calentar directam ente sobre una fogata. Tam bién en este caso la presión el gas encerradoe nl al ataa um entac onl at em peratura( Fig.1 2.13).

T e o ría d e la le y d e G a y -L u s s a c U na vez más, la teoría cinética molecular nos ofrece un modelo de lo que ocurre en el nivel molecular durante el calentamiento de una cantidad específica de gas con volumen constante. A m edida que la temperatura aum enta a volumen constante, la energía cinética m edia de las partículas aum enta y las moléculas se mueven con m ás rapidez. Estas partículas en rápido movimiento bombardean las paredes del recipiente con m ás frecuencia y m ayor fuerza. Por consiguiente, la presión, que es la fuerza por unidad de área, aum enta con la temperatura cuando el volumen permanece constante.

E J E M P L O 12.4

Ley d e Gay-Lussac

U n a lata de 17 oz de fijador en aerosol, cuya presión interna es de 850. torr a 21°C, se arroja al fuego, que tiene una tem peratura de 450.°C . ¿Q ué presión se alcanzará si la lata no explota a esa tem peratura? SOLUCIÓN Prim ero,h azu nal istad el asc ondicionesi nicialesy f inales.

Inicial

Final

v. = 17 oz. Pi = 850. torr Ti = 21°C

V = 17 oz. (no cambia) P , = 850. torr T2 = 450. °C

E s necesario expresar todas las temperaturas en kelvin. Sum a 273 a la tem peratura Celsius. T1 = 21 + 273 = 294 K T2 = -4 5 0 . + 273 = 723 K C om ol at em peraturaa um enta,t am biénl ap resiónd ebea umentar.

Contenido a presión. No se incinere el recipiente. No se exponga al calor ni se guarde a temperaturas superiores a 50 °C.

Conexión con el aprendizaje No olvides convertir todas las temperaturas a kelvin al efectuar cálculos de las leyes de los gases en los que intervengan temperaturas.

Figura 12.13 Una lata a presión de f jadorp arae lc abelloo d el impiador (a)t ieneu nv olumenc onstante. La presión aumenta con la temperatura. Si se calienta la lata, ésta puede estallaro r eventar.( b)S ed ebe perforar o abrir una lata de comida antesd e( c)c alentarlad irectamente sobreu naf ogata.E stose jemplos ilustran la ley de Gay-Lussac; lap resióny l at emperaturas on directamente proporcionales.

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO T an q u e s d e g as p a ra b u c e o p ro fu n d o En el buceo podemos encontrar una aplicación de la Ley de Dal­ ton de las presiones parciales. La densidad del agua de mar es alrededor de 1.03 g/mL. La presión ejercida por una columna de 10 m de agua de mar es equivalente a 2 atm (presión hidrostática). Desde luego, conforme aumenta la profundidad, también se incrementa la presión. Esto significa que la presión parcial del oxígeno es el doble que la presión superficial (la pre­ sión a nivel del mar es de 1 atm, o sea, alrededor de 0.4 atm). De forma similar, la presión parcial de N2, de 0.8 atm en la superfi­ cie se duplica hasta cerca de 1.6 atm a una profundidad de 10 m. El aire está compuesto por nitrógeno (78.03%), oxígeno (20.99%) y otros gases (0.98%). Así, al aplicar la Ley de las pre­ siones parciales de Dalton, la presión del oxígeno está dada por: Po 2 = X02PT =

n On no 2 + nN2

Por lo tanto, la composición del aire es aproximadamente 20% de oxígeno gaseoso y 80% de nitrógeno gaseoso por volumen. Cuando un buzo baja a una profundidad en que la presión es de 2 atm (presión total), el contenido de oxígeno en el aire debe re­ ducirse, porque la presión parcial del oxígeno aumenta y se altera el equilibrio de los gases de la sangre, dando lugar a una intoxi­ cación por oxígeno (hiperoxia). ¿En qué medida? Hagamos el siguiente cálculo. Vo 2 =

Po 2(Vo 2+ V n 2)

0.2 atm (1 )

Pt

2 atm

Es decir, se debe reducir a 10%, por ello en los tanques de aire para buzos se diluye el oxígeno gaseoso.

Pt

donde PT es la presión total. La presión parcial del oxígeno es 0.20 atm, cuando la presión total es igual a 1 atm. Sabemos que el volumen es directamente proporcional al número de moles de gas presente (a temperatura y presión constantes, de acuerdo con lo establecido por Gay Lussac). Por ello, podemos escribir: Po

=0.10

Los buzos usan tanques con mezclas de gases. Algunas pueden ser: oxígeno y helio (Heliox) o helio, oxígeno y nitrógeno (Trimix).

V02 V o 2 +V n 2

P 2 = 850. torr X

723 K 294 K.

= 2.09 X 103 torr (respuesta)

E J E R C IC IO 12 .4 (a) E n los incendios de casas a veces se rom pen las bom billas eléctricas. Si el argón gaseoso de una bom billa eléctrica tiene una presión de 1.00 atm a 15°C, ¿cuál se­ rá la presión (en atm ) en la b o m billa a 480.°C , si ésta no se rom pe? (b) U n grano de m aíz para palom itas a 20.0°C y a una presión de 1 atm se calentó hasta 220.°C antes de reventar. ¿Cuál era la presión dentro del grano a esta temperatura? L a presión de aire de un neum ático de autom óvil está relacionada con su tem pera­ tura, com o lo describe la ley de G ay-L ussac. Si se supone qu e el volum en de aire del neum ático perm anece constante, un aum ento de tem peratura debe dar p o r resultado un aum ento de presión. E stas presiones se pueden m edir con un sencillo m anóm etro para neum áticos, pero la presión m anom étrica m ide únicam ente la diferencia entre la presión interna y la externa (atm osférica). P or tanto, la presión real en lb/pulg2 (libras p o r p u l­ g ada cuadrada) es igual a la presión m anom étrica m ás 14.7 lb/pulg2. N o olvides realizar este ajuste de la presión al trabajar con problem as en los que intervengan m ediciones con m anóm etrod el ap resiónd en eum áticos. E J E M P L O 12.5

Presiones manom étricas d e neumáticos

A ntes de hacer un viaje, un neum ático de autom óvil tenía una presión m anom étrica de 32.0 lb/pulg2 a 20.°C. Se revisó la presión después de varias horas de recorrido. L a nueva presión m anom étrica fue de 36.0 lb/pulg2. ¿C uál era la tem peratura del aire de este neu ­ mático, en °C?

SOLUCIÓN Prim ero,h azu nal istad el asc ondicionesi nicialesy f inales. I Inicial

Final

P1 = 32.0 + 14.7 = 46.7l b/pulg2 P 2 = 36.0 + 14.7 = 50.7l b/pulg2 T1 = 20. + 273 = 293 K

I Conexión con el aprendizaje No olvides sumar 14.7 lb/pulg2 (o un equivalente de una presión de 1 atm) a las presiones manométricas, tanto iniciales como finales, de los neumáticos.

T2 = ? °C

A dvertencia: Los m anóm etros para neum ático m iden la diferencia entre las presiones dentro y fuera del neum ático. D ebes sum ar la presión atm osférica (14.7) a la presión m anom étrica de un neum ático p ara obtener la presión total que se m u estra en la tabla de valores. M ultiplica la tem peratura inicial (en kelvin) por el cociente de presiones que dé p o rr esultadou n a um entod et em peratura. 50.7 lb/pulg:.2 ^2 = 293 K x 46 7 lb/pulg2 = 3 18 K

T2 = 318 K - 273 = 45°C

(respuestav álidaa d osc ifrass ignificativas)

E J E R C IC IO 12 .5 (a) Si la presión m anom étrica de un neum ático es de 32.0 lb/pulg2, ¿cuál es la presión real? (b) Si m ás tarde se encontró que la presión m anom étrica del neum ático del ejem plo 12.5 era de 34.0 lb/pulg2, ¿cuál era la tem peratura del aire en el neum ático?

Temperatura y presión normales D ebido a que el volum en de un gas depende tanto de la presión com o de la temperatura, el volum en pequeño de un gas a baja tem peratura y alta presión puede tener la m ism a m asa que un volum en grande del m ism o gas a una tem peratura m ás alta y a una presión m ás b a­ ja. Por consiguiente, para com parar los volúmenes de dos m uestras gaseosas, es necesario que am bas estén en las m ism as condiciones. Las condiciones que se tom an com o referen­ cia se conocen com o condiciones es tá n d a r. L a tem peratura estándar es, por definición, de 273 K (0°C). L a presión estándar se define com o 1 atm (760. torr). En conjunto, se hace re­ ferencia a estas condiciones com o te m p e r a tu ra y p resió n e stá n d a r (o T PE ).

E J E M P L O 12 .6

TPE

Indica el valor apropiado en cada una de las unidades siguientes a TPE. (a) presióne n a tm ósferas (b) presióne nl b/pulg2 (c) tem peraturae n k elvin SOLUCIÓN C ada presión debe ser equivalente a 1 atm, la presión estándar. Cada tem pe­ ratura debe ser equivalente a 273 K, la tem peratura estándar . (a) 1 atm

(b) 14.7lb /pulg 2

(c) 273 K

E J E R C IC IO 12.6 Indicae lv alora p ropiadoe nc adac asoa TPE. (a) presión en torr (b) tem peraturae ng radosC elsius

Véansel os problemas 1 2 .39-1 2 .4 4 .

C on respecto a cada ley de los gases que se h a descrito en este capítulo, se m antuvo cons­ tante la presión, el volum en o la tem peratura, ju n to con la cantidad de gas, pero en m u ­ chas situaciones reales esto no resulta práctico. E n el caso de una m uestra específica de un gas, es posible relacionar las variaciones de los valores iniciales y finales de presión, volu­ m en y tem peratura m ediante una sola ecuación. L a ecuación que sigue com bina todas las variables representadas en la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de G ay-Lussac; se le conoce com o la ley c o m b in a d a d e los gases.

L ey combinada d: bs gises:

I Conexión con el aprendizaje Siempre que un problema indique más de una Pv V o Tv comienza elaborando una lista de valores iniciales y finales. El problema se resuelve mediante la ley combinada de los gases, o se reducirá a la ley de Boyle, de Charles o de Gay-Lussac si un valor es constante.

PiVt

T — 11

p 2v 2 T

2

E n esta ecuación se representan seis variables diferentes. E n tanto se conozcan cin ­ co de las seis variables, se podrá determ inar la cantidad faltante despejándola de la ecua­ ción. A dvierte que cuando las tem peraturas T1 y T2 son iguales (constantes), se elim inan de la ecuación, con lo cual ésta se reduce a la ley de Boyle. C uando las presiones P 1 y P 2 son iguales, se elim inan de la ecuación y ésta se reduce a la ley de Charles. Finalmente, cuando los volúm enes V1 y V2 son iguales, se eliminan de la ecuación y lo que resta es la ley de Gay-Lussac. D e este m odo, cuando se trata de una muestra específica de un gas, cuya m asa o núm ero de m oles no cambia, la ecuación de la ley com binada de los gases perm ite calcular cualquiera de las seis variables si los otros cinco valores se conocen o se m antie­ nen constantes. I Si es el volum en final, V2, lo que es preciso establecer, se puede despejar V2 de la ecuación, com o aquí se m uestra, y sustituir los valores conocidos en la ecuación.

E xiste otra opción. E n vez de em plear el m étodo de la ecuación de la ley com binada de los gases para determ inar la presión, volum en o tem peratura desconocida, se puede aplicar una estrategia de razonam iento en dos pasos. Inicia con el volum en conocido, V 1, y m ultiplícalo por el cociente de presiones apropiado y tam bién p o r el cociente de tem ­ peraturas correspondiente. Ten presentes las proporciones inversas y directas del caso. Ya sea que se aplique esta estrategia de razonam iento, o que se despeje V2 de la ecuación de la ley com binada de los gases, se llegará a la m ism a ecuación final de v 2.

E J E M P L O 12.7

Ley combinada d e los gases

U n globo está lleno de helio cuando está en el suelo, a 22°C y a una presión de 740. torr. E n estas condiciones su volum en es de 10.0 m 3. ¿C uál sería su volum en (en m etros cú ­ bicos) a una altitud de 5300 m, donde la presión es de 370. torr y la tem peratura es de -2 3 °C ?

SOLUCIÓN Prim ero,h azu nal istad el asc ondicionesi nicialesy f inales. Inicial

Final

P1 = 740. torr V1 = 10.0 m3 T 1 = 22 + 273 = 295 K

P 2 = 370. torr V = ? m3 T2 = - 2 3 + 273 = 250 K

A plica la estrategia de razonam iento: com ienza con el volum en inicial y m ultiplícalo p o r el cociente de presiones. (La presión dism inuye; el cociente debe dar lugar a un au ­ m ento de volum en.) P lantea esta parte del problem a, pero no efectúes aún los cálculos. V, = 10.0 m 3 X t01T 2 370. to rr

(incom pleto) v y '

A hora m ultiplica por un cociente de las tem peraturas Kelvin. ¿C óm o influirá la dism inu­ ción de la tem peratura en el volum en inicial? Puesto que el volum en y la tem peratura son directam ente proporcionales, el cociente de tem peraturas debe dar lugar a una reducción del volumen.

y 2 = 10.0 2

370. torr C ociente de presión

295 K

= 16.9 m>

(respuesta) 1

C ociente de tem peratura

E l orden en el que utilices los cocientes de presiones y de tem peraturas no es im portan­ te. Tam bién podrías sustituir los valores apropiados en la ecuación de la ley com binada de los gases P f t _ P 2V2 T T 1l 12 yd espejar V2. E J E R C IC IO 12.7 (a) ¿C uál es el volum en a TPE de una m uestra de helio que tiene un volum en de 4.50 L a 21°C y a una presión de 744 torr?

Véansel os problemas 12.4 5-1 2 .50.

(b) ¿Q ué volum en de O 2 gaseoso a TPE puede obtenerse de un tanque de 2.00 L de O 2 a una p resión de 5.50 atm y a 25°C?

Ley de Avogadro: volumen y moles de gases E n la ley de Boyle, la ley de Charles, la ley de G ay-L ussac y la ley com binada de los g a­ ses se han m anejado variaciones de presión, volum en y tem peratura, pero en todos los casos se tenía una m uestra determ inada de un gas. ¿Q ué ocurre, em pero, si se m odifica la cantidad de gas, esto es, el núm ero de m oléculas o de m oles de gas? C uando introdu­ ces aire en un globo, éste se expande. A ún m ás, los experim entos a tem peratura y p re ­ sión constantes m uestran que, cuando el núm ero de m oles de gas (o de m oléculas de gas) se duplica, el volum en de gas tam bién se duplica. O bservaciones sencillas com o ésta llevaron al quím ico italiano A m adeo A vogadro (1776-1856) a proponer un a im p o r­ tante hipótesise n1 811. I H ip ó te sis d e A vogadro: volúm enes iguales de gases a la m ism a presión y tem peraturac ontieneni gualn úm erod em oléculas.

Por consiguiente, cuando se duplica el volum en de un gas, tam bién debe duplicarse el núm ero de m oléculas o m oles del gas si la tem peratura y la presión son constantes. L a hipótesis de A vogadro conduce a una relación m atem ática, la ley de Avogadro, que rela­ ciona el volum en de gas y los m oles. L ey d e A vogadro: el volum en de un gas a tem peratura y presión constantes es prop orcionala ln úm erod em oles( n) del gas.

I Conexión con el aprendizaje Avogadro fue el primero en sugerir que ciertos elementos, como el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno, estaban constituidos por moléculas diatómicas, es decir, por moléculas que contienen dos áto mos ca da una.

C uando el núm ero de m oles de gas, n1, con un volum en inicial, V1, cam bia a una cantidad diferente, n2, a tem peratura y presión constantes, se puede establecer el volum en final, V2, aplicando la ley de Avogadro, que se escribe com o sigue.

E l ejem plo siguiente ilustra la aplicación de la ley de Avogadro. E J E M P L O 12 .8

Ley d e Avogadro

A cierta presión y tem peratura, un trozo de 21.0 g de hielo seco ( C 0 2 sólido) sublim a to­ talmente, es decir, se transform a directam ente en gas. E l C 0 2 gaseoso ocupa un volumen de 11.5 L. ¿C uál sería el volum en de 1.00 m ol del gas a presión y tem peratura constantes? SOLUCIÓN P rim ero,c onviertel ac antidadi n iciald e C 0 2, 21.0 g, a m oles. 1 m ol C O , 21.0

g C 0 2 X /|/| q

g

= 0.477 m ol C 0 2

A c ontinuación,h azu nal istad el asc ondicioneso riginalesy f inales. Inicial

Final

n1 = 0.477 mol V1 = 11.5 L

n2 = 1.00 mol V2 = ? L

A plicandol al eyd e A vogadroy d espejando V2 se tiene que 1.00 m ol V 2 = 1LS L X 0.477 m o l = 24A L

(resPuesta)

E J E R C IC IO 12.8 Véanse los problemas 1 2 .5 1 -1 2 .56.

(a) Si 0.222 m ol de un gas ocupa un volum en de 5.13 L, ¿cuántos m oles h ab ría en una m uestra de gas cuyo volum en es de 7.47 L a la m ism a presión y tem peratura? (b) U n m ol de gas a TPE tiene un volum en de 22.4 L. ¿C uántos m oles del gas hay en un recipiente de 3.00 L a TPE?

^2.10 Volumen molar y densidad de gases a TPE

I Conexión con el aprendizaje Advierte que el término de densidad se ha invertido en los cálculos que aquí se muestran, a fin de poner litros en el numerador y gramos en el denominador. Los gramos se eliminan al multiplicar.

Por lo regular, la densidad de los gases se inform a en las publicaciones en gramos por litro a TPE. Recuerda (Sec. 9.5) que hay 6.022 X 1023 m oléculas en un m ol de cualquier sustan­ cia química, ya sea sólida, líquida o gaseosa. Recuerda adem ás que la m asa de un m ol (la m asa molar) de gas es el peso form ular expresado en gramos. Si partim os de la m asa m olar (gramos por m ol) y em pleam os la densidad del gas a TPE (gramos por litro) com o factor de conversión, podem os averiguar cuántos litros ocupa un m ol del gas a TPE. Por ejemplo, la m asa m olar del nitrógeno gaseoso es de 28.0 g/mol, y su densidad a TPE es de 1.25 g/L. I Su volumen m olar resulta ser

28.0 g m ol

1L X — ^— = 22.4 L /m ol p ara el nitrógeno a T PE 1.25 g

E n el caso del oxígeno, la densidad a TPE es de 1.43 g/L y la m asa m olar es de 32.0 g/mol. Su volum en m olar es 32.0 g mol

X

1L = 22.4 L/mol para el oxígeno a TPE

D e hecho, el volum en que ocupa un m ol de cual q uier gas a T PE se aproxim a m ucho a 22.4 L. L as investigaciones en el laboratorio tam bién confirm an este valor. P or consi­ guiente, 22.4 L es lo que se conoce com o el v o lu m e n m o la r de un gas a TPE. U na com paración burda sería la siguiente. L a caja en la que una p elota de balonces­ to cabe holgadam ente tiene un volum en cercano a los 22.4 L (Fig. 12.14). Para ser m ás precisos, la caja debe tener 28.2 cm p o r lado p ara tener un volum en total de 22.4 L (Fig. 12.15). N o im porta qué gas se utilice, un m ol del gas ocupa el m ism o volum en que un m o l de cualquier otro gas en las m ism as condiciones. H em os llegado así a la constante siguiente, que es de gran utilidad.

Figura 12.14 El volumen de un mol de gas (el volumen molar) es de 22.4 L a TPE para todos los gases.U nap elotad eb aloncestoc abe holgadamented entrod eu nac aja que tenga este volumen.

E l volum en m olar de cualquier gas a T PE es de 22.4 L/m ol.

Si se parte de la m asa m olar (gram os po r m ol) y se em plea el volum en de un m ol (el volum en m olar) com o factor de conversión, se puede calcular la densidad de cu al­ q uier gas a TPE, com o se m uestra en el ejem plo.

E J E M P L O 12.9

Densidad de los gases a TPE

C alculal ad ensidad delm etanog aseoso,C H4, a TPE. SOLUCIÓN Parte de la m asa m olar del m etano (16.0 g/mol) y utiliza el volum en m olar (22.4 L/m ol) com o factor de conversión para calcular la densidad del gas a TPE. 16.0 g m ol

1 mol X 22.4 L

= 0.714 g/L (densidad a TPE)

E J E R C IC IO 12.9 Véansel os problemas 1 2 .57-1 2 .66.

(a) C alculal ad ensidad delc lorog aseoso,C l2, a TPE. (b) C alculal ad ensidadd elh eliog aseosoa TPE.

Figura 12.15 Elv olumenm olard e cualquier gas a TPE es de 22.4 L.

T E

o C\J CO C\J

22.4 L/mol Volumen molar a TPE

* -« -2 8 .2 c m -» -|

1 mol 2.0 g H2 = 22.4 L a TPE 4.0 g He = 22.4 L a TPE 17.0 g NH3 = 22.4 L a TPE

Un volumen de 22.4 L = 5.92 gal es aproximadamente igual al volumen de una cubeta de pintura de 5 gal más casi un galón adicional. 1 mol 32.0 g 0 2 = 22.4 L a TPE 71.0 g Cl2 = 2 2 .4 L a TPE 222.0 g Rn = 22.4 L a TPE

E l ejem plo resuelto m uestra que la densidad de cualquier gas a TPE se obtiene m ulti­ plicando la m asa m olar por un valor constante (1 m ol/22.4 L). L a conclusión es que la m a­ sa m olar es proporcional a la densidad del gas. Así, un gas de m asa m olar grande — com o el cloro— tendrá una m ayor densidad, y un gas de m asa m olar pequeña — com o el h e­ lio— tendrá m enor densidad.

Ley del gas ideal C on respecto a una cantidad determ inada de un gas, donde la presión, el volum en y la tem peratura son las únicas variables, es posible calcular la cantidad en gram os o m oles, o la m asa m olar de la m uestra de gas. R egresem os a las leyes básicas de los gases. L a ley de B oyle establece que P V = k, donde k es un a constante p ara un a m asa y una tem ­ peratura constantes. A sim ism o, con b ase en la ley com binada de los gases se puede escribirl os iguiente: PV —=r = k

(para u n a m asa fija d e u n gas)

U na vez m ás, se tiene un a constante, k , p ara una m uestra determ inada de gas. Pero si se m antienen constantes la presión y la tem peratura m ientras se introduce o tra cantidad igual de m oléculas, el volum en (lado izquierdo) deberá duplicarse, al igual que el valor del lado derecho de la ecuación; se necesita un m ultiplicador en el lado derecho de la ecuación. Sabem os, po r la ley de A vogadro, que el volum en del gas, V, es proporcional al núm erod em oles, n,d eg asa p resióny t em peraturac onstantes. V & n o V = kn (presióny t em peraturac onstantes) E l m ultiplicador que se necesita en el lado derecho de la ecuación previa (P V /T = k) es n , que representa el núm ero de m oles. D e este m odo, cuando el volum en se duplica en el lado izquierdo, en el lado derecho el núm ero de m oléculas tam bién se duplica. A hora se puede escribir de nuevo la ecuación con n en el lado derecho ju n to con la co n sta n te u n i­ v ersa l d e los gases, R, en lugar de k.

E sta ecuación se conoce com o la ley d el gas id eal, y habitualm ente se escribe en form a lineal. L ey del gas ideal:

P V = nRT

E sta ecuación perm ite calcular el núm ero de m oles, n, cuando se conocen P , V y T, pero tam bién es preciso conocer el valor de R, la constante de los gases. Podríam os sim ple­ m ente indicarte el valor de R, pero lo entenderás m ejor si te m ostram os cóm o se puede establecer este valor. Prim ero, reorganiza la ecuación para despejar R, y luego utiliza los valores correspondientes a un m ol de gas a T PE que y a conoces, com o sigue. R =

PV nT 1 atm X 22.4 L 1 m ol X 273 K

I Conexión con el aprendizaje El valor de R se lee como 0.0821 litros-atmósferas por mol-kelvin.

(Se em plean los valores conocidos que corresponden a 1 m ol de gas a TPE.)

(L-atm s ignifical itros X atm, y m ol-K , m oles X K .) I

A hora que disponem os de un valor de R, podem os em plear la ecuación p ara calcular P, V, T o n de cualquier m uestra específica de un gas en un conjunto determ inado de co n ­ diciones. E sta ecuación es m uy útil, pero existen lim itaciones: los cálculos deben basarse en el supuesto de que se trata de un gas ideal. Se define un gas id eal com o un gas que se ajusta a la perfección a la ley del gas ideal — y a las dem ás leyes de los gases— en todas las condiciones. Los gases reales (los que existen en la realidad) no se ajustan a la perfección a estas leyes de los gases porque se com ponen de m oléculas que tienen un volumen y tam bién pequeñas fuerzas de atracción que no están consideradas en las ecuaciones. L a desviación respecto a las condiciones ideales es m uy apreciable a altas presiones o a temperaturas m uy bajas, cuando las m oléculas están próxim as unas de otras. En estas condiciones, las atracciones moleculares aum entan y el volum en de las m oléculas llega a ser una fracción importante del volumen total. Sin em bargo, a las presiones ordinarias la ley del gas ideal resulta ade­ cuada para la m ayor parte de los cálculos.

E J E M P L O 1 2 .1 0

Ley del gas ideal

C alcula el volum en que ocupa 1.00 m ol de nitrógeno gaseoso a 25°C y a un a presión de 1.00 atm. SOLUCIÓN D espeja V de la ecuación de la ley del gas ideal (PV = n R T ) y sustituye los valoresa p ropiadose nl an uevae cuación. V =

P

o, descom puesta en factores:

V = — X RX T P

1.00 n tó l 0.0821 L-atrn T;r n i. T V = ------------ X -------------------- X 298 K = 24.5 L 1.00 a tm m ol-K

, . (respuesta) ^ v '

A dvierte que se elim inan todas las unidades salvo los litros. L a respuesta es un volum en en litros. Q uizá las unidades de la constante de los gases, R, parezcan complejas, pero ello es necesario para que todas las unidades se elim inen com o es debido. E J E R C IC IO 1 2 .1 0 (a) ¿C uántos m oles de gas com prim ido hay en un cilindro que contiene 20.0 L de un gas a 25°C y a una presión de 97.3 atm? (b) ¿C uál es la p resión en un tanque de 20.0 L que contiene 6.00 m ol de oxígeno g a­ seoso com prim ido, si el tanque se encuentra en m edio de un incendio a una tem pe­ ratura de 800.°C?

L os cálculos del ejem plo 12.10 m uestran que un m ol de nitrógeno (o de cualquier gas) tiene un volum en de 24.5 L a 25°C y 1 atm . E n otras palabras, el volum en m olar de un gas a 25°C y 1 atm es de 24.5 L. Puesto que el volum en m o lar de cualquier gas a T PE es de 22.4 L, se h a dem ostrado una vez m ás que un gas a u na tem peratura m ás al­ tad ebeo cuparu nv olum enm ayors il osd em ásf actoress em antienenc onstantes. L a ley del gas ideal se puede aplicar a m ás situaciones si se lleva a cabo una sustitu­ ción del núm ero de m oles, n . Cuando se divide la cantidad en gram os de una sustancia, g , entre su m asa molar, M m, se tiene el núm ero de m oles, n.

n

Masa en gramos Gramos/mol

Masa en gramos Masa molar

g M„m

Sus ti tu yen do n por g/Mm en la ley del gas ideal se obtiene p v

= S ~ RT

ob ien, escritac om oe cuaciónl ineal, M mPV = g R T C on esta ecuación de la ley del gas ideal m odificada se puede calcular la m asa m olar, M mv, la presión, P , el volum en, V, los gram os, g, o la tem peratura, T, de cualquier m u es­ tra de gas si se eligen todas las unidades correctam ente de m odo que se elim inen con las unidades de la constante de los gases, R .

E J E M P L O 1 2 .1 1

Uso d e la ley de los gases ideales modificada

Se dejó calentar a tem peratura am biente una cantidad de 10.0 g de nitrógeno líquido. ¿Qué volum en ocupará el nitrógeno gaseoso a 20.°C y 1 atm? SOLUCIÓN D espeja V de la ecuación de la ley de los gases ideales m odificada. gRT

v= M P

g

T

= iMr . XR x p

A continuación, sustituye los valores en la ecuación. L a m asa m olar del nitrógeno g a­ seoso es de 28.0 g/m ol, y la tem peratura de 20.°C equivale a 293 K.

* =

28.0 g/m ül

X

m ol-K

X

1 atiñ

= 8 .5 9 L

(respuesta)

E J E R C IC IO 1 2 .1 1 Véanse los problemas 1 2 .67-12.7 4 .

(a) ¿C uál es la presión (en atm ) de u na m u estra de 10.0 g de nitrógeno gaseoso que está en un recipiente rígido de 2.00 L a 22.0°C? (b) C alcula la m asa m o lar de un líquido cuyo vapor llenó un m atraz de 250. m L a 100.°C y a una p resión de 1 atm. L a m asa del vapor era de 0.4898 g.

Ley de Dalton de las presiones parciales

I Conexión médica Los médi cos ha cen ana lizar ruti na ria mente los gases de la sangre de sus pa cientes en el labo rato rio del hospital. Los valores se informan como presiones parciales, P, en mm Hg (torr). Gas

Intervalo normal

P CO2 P O2

35-45 mm Hg 80-100 m m Hg

Es de esperar que las personas que fu man mucho tengan pre sio nes parciales bajas de O2 y altas de CO2.

A John D alton se le conoce sobre todo por su teoría atóm ica (Sec. 4.7), pero su am plia gam a de intereses incluía tam bién el cam po de la m eteorología. E n sus intentos por com prender el clim a, hizo experim entos con el vapor de agua del aire. D alton encontró que, cuando agregaba vapor de agua al aire seco, la presión que el aire ejercía aum enta­ b a en una cantidad igual a la presión del vapor de agua. D espués de num erosas investi­ gaciones, D alton concluyó que cada uno de los gases de u na m ezcla se com porta de form a independiente respecto a los otros gases. C ada gas ejerce su p ropia presión. L a presión total de la m ezcla es igual a la sum a de las p resio n e s p a rc ia le s que los gases in ­ dividuales ejercen (Fig. 12.16). E sto se conoce com o la ley d e D a lto n d e las p resio n es p a rc ia le s,q uee n térm inosm atem áticoss ee xpresac om os igue. P total = P 1 + P 2 + P 3 + • • • donde los térm inos del lado derecho se refieren a la presión parcial de cada uno de los gases. I Los gases com o el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno se com ponen de m oléculas no polares que son poco solubles en agua; este hecho perm ite recogerlos sobre agua m ediante una técnica conocida com o desplazam iento de agua (Fig. 12.17). D e los gases recogidos

P= 0.1 atm

P= 0.7 atm

+ Ng P = 0.8 atm

Figura 12.16 La ley de Dalton de lasp resionesp arcialesa firmaq uel a presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de lasp resionesp arcialese jercidasp or cada uno de los gases.

de esta m anera se dice que están “húm edos”, pues contienen vapor de agua. L a presión to­ tal en el recipiente de recolector es igual a la sum a de la presión del gas que se recoge más la presión del vapor de agua. E n form a matem ática. Ptotal

P gasr ecogido

P vapor de agua

L a p re sió n d e v a p o r de una sustancia es la presión parcial que ejercen las m o lécu ­ las de la sustancia que están en la fase gaseosa, sobre la fase líquida de la sustancia. L a presión de vapor del ag u a depende de la tem peratura de ésta; la cantidad de ag u a líq u i­ d a no im porta. C uanto m ás caliente está el agua, tanto m ayor es su presión de vapor. Si se conoce la tem peratura del agua, su presión de vapor correcta se puede encontrar en u n a tabla de presiones de vapor (Tabla 12.2). L a presión parcial del gas que se recoge se obtiene restando la presión de vapor del agua de la presión interna total del recipiente recolector. 1P gasr ecogido = 1P total

E J E M P L O 1 2 .12

P vapor de agua

Presiones parciales

Se recoge oxígeno gaseoso sobre agua a 20.°C y a un a presión barom étrica de 744 torr, y se igualan los niveles de ag u a dentro y fuera de la bo tella recolectora. ¿C uál es la p re­ sión del oxígeno seco (O 2 solo)?

Figura 12.17 Para recolectar un gas por desplazamiento de agua, se llena la botella totalmente con agua y se invierte en un recipiente grande con agua (a). Conforme el gas se desprende en el interior de la botella, las burbujas de gas suben y llenan la botella desplazando al mismo tiempo el agua que ésta contiene. Cuando los niveles dentro y fuera de la botella son iguales, las presiones dentro y fuera de la bote­ lla también son iguales (b). En este punto Patm= Pgasrecogido Pvapordeagua'

T a b la 12 .2 Tem peratura (°C)

P r e s io n e s d e v a p o r d e l a g u a a d iv e r s a s t e m p e r a t u r a s Presión d e vapor (torr)

Tem peratura (°C)

Presión d e vapor (torr)

0

4.6

24

22.4

5

6.5

25

23.8

10

9.2

30

31.8

15

12.8

35

42.2

17

14.5

40

55.3

18

15.5

50

92.5

19

16.5

60

149.4

20

17.5

70

233.7

21

18.7

80

355.1

22

19.8

90

525.8

23

21.2

100

760.0

SOLUCIÓN L os niveles de ag u a dentro y fu era de la b o tella reco lecto ra se han ig u ala­ do, así que la p resión total dentro de la b o tella es igual a la p resió n barom étrica. L a ta ­ b la 12.2 indica que la p resió n de vapor de ag u a a 20.°C es de 17.5 torr (o 18 torr). Se ap lica la ley de D alton de las p resiones parciales. 1P gasr ecogido = 1P total — 1P vapor de agua = 744 — 18 = 726 torr E J E R C IC IO 12 .12 (a) ¿C uál es la presión total de los gases en la sangre de una persona que tiene una p re­ sión parcial de C O 2 de 60.1 m m Hg y una presión parcial de O 2 de 39.2 m m Hg? (b) Se recoge hidrógeno gaseoso sobre agua a 22°C y a un a presión b arom étrica de 741. torr. ¿C uál es la presión parcial del H 2 secor ecogido? L a com posición del aire seco se indica en la tabla 12.1. D e acuerdo con la ley de D alton de las presiones parciales, no im porta cuáles sean los gases que se m ezclan (en tanto no reaccionen); sus presiones parciales se sum an p ara dar la presión total. E l aire seco contiene 78% de nitrógeno; p o r tanto, el 78% de la presión del aire se debe al n i­ trógeno presente en él. Si la presión total de aire es de 700. torr, entonces la presión p ar­ cial de nitrógeno en el aire es 78.0% p o r 700. torr, esto es, 546 torr.

E J E M P L O 12 .13 C on base en el porcentaje de oxígeno en el aire seco que se indica en la tabla 12.1, calcula la presión parcial de oxígeno en una m uestra de aire a 738 torr. SOLUCIÓN D e la tabla 12.1 se obtiene el porcentaje de oxígeno en el aire (21.0% ). D a­ do que la presión total es de 738 torr, la p resión parcial de oxígeno es P oxígeno = 0.210 X 738 torr = 155 torr E J E R C IC IO 12 .13 Véanse los problemas 12.7 5-12.8 0.

(a) C alcula la presión parcial de nitrógeno en el aire a 738 torr. (El aire contiene 78.0% den itrógeno.) (b) C alcula la presión parcial de argón en el aire a 738 torr. (C onsulta la tabla 12.1.)

Figura 12.18 Dosv olúmenesd eH 2 reaccionan con un volumen de Ü2 paraf ormard osv olúmenesd ev apor dea gua.C adav olumenc ontienee l mismon úmerod em oléculas. Aquí ser epresentann úmerosi gualesd e átomosd eh idrógenoy d eo xígeno comor eactivosy c omop roductos. En las reacciones químicas no se crean ni se destruyen átomos. 2 H2 (g) 2 mol H2 2 vol H2

¿2*13

+ + +

2 H20 (g) 2 mol H20 2 mol H20

0 2 (g) 1 mol 0 2 1 vol 0 2

Estequio metría de gases: una vi sión integral

A lgunas de las prim eras reacciones que se investigaron fueron de gases. E n 1809, Joseph L ouis G ay-L ussac descubrió que, si todas las m ediciones se hacían a la m ism a tem pera­ tura y presión, los volúm enes de los reactivos y productos gaseosos guardaban entre sí un a proporción de núm eros enteros pequeños. Por ejem plo, cuando perm itía que el h i­ drógeno reaccionase con oxígeno para form ar vapor de agua a 100°C, se necesitaba que dos volúm enes de hidrógeno (esto es, dos volúm enes de igual tam año) reaccionasen con un volum en de oxígeno para form ar dos volúm enes de vapor de agua (Fig. 12.18). La proporción de volúm enes era de 2:1:2. Tiem po después se com prendió que la proporción de los volúm enes es igual a la proporción de los m oles, 2 :1 :2 , de la reacción, indicadas p o r los coeficientes de la ecuación 2 H 2(g) + Ü 2( g ) ------ > 2 H 2Ü(g) E n otro experim ento (Fig. 12.19), G ay-Lussac encontró que dos volúm enes de monóxido de carbono, CÜ, se com binaban con un volum en de oxígeno para form ar dos volú­ m enes de dióxido de carbono. Tam bién en este caso, la proporción de volúm enes de 2:1:2 corresponde a la proporción de m oles indicada por los coeficientes de la ecuación. 2 C O (g) + Ü 2( g ) ------ > 2 C Ü 2(g) L a proporción no es siem pre de 2:1:2. C uando el nitrógeno gaseoso reacciona con hidrógeno gaseoso (Fig. 12.20) para form ar am oniaco, la proporción de volúm enes que se com binan es de un volum en de nitrógeno con tres volúm enes de hidrógeno p ara dar dos volúm enes de am oniaco (1:3:2). U na vez m ás, la proporción de volúm enes corres­ p o nde a la proporción de m oles indicada por los coeficientes de la ecuación. N 2(g) + 3 H 2(g ) ------ > 2 N H 3(g)

Íí

\ 92)

/v d d CO)

2 CO (g) 2 mol CO 2 vol CO

+

sd d

+ + +

o 2(g) 1 mol 0 2 1 vol 0 2

—► —►

2 C02 (g) 2 mol C02 2 mol C02

Figura 12.19 Dosv olúmenesd e CÜ reaccionan con un volumen de O2 paraf ormard osv olúmenesd e CO2.C adavolumenc ontienee l mismon úmerod em oléculas. Lap roporciónd ev olúmenesy la proporción de moles de los gases son las mismas. Aquí se representann úmerosi gualesd e átomosd ec arbonoy d eo xígeno comor eactivosy c omop roductos. En las reacciones químicas no se crean ni se destruyen átomos.

N N N N

+

N2(g)

+

3 H2(g)

2 NH3(g)

1 mol N2

+

3 mol H2

2 mol NH3

1 vol N2

+

3 vol H „

2 vol NHL

Figura 12.20 Un volumen de N2 reacciona con tres volúmenes de H2 para formar dos volúmenes de NH3. Cada volumen contiene el mismo número de moléculas. La proporción de volúmenes y la proporción de moles de los gases son las mismas. Aquí se representan números iguales de átomos de nitrógeno y de hidrógeno como reactivos y como productos. En las reacciones químicas no se crean ni se destruyen átomos. G ay-Lussac encontró que los volúm enes de los reactivos y productos gaseosos guar­ dan entre sí proporciones de núm eros enteros pequeños. Esto se conoce com o la ley d e los vo lú m e n es d e com b i n a ció n de los gases. N o obstante, fue Avogadro el prim ero en expli­ car esta ley. C om o lo describe la ley de A vogadro, dos volúm enes de un gas contienen el doble de m oléculas y tam bién el doble de m oles del gas que un solo volum en del gas. A ún m ás, dos mo les de gas contienen el doble de m oléculas y ocupan un volum en dos veces m ayor que un m ol de gas en las m ism as condiciones. A sim ism o, tres m oles de gas ocu ­ pan un volum en tres veces m ayor que un m ol de gas. E n la reacción de síntesis de am oniaco, los gases guardan un a proporción de m oles sencilla de 1:3:2; la proporción de volúm enes tam bién es de 1:3:2, no im porta qué unidadesd ev olum ens eu tilicen. N2(g)

+ 3 H2(g)

-----> 2 NH3(g) ----- > 2 mol

Moles de gas:

1 mol

3 mol

Volumen en litros:

1L

3L

Volumene nm ililitros: Cualesquierau nidades dev olumen:

E J E M P L O 12 .14

^ 2L

1m L

3m L

----- > 2 mL

50 mL

150 mL

----- > 100 mL

1 volumen

3 v o lú me nes

----- > 2 volúmenes

Ley d e los volúmenes d e combinación

¿Q ué volum en de H 2(g) se necesita para producir 120. L de am oniaco en las m ism as con­ diciones? SOLUCIÓN P uesto que am bas sustancias quím icas son gases, la proporción de volúm e­ nes es igual que la proporción de m oles. U n a vez m ás, la reacción es N 2(g) + 3 H 2( g ) -------> 2 N H 3(g) Se inicia con la cantidad de am oniaco, N H 3,p orquee stev olum ene sc onocido.

3 mol H, 120. L N H 3 X 2 m0| N fi

= I ®®1 L de ^ 2 gaseoso

(respuesta)

E J E R C IC IO 12 .14 (a) ¿Q ué volum en de N 2(g) se necesita p ara producir 120. L de am oniaco en las mism asc ondiciones?

(b) C alcula el volum en de hidrógeno que se puede obtener a partir de 4000. L de metano,C H4, en las m ism as condiciones y con base en la ecuación siguiente. C H 4(g) ------> C(s) + 2 H 2(g) E n el capítulo 11 nos ocupam os de num erosos tipos de cálculos estequiom étricos, entre ellos las conversiones de gram os de A a m oles de A, a m oles de B y a gram os de B, y de las relaciones estequiom étricas en las que tanto el reactivo com o el producto en cuestión eran gases a la m ism a tem peratura y presión. A hora tam bién podem os resolver problem as en los que se m anejan litros de gas. Si el gas está a TPE, podem os convertir de litros a m oles con base en el volum en m olar de un gas, 22.4 L; pero si el gas no está a T PE, entonces podem os utilizar la ley del gas ideal, P V = nRT. E n la Fig. 12.21 se resum en algunas conversiones estequiom étricas im portantes. U ti­ lizando las conversiones y ecuaciones apropiadas, se pueden resolver problem as en los quei ntervienenr eactivosy p roductosq ues ong ases,l íquidos,s ólidoso s oluciones.

E J E M P L O 1 2 .15

Una visión integral

C iertos lim piadores p ara sistem as de desagüe contienen m ezclas de N aO H (lejía) con hojuelas de alum inio metálico. Cuando se vierte esta m ezcla de sólidos sobre el agua, se produce hidrógeno gaseoso. L a acción de destaponam iento de la tubería se debe en parte a la presión del hidrógeno gaseoso y en parte al efecto de agitación del gas, que m ezcla el N aO H con la grasa. Figura 12.21 Conversionese stequiométricasd eg ases,l íquidosy s ólidos.L osf actoresd ec onversión se muestran al lado de las flechas. Sustancia A

Sustancia B

2 N aO H (s) + 2 A l(s) + 6 H 2O (l)------> 2N aA l(O H )4(ac) + 3 H 2(g) C alcula la m asa de alum inio de un a m uestra de lim piador p ara sistem as de desagüe que reaccionó con un exceso de N aO H y agua p ara form ar 195 m L de hidrógeno gaseoso, el cual se recogió sobre agua a una presión barom étrica de 740. torr y 19°C. Se igualaron los niveles de agua dentro y fuera de la botella recolectora. SOLUCIÓN Conviene establecer prim ero la presión del hidrógeno seco aplicando la ley de D alton de las presiones parciales. A 19°C la presión de vapor del agua es de 16 torr. P afuera = Puteiitro

(cuandol osn iveless oni guales)

74 torr = Phidrógeno + 16 torr 740. D espeja P Udrógeno. P hidr6geno = 740. torr - 16 torr = 724 torr C onvierte los torr a atm. hidrógeno = 724 torr X ^

1 atm ^

= 0.953 atm

C alcula los m oles de H 2 con b ase en la ley del gas ideal.

PV 0.953 atm X 0.195 L n = — = ----------------------------------------- = 7.75 RT 0.0821 L-atm/mol-K X 292 K

X

, TT 10 3 mol H, 2

C alcula los gram os de A l con b ase en los m oles de H 2. Plan: M ol de H 2 ------> M ol d e A l ------> G ram os de Al

7.75

X

, 10~3meñrH~ 1

X

2 íaohffl ------- — 3 m ol H2

X

27.0 g Al ------ = 0.139 g Al 1 m ol Al

(respuesta)

, ..

E J E R C IC IO 12 .15 Véanse los problemas 1 2 .8 1-12.9

(a) Calcula la cantidad de NaOH, en miligramos, que reaccionó para producir los 195 mL de H 2 gaseosoe n l asc ondicionesd escritase n e le jem plo1 2.15. (b) ¿Q ué m asa de ag u a debe reaccionar p ara p roducir los 195 m L de H 2? E n el capítulo 11, nuestra capacidad p ara resolver problem as estequiom étricos era lim itada porque todas las cantidades de los gases debían estar expresadas en gram os o en núm ero de moles. Ahora, con la ley del gas ideal, podem os convertir de m oles a volumen de gas (y viceversa) en cualesquiera condiciones que se especifiquen. D e este modo, además de aplicar las leyes de los gases para m anejar los cambios de P, V y T, hem os expandido nuestra capacidad para resolver una am plia variedad de problem as estequiométricos.

Resumen del capítulo Los gases carecen de forma definida, son compresibles, su densidad es pequeña, ejercen una presión uniforme y se mezclan espontáneamente. Todas estas propiedades físicas de los ga­ ses se explican mediante la teoría cinética molecular, la cual afirma que los gases se compo­ nen de partículas pequeñísimas (separadas por grandes distancias) que se mueven todo el tiempo, con rapidez y al azar. Las partículas de los gases carecen de fuerzas de atracción apreciables, sus colisiones son perfectamente elásticas, y a una misma temperatura todos los gasest ienenl am ismae nergíac inética( E.C. = \ m v 2). Ciertos hechos acerca de los gases se pueden resumir comparando dos gases muy conoci­ dos, H2 y O2, que se hallan en tanques separados de igual volumen y a la misma presión y tem­ peratura. Hay el mismo número de moléculas en ambos tanques (hipótesis de Avogadro), y su energía cinética también es igual, pero las moléculas de H2, más ligeras, necesitan moverse con más rapidez para ejercer la misma presión que las moléculas de O2, más pesadas. Los hechos fundamentales acerca de las leyes de los gases se resumen en la tabla siguiente.

Ley

Ecuaciones

DeB oyle

PV = k

DeC harles

C onstantes PV1 = P 2 V2 n y T Vi v2 n yP T i~ T2

DeG ay-Lussac í - ‘

Pi _ P 2 Ti ^

Combinada

P 1 V 1 _ p 2v 2 n Ti T2

S¥ ~ t n

Del gas ideal

^ =k =R ríT

De D alton

P total = P 1 + P 2 + P 3 + •••

*

II

De Avogadro

PV = nRT

nyV

Tipo de relación InVersa: Paumenta’ Vdisminuye Directa: Taumenta Vaumenta DireCta: Taumenta ’ P aumenta Directae i nversa

TyP

Directa: naumenta , Vaumenta

R

P, V, n y T sonv ariables interdependientes todas ellas

Ty V

Aditiva

Una temperatura normal de 273 K (0°C) y una presión normal de 1 atm (760 torr) cons­ tituyen en conjunto la definición de lo que se conoce como condiciones estándar llamadas TPE. A TPE, el volumen molar de cualquier gas es de aproximadamente 22.4 L/mol. La densidad de un gas a TPE se calcula dividiendo su masa molar entre el volumen molar. Co­ mo lo indica la ley de Dalton, las presiones de los gases son aditivas: la presión total es igual a las umad el asp resionesp arcialesi ndividuales. Las variaciones de P, V y T de una muestra determinada de un gas se calculan con base en la ley de Boyle, la ley de Charles, la ley de Gay-Lussac o la ley combinada de los gases. Con respecto a una muestra determinada (n moles) de gas en cualesquiera condiciones de P, V y T, la ley del gas ideal, P V = nR T permite calcular cualquier valor individual faltante si se conocen los demás valores necesarios. Las unidades de P, V y T que se empleen en esta ecuación deberán coincidir con las unidades de la constante universal de los gases, R, que es 0.0821 L-atm/mol-K. La aplicación de las ecuaciones y relaciones que se describen en este capítulo nos permite comenzar a entender propiedades importantes de los gases, así como la forma de manejar los problemas en los que intervienen gases puros o mezclas de gases. E v a lú a tu c o m p re n s ió n : r e p a s o y a u to e v a lu a c ió n 1. Describec incop ropiedadesf ísicasc aracterísticasd el osg ases.[ 12.2] 2. Describe el comportamiento de los gases en términos de cinco supuestos de la teoríac inéticam olecular( TCM). [12.2] 3. Define la presión y explica cómo ejerce presión un gas. [12.3] 4. Describee lu soy e lf uncionamientod eu nb arómetrod em ercurio.[ 12.3] 5. Describey u tilizat resu nidadesd iferentesp arae xpresarl ap resión. [12.3] 6. Describe (matemáticamente y con palabras) y aplica la ley de Boyle, la ley de Charles, la ley de Gay-Lussac, la ley de Dalton, la hipótesis de Avogadro y la ley de Avoga­ dro. [12.4-12.12] 7. Interpretag ráficasd ep resión,v olumeny t emperaturad eg ases.[ 12.4-12.6] 8. Resuelve problemas referentes a los cambios de presión, volumen y temperatura. [12.4-12.8] 9. Indica cuáles son la temperatura y la presión estándar y el volumen de un gas a TPE. [12.7-12.10] 10. Resuelvep roblemasr eferentesa v olúmenesy m olesd eg ases.[ 12.9] 11. Calcula la densidad de los gases a TPE con base en el volumen molar. [12.10] 12. Explica y utiliza la ley del gas ideal para resolver problemas. [12.11] 13. Aplica la ley de Dalton para calcular la presión de un gas recogido sobre agua. [12.12] 14. Resuelve problemas estequiométricos en los que intervengan gases, líquidos y só­ lidos. [ 12.13]

T é rm in o s c la v e atmósfera (unidadd ep resión) [12.3] barómetro [12.3] colisionesp erfectamenta elásticas[ 1 2 .2] condicionese stándar[ 12.7] cons tan te u niver sal d e l os gases[ 12 .1 1 ] di fu sión [ 1 2 .2]

energíac inética[ 12 .2 ] gas ideal [12 .1 1 ] gases reales [1 2 .1 1 ] hipótesis de Avogadro [12.9] ley combinada de los gases [12 .8] ley d e Avo ga dro [ 12.9] ley de Boyle [12.4] ley de Charles [12.5]

ley de Dalton de las presiones parciales[ 1 2 .12 ] ley de Gay-Lussac [12.6] ley de los volúmenes de combinación[ 12.13] ley del gas ideal [1 2 .1 1 ] pre sión [ 12.3] presióna tmosférica[ 12.3] presión de vapor [ 12 .12 ]

presióne stándar[ 12.3] presiónp arcial[ 1 2 .12 ] temperaturay p resión estándar[ 12.7] teoríac inéticam olecular (teoríac inética)[ 12 .2 ] torr (mm Hg) [12.3] volumenm olar[ 1 2 .10]

P ro b le m a s T e o ría c in é tic a m o le c u la r( TCM) 12.1

Los gases carecen de forma o volumen definido; se ex­ panden hasta llenar el recipiente que los contiene. Explica esta propiedad física en términos de la teoría cinética molecular (TCM).

12.2

Los gases son compresibles, su densidad es pequeña y se difunden (mezclan). Explica estas propiedades físi­ cas en términos de la teoría cinética molecular (TCM).

12.3

Con base en la TCM, explica por qué aumenta la pre­ sión de un gas cuando su volumen se reduce a temperaturac onstante.

12.4

Con base en la TCM, explica por qué las partículas de helio y de nitrógeno tienen la misma energía cinética cuando se hallan en estado gaseoso en tanques y en las mismas condiciones de presión, volumen y temperatura.

12.11

Con base en la TCM, explica por qué se puede perci­ bir el aroma característico del café en una habitación distintad ea quéllad ondes ee stáp reparando. 12.12 Con base en la TCM, explica por qué dormir en un col­ chón de aire es más cómodo que dormir en el suelo. 12.13 Con base en la TCM, explica por qué se puede introdu­ cir aún más aire en un neumático de automóvil que ya parece tener toda la presión necesaria. 12.14 Con base en la TCM, explica por qué las burbujas de gas del agua en ebullición se agrandan al acercarse a la superficie. ¿Por qué suben las burbujas a la superficie? A tm ó s fe ra y p r e s ió n a tm o s fé ric a 12.15

12.5

De acuerdo con la TCM, ¿cómo cambia la temperatura cuando la velocidad media de las partículas disminuye?

12.16

12.6

De acuerdo con la TCM, ¿cómo cambia la presión cuan­ do las partículas de un gas golpean con menos frecuen­ cia las paredes de un recipiente?

12.17

Un tanque de helio y un tanque de criptón tienen la misma presión, volumen y temperatura. Compara (sin emplear números) la energía cinética, masa, rapidez de movimiento y número de partículas de cada tanque. Explica tu razonamiento.

12.19 12.20

12.7

12.8

12.9

12.10

El tanque A tiene un volumen de 10. L y contiene 800. g de O2. El tanque B tiene un volumen de 5.0 L y contiene 400. g de O2. To man do la TCM co mo ba se de juicio, compara la presión de los dos tanques (a temperaturac onstante). La densidad se define como masa por unidad de volu­ men. Dos tanques de oxígeno gaseoso, A y B, tienen el mismo volumen y temperatura, pero el tanque A está a una presión mayor. ¿Cuál muestra de gas tiene mayor densidad? Explica tu respuesta en términos de partícu­ las por volumen equivalente. Dos globos de aire caliente, A y B, tienen el mismo vo­ lumen y presión gaseosa, pero la temperatura del gas en el globo A es mucho más alta que en el globo B. ¿Cuál es el gas de mayor densidad?

12.18

12.21

¿A qué nos referimos cuando hablamos de la atmósfera de la Tierra? M enciona los cuatro gases principales presentes en nuestraa tmósfera. Definel ost érminosp resióny p resióna tmosférica. ¿Por qué la presión atmosférica es mayor al nivel del marq uea g randesa ltitudes? ¿Cómof uncionau nb arómetrod em ercurio? ¿Por qué no se escurre todo el mercurio fuera de un barómetrod em ercurio? Efectúa las conversiones de presión de gas que siguen. a. 1.00 atm = ? torr b. 912 torr = ? atm c. 0.500 atm = ? m m Hg d. 1200l b/pulg2 = ? atm e. 2.00 atm = ? kPa f. 3.0 pulg Hg = ? atm

12.22 Efectúa las conversiones de presión de gas que siguen. a. 10 atm = ____ l b/pulg2 b. 646 torr = ____ atm c. 3.5 atm = ____ torr d. 35l b/pulg2 = ____ atm e. 35l b/pulg2 = ____ torr f. 14.7l b/pulg2 = ____ kPa

12.23

¿Qué relación específica acerca de los gases descubrió Robert Boyle? Explica por qué una bomba para neumá­ tico de bicicleta sirve como modelo de la ley de Boyle.

12.24

¿Qué significa la expresión “inversamente proporcio­ nal”? ¿Cómo se reconoce una gráfica que representa unap roporcióni nversa?

12.34

12.25

Con base en los datos de P y V siguientes, calcula el valor de k correspondiente a un experimento de la ley de Boyle. Expresa tu respuesta en notación científica.

12.35

Presión (torr)

Volumen (m L)

P x V k

828

90.0

?

980

76.0

?

1263

59.0

?

1656

45.0

?

12.26

¿En qué circunstancias es PjVj igual a P 2V2 con res­ pecto a un gas? ¿Cómo se aplica esto a los datos del problema 12.25?

12.27

Un cilindro de motor de automóvil con un volumen de 400. cm3 se comprime a un volumen de 100. cm3 a tem­ peratura constante. Si la presión gaseosa inicial era de 1 atm, ¿cuál es la presión final?

12.28

Un tanque contiene 500. mL de aire comprimido a 1800. torr. ¿Qué volumen ocupará el aire comprimido a 750. torr, suponiendo que la temperatura no cambia?

12.29

El oxígeno que se utiliza en cierto hospital se guarda a una presión de 2200. lb/pulg2 en cilindros de gas con un volumen de 60.0 L. ¿Qué volumen ocuparía el gas de un cilindro a la presión atmosférica de 14.7 lb/pulg2? Si el gasto de gas hacia un paciente se ajusta a 8.00 L/min, ¿cuánto tiempo (en horas) durará el tanque?

12.30

12.36

12.37

12.38

12.39

12.40 12.41

12.42

12.43 R e la c io n e s d e v o lu m e n y te m p e r a tu r a d e lo s g a se s ¿Qué relación específica acerca de los gases descu­ brió Charles? ¿Qué tipo de proporción interviene? ¿Qué clase de curva se obtiene al graficar el volumen del gas en función de su temperatura?

12.32

Explica por qué un globo de caucho lleno de aire a temperatura ambiente, que luego se enfría a una tem­ peratura mucho más baja, sirve como modelo de la ley de Charles.

12.33

Calcula una razón entre el volumen y la temperatura Kelvin de cada uno de los datos que se muestran en la gráfica de la Fig. 12.11. Los valores son los siguientes.

Temperatura (K)

4.00

373

2.93

273

1.85

173

0.78

73

Explica cómo se puede determinar el cero absoluto a partir de datos experimentales de la ley de Charles. (Véase la Fig. 12.11.) Un globo lleno de helio tenía un volumen de 400. mL cuando estaba a —120.°C. ¿Cuál será el volumen del globo luego de calentarlo en un horno a 100.°C, supo­ niendo que la presión no cambia? Un globo lleno de helio tenía un volumen de 5.00 L a 27°C. ¿Cuál será su volumen a —93°C, suponiendo que la presión no cambia? Si una muestra de 1500. mL de aire a 22°C se enfría lo suficiente para que su volumen disminuya a 750. mL a presión constante, ¿cuál es la temperatura Celsius final que se necesita? ¿Cuál fue el cambio de temperatura? Si una muestra de 1500. mL aire a 20.°C se enfría lo su­ ficiente para expandir su volumen a 1750. mL a presión constante, ¿cuál es la temperatura Celsius final que se necesita? ¿Cuál fue el cambio de temperatura?

R e la c io n e sd e p r e s ió n y t e m p e r a tu r a

Un tanque de 13.0 L que se utiliza para bucear se lle­ nó con aire a una presión de 115 atm. ¿Qué volumen (en litros) ocupará el gas a una presión de 775 torr? (Primero expresa todas las presiones en las mismas unidades; v. gr., atm.)

12.31

Volumen (L)

12.44

Describe en términos de la teoría cinética molecular la relación entre presión y temperatura de una mues­ tra fija de gas a volumen constante. M enciona dos objetos que sirven como modelos de la leyd eG ay-Lussac.E xplicat ur espuesta. Se arroja dentro de un incinerador que funciona a 750.°C una bombilla eléctrica con una presión interna de 720. torr a 20.°C. ¿Qué presión interna deberá ser capaz de soportar la bombilla para que no se rompa? El aire que está dentro de un frasco de judías verdes envasadas en casa se calienta al punto de ebullición del agua (100.°C), y se cierra el frasco herméticamen­ te a esa temperatura. ¿Cuál será la presión dentro del frasco cuando éste se enfríe a la temperatura ambien­ tal de 20.°C? Un neumático de automóvil tenía una presión manométrica de 30. lb/pulg2 a 20.°C. Después de una ca­ rrera, se encontró que la presión manométrica era de 34 lb/pulg2. Suponiendo que el volumen no cambia, ¿cuál era la temperatura Celsius del aire del neumático? Sugerencia: La presión manométrica no es la presión total; es necesario sumar 14.7 lb/pulg2 a las presiones manométricas para hacer los cálculos. Un neumático de automóvil tenía una presión ma­ nométrica de 32 lb/pulg2 en un día de otoño en que la temperatura era de 22°C. En el invierno, cuando la temperatura descendió a —23°C, ¿cuál era la presión manométrica del neumático, suponiendo que no hubo cambiod ev olumen?

L ey c o m b in a d a d e lo s g a se s

12.58

¿Qué volumen ocupan 0.200 g de hidrógeno a TPE?

12.45

12.59

¿Cuántos miligramos de CO2 hay en una botetla de 4.00 L llena de este gas a TPE?

12.60

¿Cuántos miligramos de oxígeno hay en una botella de 4.00 L llena de este gas a TPE?

12.61

¿Cuántos moles de helio pueden estar dentro de un glo­ bo que tiene un volumen de 6.00 L a TPE?

12.62

¿Cuántos moles de N 2 pueden estar dentro de un glo­ bo que tiene un volumen de 6.00 L a TPE?

12.63

¿Cuále sl ad ensidadd eln itrógenog aseosoa TPE?

12.64

¿Cuál es la densidad del CO2 gaseosoa TPE?

12.65

¿Cuál es la densidad del cloro gaseoso a TPE?

12.66

¿Cuál es la densidad del aire a TPE? Supón que la masa molar del aire es de 28.8 g /m o l porque es una mezcla de gases, principalmente nitrógeno (80.0%) y oxígeno (20.0%).

12.46 12.47

12.48

12.49

12.50

¿Qué volumen ocuparán a TPE 25.2 mL de hidrógeno gaseoso a 21°C y a una presión de 1.96 atm? ¿Qué volumen ocuparán a TPE 150. mL de neón ga­ seoso a 23°C y 710. torr? Si una muestra de argón gaseoso tiene un volumen de 800. mL a 10.°C y 1.00 atm, ¿cuál será su presión (en atm) a una temperatura de 100.°C si el volumen au­ menta a 850. mL? Un globo lleno de helio tenía un volumen de 8.50 L en el suelo a 20.°C y a una presión de 750. torr. Cuando se le soltó, el globo se elevó a una altitud donde la tempe­ ratura era de —20.°C, y la presión de 425 torr. ¿Cuál era el volumen del gas del globo en estas condiciones? Un mol de gas tiene un volumen de 22.4 L a TPE. ¿Qué volumen ocupará el gas a 100.°C cuando la presión es de 1.2 atm? Calcula además el aumento porcentual del volumen dividiendo el aumento de volumen entre el volumen original y expresando el cociente como por­ centaje. Un mol de helio tiene un volumen de 22.4 L a TPE. ¿Qué volumen ocupará el gas si se enfría en un glo­ bo a una temperatura de —52°C a una presión de 744 torr? ¿Cuál fue la reducción porcentual de volumen al enfriar el gas?

G a s e s i d e a le s 12.67

¿Qué es un gas ideal? ¿Puedes mencionar alguno?

12.68

¿En qué difieren los gases reales de los gases ideales?

12.69

Cuando la constante universal de los gases, R, tiene un valor de 0.0821, ¿cuáles son las unidades específi­ cas que se deben emplear?

12.70

Empleando valores apropiados del volumen de un mol de gas a TPE, y aplicando un método similar al que se muestra en el texto para calcular R, determina el valor apropiado de R con las unidades L-torr/mol-K.

12.71

¿Qué presión ejercen, en atmósferas, 44.0 mol de propano en un tanque de 36 L a 22°C?

12.72

¿Qué presión ejercen, en atmósferas, 0.120 mol de vapor de agua en su punto de ebullición de 100.°C, si el volumen está contenido en una tetera de 2.00 L?

12.73

¿Cuántos gramos de helio hay en un globo que con­ tiene 8.50 L del gas a una temperatura de 20.°C y a una presión de 800. torr?

12.74

¿Qué volumen ocuparán 10.0 g de oxígeno gaseoso a una temperatura de 22°C y a una presión de 740. torr? Sugerencia: Cambia las unidades de presión a atmós­ feras.

V olu m e n y m o le s d e g a s e s ( A v o g ad ro ) 12.51

12.52

12.53

12.54

12.55

12.56

Escribe la ecuación matemática que relaciona el volu­ men y los moles de gas. Describe con palabras el significadod el ae xpresiónm atemática. Si tengo volúmenes iguales de dos gases a una misma temperatura, ¿qué es lo que puedo saber acerca del número de moléculas de cada gas? Explica tu respuesta mediante enunciados de Avogadro. Si tengo una botella de 1.0 L llena de oxígeno gaseoso a presión y temperatura ambientales, y tengo además una botella de 2.0 L llena de oxígeno gaseoso a la mis­ ma presión y temperatura, describe cuántas moléculas de gas hay en la botella más grande con base en la hi­ pótesis de Avogadro. Si tengo una botetla de 500. mL llena de amoniaco gaseoso, y tengo además una botella de 2.00 L llena de oxígeno gaseoso a la misma presión y temperatura, ¿qué es lo que puedo saber respecto a la proporción de moles de los gases en las botellas? Si 0.250 mol de cloro ocupan un volumen de 6.38 L, ¿cuál sería el volumen de 0.450 mol de cloro a la mismap resióny t emperatura? A cierta temperatura y presión, 4.12 g de CO2 ocupa­ ban un volumen de 2.37 L. ¿Cuál será el volumen de 0.500 mol de CO2 en lasm ismasc ondiciones?

V o lu m e n m o la r y d e n s id a d d e g a s e s 12.57

¿Qué volumen ocupan 0.200 g de oxígeno gaseoso a TPE?

P r e sio n e s p a r c ia le s 12.75

Un recipiente contiene oxígeno a una presión parcial de 0.25 atm, nitrógeno a una presión parcial de 0.50 atm y helio a una presión parcial de 0.20 atm. ¿Cuál es la pre­ sión dentro del recipiente?

12.76

Un recipiente contiene el mismo número de moléculas de nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono. La presión total es de 750. torr. ¿Cuál es la presión parcial de nitró­ geno en el recipiente?

12.77

La presión en la superficie de Venus es de aproxima­ damente 100. atm. El dióxido de carbono constituye aproximadamente el 97.0% de los gases atmosféricos. ¿Cuál es la presión parcial de CO2 en la atmósfera de Venus?

12.78

La presión atmosférica en la superficie de M arte es de aproximadamente 6.0 torr. La presión parcial de dió­ xido de carbono es de 5.7 torr. ¿Qué porcentaje de la atmósferam arcianae sd ióxido dec arbono?

12.79

Se recoge oxígeno gaseoso sobre agua a una temperatu­ ra de 25°C. Si la muestra recolectada tiene una presión de 740. torr, ¿cuál es la presión parcial de oxígeno en el recipiente? (Puedes consultar la tabla 12.2.) Si la mues­ tra de gas tiene un volumen de 95.0 mL, ¿cuántos moles de O2(g) hay en ella?

12.80

Se recoge hidrógeno gaseoso sobre agua. Si la muestra de 50.0 mL de gas que se recogió tiene una temperatu­ ra de 22°C y una presión de 744 torr, ¿cuál es la presión parcial de hidrógeno? ¿Cuántos moles de H2(g) se reco­ lectaron?

primera etapa de la producción de ácido nítrico por el proceso Ostwald, ¿qué volumen de O 2 (g) se necesita at emperaturay p resiónc onstantes? 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g )-----> 4 NO(g) + 6 ^ O ( g ) 12.86

En la parte exterior de la atmósfera terrestre, el ozo­ no, O 3 (g), reacciona con el óxido nítrico para formar O 2 (g) y NO 2 (g) por una reacción del tipo de radicales libres. Por cada 400. L de ozono que se destruyen, ¿cuántos litros de NO 2 (g) se forman en esta reacción at emperaturay p resiónc onstantes?

12.87

El etanol, C 2H 5OH, se produce por fermentación de azúcares, pero al mismo tiempo se forma CO 2 . La ecua­ ción de la fermentación de la glucosa, C 6 H 12 O 6 , es

O 3 (g) + N O (g )----- > O 2 (g) + NO 2 (g)

E s te q u io m e tr ía d e ga se s

C 6 H 12O 6 ----- > C 2 H 5 OH + CO 2 (g)

12.81

¿Qué volumen de CO 2 (g) se produce a una temperatura de 20.°C y a una presión de 1.00 atm por la fermenta­ ción de 500. g de glucosa?

El acetileno gaseoso, C2H2, es el combustible que se utilizae nl asa plicacionesd es oldadurao rdinarias. a. Si los tanques de acetileno y de oxígeno que se em­ plean tienen la misma presión, volumen y tempera­ tura, ¿cuántos tanques de oxígeno se necesitarían para suministrar el oxígeno suficiente para quemar un tanque de acetileno? La ecuación es

12.88

12.82

¿Cuántos mililitros de acetileno puede producir, a una temperatura de 20.°C y a una presión de 740. torr, la reacción completa de 2.50 g de CaC 2 ? 12.89

Durante la combustión completa del metano (presente en el gas natural) se producen dióxido de carbono y va­ por de agua. Si se comparan los dos gases a la misma temperatura y presión, ¿cuántos litros de vapor de agua se producen durante la formación de 12.0 L de CO2? La ecuación es

El monóxido de carbono que llega a formarse durante la combustión de la gasolina reacciona con oxígeno ga­ seoso en el convertidor catalítico caliente del sistema de escape para formar dióxido de carbono. La ecuación sin ba lan cear es CO(g) + O2(g )------ >CO2(g)

Si 2.15 g de magnesio reaccionan totalmente, ¿qué volumen de hidrógeno se puede producir a TPE? (No tomes en cuenta la presión de vapor del agua.) ¿Cuál será el volumen si el gas está a 735 torr y a una temperaturad e2 5°C?

El ozono (O3) de las capas altas de la atmósfera se des­ compone y forma oxígeno gaseoso. La ecuación es 2 O3(g )----- > 3 O2(g) Si 10 000 litros de ozono se convierten en oxígeno ga­ seoso a la misma temperatura y presión, ¿qué volum end eo xígenos ef ormará?

12.85

12.90

Cuando se queman totalmente 500. g de octano, C 8H 18 , ¿qué volumen de CO 2 (g) se produce a la presión atmos­ férica normal y a una temperatura de 18°C? Aquí se muestra la ecuación de la reacción sin balancear.

(sin balancear)

¿Qué volumen de dióxido de carbono se formará duran­ te la oxidación de 38.0 L de monóxido de carbono, si se supone que no cambia la temperatura ni la presión de los gases? 12.84

El magnesio metálico reacciona con ácido clorhídrico, HCl(ac), para producir hidrógeno gaseoso de acuerdo con la ecuación siguiente. Mg(s) + 2 H C l(ac)----- > MgCL(ac) + H (g )

CH4(g) + 2 O2(g )----- > CO2(g) + 2 H2O(g) 12.83

El carburo de calcio, CaC 2 , reacciona con agua y produ­ ce acetileno gaseoso, C 2H 2 , que los espeleólogos que­ man en lámparas de minero cuando exploran cavernas. CaC 2 (s) + 2 H O ( l) ----- > Ca(OH) 2 + C 2 H 2 ®

2 C2H2(g) + 5 O2(g )----- > 4 CO2(g) + 2 ^ O ( g ) b. Propón una explicación de por qué los soldadores suelen emplear una carretilla que lleva un tanque pe­ queño de acetileno y un tanque grande de oxígeno.

(sin balancear)

Cuando 160. L de amoniaco gaseoso reaccionan con O 2(g) para formar óxido nítrico y vapor de agua en la

C 8 H J 8 0) + O 2 (g )------> CO 2 (g) + H 2 O(g) 12.91

(sin balancear)

La azida de sodio, NaN 3(s), reacciona con óxido de hierro(III) para formar un gran volumen de nitrógeno gaseoso, capaz de llenar una bolsa de aire para proteger a los ocupantes de un automóvil. ¿Cuántos gramos de NaN 3 se necesitan en una reacción que llena una bolsa de 5.50 L a una presión de 1.20 atm y a una temperatu­ ra de 18°C? (Considera 6 mol de NaN 3 para balancear la ecuación.) NaN 3 (s) + Fe 2 O 3 (s)----- > N a 2O(s) + Fe(s) + N 2 (g)

(sin balancear)

12.92

Cuando la azida de sodio, NaN3(s), reacciona con óxido de hierro(III) para formar un gran volumen de nitrógeno gaseoso que llena una bolsa de aire para proteger a los ocupantes de un automóvil, ¿cuántos gramos de NaN3

se necesitan para llenar una bolsa de 5.50 L de modo que el gas esté a TPE? NaN3(s) + Fe2O 3(s )----- > N a2O(s) + Fe(s) + N 2(g)

(sin balancear)

Estudiantes en

acción Haz las siguientes actividades en las que podrás trabajar con un gas de forma fácil y divertida. ¿ D e q u é e s tá lle n a u n a p r o b e ta v a c ía ? M a te ria le s 1 caja de ce rillo s de pabilo

1 p la to h o n do o crista liza d o r

V id rio de reloj

1 globo

H id ró x id o de calcio

Espátula

1 p ro b e ta de 10 mL

Agua destilada

A g ita d o r de vid rio

Agua

Vaso de p re c ip ita d o s de 100 mL

Un p o p o te

P ro c e d im ie n to 1. Coloca 10 mL de agua en el plato. 2. Toma un cerillo de pabilo y considera una línea imagina­ ria que lo parte en dos de manera horizontal (sin incluir la cabeza). Haz un doblez en ese punto y, con cuidado, de­ senrolla la mitad del pabilo, de tal manera que quede como “un barquito”, como se aprecia en la figura. Otra opción es que sujetes el cerillo a la base del plato con ayuda de un trocito de plastilina. 3.

Pon a flotar el cerillo en el plato con agua (o en su caso, fíjalo con plastilina y agrega agua). Introduce la probeta invertida, de tal manera que cubra el cerillo y toque el fondo. ¿Entra el agua en la probeta invertida? A nota tus observaciones.

4.

Retira la probeta, enciende el cerillo, e inmediatamente después tápalo con la probeta invertida como hiciste en el paso ante­ rior. M ide el nivel del agua dentro de la probeta. Escribe tus observaciones.

C ontesta las preguntas. a) ¿Por qué el agua no penetra en la probeta cuando el cerillo está apagado?

b) ¿Por qué cuando el cerillo estaba encendido el agua penetró hasta cierto nivel en la probeta? ¿Significa algo?

c) ¿Cuál es el gas que se consume en la combustión?

d) ¿Qué porcentaje del volumen del aire ocupa este gas?

e) ¿Cuál es el combustible? ¿Cuál es el comburente?

¿ D e q u é e s tá lle n o u n g lo b o in f la d o ? P ro c e d im ie n to 1.

Infla el globo hasta un diámetro de 10 cm o hasta que percibas que ya llegó a su volumen máximo de llenado.

2.

P repara 50 m L de una disolución saturada de hidróxido de calcio C a(O H )2 (agua de cal) y colócala en un vaso de precipitados de 100 mL.

3.

Sumerge un extremo del popote en la disolución de Ca(OH)2 y, con mucho cuidado, inserta el otro extremo en la boca del globo inflado. Deja que se vacíe el contenido del globo en esta disolución.

4.

Observa si hay un cambio en el aspecto de la disolución. ¿Qué ocurre? Describe tus observaciones.

5.

Investiga cuál es la composición del gas que exhalaste para inflar el globo y si es una mezcla de ciertos gases. Identifica sus propiedades físicas y químicas y con esta información fundamenta lo que observaste en el paso número 4. Escríbelo brevemente en las líneas.

6.

De acuerdo con las propiedades físicas de los gases y como resultado de esta experiencia práctica, contesta lo siguiente (apóyate en la información de la página 340). P ropiedad física Forma de los gases Compresibilidad Densidad Presión ejercida Difusión

O bservaciones

13

Líquidos y sólidos

C O N T E N I D O 13.1

Gases, líquidos y sólidos: algunas generalizaciones

13.2

Fuerzas interiónicas e intermoleculares

13.3

El estado líquido

13.4

Vaporización y condensación

13.5

El estado sólido

13.6

Fusión y congelación

13.7

Curvas de calentamiento y enfriamiento

13.8

Agua: un líquido fuera de lo común Este panorama del canal Grandidier, en la Antártida, captura la belleza del agua en tres estados físicos. A unque no puedes verla, el agua en estado gaseoso está presente en las nubes y en el aire. El agua líquida del canal y el agua sólida, hielo y nieve, son formas diferentes del agua en los dos estados condensados, los cuales serán el objeto de estudio de este capítulo.

n el capítulo 8 se expuso el tem a de los enlaces quím icos, con énfasis en la form a en que se com binan los átom os y en las razones p o r las que los elem en­ tos reaccionan p ara form ar com puestos. A hora se exam inarán con m ás d eteni­ m iento las razones p o r las que algunas sustancias son sólidas, otras líquidas, y otras m ás son gaseosas a un a m ism a tem peratura. L as partículas de un gas se desplazan p o r todas partes al azar, pero las partículas de los líquidos y de los sólidos se m antienen estrecham ente unidas, retenidas p o r las fuerzas de atracción. L as partículas de un gas interactúan tan poco unas con otras que éste carece de volum en y de form a específi­ cos. E n el estado líquido, las partículas se m antienen unidas co n la fuerza suficiente para ajustarse a un volum en específico, aunque su form a no es rígida. E n el estado sólido, las partículas se m antienen juntas tan rígidam ente que tanto la form a com o el volum en de la m uestra son fijos.

E

D ebido a estas m isteriosas fuerzas de atracción las gotas de agua se sostienen sobre el vidrio y en las superficies planas de un autom óvil encerado. D an form a y volum en a los líquidos y a los sólidos, que son las form as condensadas de la m ateria. También a ellas se debe el punto de ebullición relativam ente alto del agua, los puntos de ebullición relativa­ m ente bajos del éter etílico (36°C) y del hexano (69°C), la incapacidad del agua para disol­ verse en aceite y los efectos de enfriam iento que se producen durante la evaporación. E n este capítulo se estudiarán los cam bios de estado de la m ateria, incluso lo que ocurre cuando un sólido se transform a en líquido, o un líquido en un gas. ¿E s esto im por­ tante? Bueno, piensa en la transpiración. A ju zg ar p o r la cantidad de publicidad que se dirige contra este hum ilde líquido, habría que pensar que es una m olestia innecesaria. Sin em bargo, si no fuera po r el efecto de enfriam iento que se produce durante la trans­ form ación de líquido a vapor sobre la superficie de la piel, nos resultaría difícil la sim ple supervivencia en clim as cálidos, no se diga el realizar una actividad física vigorosa. Estos efectos, y otras propiedades de los líquidos y de los sólidos, se explican en térm inos de la m ism a teoría cinética m olecular que nos perm itió explicar las propiedades físicas de los gases.

.

13.1

Gases, líquidos y sólidos: algunas generalizaciones

L as pequeñísim as partículas individuales de un gas están separadas p o r grandes distan ­ cias; por esta razón, los gases se pueden com prim ir considerablem ente. E n cam bio, en los líquidos y sólidos las partículas individuales están en contacto unas con otras, p o r lo cual es m uy poco lo que se pueden com prim ir. P ara ilustrar esta enorm e diferencia de separación entre las m oléculas en estado gaseoso y en los estados condensados (líqui­ dos y sólidos), considera un volum en específico de vapor de agua (un gas) y com páralo con el m ism o volum en de agua líquida. •

A una tem peratura de 20.°C y a una presión de 1 atm, 1 m ol de vapor de agua (6.022 X 1023 m oléculas) ocupa 24.0 L, com o lo indica el cálculo siguiente con b ase en la ley del gas ideal.

V =

nRT P

•

1 mol

X

0.0821 L-atm 1 atm

X

X

293 K

= 24.0 L

mol-K

P ara llenar este m ism o volum en (24.0 L) con agua en estado líquido, el núm ero de m oléculas que se necesita es m uchas veces mayor. P ara saber cuántas veces mayor, com enzarem os por suponer que 24.0 L de agua tienen un a m asa de 24 000 g, porque la densidad del agua líquida es de aproxim adam ente 1.00 g/m L. Tam bién em ­ plearem os la m asa m olar del agua (18.0 g/m ol). C on estos valores y con el núm ero de A vogadro, se puede calcular el núm ero de m oléculas de agua líquida que se necesita p ara llenar un recipiente de 24.0 L , com o aquí se m uestra.

= 8.03 X 1026 moléculas

•

A hora, al dividir este núm ero de m oléculas de agua líquida presentes en 24.0 L entre el núm ero de m oléculas de vapor de agua (un gas) que hay en 24.0 L ,

Número de moléculas de agua líquida 8.03 X 1026 __________________________________ = ___________ = 1 33 Número de moléculas de agua gaseosa 6.022 X 1023 ‘

X

103

se advierte que hay aproxim adam ente 1300 veces m ás m oléculas de líquido que de gas en el m ism o volum en. P or consiguiente, las m oléculas de un líquido deben hallarse en un a situación de gran hacinam iento (Fig. 13.1).

▼ R eflexiona ▼ d e te n id a m e n te ▼ p o r pasos

c (

® 0

Figura 13.1 Hay aproximadamente mil veces más moléculas en un volumen dado de un líquido que en el mismo volumen de un gas.

9

W *— Gas

I C onexión con el aprendizaje Las fuerzas interm oleculares son las fuerzas de atracción entre una molécula y las moléculas vecinas. Las fuerzas intram oleculares son las que existen entre átomos dentro de una molécula, debido a los enlaces químicos.

v Líquido

Incluso en el estado gaseoso existe cierta atracción entre las moléculas. Estas fuerzas de atracción entre m oléculas reciben el nom bre de fu erza s in term o lecu lares. I Las atrac­ ciones pueden ser tan grandes que originan desviaciones respecto al com portam iento “ideal”, com o se explicó en el capítulo 12. E n general, sin embargo, estas fuerzas interm o­ leculares son m ucho m ás débiles en el estado gaseoso que en los estados líquido y sólido. A ntes de estudiar con detenim iento los tipos específicos de fuerzas interm oleculares, conviene repasar algunas generalizaciones acerca de los gases, líquidos y sólidos.

Gases, líquidos y sólidos: algunas generalizaciones 1. Todos los gases o bien son m onoatóm icos (constituidos por átom os individuales como H e y Ar), o están form ados p o r m oléculas con enlaces covalentes (como N 2 y CO 2).

I Conexión con el aprendizaje

2. Todos los líquidos puros a tem peratura am biente (com o el etanol, C 2H 5O H, y el agua) se com ponen de m oléculas con enlaces covalentes. E l m ercurio y el brom o son excepciones, pues se trata de elem entos que son líquidos a tem peratura am bien­ te. L os líquidos no polares son m iscibles con otros líquidos no polares. L os líquidos polares I son inm iscibles (no m iscibles) con los líquidos no polares.

Una molécula polar tiene una forma molecular y una distribución electrónica no equilibradas, por lo que una región es más negativa que otra. La forma molecular y la distribución electrónica de una molécula no polar están equilibradas y son simétricas.

3. A unque no se puede hacer u na generalización que abarque todos los sólidos, es válido afirm ar que todos los com puestos iónicos son sólidos cristalinos a tem pera­ tura am biente, con puntos de fusión relativam ente altos (de 300°C a 1200°C, aproxim adam ente) porque sus enlaces iónicos son m uy fuertes. E n estado de fusión o disueltos en agua, los iones disociados conducen una corriente eléctrica. L os com ­ puestos iónicos son poco solubles en líquidos no polares. 4. Todos los m etales son sólidos a tem peratura am biente (alrededor de 22°C) salvo el m ercurio, que es líquido en estas condiciones. L os m etales conducen tanto el calor com o la electricidad en estado sólido. A lgunos m etales se funden a tem peraturas bajas; en cam bio, otros lo hacen sólo a tem peraturas altas. E l intervalo de variación es m uy grande: el cesio y el galio tienen puntos de fusión de 29 y 30°C, respectiva­ m ente; la plata y el hierro se funden a 961 y 1536°C, respectivam ente; pero el tung­ steno encabeza la lista con un punto de fusión de 3407°C. 5. M uchas sustancias m oleculares (con enlaces covalentes) son sólidos a tem peratura am biente; por ejem plo, la glucosa, C6H 12O 6; el fósforo, P4; el azufre, S8; y m o lécu ­ las orgánicas com o los carbohidratos, las ceras y los plásticos. E l estado físico de una sustancia m o lecular a u na tem peratura determ inada guarda relación con su m asa m olar, las partículas con m ás m asa experim entan atracciones m ás grandes, y con diversas fu erza s intermoleculares. Si se puede elim inar una de estas dos va­ riables, o bien m antenerse constante, entonces es posible hacer generalizaciones sencillas.

P or ejem plo, los halógenos, todos los cuales existen en fo rm a de m oléculas diatóm icas no polares, tienen fuerzas interm oleculares sem ejantes; p o r tanto, las variaciones en sus propiedades son atribuibles a variaciones de m asa m olar. E l flúor, F 2, y el cloro, C l2, cuyas m asas m olares respectivas son de 38 y 71 g/m ol, son gases a tem peratura am biente. E l brom o, con una m asa m olar de 160 g/m ol, es un líquido, y el yodo, que tiene una m asa m olar de 254 g/m ol, es sólido. E l punto de fusión aum en ta con la m asa molar. C om o ejem plo adicional, conviene com parar u na serie de com puestos con fuerzas interm oleculares sem ejantes seleccionando los de un átom o de carbono y diversos h a ­ lógenos. C C l4

C B r4

C I4

M a s a m o la r (g /m o l)

88

154

33 2

52 0

E sta d o físic o a 2 0 °C

G a s e o so

L íq u id o

S ó lid o

S ó lid o

C o m p u e s to 4

F C

Tam bién en este caso, las variaciones de estado físico (a un a tem peratura dada) son paralelas a los cam bios de m asa m o lar cuando las fuerzas interm oleculares se asem e­ ja n . E n las secciones que siguen con sid erarem o s d eten id am en te los d iversos tip o s de fuerzas. EJEM PLO 13.1

C lasificación con b a se en las p ro p ie d a d e s

C on base en la inform ación que se proporciona, predice el tipo de enlaces y la polaridad m olecular de estas sustancias. (a) U n sólido céreo blanco funde a 80°C. N o conduce un a corriente eléctrica y no se disuelve en agua, pero sí en hexano, que es no polar. (b) U n líquido a tem peratura am biente es m iscible tanto con agua com o con hexano. SOLUCIÓN

(a) E l sólido es m olecular y no polar. L os sólidos m oleculares tienen punto de fusión bajo. D ado que se disuelve en un líquido no polar, debe ser no polar. (b) E l líquido es m olecular y de polaridad interm edia. D ebido a que este líquido es m iscible con líquidos tanto polares com o no polares, su polaridad tiene un grado interm edio. EJER CIC IO 13.1

P redice el tipo de enlaces y la polaridad m olecular (en su caso) de estas sustancias. (a) un sólido que se disuelve en agua y form a una solución que conduce la electricidad

Véanse los problemas 1 3.1 -1 3.1 0 .

(b) un líquido inm iscible en agua

^ 3.2|

Fuerzas interiónicas e intermoleculares

A l h acer la com paración de las fuerzas que existen en los líquidos y en los sólidos, es preciso distinguir con claridad entre las fu e rza s interiónicas, las fu e rza s intram olecu­ lares y las fu e rza s interm oleculares. L as fu e rz a s in te rió n ic a s (fuerzas entre iones) son, con pocas excepciones, las m ás intensas de todas las fuerzas que m antienen la integridad de sólidos y líquidos, com o lo in ­ dican los elevados puntos de fusión de los com puestos iónicos. I E sto se debe a que los iones tienen carga eléctrica, y los iones con cargas opuestas se atraen m utuam ente. C a­ d a ion de un sólido cristalino es atraído por varios iones que lo rodean en la red cristalina. L as fuerzas de atracción son m ayores entre los iones con m ás carga. P or ejem plo, la atracción entre un ion calcio, C a2+, y un ion óxido, O 2 , es m ayor que la atracción entre un ion sodio, N a +, y un ion cloruro, C l“ . L a atracción del ion alum inio, A l3+, p o r el ion

I Ciertos sólidos de red covalente, como SiC y SiO2 (Sección 13.5 ), tienen puntos de fusión aún más altos que los de los sólidos iónicos.

Fuerzas interm oleculares De las más intensas a las más débiles: • Puentes de hidrógeno • Fuerzas dipolares • Fuerzas de London

nitruro, N 3 , es aún mayor. U n a vez m ás, cuanto m ayor sea la fuerza de atracción, m ás alto será el punto de fusión. L as fu e rz a s in tra m o le c u la re s son las que existen entre átom os dentro de una m olécula o com puesto debido a sus enlaces (C apítulo 8), p o r ejem plo, los enlaces car­ bono-oxígeno de una m olécula de dióxido de carbono o los enlaces carbono-hidró­ geno del m etano. L a s f u e r z a s in te r m o le c u la re s , las atra cc io n es m u tu as d e las m o lécu las, son m ucho m ás débiles que las fuerzas intram oleculares, pero contribuyen a determ inar las propiedades físicas de las sustancias m oleculares. C om o grupo, las fuerzas interm olecu­ lares también reciben el nom bre de fu erza s d e v a n d e r W aals en honor del físico holandés Johannes van der W aals, el prim ero en p oner de relieve su im portancia. Se describirán tres tipos de fuerzas interm oleculares.

Fuerzas dipolares

I C onexión con el aprendizaje La atracción entre moléculas dipolares es el resultado de fuerzas que se ejercen entre centros de carga parcial, en tanto que en la atracción mucho más intensa entre iones intervienen partículas con carga completa.

Ya hem os visto (Sección 8.4) que se form an enlaces covalentes polares cuando se co m ­ parten pares de electrones de form a desigual entre átom os de elem entos diferentes. U na m olécula de cloruro de hidrógeno, H Cl, es polar; el p ar de electrones de su enlace es atraído con m ás intensidad h acia el cloro, el átom o m ás electronegativo, que h acia el hidrógeno, el átom o m enos electronegativo. L as m oléculas que tienen centros separa­ dos y no equilibrados de carga parcial negativa y carga parcial positiva reciben el n o m ­ bre de dipolos. C uando se aproxim an lo suficiente m oléculas que son dipolos, el extrem o positivo de una m olécula atrae el extrem o negativo de otra. E sto se asem eja a la atracción entre polos opuestos de im anes. L as fuerzas dipolares pueden existir en toda la estructura de un líquido o un sólido (Fig. 13.2). E n general, las fuerzas de atracció n en tre d ip o lo s son m ás bien débiles. I Sin em bargo, son m ás intensas que las fuerzas entre m oléculas no polares de m asa m olar com parable. Son ejem plos de com puestos con m oléculas dipolares el cloruro de h i­ drógeno, H Cl, el brom uro de hidrógeno, HBr, y las m oléculas angulares con form a de V com o el sulfuro de hidrógeno, H 2S, y el dióxido de azufre, SO 2. L a intensidad de las fuerzas dipolares representa sólo alrededor del 1 % de la fortaleza de los enlaces iónicos.

Puentes de hidrógeno I C onexión con el aprendizaje Forman puentes de hidrógeno las moléculas que tienen F, O o N unido a un átomo de hidrógeno.

Figura 13.2 Representación idealizada de fuerzas dipolares en un líquido (a) y en un sólido (b). En un líquido o sólido real, las interacciones son más complejas.

L as fuerzas interm oleculares entre m oléculas polares que contienen átom os de hidrógeno unidos a flúor, oxígeno o nitrógeno I son m ás intensas de lo que sería de esperar con base en las fuerzas dipolares de atracción únicam ente. Estas fuerzas interm oleculares son tan intensas que se les h a dado un nom bre especial: el de p u e n te d e h id ró g en o . E l térm ino puente de hidrógeno es un nom bre que puede dar lugar a confusión, pues destaca sólo el com ponente de hidrógeno.

& jj

m a. (c) M ás m o lécu las de H 2 y N 2 se

..

h an c onvertid o e n N H 3. Se ha estab lecid o u n n uev o e q u ilib rio c on4 H 2, 3 N 2 y 7 N H 3, u n to tal d e 14 m o-

¡a) En equilibrio

(b) Perturbado

lécu las.L ap ertu rb ació n s eh aa liviad o en p arte p o r la red u cció n en el n ú m ero t o tald em oléculas.

^ = NH3 J®=H2 Q 0

(c) Nuevo equilibrio

LA QUÍMICA EN ACCIÓN S ín te s is d e a m o n ia c o : e lp ro c e so H a b e r

m u y g ra n d e (d e 3 0 0 a 4 0 0 atm , a p ro x im a d a m e n te ) p a r a d e sp la z a r

D e s d e h a c e m u c h o tiem p o lo s c o m p u e sto s d e n itró g e n o h an sido su stan cias q u ím ic a s v alio sas c o n u n a e x ten sa g a m a d e usos, en

re a c c io n a d o se re c ic la n e n e l m ism o p ro c e so . A lre d e d o r d e tres cu artas p artes d e lo s 17 m illo n es d e to n e la ­

e s p e c ia l e n la in d u stria d e lo s fe rtiliz a n te s y d e lo s ex p lo siv o s.

das m étric as d e am o n iaco q u e se p ro d u c e n e n E stad o s U n id o s ca d a año se u tilizan co m o fertilizante. P arte d e l am o n iaco se ap lica d i­

e l eq u ilib rio h a c ia lo s p ro d u c to s. E l a m o n ia c o se ex tra e d e l sis te ­ m a e n e stad o líq u id o . E l n itró g e n o y e l h id ró g e n o q u e n o h an

A n te s d e la P rim e ra G u e rra M u n d ia l, la fu e n te p rin c ip a l d e c o m ­ p u e s to s d e n itró g e n o e ran lo s d ep ó sito s d e n itrato s, c o m o lo s qu e se e x p lo ta b a n e n C h ile. D esp u é s, las fu e n te s co m e rc ia le s d e c o m ­

rec ta m e n te al suelo e n fo rm a d e am o n iaco an h id ro (N H 3). E l a m o ­ niaco se co n v ierte tam b ién e n varios co m p u esto s d e am onio, co m o

p u e s to s n itro g e n a d o s su friero n u n g ran c a m b io c u a n d o el n o tab le q u ím ic o alem án F ritz H a b e r ap licó e l p rin c ip io d e L e C h á te lie r al

nitrato d e am onio, sulfato d e am o n io y fosfato d e am onio, q u e se a p lic a n a l su e lo e n f o rm a g ra n u la d a . A d e m á s , g ra n d e s c a n tid a ­

d ise ñ o d e u n p ro c e so in d u strial v ia b le p a ra la p ro d u c c ió n d e a m o ­ n ia c o a p a rtir d e n itró g e n o e h id ró g e n o g aseo so s. (S u ren d im ie n to

d e s d e am o n iaco se em p le a n e n la p ro d u cció n d e ácido nítrico, u re a (q u e se u s a e n fertilizantes y e n alim en to s p a ra el g an ad o ) y

in ic ia l fu e d e só lo 0 .2 6 % .) Y a p a r a 1 9 1 4 la in d u s tria q u ím ic a p r o d u c ía a m o n ia c o p o r

m u c h o s o tro s co m p u esto s nitro g en ad o s.

e l p ro c e s o H ab er. L as m a te ria s p rim a s d e l p ro c e s o so n g a s n a tu ­ ra l, a g u a y aire. E l h id ró g e n o g a s e o s o p a r a e l p ro c e s o se o b tie n e h a c ie n d o re a c c io n a r g a s n a tu ra l c o n v a p o r d e a g u a p a r a fo rm a r m o n ó x id o d e c a rb o n o e h id ró g e n o g a se o so . C H 4 + H 2O ------- > C O + 3 H 2 E l C O a s í o b te n id o se h a c e re a c c io n a r c o n m á s v a p o r d e a g u a p a ­ r a co n v ertirlo e n C O 2 y m á s H 2. C O + H 2O ------ > C O 2 + H 2 E l d ió x id o d e c a rb o n o q u e d e a q u í se o b tie n e se p u e d e u tiliz a r e n u n a re a c c ió n c o n a m o n ia c o p a r a p r o d u c ir u re a , C O (N H 2)2, u n i n g re d ie n te d e f e rtiliz a n te s. E l n itró g e n o g a se o so p a ra e l p ro c e so H a b e r se o b tien e se p a­ ra n d o n itró g e n o líq u id o d e l aire líq u id o . L a re a c c ió n ex o té rm ic a d e n itró g e n o g a se o so co n h id ró g e n o g a se o so se llev a a cab o e n un re c ip ie n te cerra d o a u n a te m p e ra tu ra d e a lre d e d o r d e 4 5 0 °C , en p re se n c ia d e u n c a ta liz a d o r (óx id o d e h ierro m á s o tro s ó x id o s m e ­ tálico s), co n lo cu a l la v e lo c id a d d e la re a c c ió n re su lta p ráctica. catalizador

2 N H 3 (g) + 9 2 k J

N 2 (g ) + 3 H 2 (g ) ^

E l n ú m ero d e m o le s d e g as d ism in u y e (d e 4 a 2) c o n fo rm e la re a c ­ ció n av an za, p o r lo q u e la re a c c ió n se lle v a a c a b o a u n a p re sió n

El am oniaco es uno de los diez productos quím icos principales de Estados Unidos. A lre d e d o r del 7 5 % del am oniaco que se produce se aplica directam ente al suelo para fertilizar diversos cultivos, entre ellos el maíz, que agotan el nitrógeno del suelo.

Cambios de concentración U n ar eacciónq uím icae ne quilibrios ep ueder epresentarm ediantel ae cuacióng eneral A + B

C + D

Si se aplica una perturbación aum entando la concentración de A, parte de éste reacciona­ rá con B; por tanto, la concentración de B dism inuye a m edida que las concentraciones de C y D aum entan. Cuando se establece el nuevo equilibrio, las velocidades de las reaccio­ nes directa e inversa vuelven a ser iguales, pero con concentraciones m ayores de produc­ tos. Se dice que el equilibrio se ha desplazado hacia los productos, o hacia la derecha. Con respecto al proceso Haber, un aum ento de concentración ya sea de nitrógeno o de hidrógeno provoca una dism inución de la concentración del otro reactivo, pero esto origina un aum ento en la concentración de am oniaco. Cuando se increm enta la concentración de N 2, el desplazam iento del equilibrio se resum e com o sigue.

N 2(g) + 3 H 2(g) A um enta D ism inuye

Si se aum enta la concentraciónd eN 2:

2 N H 3(g) A um enta

E l equilibrio se desplaza h acia la derecha, en favor de los productos. L a extracción de am oniaco del sistem a cerrado tam bién desplaza el equilibrio h acia la derecha. Sin em bargo, una extracción de cualquiera de los dos reactivos o un aum ento en la concentración de am oniaco desplazará el equilibrio h acia la izquierda y favorecerál ar eaccióni nversa.

Cambios de temperatura E n el caso de las reacciones endotérm icas, se puede considerar al calor com o un reacti­ vo cuando se aplica el principio de L e C hátelier p ara predecir desplazam ientos del eq ui­ librio. Con respecto a las reacciones exotérm icas, se puede considerar al calor com o uno de los productos. E n uno u otro caso, cuando se aplica calor a un a reacción quím i­ ca el equilibrio se desplaza de m odo de hacer uso de la energía calorífica adicional. En la reacción endotérm ica de descom posición del K C lO 3 , la adición de energía calorífica desplaza el equilibrio h acia la derecha, en favor de la reacción directa que im plica la producciónd em áso xígeno. C uando a tem peratura aum enta:

2 K C lO 3 + C alor

2 K C l + 3 O 2 (g) endotérm ica

E l equilibrio se desplaza en favor de la form ación de m ás productos.

E n el proceso H aber, que es exotérm ico, cuanto m ás alta es la tem peratura, m ás se desplazae le quilibrioh acial ai zquierda,e n f avord el ar eaccióni nversa. C uand° l a tem peratura aum enta:

Lee el recuadro “S ín te sis de amoniaco" para con ocer más detalles.

N 2 (g) + 3 H 2 (g) ^

s 2 N H 3 (g) + C alor exotérm ica

E l equilibrio se desplaza en favor de la form ación de m ás reactivos.

P or consiguiente, para p roducir m ás am oniaco se debe em plear un a tem peratura m ás baja, pero se llega a un com prom iso. A m edida que se reduce la tem peratura, la velocidad de reacción dism inuye. Si no hay energía suficiente para que las m oléculas alcancen la energía de activación, no hay reacción. Para el proceso H aber se considera óptim a una tem peratura de alrededor de 450°C. I L a reacción reversible de conversión del N O 2 (g) de color pardo en N 2 O 4 (g) incoloro — estudiada en la sección 15.3— es exotérm ica; se desprende calor (véase la Fig. 15.13). L a adición de calor al sistem a (calentam iento) desplaza el equilibrio h acia la izquierda, en favor de la reacción inversa. Por tanto, a una tem peratura m ás alta la nueva concentra­ ción de equilibrio del N O 2 (g) de color pardo es m ayor, y la concentración de equilibrio de N 2 O 4 (g) incoloro dism inuye. C uandol a tem peratura aum enta:

2

N O 2 (g) ^

s N 2 O 4 (g ) + C a lo r

exdotérm ica

E l equilibrio se desplaza en favor de la form ación de m ás reactivos.

Si se extrae calor (se baja la tem peratura), el equilibrio se desplaza hacia la derecha, en favord el ar eacciónd irecta. E n vez de em plear sim plem ente la p alabra calor en la ecuación, se po d ría indicar la cantidad de calor liberada, que es de 58.0 kJ en la ecuación tal com o está escrita; es d e­ cir, por cada 2 m o l de reactivos y 1 m o l de productos. 2 N O 2 (g)

N A i ( g ) + 5 8 .0 kJ

C uando u na reacción es exotérm ica, el cam bio de entalpía, AH (el cam bio de energía ca­ lorífica), es negativo, I po r lo que esta reacción tam bién se puede representar em plean­ do la notación de AH siguiente. 2 N O 2 (g) ^N N 2 O 4 (g)

A H = - 5 8 . 0 kJ

L as tres ecuaciones quím icas nos dicen que la reacción es exotérm ica. D os de ellas incluyen la cantidad de energía calorífica liberada p o r la cantidad específica de m oles que se indican en la ecuación. Cualquiera que sea el estilo de ecuación que se em plee, al calentar el sistem a el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, y al enfriarlo, el equilibrio se desplaza hacia la derecha.

Cambios de volumen y de presión Para que los cam bios de volumen o de presión tengan un efecto apreciable en una reacción quím ica en equilibrio, es necesario que uno o m ás de los reactivos o productos sea gaseoso. E n la reacción entre H 2 e I 2 que form a HI a 700°C, todas las sustancias participantes son ga­ ses, y 2 m ol de reactivos producen 2 m ol de productos. H 2 (g) + I 2 (g) M oles: A um entod ep resión:

2 HI(g)

2 mold; gis 2 mol (fe gis E le quilibrion os ed esplaza.

U na reducción del volum en acerca m ás las m oléculas. E sto increm enta la concentración y el núm ero de colisiones m oleculares; en consecuencia, las velocidades de las reacciones directa e inversa aum entan. Sin em bargo, la m ayor presión no afecta el equilibrio porque hay el m ism o núm ero de m oles de reactivos que de productos gaseosos. E n el caso del equilibrio entre N O 2 (g) y N 2 O 4 (g), el núm ero de m oles de reactivos y de productos gaseosos no es igual. H ay 2 m ol de gas en el lado izquierdo y sólo 1 m ol de gas en el derecho. 2 N O 2 (g)

N 2 O 4 (g) + C alor

M oles: 2 m ol de gas 1 m ol de gas A um ento de presión: E l equilibrio se desplaza hacia la derecha para reducir los moles (moléculas). C uando el sistem a está en equilibrio y se reduce el volum en a tem peratura constante, la presión total aum enta. D e acuerdo con el principio de L e Chátelier, el sistem a responde con un desplazam iento del equilibrio encam inado a reducir la presión. U n sistem a redu­ cirá su presión si consigue dism inuir el núm ero total de m oléculas gaseosas, o el n ú m e­ ro de m oles de gas. Así, cuando se reduce el volum en la presión aum enta, p o r lo cual el equilibrio se desplaza en favor de la producción de N 2 O 4 (g) incoloro del lado de los p ro ­ ductos de la ecuación, donde hay m enos m oles de gas. ¿C uál sería el efecto de un aum ento de presión en el equilibrio de la síntesis de am o­ niaco de Haber? E n este caso, los m oles de reactivos y de productos gaseosos no son igua­ les. Cuatro m oles de reactivos form an dos m oles de productos, todos ellos gaseosos. Al aum entar la presión, el equilibrio se desplaza a fin de reducir la presión m ediante una dis­ m inución del núm ero total de m oles de gas. Por tanto, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, lo que origina la form ación de m ás amoniaco. N 2 (g) + 3 H 2 (g) M oles: A um ento de presión:

2 N H 3 (g) + C alor

4 m ol de gas 2 m o l de gas E l equilibrio se desplaza hacia la derecha para reducir los m oles (moléculas).

I Conexión con el aprendizaje El concepto de entalpía se analizó con más detenim iento en la sección 11.7.

U na presión de 1000 atm sería m uy eficaz p ara em pujar el equilibrio hacia la d ere­ cha, pero el equipo necesario p ara m anejar un a presión de esta m agnitud sería m uy grande y costoso. E n toda actividad industrial es necesario llegar a un com prom iso en térm inos de inversión de capital y costos de operación. E n función de estas considera­ ciones de rentabilidad, en el proceso H aber se utilizan presiones de 300 a 400 atm.

EJEM PLO 15.4

Principio d e Le Chátelier

¿Q ué efecto tendrá, en su caso, cada uno de estos cam bios en la reacción siguiente en equilibrio? 2 C O (g) + O 2 (g)

(a) A dición de C O (c) E nfriare ls istem ad er eacción

2 C O 2 (g) + C alor

(b) E xtracciónd eO 2 (d) A um entarl ap resión

SOLUCIÓN

(a) E le quilibrios ed esplazah acial ad erechap arac onsum ire lC O a dicional. (b) E l equilibrio se desplaza hacia la izquierda para reponer el O 2 que h a sido extraído. (c) E le quilibrios ed esplazah acial ad erechap arar eponere lc alorp erdido. (d) E l equilibrio se desplaza hacia la derecha para aliviar la presión transform ando 3 m ol de reactivos gaseosos en 2 m ol de productos gaseosos. EJER CIC IO 15.4 Véanse los problemas 15.47-15.54.

(a) ¿C uál será el efecto de extraer N H 3 o de aum entar la presión en la síntesis de amoniacod eH aber? N 2 (g) + 3 H 2 (g)

2 N H 3 (g) + Calor

(b) ¿C uál será el efecto de aum entar la tem peratura en la síntesis de am oniaco de Haber?

^5 .5

Efecto de un catalizador en un sistema

U n catalizador aum enta la velocidad de reacción reduciendo la energía de activación (Sec. 15.2). E n el caso de un a reacción catalizada, la velocidad de la reacción directa au ­ m enta ju n to con la velocidad de la reacción inversa. E n otras palabras, en presencia de un catalizador el sistem a alcanza m ás pronto el equilibrio en un recipiente cerrado, pero el catalizador no influye en las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio.

E l catalizador no altera la posición del equilibrio, esto es, las proporciones de reactivos y productos, ni en favor de los reactivos ni de los productos de una reacción en un recipiente cerrado.

E xam inem os ahora el efecto de un catalizador en una reacción que no se lleva a ca­ bo en un recipiente cerrado. Si se extrae uno de los productos de la reacción tan pronto com o se form a, la reacción inversa nunca llega a establecerse a la m ism a velocidad que la reacción directa. E l sistem a nunca alcanza el equilibrio. Por ejem plo, en la descom po­ sición del clorato de potasio, K C lO 3 , y a descrita, el catalizador aum enta la rapidez con la que se produce oxígeno (la reacción directa), pero si se extrae el oxígeno tan pronto co ­ m o se genera, nunca se establecerá el equilibrio. Los catalizadores se em plean extensa­ m ente p ara aum entar la rapidez de form ación de todo tipo de sustancias químicas.

EJEM PLO 15.5

Catalizadores y equilibrio

C onsiderad en uevol ao xidaciónd elm onóxidod ec arbono. 2 C O (g) + O 2 (g)

2 C O 2 (g) + C alor

(a) Si la reacción se lleva a cabo en un recipiente cerrado, ¿qué efecto tendrá un catalizadore ne le quilibrio?

(b) Si la reacción se lleva a cabo en un recipiente abierto, com o en un convertidor ca­ talítico de autom óvil, por ejem plo, ¿cuál será el efecto de em plear un catalizador? SOLUCIÓN

(a) U nc atalizadorn oi nfluyee nl a posiciónd ele quilibrio. (b) En un recipiente abierto, el C O 2 escapa tan pronto com o se forma, por lo que el cata­ lizador aum enta sólo la velocidad de la reacción directa. También aum enta la fracción de m oléculas de CO que reaccionan porque se reduce la energía de activación. EJER CIC IO 15.5

E l óxido nítrico, N O , que se form a a tem peraturas elevadas en el m o to r de los autom ó­ viles se descom ponea lp asarp ore lc onvertidorc atalítico.L ae cuacióne s 2 N O (g)

N ( g ) + O 2 (g)

(a) ¿Q uée fectot endráu nc atalizadore ne le quilibrioe nu n r ecipientec errado? (b) ¿Q ué efecto tendrá un catalizador en el equilibrio en un recipiente abierto, com o en un convertidor catalítico de autom óvil?

Expresión de la cons tante de equilibrio H em os descrito los sistemas en equilibrio y los diversos factores que regulan los desplaza­ m ientos de la posición del equilibrio, pero el asunto no term ina ahí, com o es de esperar. Si se conocen las concentraciones de todas las sustancias participantes en el equilibrio, salvo la de una de ellas, se puede calcular la concentración desconocida si tam bién se conoce lo que se denom ina constante de equilibrio. P rim ero debem os escribir una ecuación general que represente la reacción en equili­ brio, donde A y B son reactivos, C y D son productos, y a, b, c y d son los coeficientes. a A + bB x

N c C + dD

A horas ep uedee scribiru n a expresiónd el ac onstanted ee quilibrio [C]c [D]¿ 6,1

[A]“ [B]*

donde la constante de equilibrio (K eq ) perm anece constante a un tem peratura dada. Si se m odifica una de las concentraciones, todas las dem ás se desplazan de m odo de m an ­ tener la m ism a K eq a esa tem peratura. H ay una K eq diferente a cada tem peratura. L as le­ tras entre corchetes, [], representan las concentraciones de los reactivos y productos gaseosos en m oles por litro. L os estudios han dem ostrado que las cantidades de sólidos o líquidos presentes no influyen en el equilibrio ni en la constante de equilibrio; p o r es­ ta razón se om iten esas concentraciones. L as letras que aparecen com o supraíndices (los exponentes), a , b , c y d, son los coeficientes de las sustancias representadas en la ecua­ ción balanceada. A dvierte que la concentración m olar de cada sustancia participante en

Véansel os problemas 15.55-15.60.

el equilibrio está elevada a una p o tencia equivalente al coeficiente num érico que apare­ ce en la ecuación balanceada. H e aq u í una definición m ás form al.

L a constante de equilibrio, Keq, es igual al producto de las concentraciones en el equili­ brio de los productos de la reacción dividido entre el producto de las concentraciones de los reactivos, cada una elevada a una potencia que corresponde a su coeficiente en la ecuación balanceada.

E n el caso de la síntesis de am oniaco de H aber N 2 (g) + 3 H 2 ( g ) ------> 2 N H 3 (g) + C alor lae xpresiónd el ac onstanted ee quilibrios ee scribec om os igue. = I Conexión con el aprendizaje

[K H 3 ] 2

eq [ N

A d vie rte que el cubo se aplica únicam ente a la concentración de hidrógeno, no a la de nitrógeno.

i

J [H J3

E n palabras, la constante de equilibrio es igual al cuadrado de la concentración de am onia­ co dividido entre la concentración de nitrógeno y el cubo de la concentración de hidrógeno.

EJEM PLO 15.6

Expresiones de la constante de equilibrio

E scribel ase xpresionesd el ac onstanted ee quilibriod el asr eacciones

(a) H 2 (g) +

C l 2 (g)

(b) 2 CO (g) +

2 H Cl(g)

Ü 2 (g)

2 C Ü 2 (g)

[HCl]2

^

SOLUCIÓN

(a)

[C 02]2

(b)

EJER CIC IO 15.6

(a) Escribe la expresión de la constante de equilibrio de la reacción citada en el ejem plo 15.5.

(b) Escribe la expresión de la constante de equilibrio de la reacción citada en el ejercicio 15.5.

I Conexión con el aprendizaje Los valores de Keq se indican en general com o números sin unidades.

L as reacciones que tienden a avanzar h asta casi com pletarse (hacia la derecha) tie­ nen constantes de equilibrio grandes. I E n cam bio, cuando la constante de equilibrio es m uy pequeña el equilibrio se encuentra m uy desplazado h acia la izquierda, h acia los reactivos. A dvierte que las concentraciones de los productos se colocan en el num erador de la expresión de equilibrio, y las concentraciones de los reactivos, en el denom inador. U na constante de equilibrio con un valor positivo grande indica que las concentraciones de equilibrio de los productos son m ayores que las concentraciones de los reactivos. C uando la constante de equilibrio es m uy pequeña (entre 0 y 1), las concentraciones en el equitibrio de los reactivos son m ayores que las de los productos. E n la tabla 15.1 se m uestran las constantes de equilibrio de algunas reacciones. E l ejem plo que sigue m ues­ tra cóm o calcular la concentración en el equilibrio de un a sustancia cuando se conocen todasl asd em ásc oncentracionesy t am biénl ac onstanted ee quilibrio.

Tabla 15.1

Constantes de equilibrio de algunas reacciones

Número de reacción

Reacción en equi li brio

1

2 S O 2 (g) +

2

N 2 (g) +

3

C O (g ) +

4

N 2 (g) +

O 2 (g) =F

5

N 2 (g) +

O 2 (g) ^ —

6

2 H 2 S (g ) . ------- -

EJEM PLO 15.7

Temp.

K eq

1000 K

2 .8 0 X 10 2

300 K

1.55 X 10 2

590 K

3 .1 5 X 10 1

2 N O (g )

2500 K

2 .1 0 X 1 0 -

2 N O (g )

2000 K

4 .0 8 X 1 0 - 4

1020 K

1 .1 0 X 1 0 -

------ -

O 2 (g)

3 H 2 (g) ='

S

2

H 2 O (g ) ^------- "

2

S O 3 (g)

N H 3 (g) C O 2 (g ) + H 2 (g)

2 H 2 (g ) + S 2 (g)

3

6

C oncentraciones de equilibrio

L a constante de equilibrio de la reacción siguiente a cierta tem peratura resultó ser de 62. C uando la concentración de H 2 es 0.20 M y l a concentración de I 2 (g) es 0.25 M , ¿cuál es la concentración en el equilibrio de HI(g)? H 2 (g) +

2 H I(g)

I 2 (g)

SOLUCIÓN L a expresión de la constante de equilibrio es [HI]2 ^

“

[H2] [ y

Sustituye la constante de equilibrio y las concentraciones (en m oles por litro) en la ecua­ ción y despeja [HI]. [HI]2 K ° C lO ( g ) + O 2 ( g )

(1 )

1 5 .3 6

¿ E n c u á l o c u á le s d e lo s s is te m a s s ig u ie n te s p u e d e h a b e r e q u ilib rio s f ís ic o s d in á m ic o s , y e n c u á l o c u á le s p u e d e

C lO ( g ) + O ( a t ó m i c o ) -------> C l ( a tó m i c ° ) + O 2 (g ) a. E x a m in a la r e a c c ió n d e la e ta p a

(2 )

1

y d e s c r ib e lo q u e

2

y d e s c r ib e lo q u e

h a b e r e q u ilib rio s q u ím ic o s ? ¿ E n q u é p u n to e s ta ría c a d a p r o c e s o e n e q u ilib rio ?

o c u rre .

a. v a p o r iz a c ió n y c o n d e n s a c i ó n d e a g u a

b. E x a m in a la r e a c c ió n d e la e ta p a

b. c o n v e r s ió n d e o x íg e n o g a s e o s o e n o z o n o

o c u rre .

c. d is o lu c ió n y c r i s t a l iz a c i ó n d e a z ú c a r

c. E x p lic a c ó m o p u e d e u n m is m o á to m o d e c lo r o in ­ te r v e n ir e n la d e s c o m p o s ic ió n d e m u c h a s m o lé c u la s

1 5 .3 7

d e ozono. 1 5 .3 0

L a r e a c c ió n g lo b a l d e H 2 (g) c o n I 2 (g ) p a r a f o rm a r H I(g ) H 2 (g ) + I 2 ( g ) ------ > 2 H I (g )

1 5 .3 8

¿ E n q u é c o n s is te lo d in á m ic o , e n té r m in o s d e e q u ili­ b r io s f ís ic o s , e n e l p u n to d e fu s ió n ?

1 5 .3 9

n o s e lle v a a c a b o e n u n a s o la e ta p a , s in o q u e s ig u e u n

C o n a y u d a d e la f ig u r a 1 5 .1 2 , d e s c r ib e q u é le o c u r r e a la s c o n c e n tr a c io n e s d e lo s r e a c tiv o s y d e lo s p r o d u c to s

m e c a n i s m o d e d o s e ta p a s . I 2 ( g ) -------* 2 I ( a tó m ic o ) ( r á p id a )

¿ Q u é tie n e d e d in á m ic a u n a r e a c c ió n q u ím ic a e n e q u i­ lib rio ?

a n te s d e q u e s e e s ta b le z c a e l e q u ilib rio . (1 )

1 5 .4 0

C o n a y u d a d e la f ig u ra 1 5 .1 2 , d e s c rib e q u é le o c u r re a la s c o n c e n tr a c io n e s d e lo s re a c tiv o s y d e lo s p ro d u c to s

2 I ( a tó m ic o ) + H 2 ( g ) --------> 2 H I (g ) ( le n ta )

(2 )

a. E x a m in a la r e a c c ió n d e la e ta p a 1 y d e s c r ib e lo q u e

c u a n d o se e s ta b le c e e l e q u ilib rio . 1 5 .4 1

o c u rre .

1 5 .1 4 p a r a c o m p a r a r la s c o n c e n tr a c io n e s d e tu e rc a s ,

b . E x a m in a la r e a c c ió n d e la e ta p a 2 y d e s c r ib e lo q u e

to r n illo s y u n id a d e s e n s a m b la d a s c u a n d o s e e s ta b le c e el

o c u rre . c . ¿ Q u é e s lo q u e e l m e c a n i s m o p o n e d e m a n if ie s to

U tiliz a la a n a lo g ía d e “ tu e r c a s y to r n illo s ” d e la f ig u ra

e q u ilib rio . 1 5 .4 2

q u e la r e a c c i ó n g l o b a l n o m u e s tr a ?

U ti li z a la a n a lo g ía d e “ tu e r c a s y t o r n ill o s ” d e la f ig u ­ r a 1 5 .1 4 p a r a c o m p a r a r la s c o n c e n t r a c io n e s d e t u e r ­ c a s , t o r n ill o s y u n id a d e s e n s a m b l a d a s a n t e s d e q u e se e s ta b l e z c a e le q u ilib rio .

R e a c c io n e s r e v e r s ib le s y e q u ilib rio 1 5 .3 1

¿ E n q u é c o n d ic io n e s la s p e r s o n a s q u e s u b e n y b a ja n p o r

1 5 .4 3

s a e n e le q u i l ib r io .E x p l ic a t u r e s p u e s ta .

d e p a r ta m e n to s s e ría n u n b u e n e je m p lo d e e q u ilib rio d i­ n á m ic o ? E x p lic a tu r e s p u e s ta . 1 5 .3 2

1 5 .4 4

U tiliz a lo s d ib u jo s d e la f ig u ra 1 5 .1 5 p a r a c o m p a r a r las

D ie c io c h o e s tu d ia n te s tr a b a ja b a n e n u n la b o r a to rio d e

v e lo c id a d e s d e r e a c c ió n y la s c o n c e n tr a c io n e s a n te s d e

q u ím ic a a l m is m o tie m p o q u e s e is e s tu d ia n te s d e l g r u ­

q u e s e e s ta b le z c a e l e q u ilib rio y u n a v e z q u e s e h a e s ta ­ b le c id o .

p o e s ta b a n e n u n a s a la d e c ó m p u to a d y a c e n te h a c ie n d o e je r c ic io s e n la s c o m p u ta d o r a s . A l p a s a r e l tie m p o , a l­

1 5 .4 5

g u n o s d e lo s e s tu d ia n te s q u e tr a b a ja b a n c o n la s c o m p u ­

C o n r e s p e c to a la r e a c c ió n 2 C O ( g ) + O 2 (g )

ta d o r a s e n tr a r o n a l la b o r a to rio a tr a b a ja r a h í, m ie n tra s

2 C O 2 (g)

q u e o tr o s e s tu d ia n te s s a lie ro n d e l la b o r a to rio d e q u ím i­

d e s c r i b e lo q u e le o c u r r e a la s c o n c e n t r a c i o n e s d e

c a y c o m e n z a r o n a tr a b a ja r e n la s c o m p u ta d o r a s . ¿ E n

C O , O 2 y C O 2 a n te s d e q u e s e e s ta b l e z c a e l e q u ilib r io

q u é c o n d ic io n e s p o d r ía u s a r s e e s ta s itu a c ió n c o m o m o ­

y u n a v e z q u e s e h a e s ta b le c id o .

d e lo d e e q u ilib rio d in á m ic o ? 1 5 .3 3

U ti li z a la a n a lo g í a d e “ tu e r c a s y t o r n il lo s ” p a r a c o m ­ p a r a r la s v e lo c id a d e s d e la s r e a c c io n e s d i r e c ta e in v e r-

e s c a le r a s m e c á n ic a s e n tr e d o s p is o s d e u n a lm a c é n d e

1 5 .4 6

¿ E n q u é c o n d ic io n e s p o d r ía s e rv ir u n e s ta c io n a m ie n ­

C o n r e s p e c to a la r e a c c ió n N 2 (g ) +

2

O 2 (g )

2

N O 2 (g)

to d e tu e s c u e l a o u n iv e r s id a d c o m o m o d e lo d e e q u il i­ d e s c r ib e lo q u e le o c u r r e a la s c o n c e n t r a c i o n e s d e N 2,

b r io d in á m ic o ? 1 5 .3 4

O 2 y N O 2 a n te s d e q u e s e e s t a b l e z c a e l e q u ilib r io y

¿ E n q u é s e n tid o p o d r ía s e rv ir u n a h e r m o s a f u e n te d e u n

u n a v e z q u e s e h a e s ta b le c id o .

p a r q u e c o m o m o d e lo d e e q u ilib rio d in á m ic o ? 1 5 .3 5

¿ E n c u á l o c u á le s d e lo s s is te m a s s ig u ie n te s p u e d e h a b e r e q u ilib rio s fís ic o s d in á m ic o s , y e n c u á l o c u á le s p u e d e h a b e r e q u ilib rio s q u ím ic o s ? ¿ E n q u é p u n to e s ta ­

P r in c ip io d e L e C h á te lie r 1 5 .4 7

D e a c u e r d o c o n e l p r in c ip io d e L e C h á te lie r , ¿ q u é e f e c ­

r ía c a d a p r o c e s o e n e q u ilib rio ?

to te n d r ía u n a u m e n to d e te m p e r a tu r a e n lo s e q u ilib rio s

a. f u s i ó n y c o n g e la c i ó n d e a g u a

s ig u ie n te s ?

b . d is o l u c i ó n y c r i s t a li z a c ió n d e c l o r u r o d e s o d io

a. H 2 (g ) + C l 2 (g )

c . c o n v e r s ió n d e O 2 (g ) y N 2 (g ) e n ó x id o s d e n itró g e n o

b. 2 C O 2 (g ) +

e n u n m o to r d e a u to m ó v il, y d e s c o m p o s ic ió n d e lo s

c. 3 O 2 +

2 H C l( g ) +

E n e rg ía

E n e r g ía

E n e rg ía

2 C O (g ) + O 2 ~~ 2 O 3

1 5 .4 8

D e a c u e r d o c o n e l p r in c ip io d e L e C h a te lie r , ¿ q u é e f e c ­ s ig u ie n te s ?

c o n o c id o c o m o a l c o h o l m e tílic o ) ? 3 H 2 (g )

C O ( g ) + 2 H 2 (g ) C H 4 (g ) +

b. 4 N H 3 (g) +

H 2 O (g ) +

E n e r g ía

C H 3 O H (g )

a. la e x tr a c c ió n d e l C H 3O H

5 O 2 (g )

b. u n a u m e n to d e p r e s ió n

4 N O (g ) + c . H 2 (g ) +

1 5 .5 0

¿ C u á l s e r ía e l e f e c to d e la s a c c io n e s s ig u ie n te s e n e l e q u il ib r io d e la s ín te s is d e m e ta n o l, C H 3O H ( ta m b ié n

a. C O ( g ) +

1 5 .4 9

1 5 .5 7

to te n d r ía u n a u m e n to d e te m p e r a tu r a e n lo s e q u ilib rio s

6

H 2 O (g ) +

I 2 (g ) + E n e r g ía

E n e r g ía

c. r e d u c i r l a c o n c e n t r a c ió n d e H

2 H I (g )

2

d. la a d ic i ó n d e u n c a ta liz a d o r

C o n b a s e e n e l p r in c ip io d e L e C h a le lie r , p r e d ic e el

1 5 .5 8

¿ C u á l s e r ía e l e f e c to d e la s a c c io n e s s ig u ie n te s e n e l

e f e c to q u e a u m e n ta r la p r e s ió n to ta l ( r e d u c ie n d o e l v o ­

e q u ilib r io d e la r e a c c i ó n d e l c o q u e , C ( s ) , c o n v a p o r d e

lu m e n ) te n d r ía e n lo s e q u ilib r io s d e l p r o b le m a 1 5 .4 7 .

a g u a p a r a f o r m a r C O y H 2?

C o n b a s e e n e l p r in c ip io d e L e C h a le lie r, p r e d ic e el

C (s) + H 2 O (g )

C O (g ) +

H 2 (g)

e f e c to q u e a u m e n ta r la p r e s ió n to ta l ( re d u c ie n d o e l v o ­ a. la a d ic ió n d e v a p o r d e a g u a

lu m e n ) te n d r ía e n lo s e q u ilib rio s d e l p r o b le m a 15.48. 1 5 .5 1

b . u n a u m e n to d e p r e s ió n

E l p r o c e s o H a b e r p a r a p r o d u c ir a m o n ia c o e s tá d a d o p o r

c . la e x tr a c c ió n d e l H 2 a m e d i d a q u e s e f o r m a

la e c u a c ió n N 2 (g ) +

3 H 2 (g )

2 N H 3 (g) +

d. la a d ic i ó n d e u n c a ta liz a d o r C a lo r 1 5 .5 9

r e s c a ta lític o s p a r a r e d u c ir la c o n ta m in a c ió n c o n v irtie n ­

e q u ilib r io ?

d o e l m o n ó x id o d e c a r b o n o y la g a s o lin a s in q u e m a r e n

a. la e x tr a c c ió n d e a m o n ia c o

e l e s c a p e e n C O 2. D e s c rib e p o r q u é se n e c e s ita u n c a ta li­ z a d o r e n e l co n v ertid o r.

b . l a a d i c i ó n d e n itr ó g e n o 1 5 .6 0

c . l a e x t r a c c i ó n d e c a lo r

C ie r ta r e a c c ió n b io q u ím ic a s e lle v a a c a b o e n e l c u e rp o h u m a n o c o n u n a v e lo c id a d a lr e d e d o r d e

d . l a a d i c i ó n d e u n c a ta liz a d o r 1 5 .5 2

P o r ley, lo s a u to m ó v ile s d e b e n c o n ta r c o n c o n v e rtid o ­

¿ c u á l s e r ía e l e f e c to d e la s a c c io n e s s ig u ie n te s e n e s te

1 0 4

veces m a­

y o r q u e e n e l la b o r a to rio a la m is m a te m p e r a tu r a , p e r o

E l h id r ó g e n o g a s e o s o p a r a e l p r o c e s o H a b e r s e p u e ­

s in s e r c a ta liz a d a p o r u n a e n z im a . ¿ C ó m o in f lu y e la e n ­

d e o b l e n e r d e la r e a c c i ó n d e l m e la n o , C H 4, c o n v a ­

z im a e n la e n e r g ía d e a c tiv a c ió n y e n la v e lo c id a d d e

p o r d e a g u a p a r a p r o d u c ir m o n ó x id o d e c a r b o n o , C O , y

r e a c c ió n ?

H 2. L a s ig u ie n te r e a c c ió n e n e q u ilib rio e n tr e e l m o n ó x id o d e c a r b o n o y e l v a p o r p r o d u c e lu e g o m á s H 2. C O (g ) + H 2 O (g )

C O 2 (g ) +

H 2 (g ) +

C a lo r

¿ c u á l s e r ía e l e f e c to d e la s a c c io n e s s ig u ie n te s e n e s te

C o n s ta n te s d e e q u i lib r io 1 5 .6 1

a. l a e x t r a c c i ó n d e h id r ó g e n o g a s e o s o

a. H 2 (g ) +

b . u n a r e d u c c i ó n d e lv o l u m e n t o ta l

b. 2 C O 2 (g )

c . l a e x t r a c c i ó n d e c a lo r

c. 3 O 2

d . l a a d i c i ó n d e u n c a ta liz a d o r 1 5 .5 3

E s c r i b e la e x p r e s ió n d e la c o n s t a n t e d e e q u ilib r io d e l a s r e a c c io n e s s ig u ie n te s

e q u ilib r io ?

1 5 .6 2

C l 2 (g )

2 H C l( g ) 2 C O (g ) +

E s c r i b e la e x p r e s ió n d e la c o n s t a n t e d e e q u ilib r io d e l a s r e a c c io n e s s ig u ie n te s .

E n c u a l q u i e r e q u ilib r io q u ím ic o , ¿ c u á l e s e l d e s p la z a m i e n t o d e l e q u i li b r i o p r o v o c a d o p o r

a. C O ( g ) +

a. u n a u m e n to e n l a c o n c e n tr a c ió n d e u n r e a c tiv o ?

b. 4 N H 3 (g ) +

3 H 2 (g)

C H 4 (g ) +

4 N O (g ) + c . H 2 (g ) +

E n c u a l q u i e r e q u ilib r io q u ím ic o , ¿ c u á l e s e l d e s p la z a m i e n t o d e l e q u i li b r i o p r o v o c a d o p o r

1 5 .6 3

I 2 (g )

E s c r i b e e x p r e s io n e s d e la c o n s t a n t e d e e q u i li b r i o d e

a. 2 S O 2 (g ) +

b . u n a r e d u c c ió n d e la c o n c e n tr a c i ó n d e u n p r o d u c to ?

O 2 (g )

b . 2 N O 2 (g )

2 S O 3 (g ) + N 2 O 4 (g ) +

c . C a C O 3 (s) + C a lo r

1 5 .5 5

1 5 .5 6

¿ C ó m o a u m e n t a u n c a t a li z a d o r la v e lo c id a d d e u n a

1 5 .6 4

C a lo r

C a lo r

C a O (s ) +

C O 2 (g)

E s c r ib e e x p r e s i o n e s d e l a c o n s t a n te d e e q u i l ib r i o d e l a s r e a c c io n e s s ig u ie n te s .

r e a c c ió n ?

a. N 2 (g ) +

¿ C u á l e s e l e f e c to d e u n c a t a li z a d o r e n u n s is te m a e n

b . 4 H C l( g ) +

e q u i l i b r i o ? E x p li c a t u r e s p u e s ta .

H 2 O (g )

6

2 H I (g )

la s r e a c c io n e s s ig u ie n te s .

a. u n a r e d u c c ió n d e l ac o n c e n t r a c i ó n d e u n r e a c tiv o ?

E fe c to d e u n c a ta liz a d o r e n u n s is te m a

^ O (g )

5 O 2 (g )

b . u n a u m e n to e n l a c o n c e n t r a c i ó n d e u n p r o d u c to ? 1 5 .5 4

O 2 (g)

2 O 3 (g )

3 H 2 (g )

2 N H 3 (g ) +

C a lo r

O 2 (g ) 2 H 2 O (g ) +

2 C l 2 (g ) +

C a lo r

c. C ( s ) + 1 5 .6 5

O 2 (g )

v=

tr a c ió n d e N 2 O 4? ¿ Y u n a u m e n to e n la c o n c e n tr a c ió n

¿ Q u é n o s d ic e u n a c o n s ta n te d e e q u ilib rio c o n u n v a lo r m ucho m ayor que

1 .0

de N O 2 ?

a c e r c a d e la p o s ic ió n d e l e q u i­ 1 5 .7 4

lib r io ? 1 5 .6 6

1 5 .7 1 , ¿ c ó m o i n f lu y e e n K eq u n a u m e n to e n la c o n c e n ­

C O 2 (g ) + C a lo r

e l p r o b l e m a 1 5 .7 2 e s d e 6 9 a 3 4 0 ° C . C o n b a s e e n lo s

¿ Q u é n o s d ic e u n a c o n s ta n te d e e q u ilib r io c o n u n v a lo r m ucho m enor que

1 .0

c a m b i o s d e la s c o n s ta n te s d e e q u ilib r io c o n la t e m p e ­

a c e r c a d e la p o s ic ió n d e l e q u ili­

r a t u r a , ¿ q u é f a v o r e c e m á s la f o r m a c ió n d e p r o d u c to s

b r io ? 1 5 .6 7

d e r e a c c ió n : la t e m p e r a tu r a m á s a lta o la m á s b a ja ?

¿ D ó n d e s e e n c u e n t r a la p o s i c ió n d e e q u ilib r io d e la s r e a c c i o n e s q u e t i e n e n la s c o n s t a n t e s d e e q u ilib r io s i­

1 5 .7 5

h a c i e n d o r e a c c io n a r m o n ó x id o d e c a r b o n o c o n v a p o r

a. 5 0 0 a 8 0 ° C

d e agua.

1 .2 X 1 0 ~ 2 a 2 0 ° C

C O (g ) + H 2 O (g )

c. 6 .5 X 1 0 3 a 2 5 ° C

b . C a lc u la la c o n c e n tr a c i ó n e n e l e q u ilib r io d e H 2 c u a n d o [C O ] =

g u ie n te s ? a. 0 .0 3 8 a 2 0 ° C

b . 7 .8 X 10 4 a 2 5 ° C d. 36 a 0°C

1 5 .7 6

C H 4 (g ) + H 2 O ( g )

C O (g )

a. E s c r i b e l a e x p r e s i ó n d e l a c o n s ta n te d e e q u ilib rio .

C o n b a s e e n la m a g n itu d d e K eq d a d a e n la ta b la 15.1,

b. C a lc u la la c o n c e n tra c ió n e n e l e q u ilib rio d e C O c u a n ­

r e n g ló n 4 , ¿ e s tá d e s p la z a d o h a c ia la d e r e c h a o h a c ia la

d o [ C H 4] = 0 .1 1 5 M , [ H 2 O ] = 0 .2 3 1 M y [H 2] =

iz q u ie r d a e l e q u ilib r io d e la r e a c c ió n d e N 2 c o n O 2 p a r a

1 .1 0 1 5 .7 7

M.

C o n r e s p e c to a la r e a c c i ó n e n e q u i li b r i o d e s c r it a e n e l

L a c o n s t a n t e d e e q u ilib r io d e la r e a c c ió n s ig u ie n te e s

p r o b le m a 1 5 .7 5 , ¿ c u á l s e r ía e l e f e c to d e la s a c c io n e s

d e 0 .2 1 2 a 1 0 0 ° C . C u a n d o [ N O 2 ] = 0 .2 0 M , ¿ c u á l e s

s i g u ie n te s e n e s te e q u ilib r io ?

la [ N 2 O 4 ] d e e q u ilib r io ?

a. la a d ic ió n d e m á s v a p o r d e a g u a

N 2 O 4(g) Incoloro 1 5 .7 2

3 H 2 (g ) +

A 7 5 0 ° C , la K eq e s d e 6 .1 7 .

f o r m a r S O 3 (g ) e n la s c o n d ic io n e s in d ic a d a s ?

f o r m a r N O ( g ) e n la s c o n d ic io n e s in d ic a d a s ? 1 5 .7 1

E l h i d r ó g e n o s e p r e p a r a e n e s c a la c o m e r c i a l h a c ie n d o

, ¿ e s tá d e s p la z a d o h a c ia la d e r e c h a o h a c ia la

iz q u ie r d a e l e q u ilib rio d e la o x id a c ió n d e S O 2 (g) p a r a

1 5 .7 0

0 .6 6 8 M y

r e a c c i o n a r m e ta n o ,C H 4, c o n v a p o r d e a g u a .

C o n b a s e e n la m a g n itu d d e K eq d a d a e n la ta b la 15.1, 1

0 .6 2 1 M , [ H 2 O ] =

[ C O 2] = 1 .1 8 M .

c . 1 .0 8 X 1 0 ~ 2 a 4 0 0 ° C r e n g ló n

H 2 (g)

a. E s c r i b e l a e x p r e s i ó n d e l a c o n s ta n te d e e q u ilib rio .

¿ D ó n d e s e e n c u e n t r a la p o s i c ió n d e e q u ilib r io d e la s r e a c c i o n e s q u e t i e n e n la s c o n s t a n t e s d e e q u ilib r io s i­

1 5 .6 9

C O 2 (g ) +

A c ie r ta t e m p e r a t u r a ,l a K eq e s d e 3 .7 2 .

d . 0 .2 4 7 a 1 0 0 ° C 1 5 .6 8

C o m o s e e x p lic ó e n e l r e c u a d r o “ S ín te s is d e a m o n ia ­ c o : e l p r o c e s o H a b e r ” , s e p r o d u c e h id r ó g e n o g a s e o s o

g u ie n te s ?

b.

L a c o n s t a n t e d e e q u ilib r io d e la r e a c c i ó n d e s c r it a e n

2

b. la e x tr a c c ió n d e H 2 g a s e o so

N O 2 (g) Pardo

L a c o n s t a n t e d e e q u ilib r io d e la r e a c c i ó n s ig u ie n te e s

c . l a a d ic i ó n d e u n c a ta liz a d o r 1 5 .7 8

C o n r e s p e c to a la r e a c c ió n e n e q u ilib rio d e s c rita e n el

d e 5 0 a 4 0 0 ° C . C u a n d o [H I] e s 1 .5 0 M y [I2] e s 0 .2 0 0

p r o b le m a 1 5 .7 6 , ¿ c u á l s e ría e l e f e c to d e la s a c c io n e s si­

M , ¿ c u á l e s la [ H 2] d e e q u ilib r io ?

g u ie n te s e n e s te e q u ilib rio ?

H 2 (g ) + I 2 Cg)

2 H I(g )

a. la a d ic ió n d e m á s m e ta n o b . la e x tr a c c ió n d e H 2 g a s e o so

1 5 .7 3

C o n r e s p e c to a la r e a c c ió n d e s c r ita e n e l p r o b le m a

c . l a a d ic i ó n d e u n c a ta liz a d o r

Estudiantes en

acción Velocidad de descomposición del peróxido de hidrógeno L a s v e lo c id a d e s d e r e a c c ió n s e p u e d e n d e t e r m i n a r m id ie n d o la c o n c e n t r a c ió n d e a l m e n o s u n o d e lo s p r o d u c t o s f o r m a d o s . E n e s te c a s o , d e t e r m i n a r á s la v e lo c id a d d e d e s c o m p o s i c ió n d e l H 2 O 2 m id ie n d o la f o r m a c ió n d e o x íg e n o m e d ia n t e u n m a n ó m e tr o .

• P e ró x id o d e h id ró g e no al 3 0 %

• 1 regla de m adera d e 10 0 cm

• M e rcu rio

• P in za s d e tre s d e d o s con nuez

• M atraz kitasato y ta p ó n de hule

• S o p o rte un iversal

• M anguera • Tub o

d e v id rio g ru e so

s e lla d o

en

uno d e sus extrem o s

y en fo rm a d e “U ”

P ro c e d im ie n to 1.

F ija e l tu b o d e v id r io a la r e g l a d e m a d e r a . A g r e g a 10 m L d e m e r c u r io y a n o ta e l n ú m e r o d e la e s c a l a d e la r e g la a la q u e l le g a e l n iv e l d e m e r c u r io . E s t e e s s e r á e l n iv e l d e r e ­ f e r e n c ia

p ara

ver

el

a u m e n to

del

m is m o

cuando

la

r e a c c i ó n s e lle v e a c a b o .

2.

C o n a y u d a d e u n a s p in z a s , s u je ta e l m a t r a z k ita s a to a u n s o p o r te u n iv e r s a l y s itú a a l la d o la r e g la c o n e l tu b o d e v i­ d r io . E n la p r o l o n g a c ió n d e l m a tr a z k i ta s a to , c o lo c a la m a n g u e r a y é s ta c o n é c t a la al tu b o e n “ U ” q u e c o n tie n e m e r c u r io , c o m o s e m u e s tr a e n la fig u ra .

3.

V ie r te 2 0 m L d e p e r ó x i d o d e h id r ó g e n o e n e l m a tr a z k i ta s a to y tá p a lo c o n u n ta p ó n d e h u le .

4.

R e g is tr a e n la t a b la e l n iv e l a l q u e lle g ó e l m e r c u r io . É s te e s e l tie m p o c e ro .

5.

T o m a la le c t u r a c a d a 5 m in u to s , d u r a n t e 6 0 m in u to s ( s e r á n 13 le c tu r a s , i n c l u y e la l e c t u r a 0).

Registra tus resultados en la tabla.

Lecturas del nivel d e m ercurio en mm 0

m in

25 m in

5 m in

5 0 m in

3 0 m in

55 m in

m in

35 m in

6 0

15 m in

4 0 m in

m in

4 5 m in

1 0

2 0

m in

D e n u e s t r a r e a c c i ó n d e d e s c o m p o s ic i ó n a 2 0 °C :

2H 2O2(ac) - > 2H 2O(l) +

O2(g)

P u e d e s d e t e r m i n a r la v e lo c id a d d e d e s c o m p o s ic i ó n m id ie n d o la f o r m a c ió n d e o x íg e n o m e d i a n t e e l m a n ó m e tr o . L a p r e s ió n d e l o x íg e n o p u e d e c o n v e r tir s e f á c i l m e n t e e n c o n c e n tr a c i ó n u t i li z a n d o la e c u a c ió n d e lo s g a s e s id e a le s :

P V = nR T P = VLr t = [O2] R T

D o n d e n / V p r o p o r c i o n a la m o la r id a d d e l o x íg e n o g a s e o s o . A l r e a c o m o d a r la e c u a c ió n , o b te n e m o s :

[ O 2] = R R T P L a v e lo c i d a d d e la r e a c c i ó n , q u e e s tá d a d a p o r la v e lo c id a d d e p r o d u c c ió n d e o x íg e n o , s e e s c r i b e c o m o : A ^ ] v e lo c id a d =

1

At

ap

RT

At

C o n la s c o n s i d e r a c io n e s a n te r io r e s , u n a v e z q u e o b t e n g a s lo s r e s u l t a d o s , h a z lo s ig u ie n te . a) b)

E la b o r a u n a g r á f ic a d e p r e s i ó n e n m m H g ( e je d e la s Y ) c o n tr a e l tie m p o e n m in u to s (e je d e la s X ). D e t e r m i n a la v e l o c i d a d e n u n id a d e s d e M /s , p r im e r o c o n v ie r te m m H g / m in e n a tm /s y d e s p u é s m u l ti p lic a la p e n d ie n t e d e la ta n g e n t e ( A P /A t) p o r 1 /R , c o m o s e s e ñ a la e n la e c u a c ió n a n te rio r.

A n á lis is d e r e s u lta d o s 1.

2.

¿ C u á le s s o n lo s f a c to r e s q u e p e r m itie r o n q u e la r e a c c ió n d e d e s c o m p o s i c ió n d e l p e r ó x i d o d e h id r ó g e n o s e lle v a r a a

cabo?

S e g ú n la g r á f ic a q u e e la b o r a s te , ¿ c ó m o e s la r e l a c i ó n e n t r e e l t ie m p o y la p r e s ió n o b te n id a : d ir e c t a o in v e r s a m e n te p r o p o r ­ c io n a l? J u s t i f i c a tu r e s p u e s ta .

3.

4.

¿ C u á l e s la b a s e t e ó r ic a p a r a j u s t i f i c a r q u e a m a y o r p r e s ió n m a y o r c o n c e n t r a c ió n d e o x í g e n o ? A r g u m e n t a tu r e s p u e s ta .

D e a c u e r d o c o n la e x p e r ie n c ia ( u n a h o r a d e l e c tu r a s d e p r e s ió n ) , ¿ la r e a c c i ó n d e d e s c o m p o s ic i ó n d e l p e r ó x i d o d e h id r ó g e n o s e d e s p la z ó c o m p l e t a m e n t e a la d e r e c h a ? J u s t i f ic a tu r e p u e s ta .

5.

¿ P u e d e s a c e le r a r la r e a c c i ó n ? ¿ D e q u é m a n e r a ?

16

Á cid os y bases

C O N T E N I D O 16.1

Ácidos y bases: teoría de Arrhenius

16.2

Ácidos fuertes y débiles

16.3

Bases fuertes y débiles

16.4

Reacciones de los ácidos

16.5

Reacciones de las bases

16.6

Definiciones de ácidos y bases de Brcnsted-Lowry

16.7

Definiciones de ácidos y bases de Lewis

16.8

Autoionización del agua

16.9

La escala de pH

16.10

Hidrólisis: sales en agua

16.11

Amortiguadores: regulación del pH

16.12

Titulaciones ácido-base

Cada año se gastan millones de dólares en antiácidos. Un antiácido que contiene iones carbonato o bicarbonato reacciona con los iones hidrógeno de un ácido y produce dióxido de carbono gaseoso y agua.

esde tiem pos inm em oriales se utiliza el vinagre, ese ácido com ún que se ob­ tiene de la sidra de m anzana y del vino. L a p alabra latina que significa v in a­ gre, acetum, está estrecham ente relacionada con otra palabra latina, acidus (agrio), de donde proviene la palabra ácido. D esde hace m ucho tiem po se sabe que los lí­ quidos de sabor agrio contienen ácidos. Las sustancias quím icas capaces de neutralizar los ácidos son básicas o alcalinas, y su sabor es amargo. E n las Figs. 16.1 y 16.2 se m ues­ tran ejem plos com unes de artículos que contienen ácidos y bases. L os productos q u í­ m icos para la lim pieza suelen contener ácidos o bases. Com em os alimentos y bebemos líquidos que contienen ácidos y bases. Incluso nuestro propio cuerpo los produce. D e hecho, el m antenim iento de un delicado equilibrio entre los ácidos y bases de nuestro cuerpo es, literalmente, cuestión de vida o muerte.

D

Figura 16.1 Algunosa cidosc omunes. Del vinagre de sidra a los limpiadores para el inodoro, de las frutas y los jugos de fruta a losp roductosp arae liminarl ah errumbre,l os acidos estan presentes en los alimentos y en los productos químico sp arae lh ogar.

I Conexión con el aprendizaje Todos nosotros —incluso la gente famosa—cometemos errores. Lo importante es aprender de nuestros errores.

Figura 16.2 Algunasb asesc omunes. Del osa ntiácidosq uei ngerimosa l os productosd el impiezap arad esagües, hornos yp isos,m uchosp roductosq uímicosp arae lh ogare mpleans ustanciasc onocidasc omo álcaliso b ases.

Antoine Lavoisier (Sección 2.6) propuso en 1787 que todos los ácidos contienen oxíge­ no. D e hecho, el nom bre oxígeno significa en griego “form ador de ácido” . Lavoisier estaba equivocado. I Sir Humphrey Davy (1778-1829) demostró en 1811 que el ácido clorhídrico, HCl(ac), no contiene oxígeno. Davy concluyó que el com ponente com ún de los ácidos es la presencia de hidrógeno, no de oxígeno. E n la sección 6.8 se presentaron los nom bres y fórm ulas de varios ácidos com unes y sus sales. E n el capítulo 10 se describieron algunas reacciones que producen ácidos y bases. A hora estam os en condiciones de poder exam inar im portantes características de losá cidosy b asesy c om parars usp ropiedades.

^16.1

Ácidos y bases: teoría de Arrhenius

M uchos quím icos intentaron responder la pregunta “m ás im portante” : “¿Q ué es un áci­ do?” N o se dispuso de una buena respuesta hasta hace alrededor de 100 años. E n 1884, el quím ico sueco Svante A rrhenius (1859-1927), cuando aún era estudiante de posgrado, propuso las definiciones de ácidos y bases que todavía se utilizan actualm ente. E n gene­ ral, se reconocía a los ácidos com o sustancias que, en solución acuosa, I Conexión con el mundo real Los ácidos concentrados o diluidos que se utilizan en el laboratorio son muy co rrosivos; nun ca se de ben probar. I El tornasol es un pigmento de origen vegetal que se aísla de ciertos tipos de liquen (un hongo en unión con un alga) que crecen sobre las rocas y los árboles.

1. T ienenu ns abora grios is ed iluyenl os uficientep arap oderlosp robar. I 2. H acenq uee lt ornasol I cam bie de azul a rojo (Fig. 16.3). 3. R eaccionan con los m etales reactivos, com o el m agnesio, el zinc y el hierro, y producenh idrógenog aseoso,H 2(g). P or ejem plo, el ácido clorhídrico, H C l(ac), reacciona con el m agnesio m etálicoy f orm ah idrógenog aseosoy c lorurod em agnesio.

2 H C l(ac) + M g ------> H ( g ) + M gC l2(ac)

Figura 16.3 Lasm anzanasy todosl osp roductosq uec ontienen ácidos hacen que el tornasol azul cambie a rojo (rosado). Una barra de jabón, al igual que otros productos que contienen bases, hace que el tornasol rojo cambie a azul, en tanto que el tornasol azul conserva su color en presencia de una base, como aquí se muestra.

4. R eaccionan con los com puestos llam ados bases (contienen iones hidróxido, O H ) p ara form ar agua y com puestos conocidos com o sales. L a sa l que se form a está constituida p or el catión de la base y el anión del ácido. I Por ejem plo, el ácido clorhídrico, H Cl(ac), reacciona con el hidróxido de p o ta­ sio, una b ase, p ara form ar agua y cloruro de potasio, u na sal.

H C l(ac) + K O H (ac) Á cido

Base

I Conexión con el aprendizaje Casi todas las sales son compuestos cristalinos iónicos con puntos de fusión y de ebullición altos.

H 2O + KCl(ac) A gua

Sal

L a reacción de un ácido con una base (Secs. 10.12 y 16.4) recibe el nom bre de n e u tr a ­ lización. Si se m ezclan las cantidades correctas de ácidos y bases, se pierden las propieda­ des originales de estas sustancias. E l producto de la reacción tiene un sabor salado, no agrio n i amargo. I Se form a una sal y agua cuando un ácido neutraliza una base. A rrhenius propuso que las propiedades características de los ácidos son en realidad propiedades del ion hidrógeno, H + ,y que los ácidos son com puestos que liberan iones hidrógenoe n solución acuosa. I A rrhenius y otros científicos reconocían en térm inos generales que las b ases (tambiénl lam adas álcalis) son sustancias que, en solución acuosa, 1. Tienen sabor am argo. (N unca se deben probar las sustancias quím icas que se empleane ne ll aboratorio.)

I Conexión con el mundo real Precaución: ¡Nunca pruebes nada en el laboratorio! I Arrhenius se hizo acreedor al tercer Premio Nobel de Química en 1903. Tiempo antes, poco faltó para que reprobase su examen doc to ral cuan do pro puso la revolucionaria teoría de que las sales existen en so lución acuosa co mo iones positivos y negativos.

2. Ses ientenr esbalosaso j abonosasa lt acto. I 3 . H acen que el tornasol cam bie de rojo a azul. 4. R eaccionan con los ácidos para form ar agua y sales. A rrhenius explicó que estas propiedades de las bases (álcalis) eran en realidad pro p ie­ dades del ion hidróxido, O H . Propuso que las bases son com puestos que liberan iones hidróxido en solución acuosa. Las definiciones de A rrhenius son útiles hoy en día, siem ­ p re y cuando se trate de soluciones acuosas.

Á cidosy b asesd e A rrhenius: L o sá cidosl iberani onesh idrógenoe ne la gua. L asb asesl iberani onesh idróxidoe ne la gua.

Para saber si un com puesto dado es un ácido de A rrhenius, basta con disolver un p o ­ co en agua p ura y colocar una o dos gotas de la solución sobre papel tornasol azul. Si el

I Conexión con el mundo real Las bases concentradas son muy cáusticas; destruyen los tejidos corporales.

I Conexión con el aprendizaje Puede ser útil recordar las letras “AB”. El tornasol es AZUL en las BASES.

tornasol adquiere un color rojo, el com puesto es un ácido. S in em bargo, si la solución h a­ ce cam biar el tornasol de rojo a azul, ello indica la presencia de una base. I L os lim ones y otros frutos cítricos, al igual que m uchas bebidas con sabor a fruta contienen ácido cítrico. Si un alim ento sabe agrio, es que contiene al m enos una sustancia ácida.

Io n e s h id r ó g e n o o io n e s h id r o n io

I Debido a que un átomo de hidrógeno tiene un protón y un electrón, la pérdida de ese electrón deja sólo un protón, que es un ion hidrógeno.

L a teoría de Arrhenius de los ácidos h a sufrido algunas m odificaciones al paso de los años. Se sabe, por ejemplo, que no existen iones hidrógeno simples en solución acuosa. Cuando un átom o de hidrógeno pierde su único electrón, todo lo que queda es el núcleo desnu­ do, que contiene un solo protón: un ion H +. I Todos los dem ás iones positivos tienen n ú ­ cleos rodeados y protegidos por uno o m ás niveles energéticos totalm ente ocupados por electrones. E l ion hidrógeno, con su único protón desprotegido, es dem asiado reactivo p a­ ra existir com o ion estable en solución. H oy se sabe que las soluciones ácidas no contie­ nen iones H + simples, sino que la acidez se debe a la presencia de iones H 3O +, que son protones hidratados. Podem os im aginar cada ion H 3O +, llam ado io n h id ro n io , com o un ion hidrógeno, H +, unido a una m olécula de agua y com partiendo un par de electrones con el oxígeno de esta m olécula. L a estructura de Lew is de un ion hidronio es

L H J A horap odem osa ctualizarl ad efiniciónd e A rrheniusd eu n á cidoc om o sigue.

U n ácido es una sustancia que produce iones hidronio, H 3O +, cuando se disuelve en agua.

Incluso esto no deja de ser un a sim plificación excesiva. E l ion hidronio está hidratado adem ás por otras m oléculas de agua, pero se utiliza el ion hidronio, H 3O +, y se p asa por alto la hidratación adicional. U n ion hidronio es m uy reactivo; transfiere con facilidad un ion hidrógeno, H + (que es un sim ple protón) a otras m otécutas y iones. Se habla acerca de la presencia de iones hidrógeno en una solución, p ero en realidad se trata de iones hidronio ens olución;a m b o st érm inoss eu tilizani ndistintam ente.

Á c id o s m o n o p r ó tic o s , d ip r ó tic o s y tr ip r ó tic o s Ciertos ácidos, com o el ácido clorhídrico, HCl(ac), y el ácido nítrico, H N O 3(ac), ceden un ion hidrógeno (un protón) por unidad formular. Así, por ejem plo, 1 m ol de ácido clorhídri­ co o ácido nítrico libera 1 m ol de protones. A estos ácidos se les conoce com o ácid o s m o ­ nopróticos. Ciertos ácidos ceden m ás de un protón (o ion hidrógeno) p o r unidad form ular. Por ejem plo, el ácido sulfúrico, H 2SO 4, es un á c id o d ip ró tic o ; puede ceder h asta dos protones.D em odoa nálogo,e lá cid o f osfórico,H 3PO 4, es un á c id o t rip ró tic o . N o debe suponerse que todos los átom os de hidrógeno de un com puesto son ácidos. (Un átom o de hidrógeno ácido es aquél que se desprende en solución acuosa.) E l metano, CH 4, no cede ninguno de sus átom os de hidrógeno en solución acuosa. A sim ism o, sólo uno de los átom os de hidrógeno del ácido acético es ácido. Por esta razón la fórm ula del ácido acético se suele escribir com o C H 3C O O H (o H C 2H 3O 2), p ara destacar el hecho de que se libera un solo protón: el que está en el extrem o del g ru p o ca rb o x ilo (el grupo

— COOH). L a estructura siguiente del ácido acético m uestra que el hidrógeno del grupo carboxilo es diferente; está unido a un átom o de oxígeno, no a uno de carbono. O

II C H 3C — O

Sólo este protón del grupo carboxilo ( — C O O H ) se liberae ns olucióna cuosa.

C om o se observa en el caso del m etano y del ácido acético, los átom os de hidrógeno uni­ dos de form a covalente a átom os de carbono no tienden a ionizarse; n o son ácidos.

E J E M P L O 16 .1

Ácidos, bases y sales

C on base en las definiciones de A rrhenius, indica en cad a caso si se trata de un ácido, u n a base, una sal o ninguno de los anteriores. (a) H N O 3 (b) B a(O H )2 (c) C aC l2 (d) C H 3C H 2C H 3 (propano) SOLUCIÓN (a) E l H N O 3 es un ácido;l iberai onesh idrógeno,H +,e ns olución. (b) E l B a(O H )2 es una b ase;l ibera ionesh idróxido,O H , e ns olución. (c) E l C aC l2 es una sal que se form a durante la reacción de neutralización del ácido clorhídricoc onh idróxidod ec alcio,C a(O H )2(ac), un a base. (d) E l propano no es ácido, ni base ni sal. Tiene átom os de hidrógeno, pero están unidos de form a covalente a átom os de carbono, por lo cual no son ácidos. E J E R C IC IO 16 .1 (a) Indica si los com puestos siguientes son ácidos, bases, sales o ninguno de los anteriores,c onb asee nl asd efinicionesd e A rrhenius: C aSO 4 y C a(O H )2 (b) Indica si los com puestos siguientes son ácidos, bases, sales o ninguno de los anterio­ res, con base en las definiciones de Arrhenius: CH 4 y C H 3CO O H

Áci dos fuer tes y débiles L os ácidos fu e rte s son aquellos que se ionizan totalm ente — o casi totalm ente— en agua. E n sus soluciones diluidas, los ácidos fuertes com o el ácido clorhídrico (Fig. 16.4) donan su protón o protones ácidos al agua para form ar iones hidronio. D ebes m em orizar los nom bres y fórm ulas de estos ácidos fuertes. Ácidosf uertes HCl,á cidoc lorhídrico

H2SO4, ácidos ulfúrico

HBr,á cidob romhídrico

HNO3,á cidon ítrico

HI,á cidoy odhídrico

HClO4, ácidop erclórico

L a ecuación siguiente de la reacción de ácido clorhídrico gaseoso co n agua m u es­ tra la form ación de iones hidronio en solución acuosa. D ado que el equilibrio se halla tan desplazado hacia la derecha (prácticam ente todo el H C l está ionizado), se suele es­ cribir la ecuación con una sola flecha que apunta h acia los productos ionizados.

Véansel os problemas 1 6 .1 -1 6 .1 0 . Figura 16.4 El ácido clorhídrico concentrado que se utiliza en los laboratorios de química tiene una concentración de 12 mol/L (12 M). Cualquiera que sea su concentración, este ácido se clasifica como un ácido fuerte.

H C l(g) + H 2O (l) ------> H 3O +(ac) + C L (a c ) I Conexión con el mundo real El jugo gástrico equi va le a una solución diluida de ácido clorhídrico. Aunque el ácido ayuda a digerir los ali mentos, en es pe cial las proteí nas, puede originar problemas, como lo atestigua rá cual quie ra que pa dezca una úlcera.

L os ácidos fuertes concentrados producen graves daños a la piel o los m úsculos, I pues causan quem aduras quím icas sem ejantes a las que origina el calor y las cuales suelen ser tratadas del m ism o modo. Los ácidos fuertes corrosivos tam bién perforan la ropa que contiene fibras naturales com o algodón, seda o lana, y destruyen casi todos los m ateriales sintéticos com o las fibras de nailon, poliéster y acrílico. Ten siem pre m ucho cuidado de no derram ar ácidos sobre la piel o la ropa. L os ácidos débiles son los que se ionizan en pequeña proporción en solución diluida. E l ácido acético, C H 3COOH, es un ácido débil representativo. L a reacción de equilibrio de la ionización de este ácido se escribe con una flecha m ás grande en el sentido de los reactivos para indicar que la m ayor parte de las m oléculas de ácido acético no se ionizan. C H 3C O O H (ac) + H 2O(l)

C H 3C O O ( a c ) + H 3O+(ac)

E l vinagre com ercial es una solución de ácido acético aproxim adam ente al 5% en m asa (Fig. 16.5) O tro ácido débil com ún es el ácido carbónico, H 2C O 3, que se form a cuando el C O 2 se disuelve en agua. CO2(g) + H2O(l)

H 3C O 3(ac)

Tus angrey t odasl asb ebidasc arbonatadasc ontienenH 2C O 3.

A lg u n o s á c id o s im p o r ta n te s

Figura 16.5 Elv inagre comerciale sp orl or egular ácido acético al 5% en masa.

E n la tabla 16.1 se m uestran algunos ácidos fuertes y débiles importantes; debes memorizar los nom bres y fórm ulas de los que aparecen en rojo, pues m uchos de ellos aparecerán una y otra vez en el resto de este libro. L a tabla incluye varios ácidos orgánicos, que contie­ nen carbono y tienen uno o m ás grupos carboxilo. Todos estos com puestos orgánicos son ácidos débiles. Los ácidos que no son orgánicos se clasifican com o ácidos inorgánicos. E n escala industrial se produce m ás ácido sulfúrico que cualquier o tra sustancia quím ica. L ee el recuadro “Á cido sulfúrico: el núm ero uno” . Con el ácido clorhídrico, HCl(ac), se lim pian los depósitos blancos (carbonato de calcio) que el agua dura form a en las albercas y en los accesorios de porcelana de los baños. Se puede adquirir en las ferrete­ rías con el nom bre de ácido muriático, el cual se utiliza extensamente para lim piar el m or­ tero de los ladrillos. Las soluciones concentradas de este ácido (alrededor de 38% de HCl) producen graves quem aduras. Incluso las soluciones diluidas provocan irritación e inflam a­ ción de la piel. L a ingestión de una pequeña cantidad de cualquiera de los ácidos fuertes puede ser mortal.

T a b la 16 .1

A lg u n o s á c id o s im p o r ta n te s * Ácidos fu ertes

Ácidos débiles

Nombre

Fórmula

Nombre

Fór mu la

Ácido clorhídrico

HCl

Ácidof osfórico

H3PO4

Ácido bromhídrico

HBr

Ácidoc arbónico

H2CO3

Ácido yodhídrico

HI

Ácido a cético

CH3COOH

Ácido sulfúrico

H2SO4

Ácidoc ítrico

C3H5(COOH)3

Ácido nítrico

hno3

Ácidol áctico

c h 3c h o h c o o h

Ácido perclórico

HClO4

Ácidob órico

H3BO3

*Memoriza los nombres y fórmulas de los ácidos fuertes y de los primeros tres ácidos débiles.

LA QUÍMICA EN ACCIÓN Á c id o s u lf ú r ic o : e l n ú m e r o u n o El ácido sulfúrico, H2SO4, es el principal producto químico in­ dustrial de Estados Unidos. Cada año se producen alrededor de 42 000 millones de kg. El azufre se quema en presencia de oxíge­ no para obtener SO2(g), el cual se oxida en presencia de un cata­ lizador para formar SO3(g), y éste se disuelve en agua para formar H2SO4. Ahora se recuperan cantidades mayores de azufre en forma de SO2 de las chimeneas de las centrales termoeléctri­ cas y de las fundiciones de menas metálicas. El SO2 se aprovecha para fabricar H2SO4.

Gran parte del ácido sulfúrico (alrededor del 75%) se utiliza para transformar roca fosfórica en fertilizantes. Otro 10% se em­ plea en la fabricación de aceros y en el procesamiento de metales industriales. Este ácido también se utiliza en la refinación de pe­ tróleo, en la manufactura de muchos otros productos químicos, en los acumuladores de automóvil y en ciertos limpiadores de ca­ ñerías. El ácido sulfúrico es un poderoso agente deshidratante. El papel (celulosa) se oscurece, se torna frágil y se desmorona des­ pués de deshidratarlo con el ácido concentrado.

(a) El ácido sulfúrico concentrado que se emplea en los laboratorios se encuentra en el comercio como H2SO4 18 M. El ácido de acumulador es H2SO4 aproxi ma da mente 2 M. (b) Instalaciones para la producción industrial de ácido sulfúrico. (a)

E J E M P L O 16 .2

(b)

Ácidos fu ertes y débiles

Indica la fórm ula y clasifica com o ácido fuerte o débil y com o ácido orgánico o inorgá­ nico cada uno de los ácidos siguientes. (a) ácidoa cético (b) ácidob órico (c) ácidon ítrico SOLUCIÓN

(a) ácidoa cético (b) ácidob órico (c) ácidon ítrico

Fórmula

Fuerza relativa del ácido

Orgánico o inorgánico

CH3COOH H3BO3 hno3

débil débil fuerte

orgánico inorgánico inorgánico

E J E R C IC IO 16 .2 (a) E scribe los nom bres y fórm ulas de los seis ácidos fuertes. (b) E scribe losn om bresy f órm ulasd et resá cidosd ébiles.

^16.3

Bases fuertes y débiles

L as b ases fu e rte s se ionizan totalm ente — o casi totalm ente— en agua; no así las b ases débiles. E l hidróxido de sodio, N aO H , tam bién conocido com o lejía, es quizá la base fuerte m ás conocida. Incluso en estado sólido, el hidróxido de sodio es totalm ente ióni­ co; existe en form a de iones sodio y iones hidróxido. E n solución, los iones hidróxido participan en las reacciones características de las soluciones básicas o alcalinas. A lg u ­ nos productos com unes que contienen hidróxido de sodio son los lim piadores de siste­ m as de desagüe y los lim piadores de hornos. E l álcali destruye rápidam ente los tejidos yp rovocag ravesq uem adurasq uím icas. E ntre las bases fuertes se cuentan todos los hidróxidos de los m etales alcalinos, ju n ­ to con tres hidróxidos de m etales del G rupo IIA: hidróxido de calcio, C a(O H )2, hidróxi­ do de estroncio, Sr(O H )2 e hidróxido de bario, B a(O H )2. Todos ellos son com pletam ente iónicos. D ebes m em orizar sus nom bres y fórm ulas. Todos los hidróxidos de m etales al­ calinos son m uy solubles en agua. E l hidróxido de calcio es poco soluble en agua. E l hidróxido de magnesio, M g(O H )2, es una base débil; su solubilidad en agua es tan pequeña que se puede ingerir sin peligro en form a de un antiácido conocido com o leche de magnesia. Todos los hidróxidos de los m etales de transición son bases débiles y su solubi­ lidad en agua es escasa. E n la tabla 16.2 se m uestran algunas bases importantes. E l am oniaco, N H 3, otra b ase im portante, es un gas a tem peratura am biente y se di­ suelve con facilidad en agua. E l am oniaco reacciona con el agua en baja proporción para f orm aru nn úm erol im itadod ei o nesa m onioy i onesh idróxido. N H 3(ac) + H 2O

N H 4+(ac) + O H ( a c )

E l am oniaco se clasifica com o base débil porque en una solución acuosa de am oniaco sólo se ioniza alrededor del 1% del am oniaco. A la solución que se form a disolviendo am onia­ co en agua se le llam a a veces hidróxido de amonio, pero el nom bre correcto es a m o n ia co acuoso, N H 3(ac), porque la m ayor parte del am oniaco perm anece en la form a no ionizada. Los lim piadores para vidrios y m uchos otros lim piadores domésticos m uy conocidos con­ tienen am oniaco, el cual se detecta de inm ediato por su olor característico.

Conexión con el mundo real • La producción anual de NaOH en Esta dos Unidos es actual mente de más de 11 millones de to ne ladas métri cas. • La producción anual de Ca(OH)2 en Esta dos Uni dos es actual men­ te de más de 19 millones de to ne ladas métri cas.

T a b la 16 .2

A lg u n a s b a s e s im p o r t a n t e s

Nombre

Fórmula

Com entarios

Hidróxidod es odio

NaOH

Conocidoc omol ejíao s osac áustica;s e empleae nl af abricaciónd ep roductos químicos( 50%),p apel,j abón,e tcétera.

Hidróxidod ep otasio

KOH

Seu tilizae nl ai ndustriay enc iertos limpiadoresd eh ornos

Hidróxidod ec alcio

Ca(OH)2

Poco soluble en H2O; su solución acuosa saturada se conoce como agua de cal

Hidróxidod em agnesio

Mg(OH)2

Pocos olublee nH 2O; la suspensión de Mg(OH)2 sólidoe nH 2Or ecibee ln ombre del eched em agnesia

Amoniacoa cuoso

NH3(ac)

Muy soluble en agua; el NH3 acuo so es un ingrediente de mucho limpiadores domésticos

Bases fuertes

Bases débiles

Hidróxidosd em etalesd et ransición

Muyp ocos olublese na gua

E J E M P L O 16 .3

Bases fu ertes y débiles

E xplica po r qué se puede ingerir M g(O H )2 saturado — un a suspensión de M g(O H )2 en agua— com o el antiácido llam ado leche de m agnesia, y en cam bio el N aO H nu n ca se em plea com o antiácido. E sta sustancia provoca graves quem aduras y daños a los tejidos de la piel. SOLUCIÓN E l hidróxido de m agnesio es m uy poco soluble en agua, por lo que una solu­ ción saturada de esta base tiene una concentración pequeña de iones O H . E n cambio, el N aO H es m uy soluble en agua; sus soluciones tienen concentraciones grandes de O H . E J E R C IC IO 16 .3 (a) ¿Q ué lim piador de hornos será m ás peligroso de usar: uno que contenga N aO H o unoq uec ontengaa m oniaco?E xplicat ur espuesta. (b) Indica si los com puestos siguientes son bases fuertes o débiles: N H 3, LiOH, NaOH, KOH.

^16.4 Reacciones de los ácidos E n el capítulo 10 se describieron algunas reacciones características de los ácidos. Com o repaso de estas reacciones y su m ejor com prensión, a continuación se resum en las reaccionesr epresentativasd el osá cidos.

R e a c c io n e s d e lo s á c i d o s c o n la s b a s e s : n e u t r a liz a c ió n L a reacción de un ácido fuerte (que contiene iones H+) con un a b ase fuerte (que co ntie­ ne iones O H ) , que form a agua y una sal, recibe el nom bre de neutralización. Á cido + B a s e ------> A gua + Sal E jem plos:

H C l(ac) + N a O H (a c )-> H 2O + N aC l(ac) H 3PO 4(ac) + 3 K O H (a c )------> 3 H 2O + K 3PO 4(ac)

Descartando los iones espectadores, de cada reacción de neutralización se obtiene la m ism a ecuación iónica neta: H+(ac) + O H (ac) ------> H 2O (l) Puesto que los iones hidrógeno, H+, existen en solución com o iones hidronio, H 3O+, la ecuacióni ónican etas ep uedee scribirt am biénc om os igue. H 3O +(ac) + O H (ac) ------> 2 H 2O(l)

R e a c c io n e s d e lo s á c i d o s c o n lo s m e t a le s a c tiv o s L os ácidos reaccionan con los m etales activos, es decir, con los m etales situados por e n ­ cim a del hidrógeno en la serie de actividad de los m etales (Sec. 10.8). L a reacción p ro ­ duce h idrógeno gaseoso y una sal constituida por el catión del m etal y el anión del ácido (Fig. 16.6). Á cido + M etala c t i v o ------> H idrógenog aseoso + Sal Ejem plo:

H 2SO4(ac) + Zn

* H2(g) + ZnSO4(ac)

Véansel os problemas 1 6 .1 1 -1 6 .2 4 .

Figura 16.6 El zinc reacciona con el ácido sulfúrico para formar hidrógeno gaseoso. Este hidrógeno se puede recoger por desplazamiento de agua, en un tubo de ensayo invertido sobre un recipiente con agua.

Zn

H2S04

R e a c c io n e s d e lo s á c id o s c o n lo s ó x id o s m e t á lic o s L as soluciones acuosas de ácidos reaccionan con los óxidos m etálicos p ara form ar agua y una sal. Á cido + Ó xidom e t á li c o ------> A gua + Sal Ejem plo:

2 H C l(ac) + C a O ( s ) ------> H 2O + C aC l2(ac)

R e a c c io n e s d e lo s á c i d o s c o n lo s c a r b o n a to s y b i c a r b o n a to s Se produce dióxido de carbono y agua cuando los ácidos reaccionan con carbonatos o b i­ carbonatos. E l producto de la reacción no es ácido carbónico, H2C O 3, porque este co m ­ puesto es inestable y se descom pone en dióxido de carbono y agua. Á cido + C a rb o n a to ------> Sal + D ióxidod ec arbono + A gua Figura 16.7 Lal luviaá cida, productod el ap resenciad eó xidos nom etálicose nl aa tmósfera,e stá disolviendop ocoa p ocoe sculturas comoe stag árgolad el aC atedrald e NotreD amed eP arís.

Ejem plo:

2 H C l(ac) + C aC O 3( s ) ------> C aC l2(ac) + C O 2(g) + H 2O(l)

Tam bién se puede escribir la ecuación siguiente de la reacción de cualquier ácido fuerte con carbonato de calcio. 2 H 3O +(ac) + C aC O 3( s ) ->C a2+(ac) + C O 2(g) + 3 H 2O(l)

I Conexión con el mundo real Toda el agua de lluvia es ligeramente ácida porque el CO2 del aire se disuelve y forma ácido carbónico, H2CO3. El agua que se extrae de un pozo es básica debido a los minerales disueltos en ella.

L a p iedra caliza y el m árm ol, dos m ateriales de construcción com unes, se com ponen principalm ente de carbonato de calcio, C aC O 3. C on el m árm ol tam bién se hacen esta­ tuas, m onum entos y esculturas. L os ácidos presentes en la atm ósfera y en la lluvia atacan con facilidad el carbonato de calcio de estos m ateriales (Fig. 16.7). E n años recientes la atm ósfera se h a tornado cada vez m ás ácida, en especial debido a la com bustión de hulla, que contiene azufre y produce dióxido de azufre gaseoso, SO 2. C uando el SO 2 se disuelve en la lluvia se form a ácido sulfuroso, H 2SO 3. E l SO 2 que sufre una oxidación adicional a SO 3 se disuelve y form a ácido sulfúrico, H 2SO4. Todos los óxidos no m etálicos del aire (SO*, NO* y CO*) se disuelven en la lluvia y form an lo ques ec onocec om o llu v ia á cid a. I

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO L lu v ia á c id a Los bosques de Estados Unidos y de Europa muestran los efec­ tos de la lluvia ácida. En los estados de Nueva Inglaterra, se considera que alrededor del 54% del área lacustre total (600 000 hectáreas) está en peligro, aproximadamente el 28% de la re­ gión se encuentra inmersa en una “crisis de lluvia ácida”, y más del 10% (120 000 hectáreas) corre serio peligro. La neblina y el agua de lluvia ácidas también atacan los metates y la piedra. Los daños sufridos por automóviles, maquinaria, edificios y otras estructuras representa miles de millones de dólares al año. La región con más lluvia ácida en Estados Unidos se ex­ tiende desde los montes Adirondack, en Nueva York, hasta los lí­ mites occidentales de Indiana y Kentucky. La región general de lluvia moderadamente ácida se extiende desde los Grandes La­ gos hasta el río Mississippi, y penetra en Georgia y Carolina del Sur. Una región de lluvia ligeramente ácida es la que se extiende desde Minnesota hasta el interior de Texas. Son numerosos los factores que contribuyen a la lluvia ácida, y entre ellos las emi­ siones de dióxido de azufre de las centrales termoeléctricas que consumen hulla son motivo de gran preocupación. Gran parte de la hulla que se utiliza contiene alrededor de 2% en masa de azu­ fre (2 ton de azufre/100 ton de hulla). La combustión de esta hu­ lla puede originar la producción de grandes cantidades de dióxido de azufre, SO2(g).

Una central termoeléctrica puede requerir dos trenes carga­ dos de hulla al día. Estos dos trenes de hulla, cada uno con 100 vagones que transportan 100 ton de hulla por vagón, contienen alrededor de 400 ton de azufre. 2 Irenes ^100 vagones día tren

100 ton de hulla vagón

2 ton de azufre 100 ton de hulla

_ 400 ton de azufre día

Dado que la masa de 1 mol de azufre es de 32.0 g y la masa de 1 mol de SO2 es de 64.0 g, cada tonelada de azufre que se quema produce, en proporción, 2 ton de dióxido de azufre. Por consi­ guiente, la quema de dos trenes de hulla, que contienen 400 ton de azufre, origina la emisión de 800 ton de dióxido de azufre al día. Hay algunas buenas noticias. Según la Environmental Pro­ tection Agency (EPA; Organismo de Protección Ambiental) de Estados Unidos, hoy en día más del 70% de los kilómetros fluviates y más del 82% de los lagos anatizados son apropiados para la pesca y la natación. Esta considerable mejora con res­ pecto a las condiciones del agua a principios de los años seten­ ta se debe a los controles industriales voluntarios y a la reglamentación por parte de la EPA de la producción de energía eléctrica, el transporte y otras empresas.

La lluvia ácida ha provocado daños irreversibles en muchos bosques y tierras de cultivo, como se aprecia en estos árboles desfoliados del Parque Nacional Smoky Mountain, Ten nessee.

R e a c c io n e s d e lo s á c id o s c o n lo s s u lf u r o s m e tá lic o s L a reacción de un ácido con un sulfuro m etálico produce sulfuro de hidrógeno gaseoso, que tiene el olor de los huevos podridos. I Á cido + Sulfuro m e tá lic o ------> Sal + S ulfurod eh idrógenog aseoso H 2SO 4(ac) + F e S ( s ) ------> FeSO 4(ac) + ^ S ( g )

I El sulfuro de hidrógeno gaseoso es más tóxico que el cianuro de hidrógeno, HCN.

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO ¿ H a y á c id o e n tu p a n ? Se produce dióxido de carbono gaseoso cuando el hidrogenocarbonato de sodio (conocido como bicarbonato de sodio o soda para hornear) reacciona con un ácido. Para preparar panes rápidos, co­ mo los molletes o galletas, el hidrogenocarbonato de sodio se mezcla con un ácido seco como el hidrogenotartrato de potasio, KHC4H4O6 (llamado crémor tártaro), que tiene un hidrógeno áci­ do. No hay reacción alguna hasta que se agrega agua. El dióxido de carbono gaseoso producido por la reacción queda atrapado en la masa y se expande al calentarse, con lo cual imparte su textura ligera característica a los molletes, galletas y panqués. NaHCO3(ac) + KHC4H4O6(ac) ----- > Bicarbonato des odio

Hidrogenotartrato dep otasio H2O + CO2(g) + KNaC4H4O6(ac) Tartratod e potasioy s odio

El polvo para hornear contiene las dos sustancias químicas secas descritas, pero hay otras formas de producir el dióxido de carbono necesario para que la masa suba. Los ingredientes fundamentales son los iones hidrogenocarbonato y un ácido. Por consiguiente, se pueden preparar galletas, por ejemplo, con leche agria, suero de leche o incluso un poco de vinagre como el ácido que se mez­ cla con el bicarbonato.

La textura “ligera” de los molletes y otros panes es obra de la química. Cuando se mezcla bicarbonato de sodio y un ácido seco con agua, se lleva a cabo una reacción ácido-base que pro du ce dióxi do de car bo no ga seo so, el cual que da atra pa do en la masa. Ácido + Ion hidrogenocarbonato -----> Agua + Dióxido de carbono H3O+(ac) + HCO3~ (ac)----- > 2 H2O + CO2(g)

\____________________________________ _____________________________________y E J E M P L O 16 .4

Reacciones d e los ácidos

E scribeu nae cuaciónq uím icab alanceadad el a (a) reacción del hidrogenocarbonato de sodio con ácido acético, C H 3C O O H (del vi­ nagre). (b) neutralizaciónd elá cidoc lorhídricoc onh idróxidod ec alcio( de lac al). SOLUCIÓN (a) N aH C O 3 + C H 3C O O H (ac) ------> N aC H 3CO O (ac) + H 2O + C O 2(g) (b) 2 H C l(ac) + C a(O H )2( s ) ------> C aC l2(ac) + 2H 2O E J E R C IC IO 16 .4 Véanse los problemas 1 6 .2 5 -1 6 .2 8 .

(a) Escribe una ecuación quím ica balanceada de la reacción del carbonato de calcio (de la piedra caliza y el m árm ol) con los iones hidronio presentes en todos los ácidos fuertes. (b)

Escribe una ecuación quím ica balanceada de la reacción del bicarbonato para hor­ near, N aH C O 3, con los iones hidronio de un ácido que se em plea para elaborar p as­ telillos.

l16.5}

Reacciones de las bases

Las reacciones características de las bases acuosas se deben a la presencia de iones hidró­ xido, O H . Las reacciones de los óxidos m etálicos que form an bases se describieron en la sección 10.8. Las reacciones de neutralización ácido-base se describieron en la sección 16.4. A quí se incluyen otras reacciones representativas de las bases.

R e a c c i o n e s d e l a s b a s e s c o n l a s s a l e s d e lo s m e t a l e s d e t r a n s i c i ó n L as bases reaccionan con las sales solubles de los m etales de transición para dar hidróxidosd em etalesd et ransicióni nsolubles( om uyp ocos olubles)y u nas als oluble. B ase

Ejem plos:

+

Sals oluble dem etal det ransición

H idróxido ------> insolubled em etal det ransición

+

Sal

3 C a(O H )2(s) + 2C rC l3( a c ) ------> 2 C r(O H )3(s) + 3C aC l2(ac) 2K O H (ac) + N i(N O 3)2(ac) ------> N i(O H )2(s) + 2 K N O 3(ac)

L a f uerzam otrizd ee stasr eaccionese sl a f orm aciónd eu np recipitado.

R e a c c i o n e s d e lo s h i d r ó x i d o s a n f ó t e r o s c o n lo s á c i d o s y l a s b a s e s Los hidróxidos de ciertos m etales, com o el aluminio, el crom o y el zinc, reaccionan con los ácidos fuertes o con las bases fuertes; se dice que son an fó tero s. E l hidróxido de alum i­ n io es un com puesto anfótero representativo. A ctuando com o ácido, el hidróxido de alu ­ m inio se disuelve en una solución de una base fuerte. A l(O H )3(s) + N a O H (a c )------> N aA l(O H )4(ac) C om oá cido Base A ctuando com o base, el hidróxido de alum inio se disuelve en un ácido fuerte p ara fo r­ m ar una sal de alum inio y agua. I A l(O H )3(s) + 3 H C l( a c ) ------> A lC l3(ac) + 3 H 2O C om o base Á ci do R e a c c io n e s d e la s b a s e s f u e r t e s c o n lo s m e t a le s a n f ó te ro s

Figura 16.8 El “Drano” y otros productosq uímicosp arad estapar cañeríaso bstruidasc ontienen hidróxidod es odioy o trosá lcalis fuertes que disuelven la grasa y el pelo. La reacción del Drano se analizae ne stap ágina. I Conexión con el mundo real Ciertos antiácidos, como Mylanta y Melox, contienen hidróxido de aluminio junto con otros ingre dientes.

L os m etales anfóteros (com o el alum inio y el zinc) son aquellos que reaccionan d irec­ tam ente con los ácidos para form ar hidrógeno gaseoso, y que tam bién reaccionan directa­ m ente con las bases fuertes y agua para formar hidrógeno gaseoso. L a acción del “D rano” al destapar un desagüe obstruido es una aplicación p ráctica de este últim o tipo de reac­ ción. E l “D rano” (un conocido producto para destapar cañerías, Fig. 16.8) contiene peque­ ños trozos de alum inio m etálico m ezclados con lejía (hidróxido de sodio). A l agregar D rano al agua se desprende hidrógeno gaseoso. 2

A l(s) + 2 N aO H (s) + 6 H 2O -------- > 2N aA l(O H )4(ac) + 3 H 2(g)

E J E M P L O 16 .5

Reacciones d e las bases

¿Q uén osd icene stase cuacionesq uím icasa cercad elh idróxidod ez inc? Z n(O H )2(s) + 2 H C l(ac) ---- > Z n C l2(a c )------- > 2 H 2O Z n(O H )2(s) + 2 K O H (ac) ---- > K 2Z n(O H )4(ac) SOLUCIÓN E l hidróxido de zinc es anfótero: reacciona tanto con los ácidos com o con las b a ses. E J E R C IC IO 16.5 (a) ¿Q uée su nh idróxidom etálicoa nfótero? (b) Escribe los nom bres y fórm ulas de dos hidróxidos anfóteros (adem ás del hidróxido de zinc) y dos m etales anfóteros.

Véanse los problemas 1 6.29-1 6.3 4 .

LA QUIMICA EN NUESTRO MUNDO Q u ím ic a d e lo s a n tiá c id o s En ocasiones los excesos en la comida o el estrés emocional ori­ ginan un trastorno llamado hiperacidez (demasiado ácido). Se dispone de numerosos tipos de antiácidos, muchos de los cuales son objeto de intensa publicidad, para tratar este padecimiento. Las ventas anuales de antiácidos en Estados Unidos se estiman en más de 700 millones de dólares. Desde el punto de vista de la quí­ mica de ácidos y bases, los antiácidos son compuestos alcalinos que reaccionan con los ácidos. Uno de los antiácidos más antiguos y conocidos es el hidro­ genocarbonato de sodio, NaHCO3, el bicarbonato para hornear or­ dinario. Se considera que su uso ocasional no ofrece peligro y es eficaz para la mayoría de las personas. No es recomendable para las personas con hipertensión (alta presión arterial) porque las concentraciones grandes de ion sodio tienden a agravar este tras­ torno. El antiácido del Alka-Seltzer es NaHCO3. Este popular re­ medio contiene además ácido cítrico y aspirina. Cuando se pone el Alka-Seltzer en agua, la reacción de los iones hidrogenocarbonato con los iones hidronio del ácido produce CO2 gaseoso y el conoci­ do burbujeo. h c o 3~

+

h 3o

+

CO2(g) + 2 H2O

Otro ingrediente común de los antiácidos es el carbonato de calcio, también conocido como carbonato precipitado. Es de acción rápida y no ofrece peligro en cantidades pequeñas, pero su uso regular puede producir estreñimiento. Parece ser que el car­ bonato de calcio también provoca un aumento de secreción de ácido al cabo de unas horas. Se consigue un alivio temporal con el riesgo de que después se presente un problema más grande. El producto “Tums” es fundamentalmente carbonato de calcio con saborizante. El “Di-Gel” líquido es una suspensión de carbonato de calcio. El ion CO32~ neutraliza el ácido y produce CO2(g). CO32~ + 2 H3O+

CO2(g) + 3 H2O

El hidróxido de aluminio, Al(OH)3, es otro ingrediente co­ mún de los antiácidos. Al igual que el carbonato de calcio, produ­ ce estreñimiento en grandes dosis. Los iones hidróxido reaccionan con los ácidos conforme a la reacción de neutralización. OH~ + H3O+

2 H2O

Es motivo de preocupación el hecho de que los antiácidos que contienen iones aluminio quitan al organismo iones fosfato que le son indispensables. El fosfato de aluminio que se forma es insoluble y se elimina. Al3+ + PO43

Al elegir un antiácido, estás seleccionando un compuesto alcalino, esto es, una base.

AlPO4(s)

El hidróxido de aluminio se emplea, combinado con otros in­ gredientes antiácidos, en muchos productos que gozan de gran aceptación.

También se emplean como antiácidos ciertos compuestos de magnesio como el carbonato de magnesio, MgCO3, y el hidróxido de mag ne sio, Mg(OH)2. La leche de magnesia es una suspen­ sión de hidróxido de magnesio en agua que se vende bajo diver­ sas marcas comerciales, la mejor conocida de las cuales es quizá Phillips. En dosis pequeñas, los compuestos de magnesio actúan como antiácidos; en dosis grandes, funcionan como laxantes. Los iones magnesio son partículas pequeñas con dos cargas po­ sitivas que no se absorben bien en el tubo digestivo; en cambio, atraen agua hacia el colon (intestino grueso) y tienen un efecto laxante. Varios antiácidos en boga contienen hidróxido de aluminio, el cual tiende a producir estreñimiento, así como un compuesto de magnesio, el cual actúa como laxante. Ambas sustancias tienden a contrarrestar cada una el efecto de la otra. “Melox” y “Mylanta” son marcas conocidas. Otro popular antiácido, “Rolaids”, con­ tiene dihidroxicarbonato de aluminio y sodio, AlNa(OH)2CO3. Tan toe li onh idróxidoc omoe li onc arbonatoc onsumená cido. Los antiácidos interactúan con otros medicamentos. Siempre que se esté tomando cualquier tipo de medicina se debe consultar a un médico antes de tomar antiácidos. Si se sufren ataques graves o repetidos de indigestión, se debe consultar al médico de inme­ diato; en estos casos la automedicación puede ser peligrosa. En términos generales, el uso ocasional de antiácidos en pe­ queñas cantidades no ofrece peligro y es eficaz. Todos los antiáci­ dos son compuestos básicos. Si disfrutas de buena salud en otros sentidos, puedes elegir una base en función del precio.

l1ó.ó|

Definiciones de ácidos y bases de Br0nsted-Lowry

Las definiciones de A rrhenius de los ácidos y las bases son m uy útiles en el caso de las so­ luciones acuosas, pero ya para la década de 1920 los quím icos trabajaban con otros d i­ solventes adem ás del agua. Se encontraron com puestos que actuaban com o bases p ese a no tener O H en su fórm ula. Se necesitaba u na nueva teoría. I E n 1923 el quím ico danés (y colega de N iels Bohr) J. N. B r0nsted (1897-1947) y el quím ico inglés T. M . Lowry (1847-1936) sugirieron de form a independiente definiciones m ás generales de los ácidos y las bases. Las definiciones de Br0nsted-Low ry son

U n ácido de Br0nsted-Lowry es un donador de protones; dona un ion hidrógeno, H+. U na base de Br0nsted-Lowry es un receptor de protones; acepta un ion hidrógeno, H+.

Todos los ácidos de Arrhenius también se clasifican com o ácidos según la definición de Br0nsted-Lowry. Por ejemplo, en la reacción del cloruro de hidrógeno gaseoso, HCl(g), con agua para form ar ácido clorhídrico, el H Cl(g) es el donador de protones. Todas las bases de A rrhenius contienen iones O H , a los que la definición de B r0nsled-L ow ry tam bién clasifica com o bases. Sin em bargo, el uso de las definiciones de Br0nstedL ow ry perm ite clasificar m ás sustancias quím icas com o ácidos y bases. E n la reacción entre el cloruro de hidrógeno y el agua, el receptor de protones (la base) es el agua. H C l(g) + H 2O (1 )----- >H 3O +(ac) + C U (ac) D onadord e protones

R eceptord e protones

D e acuerdo con las definiciones de Br0nsted-Low ry, ésta es una reacción ácido-base; el agua actúa com o base. L a fuerza m otriz de la reacción es la form ación de un ácido m ás débil y de una base m ás débil. U n ácido m ás fuerte reacciona con una base m ás fuerte p ara form ar una base m ás débil y un ácido m ás débil. H C l(g) + H 2O (1 )------> H 3O +(ac) + C U (ac) Á cidom ás B asem ás fuerte fuerte

Á cidom ás débil

B asem ás débil

Q uizá no resulte obvio que el H Cl es un ácido m ás fuerte que el ion hidronio, pero hay que recordar que un ácido m ás fuerte es aquél que consigue ceder su protón. Tam bién puede parecer extraño pensar que el agua es una base, pero recuerda la definición: una base es un receptor de protones. Se puede pensar en un a reacción de neutralización com o en un jueg o de “donaciones” . L a especie que consigue donar el protón es el ácido. L a e s­ pecie que acepta el protón es la base. E n este jueg o de “donaciones”, el agua se queda ca­ si siem pre con el protón. D uranle la reacción, el H Cl(g) — el ácido de Br0nsted-Low ry— dona un protón al H 2O y deja un ion cloruro, C l“, que se clasifica com o la b ase co n ju g ad a . (La base conju­ gada es sim plem ente un ácido sin su protón.) E n conjunto, el H Cl y el C l“ , constituyen un p a r c o n ju g ad o ácido-base. E l agua y el ion hidronio form an otro par conjugado, en el que el agua es una base de Br0nsted-Low ry y el ion hidronio es su ácido conjugado. A continuación se m uestran los pares conjugados ácido-base. Parc onjugadoá cido-base l 1 l ------> H O +(ac) + C l ( a c ) H C l(g) + H O (1 ) t ___________________ !___________________ t Parc onjugadoá cido-base

I Conexión con el aprendizaje Una teoría nueva: En el proceso de la ciencia, a veces resulta que una teo ría que ofre cía una ex plica ción acepta ble en un mo mento da do de be ser actua liza da, o bien re chaza da y susti tui da por otra, ca paz de explicar los nuevos des cu bri mientos o ex plicar los da tos con más cla ridad.

L a definición de las bases, de acuerdo con el m odelo de B r0nsted-Low ry, incluye a toda especie que acepta un protón. A sí pues, H 2O, C l , N H 3 y m uchas otras especies que no son hidróxidos pueden actuar com o bases de B r0nsted. C uando el am oniaco gaseoso, N H 3(g), reacciona con el cloruro de hidrógeno gaseoso, H Cl(g), no interviene hidróxi­ do alguno, pero el N H 3(g) acepta un protón del H Cl(g) y, por tanto, actúa com o base de B r0nsted-Lowry. P arc onjugadoá cido-base

H C l(g)

+

l N H 3(g)

1 N H 4+

' ------>

+

CL

Á cidom ásf uerte B asem ásf uerte Á cidom ásd ébil B asem ásd ébil t ________________________ j____________________________ t P arc onjugadoá cido-base

Cuando el am oniaco gaseoso se disuelve en agua, reacciona con ella en pequeña pro­ porción para form ar iones am onio y iones hidróxido. E n este sistema, el am oniaco actúa com o receptor de protones (una base), y el agua, com o donador de protones (un ácido).

N H 3(g) + @ O H N H 4+(ac) B ase Á cido (receptord ep rotones) (donadord ep rotones)

+

O H (a c )

E l am oniaco y los iones hidróxido com piten por los protones. ¿C uál es la base m ás fuer­ te? Se establece un equilibrio dinám ico entre las cuatro especies presentes, pero la reac­ ción inversa predom ina con respecto a la reacción directa. E l ion hidróxido se queda con el protón casi siempre. E n cualquier instante, el núm ero de m oléculas de am oniaco y de agua es enorm e; el núm ero de iones am onio e hidróxido es m uy pequeño. E l am oniaco y el ion am onio constituyen un par conjugado, en tanto que el agua y el ion hidróxido for­ m an otro p ar conjugado. Parc onjugadoá cido-base

_______l_i_________ l NH3(g) a3W B asem ásd ébil

+

l NH4+(ac)

H2O l i 2v Á cidom ásd ébil t

Á cidom ásf uerte

------------------- 1------------------Parc onjugadoá cido-base

O H (ac) B asem á sf uerte t

D ebido a que la fuerza m otriz se orienta hacia la base m ás débil y el ácido m ás débil, es razonable que haya m ás am oniaco que iones amonio, y m ás agua que iones hidróxido. C om o aquí se m uestra, los pares conjugados siempre consisten en un m iem bro m ás fuerte y uno m ás débil, lo cual ciertam ente no es una coincidencia. Lo que hace m ás fuerte a un ácido es su m ayor tendencia a liberar, a ceder, su protón. Su base conjugada, por consi­ guiente, debe ser com parativamente m ás débil. A dvierte que, en la reacción del agua con el am oniaco, el agua actúa com o un ácido de Br0nsted; en cambio, en la reacción anterior con cloruro de hidrógeno el agua actúa com o una base de Br0nsted. Se dice que el agua es an fip ró tica: puede perder o ganar un protón para actuar ya sea com o ácido o com o base. L a tabla 16.3 presenta una lista de varios ácidos y sus bases conjugadas en orden de su fuerza relativa. O bserva que el ácido m ás fuerte tiene la base conjugada m ás débil, y que la base m ás fuerte tiene el ácido conjugado m ás débil.

T a b la 16 .3 F u e r z a r e la tiv a d e a lg u n o s á c id o s d e B r o n s te d -L o w r y y s u s b a s e s c o n ju g a d a s

1

Nombre

Fórmula

Nombre

Fór mu la

Ácidop erclórico

HClO4

Ionp erclorato

ClO4~

H2SO4 HCl

Ionh idrogenosulfato

h s o 4~

Ionc loruro

CL

Ácidos ulfúrico s s C ■e TD '0 SE

s s e O1 3 -o 'Cds £

,

Base

Ácidoc lorhídrico Ácidon ítrico

hno3

Ionn itrato

n o 3~

Ionh idronio

h 3o+

Agua

H2O

Ácidos ulf uro so

h 2s o 3

Ionh idrogenosulfito

h s o 3~

Ácidof osfórico

h 3p o 4

Iond ihidrogenofosfato

h 2p o 4-

Ácido a cético

CH3COOH

Iona cetato

c h 3c o o ~

Ácidoc arbónico

H2CO3 NH+

Ionh idrogenocarbonato

h c o 3~

Ion a mo nio

Amoniaco

nh3

Agua

h 2o

Ionh idróxido

OH~

Amoniaco

nh

Ion a mi da

n h 2-

E J E M P L O 16.6

3

1 s Bases

Áci do

'J 'OEJ 'Cd £

es es as £ B'Cd E

,

Pares conjugados ácido-base

Con respecto a cada ácido o base, indica la b ase o el ácido conjugado que se solicita. (a) E l H 2O actúa com o ácido. ¿C uál es su base conjugada? (b) E l H 2O tam bién puede actuar com o base. ¿C uál es su ácido conjugado? (c) E l H C O 3~ actúac om oá cido.¿ C uále ss ub asec onjugada? (d) E l H C O 3~ tam biénp uedea ctuarc om ob ase.¿ C uále ss u á cidoc onjugado? (e) Con base en esta inform ación, ¿qué sabem os acerca del H 2O y del H C O 3 ? SOLUCIÓN (a) L ab asec onjugadae s O H . E l H 2O pierde un protón p ara form ar O H . (b) E lá cidoc onjugadoe s H 3O + . E l H 2O acepta un protón p ara form ar H 3O+. (c) L ab asec onjugadae s C O 32 . E l H C O 3~ pierde un protón p ara form ar C O 32 . (d) E lá cidoc onjugadoe s H 2C O 3. E l H C O 3~ acepta un protón p ara form ar H 2C O 3. (e) Tanto el H 2O com o el H C O 3~ son anfipróticos; pueden donar o aceptar un protón. E J E R C IC IO 16.6 (a) E l N H 3 puedea ctuarc om ob ase.¿ C uále ss uá cidoc onjugado? (b) E l H S O 3~ puedea ctuarc om oá cido.¿ C uále ss ub asec onjugada?

0

Definiciones de ácidos y bases de Lewis

L a historia de los avances en la teoría de ácidos y bases no estaría com pleta sin al m enos una breve presentación del m odelo de L ew is de los ácidos y las bases. E l concepto m ás general de ácidos y bases fue propuesto en 1923 po r G ilbert N. Lew is, quien tam bién introdujo el uso de fórm ulas de puntos (Sección 5.7). D e hecho, el uso de pares de elec­ trones en la escritura de fórm ulas quím icas constituye tam bién la base del m odelo de Lew is de los ácidos y las bases. A continuación se enuncian las definiciones de ácidos y ba ses de Lewis.

U n ácido de Lewis es una sustancia capaz de aceptar (y compartir) un par de electrones. U na base de Lewis es una sustancia capaz de donar (y compartir) un par de electrones.

I Conexión con el aprendizaje Las definiciones de Lewis de los ácidos y las bases tienen una importancia especial en química orgánica; sin embargo, por lo regular las definiciones de Arrhenius o de Bransted-Lowry explican adecuadamente las reacciones en soluciones acuosas.

Todas las sustancias quím icas que son ácidos conform e a las teorías de A rrhenius y de B r0nsted-L ow ry liberan iones H+; p o r tanto, tam bién son ácidos según la teoría de Lew is. Todas las sustancias quím icas que son bases conform e a las teorías de A rrhenius y de Br0nsted-Low ry tam bién se clasifican com o bases según la teoría de Lewis. Además de esto, las definiciones de Lew is expanden el m odelo de ácidos y bases m ás allá de los m odelos de Br0nsted-Low ry y Arrhenius. I L a reacción del trifluoruro de boro con am oniaco es un ejem plo clásico del m odelo de Lewis. N o hay iones hidróxido (exigidos por la definición de A rrhenius) n i transferen­ cia de protones (exigida por la definición de Br0nsted-Lowry).

:F :F— B

H +

:F H

:N — H — > :F — B — N — H

:F

H

Á cido

Base

:F:

H

E l boro del B F 3 tiene sólo seis electrones que participan en enlaces, dos m enos que el octeto estable, po r lo cual necesita un par de electrones. A l actuar com o ácido de Lewis, el B F 3 acepta, y luego com parte, un par de electrones del nitrógeno del N H 3. E l am onia­ co es la base de Lew is, que dona, y luego com parte, un par de electrones. Son tres las teorías que explican las reacciones ácido-base, p ero no se contradicen m utuam ente, sino que cada teoría expande el m odelo anterior y adopta un a perspectiva m ás am plia (Fig. 16.9). Por ejem plo, el ion O H - — reconocido p o r A rrhenius com o una base— , es tam bién una base de acuerdo con la definición de B r0nsted-L ow ry p orque es un receptor de protones. M ás aún, este ion es una b ase de Lew is, pues es un donador de un p ar de electrones. E J E M P L O 16.7 Figura 16.9 Elm odelod e Br0nsted-Lowry de los ácidos y bases amplió el alcance del modelod e Arrhenius.E ld eL ewis es el modelo de ácidos y bases de alcancem ásg eneral.L ad efinición de Lewis de los ácidos abarca toda sustancia capaz de aceptar un par de electrones; una base de Lewis es toda sustanciac apazd ea ctuarc omo donadord ep aresd ee lectrones.

Definiciones d e ácidos y bases

¿Q ué teoría se necesita p ara clasificar cada caso com o un a reacción ácido-base? Id en ti­ fica qué reactivos son los ácidos y cuáles son las bases. (a) A lC l3 + # - ------> A lCl4 (b) H C N (ac) + H 2O

H 3O +(ac) + C N - (ac)

(c) H 2SO4(ac) + C a(O H )2(s) ------> C aSO 4(s) + 2 H 2O SOLUCIÓN (a) Sólo la teoría de L ew is es aplicable en este caso. E l ion C l- es la base, pues dona un p ar de electrones. E l A lC l3 es el ácido: acepta un p ar de electrones. (b) E n este caso son aplicables las teorías de L ew is y de B r0nsted-Low ry E l H C N es el ácido: es el donador de protones (Br0nsled) y tam bién el receplor del par de electrones (Lewis). E l H 2O es la base: es el receptor de protones (Br0nsted) y tam ­ bién el donador del par de electrones (Lewis). (c) L as tres teorías son aplicables. E l H 2SO4 es el ácido, y el C a(O H )2, que libera iones O H - , es la base. E J E R C IC IO 16.7

Véanse los problemas 1 6 .3 5 -1 6 .4 8 .

(a) ¿D e acuerdo con cuáles teorías se clasifica el F eC l3 com oá cido? (b) ¿D e acuerdo con cuáles teorías se clasifica el H 2O c om oá cido? (c) ¿D e acuerdo con cuáles teorías se clasifica el H C l com o ácido?

Autoionización del agua H em os com parado reacciones en las que intervienen ácidos y bases, y tam bién tres d e­ finiciones de los ácidos y bases. A hora, antes de describir los m étodos cuantitativos p a­ ra representar la acidez de una solución, es necesario exam inar una vez m ás los enlaces de las m oléculas de agua. A l pensar en el agua se piensa en m oléculas de H2O. Pero incluso el agua m ás pura no es sólo H 2O. A lrededor de una m olécula de cada 500 m illones transfiere un protón a otra H 2O para form ar un ion hidronio y un ion hidróxido. H 2O + H 2O (1) Á ci do B ase

H 3O+ + Á ci do

OH~ B ase

E sta ecuación representa el concepto de Br0nsted-Low ry de lo que ocurre: una m olécula de agua, que actúa com o ácido, dona un protón a otra m olécula de agua, que actúa com o base. C om o se representa en la ecuación, el agua está en equilibrio con iones hidronio y iones hidróxido, pero el equilibrio está desplazado hacia la izquierda. Pocas m oléculas de agua participan en la transferencia de protones m ientras se em puj an unas a otras. La concentración de iones hidronio en el agua pura a 25°C es 0.00000010, o 1.0 X 10 7 M . L a concentración de iones hidróxido en el agua a 25°C tam bién es 1.0 X 10 7 M. Se em ­ plean corchetes, [ ], para representar concentraciones en m oles por litro. E n el caso del agua se tiene que [H 3O+] = 1.0 X 10 7 M [OH ] = 1.0 X 10“7 M E n el agua pura, la concentración de iones hidronio es igual que la concentración de iones hidróxido. E l producto de la concentración de iones hidronio por la concentración de iones hidróxido a 25°C es (1.0 X 10~7)(1.0 X 10~7) = 1.0 X 10~14 E ste producto, conocido com o producto iónico del agua, siem pre es igual a una constante, que se conoce com o co n stan te d el p ro d u c to iónico d el ag u a, Kw, y es igual a 1 .0 X 10~14 a 25°C. Para simplificar, utilizaremos en un principio [H+] en vez de [H3O+], en el enten­ dido de que los iones H+ en solución siem pre están hidratados. C on base en esta notación simplificada, la expresión de Kw se escribe com o sigue. Kw = [H + ] [O H ] = 1.0 X 10 14 a 25°C ¿C óm o influye la adición de un ácido al agua en las concentraciones de iones h i­ drógeno y iones hidróxido? L a respuesta se encuentra recurriendo de nuevo a la ecua­ ción de la ionización del agua y al principio de L e Chátelier. H 2O

H+ + OH~

C onform e se agregan iones hidrógeno (de un ácido), éstos tienden a reaccionar con los iones hidróxido y, en consecuencia, a reducir su concentración. A sí pues, [OH ] dism inuyec uando[H +]a um enta.E stoc oncuerdac onl ae xpresiónd e Kw. Kw = [ H + ][O H ] 1.0 X 10 14 = [H +][O H ] Si se aum enta [H+], la [OH ] dism inuye h asta que el producto de las dos concentracio­ nes es igual a 1.0 X 10~14,y v iceversa.

Si se conoce la concentración de iones hidrógeno, [ H + ] ,o l a concentración de io ­ nes hidróxido, [OH ], se puede calcular la concentración del otro ion com o se m uestra ene stose jem plos.

E J E M P L O 16 .8

[H ] y [O H ]

E l ju g o de lim ón tiene un a [H+] de 0.010 M . ¿C uál es la [O H - ]? SOLUCIÓN D ado:[ H+] = 1.0 X 10-2 M e n f orm ae xponencial. D e Kw se tiene que

[H + ] [O H ] = 1.0 X 10 14

Sustituyendo[ H +]s eo btiene

[1.0 X 10 2][O H ] = 1.0 X 10 14

D ividiendoa m bosl adose ntre1 .0 X 10-2

--------[O H ]

1.0 X 10 2 1.0 X 10-

Sugerencia: P ara dividir núm eros exponenciales, resta el exponente del denom inador dele xponented eln um erador:( - 1 4 ) - ( - 2 ) = - 1 4 + 2 = - 1 2 . [OH ] = 1.0 X 10-1 2 M E J E R C IC IO 16.8 (a) U nab ebidac arbonatadat ieneu na[ H+] de 1.0 X 10-4 M . ¿C uál es la [O H - ]? (b) E l ju g o de encurtidos tiene un a [H+] de 1.0 X 10-3 M . ¿C uál es la [O H - ]?

E J E M P L O 16.9

[H ] y [O H ]

U na m uestra de bilis tiene un a [ O H ] de 1.0 X 10-6 M . ¿C uál es la [H+]? SOLUCIÓN D ado: [OH ] = 1.0 X 10-6 M. D e Kw se tiene que S ustituyendoD ado[ O H ] s eo btiene D ividiendoa m bosl adose ntre1 .0 X 10

[H + ] [O H ] [H +][1.0 X 10-6]

= 1.0 X 10-14 = 1.0 X 10-14

+ [H ] =

1.0 X 10-14 ---------------- 1.0 X 10-6

M.

[H+] = 1.0 X 10- 8 M E J E R C IC IO 16.9 (a) U na solución de am oniaco tiene un a [OH ] de 1.0 X 10-3 M . ¿C uál es la [H+]? (b) U n lim piador p ara pisos tiene una [OH ] de 1.0 X 10-5 M . ¿C uál es la [H+]? E stosc álculosi lustranl os iguiente.

E n las soluciones ácidas, la [H+] es m ayor que 1.0 X 10-7. E nl ass olucionesa lcalinas,l a[ H+] es m enor que 1.0 X 10-7. E n las soluciones neutras, la [H+] es igual a 1.0 X 10-7.

La escala de pH E n vez de expresar todas las concentraciones de iones hidrógeno en form a exponencial, com o se m ostró en el ejem plo 16.9, el quím ico danés S. P. L. Sorensen introdujo en 1909 un m étodo m ás conveniente: propuso utilizar el núm ero del exponente para expresar la

acidez. L a escala de acidez de Sorensen se conoció m ás tarde com o la escala de pH, del francéspouvoir hydrogene (“poder de hidrógeno”). Se define el p H de una solución como el negativo del logaritm o de la concentración de iones hidrógeno, [H +]. E l logaritm o (log) de un núm ero es el exponente (la potencia) al que se debe elevar 10 para obtener el núm e­ ro especificado. E n térm inos m atem áticos, el pH se define com o sigue.

Algunos logaritmos

log 102 log 101 log 100 log 10— 2

= 2 = 1 = O = —2

log 10— 1 = —1 pH = —lo g [H +] A l toparse por prim era vez con esta definición de pH , cabría preguntarse si esto es en realidad “m ás conveniente” que em plear la notación exponencial p ara expresar la [H +] I , pero con un poco de práctica se ve que así es. C on respecto a cualquier solu­ ción cuya concentración de iones hidrógeno se exprese com o 1 X 10—n, el pH es igual al valor num érico de n. Considera, po r ejem plo, las siguientes concentraciones de iones hidrógenoe nm olesp orl itro,M ,y l osv aloresd ep H c orrespondientes. pH

[H]

1 X 10—1

1

1 X 10—3

3

1 X 10—9

9

1 X 10—11

11

Siem pre que [H +] = 1.00 X 10

el pH = n.

Si este núm ero es exactam ente 1 1

entonces el pH es esten úmero.

A sí pues, se puede afirm ar que una solución tiene una concentración de iones h i­ drógeno de 1 X 10—6 m ol/L , o bien que tiene un pH de 6. E l significado es el m ism o, p e ­ ro sencillam ente es m ás fácil decir que su pH es de 6. Por ello, la escala de pH resulta m uyc óm oday r azonablep arae lu suario,y h as idoa doptadad e f orm au niversal. E l agua pura tiene una concentración de iones hidrógeno de 1 X 10—7 m ol/L y un pH de 7. C om o se representa en la escala de pH que aquí se m uestra, to d a solución neu ­ tra tiene un pH de 7. Neutra

9

; ácida

I Conexión con el aprendizaje Las concentraciones entre corchetes siempre están dadas en moles por litro, M.

10

11

12

13

14

más básica

U na solución ácida tiene un pH m enor que 7. U n a solución básica (alcalina) tiene un pH m ayor que 7. C uanto m ás bajo es el pH , m ás ácida es la solución; cuanto m ás a l­ to es el pH, m ás básica es la solución. E n la tabla 16.4 se m uestran los valores de pH aproxim adosd ea lgunass olucionesm uyc onocidas. U n cam bio de acidez de una unidad com pleta de pH corresponde a un cam bio de 10 vecese nl ac oncentraciónd ei onesh idrógeno. P or ejem plo, una solución con un pH de 3 es 10 veces m ás ácida que una solución con un pH de 4, 100 veces m ás ácida que una solución con un pH de 5, y así sucesivam ente. E sto resultará m ás obvio si se tienen en m ente las concentraciones de iones hidrógeno

I Conexión con el aprendizaje Más adelante en este capítulo trabajaremos con números con coeficientes que no son exactos.

T a b la 16 .4 p H a p r o x im a d o d e a lg u n a s s o lu c io n e s Solución

pH

HCl 0.10 M

1.0

Jugog ástrico

1.6-1.8

Jugod el imón

2.3

Vinagre

2.4-3.4

Bebidasg aseosas

2.0-4.0

Cerveza

4.0-4.5

Leche

6.3-6.6

Orina

5.5-7.5

Aguad el luvia( noc ontaminada) Saliva Aguap ura San gre

Ácida

5.6 6.2-7.4

\

7.0

Neutra

7.35-7.45

i\

Clarad eh uevo( fresca)

7.6-8.0

Bi lis

7.8-8.6

Leched em agnesia

l\

10.5

Amoniacod oméstico

11

NaOH (lejía) 0.10 M

13

Bá i ca

\1

correspondientes. U n pH de 3 corresponde a un a [H+] de 1 X 10—3 M , o 0.001 M . U n pH de 4 significa a una [H +] de 1 X 10—4 M , o 0.0001 M . A dvierte que 0.001 es 10 ve­ ces m ás grande que 0.0001. L os detalles de la conversión de concentraciones de iones hidronio a pH se describen en el ejem plo que sigue.

E J E M P L O 16 .10

[H+] y pH

¿C uál es el pH de la m u estra de bilis del ejem plo 16.9, cuya [H +] es 1.0 X 10—8 M ? ¿Es ácidao básical as olución? SOLUCIÓN Sustituyel a[ H +]c onocidae nl ae xpresiónm atem áticad el pH. pH = —log [H +] =

—log (1.0 X 10—8)

¡C uidado! A segúrated ee m pleare lv alor de [H +], no de [OH ].

C uando el coeficiente de 10—n en la [H +] es exactam ente 1, com o en este caso, no se necesitau n ac alculadora.E lp H e si guala ln úm ero n dele xponente. pH = 8.0 E l pH de la m uestra de bilis es 8.0. E l pH es m ayor que 7; por tanto, la solución es básica. E J E R C IC IO 16 .10 Véanse los problemas 16.49 y 1 6 .5 0 .

(a) ¿C uál es el pH de una solución de vinagre cuya [H +] es 1 X 10—3 M ? ¿Es ácida o básical as olución? (b) ¿C uál es el pH de un lim piador de pisos cuya [OH ] es 1 X 10—5 M ? Sugerencia: P rim eroc onvierte[ O H ] a [H +].

E n el ejem plo y el ejercicio anteriores, de conversión de [H +] a pH , las concentra­ ciones de iones hidrógeno tenían valores acordes con la form a (1 X 10 ") con un coefi­ ciente de exactam ente 1, por lo que se pudo obtener el pH sin usar una calculadora. Sin em bargo, en m uchos casos las concentraciones de iones h idrógeno no se expresan com o 1 X 1 0 " . E n el caso de núm eros com o 4.0 X 10-3, 4.73 X 10-3 y otros que se ajustan a la form a (m X 10- "), donde m es diferente de 1, el uso de una calculadora (o de una ta­ b la de logaritm os) perm ite obtener el logaritm o que se necesita. E stu d ia detenidam ente ele jem p lo q ues iguea ntesd er esolverp roblem ass im ilaresa lf inald ee stec apítulo.

E J E M P L O 16 .11

[ H ] y pH

¿C uál es el pH de una solución cuya [H +] es 4.5 X 10-3 M ? SOLUCIÓN pH = - l o g [H +] = - l o g (4.5 X 10-3) Se puede hacer una aproxim ación con base en el exponente: - 3 . E l p H estará entre 2 y 3 . Para encontrar el logaritm o de 4.5 X 10-3, usa una calculadora que tenga tecla LOG.

Oprime Parai ntroducire lc oeficiente

En pantalla

4.5

4.5

Parae ntrara lm odoe xponencial

EE O EXP

4.5

00 1

Pasosp arai ntroducir

Parai ntroducire le xponente

3

4.5

03 }

la[ H+].

Parac ambiare ls ignod ele xponente Parao btenere ll ogaritmo Para obtenere ll ogaritmon egativo

LO G

4.5 -2.35 2.35

+/+/-

- 03 Redondeadoa c entésimas. Éste es el pH.

pH = 2.35 E l pH está entre 2 y 3, com o se esperaba E J E R C IC IO 16 .11 (a) ¿C uál es el pH de una solución cuya [H +] es 5.7 X 10-4 M ? (b) ¿C uál es el pH de un cham pú cuya [H +] es 3.2 X 10-6 M ?

Puesto que el pH es un logaritmo, es necesario conocer la regla siguiente aplicable a los logaritm os para establecer el núm ero correcto de cifras significativas:

E l núm ero de dígitos después del punto decim al de un log o pH debe ser igual al núm e­ ro de cifras significativas del núm ero original.

P or ejem plo, si [H +] es 4.5 X 10-3 M (dos cifras significativas), el pH es 2.35 (dos posicionesd ecim ales),c om os em uestrae nl ar espuestad ele jem p lo 1 6.11. E l pO H se define de form a sim ilar al pH , excepto que el pO H se refiere a la [ O H ] en vez de la [H +]. pO H = - l o g [O H ]

Nota: Las operaciones que aquí se describen están disponibles en casi todas las calculadoras científicas. Consulta las instrucciones completas en el manual de uso.

[O H ]

pOH

0

1 X10-14

14

1 X10-1

1

1 X10-13

13

1 X10-2

2

1 X 10-12

12

1 X10-3

3

1 X10-11

11

1 X10-4

4

1 X10-10

10

1 X10-5

5

1 X10-9

9

[H ]

pH

1 X10°

6

1 X10-8

8

7

1 X10-7

7

1 X10-8

8

1 X10-6

6

1 X10-9

9

1 X10-5

5

1 X10-10

10

1 X10-4

4

1 X10-11

11

1 X10-3

3

1 X 10-12

12

1 X10-2

2

1 X10-13

13

1 X10-1

1

1 X10-14

14

1 X100

0

So lu cio nesá cidas

f Solució n n eu tra [

n oi ic ul C S

1 X10-6 1 X10-7

ii

;s básicas

\1

E n la tabla 16.5 se m uestra la relación entre el pH y el pO H . A dvierte que pH + pO H = 14 L os enunciados siguientes, ju n to con la Fig. 16.10, resum en el efecto sobre el pH y el pO H de la adición de ácido o base a u na solución.

E n una solución neutra, tanto el pH com o el pO H son iguales a 7. L a adición de un ácido reduce el pH pero aum enta el pO H (Fig. 16.10a). L a adición de una b ase reduce el pO H pero aum enta el pH (Fig. 16.10b). L a sum a del pH y el pO H siem pre es igual a 14.

Figura 16.10

Efecto de la adición de un ácido o base en el pH y el pOH de una solución. pOH 14 13 „ 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

(a) Cuando se agrega un exceso de ácido, el pH disminuye y el pOH aumenta.

PH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 (b) Cuando se agrega un exceso de base, el pH aumenta y el pOH disminuye.

E J E M P L O 16 .12

Conversiones d e pH y pOH

¿C uál es el pO H de una solución cuyo pH es de 8.23? SOLUCIÓN pH + pO H = 14 P ort anto,

P ord efinición.

pO H = 14 — pH

Se resta “p H ” de am bos lados.

pO H = 14 — 8.23

Se sustituye el pH p o r 8.23.

pO H = 5.77

Respuesta.

E J E R C IC IO 16 .12 Véanse los problemas 1 6.51 -1 6.5 6 .

(a)

¿C uál es

el pO H de una solución ácida cuyo pH es de 4.83?

(b)

¿C uál es

el pO H de una solución b ásica cuyo pH es de 8.42?

Se ha m ostrado la interrelación que existe entre los valores de pH, pOH, [H+] y [ O H ] . A simismo, se ha visto que se puede determ inar la [H+] si se conoce la [ O H ] , y vi­ ceversa. También se h a m ostrado cóm o convertir concentraciones de iones hidrógeno a va­ lores de pH. E n el ejemplo que sigue se ilustra la conversión de pH a [H+].

E J E M P L O 16 .13

C onvertiendo pH a [H+]

¿C uál es la [H+] del ju g o de lim ón, cuyo pH es de 2.35? SOLUCIÓN Si se conoce el pH, la [H+] correspondiente se obtiene por sustitución en la expresión del pH. Sigue los pasos que aquí se indican. pH

= —log[H+]

2.35

= —log[H+]

M ultiplicaa m bosl adosp or —1. —2.35

= log[H+]

Inviertel ae cuaciónp arat ener log[H +] = —2.35 O bténe ll ogaritm oi nverso( ela n tilogaritm o)d ea m bosl adosp arae ncontrar[ H+]. [H+] = antilog —2.35

que es

10—2 35

Si tu calculadora tiene la tecla 10x, digita 2.35 para introducir el núm ero, oprim e la tecla + / — para invertir los signos y luego oprim e la tecla 10x. (Con esto se obtiene el valor de 10—235.) L a pantalla m uestra 4.4668 —03; por tanto [H+] = 4.5 X 10 3

redondeadaa d osc ifrass ignificativas,q uec orresponden aln úm erod ep osiciones decim ales del pH dado.

Si tu calculadora no tiene la tecla 10x, pero incluye las teclas cuen cia.

in v

y

lo g

, sigue esta se-

Nota: No todas las calculadoras son iguales. Para saber cómo obtener el loga rit mo inverso (anti loga rit mo) puede ser necesario consultar el ma nual de uso de la cal cu lado ra.

Opri me Parai ntroducire ln úmero2 .35

En pan ta lla

2.35

2.35

Parac ambiare ls igno

+ /-

-2/.35

Parae ntrara lm odoe xponencial

EE o EXP

Parao btenere ll ogaritmoi nverso

inv

[H+] = 4.5

yl uego

log

- 2/.35

00

4.4668

-0 3

redondeadac om oy as ee xplicó.

E J E R C IC IO 16 .13 Véanse los problemas 1 6.57 y 1 6.58.

(a) ¿C uál es la [H+] de un a lata de beb id a carbonatada, cuyo pH es de 3.60? (b) ¿C uál es la [H+] de un a m uestra de sangre, cuyo pH es de 7.41?

M e d ic ió n d e l p H U n m étodo para determ inar el pH es el que se basa en el uso de ciertas sustancias químicas llam adas in d icad o res ácido-base. Estos indicadores son colorantes que cam bian de color a valores de pH específicos. A lgunos indicadores son colorantes sintéticos, y otros son de origen vegetal o animal. C ada colorante indicador tiene un color determ inado en solución ácida y otro color en una solución m ás básica (cam bia del ácido a su base conjugada). Por ejemplo, el tornasol es rojo en soluciones ácidas y azul en soluciones básicas. Las com bi­ naciones de ciertos colorantes indicadores presentan una gam a com pleta de colores a m e­ dida que el pH cam bia de m uy básico a m uy ácido (Fig. 16.11). Seleccionando el indicador ácido-base apropiado (véase la tabla 16.6), se puede determ inar el pH de casi cualquier so­ lución acuosa incolora. L os aparatos m edidores de pH (potencióm etros) perm iten realizar m ediciones más exactas del pH por m étodos eléctricos. Por lo general, estos instrum entos m iden el pH con una precisión de aproxim adam ente 0.01 unidades de pH. C on un potencióm etro se puede determ inar el pH de m uestras de sangre, orina y otras m ezclas coloridas o com plejas. En la Fig. 16.12 se m uestra un potencióm etro típico.

E J E M P L O 16 .14

Indicadores

C on ayuda de la tabla de indicadores ácido-base, señala el color del indicador que se es­ pecificae ns olucionesc onl osv aloresd ep H i ndicados. Figura 16.11 Dosp apelesp H comunes :d ei ntervaloa mplio (izquierda)y d ei ntervalo estrecho( derecha).

T a b la 16 .6

A lg u n o s in d ic a d o r e s á c id o - b a s e

In di ca dor Violetad em etilo

Intervalo aproximado de pH en el que el co lor cam bia 0-2

Color en el intervalo más áci do

Color en el intervalo más bá si co

Amarillo

Violeta

Azul de timol

1.2-2.8

Ro sa

Amarillo

Naranjad em etilo

3.2-4.4

Rojo

Amarillo

Rojod em etilo

4.2-6.2

Rojo

Amarillo

Tornasol

4.7-8.2

Rojo( rosa)

Azul

Azuld eb romotimol

6.0-7.8

Amarillo

Azul

Azul de timol

8.0-9.4

Amarillo

Azul

Fenolftaleína

8.3-10.0

In co loro

Rojo

10.2-12.1

Amarillo

Rojo

Amarillod ea lizarinaR

(a) indicador de azul de brom otim ol en col agria, a un pH de 3.5 (b) indicador de fenolftaleína en agua pura, a un pH de 7.0 (c) indicador de fenolftaleína en leche de m agnesia, a un pH de 10.5 SOLUCIÓN (a) E l azul de brom otim ol es am arillo a este pH. (b) L a f enolftaleínae s incolora a este pH. (c) L a f enolftaleínae s roja a este pH. E J E R C IC IO 16 .14 (a) L a fenolftaleína tom a un color rosado brillante en una solución de am oniaco para el hogar. ¿Q ué puedes decir acerca del pH? (b) ¿D e qué color sería el indicador rojo de m etilo en vinagre, cuyo pH es de 2.5?

Figura 16.12 Aparatom edidor dep H( potenciómetro)y medicionesd ep Hd ev arios ácidosy b asesc omunes.

Hidrólisis: sales en agua C uando un ácido reacciona con una cantidad proporcional de base, los productos son agua y una sal. E l proceso recibe el nom bre de neutralización, pero, ¿es neutra la solu­ ción? ¿Y si sim plem ente se tom a un a sal y se disuelve en agua? ¿Sería la solución ácida, básica o neutra? Todo depende de la sal. L os iones de m uchas sales reaccionan en cierta m edida con el agua y alteran la proporción 1:1 de iones hidronio e hidróxido. L a reac­ ción de los iones de las sales con agua se conoce com o h id ró lisis, del griego hydro (agua) y lysis (soltar o descom poner). ¿Cóm o se sabe si una sal es ácida, básica o neulra? E n térm inos experimentales es m uy sencillo: basta con disolver un poco de la sal en agua destilada o desionizada y m edir el pH con un indicador ácido-base o un potencióm etro. Sin em bargo, en realidad no es necesario ir al laboratorio y m edir el pH de cada solución de sal. Se puede predecir si la so­ lución de una sal será ácida, básica o neutra com parando la fuerza relativa del ácido y de la base con los que se podría preparar la sal. Las reglas que se necesitan son las siguientes.

Hidrólisisd e sales 1. L a sal de un ácid o f uerte y una b asef uerte d a un a solución n eu tra. 2. L a sal de un ácido f uerte y una b ased ébil dau nas olución ácid a. 3. L a sal de un ácidod ébil y una b asef uerte dau nas olución b ásica. 4. L a sal de un ácido débil y una base débil d a un a solución ligeram ente ácida, ligeram enteb ásica o neu tra, de acuerdo con sus fuerzas relativas. P ara aplicar estas reglas es preciso conocer los ácidos fuertes, las bases fuertes, los ácidos débiles y las bases débiles, así com o los iones que liberan (Sección 16.2).

¿Cómo saber si la solución de una sal será ácida, básica o neutra? P ara predecir si u na sal es ácida, básica o neutra, exam ina su fórm ula y plantea estas p re­ guntas:

▼ Reflexiona ▼ detenidamente ▼ paso a paso

•

¿Q uéi oness el iberaráne ns olución?

•

¿Q uéb asep roporcionae li onp ositivoq ues el iberaa lh idrolizarsel as al?

•

¿Q uéá cidop roporcionae li onn egativoq ues el iberaa lh idrolizarsel as al?

A continuación, aplica las cuatro reglas enum eradas antes de este párrafo. Por ejemplo, el carbonato de sodio, N a2C O 3, form a iones Na+ y iones C O 32 . E l ion positivo, Na+, es libe­ rado por la base fu erte N aOH. E l ion negalivo, C O 32 , es liberado por el ácido débil H 2C O 3. A sí pues, el carbonato de sodio es la sal de un ácido débil y una base fuerte; su h i­ drólisis form a una solución básica (regla 3).

E J E M P L O 16 .15

Hidrólisis

Indica si una solución de K C l es ácida, básica o neutra. SOLUCIÓN E l ion positivo del K C l es K+, presente en la b ase fuerte KOH. E l ion n e­ gativo del K C l es C l , presente en el ácido fuerte H Cl. Se trata de un a sal de un ácido fuerte y una base fuerte; p o r tanto, la solución es neu tra . E J E R C IC IO 16 .15 (a) ¿S eráá cida,b ásicao n eutrau nas oluciónd eN aN O 3? (b) ¿S erá ácida, b ásica o neutra un a solución de K 2C O 3?

E J E M P L O 16 .16 Indica si una solución de (N H 4)2SO4 esá cida,b ásicao n eutra. SOLUCIÓN E l ion N H 4+ se form a al disolver en agua N H 3, una base débil. E l ion SO42— está presente en el H 2SO4, un ácido fuerte; por tanto, la solución es ácida (regla 2). E J E R C IC IO 16 .16 (a) ¿S erá ácida, b ásica o neutra una solución de N H 4N O 3? (b) ¿S eráá cida,b ásicao n eutrau nas oluciónd ea cetatod es odio?

^6.1^ Amortiguadores: regulación del pH E n química, un a m o rtig u a d o r (o regulador) está form ado por un par de sustancias quím i­ cas que, si están presentes en una solución en particular, m antienen el pH casi constante cuando se agrega un ácido o una base. U n am ortiguador quím ico se asem eja a un am or­ tiguador m ecánico que absorbe impactos: tiende a reducir el choque de los cam bios drásti­ cos de concentración de H+ y O H —. Los am ortiguadores son im portantes en m uchos procesos de m anufactura y son indispensables para la vida. Si los sistemas amortiguadores de tu organism o dejaran de funcionar, a ti te ocurriría lo mismo. U n am ortiguador se prepara con un ácido débil y una sal de ese ácido (o una base d é­ bil y una sal de esa base), por lo regular en concentraciones aproxim adam ente iguales. P ara com prender cóm o funciona un am ortiguador conviene aplicar el principio de Le C hátelier (Sección 15.4). L a solución a m o rtig u a d o ra contiene especies que reaccionan con los iones hidrógeno o hidróxido que se agregan y los atrapan. Se describirá a continuación una solución am ortiguadora de ácido acético y acetato de sodio. Si se agrega un ácido fuerte a esta solución, los iones hidrógeno adicionales reaccio­ nan con los iones acetato en solución y form an ácido acético, un ácido débil. E l equilibrio se desplaza hacia la derecha conform e el am ortiguador de acetato consum e los protones para form ar un ácido débil. A diciónd eá cido H +(ac) + C H 3C O O —(ac) *=-»■

C H 3C O O H (ac)

L a reacción es reversible en pequeña m edida, pero la reacción directa que atrapa los protones es la reacción predom inante. C uando se agrega un ácido, el cam bio de pH es m uy pequeño hasta que se alcanza la c a p a c id a d a m o rtig u a d o ra . E s decir, si se agrega u n a cantidad m uy grande de ácido, se llega a un punto en el que los iones acetato y a no puedena traparm ásp rotones.S eh aa lcanzadol ac apacidada m ortiguadora. C uando se agrega una base fuerte, los iones hidróxido adicionales son neutralizadosp orl osi onesh idrógenod elá cidoa céticod ela m ortiguador. A diciónd eb ase O H —(ac) + H +(ac) ------> H 2O A m edida que los iones hidrógeno desaparecen de la solución am ortiguadora, un a nueva ionización del ácido acético del am ortiguador los repone de inm ediato. C H 3C O O H (ac)

C H 3C O O —(ac) + H —(ac)

U na vez m ás, la concentración de iones hidrógeno regresa aproxim adam ente al valor ori­ ginal y el pH cam bia m uy poco. Son num erosas las soluciones am ortiguadoras im portantes. L a m ayor parte de las reacciones bioquím icas, ya sea que se efectúan en un laboratorio o en nuestro cuerpo, se llevan a cabo en soluciones am ortiguadas. L a tabla 16.7 presenta u na lista de algunos am ortiguadoresi m portantes.

Véanse los problemas 16 .59-16 .62.

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO A c id e z y la c a r ie s d e n t a l La caries es una enfermedad que padece un alto porcentaje de la población. Se origina por la acción de un ácido que disuelve el mineral de los dientes. Cada pieza dental está recubierta por una capa de esmalte; éste se forma por hidroxiapatita Caj0(PO4)6(OH)2, mineral que es poco soluble en agua y es la sustancia más dura del cuerpo humano. La capa de hidroxiapatita mide alrededor de 2 mm de es­ pesor. Se disuelve cuando se encuentra a un pH menor que 5.5, como ocurre al consumir bebidas gaseosas endulzadas (cuyo pH es de 2.5-3.0), al ingerir dulces y alimentos muy pi­ cantes o muy ácidos, como jitomates (4.2), vinagre (2.5 a 3.5), vino (3.5), jugo de limón (2.5) y zumo de naranja (4) y debido a la actividad de bacterias presentes en la boca. En los dientes se acumula una delgada película de carbo­ hidratos. Diversas bacterias se adhieren a esta capa y al ali­ mentarse convierten los azúcares en ácido láctico, lo cual reduce el pH de la superficie dental a un valor menor de 5, y permite la desmineralización del diente (de ahí la importancia de removerla mediante el cepillado dental). La reacción de la hidroxiapatita en presencia de ácidos es la siguiente:

No obstante, en concentraciones mayores el fluoruro puede ocasionar fluorosis, que genera una destrucción de los dientes. incluso hay cierta preocupación por los efectos acumu­ lativos de tal sustancia. Se sabe que una ingesta excesiva de fluoruros durante la niñez puede manchar el esmalte de los dientes, además de volverlo quebradizo. También hay eviden­ cias de que las dosis altas provocan una interferencia en el me­ tabolismo del calcio, el funcionamiento de los riñones y las glándulas como la tiroides y otros órganos. Para más información acerca de este tema y otros de química te recomendamos consultar esta dirección electrónica: http://todoesquimica.blogia.com/2008/040601-la-caries.php

Ca10(PO4)6 (OH)2 + 14H+ ^ 10Ca2+ + 6H 2 PO 4- + 2H 2o Se ha notado que en los lugares en los que el agua con­ tiene flúor (en una concentración de alrededor 0.1 ppm) de manera natural las personas tienen menos caries. Esto se debe a que los iones fluoruro en solución reemplazan algunos de los iones hidróxido del esmalte para conformar fluoroapatita, como muestra la siguiente reacción: Ca10 (PO4)6 (OH)2 + 2F - ^ Hidroxiapatita

C aw ( P O ^ + 2O H Fluoroapatita

La fluoroapatita es más dura y más densa que la hidroxiapatita y resulta unas 100 veces menos soluble en ácido. Además, el ion fluoruro también inhibe la capacidad de las bacterias para generar ácidos. Por ello, en sitios en los que el agua no contiene fluoruro de forma natural es conveniente agregarlo en una concentración de 0.7 a 1.0 ppm.

La caries se origina cuando el pH disminuye por el consumo de alimentos ácidos o por falta de higiene bucal. De no tratarse, puede provocar la pérdida de la pieza y afectar la masticación o ser el inicio de una infección mayor que pase del diente a algún órgano interno.

\ ___________________________________

E J E M P L O 16 .17

Amortiguadores

E xplica y m uestra m ediante un a ecuación lo que ocurre cuando se agrega un ácido a un am ortiguadord ea cetatod es odio/ácidoa cético. SOLUCIÓN C onform e el exceso de ácido reaccio n a con los iones acetato del am orti­ guador, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y la [H+] dism inuye al form arse el ácidod ébil. H +(ac) + C H 3C O O ( a c )

C H 3C O O H (ac)

T a b la 16.7

A lg u n o s a m o r t ig u a d o r e s im p o r t a n t e s

Com ponentes del am ortiguador

Nombre del sistema am ortiguador

pH*

CH3COOH y CH3COO-

Ácidoa céticoy i ona cetato

4.76

H2CO3 y HCO3~

(Dióxidod ec arbono)á cido carbónicoy i onh idrogenocarbonato

6.46f

H2PO4- y HPO42-

Iond ihidrogenofosfatoy i on monohidrogenofosfato

7.20

NH4+ y NH3

Iona monioy a moniaco

9.25

*Los valores que se indican corresponden a soluciones 0.1 M respecto a cada compuesto a 25°C. +Este valor incluye las moléculas de CO2 como H2CO3 no disociado. El pH del H2CO3 sólo es de alrededor de 3.8. E J E R C IC IO 16 .17 (a) E xplica y m uestra m ediante una ecuación lo que ocurre cuando se agrega un a basea u n a m ortiguadord ea cetatod es odio/ácidoa cético.

Véansel osp roblemas 1 6.6 3 -1 6.6 8.

(b) ¿Q uép ard es ustanciasq uím icass en ecesitanp arap repararu n a m ortiguador?

Titulaciones ácido-base Para determ inar la concentración de una solución específica de ácido o base se em plea un procedim iento llam ado titulación. Para conocer la concentración de un ácido, se m ide cui­ dadosamente, m ediante una bureta, un volum en específico de la solución y se introduce en un m atraz (Fig. 16.13). Se agregan además unas gotas de un indicador ácido-base al ácido en el matraz. A continuación se agrega m ediante otra bureta, lenta y cuidadosamente, una base de concentración conocida, llam ada b ase e stá n d a r, hasta que una sola gota adicional de base cam bia el color del colorante indicador. É ste es el p u n to final de la titulación. El punto en el que han reaccionado cantidades estequiom étricam ente equivalentes de ácido y base se denom ina p u n to d e equivalencia. (El punto fin a l y el punto de equivalencia no son necesariam ente iguales.) Se debe elegir un indicador idóneo para la titulación, de tal m odo que el punto final esté lo m ás cercano posible al punto de equivalencia. U na vez concluida la titulación, la concentración desconocida del ácido se calcula con base en los volúmenes de ácido y de base que se necesitaron para la neutralización, ju n to con la concentración co­ nocida de la base estándar. Para determ inar la concentración de una solución básica se invierte el procedim iento. Se m ide una cantidad de la solución básica y se introduce en el m atraz. A continuación, se agrega desde otra bureta un ácido de concentración conocida, llam ado ácid o e stá n d a r, hasta alcanzar el punto final. L a concentración desconocida de la base se calcula tomando com o datos la concentración del ácido estándar y los volúm enes de ácido y base. L os co n ­ ceptos presentados en el capítulo 11 son el fundam ento para efectuar estos cálculos.

E J E M P L O 16 .18

Titulación

¿C uál es la m olaridad de una solución de ácido del acum ulador de un autom óvil, H2SO4, si 22.53 m L del ácido neutralizan 42.11 m L de N aO H 1.923 M ? SOLUCIÓN

■

PASO 1 E scribe unae cuaciónb alanceadad el ar eacciónd en eutralización. H 2SO4 + 2 N a O H ------> N a2SO 4 + 2 H 2O

Figura 16.13 Aparatop arat itular. Se mide y se vierte en el matraz una muestrad eu ná cidod esconocido, ys ea gregau ni ndicadorá cido-base. Se agrega gota a gota una base por medio de una bureta, hasta que el indicadorc ambiad ec olor.

Serán ecesarioe m plearl ar azón m olar 1 m ol de ácido 2 m ol de base

■ PASO 2 H az un a tabla con el volum en y la m olaridad del ácido y de la base. Á cid o

Volumen

22.53 mL

M olaridad

?M

Base

42.11 mL 1.923 M

■ PASO 3 E scribe un plan em pleando conversiones p ara establecer los m oles de ácido. M de la base

razón molar

Plan: V olum en de base en L --------- > M o lesd eb a s e --------- > M olesd eá cido

■ PASO 4 E fectúal asc onversiones. T , 1.923 mol de base 1 mol de ácido 0.04211 L de base X ----------------X —-----------= 0.04049 m ol de ácido L de base 2 m ol de base

■ PASO 5 D ivide los m oles de ácido entre los litros de ácido p ara obtener la molari dad, M . 0.04049 mol de ácido TT ^ ------------------------------ = 1.797 M H 9S 0 4 0.02253 L 2 4 E J E R C IC IO 16 .18 Véanse los problemas 16 .69-16 .76.

(a) ¿C uál es la m olaridad de un a solución de N aO H si 32.45 m L de la b ase n eu trali­ zan 34.32 m L de una solución estándar de H C l 0.1000 M ? (b) ¿C uál es la m olaridad de un a solución de H C l si 37.24 m L del ácido neutralizan 36.85 m L de una solución estándar de N aO H 0.1034 M ?

Resumen del capítulo Hay tres teorías importantes sobre las reacciones ácido-base. Según la definición tradicional de Arrhenius, un ácido es una sustancia que libera iones hidrógeno, H+, cuando se disuelve en agua. Una base libera iones hidróxido, OH—, en agua. La reacción de neutralización pro­ duce una sal y agua. De acuerdo con las definiciones más generales de ácidos y bases de Br0nsted-Lowry, un ácido es un donador de protones, H+, y una base es un receptor de protones. En las soluciones acuosas no se encuentran protones individuales, H+, pues están enlazados con agua para formar iones hidronio, H3O+. Cuando un ácido pierde un protón, se forma la base conjugada. Cuando una base acepta un protón, se forma el ácido conjugado. Los ácidos fuertes forman bases conju­ gadas débiles, y las bases fuertes producen ácidos conjugados débiles. Los ácidos fuertes son aquellos que se ionizan totalmente en agua; los ácidos débiles se ionizan poco en agua. La teoría de Lewis de los ácidos y las bases es la más amplia. Se define un ácido de Lewis como cualquier sustancia capaz de aceptar (y compartir) un par de electrones. Una base de Lewis es cualquier sustancia capaz de donar (y compartir) un par de electrones. Todas las sustancias químicas que son ácidos según las teorías de Arrhenius y de Br0nsted-Lowry tam­ bién son definidas como ácidos por la teoría de Lewis. Lo mismo ocurre en el caso de las ba­ ses. Un ion hidrógeno (un ion hidronio) es un ácido y un ion hidróxido es una base de acuerdo con las tres teorías. El agua experimenta autoionización y genera concentraciones muy pequeñas — aun­ que iguales— de iones hidrógeno e hidróxido. El producto de estas concentraciones, K w, es 1 X 10—14 La adición de un ácido o de una base al agua afecta la [H+] y la [ O H ] , pero el

producto iónico sigue siendo igual a 1 X 10 14. La concentración de ion hidrógeno, [H+], de una solución se suele expresar como su pH. pH = -log[H + ] Un cambio de acidez de una unidad de pH corresponde a un cambio de 10 veces en la [H+]. La reacción de una sal con agua recibe el nombre de hidrólisis. Las sales se hidrolizan en agua y producen soluciones ácidas, básicas o neutras, según la naturaleza de la sal. Un amorti­ guador se prepara mezclando un ácido débil con una sal de ese ácido. Una solución amortigua­ dora mantiene casi constante el pH de una solución cuando se agrega una pequeña cantidad de ácido o de base a la solución. Se pue de de ter mi nar una con cen tra ción de áci do des co no ci da ti tu lan do el áci do con una base estándar en presencia de un indicador apropiado. Se puede determinar una concentraciónd eb ased esconocidat itulandol ab asec onu ná cidoe stándar.

E v a lú a tu c o m p re n s ió n : r e p a s o y a u to e v a lu a c ió n 1. Identifica y enumera cuatro de las propiedades principales de los ácidos y las ba­ ses. [16.1] 2. Identificay d escribel asp ropiedadesd e losá cidosf uertesy d ébiles.[ 16.2] 3. Identificay d escribel asp ropiedadesd e lasb asesf uertesy d ébiles.[ 16.3] 4. C om pleta y balancea ecuaciones quím icas de reacciones de ácidos y bases. [16.4, 16.5.] 5. Citae jem plosd ei ngredientes dea ntiácidosy s usr eacciones.[ 16.5] 6. Identificap aresc onjugadosá cido-base.[ 16.6] 7. Define y compara los ácidos y las bases en términos de las teorías de Arrhenius, B r0nsted-Lowry y Lewis. [16.7] 8. Calcula concentraciones de iones hidronio e hidróxido de soluciones ácidas, bási­ cas y neutras con base en la Kw. [16.8] 9. Define el pH y compara los cambios de pH con los cambios de concentración de ionesh idronio.[ 16.9] 10. Calcula el pH de una solución con base en la concentración de iones hidronio o de ionesh idróxido.[ 16.9] 11. Identifica las sales que forman soluciones ácidas, básicas o neutras al hidrolizarse. [16.10] 12. Describe la composición de los amortiguadores y la forma como regulan el pH. [16.11] 13. E fectúa cálculosr elacionadosc ont itulacionesá cido-base.[ 16.12]

T é rm in o s c la v e ácido[ 16.1] ácidod ébil[ 16.2] ácidod iprótico[ 16.1] ácidoe stándar[ 16.12] ácidof uerte[ 16.2] ácidom onoprótico[ 16.1] ácidot riprótico[ 16.1] álcali[ 16.1] amo nia co a cuo so [ 16.3]

amortiguador[ 16.11] anfiprótico[ 16.6] anfótero[ 16.5] ba se [ 16.1] based ébil[ 16.3] base conjugada [16.6] basee stándar[ 16.12] basef uerte[ 16.3] cap acidada mortiguadora

[16.11] constanted elp roductoi ónico del agua [16.8] grupoc arboxilo[ 16.1] hidrólisis[ 16.10] indicadorá cido-base[ 16.9] ionh idronio[ 16.1] lluviaá cida[ 16.4] neu tra li za ción [ 16.1]

parc onjugadoá cido-base [16.6] pH [16.9] puntod ee quivalencia[ 16.12] puntofinal[ 16.12] sal [16.1] soluciona mortiguadora [16.11] ti tu la ción [ 16.12]

P ro b le m a s

Ácidos yb ases:t eoríad e Arrhenius 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5

16.6 16.7

16.8

16.9

16.10

M enciona cuatro propiedades generales de las solucionesá cidas. M enciona cuatro propiedades generales de las solucio nes b á si cas. ¿A cuál ion atribuyó Arrhenius las propiedades de las so lu cio nes á ci das? ¿A cuál ion atribuyó Arrhenius las propiedades de las so lu cio nes b á si cas? ¿Qué es un ion hidronio, y en qué difiere de un ion hi­ drógeno? ¿Por qué se suelen emplear indistintamente es tos t ér mi nos? ¿Qué ocurre durante la neutralización? ¿Qué produc­ tos se forman? Indica en cada caso si se trata de un ácido, una base, una sal o ninguno de los anteriores. a. HNO3 b. KOH c. KNO3 d. CH3COOH e. CH4 (metano) f. CaCl2 Indica en cada caso si se trata de un ácido, una base, una sal o ninguno de los anteriores. a. H 2 SO 4 b. M g(OH) 2 c. M g SO 4 d. HCN e. NaCN f. CH3CH2CH2CH3 (butano) Escribe la fórmula química de los ácidos siguientes e indica si se trata de un ácido monoprótico, diprótico o triprótico. a. áci do a cé ti co b. áci do b ó ri co c. ácidoc lorhídrico d. ácidos ulfúrico Escribe la fórmula química de los ácidos siguientes e indica si se trata de un ácido monoprótico, diprótico o triprótico. a. ácidof osfórico b. ácidon ítrico c. ácidoc arbónico d. ácido láctico

Ácidos yb asesf uertes yd ébiles 16.11 16.12 16.13 16.14 16.15 16.16 16.17 16.18

Escribe las fórmulas y nombres de dos bases fuertes y una base débil. Escribe las fórmulas y nombres de seis ácidos fuertes y tresá cidosd ébiles. ¿Cuál es la diferencia entre un ácido fuerte y un ácido débil? ¿Cuál es la diferencia entre una base fuerte y una ba­ se débil? Explica la diferencia entre un ácido débil y un ácido diluido. Explica la diferencia entre un ácido fuerte y un ácido concentrado. ¿Qué es el amoniaco acuoso? ¿Por qué a veces se le lla­ ma hidróxido de amonio? Tanto las soluciones de amoniaco acuoso como las de hidróxido de magnesio tienen pequeños porcentajes

16.19

16.20

16.21

16.22 16.23

16.24

de iones OH en solución, aunque por distintas razo­ nes.E xplicae steh echo. Indica en cada caso si se trata de un ácido o base fuerte o débil. a. ácidof osfórico b. ácidos ulfúrico c. ácidoc arbónico d. áci do l ác ti co e. hi dró xi do d e c al cio f. hidróxidod ep otasio Indica en cada caso si se trata de un ácido o base fuerte o débil. a. áci do a cé ti co b. áci do b ó ri co c. ácidon ítrico d. ácidoc lorhídrico e. amo nia co a cuo so f. hi dró xi do d e m ag ne sio ¿Debes usar protección para los ojos y guantes de cau­ cho gruesos y holgados al utilizar en casa limpiadores de hornos y limpiadores de cañerías? ¿Y al usar ácido muriático para limpiar ladrillos? ¿Y al utilizar vinagre? Explica tus respuestas. ¿Debes usar protección para los ojos en el laboratorio alt rabajarc oná cidosy b ases?E xplicat ur espuesta. Ingerir una solución de ácido sulfúrico al 5% sería muy dañino, pero ingerir vinagre (ácido acético al 5%) no lo sería. Explica por qué. El hidróxido de magnesio es totalmente iónico, incluso en estado sólido; no obstante, se puede ingerir como an­ tiácido. ¿Por qué no produce lesiones como lo haría el hidróxido de sodio?

Reacciones de los ácidos y bases 16.25 Escribe una ecuación balanceada de la neutralización total de ácido sulfúrico con hidróxido de potasio. Escri­ be además una ecuación iónica neta de la reacción. 16.26 Escribe una ecuación balanceada de la neutralización total de ácido carbónico con hidróxido de sodio. Escri­ be además una ecuación iónica neta de la reacción. 16.27 Escribe ecuaciones balanceadas de las reacciones si­ guientes. a. ácidos ulfúricoc onó xidod ez inc b. áci do s ul fú ri co c on z inc m e tá li co c. ácidos ulfúricoc onc arbonatod ec alcio 16.28 Escribe ecuaciones balanceadas de las reacciones si­ guientes. a. ácidoc lorhídricoc onm agnesiom etálico b. ácidoc lorhídricoc onó xidod em agnesio c. ácidoc lorhídricoc onc arbonatod em agnesio 16.29 ¿Quée su nm etala nfótero?M encionad ose jemplos. 16.30 ¿Qué es un hidróxido metálico anfótero? Menciona dos ejemplos.

16.31

Balancea las ecuaciones siguientes y explica lo que es­ tas reacciones nos dicen acerca del hidróxido de alu­ minio.

16.43

a. Al(OH)3(s) + K O H (ac)----- > KAl(OH)4(ac)

16.32

b. Al(OH)3(s) + H C l(ac)->AlCl3(ac) + H2O

a. H B r + F —

Balancea las ecuaciones siguientes y explica lo que estasr eaccionesn osd icena cercad ela luminio.

b. H C N + F — 16.44

a. Al(s) + KOH(ac) + H2O ----- > KAl(OH)4(ac) + H2(g) Suponiendo que el jugo gástrico es HCl(ac), escribe una ecuación de la reacción de este ácido con hidrogenocarbonato de sodio (bicarbonato para hornear). Escribe además la ecuación iónica neta.

16.34

Escribe una ecuación de la reacción del ácido clorhídri­ co con leche de magnesia, una suspensión de Mg(OH)2. Escribe además la ecuación iónica neta.

16.38 16.39

16.40

16.41

Cita las definiciones de Br0nsted-Lowry y de Lewis de los ácidos. Cita las definiciones de Br0nsted-Lowry y de Lewis de las ba ses. Escribe una ecuación que muestre que el agua puede ser un ácido de Br0nsted-Lowry. Escribe una ecuación que muestre que el agua puede ser una base de Br0nsted-Lowry. Escribe una ecuación balanceada de la reacción de clo­ ruro de hidrógeno gaseoso con amoniaco gaseoso. In­ dica de acuerdo con qué definición o definiciones se considera ésta como una reacción ácido-base. Escribe una ecuación balanceada, mostrando los pun­ tos que representan electrones, de la reacción de FeBr3 con ion bromuro para formar FeBr4—. Indica de acuer­ do con qué definición o definiciones se considera ésta como una reacción ácido-base. Indica de acuerdo con qué definición o definiciones no se considera ésta co­ mo una reac ción áci do-ba se. Identifica el primer compuesto de cada ecuación co­ mo ácido o base de B r0nsted-Lowry. Identifica ade­ más el ácido o base conjugada. a. C6H 5SH + H 2O

C 6H 5S —+ H 3O+

b. C H 3N H 2 + H 2O

C H 3N H 3+ + O H —

c. N H 3 + H 2O 16.42

a. C5H 5N + H 2O

16.46

Cada equilibrio del problema 16.44 incluye además un par de bases. Identifica las bases de cada ecuación e indica cuál es la más fuerte.

16.47

¿La anilina, C6H 5NH2, actúa como ácido o como base enl ar eaccións iguiente? C6H 5N H 2 + H 2O C6H 5N H 3+ + O H —

16.48

c. C H 3C H O H C O O H + H 2O CH 3C H O H CO O —+ H3O+

¿El fenol, C6H 5OH, actúa como ácido o como base en lar eaccións iguiente? c 6h 5o h + h 2o c 6h 5o —+ h 3o +

Concentracionesd e iones hidronio, concentraciones de iones hidróxido y pH 16.49

Con respecto a las concentraciones de iones hidronio indicadas, calcula la concentración de iones hidróxido, y viceversa. Indica además en cada caso el pH y si la muestra es ácida, básica o neutra. a. [H3O+] = 1 X 10—3M b. [H3O+] = 1 X 10—9M c.

[OH ] = 1 X10—5 M

d. [OH ] = 1 X10—10M 16.50

Con respecto a las concentraciones de iones hidróge­ no indicadas, calcula la concentración de iones hidró­ xido, y viceversa. Indica además en cada caso el pH y si la muestra es ácida, básica o neutra. a. [H+] = 1 X 10—10M b. [H+] = 1 X 10—2 M c.

[OH ] = 1 X10—8 M

d. [OH ] = 1 X10—4 M 16.51

C 5H 5N H + + O H —

b. C6H 5O H + H 2O C 6H 5O —+ H 3O+

H N O 3 + C lO —

Cada equilibrio del problema 16.43 incluye además un par de bases. Identifica las bases de cada ecuación e indica cuál es la más fuerte.

NH+ + O H —

Identifica el primer compuesto de cada ecuación como ácido o base de Br0nsted-Lowry. Identifica además el áci­ do o base conjugada.

H 2P O — + H 2SO4

16.45

Teoría de ácidos y bases de Bransted-Lowry y de Lewis

16.37

HF + CN —

Las ecuaciones que siguen representan equilibrios entre dos ácidos. En cada caso, identifica los ácidos e indica cuál es el más fuerte. (Consulta la tabla 16.3.) b. H C lO 4 + N O — ^——

16.33

16.36

H F + B r—

a. H 3PO 4 + H SO 4— ^——

b. Al(s) + H C l(ac)----- > ?

16.35

Las ecuaciones que siguen representan equilibrios en­ tre dos ácidos. En cada caso, identifica los ácidos e indica cuál es el más fuerte con base en la longitud de lasf lechas.

16.52

Calcula el pH donde se da el pOH, y viceversa. a. pOH = 10.00

b. pOH = 8.6

c.

d. pH = 10.3

pH = 5.00

Calcula el pH donde se da el pOH, y viceversa. a. pOH = 8.00

b. pOH = 4.7

c.

d. pH = 9.4

pH = 3.00

16.53

¿Cuál es la [H+] y el pH de las soluciones siguientes? (Supón que las soluciones están totalmente ionizadas.)

16.60

a. HBr 1.00 X 10- 6 M

a. K 2 SO 4

b. Ca(CH 3 COO) 2

b. LiOH 1.00 X 10- 5 M

c. NH 4 Cl

d. NH 4 N O 3

e. NaH CO 3

c. HCl 1.00 X 10- 2 M

16.54

Indica si la hidrólisis de las sales siguientes forma solu cio nes á ci das, b á si cas o n eu tras.

d. NaOH 1.00 X 10- 2 M

16.61

¿Cuál es la [H+] y el pH de las soluciones siguientes? (Supón que las soluciones están totalmente ionizadas.)

Un fertilizante de NH4NO 3 ¿tendería a hacer el suelo más á ci do, o m ás a l ca li no?

16.62

La piedra caliza triturada (carbonato de calcio) y apli­ cada directamente al suelo ¿tendería a hacer éste más ácido,o m ása lcalino?

a. HCl 1.00 X 10- 3 M b. NaOH 1.00 X 10-5 M c. HNO3 1.00 X 10- 4 M

16.55

d. KOH 1.00 X 10- 3 M

Amortiguadores

¿Cuál es el pH de las soluciones siguientes? (Necesi­ tas una calculadora con tecla l o g o una tabla de loga­ ritmos.)

16.63

¿Qué tipos de sustancias se emplean para preparar un amortiguador?

16.64

Explicac óm of uncionau na mortiguador.

a. [H+] = 3.4 X 10- 5 M

16.65

¿Qué sustancia se podría emplear junto con el cloruro dea moniop arap repararu na mortiguador?

16.66

¿Qué sustancia se podría emplear junto con el acetato des odiop arap repararu na mortiguador?

d. [OH- ] = 6.3 X 10- 6 M

16.67

¿Cuál es el pH de las soluciones siguientes? (Necesi­ tas una calculadora con tecla l o g o una tabla de loga­ ritmos.)

Explica por medio de ecuaciones químicas cómo fun­ ciona el amortiguador de hidrogenocarbonato/ácido car­ bónico de la sangre cuando se agrega un ácido.

16.68

Explica por medio de ecuaciones químicas cómo fun­ ciona el amortiguador de hidrogenocarbonato/ácido car­ bónico de la sangre cuando se agrega una base.

b. [H+] = 7.2 X 10-12M c. [OH- ] = 8.5 X 10- 7 M

16.56

a. [H3O+] = 5.6 X 10- 6 M b. [H3O+] = 9.2 X 10- 9 M c. [OH- ] = 1.8 X 10- 8 M

16.57

16.58

d. [OH- ] = 7.8 X 10-10M

Titulaciones ácido-base

Calcula la [H+] a dos cifras significativas de las solucio­ nes que tienen los valores de pH y pOH siguientes. (El método que se expone en el texto requiere una calcula­ dora con teclas i n v y l o g o una tecla 10 t.)

16.69

¿Quée su nat itulacióná cido-base?

16.70

En una tilulación ideal el punlo final coincide con el punto de equivalencia. ¿Cuál es la diferencia entre un punto final y un punto de equivalencia?

a. pH = 8.35

b. pH = 2.73

16.71

c. pOH = 9.10

d. pOH = 6.08

Se titula una base débil con un ácido fuerte. ¿Cómo se­ rá la solución en el punto de equivalencia: ácida, básica o neutra? Explica tu respuesta.

16.72

Se titula un ácido débil con una base fuerte. ¿Cómo se­ rá la solución en el punto de equivalencia: ácida, básica o neutra? Explica tu respuesta.

16.73

Calcula la molaridad de una solución de HCl si la neu­ tralización de 20.00 mL de esta solución requiere 10.00 mL de KOH 0.5000 M.

16.74

Calcula la molaridad de una solución de HCl si la neu­ tralización de 20.00 mL de esta solución requiere 40.00 mL de NaOH 0.2500 M.

16.75

Calcula la molaridad de una solución de NaOH si se re­ quieren 12.53 mL de H2SO4 0.1000 M para neutralizar la base de una muestra de 31.22 mL.

16.76

Calcula la molaridad de una solución de NaOH si se re­ quieren 18.77 mL de H2SO4 0.1000 M para neutralizar la base de una muestra de 22.68 mL.

Calcula la [H+] a dos cifras significativas de las solucio­ nes que tienen los valores de pH y pOH siguientes. (El método que se expone en el texto requiere una calcula­ dora con teclas i n v y l o g o una tecla 10 t.) a. pH = 4.09

b. pH = 9.74

c. pOH = 10.22

d. pOH = 3.75

Hidró lisis:s a les en agua 16.59

Indica si la hidrólisis de las sales siguientes forma solu­ ciones ácidas, básicas o neutras. a. M gBr 2

b. (NH4)3PO4

c. N a 2 CO 3

d. NaCH 3 COO

e. NaCN

Estudiantes en

™ acción D e te r m in a c ió n d e á c id o a c é tic o e n e l v in a g re c o m e rc ia l

Materiales y reactivos ♦ M atraz E rle n m e y e r

♦ In d ic a d o r d e fe n o lfta le ín a

♦ P ip e ta g rad u ad a

♦ M icro b u re ta

♦ V in a g re co m e rc ia l (al m en o s tre s m arca s distin tas)

♦ 1 a g ita d o r m ag n ético

♦ M atraz v o lu m é tric o d e 2 5 m L

♦ D is o lu c ió n e stá n d a r d e h id ró x id o d e s o d io 0.1 N

♦ A g u a d e stila d a

Titulación del ácido acético Procedimiento 1. 2. 3.

4.

5. 6. 7. 8.

Con ayuda de una pipeta graduada, mide 5 mL de vinagre y colócalos en un matraz volumétrico de 25 mL. Agita ligeramente y completa el aforo con agua destilada. Toma una alícuota de 1 mL de la disolución preparada anteriormente y colócala en un matraz Erlenmeyer de 10 mL. Agrega una gota de fenolftaleína. M onta un equipo de microtitulación, como se muestra en el esquema. Carga la microbureta con una disolución estándar de NaOH 0.1 N.

Deja caer el hidróxido de sodio poco a poco con agitación constante; suspende la adición del mismo hasta que el color rosa del indicador persista por lo menos 15 segundos. Lee en la bureta el volumen de NaOH gastado y anótalo en la tabla de re­ sultados. Toma otra alícuota de 1 mL del matraz volumétrico y repite los pasos 2, 3 y 4. Repite esto por lo menos 5 veces y registra los resultados en la tabla. Calcula el promedio con las cinco determinaciones o ensayos con base a este resultado y establece cuál es la acidez del vi­ nagre en gramos de ácido acético por 100 mL de muestra y escríbelo en la tabla. Repite todo el procedimiento (pasos del 1 al 5) con al menos otras dos marcas de vinagre distintas. A nota en la tabla el vo­ lumen gastado de NaOH 0.1 N en cada titulación. Escribe la reacción de neutralización entre el ácido acético y el hidróxido de sodio, para ayudarte a realizar tus cálculos.

No. d e ensayo o determ inación

Marca com ercial 1 Nombre:

Volumen de NaOH gastado en mL Marca com ercial 2 Nombre:

Marca com ercial 3 Nombre:

1. 2. 3. 4. 5. Promedio Gramos de ácido acético/100 mL

Análisis de resultados 1.

La reacción de neutralización se llevó a cabo con un ácido débil y una base fuerte. ¿Qué tipo de sal se formó: ácida, básica o neutra? Justifica tu respuesta.

2.

¿Qué es un indicador ácido-base?

3.

Investiga cuál es la fórmula química de la fenolftaleína y escríbela.

4.

¿Cuál es el intervalo aproximado de pH en el que el color cambia al utilizar fenoftaleína como indicador?

5.

Observa la información de la concentración de ácido acético en el vinagre indicada en la etiqueta de cada producto comer­ cial y analiza: ¿qué tanta diferencia existe entre lo establecido y el valor experimental obtenido en cada caso? ¿A qué crees que se deba la diferencia, si la hay?

6.

De acuerdo con la experiencia de esta práctica de laboratorio, ¿consideras que las titulaciones ácido-base son útiles para de­ terminar el grado de acidez o basicidad de cualquier producto comercial de uso común? Justifica tu respuesta.

17

Oxidación y reducción

C O N T E N I D O 17.1

Números de oxidación: repaso

17.2

Oxidación y propiedades químicas del oxígeno

17.3

Reducción y propiedades químicas del hidrógeno

17.4

Algunos agentes oxidantes importantes

17.5

Algunos agentes reductores importantes

17.6

Medias reacciones de oxidación y reducción

17.7

Celdas electrolíticas

17.8

Celdas voltaicas La reacción del cobre con el ácido nítrico es una de las reacciones de oxidación-reducción que se estudian en este capítulo. El gas parduzco que se observa en esta fotografía es dióxido de nitrógeno, un producto de esta vigorosa reacción. Véase la sección 17 .4 .

os alim entos y los com bustibles fósiles son ricos en energía, la cual se libera m ediante reacciones de oxidación-reducción (redox). Siem pre que se lleva a cabo una oxidación, tam bién ocurre un a reducción, y viceversa. N o puede haber la una sin la otra. P o r conveniencia, sin em bargo, se puede optar p o r hab lar de una parte de la reacción: la p arte de oxidación o la de reducción. L a gasolina, la h u lla y los azúcares son ejem plos de form as reducidas de la m a­ teria; son ricas en energía (Fig. 17.1). C uando la glucosa, C6H 12O 6 (un azúcar sen­ cillo), reacciona con oxígeno durante la com bustión o durante el m etabolism o, se oxida a dióxido de carbono y agua. A m bas reacciones se representan m ediante la ecuación

L

C6H 12O 6 + 6 O 2

-> 6 C O 2 + 6 H 2O + E nergía

E l C O 2 y el H 2O son form as oxidadas de la m ateria; tienen p o ca energía.

Las plantas verdes son capaces de utilizar la energía de la luz solar para producir ali­ m entos reduciendo el dióxido de carbono. E sta reacción, llam ada fotosíntesis, requiere energía del Sol para llevarse a cabo. L a reacción global de fotosíntesis es en esencia la inversa de la oxidación de la glucosa, com o aquí se m uestra. 6 C O 2 + 6 H 2O + E n e r g ía ------> C 6H 12O 6 + 6 O 2

Figura 17.1 Los combustibles fósiles (gasolina y hulla) y los alimentos son formas reducidas de la materia ricas en energía. Su contenido de energía se libera mediante reacciones de oxidación-reducción.

L a prim era reacción, el m etabolism o, representa la oxidación de la glucosa por el oxígeno, que se reduce. L a segunda reacción, la fotosíntesis, corresponde a la reducción del dióxido de carbono por el agua, que se oxida (Fig. 17.2). T am bién se requieren procesos de reducción p ara obtener hierro y otros m etales a p artir de sus m enas, pero m uchos de estos m etales se pierden al paso del tiem po debido a que se corroen debido a u na lenta oxidación. M antenem os la civilización tecnológica po r m edio de la oxidación de los com bustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) p ara obtener energía quím ica alm acenada en estos m ateriales h ace m illones de años por las plantas verdes. Todas las form as de vida dependen de los procesos redox. L os procesos m etabólicos que ocurren en cada célula viva involucran las reacciones de oxidación-reducción. P ara caminar, hablar, pensar, digerir alim entos y m etabolizarlos, e incluso para leer estas páginas, es necesario que se efectúen reacciones de oxidación-reducción. M uchas de las reacciones que aquí se m encionan quedan fuera del alcance de este libro porque son m uy com plejas; no obstante, sirven p ara ilustrar la im portancia de la oxidación y la reducción en nuestra vida. E n las secciones 10.8 y 10.9 se presentaron varias reacciones en las que había o xi­ dación y reducción. A sim ism o, en la sección 6.7 se introdujo el uso de los núm eros de oxidación. A hora repasarem os y am pliarem os la explicación de las reacciones redox, esta vez describiendo los m étodos p ara balancear reacciones redox y analizando los procesos electroquím icos que se llevan a cabo cuando una batería funciona y durante la electrólisis

Figura 17.2 (a) El alimento que ingerimos es oxidado (metabolizado) para suministrar la energía con la que realizamos nuestras actividades. (b) La energía proviene del Sol y es capturada por las plantas mediante reacciones fotosintéticas que reducen el dióxido de carbono a carbohidratos.

i i7^

Números de oxidación: repaso

Antes de estudiar los procesos de oxidación y reducción, es necesario m anejar sin tropiezos los núm eros de oxidación de los átom os presentes en los com puestos o iones. E l n ú m e ro d e o x id a ció n (tam bién llam ado e sta d o d e oxid ació n ) es un núm ero que se asigna a ca­ da tipo de átom o de un com puesto o ion, o a un elem ento, con base en un conjunto de re­ glas arbitrario pero congruente. E l n úm ero de oxidación rep resen ta el n úm ero de electro n es qu e la esp ecie ha ganado, perdido o com partido. E n la sección 6.7 se presentaron las reglas p ara asignar núm eros de oxidación. S i es necesario, repásalas ahora m ism o, y luego pon a prueba tus conocim ientos resolviendo los ejem plos y ejercicios que siguen antes de continuar con la próxim a sección.

EJEM PLO 17.1

Números d e oxidación

¿C uál es el núm ero de oxidación del azufre en el H 2SO 4? SOLUCIÓN E l núm ero de oxidación del hidrógeno es + 1 , y hay dos átom os de hidrógeno. E l núm ero de oxidación del oxígeno es - 2 , y hay cuatro átom os de oxígeno. S ea x el núm ero de oxidación del azufre. E n un com puesto la sum a debe ser cero. 2 ( + 1) + 4 ( - 2) + x = 0 - 6 + x = 0 x = +6 E l azufre tiene un núm ero de oxidación de + 6. EJER CIC IO 17.1

(a)

¿C uál es el núm ero de oxidación del azufre en el SO 2?

(b)

¿C uál es el núm ero de oxidación del azufre en el H 2S?

EJEM PLO 17.2

Números d e oxidación de iones poliatómicos

¿C uál es el núm ero de oxidación del crom o en el C r2O 72 -? SOLUCIÓN E l núm ero de oxidación del oxígeno es - 2, y hay siete átom os de oxígeno. S ea x el núm ero de oxidación del crom o. L a sum a debe ser - 2 . 2x + 7 ( - 2) = - 2 2 x = 12 x = +6 E l crom o tiene un núm ero de oxidación de + 6 . EJER CIC IO 17.2

(a) (b)

^17.^

¿C uál es el núm ero de oxidación del carbono en el C O 32 -? ¿C uál es el núm ero de oxidación del brom o en el B r O 3 ?

Oxidación y propiedades químicas del oxígeno

H ay una o x id a ció n siem pre que una sustancia se com bina con oxígeno (Fig. 17.3). Las sustancias que se com binan con oxígeno se o xidan . E l m etabolism o de los alim entos com prende una serie com pleja de reacciones de oxidación lenta que producen dióxido

Véansel os problemas 1 7.1 -1 7.6.

Figura 17.3 Hay oxidación al cocinar, respirar y quemar gasolina.

de carbono y agua. D urante la c o m b u stió n hay un a oxidación rápida. O curre un a c o m ­ b u stió n e s p o n tá n e a cuando un a sustancia com ienza a arder p o r sí sola, sin h aber sido encendida por una chispa o un a flam a. M uchos incendios costosos han sido consecuen­ cia de la com bustión espontánea de trapos im pregnados de aceite guardados en lugares con poca circulación de aire, y de heno recién cortado y alm acenado en graneros sin ventilación. Cuando una oxidación lenta libera el calor suficiente y se alcanza la te m ­ p e r a tu r a d e ignición, puede h aber un a com bustión espontánea. C uando se quem a un com bustible hay oxidación y reducción. E l gas natural, la gasolina, la m adera y la hulla necesitan oxígeno para arder y liberar su energía alm ace­ nada. L a quem a de com bustibles fósiles sum inistra hoy en día m ás del 90% de la energía que se consum e en todo el m undo. N o todas las reacciones que consum en el oxígeno del aire son deseables. E l oxígeno form a herrum bre con el hierro y corroe m uchos m etales; tam bién favorece la descom ­ posición de la m adera y de otros m ateriales orgánicos. E n todos estos procesos quím icos, y en m uchos otros, hay oxidación. C uando los m etales se com binan con oxígeno se form an óxidos m etálicos. Por ejem plo, el hierro se com bina con el oxígeno atm osférico para form ar óxido de hierro(III), F e2O 3, un polvo pardo rojizo que se conoce com o herrum bre. (El hierro es el único m e­ tal que form a un óxido llam ado herrum bre.) 4 F e + 3 O 2(g) ------> 2 F e2O 3 C iertos m etales reaccionan de inm ediato con el oxígeno para form ar óxidos m etálicos, pero los m etales poco reactivos, com o el cobre, el m ercurio y la plata, reaccionan len ta­ m ente con él. C asi todos los elem entos no m etálicos reaccionan con el oxígeno y form an óxidos no m etálicos. P or ejem plo, el carbono, presente en la hulla, el coque y el carbón vege­ tal, reacciona con el oxígeno durante la com bustión para form ar dióxido de carbono. C + O 2( g ) ------> C O 2(g) C uando hay m enos de 1 m ol de O 2 p o r cada m o l de C, p arte del carbono se oxida a m onóxido de carbono, CO. 2 C + O 2( g ) ------> 2 C O (g)

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO O x íg e n o : u n e le m e n to in d is p e n s a b le El oxígeno es el elemento más abundante en este planeta. Consti­ tuye alrededor de la mitad de la masa de la corteza terrestre, que incluye la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. En la atmósfera (la capa gaseosa que envuelve la Tierra), el oxígeno está presente en forma de moléculas diatómicas “libres” o “no combinadas” de O2 gaseoso. En la hidrosfera (los océanos, mares, lagos y ríos de la Tierra), el oxígeno se encuentra combinado con hidrógeno en el agua, H2O. El oxígeno representa el 89% de la masa del agua. En la litosfera (la parte sólida de la corteza terrestre), el oxí­ geno está combinado con silicio — en la arena y la arcilla— y con otros minerales. La arena es principalmente SiO2. 89 CD

O) S 4He + ? SOLUCIÓN La masa y la carga se conservan. El nuevo elemento debe tener una masa de 239 - 4 = 235 y una carga nuclear de 94 - 2 = 92. La carga nuclear (número atómico) de 92 identifica al elemento uranio, U. La ecuación nuclear balanceada es 239Pu — > 4He + 295u

Véanse los problemas 1 8 .i -i 8.24.

EJERCICIO 18.1 (a) El fósforo 32 radiactivo se desintegra por emisión beta. ¿Qué elemento se forma? Es­ cribe la ecuación nuclear balanceada. (b) El uranio 238 emite una partícula alfa cuando se desintegra. Escribe la ecuación nu­ clear balanceada.

¿sJ

Vida media

Si pudiéramos ver el núcleo de un átomo individual y observar su composición, podría­ mos saber si sufrirá desintegración radiactiva o no. La razón es que los átomos con cier­ tas combinaciones de protones y neutrones son inestables. Sin embargo, no es posible saber cuándo un átomo determinado va a sufrir un cambio. Pero en el laboratorio se tra­ baja por lo general con números muy grandes de átomos, moles de átomos, números que son mucho más grandes que el número de habitantes de la Tierra. Con cantidades tan grandes de átomos, se pueden hacer predicciones exactas de la fracción que se desin­ tegrará en un periodo específico. La desintegración espontánea es un proceso aleatorio que nod epended el asi nfluenciase xternas. Toda muestra grande de átomos de un isótopo en particular se desintegra con una rapidez específica y constante. El tiempo que debe transcurrir para que se desintegre la mitad de una muestra específica de átomos radiactivos de un isótopo dado es su vida media. La vida media es una propiedad característica de cada tipo de radioisótopo (isó­ topo radiactivo). Algunos radioisótopos tienen una vida media muy larga, pero la de otros es muy breve. Por ejemplo, el uranio 238 tiene una vida media de 4500 millones de años; en cambio, el boro 9 tiene una vida media de 8 X 10- 19 segundos. Para que tengas una imagen mental de la vida media, considera el ejemplo siguien­ te. Supón que se tienen 16 billones de átomos de tritio, el isótopo radiactivo de hidróge­ no. La vida media de este isótopo es de 12.3 años. Esto significa que en 12.3 años 8 bi­ llones de átomos (la mitad) habrían sufrido desintegración radiactiva. Al cabo de otros 12.3 años sólo quedaría el 25% de los átomos originales intactos. Así pues, al cabo de dos vidas medias ha desaparecido el 75% (- + -) de la muestra original, ¡pero no toda! Durante cada vida media subsiguiente se desintegra la mitad de la muestra restante. En la figura 18.6 se presenta una gráfica que muestra el número de átomos que restan de es­ ta muestra al cabo de seis vidas medias sucesivas. Para fines prácticos, se puede afirmar que después de diez vidas medias sólo quedará una pequeña fracción. En el caso de la muestra de tritio, diez vidas medias equivalen a 123 años. La fracción restante de una muestra radiactiva después de cada vida media sucesiva se calcula como sigue. ¿Cuánto queda? 1. Despuésd e una vidam edia, - quedad el osá tomoso riginales. 2. Despuésd e dos vidasm edias,q ueda \ X \ = l/(22) =

del osá tomoso riginales.

Tiempo (años)

3. Después de tres vidas medias, queda - X - X - = 1/ (23) = -- de los átomos originales. 4. Despuésd e cuatro vidasm edias,q ueda- X - X - X - = 1 /(24) = - de los átomos. 5. Después de cinco vidas medias, queda - X - X - X - X - = 1 /(25) = -2 de los átomos. Se puede escribir una expresión matemática que resume esta información. Para calcular la fracción restante de la muestra original al cabo de un cierto número (n) de vidas medias, utiliza la expresión siguiente. Fracción restante =

EJEM PLO 18.2

Vida media

¿Qué fracción de los átomos radiactivos queda al cabo de seis vidas medias? SOLUCIÓN Se puede emplear la expresión 1/(2n), donde n = 6 . La fracción restante serál / (26) = 64 d ela muestra. EJERCICIO 18.2 (a) ¿Qué fracción quedará al cabo de cuatro vidas medias? (b) ¿Quéf racciónh abrád esaparecidoa lc abod ec uatrov idasm edias?

EJEM PLO 18.3

Aplicaciones de la vida media

Si inicialmente se tienen 4.00 g de un isótopo radiactivo, ¿cuántos gramos del isótopo quedarána lc abod ec uatrov idasm edias? SOLUCIÓN En este caso n = 4 .L a fracción restante será 1/(24) = - de la muestra. La masa de la muestra restantee s - X 4.00 g = 0.250 g.

Figura 18.6 Desintegración radiactivad elt ritio, 1H.

Véanse los problemas 18.25-1 8.34 .

EJERCICIO 18.3 (a) Si tuvieras 6.00 g de una sustancia radiactiva, ¿cuántos gramos quedarán al cabo de tres vidas medias? (b) Si tuvieras 6.00 g de una sustancia radiactiva, ¿cuántos gramos quedarán al cabo de dos vidas medias?

, 18.3

Cómo se mide la radiación: unidades

Existen muchas formas de medir la radiación. La rapidez con la que se producen de­ sintegraciones nucleares en una muestra en particular, la actividad nuclear, se mide en desintegraciones por segundo. Una unidad de actividad es el curie, Ci, llamada así en honor de Marie Curie, descubridora del radio. Un curie es igual al número de desinte­ graciones por segundo (des/s) que sufre 1 g de radio. 1 Ci = 3.7 X 1010 des/s Una radiación de cobalto aplicada externamente en el tratamiento del cáncer podría te­ ner una especificación de 3000 Ci. Se utilizan prefijos métricos en el caso de muestras me­ nos activas. I Conexiones con el mundo real • Una dosis de un isótopo radiactivo con una actividad de 10 m C i podría ser ingerida por un adulto com o parte de ciertos ti pos de pro cedi m ientos ex plo rato rios de diag nósti co, • A un niño se le podría ap licar una dosis de 10 a 5 0 m C i com o parte de ciertos tipos de ex plora ción con fines de diagnóstico,

I

El roentgen, así llamado en honor de W ilhelm Roentgen, d escub ridor de los rayos X en 1895, se define com o la cantid ad de rayos gamma o X que se necesita para generar iones con un total de 2 10 0 millones de unidades de carga eléctrica en 1 cm 3 de aire seco a 0 ° C y a la pre sión at mosfé ri ca nor mal,

1m ilicurie( mCi) = 0.001 Ci = 3.7 X 107 des/s I 1m icrocurie( ¡jJCi) = 0.000001 Ci = 3.7 X 104 des/s Es probable que en un momento dado nos interese más la exposición a la radiación que el simple conteo de las desintegraciones de una muestra de material radiactivo. La unidad de exposición a los rayos gamma o a los rayos X es el roentgen, R. Tanto los rayos X co­ mo los rayos gamma son formas de radiación electromagnética de alta energía. El roentgen es una medida de la energía de un haz de rayos que indica hasta qué grado una fuente espe­ cífica de rayos X o rayos gama perturbaría (ionizaría) una muestra de aire. I Esta unidad no tiene en realidad una relación directa con los seres humanos; la ionización en los tejidos no es igual que en el aire. Lo que más interesa a la mayoría de las personas es el daño que sufren los tejidos. La unidad SI de radiación ionizante absorbida es el Gray, así llamado en honor del científi­ co británico Harold Gray. En Estados Unidos se suele emplear una unidad más pequeña: el rad. 1 Gray (gy) = 100 rads Rad es el acrónimo de la expresión en inglés radiation absorbed dose (dosis de radiación absorbida). Una exposición de 1 rad significa que cada gramo de tejido expuesto ha absor­ bido 100 ergs de energía de radiación. 1 rad = 100e rgsa bsorbidos = 2.39 X 10-6 cala bsorbidas

1 erg = 10 7 jo u le 1 erg = 2.3 9 X 1 0 -8 cal

En términos de la cantidad de energía calorífica absorbida, el rad es una unidad muy pe­ queña (1 000 000 rads = 2.39 cal). Un refresco de cola “dietético” aporta quizá mil veces más energía al organismo. Pero no es el calor lo que representa un peligro, sino la forma­ ción de iones (de ahí la expresión radiación ionizante) y otros fragmentos moleculares sumamente reactivos dentro de la célula lo que hace a la radiación tan peligrosa para noso­ tros y para los demás seres vivos. De hecho, alrededor de 500 rads bastarían para matar a casi cualquier persona. Una sola dosis de 1000 rads mataría a prácticamente cualquier ma­ mífero. En comparación, la dosis media anual de radiación que una persona absorbe por las radiografías médicas y dentales que se le toman es de alrededor de 1 rad. Por último, está el rem, acrónimo de la expresión en inglés roentgen equivalency in man (equivalencia del roentgen en el ser humano) y una medida del daño biológico pro­ ducido por una dosis específica de radiación. El rem es una unidad que tiene en cuenta no sólo la cantidad de radiación absorbida, sino además el tipo de radiación. En vez de

dar una definición precisa del rem, por ahora bastará con una definición más general. Si se califica una dosis de radiación como de 4.5 rems, esta dosis puede provocar un daño biológicoe quivalentea ld e4 .5r adse mitidosp orl am uestrae stándar. No es importante que conozcas los detalles de cuántas desintegraciones se producen en 30 min en una muestra de radio de 2.7 Ci. Lo que debes saber es que • • • •

el número de curies indica cuán activa es la muestra; eln úmerod er oentgensi ndicac uántae nergíat ransfierea la ireu nad osis; el número de rads indica cuánta energía transfiere una dosis a los tejidos; eln úmerod er emsi ndicac uánto dañob iológicop rovocau nad osis.

Un roentgen y un rad son aproximadamente iguales. Al absorberse en tejido muscular, 1 R genera alrededor de 1 rad de energía. EJEM PLO 18.4

Unidades de radiación

Aproximadamente, ¿cuánta radiación se espera que una persona reciba cada año debido a las radiografías médicas y dentales que se le toman? ¿Cuántos rads pueden matar a una persona? SOLUCIÓN Recibimos en promedio alrededor de 1 rad/año debido a las radiografías médicasy d entales. Aproximadamente5 00r adsp uedenm atara u nap ersona. EJERCICIO 18.4 (a) ¿Quée sl ar adiacióni onizante? (b) ¿Qué unidad es una medida del daño biológico y tiene en cuenta el tipo de radiación?

Detectores de radiación Los contadores Geiger son instrumentos que sirven para detectar la radiación de alta energía (ionizante). I Un contador Geiger tiene un tubo metálico con una ventanilla de vi­ drio o plástico delgado por donde la radiación puede entrar (Fig. 18.7). El tubo está lleno de un gas a baja presión. Un alambre que corre a lo largo del centro del tubo es el ánodo,

I El contador G e ig e r se conoce tam bién com o contador G e ig e r-M ü lle r (G-M ).

Figura 18.7 ContadorG eiger.

Figura 18.8 Todap ersonaq ue trabajec ercad em ateríales radiactivosd ebep ortaru nap laca oa nillod ep elícula. Lae xposición totala l ar adiacións ev igila estrechamente.

y tiene una carga positiva grande. La caja metálica del tubo es el cátodo. La radiación que entra en el tubo produce iones desprendiendo electrones de las moléculas de gas (por eso se le llama radiación ionizante). El alambre con carga positiva del centro del tubo atrae estos electrones, y los iones positivos se desplazan hacia la pared metálica. Entre los dos electrodos fluye una pequeña corriente eléctrica, que se amplifica y se emplea para gene­ rar una lectura en un medidor, un sonido o el parpadeo de una luz. El medidor se calibra en cuentas por minuto o en alguna otra unidad de cambio que resulte conveniente. Existen numerosos tipos de detectores de radiación para usos especiales. Por ejem­ plo, las personas que trabajan con materiales radiactivos utilizan detectores personales. Por lo general, se trata de simples placas de película (Fig. 18.8) que se llevan en el bolsillo o en la cintura, o incluso en anillos, y que reaccionan ante la radiación como la película ante la luz. La placa de película registra la cantidad total de radiación recibida por su porta­ dor a lo largo de cierto periodo. Los trabajadores de laboratorios de radiología de hospi­ tales, de las centrales nucleoeléctricas y de otras industrias usan estas placas. EJEM PLO 18.5

Detectores de radiación

¿Cuáld el osd ispositivosd escritose ne stas ección (a) sirve parav igilarl ar adiaciónt otalq ueu nap ersonar ecibe? (b) detectal a rapidez ded esintegraciónn uclear? SOLUCIÓN (a)

lap lacad ep elícula

(b) elc ontadorG eiger

EJERCICIO 18.5 Véansel os problemas 18.3 5-18.38.

(a) ¿Por qué un radiólogo de hospital usa una placa de película en vez de un contador Gei ger? (b) Si la lectura es de cuentas por minuto, ¿estás utilizando un contador Geiger o una placad ep elícula?

Radiación de fondo Todo el tiempo incide en nosotros radiación proveniente de las fuentes naturales; nadie es­ capa de ella. Esta radiación de fondo siempre presente se compone de los rayos cósmicos que llegan del Sol y del espacio exterior; de la radiación de los isótopos radiactivos natura­ les presentes en el agua, el suelo y las rocas; y de la radiación emitida por fuentes artifi­ ciales. Cada habitante de Estados Unidos recibe alrededor de 100 mrem de exposición al año, pero la cantidad específica de radiación de fondo varía de un lugar a otro. Las per­ sonas que viven a gran altitud reciben más radiación cósmica que quienes habitan a baja

altitud. Esto se debe a que el aire absorbe parte de los rayos. Las personas que viven cerca de ciertos depósitos minerales también reciben más radiación de fondo. I Alrededor de 80 de los aproximadamente 350 isótopos naturales son radiactivos. El potasio-40, I el torio-232, el radón-222 (lee el recuadro “El radón-222 en la vida diaria”) y los isótopos de uranio son ejemplos importantes. El uranio-238, por ejemplo, se desintegra al paso del tiempo hasta transformarse en plomo-206 por una serie de 14 reacciones nu­ cleares, como se muestra en la figura 18.9. La radiación emitida por el uranio y el torio penetra tan poco en el aire y la piel que no representa una amenaza externa. Sin embargo, estos elementos plantean serios problemas si se tragan o se inhalan, pues se descomponen en otros elementos radiactivos, entre ellos el radio. El radio se asemeja al calcio en cuanto a sus propiedades químicas (ambos son ele­ mentos del Grupo IIA de la tabla periódica) y ocupa con facilidad el lugar del calcio en los huesos y dientes. La misma carencia de poder de penetración que hace relativamente ino­ cuos a estos elementos radiactivos fuera del cuerpo los hace más dañinos en su interior. La radiación atrapada dentro del cuerpo destruye componentes vitales de las células.

I Conexión con el mundo real Una persona recib e a lrededor de 0.6 m rem /h cuando vuela a 12 0 0 0 m de altura sobre el norte de Estados Unidos. En Denver, al nivel del suelo, se reciben a lrededor de 0.12 m rem /h. Quienes fuman una cajetilla de cigarrillos al día aportan otros 4 0 mrem o más de radiación a sus pulm ones diariam ente.

I

El potasio-40 radiactivo está presente entre los átomos de pota sio de origen natu ral en proporción de 0 .0 1 2 % en masa.

Figura 18.9 Seried e desintegraciónd elu ranio-238. Cadae misiónd eu nap artículaa lfa reduce el número de masa de un átomo en 4 y el número atómico en 2 unidades. La emisión de una partículab etae levae ln úmero atómico de un átomo en 1 pero noa lterae ln úmerod em asa.

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Número atómico, Z

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LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO E l ra d ó n - 2 2 2 e n l a v i d a d i a r i a El radón es un elemento radiactivo de origen natural que no es re­ activo desde el punto de vista químico: es un gas noble. Este ele­ mento es un producto de la desintegración radiactiva del uranio238 y del radio-226. Hay tres isótopos del radón. Dos de ellos, el radón-219 y el radón-220, se desintegran con gran rapidez; su vida media se mi­ de en segundos. El tercer isótopo, el radón-222, tiene una vida media de 3.82 días y se desintegra emitiendo partículas alfa y radiación gamma. Entre los isótopos producto de la desintegra­ ción del radón —llamados hijos del radón— están el polonio-218 (vida media: 3.11 minutos) y el polonio-214 (vida media: 0.0002 segundos). Estos hijos del radón también se desintegran por emi­ sión de partículas alfa. Una vez formado, el radón-222 químicamente no reactivo as­ ciende a través del subsuelo. El gas penetra en los hogares a tra­ vés de grietas del piso de los sótanos. Si se inhala, casi todo se ex­ hala de inmediato, pero debido a que su vida media es corta, parte del radón se desintegra en los pulmones antes de ser exhalado. Son los dos hijos sólidos del radón —los radioisótopos de polonio que son emisores alfa— los que representan la mayor amenaza pa­ ra la salud. Al quedar atrapados en los pulmones, los hijos radiac­ tivos del radón dañan las células y producen cáncer. El gobierno estadounidense estima que las concentraciones altas de radón en interiores provocan de 5000 a 20 000 decesos por cáncer cada año. El Environmental Protection Agency (EPA; Organismo para la Protección Ambiental) de E.U.A. recomienda un límite máximo de 4 picocuries (pCi) de radiación por litro de aire en las viviendas. El aire de exteriores contiene apenas 0.2 pCi de radón por litro. En un estudio realizado por el EPA en 1988 se estima que 8 millo­ nes de viviendas estadounidenses tienen niveles potencialmente peligrosos de radón. Se estima que en todo el país alrededor de 200 000 viviendas tienen niveles de radón por encima de 20 pCi/L. Los equipos domésticos para detección de radón son fáciles de usar y se consiguen en las ferreterías locales. Si se encuentran niveles de radón altos, el propietario de la casa o el contratista deberá tomar medidas correctivas como rellenar las grietas de los \ ______________________________________________

Los detectores dom ésticos de radiación como los q ue aquí se muestran se adquieren en las ferreterías locales. Una vez utilizado, el detector se envía por correo a un laboratorio para ser analizado después de haber sido usado.

pisos e instalar tubos para ventilar el gas que se acumula debajo del piso de los sótanos. En términos de riesgo de cáncer pulmonar, se estima que res­ pirar aire contaminado con radón durante 18 h/día equivale a fu­ mar de una a dos cajetillas de cigarrillos por día. Aunque sin lugar a dudas el consumo de cigarrillos es la causa principal de cáncer pulmonar en Estados Unidos, ahora se piensa que el radón gaseo­ so ocupa el segundo lugar entre las causas de cáncer pulmonar. Los fumadores que viven en un ambiente con alta concentración de radón corren un riesgo más de dos veces mayor de contraer cáncer pulmonar, pues la combinación de cigarrillos y radón es particularmente carcinógena.

___________________________________ /

E x p o s ic ió n d e la s p e r s o n a s a f u e n te s d e ra d ia c ió n a r tif ic ia le s Alrededor del 82% de la exposición a la radiación tiene su origen en fuentes naturales (in­ cluido el 55% debido al radón), pero un 18% proviene de fuentes sintéticas. Por ejemplo, los rayos X y la medicina nuclear originan alrededor del 15% del total, como se muestra en la figura 18.10. En 1979 escapó material radiactivo durante un paro de emergencia de la central nucleoeléctrica de Three Mile Island cerca de Harrisburg, Pennsylvania. Aunque no hubo pérdida de vidas humanas, el peligro asociado con este escape fue objeto de debate por dos grupos distintos. Por una parte, se argumentaba que los habitantes de las comunida­ des vecinas quedaron expuestas a muy poca radiación (no mucha más que la radiación de fondo normal). En el lado contrario estaba un grupo que sostenía que los isótopos radiac­ tivos liberados terminarían por introducirse en el organismo con los alimentos o el aire inhalado. Los radioisótopos se concentrarían entonces dentro del cuerpo, según alegaban estas personas, y permanecerían en él causando daños a largo plazo a diversos órganos. Sólo los registros médicos del futuro podrán decirnos cuál grupo acertó en su juicio.

Figura 18.10 La mayor parte de la exposición humana a la radiación proviene de fuentes naturales. La contribución individual más grande es la del radón.

No sólo recibimos un bombardeo constante de radiación proveniente de fuentes ex­ ternas, sino que nosotros mismos somos radiactivos. Algo así como el 11% de la exposi­ ción procede de fuentes de radiación internas (Fig. 18.10) como el potasio 40 radiactivo de origen natural. Puesto que las personas han estado expuestas a la radiación de fondo desde el momento en que aparecieron sobre la Tierra, es evidente que esta fuente produce muy pocos daños permanentes a nuestro cuerpo (o bien, cualquiera que sea el daño, se acepta como normal). Algunas personas, no obstante, están cada vez más preocupadas por la exposición adicional a la radiación proveniente de fuentes médicas, centrales nu­ cleoeléctricas y el radón gaseoso de los hogares. EJEM PLO 18.6

Radiación de fondo

Aproximadamente, ¿qué porcentaje de la radiación de fondo proviene de fuentes naturales? Cita cuatro fuentes naturales de la radiación de fondo. SOLUCIÓN Alrededor del 82% de la radiación de fondo procede de fuentes naturales. Las cuatro fuentes naturales son el radón gaseoso, los rayos cósmicos, la radiación del in­ terior del cuerpo y la radiación de las rocas y el suelo (Fig. 18.10).

EJERCICIO 18.6 (a) Uno de los núclidos de la serie de desintegración del uranio-238 es el radio-226. Con base en la figura 18.9, indica cuál es la vida media del radio-226 y el tipo de desinte­ gración que sufre. (b) El producto de la desintegración del radio-226 es radón-222. ¿Cuál es la vida me­ dia del radón -222 y qué tipo de radiación emite?

Transmutaciones artificiales Las formas de radiactividad descritas hasta este punto están presentes en la naturaleza. También se consigue que ocurran reacciones nucleares bombardeando núcleos estables con partículas alfa y otros iones positivos. Si se les imparte la energía suficiente, estas partículas con carga pueden penetrar y ser capturadas por un núcleo objetivo bombar-

Véansel osp roblemas 18.3 9-1 8.50.

I Rutherford dirigió estas investigaciones en 1919, pocos años d espués de su famoso ex pe ri m ento de la la m i nilla de oro.

I Eugen G o ld ste in ya había ge ne ra do proto nes en sus ex pe ri mentos con el tu bo de descarga (C ap ítulo 5). O b tu vo estas partículas a partir del hidrógeno ga seoso en ce rra do en el tu bo arrancando electrones a los átomos de hi dróge no.

deado con ellas. El núcleo objetivo sufre una transmutación, es decir, un tipo de átomo se transforma en otro. Debido a que este cambio no habría ocurrido de forma natural, el procesos ed enomina transm utacióna rtifidal. Ernest Rutherford bombardeó varios elementos ligeros con partículas alfa. I Al bom­ bardear nitrógeno, se emitieron protones. 14N + 4 H e ----- > 178O + 1H (Puesto que el núcleo de hidrógeno es un protón, se utiliza el símbolo ¡H para represen­ tar 1 protón.) Advierte que la suma de los números de masa de la izquierda es igual que la suma de los números de masa de la derecha. También los subíndices (las cargas de las partículas)e stánb alanceados. Ya para 1914 Rutherford había previsto la presencia de protones en todos los núcleos, y en 1919 proporcionó la primera comprobación experimental de la existencia de los pro­ tones como partículas fundamentales. I El experimento de Rutherford demostró que se pueden obtener protones del núcleo de un átomo distinto del hidrógeno, lo cual indica que los protones son partículas fundamentales. Por partículas fundamentales se entienden las unidades básicas a partir de las cuales se forman estructuras más complicadas (como el nú­ cleo de nitrógeno). El experimento de Rutherford, que aquí se describe, fue la primera reac­ ción nuclear inducida. Se llevaron a cabo numerosas transmutaciones en la década de 1920. Más tarde, en 1932, una de estas reacciones dio lugar al descubrimiento de otra partícula fundamental. Cuando el científico inglés James Chadwick bombardeó berilio con partículas alfa, iden­ tificó neutrones entre los productos de la reacción. 4Be + 4 H e ------ > 16C + 0n Chadwick había realizado un descubrimiento importante; se hizo acreedor al Premio Nobel de Física de 1935.

EJEM PLO 18.7

Bombardeo nuclear

Cuando se bombardea potasio-39 con neutrones, se forma cloro-36. ¿Qué otra partícula se emi te? 39K + 0n ----- > 16Cl + ?

SOLUCIÓN Para balancear la ecuación hace falta una partícula con una masa de 4 y númeroa tómico2 .S et ratad eu nap artículaa lfa. 19K + 0n ----- > 16Cl + 4He EJERCICIO 18.7 (a) Las transmutaciones artificiales han permitido obtener elementos sintéticos como el curio-242, que se produce bombardeando plutonio-239 con partículas alfa. ¿Qué otra partícula se emite? (b) Cuando se bombardea aluminio-27 con partículas alfa, se produce fósforo-30 y otrap artícula.¿ Cuále se stap artícula?

Radiactividad inducida Las primeras reacciones nucleares artificiales produjeron isótopos estables que ya se cono­ cían en la naturaleza. Sin embargo, era inevitable que tarde o temprano se produjese un nú­ cleo inestable. Irene Curie (hija de Marie y Pierre Curie, los ganadores del premio Nobel de

Figura 18.11 Irene y Frédéric Joliot-Curie descubrieron la radiactividad inducida artificialmente en 1934, y se hicieron acreedores al Premio Nobel de Química de 1935. Los Joliot-Curie adoptaron el apellido combinado para perpetuar el apellido Curie. Los padres de Irene Curie, Marie y Pierre Curie, tuvieron dos hijas pero ningún hijo varón. 1903) y su esposo, Frederic Joliot (Fig. 18.11), estudiaban el bombardeo de aluminio con partículas alfa. I Este bombardeo produjo neutrones y un isótopo de fósforo como residuo. 17Al + 2 H e -----7 10P + 0n

I

La obra de los C u r ie se describ e en el recuadro referente a ellos de la secció n 5.1.

Para su gran sorpresa, el blanco continuó emitiendo partículas aún después de concluido el bombardeo. La razón es que el fósforo-30 es un isótopo inestable que emite partículas llamadas positrones, +° e , cuya masa es igual a la del electrón pero tienen carga positi­ va. La ecuación de la reacción observada por los Curie se escribe como sigue. 30p + 30Si 15P ----- ,7 +0e 1e + 14Si Con esto surge de nuevo la pregunta: si el núcleo contiene sólo protones y neutrones, ¿de dónde proviene esta partícula? Para responder esta pregunta intenta visualizar la transfor­ mación de un protón (un núcleo de hidrógeno) en un neutrón y un positrón que es expulsadod eln úcleo. 1 H ----- 7 +?e + 0n Cuando se emite el positrón, de pronto el núcleo original tiene un protón menos, pero un neutrón más que al principio. Por tanto, el núcleo conserva el mismo número de masa pero su número atómico disminuye en 1. En la figura 18.12 se presenta otro ejemplo de emisión de positrones. Como resultado de su descubrimiento de la radiactividad inducida artificialmente en 1934, los Joliot-Curie se hicieron acreedores al Premio Nobel de Química de 1935, el mis­ mo año en que Chadwick recibiera el Premio de física por su descubrimiento del neutrón. El uranio, U, de número atómico 92 (Z = 92) era el elemento más pesado conocido hasta 1940, cuando se sintetizó neptunio (Z = 93) en la Universidad de California en Berkeley bombardeando uranio con neutrones. A partir de entonces el grupo de investi­ gación de Glenn T. Seaborg y científicos nucleares de Dubna, Rusia, y de Darmstadt, Alemania, han preparado otros elementos transuránicos (del 94 al 112, más el 114) por medio del ciclotrón y de modernos aceleradores de partículas (Tabla 18.2). I

Nuevo neutrón producto de la emisión de un positrón.

I

C o m o reconocim iento al trabajo de G le n n T. Seaborg, al elem ento 106 se le dio el nom bre de sea borgio, Sg.

Figura 18.12 Cambion uclearq ue acompañal ae misiónd e positrones.

Número atómico

Nombre

Símbolo

Año de su descubrimiento Reacción

93

Neptunio

Np

1940

29*U + ¿n ----- » 2gNp +_°e

94

Plutonio

Pu

1940

2^U + 2¡ R -----» 29*Np + 2 ¿n 2s®Np -----* 2¡$Pu +-?e

95

Americio

Am

1944

2^Pu + ¿n ----- » “ Am +_Je

96

Curio

Cm

1945

2¡gPu + jHe -----►^gCm + ¿n

97

Berkelio

Bk

1949

98

Californio

Cf

1950

99

Einstenio

Es

1952

^ A m + jHe ----- » 2^Bk + 2 ¿n

1 4tt_ ___^ 245f^f 1 1_

242/"!

9óCm + 2He

» 98^-1 + o11

+ 15 ¿n -----» ^ 9Es + 7_¿e

238t t i 16/"\ ___ 250-t' i a 1_ 92U + 8^ * 100Fm 4 QÜ 29,Es + jHe ---- » 2¡*Md + ¿n

100

Fermio

Fm

1952

101

Mendelevio

Md

1955

102

Nobelio

No

1958

103

Laurencio

Lr

1961

104

Rutherfordio

Rf

1964

105

Dubnio

Db

1970

^ C f + ^N -----» “ °Db + 4¿n

2%Cni + n6C ---- » ?gNo + 4 ¿n 29«Cf + "B ---- » “ ¡Lr + 4 ¿n 249c f + ^ c ---- > fjR f + 4 ¿ n

106

Seaborgio

Sg

1974

^ C f + ífO ----- > ?“ Sg + 4 ¿n

107

Bohrio

Bh

1981

™Bi + Ifcr ----- » 1078b + ¿n

108

Hasio

Hs

1984

2°*Pb + f*Fe ----- > “ *Hs + ¿n

109

Meitnerio

Mt

1988

2®Bi + 2*Fe -----> ?¿Mt + ¿n

110

Aún sin nombre

1994

IzPb + gNi -----►SS110 + ¿n

111

Aún sin nombre

1994

I 3BÍ + ^Ni -----> ffflll + ¿n

112

Aún sin nombre

1996

1 “Pb + £Zn

---- » ííál 1 2

114

Aún sin nombre

1999

294?u + 2oCa ----- > 114114 + 3 ¿n

116

Aún sin nombre *

1999

11 gil 8

118

Aún sin nombre*

1999

™Pb + “ Kr ---- » n ll 18 + ¿n

---- > ?S ll 6 + ¿He

*Al momento de imprimirse este libro existen dudas con respecto a los elementos lió y 118; sus síntesis respectivas no han podido ser repetidas.

EJEM PLO 18.8

Elementos nuevos y sus aplicaciones

El carbono-10 es un isótopo radiactivo que emite un positrón al desintegrarse. Comple­ ta la ecuación nuclear de este proceso. 16 6C —

+?e + ?

SOLUCIÓN Para balancear la ecuación hace falta una partícula con una masa de 10 yn úmeroa tómico5 ( boro). 16C —

+?e + 15b

LA QUÍMICA EN ACCIÓN Estos rayos gamma salen del cuerpo al mismo tiempo, en sentidos exactamente opuestos. Unos detectores colocados en lados opues­ tos del paciente registran estos rayos pasando por alto otros rayos gamma de la radiación de fondo. Una computadora calcula el pun­ to dentro del cuerpo en el que ocurrió la aniquilación del positrón y el electrón y genera una imagen de esa zona. La técnica de TEP tiene gran importancia en la investigación médica. Por ejemplo, en tiempos recientes se ha utilizado la TEP para localizar la sede de la ansiedad y el pánico en los lóbulos tem­ porales, situados detrás de los ojos. Si los investigadores pudiesen identificar los procesos médicos que desencadenan la ansiedad, se podrían descubrir nuevos fármacos capaces de prevenir o frenar los ataques de pánico. También se utiliza la TEP para estudiar la esquizofrenia, la enfermedad de Alzheimer y otros trastornos de origen nervioso. El equipo para TEP cuesta el equivalente de millones de dólares, y un solo examen resulta muy costoso, pero esta técnica proporciona información que de otro modo sólo podría obtenerse sometiendo al paciente a los riesgos de una cirugía. Además, cier­ ta información que esta técnica proporciona no puede obtenerse por otros medios.

E x á m e n e s p o r t o m o g r a f ía d e e m is ió n d e p o s itro n e s ( TEP) El positrón es más que una partícula subatómica que sólo interesa a los científicos; ha resultado muy útil en el campo de la medicina, tanto en el diagnóstico como en la investigación médica. La tomografía de emisión de positrones (TEP) es una técnica que utiliza radioisótopos emisores de positrones y la tecnología de cómputo moderna para examinar y obtener imágenes de órganos internos. La TEP permite medir procesos dinámicos que se llevan a cabo en el organismo, por ejemplo, los niveles hormonales, el flujo sanguíneo o la tasa metabólica del oxígeno o la glucosa. Se utilizan exámenes por TEP para identificar zonas de daño cerebral que desencadenan ataques epilépticos graves y otros trastornos. Con antelación al examen, se inhalan o se inyectan compuestos que contienen isótopos emisores de positrones, como el carbono-11. El positrón emitido recorre una distancia muy cor­ ta dentro del cuerpo, pues muy pronto encuentra un electrón, choca con él y produce dos rayos gamma. 11C ---- > 11b + +?e

+?e + :?e ---- > 2y

(a)

(b)

La tom ografía de em isión de positrones (TEP) se utiliza en la investigación y el diagnóstico m édicos. A la derecha se muestra un paciente colocado en posición para la T E P (b). En (a) se presentan im ágenes de uncerebro normal (extremo izquierdo) y de un cerebro con enferm edad de Alzheim er. Una m ayor presencia de rojo y am arillo indica gran actividad cerebral.

EJERCICIO 18.8 (a) El neptunio-238 (elemento 93) se sintetiza bombardeando uranio-238 con hidrógeno2 .E scribeu nae cuaciónb alanceadad ee stas íntesis. (b) El núclido neptunio-238 es inestable y emite una partícula beta cuando se desintegra. Escribe una ecuación balanceada que muestre esta desintegración y el elemento nue­ vo que se forma.

Véanse los problemas 18 .51 -18 .56.

Usos prácticos de algunos radioisótopos

Figura 18.13 Autorradiografía dondes eo bserval ai ncorporación de fósforo en una planta verde. I Conexión con el mundo real Alimentos irradiados: el uso de rayos gamma para destruir bacterias de las carnes rojas se mencionó en la sección 18.1. La Adm inistración de A li mentos y F á r ma cos de Esta dos Uni dos y la Aso cia ción M é di ca Am e ri ca na (Am e ri can M e di cal As so ciation) res pal dan el uso de co bal to-60 pa ra irra diar car ne con rayos gamma; no obstante, pocos pro ce sa do res de car nes la apli can por te mor a una reacción negativa del público y a las protestas de los grupos que se oponen al uso de energía nuclear. Pese a que los expertos afirman lo contrario, mucha gente pien sa que la irra dia ción ha ce ra diac tivos los ali mentos.

Científicos de una extensa variedad de campos utilizan isótopos radiactivos como m arca­ dores en sistemas fisicoquímicos y biológicos. Los isótopos de un elemento dado, sean radiactivos o no, se comportan de modo casi idéntico tanto química como físicamente; es­ te hecho permite utilizar isótopos radiactivos, que se detectan con facilidad, para estudiar sistemas complicados. Por ejemplo, se puede aplicar a una planta un fertitizante que contenga fósforo ra­ diactivo para medir la incorporación de este elemento. Un método simple de detección consiste en colocar la planta sobre una película fotográfica, donde la radiación expone la película de modo muy parecido a como lo hace la luz. Este tipo de exposición, llamado autorradiografía, muestra la distribución del fósforo en la planta (Fig. 18.13). Los marca­ dores radiactivos se emplean extensamente en la investigación agrícola para estudiar la eficacia de los fertilizantes y herbicidas, para comparar el valor nutritivo de diversos tipos de forraje y para identificar los métodos óptimos para combatir las plagas de insectos. Un método que ayuda a conservar los alimentos consiste en irradiarlos, es decir, en exponerlos a fuentes de radiación gamma (Fig. 18.14). La radiación destruye los mi­ croorganismos que provocan la descomposición de los alimentos. Los alimentos irradiados muestran poco cambio en cuanto a sabor o apariencia. A algunas personas les preocupan los posibles efectos nocivos de las sustancias producidas por la radiación, pero no hay prue­ bas sólidas de daños producidos en animales de laboratorio alimentados con productos irradiados, ni se conoce efecto adverso alguno en los seres humanos de países donde se ha utilizado la irradiación desde hace ya varios años. No se detecta radiación residual en los alimentos después de la irradiación. I Incluso los isótopos de elementos transuránicos (los elementos sintéticos de número atómico mayor que 92) han encontrado un lugar útil en el mundo actual. Por ejemplo, la energía generada por la desintegración del plutonio-238 radiactivo producido de forma artificial hace funcionar ciertos marcapasos cardiacos. Este isótopo tiene una vida media relativamente larga, por lo que el dispositivo puede funcionar durante unos 10 años antes de que sea necesario reemplazarlo. Otro isótopo transuránico, el americio-241, se utiliza en los detectores de humo domésticos (del tipo de ionización). I En la investigación científica básica se han empleado muchos tipos de radioisótopos. El mecanismo de la fotosíntesis se dilucidó en gran parte utilizando carbono-14 como marcador. Las vías metabólicas de plantas, animales y seres humanos se estudian por me­ dio de marcadores radiactivos. El potencial del uso de estos conocimientos para el bien de la humanidad es tan enorme como el potencial que ofrece el uso de las bombas nucleares para hacer el mal.

I Conexiones con el mundo real E le mentos tran su rá ni cos • Plutonio-238 en los m arcapasos • A m ericio-241 en los detectores de hu mo

Figura 18.14 Lar adiacióng amma retardal ad escomposiciónd el os hongos. Losh ongos del ad erecha fueron irradiados; no así los de la izquierda.

M e d ic in a n u c le a r En medicina nuclear los radioisótopos tienen dos tipos de usos distintos: terapéuticos y diagnósticos. En la terapia por radiación se intenta tratar o curar las enfermedades con

T abla 18.3

A lgunos rad ioisótopos y su ap licación e n m ed icin a

Isótopo

Nombre

Radiación

Vida media*

Usos

51Cr

Cromo-51

y

27.8 d

Determinación del volumen de glóbulos rojos y del volumen total de sangre

57Co

Cobalto-57

y

270 d

Determinación de la incorporación de vitamina B12

60Co

Cobalto-60

Tratamiento del cáncer por radiación

Gadolinio-153

P, y y

5.3 a

153Gd

242 d

Determinación de la densidad ósea

131I

Yodo-131

P, y

8.0 d

Detección de la disfunción de la tiroides; tratamiento del cáncer de tiroides

e 95F

Hierro-59

P, y

44.5 d

Medición de la tasa de formación y del tiempo de vida de los glóbulos rojos

32p 226Ra

Fósforo-32

P a, y

14.3 d

Detección de cáncer de la piel

Radio-226

1590 a

Terapia del cáncer por radiación

24Na

Sodio-24

P, y

15.0 h

Detección de obstrucciones en el sistema circulatorio Obtención de imágenes de encéfalo, tiroides, hígado, riñón, pulmón y sistema cardiovascular Determinación del contenido corporal total de agua

99m^c

Tecnecio-99m

y

6.0 h

3H

Tritio

P

12.3 a

*h — horas, d — días, a — años.

radiación. El uso diagnóstico de los radioisótopos se propone obtener información acerca del tipo o grado de una enfermedad. La tabla 18.3 presenta diversos radioisótopos que se utilizan en medicina. El cáncer no es una sola enfermedad, sino muchas. Ciertas formas son particularmen­ te susceptibles a la terapia por radiación. La radiación se dirige con cuidado hacia el tejido canceroso, procurando reducir al máximo la exposición de las células normales. Si la gran energía de la radiación consigue matar las células cancerosas, se consigue detener el cán­ cer. Sin embargo, las personas que se someten a terapia por radiación suelen experimentar malestar o agotamiento debido al tratamiento. I El objetivo de la terapia por radiación es destruir las células cancerosas antes de que el tejido sano sufra daños excesivos. Durante muchos años se utilizaron compuestos de radio para tratar el cáncer por ra­ diación. El radio-226 es un emisor alfa y gamma. 8Ra

-> 286Rn

2He

I Conexión médica Los síntom as habituales del malestar por radiación son náusea y vómito.

y

El radón, Rn, que se produce es un gas radiactivo. A fin de impedir su escape, el radio se encerraba herméticamente en recipientes huecos muy pequeños de oro o platino que se po­ dían insertar directamente en el tumor para irradiar el tejido hasta administrar la dosis deseada. Por desgracia, los recipientes eran tan pequeños que a veces se perdían, y los es­ fuerzos desesperados por encontrarlas no siempre tenían éxito. Hoy en día se utiliza extensamente el cobalto-60 para la terapia del cáncer. Este núclido se prepara bombardeando el cobalto-59 ordinario con neutrones en reactores nucleares especializados en la síntesis de radioisótopos. 27Co

0n

2v°Co

El cobalto-60 emite partículas beta y rayos gamma intensos, pero en la práctica médica se eliminan las partículas beta por filtración. I Hoy en día son muy comunes las unida­ des de terapia con cobalto-60 con intensidades de más de 1000 Ci (Fig. 18.15). Con el tiempol af uenter adiactivas ed ebilitam uchoy e sn ecesarior eponerla. El yodo-131 radiactivo se utiliza con fines tanto terapéuticos como diagnósticos. Se emplea para determinar el tamaño, forma y actividad de la glándula tiroides, y también

I

La vida media del co b alto -60 es de 5.3 años.

Figura 18.15 Unidadd ec obalto-60 para lat erapiac onr adiación.

I Conexión médica Advertencia: Los pa cientes de hospital que han ingerido dosis terapéuticas de radioisótopos deben ser considerados ellos mismos como fuentes de radiación en tanto el radioisótopo conserve una actividad apreciable. El personal médico expuesto a muchos de estos pa cientes a lo largo del ejercicio de su profesión deben tener cuidado de no exponerse a dosis nocivas de radiación durante un periodo prolongado.

para regular una tiroides hiperactiva y tratar el cáncer de tiroides. En todos los casos, el paciente ingiere una solución de yoduro de potasio que contiene yodo-131. El organismo concentra el yodo en la tiroides. Para el tratamiento de cáncer de tiroides se emplean do­ sis grandes; I en cambio, para fines diagnósticos sólo se necesita una pequeña cantidad. Se adapta un detector de modo tal que permita traducir las lecturas a un registro visual permanente que muestre la incorporación diferencial del isótopo. La imagen que se ob­ tiene se conoce como fotoexamen. El radioisótopo de uso más extendido en medicina es el gadolinio-153, que se utiliza para determinar la mineralización de los huesos, especialmente de las personas que pade­ cen osteoporosis (reducción de la cantidad de hueso) a medida que envejecen. El gadolinio-153 emite dos radiaciones características: un rayo gamma y un rayo X. Un dispositivo explorador compara estas radiaciones luego de que han atravesado los huesos. A continua­ ción se determina la densidad de los huesos en función de las diferencias de absorción de los rayos. El tecnecio-99m se emplea en diversas pruebas diagnósticas (Fig. 18.16). La “m” es el símbolo de metaestable, lo que significa que este isótopo cede cierta energía para Figura 18.16 Distribución del flujo sanguíneo en un corazón sano (izquierda) y en un corazón dañado por un ataque cardiaco (derecha). Las imágenes rojas y amarillas realzadas mediante un compuesto de tecnecio-99mindican las regiones que reciben un flujo sanguíneo adecuado.

transformarse en una forma más estable del mismo radioisótopo (igual número atómico y masa atómica). La energía emitida es el rayo gamma con el que se detecta el isótopo. 49mT c ----- > 43Tc + y La desintegración del tecnecio-99mno produce partículas alfa ni beta, que dañarían inne­ cesariamente el organismo. La vida media del tecnecio es corta (alrededor de 6 horas), lo que significa que la radiactividad no permanece en el cuerpo una vez que se ha comple­ tado el examen. Con esta vida media tan corta, el uso del isótopo exige una planificación minuciosa. De hecho, lo que los hospitales adquieren no es el isótopo mismo. El tecnecio-99m se forma por desintegración del molibdeno-99. 49M o----- > 49mTc + _?e + y Se obtiene un recipiente con este isótopo de molibdeno, y el producto de su desintegración, el tecnecio-99m, se “ordeña” (ésta es la terminología que se emplea en efecto) conforme se necesita. EJEM PLO 18.9

Usos prácticos

Menciona algunos usos prácticos de estos radioisótopos: (a) cobalto-60, (b) gadolinio153 y (c) tecnecio-99m. S olución (a) Elc obalto-60s eu tilizae ne lt ratamientod elc áncerp orr adiación. (b) Elg adolinio-153s e usap arad eterminarl ad ensidadó sea. (c) El tecnecio-99m se emplea en pruebas diagnósticas de cerebro, hígado y pulmones. EJERCICIO 18.9 (a) Mencionau nu som édicod ely odo-131. (b) Explica el significado de la afirmación de que el yodo-131 se utiliza con fines tantot erapéuticosc omod iagnósticos.

F e c h a d o c o n ra d io is ó to p o s La vida media de ciertos isótopos permite estimar la antigüedad de las rocas y de los ha­ llazgos arqueológicos. El uranio-238 se desintegra con una vida media de 4500 millones de años. Los productos de esta desintegración también son radiactivos, y la degradación prosigue hasta que se forma un isótopo de plomo, el 206Pb. Los químicos pueden estimar la antigüedad de una roca midiendo las cantidades relativas de uranio-238 y plomo-206. Se ha encontrado que algunas de las rocas de la Tierra tienen una antigüedad de 3000 a 3500 millones de años. El fechado de rocas lunares y de meteoritos ha arrojado una antigüedad máxima de alrededor de 4500 millones de años. Por consiguiente, se estima en general que la Tierra tiene alrededor de 4500 a 5000 millones de años de antigüedad. I El fechado de artefactos orgánicos se hace por lo regular con base en un isótopo ra­ diactivo de carbono. En las capas altas de la atmósfera se forma carbono-14 por el bom­ bardeo de nitrógeno ordinario con neutrones de los rayos cósmicos. 14N + 0 n ----- > 14C + 1H Este proceso da como resultado una concentración estable de carbono-14 en la Tierra. Las plantas y los animales vivos incorporan este isótopo en forma de dióxido de carbono. Cuando mueren, dejan de incorporarlo, y el carbono-14 que las plantas y demás organis­ mos contienen se desintegra, con una vida media de 5730 años, a nitrógeno-14.

I Conexión con el mundo real C o n base en la abundancia de 238U y 232Th en una estrella distante, astrónomos europeos han calculado la antigüe dad del uni verso en al m enos 12.5 ± 3 m iles de millones de años.

Chemical & Engineering News, 12 de febrero de 20 0 1, pág. 34.

14 6C

I Confiabilidad El fechado con carbono-14, como aq u í se d escribe, supone que la formación del isótopo fue constante al paso de los años. En realidad no es así. Sin embargo, con respecto a los últim os 7 0 0 0 años, más o menos, las fechas por carbono-14 son m uyconfiables; han sido co rre la cio na das con los ani llos de crecim iento anual de los árboles. En tér mi nos ge ne ra les, el car bo no-14 es razo na ble mente exac to pa ra fechar objetos de hasta 5 0 0 0 0 años de antigüedad. En los objetos aún más antiguos que da muy po co isóto po para hacer m ed iciones exactas.

-> 14n

- 10e e

Por consiguiente, basta con medir la actividad de carbono-14 residual en un artefacto de origen vegetal o animal para conocer su antigüedad. Por ejemplo, una muestra que tiene la mitad de la actividad de 14C del material vegetal nuevo tiene 5730 años de antigüedad; ha estado muerta durante una vida media. De modo análogo, un artefacto con 25% de la actividad de 14C del material vegetal nuevo tiene 11 460 años de antigüedad; ha estado muerto durante dos vidas medias. I El carbón proveniente de las fogatas de las tribus antiguas, fechado determinando la actividad del carbono-14, se usa para calcular la antigüedad de artefactos encontrados en el mismo sitio arqueológico. El fechado con carbono-14 se ha usado también para de­ tectar falsificaciones de artefactos supuestamente antiguos (véase el recuadro “fechado del manto de Turín”). Así, los procedimientos de fechado basados en la estructura y es­ tabilidad del núcleo atómico han llegado a ser rutinarios, y las herramientas confiables para establecer la antigüedad de los artefactos. El tritio, que es el isótopo radiactivo de hidrógeno, tiene una vida media de 12.3 años, por lo cual es útil para fechar objetos de hasta 100 años de antigüedad. Una aplicación in­ teresante es el fechado de brandys añejados de 10 a 50 años. El fechado con tritio permite comprobar la verdad de los reclamos publicitarios acerca de la edad de los brandys más costosos. Muchos otros isótopos también son útiles para estimar la antigüedad de objetos y materiales. La tabla 18.4 presenta una lista de varios de los más importantes. EJEM PLO 18.10

Fechado con carbono-14

¿Cuál es la antigüedad de un trozo de madera fosilizada cuya actividad de carbono-14 es de -8 de la actividad de la madera nueva? (La vida media del carbono es de 5730 años.) SOLUCIÓN Puesto que la fracción restante es -¡, el carbono-14 ha pasado por tres vidasm edias.

1 1 1 /lf 1 2 X2 X 2 \ 2 / 8 Port anto,l am aderat ienea lrededord e3 X 5730 años = 17 200 años EJERCICIO 18.10 Véanse los problemas 18.57-1 8.64.

T abla 18.4

(a) ¿Cuál es la antigüedad de un trozo de madera cuya actividad de carbono-14 es del 25.0% de la actividad de la madera nueva? (b) Se afirma que un vino costoso tiene una antigüedad de 30 años. Se encontró que el vino tiene la mitad de la actividad de tritio que un vino nuevo. ¿Es razonable la anti­ güedad que se atribuye a esta bebida en la publicidad? (Consulta en la tabla 18.4 la vida media del tritio.)

Diversos isótopos ú tile s p a ra el fe ch ad o rad iactiv o

Isótopo

Vida media (años)

Intervalo útil

Carbono-14

5730

De 500 a 50 000 años

Carbón vegetal, material orgánico

Tritio (1H)

12.3

De 1 a 100 años

Vinos añejados, brandys

Potasio-40

1.3

X

109

De 10 000 años a las muestras terrestres más antiguas

Rocas, corteza terrestre, corteza lunar

Renio-187

4.3 4.5

X

1010 109

De 4

Uranio-238

X

X

107 años a las muestras más antiguas del universo

De 107 años a las muestras terrestres más antiguas

Aplicaciones de fechado

Meteoritos Rocas, corteza terrestre, el universo

LA QUÍMICA EN ACCIÓN F e c h a d o d e lm a n t o d e T u r ín Las técnicas de fechado con carbono-14 se emplearon para esta­ blecer la antigüedad de un lienzo que se conoce como el manto de Turín. Este grande y muy antiguo lienzo muestra la imagen amarillenta de un hombre. La cuestión primordial era si esta tela podría haber sido utilizada como el lienzo mortuorio de Jesús de Nazareth, en cuyo caso tendría que tener una antigüedad cercana a los 2000 años. Con el propósito de determinar el contenido de carbono-14 y, en último término, la antigüedad de la tela, se entregaron mues­ tras pequeñas de 50 mg del manto, junto con tres muestras antiguas de tela de antigüedad conocida, a investigadores de laboratorios de fechado con radiocarbono de Zurich, Suiza, de la Universidad de Oxford en Inglaterra, y de la Universidad de Arizona. Los resultados de los ensayos independientes realizados por estos laboratorios se informaron en 1989. Todos los ensayos independientes coincidieron en situar la antigüedad del manto entre 1260 y 1390 d.C. De acuerdo con estos resultados, el lien­ zo data de la Edad Media y no pudo haber sido el lienzo mortuoriod eC risto.

Negativo fotográfico de la imagen de una persona en un trozo de lienzo de 4 m de largo, conocido com o el manto de Turín. Se decía que había sido el lienzo m ortuorio de Jesucristo.

Fisión nuclear: dividir átomos Ciertas reacciones químicas —la explosión de nitroglicerina o de TNT, por ejemplo— li­ beran cantidades considerables de energía en virtud de la ruptura y formación de enlaces químicos. Sin embargo, durante las reacciones de fusión y de fisión nucleares se liberan cantidades mucho mayores de energía. En la fisión nuclear el núcleo de un átomo pesa­ do absorbe un neutrón y luego se divide en átomos más ligeros y dos o más neutrones, junto con grandes cantidades de energía. Esta energía nuclear puede emplearse con fines pacíficos para alimentar reactores nucleares que producen electricidad, pero la energía que se libera durante la fisión se usó al principio para construir bombas atómicas. Se han escrito numerosos libros acerca de las personas y de los acontecimientos que dieron ori­ gen al descubrimiento y al uso inminente de la fisión nuclear; aquí sólo es posible incluir fragmentos de la historia. Iniciemos el retato con un vistazo a la obra de Albert Einstein (1879-1955), quien puede ser el científico más conocido de todos los tiempos; no obstante, sus logros pertene­ cen al dominio de la mente, y no fueron alcanzados en el laboratorio. Ya para 1905 Einstein había formulado su teoría especial de la relatividad. I Al hacerlo, dedujo una relación entre la materia y la energía. La ecuación, ahora tan famosa, es E = mc2 donde E representa la energía, m representa la masa y c esla velocidad de la luz. Según Einstein, existe una retación entre la masa y la energía: son aspectos diferentes de una misma cosa. I El razonamiento de Einstein se corroboró con toda claridad 40 años des­ pués. Esta comprobación estremeció el mundo. En 1934 los físicos italianos Enrico Fermi (1901-1954) y Emilio Segre (1905-1989) bombardearon átomos de uranio con neutrones. Fermi (Fig. 18.17) y Segre intentaban pre­ parar elementos de número atómico mayor que el del uranio, que era el número atómico más alto conocido en esa época. Para su sorpresa, encontraron cuatro especies radiactivas entre los productos. Supusieron que una de ellas era el elemento 93, pero los científicos no consiguieron explicar el resto de la radiactividad. De hecho, habían dividido los átomos de uranio, pero no consiguieron interpretar su trabajo correctamente.

I

A lb e rt Einstein se hizo acreedor al Prem io Nobel de Física de 1921 por sus apo rtaciones a la física matemática y al efecto fotoeléctrico.

I

La energía equivalente a 1 g de materia es 9 X 10 13 J, suficiente para p roporcionar calefacción a una casa de dim ensiones m edias durante mil años.

Figura 18.17 EnricoF ermi( 1901-1954)n acióe n Italia.F ueg alardonadoc one lP remio Nobeld eF ísica de 1938. Fermi y su esposa, que era judía, abandonaron la Italiaf ascistay e migrarona E stadosU nidose n1 939. Fermit rabajóe ne lP royectoM anhattan,q uep erfeccionól as primerasb ombasa tómicas. Tiempod espuéss ed ioe ln ombre de fermio al elemento 100, en su honor.

I El trasfondo de la historia O tto Hahn se hizo acreedor al Premio Nobel de Q uím ica de 1944 por el descubrim iento de la fisión nuclear. Muchos historiadores consideran que ese premio debió ser com partido por sus colegas, Lise M eitner y Fritz Strassmann. Finalm ente en 1997, unos 53 años más tarde, se asignó al elemento 109 el nom bre de meitnerio, Mt, en su honor. M eitner y Hahn descubrieron el elemento 91, el protactinio, en 1917 Aislaron el elemento de la mena de plo mo co no ci da co mo pech blen da. (Este ele mento tam bién fue descubierto de forma independiente por otros dos gru pos de investiga ción.)

I Conexión con el mundo real Los laureados con el premio Nobel también cometen errores: • “No podemos controlar la energía atómica en alguna medida que pudiese tener alguna utilidad co mercial, y con si de ro que no es probable que lleguemos a hacerlo.” —Ernest Rutherford (1933) • “Es del todo im probable que el hom bre llegue algu na vez a aprove char el poder del átomo.” —Robert Millikan

Figura 18.18 Lise Meitner y Otto Hahn en el laboratorio de Hahn.

Dos químicos alemanes, Otto Hahn (1879-1968) y Fritz Strassmann (1902-1981), repitieron el experimento de Fermi-Segre en 1938, y entre los productos de la reacción identificaron bario, Ba, lantano, La, y cerio, Ce, todos ellos elementos cuya masa atómi­ ca es de un poco más de la mitad de la masa atómica del uranio. Hahn y Strassmann con­ cluyeron acertadamente ¡que el átomo de uranio se había dividido! En esta reacción no era cuestión de haber arrancado un pequeño fragmento (una partícula alfa o beta, por ejemplo) al núcleo original, sino que el núcleo se había partido; se había dividido en dos fragmentos principales por un proceso conocido denominado fisión nuclear. Hahn se hallaba perplejo ante estos descubrimientos y los dejó en manos de Lise Meitner (1878-1968), una judía austríaca que había trabaj ado con él en Berlín (Fig. 18.18). I Meitner huyó a Suecia cuando Alemania se anexó Austria en 1938, y fue allá donde recibió la noticia de Hahn acerca de la división de los átomos de uranio. Ella y su sobrino, Otto Frisch, un estudiante de licenciatura de la Universidad de Copenhague que estaba de visita con ella durante la temporada de Navidad, calcularon la energía asociada con la fisión del uranio, y encontraron que era varias veces mayor que la de cualquier reacción nuclear conocida hasta entonces. Más aún, la fragmentación originaba la libera­ ción de más neutrones, los cuales podían dividir otros átomos de uranio y producir canti­ dades enormes de energía (Fig. 18.19). La noticia de estos trascendentales descubrimientos llegó a Estados Unidos por boca de Niels Bohr (1885-1962), el físico danés conocido por su teoría cuántica de la estructu­ ra electrónica de los átomos. Fermi y su esposa, que era judía, ya se hallaban en Estados Unidos, pues habían aprovechado su viaje a Estocolmo, Suecia, para recibir el Premio Nobel de Física de 1938 para huir de la Italia fascista y refugiarse en Estados Unidos. Los científicos comprendieron muy pronto que se podían obtener enormes cantidades de energía de la fisión del uranio. Leo Szilard (1898-1964) —un brillante físico judío-hún­ garo que había abandonado Alemania en uno de los últimos trenes antes de que se cerraran las fronteras de país— había ideado el concepto de que los neutrones liberados por la fisión de un átomo podrían provocar la fisión de otros átomos de uranio y poner en marcha una reacción en cadena (Fig. 18.20). Si tenía la rapidez suficiente, este proceso podía producir una bomba de una tremenda fuerza explosiva. Aunque Lord Rutherford —conocido por su descubrimiento del núcleo— había dicho a Szilard que una reacción nuclear en cadena era imposible, Szilard visitó a Fermi y comentó sus ideas con él. I Conscientes de las fuerzas destructivas que se podrían generar, y preocupados por que Alemania pudiese perfeccionar una bomba de esta naturaleza, Fermi y Szilard convencie­ ron a Einstein de escribir una carta al presidente Franklin D. Roosevelt para hacerle ver la

Figura 18.19 Divisiónd eu ná tomo deu ranio.L osn eutronesp roducto dee staf isiónp uedend ividiro tros átomos de uranio y de este modo manteneru nar eaccióne nc adena. La división de un átomo de uranio-235g enera8 .90 X 10~15kWh (3.20 X 10~14kJ) de energía. La fisión de un mol de uranio-235 (6.02 X 1023 átomos)p roduce 5 300 000 kWh (1.91 X 1010kJ) dee nergía. importancia de este descubrimiento. Luego de una demora considerable, el gobierno esta­ dounidense puso finalmente en marcha un gigantesco proyecto de investigación para el estudio de la energía atómica, cuyo nombre en clave era Proyecto Manhattan. Era nece­ sario obtener y purificar uranio para el proyecto, y en Estados Unidos había sólo una cantidad muy pequeña del metal (menos de 60 gramos). Se eligió a la Mallinckrodt Company de San Luis para que extrajese el uranio de menas obtenidas de Canadá y del Congo Belga. Pero no bastaba con disponer de uranio puro; además había que separar los isóto­ pos, porque sólo el isótopo uranio-235, relativamente escaso, es fisionable. Contar con suficiente uranio-235 era sólo una parte del problema. Era necesario redu­ cir la rapidez de los neutrones liberados por el uranio-235 mediante un moderador a fin de aumentar la probabilidad de ser capturados por otros núcleos de uranio antes de la fisión. El agua pesada sería un buen moderador —y los científicos de Alemania tenían acceso a agua Figura 18.20 Representación esquematizadad eu nar eacción nucleare nc adena.L osn eutrones liberados en la fisión de un núcleo de uranio-235 pueden golpear otros núcleos y provocar con ello su división y la emisión de más neutrones.P aras implificare l dibujo, no se muestran los fragmentosd el af isión.

a

I Oak Ridge El general Leslie R. Groves adquirió terrenos montañosos sem isilvestres de los A palaches cerca de Knoxville, Tennessee, y de la región conocida como G reat Sm oky Mountains, para utilizarlos en el Proyecto Manhattan. A h í se construyeron instalaciones para separar los isótopos de uranio, junto con una nueva ciudad a la que se dio el nombre de O a k Ridge (Sierra de los Robles) debido a lo abrupto del terreno local.

I Conexión con el mundo real La difusión gaseosa es el procedim iento que se emplea hoy en día para producir la mayor parte del uranio enriquecido del mundo. Las centrales nucleoeléctricas necesitan uranio enriquecido con un contenido de alrededor del 3 % de uranio-235. H. C . Urey, el químico esta dou ni den se que ideó el pro ce so de difusión gaseosa, había recibido el Premio Nobel de Física de 1934 por haber descubierto el isótopo conocido como deuterio.

pesada separada del agua de mar en una fábrica situada en Noruega—, pero no estaba dis­ ponible en Estados Unidos. En su lugar, Fermi y su grupo de científicos de primer nivel, concentrados en la Uni­ versidad de Chicago, optaron por utilizar largas barras de grafito como moderador para re­ tardar los neutrones. Trabaj ando en las canchas de squash debaj o de las graderías de un campo de fútbol americano abandonado (Stagg Field) de la Universidad de Chicago, em­ prendieron la producción de una reacción nuclear regulada. Luego de practicar orificios en estas barras de grafito y de llenarlos con terrones de uranio del tamaño de un huevo, el equi­ po de Fermi formó con las barras una pila compacta. Una y otra vez ensamblaron nuevas y mejores pilas con el mejor uranio disponible colocado lo más cerca posible del centro de la pila, la cual estaba atravesada por barras de control de cadmio metálico, que absorbe neu­ trones. Estas barras se podían extraer o introducir en la pila para regular los neutrones y la velocidad de la reacción. Por fin, el 2 de diciembre de 1942, bajo la dirección de Fermi, se consiguió la primera reacción nuclear continua. No es fácil obtener suficiente cantidad del isótopo fisionable uranio-235 para cons­ truir una bomba. De cada 5000 toneladas de mena de uranio se obtienen sólo alrededor de 10 toneladas de uranio metálico puro, y únicamente un 0.7% de este metal es uranio-235. Para hacer una bomba, es necesario enriquecer el uranio ordinario hasta un contenido de alrededor del 90% de uranio-235. Este enriquecimiento se llevó a cabo con lentitud en unas instalaciones aisladas de alta seguridad situadas en Oak Ridge, Tennessee. I No era posible separar los isótopos mediante reacciones químicas porque su com­ portamiento químico es casi idéntico. La separación se logró, en cambio, convirtiendo el uranio en el compuesto volátil hexafluoruro de uranio, UF 6. Las moléculas gaseosas de UF 6 que contienen el isótopo uranio-235 son un poco más ligeras y se desplazan un poco más rápidamente que las moléculas que contienen el isótopo uranio-238. Sobre la base de estas diferencias, Harold C. Urey, de la Universidad Columbia, ideó un complicado pro­ ceso de difusión gaseosa que permitía a los gases atravesar consecutivamente miles de agujeros muy pequeños. Poco a poco, las moléculas que contenían uranio-235 adelanta­ ban a las demás. Finalmente, los científicos obtuvieron 15 kg del isótopo uranio-235 se­ parado, suficiente para construir un pequeño artefacto explosivo. I En tanto se llevaba a cabo la tediosa labor de separar los isótopos de uranio en Oak Ridge, otros científicos, bajo la dirección de Glenn T. Seaborg de la Universidad de Ca­ lifornia en Berkeley, abordaron el problema de obtener material fisionable por otro cami­ no. Habían estado bombardeando uranio-238 con neutrones para obtener muestras de un nuevo elemento (el elemento 93) llamado neptunio, Np, cuya vida media es corta. Sea­ borg predijo que se podrían encontrar rastros del elemento 94 en los productos de desin­ tegración del neptunio y, luego de un arduo trabajo, consiguieron obtener e identificar una muestra pequeñísima del elemento 94, al que Seaborg dio más tarde el nombre de plutonio, Pu. (Las vidas medias se muestran debajo de las flechas de las ecuaciones.) 292U + 0 n -----------> 292U 29 2 u ------> 233Np + _0e 23.5 min

293Np------ > 239Pu + _?e 2.35 días

El isótopo plutonio-239 resultó ser fisionable y, por consiguiente, podía servir para hacer una bomba atómica. Para producir este plutonio se construyeron varios reactores grandes cerca de Hanford, Washington. Para queun material fisionable pueda sostener una reacción en cadena, es necesario reunir una cierta cantidad mínima, llamada masa crítica. Espreciso que haya suficientes núcleos fisionables para que los neutrones liberados en un proceso de fisión tengan una buena posibilidad de ser capturados por otro núcleo fisionable antes de que escapen de la masa. En el caso del uranio-235, la masa crítica es de 4 kg aproximadamente, una masa del tamaño de una pelota de béisbol. Para construir una bomba se utilizan masas individua­ les más pequeñas. Estas masas subcríticas se juntan luego enérgicamente para iniciar la reacción en cadena sin control de una explosión nuclear.

La tarea de construir las primeras bombas de uranio y plutonio quedó bajo la direc­ ción de J. Robert Oppenheimer, un brillante físico con extraordinarias dotes de liderazgo de la Universidad de California en Berkeley, quien encabezaría el proyecto en una nueva ciudad que se construiría en Los Álamos, Nuevo México. Para julio de 1945 ya se había fabricado el plutonio suficiente para ensamblar una bomba. La primera bomba atómica se ensayó en el desierto cerca de Alamogordo, Nuevo México, el 16 de julio de 1945. El calor de la explosión vaporizó la torre de acero de 30 m de altura sobre la que se había colocado la bomba, y fundió la arena de un área de varios miles de metros cuadrados en torno al lugar de la explosión. La luz emitida fue la más brillante jamás vista hasta enton­ ces por un ser humano. Varios de los científicos quedaron tan aterrados por la fuerza de la detonación que se opusieron a que se utilizase contra Japón. Leo Szilard fue quizá el más categórico al expre­ sar su oposición al uso de armas nucleares. Hizo circular una petición entre los científicos del Proyecto Manhattan protestando contra el inminente uso de la bomba. Asimismo, en­ tregó de propia mano un documento a la Casa Blanca en el que argumentaba contra el uso de las bombas atómicas, alegando que incluso una demostración de su uso “precipitaría una carrera por la producción de estos dispositivos entre Estados Unidos y Rusia”. La campaña de los preocupados científicos no tuvo éxito. El temor a un amplia­ mente publicitado “fiasco” y el deseo de evitar millones de bajas adicionales llevó al presidente Harry S. Truman a ordenar la utilización de la nueva arma contra, según su diario, “objetivos militares ... y no sobre mujeres y niños”. Sin embargo, luego de que los japoneses se negaran a responder a la rendición incondicional que exigía la Declara­ ción de Potsdam, se cargó una bomba de uranio de 3.6 toneladas métricas, llamada “Big Boy”, en un B-29 cuyo piloto habría de ser el coronel Paul Tibbets. I El avión de 58 to­ neladas llevaba un sobrepeso de más del 10% al recorrer con estruendo la pista, y consi­ guió elevarse finalmente en el último punto de despegue posible para emprender un vuelo redondo de 12 horas. La bomba que estalló sobre Hiroshima en la mañana del 6 de agos­ to de 1945 tuvo un rendimiento equivalente a 11 250 toneladas de TNT (Fig. 18.21) y oca­ sionó más de 100 000 muertes. Tres días después, se dejó caer sobre Nagasaki una bomba de plutonio, llamada “Fat Man”, con resultados similares. La Segunda Guerra Mundial concluyó con la rendición de Japón el 14 de agosto de 1945. Los acontecimientos científicos y políticos aquí descritos estremecieron el planeta y apuntan hacia un principio fundamental: la ciencia, la política y la civilización se entrete­ jen. El hilo que mantiene unida la civilización es el reconocimiento de nuestra vulnerabili­ dad básica. Aunque a veces se culpa a los científicos por la amenaza nuclear, atribuir esa culpa a los científicos es como culpar al mensaj ero por el mensaj e. Otto Hahn y Fritz Strassmann no inventaron la fisión nuclear; sólo la descubrieron. De modo análogo, Edwin L. Drake no inventó el petróleo, pero su pozo petrolero de 1859 cerca de Titusville, Pennsylvania, transmitió el mensaje de su disponibilidad. Nuestra existencia futura de-

I Enola Gay El coronel Tibbets mandó pintar el nom bre de su madre, Enola Gay, en el costado del avión pocas horas antes del histórico vuelo hacia Hiroshima. El B -29 que transportó esa bomba atómica fue restaurado en los años noventa por la Sm ithsonian Institution, en medio de una controversia y de sentim ientos contradictorios.

Figura 18.21 Nube en forma de hongopr oductode una e xplosión nuclear.

pende de que escuchemos a los mensajeros y los mensajes del pasado y del presente, y de que tomemos decisiones responsables que influyan en la calidad de vida en el futuro.

EJEM PLO 18.11 Con base en lo expuesto en esta sección, escribe uno o más enunciados pertinentes acer­ ca de los conceptos que siguen. (a) uranio-235 (b) aguap esaday b arrasd ec arbono (c) cadmiom etálico (d) uranioe nriquecido (e) masacrítica SOLUCIÓN (a) Elu ranio-235e su ni sótopof isionable. (b) El agua pesada y las barras de carbono son moderadores que sirven para reducir lav elocidadd el osn eutrones. (c) El cadmio metálico se emplea en las barras de control que absorben neutrones. (d) Elu ranioe nriquecidoc ontienem ásu ranio-235q uee lu ranioo rdinario. (e) La masa crítica es la cantidad de un isótopo fisionable que se requiere para soste­ ner una reacción en cadena. EJERCICIO 18.11 Describe la obra de estos tres pares de científicos: (a) Fermiy S egre, (b) Hahn y Strassmann, (c) Meitner y Frisch.

Centrales nucleoeléctricas

I Conexión con el mundo real La energía nuclear suministra hoy en día alrededor del 2 2 % de la elec tri ci dad que se con su me en Estados Unidos. Sólo la hulla (55%) suministra más energía eléctrica.

I Conexión con el mundo real A ctu alm en te se elaboran nuevos d iseños de reactores nucleares. Es de esp erar que la controversia continúe.

En Estados Unidos se han utilizado reactores de fisión nuclear para generar energía eléctrica desde 1957. En 1997 había 110 centrales nucleoeléctricas autorizadas. Estos reactores hacen posible el uso de reacciones en cadena reguladas que producen grandes cantidades de calor que se utiliza para generar electricidad. I Aunque las centrales nu­ cleoeléctricas emplean las mismas reacciones de fisión que las bombas nucleares, existen algunas diferencias importantes. 1. En las centrales nucleoeléctricas la reacción se regula insertando y extrayendo barras de control de acero que contiene boro o cadmio. Tanto el boro como el cadmio absor­ ben neutrones con facilidad y permiten regular el número de neutrones que participan en la reacción en cadena. La extracción parcial de las barras inicia la reacción en ca­ dena; la reacción se detiene introduciendo de nuevo las barras. 2. El uranio ordinario no sirve como combustible de reactores termonucleares; antes es necesario enriquecer el uranio, es decir, aumentar la concentración de uranio-235 desde el 0.7% del uranio natural hasta alrededor de 3%, para podar utilizarlo en los reactores termonucleares. 3. En los reactores de agua ligera que son de uso común en Estados Unidos, el agua ordi­ naria funciona a la vez como moderador y como líquido de enfriamiento. A fin de que el agua pueda circular a una temperatura de alrededor de 350°C sin hervir, se mantie­ ne una presión de aproximadamente 150 atm en el recipiente del reactor. I

Figura 18.22 Diagrama esquematizadod eu nac entral nucleoeléctricag eneradora dee lectricidad. El agua sobrecalentada del reactor de agua ligera (Fig. 18.22) no se utiliza directa­ mente para mover una turbina de vapor, sino que se hace circular el agua caliente en un cir­ cuito primario (un sistema cerrado de tubería) a través de un intercambiador de calor, que es el generador de vapor. El agua del recipiente del reactor no entra en contacto con el agua que se transforma en vapor ni se mezcla con ella. El vapor de agua producido de esta for­ ma se envía por el circuito secundario a la turbina que mueve un generador eléctrico. Al continuar el ciclo, se necesitan grandes cantidades de agua de río para enfriar el agua que sale de la turbina de vapor antes de que circule de regreso por el generador de vapor. Pese a los intentos de los ingenieros por construir reactores que no ofrezcan peligro, se han presentado algunos problemas. En 1979 un accidente en el que hubo una pérdida de líquido de enfriamiento en la central nucleoeléctrica de la Isla de Tres Millas, cerca de Harrisburg, Pennsylvania, liberó pequeñas cantidades de material radiactivo al ambiente. Aun­ que nadie murió ni sufrió lesiones graves, este accidente exacerbó el temor público hacia la energía nuclear. El accidente de 1986 ocurrido en Chernobyl, Ucrania, fue aún más temi­ ble. I La fusión del núcleo del reactor ocasionó la muerte inmediata de varias personas. Otras fallecieron en el transcurso de las semanas y meses siguientes debido a los efectos de la radiación. Se evacuó a miles de personas, y una extensa área permanecerá contaminada durante varias décadas. La precipitación radiactiva se extendió sobre gran parte de Europa. I Miles de personas, en particular quienes estaban cerca del lugar del accidente, corren un riesgo mucho mayor de sufrir cáncer por exposición a la radiación. En la Isla de Tres Mi­ llas, un edificio de contención retuvo casi todo el material radiactivo en su interior, pero la central de Chernobyl carecía de una estructura protectora de este tipo. En el caso de la energía nuclear, como en el de casi todas las demás formas de tec­ nología, es preciso llegar a un equilibrio. La sociedad industrializada de nuestros días de­ pende de la electricidad para el funcionamiento de las empresas y los hogares, pero la satisfacciónd ee stasn ecesidadese xiget omarc iertasd ecisionesd ifíciles. EJEM PLO 18.12 Centrales nucleoeléctricas Describe por qué no puede ocurrir una explosión nuclear dentro de un reactor de energíae léctrica. SOLUCIÓN Consultae ls egundop untoe xpuestoa lp rincipiod el as ección1 8.10.

I Conexión con el mundo real En los reactores comerciales de Estados U nidos ya no se utilizan mo de ra do res de gra fi to, pe ro mu chos reac to res ru sos to davía em plean gra fi to sin la costosa estruc tu ra de conten ción.

I Secuelas de Chernobyl El C e n tro de Investiga ción e In for ma ción so bre la Ra diac ti vi dad, con sed e en París, advirtió a las perso nas que vi si ta ban los Al pes en 1999 que todavía corrían riesgo.

UNA MIRADA CERCANA D e s e c h o s n u c l e a r e s : ¿ q u é h a c e r c o n e llo s ? En la actualidad muchas naciones aprovechan la energía nu­ clear para generar electricidad; por ejemplo, en Francia constituye la fuente de 78% de la energía eléctrica, en Bélgica 54%, en Suecia 48%, en Corea del Sur 39%, en Hungría 38% y en Estados Unidos 19%. El empleo de energía nuclear plantea el enorme desafío de cómo disponer de los desechos generados, los cuales son alta­ mente radiactivos. El combustible nuclear se constituye por pe­ queñas varillas de óxido de plutonio (de un diámetro de 1 cm, aproximadamente), las cuales se apilan unas sobre otras para formar barras largas e integrar una unidad de combustible. En promedio, la unidad debe sustituirse cada 18 meses. La unidad de combustible ya usada y los productos de desecho radiactivos se han estado acumulando durante más de 60 años, así que se cuenta con 60 000 toneladas de desperdi­ cios, que aún son radiactivos. Casi todos los residuos se guardan donde se producen. Para ello, se les introduce en bóvedas de concreto revestidas de acero, las cuales se llenan con agua, y se destinan a una planta de almacenamiento temporal en la central nuclear. En ninguna parte del mundo se han sepultado desechos nu­ cleares de forma permanente. El problema radica en encontrar sitios política y socialmente aceptables, por las consecuencias que supondría una fuga o filtración de radiactividad. Además, es difícil prever de forma exacta lo que ocurrirá en el lugar de al­ macenamiento al paso del tiempo. En Kentucky, en Maxey Flats, se sepultó plutonio en terrenos en los cuales, por estudios geológicos, se pensaba que permanecería estable por miles de años, pero en menos de 10 años parte del material radiactivo en­ terrado se había desplazado algunas decenas de metros. La solución aún no se ha definido. En Estados Unidos, se aprobó la Ley de Políticas de Desechos Nucleares, en la que se incluyó un proyecto para construir el primer depósito de ba­ sura nuclear subterráneo permanente. En 1987 se eligió la Montaña Yucca en Nevada, como un potencial sitio para consignar los residuos nucleares, dadas las estables forma­ ciones de rocas subterráneas a gran profundidad, la escasa población y la poca precipitación. El plan contemplaba preparar los desechos para sepultar­ los y dejarlos “enfriar” (es decir, permitir que disminuyera su radiactividad) durante un lapso de 7 a 10 años, en grandes es­ tanques de agua. Se consideraba que al transcurrir el tiempo, los isótopos se desintegrarían y el nivel de radiactividad se re­ ducirá al punto en que los materiales podrían manejarse con menos riesgos. Posteriormente, los desechos se encerrarían en empaques a prueba de fugas o se les transformaría en algún tipo de vidrio o roca, mediante un proceso llamado vitrifi­ cación. Aunque el material vítreo rocoso aún sería radiactivo,

tendría poca probabilidad de fugas o de filtración al entorno. Los desperdicios radiactivos vitrificados se sellarían en recipientes especiales (hechos de vidrio, acero inoxidable o concreto). De esta manera, la planta de almacenamiento man­ tendría aislados del contacto humano y del ambiente estos ma­ teriales durante el futuro cercano. No obstante, la construcción de la planta fue objeto de controversia y numerosas personas se opusieron a ella. Se pro­ gramó que entrara en funcionamiento en 2010, pero debido a diversos retrasos la fecha de inicio de funciones se ha poster­ gado hasta 2017. En otras partes del mundo también ha existido gran oposi­ ción a destinar sitios para consignar desechos nucleares. Por ejemplo, en noviembre de 2008 se registraron numerosas mani­ festaciones en contra del Zwischenlager, el lugar de depósito temporal de basura nuclear en las proximidades de Gorleben, en Alemania. Ante ello, aún prevalece el desafío de encontrar mecanis­ mos para eliminar los productos radiactivos sin demorar la resolución del problema.

En la montaña Yucca, en Estados Unidos, se planteó construir un depósito perm anente de desecho s nucleares, sin embargo, el proyecto ha sido severam ente cuestionado, incluso se ha prom ovido su cancelación.

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Véanse los problemas 18 .65-18 .76 .

(a) Mencionat resp roblemasa sociadosc on lasc entralesn ucleoeléctricas. (b) Menciona una ventaja muy importante de la energía nuclear con respecto a las centralesque c onsumenhu lla.

Hemos visto que los átomos muy grandes se pueden dividir, pero también es posible unir núcleos de átomos muy pequeños para formar núcleos más grandes por un proceso que se conoce como fusión nuclear. Durante la fusión se libera aún más energía que durante la fi­ sión, pero la fusión no se logra con facilidad. Se necesitan temperaturas muy altas para que los núcleos se unan. La masa que se pierde durante la fusión se libera en forma de energía. La fusión nuclear no es un fenómeno novedoso. Prácticamente toda la energía dispo­ nible en la Tierra se deriva directa o indirectamente de las reacciones de fusión termonu­ clear que se llevan a cabo en el Sol (Fig. 18.23). A la elevadísima temperatura del centro del Sol, los núcleos se fusionan y desprenden cantidades enormes de energía. Se conside­ ra que la principal reacción neta es la fusión de cuatro núcleos de hidrógeno para formar un núcleo de helio. 4 1 H ----- > 4He + 2 +0e + Energía Para hacerte una idea de cuánta energía se libera, considera esta comparación: cuando se fusiona 1 gramo de hidrógeno, se desprende una cantidad de energía equivalente a la que se produce quemando 17 000 kg de hulla. La bomba de hidrógeno, que es una bomba de fusión, utiliza una bomba (de fisión) de uranio o de plutonio para aportar la enorme cantidad de calor que se necesita para iniciar la reacción de fusión. La fusión del hidrógeno ordinario, 1H, se lleva a cabo con dema­ siada lentitud, por lo cual se utilizan los isótopos más pesados deuterio, 1H,y tritio, 1H. El intenso calor de la explosión de fisión pone en marcha la fusión de los núcleos de hi­ drógeno. 1H + 1 H ----- > 2He + ¿n El neutrón emitido divide los átomos de litio y forma más tritio. 63Li + 1 n ----- > 2He + 1H Hasta ahora, las reacciones de fusión sólo sirven para construir bombas, pero se sigue investigando la posibilidad de llevar a cabo una fusión nuclear regulada. La fusión regula­ da tendría varias ventajas con respecto a los reactores de fisión nuclear. El combustible principal (deuterio) es abundante y se obtiene fácilmente por electrólisis fraccionada del agua. Aunque sólo uno de cada 5000 átomos de hidrógeno es un átomo de deuterio, exis­ ten océanos enteros de agua con los que se puede trabajar. El problema de los residuos ra­ diactivos se reduciría al máximo. El producto final (helio) es estable y biológicamente inerte. Un escape de tritio podría constituir un problema, pues los organismos incorpora­ rían con facilidad este isótopo de hidrógeno. El tritio, 1H, que sufre desintegración beta, tiene una vida media de 12.3 años. Otro problema, que se asocia con toda generación y uso de energía, es la inevitable pérdida de parte de la energía en forma de calor, por lo que aún habría que ocuparse de la contaminación térmica. Es necesario vencer grandes dificultades técnicas para que sea posible llevar a cabo una reacción de fusión regulada que permita generar energía útil. En general, se supone que 1. Sería preciso alcanzar temperaturas de 50 a 100 millones de °C, y no existe material alguno en la Tierra capaz de soportar más de unos cuantos miles de grados. A esas temperaturas, todos los átomos perderían sus electrones, y los núcleos y electrones li­ bres formarían una mezcla llamada plasma, cuyo confinamiento requiere un campo magnético. 2. Esf orzosoq uee lp lasmaa lcanceu nad ensidads umamenteg rande. 3. Es necesario confinar el plasma a una temperatura y densidad elevadas durante el tiempo suficiente para que la reacción de fusión se lleve a cabo y se mantenga de for­ ma continua.

Figura 18.23 El Sol, con sus reaccionesd ef usiónt ermonuclear, es la fuente primaria de casi toda la energíaq ueu tilizamos.

UNA MIRADA CERCANA E n e r g ía n u c l e a r : r e to s y o p c i o n e s Los tiempos actuales son emocionantes. La meta de los alquimistas de transformar un elemento en otro ha sido alcanzada mediante la aplicación de principios científicos. Hoy en día se sintetizan tonela­ das de plutonio (número atómico, Z = 94), se producen kilogramos de neptunio (Z = 93), americio (Z = 95) y curio (Z =96), y se pre­ paran miligramos de berkelio (Z = 97) y einstenio (Z = 99). Estos elementos nuevos se utilizan en medicina, en los detectores de hu­ mo domésticos, para impulsar vehículos espaciales y para construir bombas. Se han puesto en libertad fuerzas fantásticas de la naturale­ za. Se han utilizado bombas con fines destructivos. Se genera energía eléctrica mediante reactores nucleares. La ciencia y los científicos han participado intensamente en todo ello. Con todo, es difícil creer que el mundo sería un lugar mejor si no se hubie­ sen descubierto los secretos del núcleo atómico. Una razón es que se han salvado más vidas gracias a la energía nuclear que las que han destruido las bombas nucleares, y no se han utiliza­ do bombas nucleares con fines bélicos desde 1945. Quizá es el terror de un holocausto nuclear, más que ninguna otra cosa, lo queh ai mpedidol a TerceraG uerraM undial. Las centrales nucleoeléctricas no han resultado ser la solu­ ción última de todos nuestros problemas de energía, como alguna vez se predijo. No obstante, la fisión nuclear sigue siendo, pese a numerosos problemas, una de las mejores fuentes sustitutivas de energía, y puede proveernos de energía hasta bien entrado el siglo X X I . Por encima de todo, la energía nuclear nos ofrece más opcio­ nes, pero éstas traen consigo responsabilidades aún mayores. ¿Podremos manejarlas? V________________________________________________

I Fusión fría En1989 dos científicos anunciaron que ha bían con segui do una “fusión fría” (a tem peratura ambiente), pero sus afirm aciones no han podido ser sustentadas.

I Política y financiamiento El reactor Tokam ak de Princeton fue cerrado en 1997 luego de que el C o n g re so de Estados Unidos, som etido a una fuerte presión para balancear el presupuesto federal y al no contem plar una necesidad inm ediata de disp oner de energía de fusión, redujo el financiam iento en 3 5 % .

Aproxim adam ente el 2 2 % de la energía eléctrica que se produce en Estados Unidos proviene de las 10 0 centrales nucleoeléctricas en funcionam iento q ueproducen a lrededor de 650 0 0 0 m illones de kW h de electricidad.

Las investigaciones encaminadas a la explotación de la fusión nuclear en centrales eléctricas avanza con lentitud. Se investigan dos estrategias que ofrecen ciertas posibili­ dades de éxito: (1) los reactores de fusión con láser y (2) el confinamiento magnético. I El método del láser se estudia en el Los Alamos National Laboratory de Nuevo México y en el Lawrence Livermore Laboratory de California. Estos reactores utilizan varios láseres dispuestos conforme a una distribución esférica y dirigidos hacia un punto central, donde se dejan caer pequeñas esferas que contienen deuterio y tritio. El laboratorio Livermore trabaja con Shiva, el láser más potente del mundo, pero actualmente se construye un nuevo láser. Los científicos del Livermore confían en alcanzar un punto de equilibrio (esto es, pro­ ducir tanta energía como el reactor de fusión consume) en diez o veinte años. El método de confinamiento magnético se estudia en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y en la Universidad Princeton de Nueva Jersey. En cada una de estas insti­ tuciones se construyó un Reactor de prueba de fusión Tokamak (TFTR, por sus siglas en inglés). Estos reactores utilizan un campo magnético con forma de rosquilla para confinar el plasma de modo que no entre en contacto con material alguno (Fig. 18.24). En el reactor de Princeton se ha alcanzado una temperatura de 410 millones de °C, aunque sólo por unos pocos segundos. I La fusión nuclear constituye quizá la mejor esperanza de contar con energía abundan­ te y limpia en un futuro distante. Si se consigue llevar a cabo la fusión en el laboratorio, se tendrá que construir y probar un prototipo de central nucleoeléctrica antes de construir centrales comerciales. Es poco probable que se obtenga una cantidad apreciable de ener­ gía de esta fuente por lo menos en los próximos veinte años.

Figura 18.24

E l g ig an tesco re a c to r de p ru e b a d e fu sió n T o k am ak d e la U n iv ersid ad P rin ceto n , con

fo rm a d e ro sq u illa, es u n eq u ip o d e 17 m d e alto y 12 m d e d iám etro q u e u tiliz a u n cam po m a g n é tic o p a ra co n fin ar u n gas io n izad o calien te (un plasm a ). U tilizan d o u n a m e z c la 5 0-50 de d eu terio y tritio, el re a c to r alcanzó u n a te m p e ra tu ra de 4 1 0 m illo n es d e °C y g en eró u n a can tid ad sin p reced en tes d e 9 M W (9 m illo n e s d e w atts) e n 1994, luego d e h ab er estab lecid o e l réco rd d e en erg ía an terio r d e 6 M W e n 1993. E stos réco rd s son im p resio n an tes, p ero e l re a c to r g en eró m en o s en e rg ía d e la q u e co n su m ió , y sólo p u e d e fu n cio n ar d u ran te unos seg u n d o s c a d a vez. S e co n sid era q u e faltan to d av ía u n o s 40 años p a ra q u e la en erg ía d e fu sió n esté d isp o n ib le e n esc a la com ercial.

EJEM PLO 18.13

Energía de fusión

Cita (a) dos ejemplos de reacciones de fusión nuclear no regulada y (b) dos estrategias ques ee stána plicandop arap erfeccionarl af usiónn uclear regulada. SOLUCIÓN (a) Se lleva a cabo una fusión no regulada en el Sol y en las bombas de hidrógeno. (b) Las estrategias para la fusión regulada incluyen la fusión con láser y el confinamientom agnético. EJERCICIO 18.13 (a) Citad osp roblemasi mportantesq uep lanteal af usiónn uclearr egulada. (b) ¿Cuál es la conexión política y el problema que surge en torno a la energía de fusión?

Resumen del capítulo Alrededor de 80 de los aproximadamente 350 isótopos o núclidos de origen natural son ra­ diactivos. Todo isótopo radiactivo es inestable y emite radiación espontáneamente desde su núcleo. Los tipos de radiación que se emiten son (1) partículas alfa, 4H, donde el número ató­ mico del núcleo original disminuye en 2 y el número de masa disminuye en 4 unidades; (2) partículas beta, _?e, donde el número atómico del núcleo original aumenta en 1 unidad y el número de masa no cambia; y (3) radiación gamma de alta energía, y, que no tiene masa ni carga. Los rayos gamma se emiten en muchos casos junto con partículas alfa o beta cuando un núcleo regresa a un estado más estable, en contraste con los rayos X, que se producen al ocurrir ciertas transiciones de electrones entre niveles de energía. El tiempo que debe transcurrir para que se desintegre la mitad de una muestra específi­ ca de un isótopo radiactivo es su vida media. La fracción restante de la muestra original des­ pués de un cierto número de vidas medias, n, es igual a 1/( 2n). Cuando el isótopo de un elemento se desintegra, se forma un isótopo de otro elemento; es decir, un tipo de átomo se transforma en otro. Una ecuación nuclear representa los cambios que se llevan a cabo. En las ecuaciones nucleares las partículas se representan en la forma AX, a fin de indicar el número atómico (o carga nuclear), Z, y el número de masa, A, de la partícula. Al balancear una ecuación nuclear, las sumas de los números de masa de cada partícula (los supraíndices) de cada lado de la ecuación deben ser iguales, como también deben serlo las sumas de las cargas nucleares (los subíndices) de cada lado de la ecuación.

Véanse los problemas 18 .77 -18 .80.

Al bombardear los núcleos de ciertos elementos con diversos tipos de partículas se produ­ cen otros elementos: un tipo de átomo se transforma en otro. El proceso recibe el nombre de transmutación artificial porque el cambio no habría ocurrido de forma natural. El trabajo con reacciones nucleares de este tipo dio lugar al descubrimiento de varias partículas subatómicas y a la síntesis de 23 elementos transuránicos. La transmutación artificial también permite preparar radioisótopos para aplicaciones industriales y médicas. Es frecuente el uso de radioisótopos como marcadores en la investigación científica, la in­ dustria y la medicina. La radiación nuclear se utiliza en el campo de la medicina como auxiliar para el diagnóstico y tratamiento de ciertas enfermedades. Algunos ejemplos son el uso del yodo-131 en el diagnóstico y tratamiento de trastornos de la tiroides, del cobalto-60 en la terapia del cáncer, y el tecnecio-99m y el gadolinio-153 en diversas pruebas diagnósticas. Cuando se bombardean con neutrones con el contenido de energía apropiado, ciertos nú­ cleos inestables (uranio-235 o plutonio-239) sufren fisión. Después de absorber un neutrón, el núcleo fisionable se divide en dos núcleos de tamaño mediano y dos o más neutrones. Este pro­ ceso libera, además, cantidades enormes de energía. Si se reúne cierta cantidad mínima —una masa crítica— de un isótopo fisionable, se inicia una reacción en cadena que continúa por sí sola. En una bomba de fisión la reacción en cadena no está regulada. En las centrales nucleoeléctricas, la reacción se regula mediante barras de control que absorben neutrones. La concen­ tración de uranio-235 es pequeña (enriquecida hasta alrededor del 3%) para las centrales nucleoeléctricas, pero es muy grande (enriquecida hasta aproximadamente 85 o 90%) para las bombas de fisión. Durante la fusión nuclear se unen núcleos pequeños, como deuterio y tritio, por ejemplo. Las reacciones de este tipo liberan aún más energía que la fisión. Hay fusión nuclear no regula­ da en el Sol y en las bombas de hidrógeno. Aún no se consigue la fusión nuclear regulada, pero las investigaciones continúan. La química nuclear ha adquirido una enorme importancia en el campo de la medicina; ha hecho aportaciones considerables a la industria y a la agricultura. Es difícil que alguna faceta de la vida humana haya permanecido ajena a los adelantos de la ciencia nuclear. Los acontecimien­ tos históricos que se describen en este capítulo también ponen de relieve el hecho de que el conocimiento no está limitado a una nación o grupo. Cuando personas de diferente formación colaboran, es mucho lo que se puede lograr. Más aún, la ciencia no se sostiene por sí sola: la resolución de los problemas más importantes de la era actual depende de nuestra capacidad para combinar los negocios, la ciencia, la política y los valores humanos. E v a lú a t u c o m p re n s ió n : r e p a s o y a u to e v a lu a c ió n 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10 . 11.

Balanceae cuacionesn ucleares.[ 18.1] Describel asc aracterísticasd el ar adiacióna lfa,b etay g amma.[ 18.1] Efectúac álculosc onv idasm ediasy f raccionesr estantesd em uestras.[ 18.2] Explica las diferencias de significado del curie, el roentgen, el rad y el rem. [18.3] Describel ar adiacióni onizantey c ómos ed etecta.[ 18.4] Describe la radiación de fondo y las fuentes que contribuyen a ella. [18.5] Describe la transmutación y cita ejemplos de ella. [18.6, 18.7] Cita ejemplos de usos médicos y de otros tipos de los radioisótopos. [18.8] Describe los acontecimientos principales en torno al descubrimiento de la fisión nuclear.[ 18.9] Explica por qué las centrales nucleoeléctricas no pueden explotar como bombas nu­ cleares. [18.10] Compara la fisión nuclear con la fusión nuclear. [18.10, 18.11]

T é rm in o s c la v e barras de control [18.9] contadorG eiger[ 18.4] curie[ 18.3] desintegracióna lfa[ 18.1] desintegraciónb eta[ 18.1] desintegracióng amma[ 18.1]

desintegracionesp ors egundoisótopo [ 18.1] [18.3] marcadores[ 18.8] ecuaciónn uclear [ 18.1] masac rítica[ 18.9] fisiónn uclear[ 18.9] moderador[ 18.9] fusiónn uclear[ 18.11] núclido[ 18.1] irradiar[ 18.8] partículaa lfa[ 18.1]

partículab eta[ 18.1] plasma[ 18.11] po sitrones [ 18.7] rad [18.3] radiaciónd ef ondo[ 18.5] radiacióni onizante[ 18.3]

radiactividadn atural[ 18.1] radioisótopo [ 18.2] rayosg amma[ 18.1]

rayos X [18.1] reaccióne nc adena[ 18.9] rem [18.3]

R adiactividadn atural 1 8 .1 Aproximadamente, ¿cuántos isótopos están presentes en la naturaleza? ¿Cómo es posible que este número sea mayor que el número de elementos que aparecen enl at ablap eriódica? 1 8 .2 Aproximadamente, ¿cuántos isótopos de origen natural son radiactivos? 1 8 .3 Con base en la forma AZX, escribe el símbolo de una partícula beta. Muestra la letra griega con la que tambiéns er epresental ar adiaciónb eta. 1 8 .4 Con base en la forma AZX, escribe el símbolo de una partícula alfa. Muestra la letra griega con la que tambiéns er epresental ar adiacióna lfa. 1 8 .5 Con respecto a la desintegración alfa, explica lo que le ocurre al número atómico y al número de masa del nú­ cleo original. Consulta la figura 18.1. 1 8 .6 Con respecto a la desintegración beta, explica lo que le ocurre al número atómico y al número de masa del nú­ cleo original. Consulta la figura 18.2. 1 8 .7 Durante la desintegración alfa, el número atómico dis­ minuye e n _____y el número de masa disminuye e n _____. 1 8 .8 Durante la desintegración beta, el número atómico _____y el número de masa_____ . 1 8 .9 Describe los rayos gamma: su masa, carga y fuente. 1 8 . 1 0 ¿En qué aspectos se asemejan los rayos gamma y los rayosX ?¿ Enq uéa spectoss ond iferentes? 1 8 . 1 1 Con base en la forma 'X , donde Z = número atómico, A = número de masa y X = símbolo de la partícula, es­ cribe los símbolos nucleares de a. uni sótopoc on Z = 53y A = 131 b. tritio (hidrógeno3 ) c. unn eutrón d. radón-222 1 8 . 1 2 Con base en la forma 'X , donde Z = número atómico, A = número de masa y X = símbolo de la partícula, escribe los símbolos nucleares de a. uni sótopoc on Z = 27y A = 60 b. protio( hidrógeno-1) c. uranio-235 d. radio-226 1 8 . 1 3 Con base en la forma ' X, escribe los símbolos nuclea­ res de a. una partícula beta b. hierro-56( nor adiactivo) c. hierro-59( radiactivo) d. carbono-14

roentgen[ 18.3] transmutación[ 18.1] transmutacióna rtificial[ 18.6]

1 8 .1 4

1 8 .1 5

Con base en la forma ' X, escribe los símbolos nuclea­ res de a. deuterio (hidrógeno-2) b. potasio-39( nor adiactivo) c. potasio-40( radiactivo) d. fósforo-32 ¿Cuál o cuáles de los pares siguientes representan isóto­ pos de un mismo elemento? a. 28X y 66X b. 8Xy4X c. 151Xy123X

1 8 .1 6

¿Cuál o cuáles de los pares siguientes representan isóto­ pos de un mismo elemento a. 70X y 70X b. 186Xy174X c. 12Xy44X

1 8 .1 7

1 8 .1 8

1 8 .1 9

d. 26x y 56x

d. 15X y 17X

El polonio, un elemento radiactivo natural que emite partículas alfa, fue descubierto en 1898 por Marie Curie, quien le dio ese nombre en recuerdo de su país natal. Escribe una ecuación nuclear balanceada de la desintegración alfa del 2^Po. ¿Qué elemento produce estad esintegración? El ra dio es un elemento ra diac tivo natural que fue descubierto por Marie y Pierre Curie. Escribe una ecuación nuclear balanceada de la desintegración alfa del ^ R a . ¿Cómo se explica la presencia de radón-222 en las casas? Completal ase cuacionesn uclearess iguientes. tt a. 238 230Th + ? 92U b. 230Th - --- > 231Pa + ? c. 231Pa - ---> 232u + ? d. 232u 230Th + ?

1 8 .2 0

Completal ase cuaciones n a. 214Pb 82Pb - --- > 213Bi + ? 214 r ; ---> b. 83Bi 214Po + ? Po 28 102Pb + ? c. 214 --> 84Po 10 d. 28 2Pb Pb -- --- > 28103Bi + ?

1 8 .2 1

Considera las radiaciones alfa, beta y gamma. ¿Cuál o cuálesa travesaríanu nal áminad ea luminio? Considera las radiaciones alfa, beta y gamma. ¿Cuál o cuálesa travesaríanu nah ojad ep apel? ¿Contra qué tipo de radiación, las pesadas partículas al­ fa o los rayos gamma carentes de masa, bastaría un par de guantes de caucho para proteger las manos? ¿Contra qué tipo de radiación, alfa, beta o gamma, se necesita como protección un blindaje pesado de plomo?

1 8 .2 2 1 8 .2 3

1 8 .2 4

Vidam edia 1 8 .2 5

1 8 .2 6

1 8 .2 7

1 8 .2 8

1 8 .2 9

1 8 .3 0

1 8 .3 1

1 8 .3 2

1 8 .3 3

1 8 .3 4

C. E. Bemis y sus colegas del Oak Ridge National La­ boratory confirmaron la síntesis del elemento 104, cuya vida media es de 4.5 s. En los ensayos se crearon sólo 3000 átomos del elemento. Indica el número de átomos restantes al cabo de 4.5 s y de 9.0 s. La absorción intestinal de hierro se estudia por medio del hierro-59. Si en el momento de adquirir este isótopo se tienen 6.0 g de él, ¿cuántos gramos del isótopo esta­ rán presentes al cabo de 90 días? ¿Cuántos gramos quedarán al cabo de 135 días? La vida media del hierro 59 es de 45 días. La materia viva tiene un contenido de carbono-14 que produce 16 cuentas por minuto por gramo de carbono. ¿Cuál es la antigüedad de un artefacto cuyo carbono-14 produce 4 cuentas por minuto por gramo de carbono? La vida media del 164C es de 5730 años. ¿Qué antigüedad tiene una botella de vino cuya activi­ dad de tritio es el 25% de la actividad de un vino nue­ vo? La vida media del tritio es de 12.3 años. El criptón-81mse utiliza en estudios de ventilación pul­ monar. ¿Cuánto tiempo debe transcurrir para que la ac­ tividad de este isótopo descienda a un cuarto de su va­ lor original? El yodo-131 se utiliza en el diagnóstico y tratamiento del cáncer de tiroides. Su vida media es de 8.0 días. ¿Cuánto tiempo debe transcurrir para que la actividad de este isótopo descienda a un octavo de su valor original? ¿Cuántos días después de la emisión de grandes canti­ dades de yodo-131 durante el desastre nuclear de Cher­ nobyl de 1986 descendió la actividad al 12.5% (1/8) de su valor inicial? La vida media del yodo-131 es de 8.04 días. ¿Cuántos días después de la emisión de grandes can­ tidades de yodo-131 durante el desastre nuclear de Chernobyl de 1986 descendió la actividad al 3% (1/32) de su valor inicial? La vida media del yodo-131 es de 8.04 días. Cierto procedimiento médico utiliza 176 mg de tecnecio-99m, cuya vida media es de 6.0 horas. ¿Cuántos miligramosr estana lc abod e2 4h oras? Cierto procedimiento médico utiliza 140 mg de tecnecio-99m, cuya vida media es de 6.0 horas. ¿Cuántos mi­ ligramos restan al cabo de 18 horas?

Unidadesy d etectores de radiación 1 8 .3 5 1 8 .3 6

1 8 .3 7

¿Por qué es peligrosa la radiación ionizante para los se­ res vivos? ¿Cuántos rads matarían a casi cualquier persona? ¿Cuán­ tos rads al año recibe en promedio una persona debido a las radiografías médicas y dentales? Nombra un tipo de detector que sirve para registrar la cantidad total de radiación recibida por una persona a lo largo de un periodo determinado (como un mes, por ejemplo).

1 8 .3 8

Nombra un tipo de instrumento que sirve para detectarl ar adiacióni onizante.

R adiación d e f ondo 1 8 .3 9 1 8 .4 0 1 8 .4 1

1 8 .4 2 1 8 .4 3

1 8 .4 4

1 8 .4 5 1 8 .4 6

1 8 .4 7 1 8 .4 8

1 8 .4 9

1 8 .5 0

De los alrededor de 350 isótopos de origen natural, ¿cuán­ tos son radiactivos, aproximadamente? Nombra cuatro elementos que tienen isótopos de origen natural. El recuadro “El radón-222 en la vida diaria” indica que el radón-222 es motivo de mayor preocupación que los otros dos isótopos de radón. Explica por qué. Describe la relación entre el consumo de cigarrillos, el radón-222 y el cáncer pulmonar. La figura 18.9 muestra la serie de desintegración del uranio-238. ¿Cuál es la vida media del uranio-238, y qué tipo de partículas emite? ¿Qué elemento se produce durante la desintegración? Con base en la figura 18.9, indica la vida media del uranio-234. ¿Qué tipo de partículas emite? ¿Qué elemento se produce durante la desintegración? Con base en la figura 18.9, menciona un isótopo no ra­ diactivo de plomo. ¿Cómo se forma? Con base en la figura 18.9, menciona dos isótopos ra­ diactivos de plomo. ¿Qué tipo de desintegración sufre cada uno de ellos? Menciona cuatro fuentes de radiación de fondo natural (consulta la figura 18.10). La figura 18.10 muestra que el 18% de la radiación de fondo proviene de fuentes sintéticas. ¿Qué porcentajes son atribuibles a las radiografías médicas, a la medicina nuclear y a los productos de consumo? Los niveles de radón-222 pueden llegar a ser demasiado elevados en algunas viviendas. ¿Cuál es la vida media del radón-222? ¿Qué tipo de radiación emite el radón-222?

Transm utación y radiactividadi nducida 1 8 .5 1 1 8 .5 2

1 8 .5 3

Escribe una ecuación nuclear balanceada de la emi­ sión de un positrón por el azufre-31. A una persona se le administra una pequeña cantidad de un isótopo emisor de positrones antes de practicarle un examen por TEP. Escribe una ecuación nuclear balan­ ceada de la emisión de positrones por el carbono-11. Con el propósito de llevar a cabo reacciones de trans­ mutación se emplean diversos tipos de partículas para bombardear átomos. Completa las ecuaciones siguien­ tes quer epresentant ransmutaciones. a. ^ S m + Jn -----> 2 Jn + ? b. 3Li + 1H -----> ¡Be + ? c. ^ P d + 2He -----> ? + 1H

1 8 .5 4

Con el propósito de llevar a cabo reacciones de trans­ mutación se emplean diversos tipos de partículas para

1 8 .5 5

bombardear átomos. Completa las ecuaciones siguientesq uer epresentant ransmutaciones. 4 2He + ? a. 105B + 0 1n 13C + ? b. 26c + 2h

Fisióny fusión nucleares

c. 151Sb + ?

1 8 .6 7

152Te

0n

1 8 .6 6

Completa las ecuaciones siguientes para mostrar qué elemento transuránico se produce durante el bombardeod eln úcleoo bjetivo. 0e + ? a. 234Pu + 0n —

1 8 .6 8

b. 234Pu + 4He -

1 8 .6 9

c. 245Am -M He

^

¿n + ? 2 0n + ?

d. ^ C m + 4He -----> Jn + ? 1 8 .5 6

1 8 .6 5

Completa las ecuaciones siguientes para mostrar qué elemento transuránico se produce durante el bombardeod eln úcleoo bjetivo. a. 238U + -----> 6 0n + ? 4 0n + ? b. 232U - 6O 8o c. 259Es 42He ^ 0n + ? d. 296Cm + 1¿C

4 0n + ?

1 8 .7 0

1 8 .7 1 1 8 .7 2

1 8 .7 3

Usos prácticosd e algunosr adioisótopos 1 8 .5 7 1 8 .5 8

1 8 .5 9

1 8 .6 0

1 8 .6 1 1 8 .6 2 1 8 .6 3 1 8 .6 4

¿Cómo se utiliza el yodo-131 radiactivo con fines de diagnóstico para obtener un fotoexamen de la tiroides? El yodo-131 radiactivo se emplea con fines terapéuticos para el tratamiento del cáncer de tiroides. ¿Qué le ocurre a las células cancerosas de la tiroides? Menciona dos ejemplos del uso de otros radioisótopos además del yodo-131 para el tratamiento (terapia) de en­ fermedades. Menciona dos ejemplos del uso de otros radioisótopos además del yodo-131 como herramientas de diagnós­ tico en medicina. Los alimentos que se exponen a la radiación ¿son ra­ diactivos? ¿Có mo ayuda a conser var los alimentos la prác tica de irradiarlos? Citau nu sop rácticod ela mericio-241. Menciona una forma de utilizar el plutonio-238, isótopo de un elemento transuránico, para ayudar a las personas.

1 8 .7 4

1 8 .7 5

1 8 .7 6 1 8 .7 7 1 8 .7 8 1 8 .7 9 1 8 .8 0

¿Qués ignifical ae xpresión masac rítica? La densidad del uranio es de 19 g/cm3. ¿Qué volumen ocupa una masa crítica de 8.0 kg de uranio? ¿Cuál es la función de las barras de control en los reacto­ res nucleares? ¿Cómo se manipulan las barras de con­ trol en un reactor nuclear? ¿Cuál es la función de las barras de control en los reac­ tores nucleares? ¿Cómo se manipulan las barras de con­ trol enu nr eactorn uclear? ¿Qué partículas subatómicas producen la cadena de reacciones que son características de la fisión nuclear? Para que se efectúe una reacción en cadena, ¿cómo de­ be ser el número de neutrones capturados por un átomo fisionable en comparación con el número de neutrones liberados durante la fisión? ¿Cuál es el único isótopo de origen natural que sufre fisión? Se descubrió que uno de los primeros elementos sintéti­ cos también tiene un isótopo fisionable. ¿Cómo se llama este elemento? Cuando Fermi y Segre bombardearon uranio con neu­ trones^ quép ensaronq ueh abías ucedido? Cuando dos químicos alemanes, Hahn y Strassmann, repitieron el experimento de Fermi-Segre, identificaron bario, lantano y cerio entre los productos de la reacción. ¿Cuál fue su conclusión (correcta)? Menciona tres diferencias importantes entre una reacción de fisión en una bomba nuclear y una fisión en una cen­ tral nucleoeléctrica. Menciona tres problemas asociados con las centrales nucleoeléctricas. ¿Qué debe ocurrir durante la fusión nuclear? Mencio­ na dos casos en los que se lleva a cabo una fusión. Escribe una ecuación específica que ilustre la fusión nuclear. ¿Qué temperatura se considera necesaria para llevar a cabo laf usiónn uclear? ¿Por qué no utilizamos energía de fusión?

Estudiantes en

acción C a lc u la t u d o s is a n u a l d e ra d ia c ió n io n iz a n te Todo el mundo recibe radiación, tanto de fuentes naturales como artificiales. Algunas unidades en que se miden las radiaciones son los rem o mrem (por las siglas de Roentgen Equivalent Man) que calculan el daño biológico producido por una dosis espe­ cífica de radiación) o en sievert (Sv) en el Sistema Internacional (1 Sv = 100 rem).

A continuación se presenta una tabla de fuentes y cantidades de exposición a la radiación promedio para que calcules tu dosis anual de radiación. De acuerdo con el gobierno de Estados Unidos, el público en general puede recibir una dosis media de 170 mrem y de 500 mrem por año (cerca de tres veces la radiación de fondo natural) en todo tipo de actividades convencionales. Tabla 1. Fuentes y cantidades de exposición a la radiación promedio *Fuentes naturales * * R ad ó n (en lugares n o ventilados, sótanos o p o r fracturas en los cim ientos)

R a y o s X m é d ico s 2 00

R a d ia c ió n en la su p erficie: 1 0 0 0 m so b re el n iv e l d el m ar

Fuentes artificiales

Dosis (mrem/año)

Dosis (mrem/año)

a .R a d io g ra fía d el T ó ra x

10 m re m p o r ra d io g ra fía

c .R a d io g ra fía d e tra c to in testin a l

2 0 0 m re m p o r ra d io g ra fía

d .R a d io g ra fía d en tal

10 m re m p o r ra d io g ra fía

M a te ria l d e c o n s tru c c ió n d e la ca sa 10 m re m

2 0 0 0 m so b re el n iv e l d el m ar

3 0 m re m

3 0 0 0 m so b re el n iv e l d el m ar

9 0 m re m

a. L a d rillo o co n c re to

7 0 m re m

b. M ad era

3 0 m re m

(e s tim a el v alo r en m re m p a ra altu ras in term e d ias) S u elo R a d ia c ió n d e las ro c a s y el su elo A lim e n to s, a g u a y aire

2 6 m re m

F u m a r u n a c a je tilla d e c ig a rro s al d ía

4 0 m re m

2 8 m re m

P lan tas d e en e rg ía S i tu c a s a se h a lla a m e n o s d e 8 k m d e u n a p la n ta e lé c tric a n u c le a r o a lim e n ta d a c o n c a rb ó n

0 .3 m re m

C ó sm ic a s (v ia jes p o r aire) [p ro m e d io ]

1 m re m p o r c a d a 2 4 0 0 k m

*También llamada radiación de fondo, nadie se escapa de ella, debe ser considerada. **Para la radiación por radón, que es la de mayor porcentaje de las naturales (55%), su presencia o ausencia depende del tipo de vivienda en que se habita.

Procedim iento Con base en la tabla anterior, completa los espacios en blanco con los valores según tus actividades cotidianas. Al terminar, suma las cantidades para calcular tu dosis anual aproximada de radiación y contesta las preguntas. Nombre:

Edad:

Fuente de radiación

Sexo: M F Cantidad por año

R a d ia c ió n c o n b a se a la altitu d de tu co m u n id a d M a te ria l de c o n s tru c c ió n de tu c a sa * S u elo . R a d ia c ió n d e la s ro c a s y el su elo * A lim en to s, a g u a y aire * P re c ip ita c ió n p o r e n sa y o s de arm as n u c le a re s

4 m re m

R a d io g ra fía s m é d icas y d en tales V iajes p o r aire L o c a liz a c ió n d e tu c a s a c e rc a d e p la n ta s de e n e rg ía R a d ó n (e n lu g a res n o v en tila d o s, só tan o s, fra ctu ras en los c im ie n to s) F um ador T o ta l

*Las cantidades preestablecidas son estimadas por actividades humanas

Análisis 2.

¿Cómo es tu dosis anual de radiación comparada con la norma de 170 mrem? ___________ ¿Podrías reducir tu exposición a la radiación realizando cambios a tu estilo de vida? Explica.

3.

¿Desearías hacer esos cambios? ¿Por qué?

1.

19

Química orgánica

C O N T E N I D O 19.1

Propiedades generales de las sustancias orgánicas e inorgánicas

19.2

Alcanos: los hidrocarburos saturados

19.3

Uso de fórmulas estructurales

19.4

Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC

19.5

Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados

19.6

Hidrocarburos aromáticos

19.7

Alcoholes

19.8

Fenoles

19.9

Éteres

19.10

Aldehídos y cetonas

19.11

Ácidos carboxílicos y ésteres

19.12

Aminas y amidas

D esde los productos plásticos desechables hasta las fibras de polímero para trajes de baño, prendas de vestir elegantes y alfombras, las sustancias químicas orgánicas están en todas partes. Las botellas de plástico que aquí se muestran tienen letras y símbolos que indican su composición para fines de reciclamiento.

e conocen m ás de 24 m illones de com puestos que contienen carbono. L a q u ím i­ ca orgánica se define sim plem ente com o la quím ica de casi todos estos com ­ puestos que contienen carbono. E n cam bio, la quím ica inorgánica com prende la quím ica de todos los dem ás elem entos y de aproxim adam ente 600 000 com puestos inorgánicos. L a quím ica orgánica se refería originalm ente al estudio de los com puestos de carbono que están presentes en los organism os vivos o que son producidos p o r ellos, lo que incluye sustancias de origen ya sea vegetal o anim al. F ue necesario expandir la definición de orgánico cuando los químicos descubrieron que es factible producir ciertos com puestos orgánicos a partir de com puestos inorgánicos. Tam bién es posible sinteti­ zar m uchos com puestos orgánicos que en n ad a se parecen a los com puestos presentes enl oso rganism osv ivos.

S

U n reducido núm ero de com puestos que contienen carbono se clasifican com o com ­ puestos inorgánicos. Entre éstos se cuentan el CO, el CO2 y los com puestos que contienen el ion C O 32—, el ion bicarbonato, H C O 3—, y el ion cianuro, C N —, porque los com puestos que contienen estos iones tienen propiedades semejantes a las de otros com puestos inor­ gánicos. C asi todas las sustancias quím icas orgánicas que utilizam os se derivan de com ­ puestos presentes en el petróleo, el gas natural y la hulla, e incluyen com bustibles, fibras sintéticas, plásticos, resinas, m edicinas, m ateriales de construcción, etc. Entre los com ­ puestos orgánicos presentes en los organism os vivos están los carbohidratos, los lípidos (grasas y com puestos afines), am inoácidos, proteínas, vitaminas, horm onas y enzimas. E l uso ordinario del térm ino orgánico d a lugar a m u ch a confusión. E l fertilizante orgánico y el abono son orgánicos en el sentido original de que provienen de organis­ m os vivos. N o existe un a definición ju ríd ic a federal de los alim entos orgánicos, pero el D epartam ento de A gricultura de E stados U nidos h a form ulado una serie de norm as p a ­ ra asegurar que los alim entos rotulados com o orgánicos sean cultivados y m anejados sin utilizarp laguicidas,h orm onasn ia ditivoss intéticos( Fig.1 9.1). Por ser tan grande el núm ero de los com puestos orgánicos, éstos se agrupan en clases o familias con características estructurales y de tipos de enlaces semejantes. En este capítu­ lo se exam inarán ejem plos de una extensa variedad de importantes com puestos orgánicos.

Propiedades generales de las sustancias orgánicas e inorgánicas

(b) Figura 19.1 L a palabra orgánico tien e varios significados. (a) Los alim entos orgánicos son los que se producen sin em p lear plaguicidas, horm onas ni aditivos sintéticos. (b) L a qu ím ica org án ica es la quím ica de los com puestos de carbono: fibras sintéticas y naturales, m edicam entos

E n la tabla 19.1 se presenta una lista de algunas propiedades específicas del cloruro de so­ dio, un com puesto inorgánico, y del hexano, un com puesto orgánico. C onsidera las com ­ paraciones siguientes de las sustancias quím icas orgánicas e inorgánicas representativas. P unto de fu sió n . L os com puestos orgánicos representativos tienen puntos de fusión relativam ente bajos. M uchos de ellos, com o el hexano y el etanol (alcohol etílico), son líquidos a tem peratura am biente. E n cam bio, casi todas las sales inorgánicas tienen p u n ­ tos d e f u sión e leva dos. Solubilidad y densidad. L a m ayor parte de los com puestos orgánicos son insolu­ bles en agua pero solubles en líquidos orgánicos. (Los com puestos orgánicos polares de m asa m olar pequeña y los que form an puentes de hidrógeno fuertes son solubles en agua.) E n su m ayoría, los líquidos orgánicos son m enos densos que el agua y, al igual que ela ceite,f lotans obree llac uandos ei ntentad isolverlos. Inflamabilidad. Los com puestos orgánicos representativos son inflamables, algunos de ellos en m uy alto grado. A lgunos, com o la gasolina, p o r ejem plo, form an m ezclas explosivas con el aire y no se deben utilizar cerca de una flam a abierta. L os com pues­ tos inorgánicos representativos no son inflam ables; incluso algunos de ellos, com o el aguay e lb icarbonatod es odio,s ee m pleanp arac om batiri ncendios.

que se venden con o sin receta m édica, plásticos, com bustibles, disolventes y m uchos productos más.

T a b la 19 .1

C o m p a r a c ió n d e u n c o m p u e s to o r g á n ic o c o n u n o in o r g á n ic o Hexano (orgánico)

Cloruro de sodio (inorgánico)

F ó rm u la

C 6H 14

N aC l

S o lu b ilid a d e n ag u a

In s o lu b le

S o lu b le

S o lu b ilid a d e n g a s o lin a

S o lu b le

In s o lu b le

In fla m a b le

Sí

No

P u n to d e fu sió n

—9 5 °C

8 0 1 °C

P u n to d e e b u llic ió n

69 °C

141 3 °C

D e n s id a d

0 .6 6

E n la c e s

C o v a le n te s

g /c m

3

2.7 g / c m Ió n ic o s

3

(c ris ta le s)

E nlazam iento. L as propiedades representativas de los com puestos orgánicos están relacionados con el hecho de que se com ponen de m oléculas con enlaces covalentes. El com puesto inorgánico típico es iónico. R ecuerda que las soluciones acuosas de co m ­ puestos iónicos conducen una corriente eléctrica; en cam bio, las soluciones acuosas de sustancias m oleculares — aquéllas que tienen enlaces covalentes— , son no conductoras.

E J E M P L O 19.1

Orgánico contra inorgánico

A l investigar un aditivo p ara gasolina de autom óvil, se encontró que era inflam able y tenía un punto de ebullición bajo de 64°C. E l líquido resultó ser soluble en agua, pero no condujo una corriente eléctrica. C lasifica la sustancia com o orgánica o com o inor­ gánica. SOLUCIÓN E stas propiedades coinciden con las de m uchos com puestos orgánicos de peso m olecular pequeño. (U n análisis ulterior m ostró que la sustancia en cuestión era en efecto m etanol, C H 3OH.) E J E R C IC IO 19.1 (a) Critica este reclam o publicitario: “Com pre nuestra vitam ina C Naturalm ente Buena. E so rgánica.E sr eal.”

Véanse los problemas 19 .1 -19 .8.

(b) ¿Todas las sustancias orgánicas provienen de organism os vivos? E xplica tu respues ta.

^ 9.2

Alcanos: los hidrocarburos saturados

A ntes de com prender las grandes y com plejas m oléculas que constituyen el fundam ento de la vida, es necesario aprender un poco acerca de las m oléculas orgánicas m ás sencillas. C om enzarem os con las m oléculas orgánicas que contienen sólo dos elem entos: carbono e hidrógeno. E stos com puestos se llam an h id ro c a rb u ro s . E n la sección 8.12 se descri­ bieron los enlaces covalentes del hidrocarburo m ás sencillo, el m etano, CH 4 . R ecuerda que la form a del m etano es tetraédrica (Fig. 19.2). E l m etano es el prim er m iem bro de una serie de com puestos afines conocidos co­ m o los alcanos, que son h id ro c a rb u ro s sa tu ra d o s. Saturado significa, en este caso, que cada átomo de carbono del com puesto está unido a otros cuatro átom os m ediante enlaces sencillos. (Los hidrocarburos que tienen enlaces dobles o triples pertenecen a otras fam iliasy s ee studiane ns eccioness ubsiguientes.) A continuación se m uestran las fórm ulas estructurales de los dos alcanos m ás senci­ llos, el m etano y el etano, cuyas fórmulas moleculares son CH 4 y C 2 H 6 , respectivamente.

Figura 19.2 M o lé cu la tetraéd rica d el m etano, C H 4. L as líneas continuas representan enlaces covalentes; las lín eas punteadas m uestran el tetraedro.

H I H — C —H I H M etano

H H I I H — C — C —H I I H H Etano

L as fórm ulas estructurales no m uestran con exactitud la geom etría tridim ensional de las m oléculas. L os ángulos de enlace de estos alcanos — y de todos los dem ás— , son de 109.5°. Sin em bargo, y a diferencia de las fórm ulas m oleculares, las fórm ulas estructu­ rales m uestran el orden en que se unen los átom os. L a figura 19.3 m u estra m odelos de esferas y palos y de sem iesferas del m etano y del etano. E l alcano de tres átom os de carbono, C 3H 8, se llam a propano. E n la figura 19.4 se m uestranm odelosd elp ropano,y s u f órm ulae structurala parecea lm argen.

H

H

H

P ropano

A (b) Figura 19.3 M odelos de esferas y palos y de sem iesferas del m etan o (a) y del etano (b).

Figura 19.4 M o d elo s d e esferas y palos y d e sem iesferas d el propano.

T a b la 19.2 P refijo s q u e in d ic a n e l n ú m e r o d e á to m o s d e c a r b o n o d e l a s m o lé c u la s o r g á n ic a s Prefijo

Número H

M e th -

1

E t-

2

P ro p -

3

B u t-

4

P en t-

5

H ex -

6

H ep t-

7

O ct-

8

N on-

9

D ec-

10

H

H

H

1 1

1

1 1

H—C —C

A hora com ienza a hacerse aparente una regla. Se pueden construir alcanos de la lon­ gitud que sea con sólo unir átom os de carbono en largas cadenas y agregar los átom os de hidrógeno suficientes p ara que cada átom o de carbono tenga cuatro enlaces covalentes. Incluso los nom bres de estos com puestos siguen una regla. E n el caso de los com puestos de cinco átom os de carbono o m ás, la raíz del nom bre de cada uno proviene del nom bre en griego o latín del núm ero de átom os de carbono de la m olécula, com o se m uestra en la tabla 19.2. E l sufijo, -ano, indica que el com puesto es un alcano. L a tabla 19.3 m ues­ tra las fórm ulas estructurales y los nom bres de los prim eros diez alcanos de cadena con­ tinua; es decir, de los alcanos en los que cada átom o de carbono está unido a no m ás de dos átom os de carbono adicionales. N o hay por qué detenerse en diez átom os de carbo­ no; los alcanos pueden contener 100 o 1000 o m ás de un m illón de átom os de carbono. Se puede preparar un núm ero enorm e de alcanos con sólo alargar la cadena, pero ésta no es la única opción. C on cuatro átom os de carbono o m ás, la cadena se puede ramificar. Por ejem plo, el butano, C 4H 10, hierve a - 0 .5 ° C y su fórm ula estructural es

H

H

H

l

i

l

l

i

l

H i

H—C —C —C—C —H H

H

H

i

H

Butano p.f. = -138°C p.eb. = -0.5°C

c —h

H

H

H—C

h

H Isobutano p.f. = -159°C p.eb. = -12°C

O tro com puesto tiene la m ism a fórm ula molecular, C4H 10, pero hierve a - 12°C. L a fórm u­ la estructural de este segundo com puesto es diferente de la fórm ula del butano. E n vez de tener cuatro átom os de carbono unidos form ando una cadena continua, este nuevo com puesto tiene una cadena continua de sólo tres átom os de carbono, y el cuarto átom o de carbono form a una ram ificación en el carbono m edio de la cadena de tres carbonos, com os em uestraa lm argen. Los com puestos que tienen la m ism a fórm ula m olecular pero diferentes fórm ulas estructurales se llam an isóm eros. D ebido a que este alcano ram ificado de cuatro átom os

T a b la 19 .3

Nombre

Metano

Heptano

c 7h 16

^ 8^18

C9H20

1

H H H H 1 1 1 1 - c - - c - - c - -H 1 H H H H

2

H H H H H 1 1 1 1 1 - c - - c - - c - - c - -H 1 1 1 1 1 H H H H H

3

H H H H H H 1 1 1 1 1 1 - c - - c - - c - - c - - c - -H 1 H H H H H H

5

H H H H H H H 1 1 1 1 1 1 1 H -C - - c - - c - - c - - c - - c - - c -H 1 1 1 1 1 1 1 H H H H H H H

9

H H H H H H H H 1 1 1 1 1 1 1 1 - c - - c - - c - - c - - c - - c - c -H 1 H H H H H H H H

18

H H H H H H H H H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - c - - c - - c - - c - - c - - c - c - c -H 1 H H H H H H H H H

35

H H H H H H H H H H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -c--c--c--c--c--c - c - c 1 1 H H H H H H H H H H

75

¡n l -u 1

C10H22

H H H 1 1 1 H -C - - c - - c - -H 1 1 1 H H H

1 -u 1

Decano

c 6h 14

1

1 -u 1

Nonano

c 5h 12

H H 1 1 - c - -H 1 1 H H

1 -u 1

Octano

C4H10

1

1 -u 1

Hexano

c 3h 8

H 1 H -C - -H 11 H

1 -u 1

Pentano

c 2h 6

Fórmula estru ctu ral

1 -u 1

Butano

ch4

Números d e isóm eros posibles

1 -u 1

Propano

Fórmula m olecular

X

Etano

L o s p r i m e r o s d ie z a l c a n o s d e c a d e n a c o n t i n u a

(a)

Figura 19.5 M o d elo s d e esferas y palos y d e sem iesferas del b u tan o (a) y del iso b u tan o (b).

de carbono es un isóm ero del butano, su nom bre es isobutano. L a figura 19.5 m uestra m odelosd el osd osi sóm eros:b utanoe i sobutano. E l núm ero de isóm eros aum enta rápidam ente con el núm ero de átom os de carbono, com o se indica en la tabla 19.3. H ay tres pentanos, cinco hexanos, nueve heptanos, y así sucesivam ente. L a isom ería es com ún en los com puestos de carbono, y es una de las ra ­ zones po r las que existen m illones de com puestos orgánicos. E l propano y los butanos son com bustibles m uy conocidos (Fig. 19.6). A unque son gases a las tem peraturas ordinarias y a la presión atm osférica norm al, se licuan bajo p re­ sión, y se venden en recipientes a presión. L as m ezclas de estos gases se venden com o gas licuado de petróleo (llam ado gas L P o L PG ). L a gasolina es un a m ezcla de h id ro ­ carburos de 5 a 12 átom os de carbono. Veam os de nuevo la tabla 19.3. O bserva que la fórm ula m olecular de cada alcano de la tabla difiere de la que le antecede en exactam ente un átom o de carbono y dos áto ­ m os de hidrógeno, es decir, en un grupo C H 2. L as series de com puestos de este tipo tienen propiedades que varían de form a regular y predecible; sus m iem bros reciben el nom bre de hom ólogos. Los alcanos son hom ólogos de fórm ula general C nH2n+2. E n vez de estudiar la quím ica de u na cantidad apabullante de com puestos de carbono individuales, los quím icos orgánicos estudian algunos m iem bros de un a serie hom óloga y deducen de ellos las propiedades de otros com puestos de la serie. C onsidera un punto adicional antes de dejar atrás la tabla 19.3: N o se han aislado todos los isóm eros posibles de las m oléculas m ás grandes. D e hecho, la tarea se torna cada vez m ás difícil a m edida que se avanza a lo largo de la serie. Existen, p o r ejem plo, m ás de 4000 m illones de isóm eros posibles de fórm ula m olecular C 30H 62.

Propiedades físicas de los alcanos E n la tabla 19.4 se presentan algunas propiedades físicas de los prim eros 20 alcanos. A dvierte el increm ento m ás o m enos regular del punto de fusión, del punto de ebulli­ ción y de la densidad a m edida que aum enta el núm ero de átom os de carbono (y la m a­ sa m olar). C om o se m u estra en la tabla, a tem peratura am biente los alcanos de 1 a 4

Figura 19.6 E l p ro p an o y el butano son com bustibles com unes. (a) S o p lete de propano. (b) E n cen d ed o r de butano.

átom os de carbono son gases, los alquenos de 5 a 16 átom os de carbono son líquidos, y los que tienen m ás de 16 átom os de carbono son sólidos. L a densidad de los alcanos líquidos es m enor que la del agua (1.0 g /m L ). Estos com puestos son no polares y son prácticam ente insolubles en agua, por lo cual flotan sobre ella. Los alcanos suelen em plearse com o disolventes para disolver sustancias poco polares, com o grasas, aceites y ceras.

Propiedades químicas de los alcanos D esde el p unto de vista quím ico, los alcanos son los com puestos orgánicos m enos reac­ tivos de todos. Por lo general no reaccionan con los ácidos fuertes (como el ácido sul­ fúrico), las bases fuertes (com o el hidróxido de sodio), la m ayor parte de los agentes oxidantes (com o el dicrom ato de potasio) y casi todos los agentes reductores (com o el sodio m etálico). L os alquenos sufren algunas reacciones m uy im portantes, entre ellas la de com bustión. E l gas natural (principalmente m etano) es uno de los com bustibles fósiles m ás im portantes. A continuación se m uestra la ecuación de la reacción de com bustión del m etano. C H 4(g) + 2 O 2(g) ------> C O 2(g) + 2 H 2O (g) + Calor E l gas en cilindros — principalm ente propano— se em plea com o com bustible en al­ gunos hogares, en los asadores portátiles, y para soldar tubos de cobre. E l butano es el com bustible de los encendedores de bolsillo. L a gasolina, el queroseno y el com bustible de aviación son m ezclas de hidrocarburos que se obtienen del petróleo. A dem ás de arder en oxígeno, los alcanos reaccionan con el cloro y el brom o p ara form ar h a lo g e n u ro s de a lq u ilo com o el brom uro de m etilo, C H 3Br. I C H 4(g) + B r2(l) ------> C H 3Br(g) + H Br(g) L os halogenuros de alquilo se utilizan para sintetizar m uchos otros com puestos. E n la figura 19.7 se m uestran los nom bres y m odelos de varios halogenuros de alquilo.

I Conexión con el mundo real El bromuro de metilo se ha utilizado desde hace mucho tiempo como ingrediente de herbicidas e insecticidas aunque se investigan posibles sustitutos menos riesgosos.

T a b la 19.4

P r o p ie d a d e s f ís ic a s d e a lg u n o s a lc a n o s

Nombre

Fórmula molecular

M e ta n o

ch

E ta n o

C 2H 6

Punto de ebullición (°C)

-1 8 3

-1 6 2

(G a s)

-1 8 3

-8 9

(G as)

-1 9 0

- 42

(G as)

0

(G as)

8

H38 C3

P ro p a n o

4

Punto de fusión (°C)

Densidad del líquido a 20°C (g/mL)

C 4 H 10

-1 3 8

P e n ta n o

C 5H 12

-1 3 0

H ex a n o

u

H e p ta n o O c ta n o

0 .6 2 6

69

0 .6 5 9

C vH 16

-9 1

98

0 .6 8 4

C 8H 18

-5 7

126

0 .7 0 3

C 9H 20

-5 4

151

0 .7 1 8

- 30

174

0 .7 3 0

C 12H 26

196

0 .7 4 0

- 1 0

216

0 .7 4 9

-6

235

0 .7 5 7

6

25 4

0 .7 6 3

10

271

0 .7 6 9

8 2

H23 C1

T rid e c a n o

-2 6 24

D odecano

H12 C1

U ndecano

H22

D ecano

4 H 1

ve

N onano

36

-9 5

C01

B u ta n o

C 14H 30

(S ó lid o )

28

31 6

(S ó lid o )

40

32

33 0

(S ó lid o )

C 20 H 42

37

343

(S ó lid o )

C1

H38

C81 1C

ve

rn

E J E M P L O 19 .2

W 4^

0 .7 7 5

1C

280 302

O c ta d e c a n o

E ic o sa n o

3H

18 22

H e p ta d e c a n o

N onadecano

2

H exadecano

C1

P e n ta d e c a n o

49H

T e tra d e c a n o

Alcanos

C ita nom bres de alcanos de tres, cuatro, cinco, seis, siete y ocho átom os de carbono. SOLUCIÓN N ú m e ro de áto m o s de carb o n o

N o m b re del alcano

N ú m e ro de á to m o s de carb o n o

N o m b re del alcan o

3

P ro p a n o

6

H exano

4

B u ta n o

7

H e p ta n o

5

P e n ta n o

8

O c ta n o

E J E R C IC IO 19.2 (a) C ita los nom bres de cuatro alcanos que son gases a tem peratura am biente. (b) C ita nom bres de alcanos líquidos de 5, 6, 7 y 8 átom os de carbono.

(a) Cloruro de metilo CHoCI, refrigerante, manufactura de caucho sintético y sificonas

(b) Bromuro de metilo CH 3Br, en insecticidas y herbicidas

r: * (c) Diclorometano (cloruro de metileno) CH 2CI2, en líquidos para quitar pintura y barniz, disolvente industrial

(d) Triclorometano (cloroformo) CHCI3, disolvente industrial

Figura 19.7 M o d elo s de esferas y palos y de sem iesferas de algunos h alogenuros de alquilo.

^

19.3, Uso de fórmulas estructurales

E n la sección precedente se utilizaron fó rm u la s e s tru c tu r a le s que m uestran líneas que corresponden a todos los enlaces covalentes presentes en un a m olécula. U na fórm ula estructural proporciona m ás inform ación que una fórm ula m olecular. P or ejem plo, la fórm ula m olecular C4H 10 no indica si se trata del butano o del isobutano, pero las fórmulas estructurales que se m ostraron en la sección 19.2 perm iten distinguir entre estos dos com puestos al m ostrar el orden de unión de los átom os. Se necesita m ucho espacio para m ostrar fórm ulas estructurales com pletas en una página im presa; por esta razón, los quím icos suelen em plear fó rm u la s e s tru c tu ra le s c o n d e n sa d a s. L as estructuras condensadas m uestran los átom os de hidrógeno en segui­ da de los átom os de carbono a los que están unidos. L as siguientes son las fórm ulas estructuralesc ondensadasd el osd osb utanos. C H 3— C I ^ — C I ^ — C H 3

C H 3— C H — C H 3 CH,

E stas estructuras se sim plifican aún m ás om itiendo las líneas de enlace horizontales. c h 3c h 2c h 2c h 3

E J E M P L O 19.3

y

CH, — CHCH, I CH,

Fórmulas estructurales y estructurales condensadas

D ibuja la fórm ula estructural y la fórm ula estructural condensada del heptano. SOLUCIÓN E l nom bre de heptano nos indica que el com puesto es un alcano (-ano) con siete (hept-) átom os de carbono. Prim ero m uestra una cadena de siete átom os de car­ bono unidos por enlaces sencillos. C— C— C— C— C— C— C

C ada átom o de carbono debe tener cuatro enlaces covalentes; por tanto, agrega suficientes átom os de hidrógeno a la cadena de átom os de carbono para que cada uno de ellos tenga cuatroe nlaces.

I I I I I I I H — C - C - C - C - C - C — C —H H

H H

H

H

H

H

I H

I I H H

I H

I H

I H

H

I

P ara escribir la form a condensada, m uestra m ediante un subíndice el núm ero de átom os de hidrógeno unidos a cada átom o de carbono. A dvierte que el carbono de cada extrem o tiene tres átom os de hidrógeno, en tanto que los carbonos interm edios tienen cada uno sólo dos átom os de hidrógeno. c h 3c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2c h 3 H ay cuatro grupos CH 2 consecutivos; por tanto, tam bién se puede escribir la estructura com o sigue. CH3(CH2) sCH3 E J E R C IC IO 19.3 Véanse los problemas 19.9 y 19 .1 2 .

(a) D ibujal a f órm ulae structuraly l a f órm ulae structuralc ondensadad elp entano. (b) D ibujal a f órm ulae structuralc ondensadad elh eptano.

Un lenguaje universal: nomenclatura de la IUPAC C on el propósito de poner orden en la caótica form a de n o m brar los com puestos recién descubiertos, la International Union o fP u r e a n d A p p lied C hem istry o IU P A C (Unión Internacional de Q uím ica P ura y A plicada) celebró en 1892 la que habría de ser la p ri­ m era de una serie de reuniones sobre nom enclatura, es decir, sobre un sistem a para asig­ nar nombres. Este congreso estableció reglas formales para nom brar los com puestos. Aquí ser esum ena lgunasr eg lasf undam entalesp araa signarn om brea losa lcanos. 1. L os nom bres de los m iem bros individuales term inan en -ano, lo que indica que son alcanos. E n la tabla 19.3 se m uestran los nom bres de los m iem bros de cadena co n ­ tinua de hasta 1 0 átom os de carbono. 2. L os nom bres de los alcanos de cadena ram ificada se com ponen de dos partes. La parte final del nom bre se tom a de la cadena continua m ás larga de átom os de car­ bono presente en el com puesto. E n ocasiones se h ace referencia a esta cadena com oe lc om puestop adre.P ore jem p lo ,e lc om puestoc uyae structurae s H H H H H I I I I I H — C — C — C — C — ( —H H

H

H

H

o

C H 3C H C H 2C H 2C H 3 CH3

H — C —H I H se nom bra com o un derivado del pentano porque la cadena continua m ás larga tie­ n e cinco átom os de carbono. L a segunda parte del nom bre sería p en ta n o . L a prim era parte del nom bre se form a m ediante prefijos que indican los grupos unidos a la cadena padre. S i el grupo unido contiene sólo átom os de carbono y de hidrógeno unidos por enlaces sencillos, se trata de un g ru p o alq u ilo . L a raíz alq u -

indica que estos grupos son sim ilares a los alcanos; la term inación -ilo indica que un grupo de átom os está unido a cierta cadena padre. E l nom bre de un grupo alqui­ lo específico se deriva del alcano que tiene el m ism o núm ero de átom os de car­ bono. P or ejem plo, el grupo de un átom o de carbono derivado del m etano es

H I H—C —

( o C H 3—)

H Su nom bre es grupo m etilo. I E l grupo alquilo derivado del etano es

H H I

I

H— C — C — I I

H

(o CHoCH9— ) 3

H

2

'

Su nom bre es grupo etilo. I D el propano se derivan dos grupos alquilo. U no de ellos es el grupo p ro p ilo . A dvierte que la unión corresponde al átom o de carbono term inal de la cadena de tres carbonos. H H H I I I H - C - C —C — I I I H H H

(o C H 3C H 2C H 2—)

E l otro grupo alquilo derivado del propano es el grupo iso p ro p ilo , que se une por el átom o de carbono interm edio y se representa com o sigue.

H

H

H

CH,

I I I

H — C — C — C —H (o C H 0C H C H 0

I I I

H

3i

H

o

I 3

C H .C H — )

3

3

H ay m uchos otros grupos alquilo. L a tabla 19.5 m uestra aquéllos que encontrarás con m ás frecuencia. O bserva que el núm ero de átom os de h idrógeno de cada grupo alquilo es uno m enos que el del alcano correspondiente. L a extracción de un átom o de hidrógeno deja libre una posición donde el grupo alquilo se puede unir a una cade­ n a padre o a otro grupo. 4. L a ubicación de los grupos sustituyentes (grupos alquilo u otros grupos) en la cade­ n a m ás larga se designa m ediante núm eros arábigos. Por ejemplo, para asignar nomb rea lc om puestoq ues er epresentam ediantel ae structura

H H H H H H l i l i l í H - C - C - C —C —C - C - H H

H

H — C —H I H

H

H

H

o

C H 3C H C H 2C H 2C H 2C H 3 CH,

I Conexiones médicas El dimetilmercurio, CH3—Hg—CH3, es sumamente tóxico. Unas cuantas gotas derramadas accidentalmente por Karen Wetterhahn, profesora de química del Dartmouth College, resultaron letales pese a que ella usaba guantes de látex. I El cloruro de etilo alivia el dolor Cuando se rocía sobre un área lesionada, se siente un frío congelante, lo que anestesia el tejido.

T a b la 19 .5

G r u p o s a l q u ilo c o m u n e s

Nombre

Fórmula es tru c tu ral

Fórmula estru c tu ral condensada

Metilo

H | H— C —

c h 3-

H H H 1

Etilo

1

H— C — C —

c h 3c h 2—

H H DERIVADOS DEL PROPANO

H H H 1

Propilo

1

1

H— C — C — C — 1

1

c h 3c h 2c h 2—

1

H H H H H H 1

Isopropilo

1

1

H— C — C — C —H 1 1 11 H H

c h 3c h c h 3

DERIVADOS DEL BUTANO

H H H H l

Butilo

i

l

i

H— C — C — C — C — l

i

l

c h 3c h 2c h 2c h 2—

i

H H H H H H H H l

Butilo secundario (.seobutilo)

i

l

i

H— C — C — C — C — H 1 1 1 H H H

c h 3c h c h 2c h 3

1

H 1

Isobutilo

H— (

H

H

H 1

H— C — ( 1

1

c— 1

CH, 1 c h 3c h c h 2—

H H H H 1

Butilo terciario (fe/t-butilo)

H— (

h

H

H

H— C — ( 1 H

c —h 1 H

CH, 1

CH,CCH, 1

prim ero se identifica la cadena continua m ás larga. H

H

H

H

H

H

H“ir-2C-39-49-59-6,1- H H

H

H

H

c h 3c h c h 2c h 2c h 2c h 3

o

H

CH,

H — C —H I H E sta cadena tiene seis átom os de carbono; por tanto, se considera al com puesto com o un derivado del hexano. E l grupo unido a la cadena es un grupo m etilo, C H 3— , y está en el segundo átom o de carbono de la cadena padre. E l n o m bre de este com ­ puesto es 2-m etilhexano. Siem pre num era la cadena padre a partir del extrem o m ás próxim o al sustituyente. Si hay m ás de dos sustituyentes, y si los sustituyentes m ás próxim os a cada extrem o de la cadena p rincipal se encuentran eq u id istan ­ tes de los extrem os, num era a p artir del extrem o m ás próxim o al p rim er punto de diferencia. 5. C uando h ay dos o m ás grupos idénticos unidos a la cadena principal, se necesita un núm ero p ara especificar la ubicación de cada sustituyente. A dem ás, es preciso in d i­ car si hay dos, tres o cuatro grupos idénticos unidos a la cadena padre. E sto se hace em pleando prefijos: di- para dos, tr i- para tres y te tr a - p ara cuatro. Si hay dos g ru ­ pos idénticos unidos a un m ism o átom o de carbono, se debe rep etir el núm ero por cadagru po. CI H 3,

C! H 3,

C H 3,—2C| — C H¿,— C H 1 ,— C 1 H ,—3 C H ,

C H3,— C| — C H2,— C H3,— C H 3,

ch3 2,2-

!C H3 ,

ch3 I

2,2,4-

L os grupos deben aparecer en orden alfabético — etilo antes de m etilo, y así suce­ sivam ente— , de acuerdo con las reglas de la IUPAC, com o aquí se m uestra. c h 3— c h — c h 2— c h — c h 2— c h 3 ch3

ch2 ch3

4 -e til-

hexano

L a m ejor m anera de aprender a nom brar estructuras orgánicas es resolver ejerci­ cios, no sólo m em orizar reglas. E s m ás fácil de lo que parece. H az la pru eb a con los siguien tes.

E J E M P L O 19.4

Nomenclatura de alcanos

E scribe el nom bre IUPAC del com puesto que se rep resen ta m ediante la fórm ula. CH, I

3

c h 3— c h 2— c h — c h — c h 3 ch3

I Conexión con el aprendizaje Advierte que en los nombres IUPAC que aquí se muestran se emplean comas para separar unos números de otros, y guiones para separar números de palabras.

LA QUÍMICA EN ACCIÓN Metano, un gas de efecto invernadero muy potente L o s g ases d e efecto in v ern ad ero p e rm ite n el p aso d e lu z so la r y re tie n e n la irra d ia c ió n d e c a lo r e m itid a p o r la T ierra, c a le n tá n ­ d o la. D e s d e e l sig lo X X se e m p e z a ro n a e m itir can tid a d e s a d i­ cio n ales d e esto s g ases p o r las activ id ad es d e o rig e n h u m an o . E l m e ta n o e s u n g as co m b u stib le, in c o lo ro e in o d o ro . T iene u n efecto in v ern ad ero 21 v eces m a y o r qu e e l d ió x id o d e carb o n o (q u e es e l m á s ab u n d an te d e este tip o d e g ases). S e g en e ra cu an d o las b acterias m e ta n o g é n ic a s (p erten c ie n te s al g ru p o Archaea sp) se a lim e n ta n d e m a te ria l o rg án ico d e o rig e n v eg etal y lo d esco m p o n en . S e p ro d u c e m e ta n o e n cam p o s d e g a s y em isio n e s d el fo n d o m a rin o (p rin c ip a lm e n te d e l Á rtic o ), p e ro e n g e n e ra l h ay tres im p o rta n te s fu e n te s d e é ste: los h u m e d a le s (zo n as d e tie rra u su a lm e n te p lan as, e n las cu ales la su p e rficie se in u n d a d e fo rm a p e rm a n e n te o d e m a n e ra in te rm ite n te ), e l e stó m a g o d e los ru m ia n te s y lo s arro zales. E n esto s lu g ares, las b acterias m e ta n o g é n ic a s e n c u e n tra n ó p tim a s c o n d ic io n e s p a r a su crecim ien to (co m o las b ajas c o n c e n tra c io n e s d e o x íg en o ), p o r lo q u e se d esarro llan , co n la c o n se c u e n te p ro d u c c ió n d e m e ta n o . E n d iv erso s sitio s d e l m u n d o se h a alertad o q u e e l g an ad o , e n esp e c ia l e l v acu n o , d e b id o a su p ro c e so dig estiv o , es u n a i m ­ p o rta n te fu e n te d e g ases d e efecto in v ern ad ero . E sto se agrava p o rq u e se h a in c re m e n ta d o la d e m a n d a d e p ro d u c to s cárn ic o s y d eriv ad o s. O rg a n ism o s In te rn a c io n a le s c o m o G re e n p e a c e h an re c o m e n d a d o a la p o b la c ió n e n g e n eral d ism in u ir o e lim in a r el c o n su m o d e carn es ro ja s, co n la in te n c ió n d e q u e lo s g an ad ero s se v e a n o b lig ad o s a c riar m e n o s cab e z a s y c o n ello d ism in u ir el efecto in v ern ad ero y e l c a le n ta m ie n to global.

P o r su p a rte , e l cu ltiv o d e arro z g e n e ra 60 m illo n e s de to n elad as d e m e ta n o , p o r lo q u e le c o rre sp o n d e e l te rc e r lu g a r de em isió n d e este g as. L e sig u e n e n o rd e n d e p ro d u c c ió n , en m illo n e s d e to n elad as: los d ep ó sito s sa n ita rio s (30), e l estié rco l (25), las p la n ta s d e tra ta m ie n to s d e eflu en tes (25), las term itas (20), lo s o cé a n o s (10) y e l ag u a d u lc e (5). E l arro z se cu ltiv a co n g ran fa c ilid a d e n casi to d o e l m u n d o , a d em ás es un o d e lo s alim en to s m á s c o n su m id o s: se e s tim a q u e es la b ase d e la d ie ta d e 2 5 0 0 m illo n e s d e p erso n as. E s te ce re a l se sie m b ra en cam p o s in u n d a d o s, d o n d e las b acterias m e ta n o g é n ic a s en cu e n tra n u n lu g a r id e a l p a r a v iv ir y rep ro d u c irse. C u a n to m á s tiem p o e stán in u n d a d o s los c a m p o s, p re se n ta n m e n o re s c o n c e n ­ tracio n es d e o x íg en o y d e o tro s ag en tes o x id an tes, c o n lo c u a l se ac e le ra la p ro d u c c ió n d e m etan o .

De los cam pos en los que se cultiva arroz se emana 16 .21% del m etano producido en nuestro planeta. E n 2 0 0 2 , R a fa e l C o n ra d y su s c o la b o ra d o re s d e l In s titu to M a x P la n c k d e M ic ro b io lo g ía T e rre s tre d e M a rb u rg in v e s ti­ g a ro n lo s p ro c e s o s m ic ro b io ló g ic o s y q u ím ic o s im p lic a d o s e n e s te fe n ó m e n o . D e s p u é s d e v a rio s añ o s d e e s tu d io , p u d ie ro n a v e rig u a r q u e la fo rm a e n q u e lo s c a m p e s in o s tra b a ja n su s c a m ­ p o s in f lu y e e n g ra n m e d id a e n e l v o lu m e n d e m e ta n o o rig in a d o . D e e s ta m a n e ra , si se d e ja q u e la p a ja d e a rro z se p u d r a e n lo s c a m p o s , la s b a c te ria s m e ta n o g é n ic a s c u e n ta n c o n a lim e n to y g e n e ra n m u c h o m á s g a s. D e d ic h o h a lla z g o se d e s p re n d ió la r e ­ c o m e n d a c ió n a lo s c a m p e s in o s d e d r e n a r p e rió d ic a m e n te lo s a rro z a le s. C o n e s ta s e n c illa m e d id a se p o d r ía r e d u c ir g ra n p a rte la p r o d u c c ió n d e m e ta n o . A s im is m o , e l e q u ip o d e C o n ra d y o tro s in v e s tig a d o re s e s tá n e n la b ú s q u e d a d e v a rie d a d e s d e a rro z y m é to d o s d e c u l­ tiv o c o n lo s q u e a d e m á s d e lo g r a r m e jo r re n d im ie n to , se d a ñ e lo m e n o s p o s ib le e l a m b ie n te y e l c lim a m u n d ia l. O tr a lín e a d e in v e stig a c ió n b u sc a a p ro v e c h a r e l m e ta n o g en e ra d o d e fo rm a natu ral, p u e s ta m b ié n es u n a fu e n te altern ativ a d e e n e rg ía (co m o b io g as), m e n o s c o n ta m in a n te q u e e l p etró leo . En los estómagos de los rumiantes se originan 80 teragramos (igual a 8 0 millones de toneladas del gas) de C H 4, por lo que ocupan el segundo lugar de producción de este gas a nivel mundial.

En la siguiente dirección electrónica encontrarás más informa­ ción acerca de este tema: http://www-alt.mpg.de/english/ illustrationsDocumentation/multimedia/maxEdicion/

SOLUCIÓN L a cadena continua de carbono m ás larga tiene cinco átom os de carbono. H ay dos grupos m etilo unidos al segundo y tercer átom os de carbono (no al tercero y cuarto). A signa a estos grupos m etilo los núm eros m ás pequeños posibles, contando a p artir de un extrem o. E l nom bre correcto es 2,3-dim etilpentano. E J E R C IC IO 19.4 (a) D ibuja la fórm ula estructural condensada del 1-brom o-2-etilbutano. (b) D ibuja la fórm ula estructural condensada del 1-cloro-2-etil-2-m etilbutano.

E J E M P L O 19.5

Nomenclatura de alcanos

E scribe el nom bre IUPAC del com puesto que se rep resen ta m ediante la fórm ula

CH,— CH,— CH,3 3 CH— | 2 CH— ! ch 2

ch 3

ch 3

SOLUCIÓN E l nom bre IUPAC es 2,4-dim etilhexano, no 2-etil-5-m etilpentano. ¡Aquí puedes caer en una tram pa! E l com puesto progenitor es la cadena continua m ás larga, no necesariam ente la cadena dibujada en sentido horizontal en la página. E n el caso de esta estructura, la cadena m ás larga contiene seis átom os de carbono, no cinco.

CH,— CH,— CH, 3 CH— | 2 CH— ! CH,

CH, 3

I

ch 3

E J E R C IC IO 19.5 (a) E scribe el nom bre IUPAC del com puesto que sigue. (Selecciona la cadena conti­ n u a m ás larga a la que está unido el halógeno.) c h 3— c h 2— c h 2 c h 3

CH3— CH2— CH— CH— Cl (b) E scribe el nom bre IUPAC del com puesto que se rep resen ta m ediante la fórm ula

CH, I

CH,— C— Cl 3

E J E M P L O 19.6

3

I

ch3

Estructuras complejas

E scribe el nom bre IUPAC del com puesto que se rep resen ta m ediante la fórm ula

CH, I 3

c h 3- c c h 3c h 2c h 2c h 2— c

—ch3

— c h 2c h 2c h 3

ch 3

SOLUCIÓN H ay un grupo tert-butilo (consulta la tabla 19.5) que aparece encim a de la cadena m ás larga. E ste grupo se nom bra, en orden alfabético (con base en la “b” de butilo), antes del grupo m etilo que se m u estra debajo de la cadena padre. E l nom bre correcto es 4-tert-butil-4-m etiloctano. E J E R C IC IO 19.6 Véanse los problemas 19 .13 -19 .16 .

(a) D ibuja la estructura del 4-isopropil-2-m etilheptano. (b) D ibuja la estructura del 1,1-dicloro-3-isopropil-2-m etilhexano.

^ 9.5 Alquenos y alquinos: hidrocarburos insaturados D os átom os de carbono pueden com partir m ás de un p ar de electrones. E n el eteno (su nom bre com ún es etileno), C 2H 4, los dos átom os de carbono com parten dos p a res de electrones para form ar un doble enlace, com o se m u estra aq u í y en la figura 19.8.

H

yc=cx

o

c h 2= c h 2

H Figura 19.8 M o d elo s d e esferas y palos y d e sem iesferas del etileno.

Figura 19.9 D iversos p ro d uctos de

E l eteno es el prim er m iem bro de u na fam ilia de hidrocarburos conocidos com o a lq u e ­ nos (advierte la term inación -eno). Todo alqueno contiene un doble enlace carbono-car­ bono. E n la tabla 19.6 se presentan los nom bres, estructuras y propiedades físicas de variosa lquenos. E l eteno (etileno) es el producto quím ico orgánico com ercial m ás im portante. L a producción anual de E stados U nidos es de alrededor de 23 000 m illones de kg. A proxi­ m adam ente el 45% del etileno se destina a la fabricación de polietileno, uno de los plásti­ cos m ás conocidos (Fig. 19.9). O tro 15% m ás o m enos se convierte en etilenglicol, que es el com ponente principal de las m arcas m ás com unes de anticongelante p ara radiadores d ea utom óvil. E l propeno (su nom bre com ún es propileno) es el segundo alqueno de la tabla de al­ quenos. Se u tiliza en la fabricación de p olipropileno y de otros plásticos, alcohol iso ­ propílico (alcohol para fricciones corporales), propilenglicol y m uchos otros productos quím icos. D os átom os de carbono tam bién pueden com partir tres pares de electrones p ara for­ m ar un triple enlace entre dos átom os de carbono, com o en el etino, n 2H 2, conocido por

T a b la 19.6

P r o p ie d a d e s f ís ic a s d e a lg u n o s a l q u e n o s Punto de fusión (°C)

co n su m o , co m o agua, lech e y ju g o d e p o lietilen o .

Fórmula molecular

E te n o P ro p e n o

C 3H 6

c h 3c h

1 -B u ten o

QH

C H 3C H 2n H =

H 4

Nombre de la IUPAC

U

d e n aran ja, se v en d en en recipientes

8

Estructura condensada c h

2=

c h

=

2 c h

2 ch

1 -P e n ten o

n 5H 10

C H 3C H 2 n H 2n H =

1 -H ex en o

QH

c h

1 -H e p te n o

n 7H 14

n H 3 (C H 2 ) 4 n H =

1 -O cten o

QH

c h

12

16

^

^

c h

c h

^

^

c h

c h

2

-1 6 9

-1 0 4

-1 8 5

-4 7

-1 8 5

-6

-1 3 8

30

2

-1 4 0

63

c h

2

-1 1 9

94

— n ¿

2

-1 0 2

121

c h

— n ¿

2

Punto de ebullición (°C)

lo com ún com o acetileno. A continuación se m uestra su estructura; en la figura 19.10 se m uestranm odelosd eb olasy p alosy d e sem iesferas. H— C — C— H E l etino es el prim er m iem bro de una fam ilia de hidrocarburos conocidos com o a lq u i­ nos. Todo alquino contiene un triple enlace carbono-carbono. A lrededor del 10% del acetileno que se produce en E stados U nidos se utiliza en los sopletes oxiacetilénicos p ara cortar y soldar m etales. L a m ayor parte del acetileno, sin em bargo, se convierte en otros interm ediarios quím icos, es decir, en sustancias quím icas que se utilizan p ara ela­ b orar m uchoso trosp roductos. E xisten reglas específicas de la IUPAC para no m brar los alquenos y alquinos. A l­ gunas de las reglas m ás fundam entales de la IUPAC p ara asignar nom bre a los alquenos sonl ass iguientes. 1. L os nom bres de los alquenos term inan en -eno. L a term inación -d ien o se aplica a los alquenos con dos dobles enlaces. 2. L a cadena m ás larga de átom os de carbono que contiene el doble enlace es el co m ­ puesto padre. E l nom bre base de esta cadena es el m ism o que el del alcano, pero con la term inación -eno. P or ejem plo, el nom bre b ase de un a cadena de cuatro áto­ m os de carbono con un doble enlace es buteno. 3 . L os átom os de carbono del com puesto padre se num eran a p artir del extrem o de la cadena m ás próxim o al doble enlace. L a ubicación del doble enlace se designa em ­ pleando com o prefijo el núm ero del prim er átom o de carbono del doble enlace. El com puesto C H 3C H — C H C H 2C H 3, por ejem plo, tiene el doble enlace entre el se­ gundo y el tercer átom os de carbono. Su nom bre es 2-penteno. 4. L os grupos sustituyentes se nom bran conform e a los m étodos descritos p ara los alcanos.P ore jem plo, elc om puesto c h 3c h c h 2c h = c h c h 3 ch3

es el 5-m etil-2-hexeno. O bserva que el doble enlace recibe el núm ero m ás pequeño posible, incluso cuando ello obliga a asignar a un grupo sustituyente un núm ero m a­ yor. Se dice que el doble enlace tiene p rio rid a d en la num eración. E stas reglas se aprenden m ás fácilm ente po r m edio de ejem plos.

E J E M P L O 19.7

Nomenclatura de alquenos

E scribe el nom bre del com puesto cuya estructura es c h 3c h 2c

=

ch 2

c h 3c h 2

SOLUCIÓN L a cadena continua m ás larga de la estructura contiene cinco átom os de carbono, pero la cadena continua m ás larga que contiene el doble enlace incluye sólo cuatro átom os de carbono. E sta cadena de cuatro carbonos funge com o el com puesto padre, y se num era de derecha a izquierda a fin de asignar al doble enlace el núm ero m ás pequeñop osible. 4

3

2

c h 3c h 2c

=

1

ch 2

Figura 19.10

M odelos de esferas y

palos y de sem iesferas del acetileno.

H ay un grupo etilo unido al átom o de carbono núm ero 2. E l nom bre de este com puesto es 2 -etil-1 -buteno. E J E R C IC IO 19.7 (a) D ibuja la estructura del 5-brom o-4-m etil-2-hexeno. (b) N om bra el com puesto cuya estructura es CH 2 = C - C H = C H 2 ch3

Isomería cis-trans L os átom os y los grupos de átom os giran librem ente en torno a los enlaces sencillos, com o lo indican los m odelos de los alcanos, p ero no ocurre lo m ism o en el caso de los dobles enlaces. C om o lo indican los m odelos representados en la figura 19.11, el se­ gundo y tercer átom os de carbono del 2 -buteno no pueden girar con libertad — uno con respecto al otro— en el doble enlace. (El doble enlace se sim boliza en la figura m ed ian ­ te dos conexiones curvas entre átom os de carbono.) P or consiguiente, las dos disposi­ ciones del 2-buteno que se m uestran en la figura 19.11 representan en realidad dos com puestos distintos, con geom etrías diferentes. U n com puesto no se puede convertir en el otro sin antes rom per el doble enlace. Se aplica el prefijo cis- o trans- a cada n o m ­ bre para distinguir los dos isóm eros.

C H J, \ H

/

c=c

/ C H ,3 \

H

c « - 2 -buteno p.f. = -1 3 9 °C

CH, / H

c=c

H

/ \

CH3

trans-2 -buteno p.f. = -1 0 6 °C

E l isóm ero cis es el que tiene los dos grupos idénticos del m ism o lado (arriba o abajo) del doble enlace. E n el isóm ero tra n s, los grupos idénticos están en lados opuestos del doble enlace. L os puntos de fusión, los puntos de ebullición y otras propiedades físicas de estos isóm eros son diferentes, pues se trata de sustancias distintas. L a m era presencia de un doble enlace — con su rotación restringida— , no significa que siem pre habrá isóm eros cis y trans. L os isóm eros de este tipo deben tener adem ás dos grupos diferentes en cada uno de los átom os de carbono que participan en el doble enlace. A unque el 2-buteno tiene isóm eros cis y trans, no los tienen el 1-buteno, C H 2 —

Figura 19.11 M o d elo s d e esferas y palos y de semiesferas de los 2-butenos. E n tan to que los átom os d e carbono unidos p o r enlaces sencillos giran lib re m e n te en to rn o a estos en laces, los átom os d e carb o n o un id os por dobles en laces están restrin gidos en su m o vim iento.

c/s-2-buteno

trans- 2-buteno

CH C H 2C H 3, ni el propeno, C H 2 = C H C H 3, porque el carbono núm ero 1 de estos co m ­ puestos contiene dos grupos idénticos: dos átom os de hidrógeno en am bos casos.

E J E M P L O 19.8

Isomería cis-trans

D ibuja las estructuras y escribe los nom bres IUPAC de todos los com puestos de fórm ula C 2 H 2C l 2 . SOLUCIÓN D ado que hay dos átom os de carbono y un total de sólo cuatro sustituyentes (2 átom os de H y 2 de Cl), debe h aber un doble enlace entre los átom os de car­ bono. Prim ero, dibuja el esqueleto de los carbonos unidos por un doble enlace.

\ /

/

C=C

\

A hora, coloca los 2 átom os de H y los dos de C l en todas las disposiciones geom étricas diferentes y nom bra las estructuras. H ay tres isóm eros distintos.

Cl

\

Cl

/

C=C

/ \

H

Cl

H

H

1 , 1 -dicloroetano A

\ /

C=C

/ \

Cl

Cl

H

H

c is-1 ,2 - dicloroeteno B

\ /

C=C

/ \

H Cl

tra n s-1 ,2 -dicloroeteno C

H ay un solo isóm ero 1,1-dicloro-, pero dos isóm eros 1,2-dicloro- (los com puestos B y C), que se distinguen con el prefijo cis o trans. E J E R C IC IO 19.8 (a) D ibuja las estructuras del d s-2 -p en ten o y del írans-2-penteno. (b) N om bra el com puesto cuya estructura es

Cl

c=c H

/

Cl H

N o obstante que la isom ería cis y trans puede p arecer en un principio de poca im ­ portancia práctica, no todo es com o parece ser. Por ejemplo, la m osca dom éstica hem bra secreta d s-9 -trico sen o para atraer al m acho, el cual m u estra p o ca o ninguna afinidad p ore li sóm erot rans.

C H 3(C H 2)7 H

(CH 2) 12C H 3 \= C / \

H

c íí -9-trico seno

C H 3(CH 2)7 / H

H ^C =c \ (C H 2) 12C H 3

íran.s-9-tricoseno

D e hecho, en casi todos los sistem as biológicos la geom etría de las m oléculas tiene una im portanciac apital. I

I Conexión con el mundo real • Aroma de zorrillo. Uno de los olores más repugnantes que están presentes en el almizcle de zorrillo corresponde al trans-2buten-1-tiol, que es en esencia una molécula de trans-2-buteno con un grupo —SH en el primer átomo de carbono. • Hoy en día se considera que los sustitutos de mantequilla con dobles enlaces con isomería cis son mejores para la salud humana que los que tienen la isomería trans.

A l igual que los alcanos y que todos los dem ás hidrocarburos, los alquenos se quem an, pero estos com puestos no se utilizan com o com bustible. L as reacciones características de los alquenos se clasifican com o rea ccio n es d e ad ició n . D urante una reacción de ad i­ ción se rom pe uno de los enlaces del doble enlace, lo cual perm ite que estos átom os de carbono form en enlaces con un átom o o grupo adicional. P or ejem plo, el eteno (etileno) sufre adición de hidrógeno en p resencia de un catalizador de níquel, N i, platino, Pt, o paladio,P d,p araf orm are tano. H

H \

C=C

/

/

H

+

H -H

Ni -------- >

\

H

H E teno (etileno)

H idrógeno

H I I H - C —C - H I I H H E tano

L os com puestos que contienen dobles enlaces carbono-carbono son in s a tu ra d o s; pueden incorporar hidrógeno y reaccionar con él en p resencia de un catalizador adecua­ do para form ar un alcano. E ste proceso, conocido com o h id ro g e n a c ió n , se em plea en escala industrial p ara transform ar los aceites vegetales insaturados (líquidos) en las gra­ sas saturadas con las que se elaboran m antecas vegetales sem isólidas. L a diferencia en ­ tre el aceite líquido y la grasa sólida se debe a un a diferencia en el núm ero de dobles enlaces presentes; los aceites insaturados tienen m ás dobles enlaces, y las grasas satura­ das tienen m enos. L a hidrogenación tam bién se em plea p ara producir m argarina, cuyas propiedadess ea sem ejana l asd el am antequilla. L os alquenos tam bién sufren reacciones de adición con m oléculas de halógeno. C uando el brom o reacciona con un alqueno, se produce un cam bio de color definido, lo que perm ite utilizar esta reacción com o ensayo de insaturación. E n térm inos específi­ cos, cuando se m ezcla un alqueno con un disolvente que contiene un a pequeña cantidad de brom o, de color rojo oscuro, el color desaparece conform e el alqueno reacciona con elb romo. H

H \

C=C

/

H

+

B r-B r

H H I I H - C —C - H

----- >

H

Br Br

E teno

B rom o (rojo)

1,2-dibrom oetano (incoloro)

L a reacción del agua con un alqueno para form ar un alcohol es otro tipo im portan­ te de reacción de adición. E sta reacción, conocida com o hidratación catalizada p o r áci­ d o ,r equiereu n á cidof uerte,c om oe lá cidos ulfúrico,H 2SO4,c om oc atalizador. H

\

/

H

C=C H

+

H —OH

H E teno

Véanse los problemas 19 .1 7 -19 .28.

h 2s o 4

-------- >

H i

i

H — C - C —H H

A gua

H

OH

E tanol

Se fabrican enorm es cantidades de etanol (llam ado com únm ente alcohol etílico), que se utiliza com o disolvente industrial, a partir de etileno. D e m odo análogo, el alcohol iso­ propílico, que se em plea com o alcohol para fricciones corporales, se prepara a partir de propeno.

L as reacciones m ás im portantes de los alquenos son probablem ente las que tienen que ver con la polim erización. Los p olím eros (del griego poly, “m uchas”, y meros, “partes”) son m oléculas gigantes form adas a partir de m uchas m oléculas pequeñas. L a p o lim e­ rización del etileno para form ar polietileno se representa com o sigue.

H

+ Vc=c^ T_T

/

H H \

+ V,c=c

TT

T_r

/

H H \T T

H

+ TJ

/

c=c

\

TJ

H

H H H H H H

l c— i lc— i c— l c— í c+ • • • — > • • c— l

i

l

i

l

í

H H H H H H Polietileno

L as líneas punteadas de la fórm ula del producto indican que la estructura se extiende m uchas unidades en am bos sentidos. A dvierte que los dos átom os de carbono y los cu a­ tro átom os de hidrógeno de cada m olécula de m onóm ero se incorporan a la estructura del polím ero. E n la figura 19.12 se m uestran m odelos del polietileno, pero cada uno re ­ presenta sólo una pequeña parte de una m olécula real. L as m oléculas de polietileno rea­ les tienen un núm ero variable de átom os de carbono; el p rom edio es de 6000 átom os de carbono. M ediante la sustitución de uno o m ás átom os de hidrógeno de la sencilla m olécula del eteno po r diversos grupos, se puede obtener una colección fantástica de polím eros “de adición” sintéticos. L a tabla 19.7 es una lista de algunos de ellos. E n esta tabla, la unidad polim érica que se repite se h a encerrado entre corchetes con enlaces que se ex ­ tienden hacia am bos lados. E l subíndice n indica que este fragm ento de m olécula se repiteu nn úm erom uyg randed ev ecese nl ae structurac om pletad elp olím ero.

Figura 19.12 M odelos de esferas y palos y de sem iesferas de un segm ento de u n a m o lécu la de p o lietilen o .

T a b la 19.7

E je m p lo s s e le c c io n a d o s d e p o lím e r o s d e a d i c ió n N om bre del polím ero y símbolo de reciclam iento

Polím ero

M onóm ero

Etileno h 2c = c h 2

H

H

I

I

Polietileno Alta densidad Baja densidad

-c -c I

H

&

I

H

HDPE Propileno h 2c = c h —c h 3

H

H

I

I

Estireno H2C = C H

A

I

H

CH,

H

H

pp

Poliestireno

& PS

Cloruro de vinilideno H2C = C H —Cl

Cloruro de vinilideno H2C=CC12

H H | | —c —c — 1 1 H Cl

Poli(cloruro de vinilo), PVC

A n

" h a " 1 1 —c —c — 1 1 h a

V Poli(cloruro de vinilideno), Sarán

H

_

-n

X

Metacrilato de metilo

0

" H

1

0

CH, 1

Poliacrilonitrilo, Orlón, Acrilán, Creslán, Dynel

Hilo, pelucas, fibras para ropa, alfombras

Poli(acetato de vinilo), PVA

Adhesivos, recubrimientos textiles, resina para goma de mascar, pinturas de látex

Poli(metacrilato de metilo), Lucite, Plexiglás

Sustituto del vidrio, bolas de boliche, lentes de contacto, empastes dentales

tt¡ u> —

3

1 1 H C -0 -C H 3

_

Recubrimiento antiadherente para utensilios de cocina, tubos, válvulas, juntas

_

— c —c —

h 2c = c - c - o —c h 3

Politetrafluoroetileno, Teflón

=n 1 n

h 2c = c h —0 —c —c h 3

ll

O

Envoltura de plástico, botellas, tubería de PVC, zapatos, mangueras para jardín, revestimiento exterior de casas, taijetas de crédito Envoltura de alimentos

n

O1

0

CN

" H H | | —c —c — 1 1 B-

Acetato de vinilo

Aisladores de espuma plástica, vasos para bebidas calientes, materiales de empaque, empaquetado, recipientes para alimentos

n

H H 1I 1I —c —c —

Acrilonitrilo H2C = C H —CN

Alfombras para interiores y exteriores, botellas, tubería, cuerdas, juguetes, envoltura de plástico

n

" F F 11 11 —c —c — 1 1 F F

Tetrafluoroetileno f 2c = c f 2

Bolsas de plástico, botellas, tubos, aisladores eléctricos, juguetes

LDPE

Polipropileno

-c - c — I

&

Algunos usos

-

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO E l p o lie tile n o d e b a ja d e n s id a d (L D P E , p o r su s sig la s e n

D o s p o lie tile n o s H a y d o s tip o s d e p o lie tile n o q u e so n m u y c o m u n e s. E l p o lie tile n o d e a lta d e n sid ad (H D L P , p o r sus sig las e n in g lé s) tie n e m o lé c u ­ las lin e a le s q u e se e m p a q u e ta n d e fo rm a c o m p a c ta y fo rm a n u n p lá stic o ríg id o co n e l q u e se fab rica n ja rra s p a r a la lech e, m a n te ­ q u ille ro s, b o te lla s d e d e te rg e n te y d e c h a m p ú , ju g u e te s , etcétera.

in g lé s ) tie n e a lg u n a s c a d e n a s r a m ific a d a s y f o rm a u n p lá s tic o m e n o s ríg id o , c o n e l q u e se e la b o ra n lá m in a s d e p lá s tic o , b o l­ sas p a r a b a s u ra , fra s c o s c o m p re s ib le s p a r a m o s ta z a y a s p e rs io ­ n e s n a s a le s, y o tro s p ro d u c to s d e c o n s u m o . E l p o lie tile n o e s e l p lá s tic o d e u so m á s e x te n d id o e n el m u n d o , c o n u n a p r o d u c ­ c ió n a n u a l d e a lr e d e d o r d e 4 0 0 0 0 m illo n e s d e k g .

La leche, el jugo de naranja y ciertos detergentes líquidos se expenden en recipientes de polietileno de alta densidad (a) que se identifican por el símbolo de reciclamiento que lleva el número 2 y las letras HDPE. Con el polietileno de baja densidad se hacen láminas de plástico, bolsas para basura y bolsas para emparedados (b). El símbolo de reciclamiento tiene el número 4 y las letras LDPE.

I Conexión con el mundo real 1 kg de tomates puede madurar exponiéndolo a tan sólo 0.1 mg de etileno durante 24 horas. Figura 19.13 E l c o lo r n a ra n ja de la s z an ah o rias y la s b a ta ta s se d ebe a la m o lé c u la d e caro ten o , q u e tiene v ario s d o b les e n la c e s . L o s an im ales tra n sfo rm a n el c a ro te n o en v ita m in a A , que es in d isp e n sa b le p a ra el b u e n fu n c io n a m ie n to d el sen tid o de la v ista .

Presencia de los alquenos en la naturaleza L os alquenos se encuentran am pliam ente distribuidos en la naturaleza. L as frutas y ver­ duras en proceso de m aduración despiden etileno, que provoca una m aduración adicio­ nal. L os proveedores de frutas introducen etileno p o r m edios artificiales p ara acelerar el proceso de m aduración. I E l aceite esencial de lim ón contiene 1-octeno, y en el hígado de los peces hay octadeceno, C 18H 36. E l café contiene H 2C = C H — C H = C H 2. E l licopeno y los carotenos son polienos isóm eros, C40H 56, que im parten coloraciones rojas, anaranjadas y am arillas a los tom ates, zanahorias, sandías y otras verduras y frutas (Fig. 19.13). L a vitam ina A, indispensable p ara un a bu en a vista, es un derivado del caroteno. L a vitam ina A se transform a en el cuerpo en trans-retineno, que absorbe la luz visible y se convierte en cis-retineno. A este proceso, que ocurre en la retin a del ojo, se debe en parte el fenóm eno de la visión. E l m undo sería un lugar m ucho m ás oscuro sin la quím ica del osa lquenos.

Hidrocarburos aromáticos E l b en c en o y otros com puestos afines representan un a fam ilia m ás de hidrocarburos. El benceno es un líquido no po lar que hierve a 80°C y flota en el agua. E ste líquido p are­ cido a la gasolina fue aislado p o r prim era vez de un subproducto del aceite de ballena po r M ichael Faraday en 1825. L a fórm ula m olecular del benceno es C 6H 6. Se pueden escribir m uchas estructuras que corresponden a esta fórm ula. Tres de estas estructuras sonl ass iguientes.

H

H H H H l

i

l

i

H— C = C — C = C — C = C —H

H

\

I

C

H C

H H I

I

I

I

H— C = C — C— C — C = C —H H H

/

H

. A

C

H

I

H

L a sustancia real, el benceno, no tiene las propiedades que se esperaría de estas estruc­ turas. Por ejem plo, si el benceno contuviera dobles o triples enlaces, sufriría reacciones de adición con facilidad, pero no es así. E stablecer una estructura apropiada que explicara las extrañas propiedades del b en ­ ceno representó un gran reto p ara los quím icos de la época. E l quím ico alem án Friedrich A ugust K ekulé propuso la estructura anular de seis m iem bros que aquí se m uestra (arriba a la derecha). L a estructura de Kekulé, con un anillo de átom os de carbono u n i­ dos por enlaces sencillos y dobles alternados, y con un átom o de hidrógeno unido a cada átom o de carbono, es la m ejor representación propuesta en aquella época, y es atinada en ciertosa spectos. E l benceno tiene en efecto una estructura anular de seis m iembros, y todos los átomos de hidrógeno son equivalentes, pero para que el benceno se com porte com o lo hace no debe tener dobles enlaces ordinarios. En cambio, todos los enlaces carbono-carbono son equiva­ lentes. A fin de p oner de relieve esta n aturaleza especial de los enlaces del anillo bencénico, se representa el benceno por m edio de un hexágono con un círculo.

E n este caso, una vez m ás, es preciso llegar a un arreglo. N o se pueden contar cuatro en ­ laces covalentes unidos a cada átom o de carbono cuando se utiliza un círculo dentro de una estructura hexagonal. M uchos quím icos em plean el sím bolo de un círculo dentro de un hexágono y tam bién, indistintam ente, las estructuras de K ekulé sim plificadas que aquí se m uestran.

L a flecha de doble pun ta ( o ) entre las dos estructuras representa un a resonancia. Esto significa que ninguna de las dos estructuras existe en realidad con enlaces dobles y sen­ cillos alternados, sino que el benceno es un híbrido de resonancia de las dos estructu­ ras; sus propiedades no son com o las de un alqueno n i las de un alcano. L a producción anual de benceno en E stados U nidos es de alrededor de 7200 m illo ­ nes de kg. Se utiliza extensam ente com o disolvente y en la producción de com puestos afines. Se piensa que el benceno provoca leucem ia en los trabajadores que se exponen a él por largo tiem po; por consiguiente, se h a restringido su uso. N um erosos com puestos, tanto naturales com o sintéticos, contienen uno o m ás an i­ llos bencénicos, pero la naturaleza quím ica de estos com puestos varía am pliam ente; en ­ tre ellos se cuentan diversos explosivos, am inoácidos y m edicam entos. L os com puestos que contienen uno o m ás anillos bencénicos se clasifican com o com puestos a r o m á ti­ cos. L a parte de una m olécula grande que contiene el anillo recibe el nom bre de g ru p o

CHo

CU, CH3 o-Xileno (1,2-Dimetilbenceno)

a

m-Xileno (1,3-Dimetilbenceno)

CH-i

o-Nitrotolueno (2-Nitrotolueno)

ELC

p-Xileno (1,4-Dimetilbenceno)

CHo

ch 3 (1,3,5-Trimetilbenceno)

2,4,6-Trimtrotolueno (TNT)

Figura 19.14 A lgunos

aH 0 ^ a

hidrocarburos arom áticos y

p-Diclorobenceno

Naftaleno

Antraceno

a rilo (su sím bolo es Ar). L os hidrocarburos que no contienen anillos bencénicos se clasificanc om oc om puestos alifáticos. N um erosos com puestos arom áticos se derivan del benceno por sustitución de uno o m ás de sus átom os de hidrógeno por diversos grupos. Por ejem plo, la sustitución de un átom o de hidrógeno po r un grupo m etilo produce m etilbenceno, m ejo r conocido com o tolueno. E l to lu e n o (se m uestra al m argen) es un disolvente im portante y m ateria prim a p ara la síntesis de otros com puestos arom áticos (Fig. 19.14), p o r ejem plo, el explosivo conocidoc om o TNT,q uee su n aa b reviaturad e2 ,4,6-trinitrotolueno. E l producto de la sustitución de un átom o de hidrógeno del benceno por un grupo etilo es el etilbenceno. E ste com puesto se convierte p o r m edios quím icos en estireno, que se polim eriza p ara fabricar poliestireno, una de cuyas form as com erciales es la conocidae spum ad ep oliestireno.

sus derivados.

CH, Tolueno

c h 2c h 3 Etilbenceno

O

-

ch=ch2

Estireno

E J E M P L O 19.9

Com puestos aromáticos

E scribe el nom bre del com puesto cuya estructura m olecular es

c h 2c h 2c h 3

SOLUCIÓN Considera este com puesto com o un grupo alquilo (un grupo propilo) unido al benceno. E l com puesto es propilbenceno. E J E R C IC IO 19.9 (a) E scribe el nom bre del hidrocarburo arom ático que tiene dos anillos bencénicos unidos lado con lado. E sta sustancia no polar, blanca y con aspecto de cera, se u ti­ liza com únm ente en form a de bolas para com batir la polilla. (b) E scribe el nom bre del com puesto que se representa m ediante la estructura

CH,

C uando un anillo bencénico está unido a un grupo orgánico grande, es el anillo bencénico el que se nom bra com o grupo sustituyente. A este anillo se le llam a g ru p o fenilo, y su sím bolo es

0

c 6h 5-

A sí, po r ejem plo, c h 3c h c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2c h 3

el nom bre del com puesto es 2 -feniloctano. Cuando hay dos sustituyentes unidos a un anillo bencénico, se debe indicar de algún m odo sus posiciones relativas, p ara lo cual existen dos m étodos. U no de ellos es el m étodo de la IUPA C de usar núm eros. E l otro m étodo indica las posiciones relativas m ediante los prefijos orto-, m eta- y para-. E l prefijo orto- se abrevia o-, e indica que los sustituyentes están en átom os de carbono adyacentes. U n com puesto orto- sustituido es un benceno 1,2-disustituido. E l prefijo m eta- o m- se aplica a los bencenos 1,3-disustituidos, y el prefijo para- o p -, a los bencenos 1,4-disustituidos. L as cuatro estructuras que siguen representan el m ism o com puesto: 1,3-dinitrobenceno o m -dinitrobenceno. E l grupo — N O 2 se llam a grupo nitro.

Conexión con el aprendizaje Las cuatro estructuras del 1,3dinitrobenceno (m-dinitrobenceno) son equivalentes.

Véanse los problemas 19 .29-19 .36.

C uando hay tres o m ás sustituyentes unidos a un anillo, se debe em plear el sistem a de num eración para indicar las posiciones de estos grupos. E n la figura 19.14 se m uestran las estructuras y nom bres de varios com puestos arom áticos.

Alcoholes U n alco h o l es un com puesto orgánico que contiene un grupo hidroxilo, — OH, unido de form a covalente a un grupo alquilo. A sí, p o r ejem plo, un grupo m etilo, C H 3— , unido a un grupo hidroxilo form a el alcohol C H 3OH, conocido com o alcohol m etílico. É ste es su nom bre com ún; su nom bre IUPAC es m etanol. E l grupo — O H , que está presente en todos los alcoholes, es lo que se conoce com o el grupo fu n cio n a l. M ás adelante se describiráu nag ranv ariedadd ec om puestosc ond iferentesg ru p o sf uncionales. P ara dar el nom bre IUPAC de un alcohol, basta con agregar la letra “l” al final del nom bre del alcano progenitor. A sí, por ejem plo, C H 3O H es m etanol, y C H 3C H 2O H es etanol. E xisten dos isóm eros del propanol: uno con el grupo — O H situado en el prim er átom o de carbono (1-propanol), y el otro con el grupo — O H en el átom o de carbono núm ero 2 (2-propanol). P robablem ente se reconozca m ás fácilm ente al isóm ero 2-propanol por su nom bre com ún: alcohol isopropílico. E n form a de solución al 70% se em ­ plea com o alcohol para fricciones corporales. Las estructuras de estos isóm eros son las si guien tes:

OH

1 -propanol

2 -propanol (alcohol isopropílico)

H ay cuatro alcoholes butílicos, los cuales se form an al unirse un grupo — O H a cada uno de los cuatro grupos butilo (consulta la tabla 19.5). Todos los alcoholes pertenecen a una de tres clases, conocidas respectivam ente co ­ m o alcoholes p rim a rio s (1°), se cu n d a rio s (2°) y te rc ia rio s (3°). Estas clases se basan en el núm ero de átom os de carbono unidos al átom o de carbono que tiene el grupo hidroxilo.U n a lcoholc onl ae structura

—C — I H — —H I OH se clasifica com o alcohol prim ario p orque el grupo — O H está u nido a un átom o de car­ bono prim ario, es decir, a un átom o de carbono unido a un solo grupo alquilo o arilo (y a dos átom os de hidrógeno). L a estructura siguiente de un alcohol

—c — I - C ---------H I I OH I

es secundaria porque el grupo — O H está unido a un átom o de carbono secundario, es decir, a uno que está enlazado a otros dos grupos alquilo o arilo y a un átom o de hidró­ geno. Por últim o, si el grupo hidroxilo está unido a un átom o de carbono enlazado a tres gruposa lquiloo a rilo,e la lcohole st erciario.

—C — I I I —c - —c — I I I OH L a figura 19.15 m uestra que los cuatro alcoholes butílicos se clasifican cada uno com o prim ario, secundario o terciario. L as diferencias de reactividad de los alcoholes están relacionadas con la estructura prim aria, secundaria o terciaria de la posición de unión del grupo — OH. E l m e tan o l, C H 3O H (alcohol m etílico), que es el alcohol m ás sencillo, es un líq u i­ do que hierve a 34°C y es m uy tóxico. L a ingestión de tan sólo 30 m L puede producir ceguera perm anente o incluso la m uerte. L os bioquím icos em plean la abreviatura L D 50 p ara indicar la dosis, en gram os por kilogram o de peso corporal, que sería letal para el 50% de una población de anim ales de ensayo. E n la tabla 19.8 se indica la toxicidad de algunos alcoholes. E l m etanol se conoce tam bién com o alcohol de m adera porque se puede preparar calentando m adera en ausencia de aire hasta que la m adera se degrada. E l vapor que se desprende durante la reacción contiene m etanol — adem ás de otras sustancias— , el cual se recoge a m edida que se form a. E ste proceso se denom ina d e stila c ió n d e s tru c tiv a

c h 3c h 2c h 2c h 2 d h

■Este átomo de carbono primario (que tiene el grupo — OH) está unido a un solo átomo de carbono más.

Este átomo de carbono primario está unido a un solo átomo de carbono.

C H 3C H C H 2O H CH,

Alcohol butílico (un alcohol primario)

Alcohol isobutílico (un alcohol primario)

Este átomo de carbono secundario está unido a dos átomos de carbono.

Este átomo de carbono terciario está unido a tres átomos de carbono.

C H 3C H 2C H C H

Alcohol sec-butflico (un alcohol secundario)

Alcohol fert-butílico (un alcohol terciario)

Figura 19.15 L os cuatro alcoholes b utílicos y su clasificació n com o prim arios, secundarios y terciarios.

(Fig. 19.16). P ara la producción de m etanol en escala com ercial se utiliza un a reacción delm onóxidod ec arbonoc onh idrógeno. CO + 2 H2

L ar eacciónc atalizadas el levaa c aboa t em peraturay p resióne levadas. C ada año se producen en E stados U nidos aproxim adam ente 5000 m illones de kg de m etanol, el cual se utiliza com o disolvente, com o com bustible I y com o m ateria prim ap ara la f abricaciónd ea ditivosp arac om bustibles,a dhesivos, fibrasy p lásticos. E l etan o l, C H 3C H 2OH, con un punto de ebullición de 78°C, es el segundo m iem ­ bro de la serie hom óloga de los alcoholes. Es q u izá m ejo r conocido p o r sus otros n om ­ bres: alcohol etílico y alcohol de grano. P ara la confección de bebidas se utiliza alcohol producido por ferm entación de granos. A l igual que el m etanol y que otros alcoholes de m asa m olar pequeña, el etanol es tóxico. L a ingestión rápida de m edio litro (500 m L) de etanol puro es m ortal p ara casi cualquier persona. E ncontrarás m ás detalles al respecto ene lr ecuadros obree la lcohole tílico. A dem ás de su uso com o bebida, cada año se producen en E stados U nidos alrededor de 250 000 kg de etanol p o r m edios sintéticos. E l producto se utiliza com o disolvente y com o m ateria prim a p ara m uchos otros productos quím icos. L a m ayor parte del etanol que se produce industrialm ente se p rep ara p o r m edio de la reacción del etileno con agua catalizadap oru n á cido.

I Conexión con el mundo real Los autos de carreras de las 500 Millas de Indianápolis queman metanol.

T a b la 19.8

Alcohol

-> c h 3o h

D o sis l e t a l e s o r a le s ( e n r a ta s ) d e a lg u n o s a lc o h o le s

Estructura

Punto de ebullición (°C)

LDso (g/k g d e peso corporal)

Usos D is o lv e n te , a d itiv o p a r a c o m b u s tib le s D iso lv e n te , b e b id a s

M e ta n o l

c h 3o h

64

*

E ta n o l

c h 3c h 2o h

78

7 .0 6

1 -P ro p a n o l

c h 3c h 2c h 2o h

97

1.87

D is o lv e n te

2 -P ro p a n o l

c h 3c h o h c h

82

5.8

D iso lv e n te , fric c io n e s c o rp o ra le s

1 -B u ta n o l

c h 3c h 2c h 2c h 2o h

118

4 .3 6

D is o lv e n te

3

1 -H e x a n o l

C H 3(C H 2)4C H 2O H

156

4 .5 9

D iso lv e n te , p la s tific a n te

E tile n g lic o l

h o c h 2c h 2o h

198

8 .5 4

A n tic o n g e la n te

G lic e ro l

h o c h 2c h o h c h 2o h

2 9 0 (se d e s c o m p o n e )

> 25

H u m e c ta n te

Figura 19.16 A p arato p ara la d estilació n destructiva de m adera. L a m ad era se calien ta en un tubo c errad o , y el alco h o l se co n d en sa en el segundo tu b o por efecto d el ag u a fría del vaso. L os g ases q u e se fo rm an d u ran te el proceso se p u ed en q u e m a r con fo rm e salen por el tu b o d e ventilación.

C H 2 = C H 2 + H 2O

C H 3C H 2OH

E l etanol sintético tiene exactam ente las m ism as propiedades que el etanol elab o ­ rado po r ferm entación. E l etanol sintético es m ás económ ico en general y, a diferencia de las bebidas alcohólicas, no está gravado con un im puesto especial. A fin de im pedir el consum o de alcohol sintético com o bebida, se le agregan sustancias tóxicas o n o ci­ vas, com o gasolina o m etanol, por ejemplo. E l alcohol d e s n a tu ra liz a d o así obtenido no es apropiado para beberse.

Alcoholes polihidroxilados L os alcoholes descritos hasta este punto contienen cada uno un solo grupo hidroxilo por m olécula. L os alcoholes que contienen m ás de un grupo — O H se denom inan alco h o les p o lih id ro x ilad o s. U n alcohol con dos grupos — O H es un diol. E l diol m ás com ún es el 1,2-etanodiol, conocido en general com o etilenglicol. Su estructura es la siguiente:

H ,C — OH 2

|

H 2c — OH

C on una producción anual de m ás de 1000 m illones de kg, el etilenglicol se cuenta entre las 30 sustancias quím icas de m ayor producción en E stados U nidos. E ste líquido vis­ coso que se fabrica a partir de etileno es el ingrediente ordinario del anticongelante, y se u sa extensam ente en la m anufactura de fibras y películas de poliéster (Fig. 19.17). Los puentes de hidrógeno que se form an entre los grupos — O H de diferentes m oléculas son la causa de que esta sustancia tenga un punto de ebullición relativam ente alto, de 197°C, en com paración con otras sustancias de m asa m olar sem ejante. E l glicerol, tam bién conocido com o glicerina, es un im portante trio l cuya estructurae s h 7c

Figura 19.17 E l etilenglicol es el in g red ien te principal de las soluciones anticongelantes p erm an en tes.

— oh

2 I

h c - oh

I

h 2c

— oh

E l glicerol es un subproducto de la fabricación de jabó n que se utiliza com o agente hum ec­ tante en lociones para las m anos y cosméticos, y es también una im portante sustancia b io ­ química. Las m oléculas de las grasas (lípidos) típicas son derivados del glicerol; es decir, contienen diversos grupos unidos al glicerol. Los m édicos efectúan rutinariam ente pruebas en m uestras de sangre para determ inar el nivel de triglicéridos, los cuales incluyen grasas sencillas y otras m oléculas con tres grupos unidos a una estructura de glicerol. I E xisten m uchos alcoholes; aquí se han presentado sólo algunos. Todos los alcoho­ les se caracterizan por la presencia de un grupo hidroxilo (— O H ), al cual se deben casi

I Conexión con el aprendizaje Los triglicéridos y otros lípidos se estudian con más detenimiento en la sección 20.2.

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO A lc o h o l e tílic o : la b e b id a E l e ta n o l, C H 3C H 2O H , e s e l a lc o h o l c o n e l q u e se e la b o ra n b e ­ b id a s y q u e se p r o d u c e p o r fe rm e n ta c ió n d e g ra n o s o d e o tro s m a te ria le s q u e c o n tie n e n a z ú c a r o a lm id ó n . U n a e n z im a c a ta li­ z a la h id ró lis is d e l a lm id ó n q u e p r o d u c e u n id a d e s in d iv id u a le s d e azúcar. L a re a c c ió n d e ferm e n ta c ió n d e la glu co sa, u n a z ú c a r d e se is á to m o s d e c a rb o n o , es la sig u ie n te : levadura

-

C 6H 12O 6 > 2 C H 3C H 2O H + 2 C O 2 L a fe rm e n ta c ió n d e l az ú c a r p re se n te e n las uvas p ro d u c e vino. L a c e rv e z a se e la b o r a a p a r tir d e c e b a d a m a lte a d a y d e o tro s c e r e a ­ le s q u e c o n tie n e n h a r in a y q u e se fe rm e n ta n d e s p u é s d e d a rle s s a b o r c o n lú p u lo . E l w h is k y se o b tie n e p o r d e s tila c ió n d e m a íz , c e b a d a o trig o fe rm e n ta d o . E l v o d k a se p r e p a r a d e s tila n d o a lc o ­ h o l d e p a s ta d e p a ta ta s . E l ro n se o b tie n e d e la d e s tila c ió n d e m e la z a f e rm e n ta d a d e c a ñ a d e azú ca r. L a b e b id a ja p o n e s a c o n o ­ c id a c o m o sa k e se p re p a ra a p a rtir d e arroz. E l te q u ila se e la b o ra c o n e l ag av e az u l d e u n a re g ió n e sp e c ífic a d e M é x ico . E n to d o s lo s c a s o s, e l p ro c e s o d e fe rm e n ta c ió n p r o d u c e e ta n o l. P o c a s b e ­ b id a s a lc o h ó lic a s tie n e n m á s d e 4 5 % d e e ta n o l, o 4 5 °. E n lo s p a ís e s d e h a b la in g le s a se u tiliz a u n a g ra d u a c ió n d e b e b id a s a lc o h ó lic a s lla m a d a proof (p ru e b a ), q u e e q u iv a le a d o s v e c e s e l p o r c e n ta je d e a lc o h o l e n v o lu m e n . E l té rm in o tie n e su o rig e n e n u n m é to d o in g lé s d e l sig lo x v i i p a r a p r o b a r e l c o n te n i­ d o d e a lc o h o l d e l w h isk y . E l e n s a y o d e l w h is k y c o n s is tía e n v e r ­ te r u n p o c o d e é l so b re p ó lv o r a y e n c e n d e r é s ta . S i la p ó lv o ra a rd ía d e s p u é s d e h a b e rs e q u e m a d o e l alc o h o l, e llo se c o n s id e ra ­ b a c o m o u n a “p r u e b a ” d e q u e e l w h is k y n o c o n te n ía d e m a s ia d a

El etanol es la sustancia química clave presente en la cerveza, el vino, el tequila, las bebidas mezcladas y todas las demás bebidas alcohólicas.

ag u a. M á s d e d o s te rc e ra s p a rte s d e la p o b la c ió n a d u lta d e E s ta ­

C o rre la c ió n e n tre los trago s co n su m id o s, el nivel de alcoho l en la sangre y el co m p o rta m ie n to de un b e b e d o r m o d e ra d o de 70 kg de peso

d o s U n id o s c o n s u m e b e b id a s a lc o h ó lic a s a l m e n o s d e f o rm a o c a s io n a l. N o o b s ta n te q u e la m a y o r ía lo h a c e d e m o d o r e s p o n ­ sa b le, e s c o m ú n e l u so in a d e c u a d o (y e l a b u so ). H a y a p r o x im a ­ d a m e n te 10 m illo n e s d e a lc o h ó lic o s e n E s ta d o s U n id o s q u e so n

N ú m e ro de “ co p as” ingeridas

N ive l de alcoho l en la sangre ( % en vo lu m en )

2

0 .0 5

E fe c to se d a n te suave: tr a n q u ilid a d

4

0 .1 0

F a lta d e c o o rd in a c ió n

c a n tid a d p r o d u c e in c o n c ie n c ia e in c lu so la m u e rte . E n la ta b la se

6

0 .1 5

E m b ria g u e z e v id e n te

10

0 .3 0

in c o n c ie n c ia

in d ic a n lo s e fe c to s c a ra c te rístic o s d e d iv e rso s n iv e le s d e a lc o h o l e n la sa n g re, p e ro lo s e fe c to s e sp e c ífic o s v a ría n p a r a c a d a p e r s o ­ n a, se g ú n su p e s o c o rp o ra l, la c a n tid a d d e a lim e n to p re s e n te e n

20

0 .5 0

P o s ib le m u e rte

in c a p a c e s d e c o n s e rv a r u n e m p le o r e g u la r o d e m a n te n e r r e la ­ c io n e s fa m ilia re s e s ta b le s. P o r a ñ a d id u ra , e n m á s d e la m ita d d e

C o m p o rta m ie n to 1'

lo s a c c id e n te s a u to m o v ilís tic o s m o rta le s p a r tic ip a a l m e n o s u n c o n d u c to re b rio . P o r lo g e n e ra l, e l a lc o h o l a c tú a c o m o u n d e p re s o r m o d e r a ­ d o q u e r e ta rd a la a c tiv id a d tan to fís ic a c o m o m e n ta l. E n g ra n

su e s tó m a g o , su e x p e rie n c ia c o m o b e b e d o r y o tro s fa c to re s.

*Una copa es una “medida” de 30 mL de whisky de 45°, una bote­ lla de cerveza de 360 mL o una copa de vino de 150 mL.

L o s im p u e s to s so b re b e b id a s a lc o h ó lic a s r e p re s e n ta n a lre ­ d e d o r d e 6 0 0 0 m illo n e s d e d ó la re s a l año e n E sta d o s U n id o s. S e e s tim a q u e d e 10 0 0 0 0 a 2 0 0 0 0 0 fa lle c im ie n to s so n a trib u ib le s

fUn bebedor inexperto experimentará efectos más intensos, o más rápidos, que una persona habituada a beber con moderación. Por el contrario, para un bebedor fuerte experimentado los efectos serían menores.

d e tra ta m ie n to m é d ic o , a c c id e n te s , h o ra s d e tra b a jo p e rd id a s y o tro s fa c to re s, se e s tim a e n m á s d e 12 0 0 0 0 m illo n e s d e d ó la re s al año.

al a lc o h o l c a d a añ o . E l c o s to to ta l p a r a la s o c ie d a d , e n té rm in o s

T a b la 19.9 A lg u n o s g r u p o s f u n c i o n a l e s o r g á n ic o s Nombre de la clase

G rupo funcional

Fórmula general de la clase

Nombre de la clase

Grupo funcional

Fórmula general d e la clase H

Alcano

Ninguno

R—H

A mina

—C — N —

R— N —H

1

Alqueno

—c = c —

R' R" 1 1 R— C = C —R "'

Alquino

—c = c —

R— C = C —R '

Halogenuro de alquilo

—c—X

R—X

R' R— N —R "

Ácido carboxílico

— c —0 —H 1

R—0 —H

O

II — c —H

Cetona

— c —N — i

R—O —R'

0 Aldehido

1

II

1 1 — c —0 —c — 1 1

R— C —H

O

O

—c —

R—C — R'

todas las reacciones características de los alcoholes. El grupo — O H es el g ru p o fu n cio n al de todos los alcoholes. L a fórm ula general de un alcohol se representa com o R— OH, donde R es el sím bolo del grupo alquilo. L os com puestos orgánicos y sus reacciones ca­ racterísticas representativas se clasifican en función de los grupos funcionales específi­ cos que contienen. L a tabla 19.9 presenta una lista de los grupos funcionales orgánicos m ási m portantes.

E J E M P L O 19 .10

Alcoholes

E scribe un nom bre de cada una de las estructuras siguientes e indica cuáles son isóm erose structurales. (a) C H 3C H C H 3

(b) C H 3C H C H 2O H CH3

OH (c) C H 3C H 2C H C H 3 OH

(d) c h 3c h 2c h c h 2c h 3 OH

1

—c—0—c— 0

Amida Éter

O II —C — O — H O II

1 Éster

Alcohol

H 1 R— N —R '

O II R— C — O — H O II R—C — O — R'

0 II R— C — N —H 1

H 0 II R— C — N —R ' |

H O II R— C — N —R ' 1 R"

SOLUCIÓN (a ) alcohol isopropílico o 2 -propanol (b ) alcohol isobutílico o 2 -m etilpropanol (c) alcohol sec-butílico o 2 -butanol Véanse los problemas 1 9.37-1 9.4 8 .

(d ) 3-pentanol L as estructuras (b ) y (c) son isóm eros estructurales; am bas con alcoholes de cuatro áto ­ m os de carbono. E J E R C IC IO 19 .10 (a) D ibuja las estructuras del alcohol íerí-butílico y del 2-m etil-2-butanol. ¿Q ué tienen enc om úne stosd osa lcoholes? (b) ¿Q ué tienen en com ún el etilenglicol y el glicerol?

Fenoles L os com puestos que tienen un grupo hidroxilo unido a un anillo bencénico se llam an fenoles. L a fórm ula general de un com puesto fenólico es A r— OH, donde A r representa un anillo bencénico u otro grupo arom ático (bencénico sustituido). E l com puesto padre, c 6H 5 OH, se llam a sim plem ente fenol.

Fenol

OH

c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2c h 3 4-hexilresorcinol

Véanselos problemas 19 49 y 19.50.

L os fenoles han encontrado am plio uso com o antisépticos (sustancias que m atan m i­ croorganismos en tejidos vivos) y desinfectantes (sustancias destinadas a m atar m icroorga­ nism os en m uebles, pisos y en el h o g ar en general). E l fenol — en otro tiem po conocido com o ácido carbólico— fue el prim er antisép­ tico de uso extendido. Joseph L ister lo utilizó en 1867 p ara la prim era cirugía antisépti­ ca. E l fenol se h a em pleado com o ingrediente de diversas pom adas y unguentos. Por desgracia, el fenol no m ata sólo los organism os indeseables, sino todo tipo de células. Si se aplica sobre la piel puede provocar quem aduras graves. H a sido sustituido casi to ­ talm ente por antisépticos fenólicos m enos peligrosos com o el 4-hexilresorcinol, que se utilizae nc iertose njuaguesb ucales.

w

Éteres Se puede considerar a los alcoholes y fenoles com o derivados del agua en los que uno de los átom os de hidrógeno h a sido sustituido por un grupo alquilo (— R) o arilo (— Ar). Podem os pensar en los éte re s com o com puestos en los que am bos átom os de hidrógeno del agua han sido sustituidos por grupos alquilo o arilo. Sus fórm ulas estructurales gene­ rales son las siguientes:

R

L os éteres sencillos tienen nom bres sencillos. B asta con n om brar los grupos unidos al oxígeno después de la palabra éter y luego añadir la term inación -ico. P or ejem plo, el éter m etil tert-butílico (que se suele abreviar M T B E , p o r sus siglas en inglés) se h a con­ vertido en un controvertido m ejorador del índice de octano de la gasolina. Su fórm ula estructurale s CH, I

C H 3- 0

3

C -C H 3 ch 3

E l éter dietílico, C H 3C H 2 — O — C H 2C H 3, se usó extensam ente com o anestésico en el pasado; su uso principal hoy en día es com o disolvente. E l éter dietílico disuelve m u­ chas sustancias orgánicas, com o grasas y aceites, por ejem plo; adem ás, hierve a 36°C, p o r lo que es fácil evaporarlo para recuperar la sustancia disuelta. C on frecuencia se le llam a sim plem ente “éter” , y es m uy inflam able. Se em plea en las latas de aerosol para arranque rápido de autom óviles (Fig. 19.18). Siem pre que se utilice esta sustancia, se debe tener m ucho cuidado de evitar la p resencia de chispas o flam as. E n el sistem a de la IUPAC, los éteres se nom bran com o derivados alcoxilados de los alcanos. Prim ero, selecciona el nom bre de la cadena de carbonos m ás larga unida al oxígeno, y asígnale el nom bre del alcano. E l grupo alcoxi restante (el grupo RO— ) se nom bra com o grupo funcional unido al alcano. Así, p o r ejem plo, el nom bre del éter C H 3 — O — C H 2C H 2C H 3 esm etoxipropano. E J E M P L O 19.11

Figura 19.18

El éter dietílico , antes

usado extensam ente com o anestésico, se em p lea ah o ra en la in d u stria au to m o triz y com o solvente de grasas, aceites y otras sustancias orgánicas.

Éteres

E scribe el nom bre IUPAC y la fórm ula estructural del éter etil m etílico. SOLUCIÓN Este com puesto tiene un grupo etilo y un grupo m etilo unidos al oxígeno. Su nom bre IUPAC es m etoxietano. Su fórm ula estructural es C H 3C H 2 — o — c h 3 E J E R C IC IO 19.11 (a) E scribe el nom bre del alcohol que es un isóm ero estructural del m etoxim etano (éter dim etílico). (b) D ibuja la estructura del etoxietano y cita su nom bre com ún.

Aldehídos y cetonas L os aldehídos y las cetonas son dos fam ilias afines de com puestos orgánicos. Tanto los aldehídos com o las cetonas se caracterizan po r la p resencia de un g ru p o c a rb o n ilo , es decir, de un átom o de carbono unido por un doble enlace a un oxígeno y por enlaces sen­ cillos a átom os de hidrógeno o grupos alquilo (o arilo). O II

-----L os a ld e h íd o s tienen al m enos un átom o de hidrógeno unido al grupo carbonilo. En las ce to nas, el grupo carbonilo está unido sólo a grupos alquilo (R— ) o grupos arilo (Ar— ). 0 II H — C —H

0 II H — C — (R o A r) A ld e h íd o s

O II (A ro R )—

—(R o A r)

C e to n a s

Véanse losp roblemas 1951 y 19 .54.

Figura 19.19 M o d elo s d e esferas y palos y d e llen ad o de esp acios de (a) fo rm ald eh íd o y (b) acetaldehído.

E l aldehído m ás sencillo y de uso m ás extendido es el form aldehído (Fig. 19.19a). O

H—C —H I Conexión con el mundo real Se desprende formaldehído gaseoso de diversos productos nuevos como muebles, alfombras y revestimientos de muros. Esta sustancia es irritante para el sistema respiratorio y los ojos.

E s un gas a tem peratura am biente y se disuelve con facilidad en agua. E n form a de una solución al 40% conocida com o fo rm a lin a o form ol, se utiliza com o líquido p ara em ­ b alsam ar y, en ocasiones, com o conservador de especím enes biológicos, pero esta sus­ tancia es tóxica. E l form aldehído se utiliza extensam ente en la fabricación de adhesivos y plásticos. I Se prepara por oxidación de m etanol, y se encuentra entre los 25 p roduc­ tos quím icos de m ayor producción anual en E stados U nidos. E sta reacción es b ásica­ m ente la m ism a que se lleva a cabo en el cuerpo hum ano cuando se ingiere m etanol.

Las ecuaciones que aquí se muestran no están balanceadas. Sólo se indican los reactivos y productos principales.

I Conexión con el mundo real El etanol se oxida a acetaldehído en el cuerpo humano. El efecto conocido como resaca (cruda), que se experimenta cuando se ha bebido en demasía, se debe en parte a una acumulación de acetaldehído.

C H 3O H

O II

oxidación

Metanol

H—C —H Formaldehído

E l siguiente m iem bro de la serie hom óloga de los aldehídos es el acetaldehído, C H 3CH O (Fig. 19.19b). E n form a lineal, el grupo aldehído se escribe com o CH O . Por tanto, se puede escribir la fórm ula del acetaldehído com o C H 3CH O . E l acetaldehído se obtienep oro xidaciónd ee tanol. I O _

_

_

c h 3c h 2o h

Etanol

oxidación

----------->

CH3—c —H Acetaldehído

A dvierteq uel ao xidaciónd eu n a lcohol prim ariop roduceu n a ldehído.

P ara escribir el nom bre IUPAC de un aldehído, elim ina la -o final del alcano padre (la cadena de carbono m ás larga que contiene el grupo carbonilo) y agrega la term ina-

ción -al. A sí, po r ejem plo, el nom bre del form aldehído es m etanal, el del acetaldehído — cond osá tom osd ec arbono— e se tanal,y a sís ucesivam ente.

E J E M P L O 19 .12

Aldehídos

E scribe la estructura y el nom bre IUPAC del hom ólogo que sigue del etanal en la serie hom óloga de los aldehídos. SOLUCIÓN E ste hom ólogo tiene una unidad C H 2 m ás. Su nom bre es p ro p an al. O II C H 3C H 2— c —H E J E R C IC IO 19 .12 (a) E scribe el nom bre de la sustancia quím ica que se puede oxidar a propanal. (b) ¿Q ué grupo funcional está p resente en todos los aldehídos y cetonas? E l benzaldehído es un aldehído arom ático; tiene un grupo aldehído unido a un anillo bencénico. O

Tam bién conocido com o aceite esencial (sintético) de alm endra, el benzaldehído se em ­ plea com o ingrediente de saborizantes y fragancias. L a cetona m ás sencilla es la acetona (Fig. 19.20), la cual se prepara por oxidación de alcohol isopropílico, un alcohol secundario. I OH c h 3—

□ —ch3

A lcohol isopropílico

O oxidación

---------- >c h 3— — c h 3 A cetona

I Conexión médica Existen ensayos que indican los niveles sanguíneos de cetonas y cuerpos cetónicos (moléculas que se pueden transformar en cetonas). Un nivel anormalmente alto de cuerpos cetónicos recibe el nombre de cetosis.

A dvierte que la oxidación de un alcohol secundario produce u na cetona.

L a acetona es un disolvente com ún de m ateriales orgánicos com o grasas, barnices y ciertos m ateriales de caucho. E s el ingrediente activo del rem ovedor de esm alte de uñas. E l nom bre de la acetona es único; no corresponde al prim ero de una serie de n o m ­ bres com unes de cetonas. E n general, se asignan a las cetonas nom bres com unes que consisten en los nom bres de los grupos unidos al grupo carbonilo, en orden alfabético, Figura 19.20

M odelos de esferas y

palos y de sem iesferas de la aceto n a.

seguidos de la palabra cetona. (A dvierte la sem ejanza con la nom enclatura de los éte­ res.) E n el sistem a de la IUPAC, se elige com o cadena padre la cadena continua m ás larga que contiene el grupo carbonilo y se agrega la term inación -na al nom bre del alcano co ­ rrespondiente. C onform e a las reglas de la IUPAC, el nom bre de la acetona es propanona, y la etil m etil cetona es butanona. E n las cetonas m ás grandes, un núm ero colocado antes del nom bre indica la posición del grupo carbonilo. E ste núm ero se determ ina co n ­ tando los átom os de carbono a p artir del extrem o de la cadena padre m ás próxim o al grupo carbonilo. E n el caso de las cetonas que siguen, el nom bre IUPAC aparece im presoe ncim ad eln om brec omún. O

O

O

CH,

II

II

II

I 3

c h 3— c — c h 2c h 3

c h 3— c — c h 2c h 2c h 3

c h 3— c — c h 2c h c h 3

B utanona (etil m etil cetona)

2-pentanona (m etil propil cetona)

4-m etil-2-pentanona (isobutil m etil cetona)

E J E M P L O 19.13

Cetonas

E scribe la fórm ula estructural de la 4-m etil-3-hexanona.

Véanse los problemas 19 .55-19 .64.

SOLUCIÓN L a cadena m ás larga tiene seis átom os de carbono con grupo carbonilo en el tercer carbono y un grupo m etilo en el cuarto carbono. 1

2

3

4

5

6

CH3 oC H2,— C|| — C| H C H2,C H 3, O

Á cido m etanoico (ácido fórm ico) O II C H 3— C - O H Á cido etanoico (ácido acético) O C H 3C H 2—

ch3

o

H — 2 — OH

—OH

Á cido propanoico (ácido propiónico)

Figura 19.21 E l v in ag re o rd inario es u n a so lu ció n d e ácid o acético al 5%.

E J E R C IC IO 19 .13 (a) E scribe el nom bre com ún de la cetona del ejem plo 19.13. (b) ¿Q ué tipo de com puestos producen cetonas por oxidación?

Ácidos carboxílicos y ésteres L os ácidos fuertes m ás conocidos (Cap. 16), com o los ácidos sulfúrico, clorhídrico y n í­ trico, se derivan de m ateriales inorgánicos. M uchos de los ácidos débiles contienen car­ bono, y son los ácidos orgánicos. E l grupo funcional de los ácidos orgánicos es el g ru p o carb o x ilo . O II - C —OH

o

—COOH

L os ácidos que contienen este grupo se llam an ác id o s ca rb o x ílico s, y se representan m ediante la fórm ula general R C O O H . L a tabla 19.10 p resen ta un a lista de varios ácidos carboxílicos. A dvierteq ues usn om bress ea ju stan a l a f orm ag eneralá cido- ico. E l ácido carboxílico m ás sencillo es el ácido fórm ico, el cual se obtuvo p o r p rim e­ ra vez po r destilación destructiva de horm igas (en latín fó rm ic a es “horm iga”). L a m o r­ dedura de una horm iga duele porque este insecto inyecta ácido fórm ico al m order. Los aguijones de las avispas y de las abejas tam bién contienen ácido fórm ico, adem ás de otrosm aterialest óxicos. U na form a de preparar ácido acético es p o r ferm entación aerobia (en p resencia de oxígeno) de una m ezcla de sidra de m anzana y m iel. E l resultado es un a solución de v i­ nagre que contiene de 4 a 10% de ácido acético, aproxim adam ente, así com o algunos otros com puestos que im parten al vinagre su sabor. E l ácido acético es uno de los ácidos débiles m ás conocidos que se utilizan en los laboratorios de quím ica tanto escolares com oi ndustriales( Fig.1 9.21). E l tercer m iem bro de la serie hom óloga de los ácidos carboxílicos es el ácido propiónico, que no se encuentra con frecuencia en la vida diaria. E l cuarto m iem bro es mucho

T a b la 19 .10

A lg u n o s á c id o s c a r b o x ílic o s c o m u n e s

Fórmula condensada

Nombre IUPAC

Nombre común

Origen del nom bre común

HCOOH

Á c id o m e ta n o ic o

Á c id o fó rm ic o

D e l la tín f ó r m ic a , “h o r m ig a ”

C H 3C O O H

Á c id o e ta n o ic o

Á c id o a c é tic o

D e l la tín a c e tu m , “ v in a g r e ”

C H 3C H 2C O O H

Á c id o p ro p a n o ic o

Á c id o p ro p ió n ic o

D e l g rie g o p ro to s , “p rim e ro ” + p ió n , “ g ra sa ”

c h 3c h 2c h 2c o o h

Á c id o b u ta n o ic o

Á c id o b u tíric o

D e l la tín b u ty r u m , “m a n te q u illa ”

C H 3(C H 2)3C O O H

Á c id o p e n ta n o ic o

Á c id o v a lérico

D e l la tín va le re , “p o d e r o s o ”

C H 3(C H 2)4C O O H

Á c id o h e x a n o ic o

Á c id o c a p ro ic o

C H 3(C H 2)6C O O H

Á c id o o c ta n o ic o

Á c id o c a p rílic o

C H 3(C H 2)8C O O H

Á c id o d e c a n o ic o

Á c id o c á p ric o

D e l la tín c a p e r , “c a b ra ”

C H 3(C H 2) 10C O O H

Á c id o d o d e c a n o ic o

Á c id o lá u ric o

Á rb o l d e la u re l

C H 3(CH 2)!2C O O H

Á c id o te tra d e c a n o ic o

Á c id o m irís tic o

M y r is tic a f r a g a n s (n u e z m o sc a d a )

C H 3(C H 2) 14C O O H

Á c id o h e x a d e c a n o ic o

Á c id o p a lm ític o

P a lm e ra

C H 3(C H 2)i6C O O H

Á c id o o c ta d e c a n o ic o

Á c id o e s te á ric o

D e l g rie g o s te a r , “ se b o ”

m ás conocido, al m enos por su olor. Si alguna vez has olido m antequilla o suero de leche rancio, ya conoces el olor del ácido butírico. E s una de las sustancias de olor m ás desagradable que se pueda im aginar. L os quesos fuertes contienen pequeñas cantidades de ácido butírico, que tam bién se puede aislar de la g rasa de leche, y es uno de los in g re­ dientes del olor corporal; cantidades pequeñísim as de ésta y otras sustancias quím icas perm iten a los sabuesos seguir el rastro de los fugitivos. C iertos cosm éticos contienen alfa-hidroxiácidos; estos com puestos tienen un grupo — OH en el átom o de carbono vecin o a lg rupoc arboxilo. I E l ácido que tiene un grupo carboxilo unido directam ente a un anillo bencénico es el ácido benzoico.

CM_oh A l igual que los ácidos inorgánicos, los ácidos carboxílicos form an sales. E l propionato de calcio, el benzoato de sodio y otras sales de carboxilatos se em plean exten­ sam ente com o aditivos de alim entos para im pedir el crecim iento de m ohos. L os ácidos carboxílicos y otros com puestos afines son m uy com unes en la naturaleza, y m uchos de losh om ólogosd em ayort am años eo btienend el asg rasas.

Ésteres L os ésteres son el producto de las reacciones entre ácidos carboxílicos y alcoholes. En la reacción general catalizada por ácido se form a una m olécula de agua por cada m olécula d eá cidoy d ea lcoholq uer eaccionan. O II

R—C —OH U n ácido

O

+

R'OH U n alcohol

H+

------- ►

II

R—C —OR' +

H20

U n éster

A unque ciertos ácidos carboxílicos son de olor desagradable, en general los ésteres tienen olores agradables, y a ellos se deben en m uchos casos las fragancias característi­ cas de las frutas y las flores. P or ejem plo, el ácido butírico, de olor repugnante, reaccio­ n a con etanol y form a butirato de etilo, un éster que está presente en las piñas y se em plea com oi ngrediented es aborizantesa rtificiales.

O c h 3c h 2c h 2—

oh

Á cido butanoico (ácido butírico)

I Conexión con el mundo real Los a//a-hidroxiácidos que se emplean en los cosméticos imparten a la piel una apariencia más juvenil eliminando las células muertas que opacan su superficie. Uno de estos compuestos es el ácido glicólico, que es el ácido hidroxiacético.

h

-

0 II

o II

c - o c h 2c h 3

0 II

c h 3c h 2c h 2c - o c h 3

c h 3c h 2c h 2c —o c h 2c h 3

Formiato de etilo Butirato de metilo (sabor artificial de ron) (presente en las manzanas)

Figura 19.22 E l sabor y el arom a d e la fru ta y d el caram elo con sabor a frutas (com o el que aq u í se

Butirato de etilo (presente en las piñas)

O

CH,

O

II

I 3

II

c h 3c —o c h 2c h 2c h c h 3

Acetato de isopentilo (aceite esencial de plátano)

c h 3c - o c h 2

Acetato de bencilo (aceite esencial de jazmín, se usa en perfumería)

m u estra) se d eb en a u n a m ezcla de ésteres.

I Conexión con el mundo real En todo el mundo se consumen cada año alrededor de 50 000 millones de tabletas de aspirina para aliviar el dolor de cabeza, prevenir ataques cardiacos y de apoplejía, y otros fines.

Figura 19.23

A lgunos ésteres de interés.

U na vez que se h a analizado quím icam ente un a fruta o flor, los especialistas en sa­ bores pueden intentar reproducir el olor o sabor natural. L os sabores artificiales de fru ­ tas suelen ser m ezclas de ésteres (Fig. 19.22). L os ésteres tam bién se em plean com o disolventes de num erosas sustancias orgánicas. E n la figura 19.23 se m uestran varios ésteres. E l nom bre de un éster consiste en el nom bre del ácido, con el sufijo -ato en lu ­ gar de -ico, seguido de la conjunción de y del nom bre del grupo alquilo del alcohol. L a aspirina, que es ácido acetilsalicílico, es un éster producto de la reacción del grupo— O H d elá cidos alicílico cone lg rupoc arboxílicod elá cidoa cético.

C00H OH

+

H O -C C H 3 r^ > T/ C00H II 3 — » ( )I 0 \ ^ 0 -C C H 3 II

+

h 2o

3

o

Acido salicílico

Acido acético

Acido acetilsalicílico (aspirina)

E l plástico de las botellas ordinarias p ara bebidas gaseosas, conocido com o PETE, p o r las siglas en inglés de poli(etlien terefatalato), se prepara uniendo alternadam ente etilenglicol con ácido tereftálico siguiendo un orden del tipo A BABAB p ara form ar un poliéster. E s com ún el uso del D acrón y m uchas otras fibras de poliéster p ara confeccio­ n ar prendas de vestir. E J E M P L O 19.14

Ácido carboxílicos y ésteres

D ibuja la estructura del butirato de etilo. (Su nom bre IUPAC es butanoato de etilo, deri­ vado del nom bre IUPAC del ácido carboxílico.) Es un éster que está presente en el sa­ b o r de piña. SOLUCIÓN E s m ás fácil com enzar con la parte del ácido, el butirato, con una estructura de cuatro átom os de carbono. O II

c h 3c h 2c h 2c

— O

L uego agrega la parte del alcohol, el grupo — O R ', al R — C — de la estructura del ácido. O II

(a) M uestra la ecuación quím ica de la reacción entre el ácido butírico y el etanol, cu ­ yos productos son butirato de etilo y agua.

Véansel os problemas 19 .65-19.7 2 .

(b) Indica los nom bres de las sustancias quím icas con las que se puede preparar el ésterc onocidoc om oa spirina.

^9.12 Aminas y amidas M uchos com puestos orgánicos contienen nitrógeno. L as a m in a s contienen los elem en­ tos carbono, hidrógeno y nitrógeno, y se derivan del am oniaco por sustitución de uno, dos o tres átom os de h idrógeno por grupos alquilo o arilo p ara form ar am inas prim arias (1a),s ecundarias( 2a)y t erciarias( 3a).

H —N —H

R —N —H

R I R —N — H

A m oniaco

U na am ina prim aria

U na am ina secundaria

R I R —N —R U n a am ina terciaria

L a am ina m ás sencilla es la m etilam ina, C H 3N H 2. E l hom ólogo que le sigue en tam año es la etilam ina, C H 3C H 2N H 2. Tam bién la dim etilam ina, C H 3N H C H 3, tiene dos átom os de carbono. A dvierte que la etilam ina y la dim etilam ina son isóm eros; am bas tienen la fórm ula m olecular C 2H 7N. H ay varias posibilidades con tres átom os de carbono, un a de las cuales es la trim etilam ina, que se m uestra al m argen. L a am ina con un grupo N H 2 unido directam ente a un anillo bencénico tiene el nom bre especiald e anilina.

L as am inas m ás sencillas se parecen al am oniaco en su basicidad y otras propieda­ des. Son las am inas de m ayor tam año las que presentan un interés especial. Varias de ellas se m uestran en la figura 19.24. A dvierte que todas las estructuras contienen un grupo — N H 2, conocido com o g ru p o am in o .

E J E M P L O 19.15

Aminas

Ya se indicó la estructura de la trim etilam ina. D ibuja las estructuras y escribe los n o m ­ bres de las otras am inas de tres átom os de carbono. SOLUCIÓN D os am inas se derivan de los dos grupos propilo. C H 3CH 2C H 2N H 2

C H 3C H C H 3 NH2

P ropilam ina

Isopropilam ina

L a otra am ina de tres átom os de carbono tiene un grupo m etilo y un grupo etilo. (Los gruposa lquilos en om brane no rdena lfabético.) C H 3 CH 2 N H C H 3 E tilm etilam ina

c h 3—n — c h 3 ch3 T rim etilam ina

E J E R C IC IO 19 .15 (a) Indica en cada caso si las tres am inas del ejem plo 19.15 son prim arias, secundarias o terciarias. (b) Indica qué clase de am ina (prim aria, secundaria o terciaria) es la anfetam ina, que se m uestra en la figura 19.24.

O tra fam ilia de com puestos nitrogenados es la de las a m id a s . (¡C uánta diferencia provoca una letra!) E stos com puestos son derivados nitrogenados de ácidos carboxílicos que contienen el grupo am ida. O II -C -N -

L as am idas se preparan haciendo reaccionar un ácido carboxílico con am oniaco o con una am ina p ara form ar un a sal, la cual se calienta después p ara expulsar el agua.

o II

O II

O .

calor

I Conexiones con el mundo real R—C — O H + N H 3 ----------> R—C — O - — N H 4+ ------------- > R—C — N H 2 + H 20 • En el mundo se producen cada año más de 4 millones de U n ácido A m oniaco U n a sal U n a am ida toneladas de nylon, las cuales se destinan a la fabricación de ropa, O O O alfombras, tiendas de campaña, cuerdas y otros muchos II II . calor R— C — OH + RNH2 -----> R— C — O — NH3R+ -------> R— C — NHR + H20 productos. • El nylon 6 6 fue la primera U n ácido U na am ina U n a sal U n a am ida poliamida que se produjo en forma comercial. Se dice que su nombre, que se pronuncia “nailon L as am idas sencillas son de escaso interés p o r el m om ento, pero las am idas com plejas seis seis", se basa en el hecho de que ambos reactivos tienen seis tienen una im portancia enorm e. P or ejem plo, el nylon (o nailon) es un polím ero con en­ átomos de carbono. El 15 de laces am ida. E sta poliam ida se prepara haciendo reaccionar 1,6-hexanodiam ina (Fig. mayo de 1940 se inició la venta 19.24) con ácido 1,6-hexanodioico (un ácido de seis átom os de carbono con un grupo de medias de nylon para mujer, y rápidamente se vendieron carboxilo en cada extrem o) de m odo que se form en enlaces am ida. E l polím ero consis­ 4 millones de pares en la ciudad te en una serie de enlaces am ida que unen alternadam ente un ácido con u na am ina, con de Nueva York. un ácido, con una am ina, y así sucesivam ente. A ún m ás im portantes — e indispensa­ bles para la vida m ism a— son las proteínas, que se describen en el capítulo siguiente, y que contienenm uchosa m inoácidosu nidose ntres ím ediantee n lacesa m ida. Figura 19.24 A lg u n as am inas de interés.

h 2 — c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2— i h 2 1 ,6-hexanodiam ina (interm ediario en la síntesis d e nylon) A nfetam ina (un estim ulante) C H 2-

sJH2

H O \ ^ ¿ ^ / C H 2O H h 2 —c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2 —n h 2 H 3C N" C adaverina P iridoxam ina (olor a carne podrida) (una vitam ina del com plejo B)

L a poliam ida conocida com o nylon 6 6 fue sintetizada p o r prim era vez por W allace H. C arothers, de los laboratorios D uP ont y ganador del prem io N obel. D ibuja un segm ento de esta estructura con base en la inform ación proporcionada en el párrafo precedente. SOLUCIÓN E l nylon, que es una poliam ida, tiene unidades alternadas de 1,6-hexan o diam ina y ácido 1 ,6-hexanodioico (conocido tam bién com o ácido adípico). H I

H I

O II

O II

«H— N — CH2CH2CH2CH2CH2CH2— N — H + n IC — C — CH2CH2CH2CH2— C — OH — * 1 ,6-hexanodiam ina

Á cido 1 ,6-hexanodioico

H H O O I I II II - f N — c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2c h 2—n — c — c h 2c h 2c h 2c h 2— N ylon 6 6 E J E R C IC IO 19.16 (a) E scribe el nom bre de una am ina que sea una vitam ina. (C onsulta la Fig. 19.24.)

Véansel os problemas 19 .73 -19 .80.

(b) E scribe el nom bre de una am ina que sea un estim ulante. (c) E scribe el nom bre de una am ina que se utilice en un polím ero.

Resumen del capítulo L a q u í m i c a o r g á n ic a e s la q u í m ic a d e c a s i to d o s lo s c o m p u e s to s q u e c o n t ie n e n c a r b o n o . A d i f e r e n c ia d e lo s c o m p u e s t o s i n o r g á n ic o s r e p r e s e n ta tiv o s , la m a y o r p a r t e d e lo s c o m p u e s to s o r g á n ic o s s o n in f la m a b le s y tie n e n p u n t o s d e f u s i ó n r e la t iv a m e n t e b a jo s . L o s n o p o l a r e s s o n m u y p o c o s o lu b le s e n a g u a . L o s a lc a n o s s o n u n a s e r ie h o m ó l o g a d e h id r o c a r b u r o s q u e t i e ­ n e n ú n i c a m e n t e e n la c e s c o v a le n te s s e n c illo s e n tr e lo s á to m o s d e c a r b o n o . S e d i c e q u e s o n “ s a tu ra d o s ” p o r q u e c o n tie n e n e l n ú m e r o m á x im o d e á to m o s d e h id r ó g e n o . S e e m p le a n f ó r m u ­ la s e s t r u c t u r a l e s p a r a m o s tr a r e l o r d e n d e u n i ó n d e lo s á to m o s . L o s c o m p u e s to s q u e tie n e n la m i s m a f ó r m u la m o le c u la r p e r o d if e r e n t e s f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s s o n i s ó m e ro s . L o s a lq u e n o s c o n ti e n e n u n d o b le e n la c e c a r b o n o - c a r b o n o . L o s a l q u in o s c o n t ie n e n u n tr ip l e e n la c e c a r b o n o - c a r b o n o . A m b a s c la s e s s e d e s c r i b e n c o m o “ in s a tu r a d a s ” p o r q u e p u e ­ d e n s u f r ir r e a c c i o n e s d e a d ic ió n c o n e l h id r ó g e n o . A d i f e r e n c ia d e lo q u e o c u r r e c o n lo s e n ­ la c e s s e n c illo s , la r o ta c ió n e n to r n o a lo s e n la c e s d o b le s e s tá r e s tr in g id a , lo q u e h a c e p o s ib le la e x i s te n c i a d e i s ó m e r o s c is y tr a n s c u a n d o c a d a á to m o d e c a r b o n o p a r ti c i p a n t e e n e l d o b l e e n ­ l a c e tie n e d o s g r u p o s n o id é n tic o s . L o s i s ó m e r o s c is tie n e n d o s g r u p o s id é n tic o s s itu a d o s e n e l m is m o la d o d e l d o b le e n la c e . L o s is ó m e r o s t r a n s ti e n e n d o s g r u p o s id é n t i c o s s itu a d o s e n la ­ d o s o p u e s to s d e l d o b l e e n la c e . L o s a lq u e n o s r e a c c i o n a n u n o s c o n o tr o s p a r a f o r m a r m o lé c u ­ l a s g ig a n te s ll a m a d a s p o lím e r o s . C o n b a s e e n e l s i s te m a d e la I U P A C , lo s n o m b r e s d e lo s a lq u e n o s s o n s im ila r e s a lo s d e lo s a lc a n o s , p e r o lle v a n e l s u f ijo - e n o ; lo s a lq u in o s lle v a n e l s u f ijo - in o .L a p o s i c ió n d e ld o b le o t r ip le e n la c e s e d e s ig n a m e d ia n te u n n ú m e r o . L o s c o m p u e s t o s q u e c o n t ie n e n u n o o m á s a n illo s b e n c é n i c o s s e c la s if ic a n c o m o c o m ­ p u e s t o s a r o m á tic o s . L a e x tr a c c ió n d e u n á to m o d e h i d r ó g e n o d e u n a n illo b e n c é n i c o d a lu g a r a u n a e s t r u c t u r a q u e s e c o n o c e c o m o g r u p o f e n ilo . L o s f e n o le s s o n c o m p u e s t o s a r o m á tic o s q u e ti e n e n u n g r u p o — O H u n id o a u n a n illo b e n c é n ic o . U n a m o l é c u l a d e a lc o h o l c o n tie n e u n g r u p o h id r o x ilo , — O H , e n la z a d o d e f o r m a c o v a le n te a u n g r u p o a lq u ilo , — R . L a fó rm u la g e n e r a l d e lo s a lc o h o le s e s R — O H . L o s a lc o h o le s s e c la s if ic a n c o m o p r i m a r i o s (1 °), s e c u n ­ d a r i o s (2 °) o te r c i a r i o s (3 °), s e g ú n e l n ú m e r o d e g r u p o s a lq u ilo ( u n o , d o s o tr e s , r e s p e c tiv a ­ m e n te ) q u e e s t é n u n id o s a l á to m o d e c a r b o n o lig a d o a l g r u p o — O H . E l g r u p o c a r b o n ilo e s e l g r u p o f u n c io n a l p r e s e n te e n lo s a ld e h íd o s y c e to n a s . L o s a ld e h íd o s t ie n e n a l m e n o s u n á to m o d e h id r ó g e n o u n id o al g ru p o c a rb o n ilo . L a s c e to n a s tie n e n s ó lo g r u ­

O II —c —

p o s a lq u ilo o a r o m á tic o s u n id o s a l g r u p o c a rb o n ilo . L a o x id a c ió n d e u n a lc o h o l p r im a rio p r o d u ­ c e e l a ld e h íd o c o r re s p o n d ie n te . L a o x id a c ió n d e u n a lc o h o l s e c u n d a r io p r o d u c e u n a c e to n a .

G rupo carbonilo

O

E l g r u p o c a r b o x ilo , — C O O H , e s e l g r u p o f u n c io n a l d e to d o s lo s á c id o s o r g á n ic o s (ta m b ié n lla m a d o s á c id o s c a r b o x ílic o s ) . L o s é s te re s , q u e s o n c o m p o n e n te s c o m u n e s d e lo s s a b o riz a n te s ,

-C -O H G rupo carboxilo

s o n p r o d u c to d e r e a c c io n e s e n tr e á c id o s c a r b o x ílic o s y a lc o h o le s . L a s u s titu c ió n d e u n o , d o s o tre s á to m o s d e h id r ó g e n o d e l a m o n ia c o p r o d u c e a m in a s p r im a ria s , s e c u n d a r ia s o te r c ia ria s . L a a n ilin a e s la a m in a a r o m á tic a m á s s e n c illa , tie n e u n g r u p o N H 2 u n id o d ir e c ta m e n te a u n a n illo b e n c é n ic o . L a s a m id a s s o n d e r iv a d o s d e á c id o s c a r b o x ílic o s o b te n id a s p o r s u s titu c ió n d e l g ru p o h id r o x ilo d e l á c id o p o r u n g r u p o n itro g e n a d o . E l n y lo n e s u n a p o lia m id a .

Evalúa tu comprensión: repaso y autoevaluación 1. E x p ó n la s c a r a c te r ís tic a s g e n e r a le s d e lo s c o m p u e s to s o r g á n ic o s q u e lo s d is tin g u e n d e l o s c o m p u e s to s i n o r g á n ic o s .[ 19.1]

2. I d e n t if i c a y c i t a e j e m p l o s d e i s ó m e r o s y d e u n a s e r ie h o m ó lo g a .[ 1 9 .2 ] 3. C la s ific a lo s c o m p u e s to s o r g á n ic o s p o r e l tip o a l q u e p e r te n e c e n c o n b a s e e n su f ó r m u ­ la e s tr u c tu r a l. [ 1 9 .3 - 1 9 .1 2 ]

4. C o n la f ó r m u la e s t r u c t u r a l d e u n c o m p u e s to o r g á n ic o c o m o d a to , p r o p o r c io n a su n o m b r e d e la IU P A C . [ 1 9 .4 - 1 9 .1 2 ]

5. I d e n tif ic a lo s h id r o c a r b u r o s s a tu r a d o s e i n s a tu r a d o s y lo s is ó m e r o s c is - tr a n s . [1 9 .5 ] 6. D e s c r i b e lo s p o lí m e r o s y c ita e je m p lo s d e e llo s . [1 9 .5 ] 7. C o m p a r a la s p r o p i e d a d e s d e l b e n c e n o c o n la s d e lo s c o m p u e s to s i n s a tu r a d o s d e c a ­ d e n a a b ie r ta .[ 1 9 .6 ]

8. C o m p a r a l a s e s tr u c t u r a s d e a l c o h o l e s ,f e n o le s y é t e r e s .[ 1 9 .7 -1 9 .9 ] 9. C o m p a r a l a s e s tr u c t u r a s d e a l d e h íd o s y c e t o n a s s e n c illo s .[ 1 9 .1 0 ] 10. I d e n tif ic a e je m p lo s d e e s tru c tu r a s q u e r e p r e s e n te n á c id o s c a r b o x ílic o s , é s te re s , a m i­ n a s y a m id a s . [ 1 9 .1 1 , 1 9 .1 2 ]

Términos clave á c id o c a r b o x ílic o [1 9 .1 1 ]

a m id a [1 9 .1 2 ]

g r u p o a lq u ilo [1 9 .4 ]

h id r o g e n a c i ó n [1 9 .5 ]

a lc a n o s [1 9 .2 ]

a m in a [ 1 9 .1 2 ]

g r u p o a m in o [1 9 .1 2 ]

h o m ó l o g o s [1 9 .2 ]

a lc o h o l [1 9 .7 ]

a r o m á tic o [1 9 .6 ]

g r u p o a r ilo [1 9 .6 ]

in s a tu r a d o [1 9 .5 ]

a lc o h o l d e s n a tu r a liz a d o

b e n c e n o [1 9 .6 ]

g r u p o c a r b o n ilo [1 9 .1 0 ]

is ó m e r o s [1 9 .2 ]

c e to n a [1 9 .1 0 ]

g r u p o c a r b o x ilo [1 9 .1 1 ]

i s o p r o p ilo [1 9 .4 ]

a lc o h o l p r im a r io [1 9 .7 ]

c is [1 9 .5 ]

g r u p o e tilo [1 9 .4 ]

I U P A C [1 9 .4 ]

a lc o h o l s e c u n d a r io [1 9 .7 ]

d e s t il a c ió n d e s tr u c tiv a [1 9 .7 ]

g r u p o f e n ilo [1 9 .6 ]

m e ta n o l [1 9 .7 ]

a lc o h o l te r c ia r io [1 9 .7 ]

d io l [1 9 .7 ]

g r u p o f u n c io n a l [1 9 .7 ]

p o l í m e r o s [1 9 .5 ]

a lc o h o le s p o lih i d r o x i l a d o s

e t a n o l [1 9 .7 ]

g r u p o m e tilo [1 9 .4 ]

p r o o f ( p r u e b a d e a lc o h o l)

é te r e s [1 9 .9 ]

g r u p o p r o p ilo [1 9 .4 ]

a ld e h íd o [1 9 .1 0 ]

f e n o le s [1 9 .8 ]

h a lo g e n u r o s d e a lq u ilo [1 9 .2 ]

r e a c c i ó n d e a d ic ió n [1 9 .5 ]

a lif á tic o [1 9 .6 ]

f ó r m u la s e s t r u c t u r a l e s [1 9 .3 ]

h id r o c a r b u r o s [1 9 .2 ]

to lu e n o [1 9 .6 ]

a lq u e n o s [1 9 .5 ]

f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s

h id r o c a r b u r o s s a tu r a d o s

t r a n s [1 9 .5 ]

a l q u in o s [1 9 .5 ]

c o n d e n s a d a s [1 9 .3 ]

[1 9 .7 ]

[1 9 .7 ]

[1 9 .2 ]

[1 9 .7 ]

tr io l [1 9 .7 ]

Problemas Sustanciaso rgánicase i norgánicas

19.1

19.2

m e r o s t ie m p o s c o n la d e f in ic ió n q u e u tili z a n lo s q u ím ic o s m o d e rn o s.

N o m b r a tr e s io n e s q u e c o n ti e n e n c a r b o n o p e r o n o se c la s if ic a n c o m o o r g á n i c o s .E x p lic a p o r q u é .

C o m p a r a la d e f in ic ió n d e q u í m ic a o r g á n ic a d e lo s p r i ­

19.3

C l a s i f ic a lo s c o m p u e s t o s q u e s ig u e n c o m o o r g á n ic o s o i n o r g á n ic o s .

a. C gH jg b. N a H C O 3 c . C 12H 22O 11 d. C H 3N H 2

19.4

a. C H C l3

b . C H 3( C H 2)4C H 3

c. C H 3C H 2B r

d. C H 3C H C H 3

C l a s i f i c a lo s c o m p u e s t o s q u e s ig u e n c o m o o r g á n ic o s o i n o r g á n ic o s .

Cl

19.14

a. C 6H 12O 6 b. K 2C O 3 c. v i ta m in a C s in té tic a ,C 6H 8O 6

N o m b r a e s to s c o m p u e s to s . a. C H 3 C H 3

b. C H 3 (C H 2 )2 C H 3

c. C H 2 C l 2

d . C H 3C H — B r

d . v i ta m in a C ,C 6H 8O 6,d e n a ra n j as

19.5

CH3

¿ C u á l s u s ta n c ia d e c a d a p a r t ie n e e l p u n to d e f u s ió n m á s a l to ? E x p li c a t u r e s p u e s ta .

19.15

I n d ic a si la s e s t r u c t u r a s d e c a d a c o n ju n to r e p r e s e n t a n e l m is m o c o m p u e s to o i s ó m e ro s .

a. C H 3 O H y N a O H b. C H 3 C l y K C l

a. C H 3C H 2

C H 3C H 2C H 3

C. C 6H 12 y C 20H 42

19.6

CH3

¿ C u á l s u s ta n c ia d e c a d a p a r e s m á s s o lu b le e n a g u a ? E x p li c a t u r e s p u e s ta .

CH3

a. o c t a n o ,C 8H 18, y N a C l

b. C H 3 C H 2 C H

b . e ta n o l, C H 3C H 2O H , y u n a c e ite q u e c o n tie n e C 14H 30 c. o c t a n o y N H 4N O 3

19.7

CH3 CH 3C H 2C H 3

CH3

H a y u n a la t a s in r ó tu lo e n tu c o c h e r a q u e c o n tie n e u n l íq u id o . A l i n t r o d u c ir u n tr o z o d e m a d e r a e n é l y e n ­

CH3

c e n d e r l o , la s u s ta n c i a a r d e c o n f la m a h u m e a n t e . E l c. C H 3C H — B r

lí q u i d o e s i n m i s c i b le c o n a g u a . C la s if i c a l a s u s ta n c ia

C H 3C H CH 3

co m o o rg á n ica o i n o rg á n ica.

19.8

Br

E n c u e n t r a s u n f r a s c o s in r ó tu lo q u e c o n t ie n e u n m a te ­ r i a l s ó lid o . L a s u s ta n c ia f u n d e a 4 8 ° C , s e e n c ie n d e f á ­

19.16

I n d ic a si la s e s t r u c t u r a s d e c a d a c o n ju n to r e p r e s e n t a n e l m is m o c o m p u e s to o i s ó m e ro s .

c i l m e n t e y a r d e s in h u m o ; e s i n s o lu b l e e n a g u a y f lo ta e n la s u p e rf ic ie d e é s ta . C la s ific a la s u s ta n c ia c o m o or-

a. C H 3 C H 3

g á n ica o i n o rg á n ica.

CH3

I CH3

A lcanos, alquenosy a lquinos

19.9

CH3

¿ C u á n to s á to m o s d e c a r b o n o tie n e c a d a u n o d e lo s c o m ­ p u e s to s

s ig u ie n te s ?

D ib u ja

s u f ó r m u la e s tr u c tu r a l

CH3

b. C H 3 C H C H 2 C H 2 C H 3

C H 3C H 2C H C H 2C H 3

c o n d e n s a d a.

19.10

a. e t a n o

b . b u ta n o

c . i s o b u ta n o

d . 1 - p e n te n o

e . 2 ,2 - d im e tilh e x a n o

f.

a c e tile n o

¿ C u á n to s á to m o s d e c a r b o n o tie n e c a d a u n o d e lo s c o m ­ p u e s to s

s ig u ie n te s ?

D ib u ja

CH3

I c. C H 3C H 2C H C H 2C H 3

19.17

CH3

I

C H 3C H C H 2C H 2

I n d i c a e n c a d a c a s o s i e l c o m p u e s to e s s a tu r a d o o in s a tu r a d o .

s u f ó r m u la e s tr u c tu r a l

a. e ti n o

c o n d e n s a d a. a. p r o p a n o

b. b u te no

b. h e x a no

c . á c id o o le ic o ,C H 3( C H 2) 7C H — C H ( C H 2) 7C O O H

c . e ti n o

d . C H 3 (C H 2 )6 C O O H

d . 2 - p e n te n o

19.11

CH3

19.18

I n d i c a e n c a d a c a s o s i e l c o m p u e s to e s s a tu r a d o o in -

e . 2 ,2 ,4 - t r i m e ti lp e n t a n o ( c o m p o n e n te d e l a g a s o lin a )

s a tu r a d o .

f.

a. p e n te n o

2 - b r o m o - 2 - m e tilp r o p a n o

I n d ic a e l n ú m e r o d e is ó m e ro s p o s ib le s d e l o c ta n o . (C o n ­

b. p ro p ino

s u lta la ta b la 1 9 .3 .)

19.12

D i b u j a la s f ó r m u l a s e s t r u c t u r a l e s c o n d e n s a d a s d e l b u ­ ta n o y d e l is o b u ta n o . ¿ Q u é r e l a c ió n h a y e n t r e e s ta s estr u c tu r a s ?

c . c i c lo h e x a n o d . á c i d o l i n o le i c o , C H 3( C H 2) 4C H — C H C H 2C H — C H ( C H 2) 7C O O H

19.19

C o m p le ta e s ta s e s tru c tu ra s a g re g a n d o e l n ú m e r o a p ro ­

19.28

D ib u j a la e s t r u c t u r a y e s c r ib e e l n o m b r e d e l p r o d u c to

p ia d o d e á to m o s d e h id r ó g e n o . P r o p o r c i o n a u n n o m ­

d e la r e a c c ió n d e l 2 - b u te n o c o n h i d r ó g e n o g a se o so e n

b re IU P A C d e c a d a uno.

p r e s e n c ia d e u n c a ta l i z a d o r d e P t.

C — C — C — C — C

b. C — C — C — C

C

C

C

Com puestosa romáticos

19.29

I n d i c a si e l c o m p u e s to q u e s e r e p r e s e n t a e s a r o m á tic o o a lifá tic o .

19.20

C o m p le ta e s ta s e s tru c tu r a s a g r e g a n d o e l n ú m e r o a p r o ­

c.

p ia d o d e á to m o s d e h id r ó g e n o . P ro p o r c io n a u n n o m b r e IU P A C d e c a d a u n o . C

C

a. C — C — C — C

C

l O

H a y c u a tr o i s ó m e r o s d e f ó r m u la m o l e c u l a r C 4H 9O H . D i b u j a to d a s la s e s t r u c t u r a s y c la s if í c a la s c o m o a lc o -

CH,

-

c.

h o lp r i m a r i o ,s e c u n d a r io o t e r c ia r io .

19.22

I n d i c a si e l c o m p u e s to q u e s e r e p r e s e n t a e s a r o m á tic o o a lifá tic o .

b. C — C — C — C

C

19.21

19.30

I n d ic a c u á le s d e lo s s ig u ie n te s c o m p u e s to s s o n is ó m e ­ r o s d e C 3H jjB r , y c la s ifíc a lo s c o m o b r o m u ro d e a lq u ilo p r i m a r i o , s e c u n d a r io o te r c ia r io . I d e n ti f ic a la s e s tru c -

19.31

D ib u ja d o s e s tru c tu r a s d e r e s o n a n c ia d e K e k u lé e q u iv a ­ le n te s d e l b e n c e n o . D e s c rib e e n q u é d if ie re la e s tru c tu ra

tu r a s q u e r e p r e s e n ta n u n m is m o c o m p u e s to .

r e a l d e l b e n c e n o d e la s e s tr u c tu r a s d e r e so n a n c i a d e CH3

CH3

I a. C H 3 C H C H 2 C H 2 B r

b. C H 3 C H 2 C H C H 2 B r

CH3

K e k u lé .

19.32

s im p le h e x á g o n o c o n u n c ír c u lo a d e n tr o . M e n c io n a u n a v e n ta ja y u n a d e s v e n t a ja d e s u s titu ir la e s tr u c tu r a

CH3

I c. C H 3 C H 2 C H 2 C H B r

d. C H 3 C H 2 C B r 3 2| CH3

D ib u j a u n a e s t r u c t u r a d e l b e n c e n o q u e c o n s te d e u n

d e K e k u lé d e lb e n c e n o p o r e s ta o tr a e s tr u c tu r a .

19.33

I d e n t if i c a e l tip o d e s u s titu c ió n c o m o o r to , m e ta o p a ­ ra .

a.

CH3

CH3

b- : ü

0

e . C H C H 2C H 2B r

19.34

J0 L.

I d e n t if i c a e l tip o d e s u s titu c ió n c o m o o r to , m e t a o p ara.

19.23

E l c o m p u e s to C H 3C H 2C H 2C H 3 s e e m p le a c o m o el

a.

c o m b u s ti b l e d e m u c h o s e n c e n d e d o r e s d e s e c h a b le s

CH

b. C H 3 NO,

p a r a c i g a r r i l l o s y f o g a ta s . ¿ C ó m o s e lla m a e s te c o m ­ p u e s to ?

19.24

E l c o m p u e s to C H 3C H 2C H 2C H 2C H 2C H 3 e s u n d i s o l­

NO,

v e n te q u e s e u t i l i z a p a r a e x tr a e r e l a c e ite d e la so y a . ¿ C ó m o s e l la m a e s te c o m p u e s to ?

19.25

E s c r i b e f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s d e lo s c o m p u e s t o s si-

,

g u ie n te s . a. 3 - is o p r o p il- 1 - h e x e n o

H 3C

b . c i s - 2 ,3 - d ic lo r o - 2 - b u te n o c. tr a n s - 2 ,3 - d i c l o r o - 2 - b u t e n o

19.26

E s c r i b e f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s d e lo s c o m p u e s t o s si-

19.35

E s c r ib e f ó r m u la s e s t r u c t u r a le s d e lo s c o m p u e s to s s i­ g u ie n te s .

g u ie n te s .

a. o d i b r o m o b e n c e n o

a. 3 - e til- 2 - p e n te n o

b. to lu e n o ( s e e m p le a c o m o d is o lv e n te y e n c ie r to s ad i-

b. c is -2 -h e x e no

19.27

^

tiv o s p a r a g a s o lin a d e a u to m ó v il)

c. t r a n s - 2 - h e x e n o

c. rn -x ile n o

D i b u j a la e s t r u c t u r a y e s c r ib e e l n o m b r e d e l p r o d u c to

d . 2 ,4 ,6 - tr in itr o to lu e n o ( c o n o c id o c o m o T N T ; ¡p u e d e

d e la r e a c c i ó n e n t r e e l 1 -b u te n o y e l b r o m o .

p r o d u c i r u n a e x p lo s ió n ! )

19.36

E s c r i b e f ó r m u la s e s tr u c tu r a l e s d e lo s c o m p u e s t o s s i­

19.53

I n d i c a e l t ip o y e ln o m b r e d e lc o m p u e s to s ig u ie n te .

g u ie n te s . CH3

a. ^ - d i c l o r o b e n c e n o ( s e e m p le a e n la s h o ju e la s c o n tr a l a p o lilla ) b.

c h

3—

—

o

—

c h

3

CH3

c . o - n itr o c lo r o b e n c e n o ( s e e m p le a p a r a im p e d ir e l c r e ­ c i m ie n to d e h o n g o s e n la s m a z o r c a s d e m a íz )

19.54

tr a l a p o lilla )

A lcoholes, fenoles,é teres

A ldehídos y c etonas

19.55

c io n a l q u e e s tá p r e s e n t e e n t o d o s l o s a ld e h íd o s .

19.56

p r i m a r i o ,s e c u n d a r io o t e r c ia r io .

q u e e s tá p r e s e n t e e n t o d a s l a s c e to n a s .

19.57

E s c r ib e la e s t r u c t u r a d e l f o r m a ld e h íd o y c it a d o s u s o s d e e s ta s u s ta n c ia . ¿ Q u é e s la f o r m a l in a o f o r m o l?

b . 2 - m e til- 2 - p r o p a n o l c . a lc o h o li s o b u tílic o

E s c r ib e la f ó r m u la e s t r u c tu r a l g e n e r a l d e la s c e to n a s . E s c r ib e e l n o m b r e y la e s tr u c t u r a d e l g r u p o f u n c io n a l

a. a lc o h o l is o p r o p ílic o (a lc o h o l p a r a f r ic c io n e s c o r p o ­ r a le s )

E s c r ib e la f ó r m u l a e s t r u c t u r a l g e n e r a l d e lo s a ld e h í­ d o s . E s c r ib e e l n o m b r e y la e s t r u c tu r a d e l g r u p o fu n -

D ib u ja f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s d e lo s c o m p u e s to s s i­ g u i e n t e s e i n d ic a e n c a d a c a s o s i s e tr a ta d e u n a lc o h o l

I n d i c a q u é tip o d e c o m p u e s to e s e l m e t o x ip r o p a n o y d ib u ja s u e s tr u c tu r a .

d . n a f ta le n o ( s e e m p l e a e n la s b o la s d e n a f t a li n a c o n -

19.37

c

1 ,4 - d i n i tr o b e n c e n o

19.58

E s c r ib e la e s tr u c tu r a d e la a c e to n a y c ita d o s u s o s d e e s ta s u s ta n c ia .

d . 3 - m e tilb u ta n o l

19.38

19.59

D ib u ja f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s d e lo s c o m p u e s to s s i­

E s c r ib e l a e s tr u c t u r a d e l a s s u s t a n c i a s s ig u ie n te s . a. e t i l m e tilc e to n a

g u i e n t e s e i n d ic a e n c a d a c a s o s i s e tr a ta d e u n a lc o h o l b . a c e ta ld e h íd o

p r i m a r i o ,s e c u n d a r io o t e r c ia r io .

c . is o p r o p i l m e til c e to n a

a. m e ta n o l ( ta m b ié n c o n o c id o c o m o a lc o h o l m e tílic o ) b . a lc o h o l te r t- b u tílic o

19.60

E s c r i b e l a e s t r u c tu r a d e l a s s u s ta n c ia s s ig u ie n te s . a. b u t a n a l

c . 2 - b u ta n o l

b . b e n z a ld e h íd o

d . 2 - m e tilp r o p a n o l

19.39

¿ Q u é e s la d e s tila c ió n d e s tr u c tiv a ? C ita e l n o m b r e d e

c . m e tilp r o p ilc e to n a

19.61

u n a l c o h o l q u e s e p r o d u c e p o r d e s ti la c ió n d e s tr u c tiv a d e l a m a d e ra .

19.40

19.62

M e n c i o n a o tr o s d o s n o m b r e s d e l m e ta n o l. C ita d o s o m á s u s o s d e l m e ta n o l.

19.41 19.42

19.44 19.45 19.46

19.63 E s c r ib e e n c a d a c a s o la e s t r u c t u r a d e l a lc o h o l a p a r tir

¿ Q u é e s e la l c o h o ld e s n a tu r a liz a d o ?

d e l c u a l s e p u e d e n p r e p a r a r lo s a ld e h íd o s y c e to n a s si-

M e n c i o n a o tr o s d o s n o m b r e s d e l e ta n o l. C it a d o s o

g u ie n te s p o r o x id a c ió n .

¿ C u á l e s e l p o r c e n ta j e e n v o tu m e n d e u n v o d k a d e

a. 2 - p e n ta n o n a

40°?

d e l c u a l s e p u e d e n p r e p a r a r lo s a ld e h íd o s y c e to n a s si-

¿ C u á l e s la g r a d u a c i ó n a lc o h ó li c a d e u n a b e b i d a q u e

g u ie n te s p o r o x id a c ió n .

c o n t i e n e 4 3 % d e a lc o h o l e n v o lu m e n ?

a. a c e t o n a

b . b u ta n a l

D e s c r i b e u n m é to d o , c o n la e c u a c ió n c o r r e s p o n d ie n ­ t e ^ a r a l a p r o d u c c ió n c o m e r c i a ld e m e ta n o l.

Á cid osc arboxílicosy é steres

D e s c r i b e u n m é to d o , c o n la e c u a c ió n c o r r e s p o n d i e n ­

19.65

19.47 C i t a e l n o m b r e y lo s u s o s d e u n d io l. 19.48 C i t a e l n o m b r e y lo s u s o s d e u n trio l. 19.49 E s c r ib e la f ó rm u la d e l fe n o l. M e n c io n a d o s u s o s d e e s te c o m p u e s to . ¿ Q u é e s u n c o m p u e s to f e n ó lic o ? E s c r ib e la f ó r m u la g e n e r a l d e l o s c o m p u e s to s f e n ó lic o s .

19.51

b . a c e ta ld e h íd o

19.64 E s c r i b e e n c a d a c a s o la e s tr u c tu r a d e l a lc o h o l a p a r tir

t e ^ a r a l a p r o d u c c ió n c o m e r c i a ld e e ta n o l.

19.50

¿ Q u é tip o d e a lc o h o l s e p u e d e o x i d a r p a r a p r o d u c ir u n a c e to n a ?

m á s u s o s d e l e ta n o l.

19.43

¿ Q u é tip o d e a lc o h o l s e p u e d e o x id a r p a r a p r o d u c i r u n a ld e h íd o ?

E s c r i b e l a f ó r m u la g e n e r a l d e l o s é te re s .

19.52 E s c r i b e la f ó r m u l a e s t r u c t u r a l y m e n c io n a d o s u s o s d e l é t e r d ie tílic o .

E s c r ib e la f ó r m u l a e s tr u c t u r a l g e n e r a l d e lo s á c id o s c a r b o x ílic o s .

19.66 E s c r ib e l a e s tr u c t u r a d e lg r u p o c a r b o x ilo . 19.67 E s c r ib e l a f ó r m u la e s tr u c tu r a lg e n e r a l d e l o s é ste re s . 19.68

E m p le a n d o f ó r m u la s e s tr u c tu r a l e s , e s c r ib e u n a e c u a ­ c i ó n q u e m u e s tr a la r e a c c i ó n g e n e r a l d e f o r m a c i ó n d e u n é s t e r a p a r t i r d e u n á c id o y u n a lc o h o l.

19.69 E s c r ib e u n a e c u a c ió n d e la f o r m a c i ó n d e b u tir a to d e m e tilo . ( E s tá p r e s e n t e e n la s m a n z a n a s .) I n d ic a el n o m b r e d e to d o s lo s c o m p u e s t o s q u e p a r t ic i p a n e n la r e a c c ió n .

19.70

19.71

E s c r i b e u n a e c u a c ió n d e la f o r m a c ió n d e a c e ta to d e

D ib u j a f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s d e lo s c o m p u e s to s q u e s ig u e n y c l a s if íc a lo s c o m o a m in a p r i m a r ia , s e c u n d a -

ta n o , u n s a b o r iz a n te .) I n d ic a e l n o m b r e d e to d o s lo s

r ia o t e r c ia r ia .

c o m p u e s t o s q u e p a r tic ip a n e n l a r e a c c ió n .

a. e t i la m i n a

¿ C u á l e s e l n o m b r e d e l p l á s tic o c o n e l q u e s e f a b r ic a n

c . t r im e tila m in a

b o t e l l a s p a r a b e b i d a g a s e o s a , y c u y a a b r e v ia tu r a es

19.72

19.75

is o p e n tilo . ( E s tá p r e s e n t e e n e l a c e ite e s e n c ia l d e p l á ­

19.76

b. d i m e tila m in a

D ib u j a f ó r m u la s e s tr u c tu r a le s d e lo s c o m p u e s to s q u e

PETE?

s ig u e n y c l a s if íc a lo s c o m o a m in a p r i m a r ia , s e c u n d a -

¿ C u á l e s e l n o m b r e d e l é s te r c o n o c id o c o m ú n m e n te

r ia o t e r c ia r ia .

c o m o a s p ir in a ?

a. m e t il a m i n a

b. e ti lm e tila m in a

c . is o p r o p i la m i n a

19.77

A m inas ya midas

E s c r i b e la e s tr u c tu r a d e l p r o d u c t o d e la r e a c c ió n e n tr e e l á c id o a c é tic o y la m e t ila m in a . ¿ Q u é tip o d e c o m -

19.73

E s c r i b e la e s t r u c t u r a d e u n g r u p o a m in o . ¿ Q u é e s u n a am ina?

19.74

p u e s t o e s e s te p r o d u c to ?

19.78

¿ Q u é tip o d e c o m p u e s to s c o n tie n e n e l g r u p o s ig u ie n te ?

¿ C u á le s s o n la s d o s u n id a d e s m o le c u la r e s p r e s e n te s e n e l n y lo n 6 6 ? ¿ Q u é tip o d e e n la c e e s tá p r e s e n te e n e lp o lím e r o ?

O

19.79 I

¿ Q u é tip o d e a m in a ( p r im a r ia , s e c u n d a r ia o te r c ia ria ) e s l a p r o p ila m in a ?

— C — N —

19.80

¿ Q u é tip o d e a m in a ( p r im a r ia , s e c u n d a r ia o te r c ia ria ) e s l a a n f e t a m i n a ( F ig .1 9 .2 4 ) ?

Estudiantes en

acción Cristalización: una operación unitaria importante en síntesis orgánica U n o d e lo s p r i n c i p a l e s o b je tiv o s d e l a q u ím ic a o r g á n i c a e s o b t e n e r c o m p u e s to s c u y o g r a d o d e p u r e z a s e a m u y a lto . L a c r is ta li z a ­ c ió n e s u n o d e lo s m é to d o s s e le c tiv o s , ta n to p a r a la o b t e n c i ó n c o m o p a r a s u p u r i f ic a c i ó n ( e s te ú ltim o m u c h a s v e c e s e s lla m a d o p r o c e s o d e r e c r is ta liz a c ió n ) .

M ateriales y reactivos ♦ B a lan za e le c tró n ic a

Je rin g a d e 10 m L (para su ccio n ar)

♦ Á c id o b e n z o ico im p uro

E m b u d o B ü c h n e r d e m icro e sca la o H irsch

♦ P a rrilla d e ca le n ta m ie n to

V id r io d e re lo j/c h a ro la d e alum in io

♦ 2 va so s d e p re c ip ita d o s d e 5 0 m L

P e rla s d e e b u llició n

♦ C a rb ó n a ctiva d o

E sp á tu la

♦ M atraz E rle n m e y e r d e 2 0 m L

V a rilla d e vid rio

♦ A g u a d e stila d a

P in za s d e 3 d e d o s con nuez

♦ P a p e l filtro W h a tm a n u otro d e p oro chico

1 so p o rte u n iversal

♦ 2 m atra ce s K itasa to m icro e sca la

1 p ro b e ta de 2 0 mL

Procedim iento A n te s d e in ic ia r , m o n t a e l e q u i p o d e f iltr a c ió n a l v a c ío ( r e v is a e l e s q u e m a e n l a s e c c ió n E s tu d i a n t e s e n a c c ió n d e l c a p í t u l o 11).

1.

E n u n v a s o d e p r e c i p i ta d o s d e 5 0 m L , a g r e g a a p r o x im a d a m e n te 3 0 m L d e a g u a d e s t il a d a y c o l ó c a la s o b r e u n a p a r r i l l a d e c a ­ le n t a m i e n t o e n e l n ú m e r o 3. A g r e g a d o s o t r e s p e r la s d e e b u llic ió n . E s p e r a a q u e h ie r v a .

2.

O b s e r v a e l á c i d o b e n z o ic o im p u r o y d e s c r i b e s u a s p e c to e n l a t a b l a d e r e s u lta d o s . L u e g o , p e s a 0 .3 g d e é s te e n u n v a s o d e p r e c i p i t a d o s d e 2 0 m L y a ñ á d e l e l a m e n o r c a n ti d a d d e a g u a h ir v ie n d o q u e t e p e r m i ta d is o lv e r lo .

3. A d i c i o n a 0 .1 g d e c a r b ó n a c tiv a d o a l a d is o l u c i ó n d e á c i d o b e n z o ic o y a g í ta l a v ig o r o s a m e n te c o n a y u d a d e u n a v a r i lla d e v i ­ d r io . P o n a h e r v i r l a s u s p e n s ió n . E l c a le n t a m i e n t o d e b e s e r s u a v e , p a r a e v ita r u n a f o r m a c i ó n e x c e s iv a d e e s p u m a .

4. P a r a e l e q u i p o d e f iltr a c i ó n a l v a c ío , e l p a p e l f iltr o d e b e s e r d e u n d i á m e tr o m e n o r a l d e l e m b u d o B ü c h n e r. P é s a lo y r e g is tr a la m e d i c i ó n e n la t a b la d e r e s u lta d o s , lu e g o , c o ló c a lo e n e l e m b u d o y h u m e d é c e lo c o n e l a g u a c a lie n te .

5. A l c a b o d e 3 o 4 m in u to s d e c a le n t a m ie n t o d e l a m e z c la d e á c i d o b e n z o ic o , c a r b ó n a c tiv a d o y a g u a , f í lt r a l a e n c a l ie n t e (es d e c ir , a u n a te m p e r a t u r a a la c u a l p u e d a s to m a r la s in q u e m a r te ) , a p lic a n d o s u c c ió n s o b r e e l e m b u d o B ü c h n e r. E n e l p a p e l f il­ t r o q u e d a r á n la s im p u r e z a s a t r a p a d a s c o n e l c a r b ó n a c tiv a d o .

6.

D e s m o n t a e l e q u i p o d e f i lt r a c ió n y c o lo c a e l m a tr a z K it a s a t o e n b a ñ o d e h ie l o (e n u n a c a z u e la m e t á l ic a c o n h ie l o p ic a d o ) . C o n a y u d a d e u n a v a r il la d e v id r io , r a s p a e l in t e r io r d e l m a t r a z m ie n tr a s s e e s tá e n f r ia n d o .

7. L a f o r m a c i ó n d e c r is ta le s p u e d e lle v a r a lg u n o s m in u to s e in c l u s o h o r a s . D e ja r e p o s a r l a s o l u c ió n e n e l b a ñ o d e h ie lo . 8. U n a v e z f o r m a d o s lo s c r is ta le s , v u e lv e a m o n t a r e l e q u ip o d e f iltr a c ió n a l v a c ío y f íltr a lo s . L a v a lo s c r is ta le s c o n u n p o c o d e a g u a h e l a d a ; t r a n s f ié r e lo s a u n a c h a r o l it a d e a lu m in io o a u n v id r io d e r e lo j ( c o n to d o y e l p a p e l f iltr o ) , p a r a s e c a r lo s e n u n h o r n o o a l a ir e d u r a n t e v a r io s d ía s .

9. C u a n d o e s t é n lib r e s d e h u m e d a d , o b s e r v a e l a s p e c t o d e lo s c r is ta le s y r e g ís tr a l o e n l a ta b la . L u e g o , p é s a lo s c o n e l p a p e l f i l ­ tr o y a n o t a l a m e d ic ió n e n l a t a b l a d e r e s u lta d o s . R e c u e r d a r e s t a r e l p a p e l f iltr o e n e l c á l c u lo d e l r e n d im ie n to .

Calcula el rendim iento de la siguiente m anera: peso de cristales puros R = -----------------------------------------X 100 p eso original

A nálsis de resultados

Proceso

Resultado

P e so e x a c to d e l ác id o b e n z o ic o im p u ro (in ic ia l) P e so d e l p a p e l filtro P e so d e l p a p e l filtro c o n lo s c rista le s d e á c id o b e n z o ic o se c o s y p u ro s A s p e c to d e lo s c ris ta le s d e á c id o b e n z o ic o im p u ro s A s p e c to d e lo s c ris ta le s d e á c id o b e n z o ic o p u ro s F o rm a e n la q u e se se c a ro n lo s c ris ta le s d e á c id o b e n z o ic o R e n d im ie n to

R esponde las preguntas. 1.

¿ C u á l e s la f ó r m u l a s e m id e s a r r o l l a d a d e l á c id o b e n z o ic o ?

2.

¿ C u á le s s o n lo s g r u p o s f u n c i o n a le s p r e s e n te s e n la m o l é c u l a d e á c id o b e n z o ic o ?

3.

¿ P o r q u é e l á c id o b e n z o i c o e s m á s s o lu b le e n a g u a c a l ie n te q u e e n f r ía , si e s u n c o m p u e s to o r g á n ic o ?

4.

¿ C u á le s s o n lo s p r in c ip a le s u s o s d e l á c id o b e n z o ic o ?

20

Bioquímica

C O N T E N I D O 20.1

Carbohidratos

20.2

Lípidos

20.3

Aminoácidos y proteínas

20.4

Ácidos nucleicos

20.5

Algunas vitaminas y hor mo nas

A q u í s e m u e s tr a u n m o d e lo d e u n a m o lé c u la d e d o b le c a d e n a d e á c id o d e s o x ir r ib o n u c le ic o (D N A ). E l n ú c le o d e c a d a c é lu la d e u n o r g a n is m o c o n tie n e m o lé c u la s d e D N A q u e lle v a n e l c ó d ig o g e n é tic o , e s to es, la in fo r m a c ió n q u e c o n fie r e a l o r g a n is m o su s c a r a c te r ís tic a s y fu n c io n e s q u e le s o n p e c u lia r e s.

a parte de la quím ica que tiene lugar en todas las células vivas se llam a bioquímica. Cualquier persona es capaz de digerir y m etabolizar m uchas de las sustancias distin­ tas presentes en la dieta. Estas sustancias quím icas que se obtienen del alim ento son los com ponentes básicos con los que se construyen los m úsculos, huesos y otros tejidos cor­ porales com plejos. A dem ás, el organism o es capaz de elaborar un núm ero enorm e de m olé­ culas distintas, algunas de ellas con m asa m olecular del orden de m illones, que controlan y regulan las funciones corporales y protegen el organism o contra las enfermedades. Todos los m eses se inform a de importantes avances en el cam po de la investigación b io­ quím ica en m iles de artículos de revistas. Este tipo de inform ación es indispensable para com ­ prender la nutrición, el com bate y la prevención de enfermedades, y también los procesos vi­ tales. Se conoce m ucho de bioquím ica, pero es m ucho m ás lo que todavía está por descubrirse.

L

E n este capítulo sólo será posible incluir un núm ero lim itado de tem as bioquím icos fundam entales. L os que aquí se describen proporcionan una base general para lecturas y estudio adicionales en este activo cam po de investigación. N uestro conocim iento de la quí­ m ica y la bioquím ica se expande rápidam ente, y ello será benéfico para la hum anidad. E speram os que esto sea para ti sólo el principio de tu estudio de la química.

Carbohidratos C asi todo el m undo sabe lo que son los carbohidratos: son lo que com es o lo que no comes, según el libro de dietas que sigas (Fig. 20.1) Cualquier dietista te dirá que toda dieta bien balanceada debe incluir los carbohidratos. Cuando ingerim os y m etabolizam os estos com ­ puestos, sus átom os se reorganizan para form ar com puestos m ás sencillos y estables y, al m ism o tiempo, liberan su energía alm acenada en provecho nuestro. D esde el punto de vista quím ico, los carbohidratos están com puestos por los ele­ m entos carbono, hidrógeno y oxígeno cuya fórm ula em pírica es Cx(H 2O)r L a fórm ula de la glucosa, que es C 6H 12O 6, tam bién se p odría escribir com o C6(H 2O )6. A l calentar la glucosa cristalina, de color blanco, se desprende agua y queda un residuo negro de car­ bón. D e hecho, los prim eros científicos pensaban equivocadam ente que los azúcares eran hidratos de carbono, y los llam aron carbohidratos. Sin em bargo, no es posible p o ­ n er de nuevo el producto carbonizado en agua y obtener glucosa. L a glucosa no es un hidrato, y el térm ino carbohidrato crea confusión. (R ecuerda que, cuando se calienta un verdadero hidrato, se obtiene una sal anhidra que se com bina de nuevo con agua para f orm are lh idrato original.) I

I Conexión con el aprendizaje Los hidratos com o el C u S O 4 •5 H 2O se estudiaron en la secció n 6.9.

Monosacáridos L os carbohidratos sencillos se llam an monosacáridos . N o es posible hidrolizarlos m ás, es decir, no se pueden descom poner en unidades de azúcares m ás sencillos. L os carbohidra­ tos que se hidrolizan a dos unidades de m onosacárido (dos azúcares sencillos) se denom i­ nan disacáridos , y los que se hidrolizan a m uchas unidades de m onosacárido se conocen com o polisacáridos . L os m onosacáridos se clasifican, adem ás, de acuerdo con el núm ero de átom os de carbono en cada molécula.

Figura 20.1

El pan, la pasta, las

p atatas ,l a s f rutas ,l asv erduras y o tro sa lim en to sc ontienen carbohidratos.

Número de átomos de carbono

Clase de monosacárido

3

T rio s a

4

T e tro sa

5

P e n to s a

6

H exosa

Todos los m onosacáridos llevan la term inación -osa. E xiste adem ás otro sistem a p ara clasificar los m onosacáridos. L os que tienen un grupo aldehido se llam an aldosas , y los que tienen un grupo cetona se denom inan cetosas . C on frecuencia se com binan los dos sistem as. Por ejemplo, la glucosa es una aldohexosa; es un m onosacárido con seis áto­ m os de carbono y un grupo aldehído. L a fructosa, otro monosacárido, es una cetohexosa; tiene seis átom os de carbono y un grupo cetona. E n la Fig. 20.2 se m uestran las estructuras de tres monosacáridos. H ay 16 aldohexosas diferentes. Todas ellas tienen la fórm ula C6H 12O 6, de m odo que son isóm eros. D e éstas, la glucosa y la galactosa son las m ás conocidas. Si exam i­ nas la Fig. 20.2, advertirás que la glucosa y la galactosa parecen tener exactam ente la m is­ m a estructura, con una excepción: los grupos hidrógeno e hidroxilo (— H y — OH) del cuarto átom o de carbono, contando a partir del aldehido, están invertidos. Se trata de una diferencia m uy im portante y fundam ental, m uy parecida a la que existe entre tu m ano de­ recha y tu m ano izquierda: cada m ano tiene un pulgar y cuatro dedos m ás, pero un guante proyectado para ajustarse a la m ano derecha no sirve p ara la m ano izquierda. Toda m o ­ lécula que tenga un átom o de carbono con cuatro grupos diferentes unidos a él siempre tendrá esta propiedad de ser derecha o izquierda, porque los cuatro ángulos de enlace de 109.5° form an una estructura tetraédrica (Fig. 20.3). Se dice que un átom o de carbono es quiral si está unido a cuatro grupos diferentes. C ada una de las aldohexosas tiene cuatro átom os de carbono quirales (los átom os de carbono núm ero 2, 3, 4 y 5). U n grupo — OH que aparezca del lado derecho en una de estas posiciones designa un a estructura diferen­ te que un grupo — OH en el lado izquierdo.

Designaciones d y l . L a m itad de las estructuras de aldohexosa que es posible dibujar tie­ nen el grupo — O H del lado derecho en la posición del carbono núm ero 5. Estos m onosacáridos llevan la designación d , com o en la D -glucosa y en la D -galactosa. Se podrían dibujar otras aldohexosas con el grupo — O H del lado izquierdo en la posición del carbo­ no núm ero 5. Éstas se conocen com o azúcares l . Casi todos los carbohidratos de origen natural pertenecen a la serie d . É sta no es una cuestión que se deba tom ar a la ligera; no podem os m etabolizar los carbohidratos l ni obtener energía de ellos.

Figura 20.2

Aldehído H

\ O

E structurasy f uen tesc o m unesd et resh exosasi m portantes.

Aldehido H

V

V

2I

2I

H - C —OH 3I

H O - C —H 4I

H - C —OH 5 I

H - C —OH 6I

c h 2o h

Glucosa

Cetona

\,0

H -C -O H 3I

H O -C -H 4I

H O -C -H 5 I

w

,

C =07 3I

H O -C -H 4I

H -C -O H 5I

H -C -O H

H -C -O H

6I C H jO H

6I C H jO H

Galactosa

Fructosa

Figura 20.3

L os com puestos quirales son com o la m ano derecha y la m ano izquierda, que son

im ágenes en el espejo pero diferentes: un guante para la m ano derecha no sirve para la m ano izquierda. U n átom o de carbono es quiral cuando está unido a cuatro grupos diferentes. (O bserva las estructuras de la derecha y de la izquierda.) L os com puestos con un átom o de carbono quiral tien en isóm eros que son im ágenes en el espejo y se Llaman estereoisóm eros.

Estructuras cíclicas. Los m onosacáridos no perm anecen en la form a alargada o extendida de las estructuras representadas en la Fig. 20.2. Cuando una m olécula de glucosa se pliega sobre sí m ism a, es fácil que el oxígeno del carbono núm ero 5 se sitúe cerca del carbono núm ero 1 (el carbono del carbonilo), com o se m uestra en la Fig. 20.4 y en el centro de la figura 20.5. Cuando este carbonilo reacciona con el oxígeno del hidroxilo del carbono nú­ m ero 5, se form an las estructuras cíclicas (anulares) conocidas com o a-glucosa y fi-glucosa. A dvierte que, al formarse el anillo, el oxígeno del carbono 5 se une al carbono núm ero 1 para form ar un anillo de seis miembros. D urante la reacción de form ación del anillo, el oxígeno del grupo carbonilo (en el carbono núm ero 1 ), que originalm ente tenía un doble enlace, se convierte en un hidroxi­ lo que puede estar en una de dos posiciones para form ar dos estructuras cíclicas distintas, conocidas com o la form a alfa y la form a beta . E n la form a alfa (a ), el grupo hidroxilo del carbono núm ero 1 se proyecta hacia abajo, y en la form a beta (fi), este hidroxilo se proyecta hacia arriba cuando la m olécula se encuentra en la posición que se m uestra en la figura 20.5. L a glucosa cristalina puede existir y a sea en la form a alfa o en la beta. E n uno u otro caso, hay cuatro grupos distintos (— OH, — OR, — R y — H) unidos al carbono núm ero 1. L a presencia de exactam ente estos cuatro grupos produce una estructura conocida com o un hemiacetal. Los hem iacetales son m uy inestables. Se puede tener inicialm ente la for­ m a alfa o beta pura, pero tan pronto com o una u otra se disuelve en agua, el grupo acetal se abre, form a el aldehído y luego se cierra otra vez para dar la form a alfa o beta. L a aper­ tura y cierre ocurren de m anera sucesiva, y esta interconversión recibe el nom bre de mutarrotación . E n el equilibrio, la m ezcla consta aproxim adam ente de 36% de la form a a lfa y 64% de la fo rm a b eta, con m en o s del 0.02% de la fo rm a ald eh íd o (abierta). N o obstante, esa cantidad es suficiente para llevar a cabo las reacciones características de los aldehídos. Todas las aldosas reaccionan con los agentes oxidantes suaves; por esta razón se les describe com o azúcares reductores . L a diferencia entre las form as alfa y beta puede parecer insignificante, pero este tipo de diferencias suelen tener una im portancia crucial en las reacciones bioquím icas. Por ejem plo, en breve exam inarem os la estructura del almidón, que es un polím ero de unida­ des de glucosa en la form a alfa, y la com pararem os con la celulosa, que es un polím ero de unidades de glucosa en la form a beta. ¡Qué enorm e diferencia origina un carbono quiral!

Algunos monosacáridos destacados. Exam inem os con m ás detenim iento tres im portan­ tes m onosacáridos. L a D -glucosa, también conocida com o dextrosa, es la hexosa m ás im ­ portante. E s el “azúcar de la sangre” y representa aldededor del 0.065 al 0.11% de la sangre hum ana. Es indispensable para la vida porque es el azúcar principal que nuestras células consum en directam ente para generar energía. Se estim a que casi la m itad de los átom os de

Figura 20.4

M odelos de la

glucosa con el aldehído libre. A dvierte que en el m odelo plegado el átom o de oxígeno del quinto carbono está cerca del carbono núm ero uno, el carbonilo.

Extendida

a-G lucosa Figura 20.5

F orm a d e cadena abierta

p-G lucosa

E n solución acuosa, la g lu co sa existe com o u n a m ezcla en eq u ilib rio de

estas tres form as. L a a -g lu c o sa r ep rese n ta a lred ed o rd el3 6% ,l a f orm ad ec ad en aa bierta, a p ro x im ad am en tee l0 .02 % ,y l a ^ -g lu c o sa , alred ed o rd el6 4% .

carbono de la biosfera están com binados en form a de glucosa. Por desgracia para la gente que padece ham bre en el mundo, gran parte de esa glucosa está en form a de celulosa, que tiene poco o ningún valor alim enticio para los seres humanos. U n segundo monosacárido, la D -galactosa, es una aldohexosa que se obtiene, junto con glucosa, de la hidrólisis de un disacárido llam ado lactosa, o azúcar de leche. L a D -galactosa está presente en ciertos com puestos que se encuentran en el cerebro y los nervios. L a única cetohexosa de origen natural es la D -fructosa, que tiene un grupo carbonilo en la posición del carbono 2. L a fructosa es el m ás dulce de los azúcares com unes, y se en­ cuentra, junto con glucosa y sacarosa, en la m iel y en los jugos de frutas. Los productos de la hidrólisis del disacárido conocido com o sacarosa o azúcar de m esa son fructosa y gluco sa.

Disacáridos L os disacáridos com unes son tres: m altosa, lactosa y sacarosa. L a hidrólisis de 1 m o l de un disacárido produce 2 m o l de m onosacáridos. E m pleando ecuaciones expresadas con palabras,e stos ee scribec om os igue. o en zim a

M altosa + H 20 -------------- > 2 G lucosa t

i tt /-v

H + oenzim a

-

L actosa + H 2U > G lucosa + G alactosa „

, TT „

H+ o enzima

_

S acarosa + H 20 ------------- » G lucosa + Fructosa L a m altosa está presente en los granos en germ inación, p ero su fuente principal es la hidrólisis parcial del alm idón. L a m altosa consta de dos unidades de glucosa unidas po r un enlace a c e ta l alfa; es decir, el grupo hidroxilo del carbono 1 de la glucosa que se m uestra a la izquierda está dirigido hacia abajo, en la posición alfa, cuando se enlaza al grupoh idroxilod elc arbono4 d el ag lucosad el ad erecha. M altosa:

U nidad de glucosa

U nidad de glucosa

E n lace acetal alfa

E l anillo de glucosa de la derecha se representa con el hem iacetal en la form a alfa, pero es­ te anillo puede estar en la form a alfa o beta porque se abre y se cierra con entera libertad. L a lactosa constituye del 5 al 7% de la leche hu m an a y del 4 al 6% de la leche de vaca. E n la lactosa, una unidad de galactosa (a la izquierda) está unida a una unidad de glu­ cosa m ediante un enlace acetal beta (el oxígeno del carbono 1 de la galactosa, que enlaza los dos anillos, está en la posición hacia arriba, ¡S). Lactosa:

Unidad de glucosa c h 2o h

Unidad de galactosa c h 2o h 51

Hemiacetal (forma alfa) H OH Enlace acetal beta

L a sacarosa, conocida com únm ente com o azúcar de m esa, está presente en el azúcar de caña y de rem olacha. Se com pone de una unidad de glucosa unida a una unidad de fructosa m ediante un enlace acetal alfa. (Advierte que el anillo de fructosa tiene cinco m iem bros, no seis.) É ste es el prim er azúcar no reductor que se m enciona aquí. N inguno de los anillos se puede abrir porque no hay un hem iacetal. Sacarosa:

Unidad de glucosa

Unidad de fructosa

CH2OH Enlace acetal alfa Polisacáridos E l alm idón y tam bién la celulosa son polím eros de glucosa, y se les conoce com o car­ bohidratos com plejos. E l alm idón es una im portante fuente de energía en to d a dieta b a ­ lanceada. I L a celulosa aporta fibra a la dieta. L a figura 20.6 m uestra segm entos cortos de las estructuras que están presentes en el alm idón y en la celulosa. O bserva que las unida­ des de glucosa del alm idón están unidas por enlaces alfa; en cam bio, en la celulosa las unidades de glucosa están unidas por enlaces beta. E sta diferencia tiene una im portancia enorm e. C asi todos los anim ales pueden digerir y m etabolizar el alm idón, pero los seres hum anos y algunos otros m am íferos no obtienen valor alim enticio alguno de la celulosa. E n otras palabras, podem os com er y digerir patatas (alm idón), pero nos resulta im posible digerir la hierba. C iertas bacterias que están presentes en el tracto digestivo de los anim a­ les que pastan y de las term itas les perm iten utilizar la celulosa. L os seres hum anos no tie­ nen m icroorganism os de este tipo. A las diferencias entre los enlaces alfa y beta se deben tam bién las distintas formas tridim ensionales de la celulosa y del alm idón. Por ejemplo, la celulosa de la pared celular de las plantas está organizada en haces de fib rilla s paralelas que form an fibras. L as fi­ bras de celulosa de capas alternadas son perpendiculares, lo que les confiere m ayor resis­ tencia (Fig. 20.7). H ay dos tipos principales de alm idón. U no de ellos, llam ado am ilosa, tiene unidades de glucosa unidas form ando una cadena continua, com o las cuentas de un collar. E l otro tipo, llam ado am ilopectina, tiene cadenas ram ificadas de unidades de glucosa. E l alm i­ dón anim al se llam a glucógeno, y al igual que la am ilopectina, se com pone de cadenas

I Conexión con el m undo real Dieta: Entre 65 y 8 0 % de la energía de una persona debe provenir de carbohidratos, de preferencia de los carbohidratos com plejos presentes en los cereales, no de azúcares sencillos.

I Conexión m édica Glucógeno alm acenado : Una perso na só lo es ca paz de al ma ce nar alrededor de 50 0 g de glucógeno, que equivale a la reserva de energía suficiente para un día. El glucógeno se almacena principalmente en el hígado y en el tejido muscular

630 |

CAPÍTULO 20

* Bioquímica

C H jO H

CH„OH

CH.OH

CH2OH

Almidón c h 2OH

CH2OH CH-OH

H

/

CHjOH -O H

0

\

OH

H /

H

OH

H

H

/

0

\O H

H

H

H

—°\ H/ OH

Celulosa Figura 20.6

I C onexión con el aprendizaje Las enzim as se d e scrib e n al final de la secció n 20.3.

C arbohidratos. T antoe la lm id ó n c om ol ac elulosas o n p olím ero sd eg lucosa.

ram ificadas de unidades de glucosa, p ero el glucógeno tiene m ás ram ificaciones que la am ilopectina. I E n la am ilosa puede haber de 60 a 300 unidades de glucosa por m olécula. L as estructuras de cadena ram ificada de la am ilopectina pueden contener de 300 a 6000 unidadesd eg lucosap orm olécula. E l alm idón se hidroliza en glucosa cuando se digiere. E ste azúcar sencillo se absor­ be con facilidad a través de la pared intestinal y entra en el torrente sanguíneo. L a g lu ­ cosa se degrada m ediante un a com pleja serie de m ás de 50 reacciones quím icas, cada una de ellas catalizada p o r un a enzim a, I h asta p roducir dióxido de carbono y agua con desprendim ientod ee nergía. ^6^12^6 + 6 0 2

-> 6 C 0 2 + 6 H20 + Energía

E stas reacciones constituyen en esencia el proceso inverso de la fotosíntesis. D e este m o ­ do, los anim ales consiguen aprovechar la energía solar capturada p or las plantas durante la fo to sín te sis. Los carbohidratos aportan alrededor de 4 kcal por gram o de energía. Cuando una p er­ sona come m ás de lo que puede utilizar, una pequeña cantidad de carbohidratos se convierte en glucógeno, que se alm acena en el hígado y en el tejido muscular. Los excesos grandes de carbohidratos, sin embargo, se transform an en lípidos (grasa) para su almacenamiento. Figura 20.7

E ne sta

m icro g rafíad el ap ared c elular de un alg a se m u estran las capas sucesivas d e f ib rasd ec elu lo sa d isp u estasd e f orm ap aralela.

M enciona uno o m ás ejem plos de lo siguiente.

(a) unm onosacáridoq uee su n aa ldohexosa (b) un disacárido con una unidad de glucosa unida a un a unidad de fructosa p o r un enlaced ea cetala lfa

(c) unp olisacáridoc on unidadesd eg lucosau nidasp ore nlacesb eta

SOLUCIÓN (a) L a glucosa y la galactosa son dos ejem plos de aldohexosas. (H ay otras.) (b) L as acarosae se lú nicod isacáridoq ues ea ju staa e stad escripción. (c) L ac elulosae se lp olisacáridoq ues ea ju staa e stad escripción.

EJERCICIO 20.1 (a) C om para las sem ejanzas y diferencias estructurales entre el alm idón y la celulosa y

Véansel osp roblemas 2 0 .1 -2 0.1 6.

entre la glucosa y la galactosa.

(b) C om para las sem ejanzas y diferencias estructurales entre la am ilosa y la amilopectina.

Lípidos L os alim entos que com em os se dividen en tres grupos prim arios: carbohidratos, proteínas y lípidos. A unque los carbohidratos presentan sem ejanzas estructurales, los lípidos tienen diversas estructuras y funciones, pero sus características de solubilidad son parecidas. Los com puestos aislados de tejidos corporales se clasifican com o lípidos si son m ás solubles en disolventes orgánicos que en agua. Los lípidos son sustancias grasosas o aceitosas que pueden ser lípidos sim ples (ésteres de glicerol y ácidos grasos), fosfolípidos (com unes en el tejido nervioso), esteroides (el colesterol y las horm onas m asculinas y fem eninas com u­ nes) o prostaglandinas (un grupo de com puestos con una am plia variedad de efectos sobre el ritm o cardiaco, la presión arterial, la fertilidad y las respuestas alérgicas). Los lípidos simples son ésteres derivados del glicerol y de ácidos carboxílicos de cade­ n a larga, com únm ente conocidos com o ácidos grasos . A los lípidos simples se les llam a tam bién triglicéridos, I y todos ellos se form an a partir de una m olécula de glicerol y tres m oléculas de ácido graso. L a triestearina, que aquí se muestra, es un lípido simple repre­ sentativo que se encuentra en las carnes rojas.

H 2c — o —H

O II H O — C —C 17H 35

O II H C — O —H + H O — C —C 17H 35

H 2c — o —H

Glicerol

O II H O — C —C 17H 35

Ácido esteárico (un ácido graso)

O H 2C O

----- >

II C

C 17H 35

O II H C — O — C — C 17H 35 + 3 H 20 O II H j C — O — C — C 17H 35

Triestearina (un lípido simple)

L os ácidos grasos de origen natural (Tabla 20.1), com o el ácido esteárico, por ejem ­ plo, tienen casi siem pre un núm ero p ar de átom os de carbono. E n general, las grasas son sólidos que se obtienen principalm ente de fuentes animales, en tanto que los aceites son lí­ quidos provenientes de fuentes vegetales. L as grasas anim ales y aceites vegetales representativos se com ponen de zonas tanto saturadas com o insaturadas (Fig. 20.8). E n la grasa anim al predom inan los com ponentes

I

C onexión m édica

Los exám enes de sangre pro porcio nan ru ti na ria m ente los niveles de triglicéridos, los cuales, según los m édicos, deben estar por debajo de 2 0 0 . Una dieta apropiada, el e je rcicio y ciertos me di ca m entos con siguen re du cir los niveles de triglicéridos.

Tabla 20.1 Algunos ácidos grasos de grasas naturales t Número de átomos de carbono

Estructura condensada*

Nombre

Fuente común

4

C H 3 C H 2C H 2 C O O H

Á c id o b u tíric o

M a n te q u i lla

6

C H 3 ( C H 2 )4 C O O H

Á c id o c ap ro ic o

M a n te q u i lla

8

C H 3 ( C H 2 ) 6C O O H

Á c id o c a p rílic o

A c e i te d e c o co

10

C H 3 ( C H 2 ) 8C O O H

Á c id o c áp rico

A c e i te d e c o co

12

C H 3 ( C H 2 ) 10C O O H

Á c id o lá u ric o

A c e ite d e alm en d ra d e p a lm a

14

C H 3 ( C H 2 ) 12 C O O H

Á c id o m irístic o

A c e i te d e n u e z m o scad a

16

C H 3 (C H 2 )14 C O O H

Á c id o p a lm ítico

A c e ite d e p alm a

18

C H 3 (C H 2 ) 16C O O H

Á c id o e ste á ric o

S e b o d e r es

18

C H 3 (C H 2 ) 7C H =

C H ( C H 2 ) 7C O O H

Á c id o o leico

A c e ite d eo liva

18

C H 3 (C H 2 )4 C H =

C H C H 2C H =

Á c id o l in o le ic o

A c e i te d e s o y a

18

C H 3C H 2 (C H =

20

C H 3 (C H 2 )4 (C H =

(C H 2 ) 7C O O H

C H C H 3 (C H 2 )C O O H C H C H 2 ) 4 C H 2 C H 2C O O H

Á c id o l in o lé n ic o

A c e ite s d e p e s c a d o

Á c id o a ra q u id ó n ic o

H íg a d o

tA lgunos de los ácidos grasos más comunes se m uestran en azul. *Todosl osd oblese nlacest ienenl ac onfiguraciónc is.

I C onexión m édica Se ha suscitado una controversia en relación con la margarina y la vegetal, que pueden contener de 10 a 5 0 % de ácidos grasos trans. La A m erican Heart A ssociation re co mien da re du cir la ingesta de gra sas satu ra das y áci dos gra sos trans. Las m oléculas angulares (configuración cis) parecen ser más favo ra b le s pa ra la sa lud hu ma na que las ca de nas li nea les.

Figura 20.8

L a m antequilla, la

m argarina, los aceites p ara cocinar, la m anteca vegetal y los alim entos fritos en grasa son ejem plos de sustancias que aportan lípidos en la dieta.

saturados; en cam bio, en los aceites vegetales son los com ponentes insaturados con co n ­ figuraciones cis los que predom inan, aunque hay excepciones. U n ácido graso saturado es aquél que no contiene dobles enlaces. U n ácido graso m onoinsaturado contiene un doble enlace por m olécula, y un ácido graso poliinsaturado contiene dos o m ás dobles enlaces. I U na grasa saturada es aquélla que contiene una proporción relativam ente grande de ácidos grasos saturados. Por ejem plo, el sebo de res se clasifica com o grasa saturada, pues es, en prom edio, 52% saturada, 44% m onoinsaturada y 4% poliinsaturada (Fig. 20.9). Las grasas poliinsaturadas (aceites) incorporan p rincipalm ente ácidos grasos insaturados.

Contenido de ácidos grasos de algunos aceites y grasas comunes % del total de ácidos grasos Saturados

Monoinsaturados

Poliinsaturados

Aceite de semilla de algodón

Figura 20.9

A q u í se m uestran las variaciones en los porcentajes de ácidos grasos saturados

e in sa tu rad o sd ec ie rto sa ceitesy g rasasc om unes.

P or ejem plo, el aceite de m aíz es, en prom edio, 13% saturado, 25% m onoinsaturado y 62% p oliinsaturado. H oy en día los nutriólogos destacan el valor de un equilibrio de ácidos grasos omega-3 y om ega-6 en la dieta. Los ácidos grasos omega-3 tienen un doble enlace entre los carbo­ nos tercero y cuarto contando a partir del extrem o que tiene el grupo — C H 3. L os aceites de pescado son ricos en ácidos grasos om ega-3, com o el ácido linolénico. U n ácido graso om ega-6, com o el ácido linoleico, tiene un doble enlace en el sexto carbono a partir del extrem o con el — C H 3. C asi todas las grasas anim ales son sólidas o sem isólidas a tem peratura am biente, en tanto que la m ayor parte de los aceites vegetales son líquidos (el aceite de coco es un a ex­ cepción), pero am bos tienen la m ism a estructura de triglicérido. L a diferencia de punto de fusión se debe a la m ayor proporción de ácidos grasos saturados de las grasas anim a­ les representativas. U na m edida global de la insaturación de una grasa o aceite es su índice de yodo . R e­ cuerda (Sección 19.5) que todos los halógenos se adicionan con facilidad a los átom os de carbono con dobles enlaces. L a reacción del yodo con un doble enlace es la siguiente. \

/ C=C

/

\

- C - C I I I I

E l índice de yodo se define com o la cantidad en gram os de yodo que consum irían 100 g de la grasa o aceite. Cuantos m ás dobles enlaces contiene una grasa, tanto m ás yodo con­ sum e durante la reacción de adición. Por consiguiente, un índice de yodo grande indica un alto grado de insaturación. E n la tabla 20.2 se m uestran los índices de yodo de varias gra­ sas y aceites. E n térm inos generales, las grasas anim ales com o la m antequilla y el sebo tienen valores m ás pequeños que los aceites vegetales. U na excepción, com o ya señala­ m os, es el aceite de coco. Las grasas son alim entos ricos en energía, pues rinden alrededor de 9 kcal por gramo. Las grasas que se ingieren en exceso se alm acenan en el cuerpo, donde sirven com o reser­ vas de energía. Esta grasa alm acenada también aisla el cuerpo contra la pérdida de calor y protege órganos vitales contra posibles lesiones al actuar com o relleno adicional. Cabe suponer que las grasas alm acenadas perm itieron a nuestros antepasados sobrevivir en tiem pos de escasez. N uestra capacidad p ara alm acenar grandes cantidades de grasas tie­ n e probablem ente un origen genético. L a grasa de la dieta proviene de los productos cárnicos y lácteos, de los aceites y m an­ tecas vegetales y de ciertas semillas y nueces. En térm inos generales, no m ás del 30% de

Tabla 20.2 Índices de yodo de algunas grasas y aceites Grasa o aceite

Índice de yodo

A c e ite d e c oco

8 -1 0

M a n te q u illa

2 5 -4 0

S e b o d e res

3 0 -4 5

A c e i te d e p a l m a

3 7 -5 4

M a n te c a d e c erd o

4 5 -7 0

A c e i te d e o liv a

7 5 -9 5

A c e ite d e c a c a h u a te

8 5 -1 0 0

A c e ite d e s e m illa d e a lg o d ó n

1 0 0 -1 1 7

A c e ite d e m a íz

1 1 5 -1 3 0

A c e ite s d e p e s c a d o

1 2 0 -1 8 0

A c e i te d e s o y a

1 2 5 -1 4 0

A c e ite d e c ártam o

1 3 0 -1 4 0

A c e ite d e g ira so l

1 3 0 -1 4 5

A c e ite d e l in a z a

1 7 0 -2 0 5

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO Proyecto M ielina L a ad renoleucodistrofia (A L D ) es u n grupo d e desórdenes neuro ló g ico s degenerativos, caracterizado p o r la acum ulación de ácidos grasos d e cad en a m u y larga (de 22 y 26 carbonos) e n los tejidos y en los fluidos d el organism o. E stos ácidos grasos d estru y en la cu b ierta d e m ielin a d e las term inaciones nerviosas que p erm ite tran sm itir m en sajes d esd e el cerebro hasta cualquier otra p arte d el organism o, lo cu al conduce al deterioro físico y m ental, ceguera, ataques epilépticos, parálisis y m uerte. E s u n a en ferm edad d e heren cia recesiv a pro v o cad a p o r u n a p ro teín a co dificada p o r un g en situado e n el cro m o so m a X , transm itido p o r la m adre. L o ren zo M ic h a e l M u rp h y O d o n e n ació e n 1978. S e le d iag n o sticó co n a d re n o le u c o d istro fia in fan til c u a n d o te n ía sólo cin co añ o s d e ed ad , lu eg o d e q u e m o stró g rav es trasto rn o s m e n ­ tales c o m o p rim e ro s sín to m as. L o s m é d ic o s le p ro n o stic a ro n dos añ o s d e v ida. L o s p ad res d e L o ren zo , A u g u sto y M ic h a e la O d o n e, no a cep taro n este d iag n ó stico y b u sc aro n c u ra p a ra la enferm edad. D esp u és d e u n a in te n sa b ú sq u e d a y co n e l apo y o d e H u g o M oser, un m é d ic o britán ico , estab leciero n un co ctel d e ácidos grasos fo rm ad o p o r cu atro p a rte s d e g licero l trioleato y u n a d e g licero l trieru ciato [éste es u n trig licérid o sintético d e l ácido erú cico , d e ­ rivado d e l aceite d e colza, p u rificad o y lib re d e ácid o s g raso s de cad e n a larga, q u e p ro p o rc io n a u n p ro d u cto co n u n 20% e n ácido erú cico (C 2 2 :1 ) y u n 80% d e ácido oleico (C 18:1)] al q u e llam aro n “aceite d e L o re n z o ” . L o s O d o n e en co n traro n q u e la in ­ g esta d e e s a m ezcla, a u n a d a a u n a d ie ta re strin g id a en ácidos g ra ­ sos d e c a d e n a larg a re d u c ía lo s niveles d e ácid o s g raso s e n el p la s m a d e los p acien tes afectad o s p o r A L D . C o n ello lo g raro n q u e la co n d ició n d e L o ren zo se v o lv iera estable.

E n 2 005, M o s e r d e m o stró e sta d ístic a m e n te q u e e n pac ie n te s c o n A L D a q u ien es se les in clu y ó e n su d ie ta e l aceite d e L o ren zo lo s trasto rn o s d ism in u y e ro n d e fo rm a co n sid erab le. A u g u sto O d o n e o b tu v o u n d o cto rad o h o n o rífico p o r la U n iv ersid ad d e S tirlin g g racias a su trab ajo . L a p a re ja fu n d ó el P ro y e c to M ie lin a p a r a in v estig ar m á s so b re e l A L D y o tras e n fe r­ m e d a d e s aso ciad as. F in alm en te, L o re n z o O d o n e m u rió a lo s 3 0 años d e edad, v íctim a d e u n a n e u m o n ía , e s decir, vivió 23 años m á s d e lo d ia g ­ n o stica d o . S u h isto ria in clu so in sp iró la p e líc u la U n m ila g ro p a r a L orenzo, film a d a e n 1992.

La cubierta de m ielina participa en la conducción de los im pulsos nerviosos. En la A LD , la acum ulación de ácidos grasos la destruye, generando severos trastornos.

\ ___________________________________ nuestra energía debe provenir de grasas, y éstas deben constar de partes iguales de tres tipos: grasas saturadas, m onoinsaturadas y poliinsaturadas. L a dieta m edia de un h ab i­ tante de E stados U nidos contiene alrededor de 37% de grasas, cifra bastante m ayor que la recom endada por la m ayoría de las autoridades m édicas. E l nivel de triglicéridos en la sangree su n r eflejod el osh ábitosd ea lim entación.

EJEMPLO 20.2

Lípidos

Identifical as ustanciam áss aturaday l a m ási nsaturadad ec adag rupo.

(a) ácidoo leico,á cidol inoleico,á cidop alm ítico (b) aceite de soya, aceite de cacahuate, aceite de coco, aceite de oliva SO LU CIÓ N

(a) E l ácido palm ítico es saturado. D e los tres, el ácido linoleico es el m ás insaturado, puest iened osd oblese nlaces.

(b) C onsulta los índices de yodo en la tabla 20.2. D e las cuatro sustancias, el aceite de coco es el m ás saturado y el aceite de soya es el m ás insaturado.

EJERCICIO 20.2 Véan sel osp roblem as 2 0 .1 7 y 2 0 .2 7 .

(a) E xplica la diferencia entre los ácidos grasos y las grasas (lípidos). E xplica la diferen­ cia entre las grasas y los aceites.

(b) E xplica la diferencia entre los ácidos grasos omega-3 y om ega-6. Escribe el nom bre de uno de cada tipo.

^ 0*3 Aminoácidos y proteínas L a tercera clase de alimentos, las proteínas, son el com ponente fundam ental de todos los seres vivos. N inguna parte del cuerpo humano, o de cualquier célula viva, carece de proteí­ nas. H ay proteínas en la sangre, en los músculos, en el cerebro e incluso en el esm alte de los dientes. Los organism os celulares m ás pequeños, las bacterias, contienen proteínas. C ada tipo de célula elabora las proteínas que le son propias. Las proteínas sirven com o m a­ teriales estructurales en el tejido m uscular y óseo. Por ejemplo, la seda, la lana, las uñas, las garras, las plum as, los cuernos y las pezuñas son proteínas. En la figura 20.10 se m uestra la estructura de un segmento corto de una m olécula de proteína representativa. Las proteínas son copolímeros de alrededor de 20 aminoácidos distintos unidos por enlaces peptídicos. L a tabla 20.3 presenta una lista de estos am inoácidos. Cada am inoácido tiene dos grupos funcionales: un grupo carboxilo, — COOH, y un grupo amino, — N H 2, que está en el carbono vecino al grupo carboxilo. Este carbono se identifica com o el carbo­ no alfa (a). Todos los am inoácidos de origen natural son alfa-aminoácidos. O ot

II

H -N — C H — C — O H I R L a identidad de un am inoácido en particular está determ inada por el grupo específico, sim ­ bolizado por — R, unido al átom o de carbono que tiene el grupo amino. L a fórm ula general indicada en el párrafo precedente es correcta sólo en parte. Aunque indica el átom o de carbono correcto al que están unidos los grupos funcionales, los grupos am ino y los grupos carboxilo no coexisten en las form as que se m uestran. E l grupo carboxilo, que es ácido, reacciona con el grupo am ino, de carácter básico. Cuando estos dos

Figura 20.10

(a)F órm ula

estru ctu rald eu ns egm ento d e unam o léculad ep roteína.

C H ,—C H

\

3

H -N

/

(b)M odelod es em iesferas

c=o

dels egm en to d eu n ap roteína.

\

h c - c h 2c h 2c o o h

o=c

\

N -H / H -C H

xc=o /

H —N

\ H C —C H ,S H /

2

° - C\ N -H / C H ,—C H —C H I \ c h 3 /C = o H -N

\

H C - C H 2C H 2C H 2C H 2N H 2

T a b la 20.3

A lg u n o s a m in o á cid o s re p re se n ta tivo s

Nombre

Abreviatura

Esencial

Estructura

Glicina

Gly

No

H — C H — CO O 1 +nh3

Alanina

Ala

No

C H ,— C H — CO O 3 1 +n h 3

Fenilalanina

Phe

Sí

CH2 — C H — CO O +n h 3

Valina

Val

Sí

C H ,— C H — C H — CO O 3 1 1 c h 3+nh3

Leucina

Leu

Sí

C tL C H C H , — C H — CO O 1 2 1 ch3 +nh3

Isoleucina

lie

Sí

C H ,C H ,C H — C H — CO O 1 1 c h 3 +nh3

Prolina

Pro

No

C H ,— C H , CH, X

M etionina

M et

Sí

coo~

2

C +n h /

h

c h 3— s — c h 2c h 2 — C H — CO O +nh3

Serina

Ser

No

Treonina

Thr

Sí

H O — C H ,— C H — CO O 2 1 +n h 3 C H ,C H — C H — CO O 3| 1 OH +NH3 0

A sparagina

Asn

No

H2N — C — CH2 — C H — CO O +nh3 0

Glutamina

Gln

No

h 2n — c — c h 2c h 2 — c h — CO O +nh3

Cisterna

Cys

No

H S — C H ,— C H — CO O 2 1 +n h 3

T a b la 20.3 (C o n tin u ació n )

Nombre

Abreviatura

Esencial

Estructura

Tirosina

Tyr

No

HO

Triptófano

Trp

Sí

C H ,— C H — COO­ I 2 I C +NH,

o Lisina

Lys

Sí

C H ,— CH — COO2 I +NH,

r NH j CH

H3NCH2CH2CH2CH2 — C H — CO O NH,

Arginina

h 2n — c — n h c h 2c h 2c h 2 — c h — c o o -

Arg

+NH-,

nh

,

sN Histidina

CH2 — CH — CO Q -

His hn

+NH, Ácido aspártico

Asp

No

H O O C — C H , — C H — CO O 2 I +NH,

Ácido glutámico

Glu

No

H O O C — CH2CH2 — C H — CO O +NH,

♦Esencial para los niños en crecimiento pero no para los adultos. tEsencial para los niños pequeños.

grupos funcionales interactúan, el grupo ácido transfiere un protón a la base. E l producto resultante es una sal interna, llam ado ion dipolo; es decir, un com puesto en el que el anión y el catión pertenecen a una m ism a m olécula.

O + II h , n —C H — c —c r 3 I R U n ion dipolo

Aminoácidos esenciales I C onexión con el aprendizaje

E l cuerpo hum ano no es capaz de sintetizar ocho de los am inoácidos que necesita para elaborar proteínas. E sos ocho (Tabla 20.3) se conocen com o aminoácidos esenciales , y es preciso obtenerlos de la dieta. Ingerim os proteínas, nuestro cuerpo las h idroliza en los am inoácidos que las constituyen, y luego utiliza algunos de estos am inoácidos para construiro trasp roteínas. L a m ayor parte de las proteínas de origen vegetal presentan deficiencia de uno o m ás de los am inoácidos esenciales. Por ejem plo, la proteína de m aíz carece de lisina y triptó­ fano. I L as personas cuya dieta se com pone principalm ente de m aíz pueden sufrir d es­ nutrición debido a la escasez de estos am inoácidos. A las proteínas del trigo y del arroz les hace falta lisina y treonina. C asi todos los frijoles, a excepción de la soya, carecen de m etionina y valina. I E n cam bio, casi todas las proteínas de origen anim al contienen cantidades adecuadas de todos los am inoácidos esenciales. U n a persona necesita diaria­ m ente alrededor de 0.8 g de proteína por kilogram o de peso corporal. L a deficiencia de proteínaso riginar etardot antof ísicoc om om ental.

Al maíz le hace falta li si na triptófa no Al arroz y al trigo les hace falta isi na tre o ni na A casi todos los frijoles les hace falta m etio ni na va li na

I Conexión médica Los frijoles y el arroz, si se com en juntos, sum inistran todos los ami noá ci dos esen cia les. Se les conoce com o proteínas com plem entarias.

E l cuerpo hum ano contiene alrededor de 30 000 proteínas diferentes. C ada persona tiene su propio conjunto de estas m oléculas hecho a la m edida. Las proteínas son poliamidas. L os enlaces de am ida pueden form arse a partir de diversos ácidos y am inas, pero cuando un enlace am ida, — CO N H — , une dos am inoácidos, se tiene un enlace peptídico . O II

+

O II

HJST— c h - c — N — C H — c — c r 3

I R

I R E nlace peptídico

E l grupo am ina del extrem o izquierdo y el grupo carboxilo de la derecha pueden reaccio­ nar con otros am inoácidos. Cuando sólo se unen dos am inoácidos, el producto es un dipép­ tido. I Cuando se com binan tres am inoácidos, el producto es un tripéptido.

I C onexión con el m undo real N utraSw eetMR, el edul corante artificial, es aspartam o, el éster m etílico del dipép tid o form ado por dos am inoácidos: ácido aspártico y fenilalanina.

O

O

O

H 3N —C H — c —N H — C H — c —N H — C H — c — O" ch3

C H 2O H

C H 2SH

S erilalanilcisteína (un tripéptido) U na cadena de 10 o m ás am inoácidos es un polipéptido . Si el peso m olecular del polipéptido es m ayor de 10 000, se le llam a proteína . L a estructura que sigue representa tanto un polipéptido com o una proteína. 0 II

0 II

0 II

0 II

0 II

0 II

• • CH—c —NH—CH—c —NH—CH—c —NH—CH—c —NH—CH—c —NH—CH—c —NH- • • l R

I Conexión m édica Se ha d escu b ierto q ue dos pépti dos en el h i po tá la mo del en céfa lo in flu yen en el apeti to y el ham bre de las ratas (1998). ¿E sto podría dar origen a la creación de nuevos fármacos para red ucir el apetito?

i

l R

i R

l R

í R

R

Para que los péptidos y las proteínas tengan actividad fisiológica, no basta con que estén constituidos p or un cierto núm ero de am inoácidos específicos. E l orden o secuencia en el que los am inoácidos están unidos tam bién tiene una im portancia crítica. C uando los científicos describen péptidos y proteínas, les resulta m ás sencillo em plear abreviaturas de tres letras para representar los am inoácidos (Tabla 20.3). Por ejemplo, la se­ cuencia de la serilalanilcisteína se escribe Ser-A la-Cys. E n este sistem a de abreviaturas se sobreentiende que el péptido está dispuesto con el grupo am ino libre a la izquierda y el grupo carboxilo a la derecha. A m edida que la longitud de una cadena peptídica aum enta, las variaciones posibles de la secuencia se tornan casi infinitas, y este potencial de m uchos ordenam ientos distintos es exactam ente lo que se necesita en un m aterial que h a de form ar estructuras tan diversas co­ m o cabello, piel, ojos, uñas, ciertas horm onas y m iles de enzim as diferentes. I E n com paración, considera los m illones de palabras distintas que se pueden construir con el abecedario castellano de 28 letras. Tam bién se pueden form ar m illones de proteínas distintas con 20 am inoácidos. M ás aún, de igual m odo que se puede escribir tonterías sin sentido con el abecedario, es posible construir proteínas no funcionales form ando una se­ cuencia errónea de am inoácidos. E n ocasiones una proteína con uno o dos am inoácidos en el orden incorrecto continúa funcionando, del m ism o m odo que se puede “leer” un “enunciado” aunque contenga un error de ortografía. E n otros casos, un cam bio que en apariencia es insignificante puede tener un efecto desastroso. L a hem oglobina de algunas personas tiene un am inoácido incorrecto entre alrededor de 300 que form an a la proteína.

Llave (enzima)

Cerradura (sustrato)

Complejo de llave y cerradura

Figura 20.11 Complejo de enzima y sustrato

A quís er epresen ta

el m odelo de llave y cerrad u ra de la acció n e nzim ática.O tro m odelo, co n o cid o c o m od e ajustei nducido, e x p lica los casos en que las form as d el sustrato y el sitio activo no son p erfectam en tec o m plem entario s,y el sitio activo se adapta para ajustarse

Llave

Productos

Cerradura abierta (productos)

al sustrato, com o un g u an te que se m o ld eap araa ju sta rse a l am ano.

Enzima

A este error “insignificante” se debe la anem ia de células falciform es, un trastorno h ere­ ditario que por lo regular es mortal. L o que se h a descrito hasta este punto es la secuencia de am inoácidos, que se conoce com o la estructura primaria de una proteína. Para que una proteína funcione com o es de­ bido, no basta con que tenga la estructura prim aria correcta; también la form a global de la proteína debe ser la apropiada. Las cadenas de ciertas proteínas tienden a enroscarse como el cordón de un auricular telefónico, y esta form a se conserva en virtud de la form ación de puentes de hidrógeno. I E sta forma, que se describe com o helicoidal, es el tipo de estruc­ tura secundaria que está presente en la lana. E n la seda, la estructura secundaria form a lo que se conoce com o una disposición de lám inas plegadas. I L a form a general global que la proteína adopta al doblarse sobre sí mism a, com o un plato de espagueti, es su estructu­ ra terciaria . Se podría decir que, por lo que toca a las proteínas, lo im portante no es sólo su estructura, sino tam bién su acom odo en el espacio.

I Conexión con el aprendizaje Los p uentes de hidrógeno se estudiaron en las seccio ne s 8.14 y 13.2.

I

Linus Pauling, conocido por los puentes de hidrógeno, y R. B. C o rey pro pu sie ron las estruc tu ras se cun da rias he li coi dal y de lá m i nas plega das de las p roteí nas.

Enzimas Ciertas proteínas llamadas enzimas actúan com o catalizadores biológicos. Con pesos m o ­ leculares del orden de 104 a 106 uma, las enzim as m ultiplican las velocidades de reacción por factores de 106 a 10 12, lo que perm ite que se lleven a cabo a la tem peratura corporal reacciones que de otro m odo no serían posibles. I L a acción de las enzim as suele des­ cribirse en térm inos de un m odelo de llave y cerradura (Fig. 20.11). L a enzim a p ara una reacción en particular debe ajustar con precisión a la m olécula sobre la cual actúa; por ejemplo, las enzim as que hidrolizan el alm idón a glucosa no se ajustan en la m olécula de celulosa.

EJEMPLO 20.3 Aminoácidos y proteínas C lasifica las sustancias siguientes: una enzim a com puesta de 129 am inoácidos, seda, lan a,G ly-Phe-V al,á cidoe steárico,á cidoa spárticoy l isina.

I Conexión m édica La fe nil ceto nu ria, PKU (por sus siglas en inglés), es una en fer me dad he re di ta ria de los niños que na cen sin la enzima que digiere el ami noá ci do fe ni la la ni na. Pa ra evi tar que los niños con PKU sufran daño cerebral, se debe restringir el conte ni do de fe ni la la ni na en la dieta.

SOLUCIÓN

L a enzim a, la seda y la lana son proteínas. G ly-Phe-V al es un tripéptido. El ácidoe steáricoe su n á cidog raso.E lá cidoa spárticoy l al isinas on a m inoácidos.

V éanselos problemas 2 0 .2 9 -2 0 .3 8

EJERCICIO 20.3 (a) E scribel osn om bresd el oso choa m inoácidose senciales. (b) E xplical ad iferenciae ntrel ase structurasp rim ariay s ecundariad el asp roteínas.

£ 0.4 Ácidos nucleicos Toda célula viva contiene ciertos com puestos com plejos conocidos com o ácidos nuclei­ cos , los cuales constituyen los centros de inform ación y control de la célula. E n realidad hay dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (DNA, por sus siglas en inglés) se encuentra principalm ente en el núcleo de la célula; el ácido ribonucleico (RNA, por sus siglas en inglés) está presente en toda la célula. Los ácidos nucleicos de am bos ti­ pos son largas cadenas de unidades que se repiten y que se llam an nucleótidos. U n nucleótido consta de tres partes: un azúcar (ribosa o desoxirribosa), una am ina heterocíclica básica y una unidad de fosfato. L a secuencia es Base

Fosfato

A continuación se describirá cada parte. E l azúcar puede ser ribosa, presente en el RNA, o desoxirribosa, cuando se trata del DNA. Com o se m uestra en la Fig. 20.12, la única dife­ rencia estructural entre las dos pentosas se localiza en el carbono núm ero 2 , donde la deso­ xirribosa no tiene un átom o de oxígeno que está presente en la ribosa. P ara visualizar la construcción de la estructura de un ácido nucleico, im agina que ini­ cias con la ribosa o la desoxirribosa com o unidad de azúcar. A continuación, sustituye el grupo hidroxilo del carbono núm ero 1 por una de las cinco am inas heterocíclicas básicas que se m uestran en la Fig. 20.13. D os de las cinco bases tiene dos anillos fusionados, y son bases de purina o púricas. Tres de las bases tienen anillos heterocíclicos sencillos; se tra­ ta de las bases de pirim idina o pirim ídinicas. (Lee el pie de la Fig. 20.14.) L a tercera parte de un nucleótido es un éster de fosfato presente en el quinto carb o ­ no de la unidad de azúcar. E l m onofosfato de adenosina (AMP, p o r sus siglas en inglés), Figura 20.12

L a rib o sa y la

d eso x irrib o sas onl asd o su nidades d e la zú carp en to sa p resen tese ne l R N A y e lD N A ,r espectivam ente. O b serv a q u e la estru ctu ra d e los dos azú carese ss im ilar,e x cep to e ne l

OH OH R ibosa

carb o n o n ú m ero 2 .

Figura 20.13

OH H 2 -desoxirribosa

L asc in c o a m inash etero cíclicasb ásicas presen tese nl o sá cid o sn ucleicos.

L a ad en in a, la g u an in a y la cito sin a se en cu en tran ta n to en el D N A com o en el R N A . L a tim in a está presente sólo en el D N A , y el u racilo, sólo en el RNA.

H

NH, •N > -N i H G uanina B ases de purina

O y NN

N yJ NH, C itosina B ases de pirim idina

que se m uestra en la Fig. 20.15, es un nucleótido representativo. E n el AMP, la base es adenina, y el azúcar, ribosa. L a adición de otros dos fosfatos produce el trifosfato de adenosina (ATP, por sus siglas en inglés), una im portante m olécula de gran contenido energético. I L os nucleótidos se unen unos con otros por m edio del grupo fosfato para form ar ca­ denas de ácidos nucleicos. E l proceso se repite h asta construir una larga cadena de ácido nucleico, com o se representa en la Fig. 20.16. O bserva que el esqueleto de la cadena se com pone de unidades de fosfato y de azúcar alternadas. L as bases heterocíclicas sobre­ salen com o ram ificaciones de este esqueleto en cada unidad de azúcar. B ase I

O II

B ase I

O II

B ase I

O II

B ase I

■•■Azúcar— O —P —O —Azúcar — O —P — O —Azúcar— O —P —O — Azúcar — O I OH

I OH

I OH

I

El Premio Nobel de Q uím ica de

1997 fue otorgado a tres investigadores por sus descubrim ientos en relación con la forma en que se efectúa la síntesis de A T P en el cuerpo humano. Este premio de un millón de dólares fue com partido por Paul Boyer (Estados Unidos), John W alker (Gran Bretaña) y Jens Skou (Di na marca).

0 II p - o -

1 OH

C om o ya se dijo, el azúcar del D N A es desoxirribosa; en cambio, en el RN A el azúcar es ribosa. Las bases del D NA son adenina, guanina, citosina y timina. Las del RN A son adenina, guanina, citosina y uracilo (Tabla 20.4). U na característica m uy im portante de las m oléculas de D N A o RN A es la secuencia de las cuatro bases a lo largo de la cadena. Estas m oléculas son enormes, con m illones de nucleótidos y con pesos m oleculares del orden de m iles de m illones en el caso del DNA de los m am íferos. A lo largo de estas grandes cadenas, las cuatro bases se pueden ordenar conform e a secuencias prácticam ente infinitas. É sta es una característica crucial de las m oléculas de D N A y RNA, porque es la secuencia de bases lo que perm ite alm acenar la enorm e cantidad de inform ación que se necesita para construir organism os vivos.

La doble hélice Son num erosos los experim entos que se idearon para sondear la estructura del D NA. Ya para 1950 estaba m uy claro que quien la determ inara se haría acreedor a un prem io Nobel. N o obstante que m uchos investigadores m uy respetados trabajaron en el problem a, fue un equipo de dos científicos relativam ente poco conocidos el que realizó este descubrim ien­ to. E n 1953, el biólogo estadounidense Jam es D. W atson y el físico británico Fancis Crick

Figura 20.14

El Prem io Nobel

de Fisiología o M edicina de 1988 fue otorgado a la neoyorquina G ertrude B. Elion, así com o a G. H itchings y a J. B lack (no aparecen en la fotografía) por su trabajo sobre la quím ica de las purinas y pirimidinas, el m etabolism o de las purinas en las bacterias y la quím ica de los fármacos antivirales y contra el cáncer.

H O —P = 0

M onofosfato de adenosina (un nucleótido representativo) Figura 20.16 Figura 20.15

E lm o n ofosfatod e

Es que le to d e

unam oléculad eá cido

ad en o sin a, A M P,e su n n ucleótido

deso x irrib o n u cleico ,D NA.

rep resen tativ o .L ab ase( adenina)s em uestrae n

L a n in d ic a que la unid ad se

azul, y el g ru p o fosfato, en rojo.

repitem uch asv eces.

Tabla 20.4 Componentes del DNA y el RNA

Figura 20.17

DNA

RNA

B a s e s d e p u rin a

A d e n in a

A d e n in a

G u a n in a

G u a n in a

B a s e s d e p irim id in a

C i to si n a

C ito s in a

T im in a

U ra c ilo

A z ú c a rp e n to s a

D e s o x irrib o s a

R ib o s a

Á c id o i n o rg á n ic o

Á c id o f o sfó ric o

Á c id o f o sfó ric o

Jam esD . W atsony

F ran cisC rick ,d escu b rid o resd el m o d elo d ed o b leh éliced elD NA.

I Conexión con el aprendizaje O tra faceta de la h isto ria : la doble hélice del D N A quedó por prim era vez de m anifiesto en la fotografía de d ifracción de rayos X tomada por la fi si co quí mi ca bri tá ni ca Rosalind Franklin, pero ella nunca re ci bió el cré di to que me re cía por to mar la fotogra fía. C u a n do W at son echó un vista zo di si mu la do a la fotografía en 1953 , según afirma, “mi pulso se aceleró de inmediato", pues sabía que tenían la respuesta: una d oble hélice.

Figura 20.18

(a)R ep resen tación

esq u em atizad ad el ad oble hélice del DN A. (b) M o d e lo de lam o lécu lad eD NA.

(Fig. 20.17) llevaron a cabo su ahora fam oso descubrim iento de que el D N A debía estar com puesto de una estructura helicoidal alfa de doble cadena, con las dos hélices enrosca­ das una en torno a la otra torciéndose hacia la derecha. I E l esqueleto de fosfato y azúcar de las cadenas polim éricas conform a la parte externa de la estructura y le confiere una apariencia de escalera en espiral. Las am inas heterocíclicas se encuentran apareadas en el interior, con la guanina siem pre frente a la citosina y la adenina siem pre frente a la timina. Siguiendo la analogía de la escalera, estos pares de bases son los escalones (Fig. 20.18). ¿P or qué se aparean las bases de acuerdo con esta reg la: siem pre A (adenina) con T (timina) y T con A, siempre G (guanina) con C (citosina) y C con G ? L a respuesta son los puentes de hidrógeno y un diseño m olecular en verdad elegante. L a Fig. 20.19 m uestra los dos conjuntos de pares de bases. Conviene advertir dos cosas. L a prim era es que una pirim idina, la estructura con un anillo heterocíclico sencillo, se aparea con una purina, que tiene dos anillos heterocíclicos, y las longitudes totales de am bos pares son idénticas (1.085 nm). E l segundo punto que se debe advertir en la Fig. 20.19 es la form ación de puentes de hidrógeno entre las bases de cada par. Cuando la guanina se aparea con citosina, se p u e­ den form ar tres puentes de hidrógeno entre las bases. N ingún otro apaream iento de una pirim idina con una purina perm ite una interacción tan extensa. D e hecho, en la com bina-

CH ^ cr T im ina | N A la cadena

H

H

H \

c | N

h

'm' i

.

C itosina

. A dem na

A la cadena

N

N. C -H

A la cadena

Figura 20.19

A la cadena

A p aream ien to de b ases en la doble h élice de DNA.

ción que se m uestra en la Fig. 20.19 am bos pares de bases encajan com o una cerradura y su llave. W atson y Crick se hicieron acreedores al prem io N obel de 1962 por haber descubier­ to, en palabras de Crick, “el secreto de la vida” . L a estructura propuesta por estos científi­ cos fue aceptada casi de inmediato por científi cos de todo el m undo porque daba respuesta a num erosas preguntas de gran trascendencia. Explica cóm o pueden las células dividirse sin dejar de funcionar, cóm o se transm iten los datos genéticos a las nuevas generaciones, e incluso cóm o se construyen proteínas de acuerdo con las especificaciones necesarias. To­ do depende del apaream iento de las bases.

R N A y síntesis de proteínas A diferencia del D NA, las m oléculas del RN A consisten en cadenas sencillas del ácido nucleico. H ay cierto apaream iento interno (intram olecular) de las bases en las secciones donde la m olécula se pliega sobre sí m ism a en una form a de doble hélice (Fig. 20.20). L a inform ación contenida en una de las cadenas del D N A del núcleo debe ser transm itida al citoplasm a para que se actúe con base en ella. M ediante un proceso conocido com o trans­ cripción , el D N A trasfiere su inform ación a un tipo especial de RN A llam ado R NA m en­ sajero (RNAm). L a secuencia de bases del D N A especifica la secuencia de bases del R N A m . Por ejemplo, la tim ina del D N A dem anda adenina en el R N A m , la citosina espe­ cifica guanina, y así sucesivamente. L a relación entre el D N A y el RN A es com o la de un m olde de caucho con el que se elaboran objetos de cerám ica; los “contornos” del RNA que se form a deben ser com plem entarios con respecto a los del DNA, que es el “m olde” . L a secuencia de bases del RN A m ensajero especifica la secuencia de am inoácidos de la proteína. C ada conjunto de tres bases consecutivas especifica un am inoácido en par­ ticular. E n el citoplasm a que rodea al RN A m flotan m oléculas de R N A de transferencia (RNAt), cada una de las cuales porta su propio tipo de am inoácido. E l lugar concreto donde se realiza la síntesis de proteínas es un ribosom a que se com pone de RN A ribosom al (RNAr) y proteína. E l proceso se h a descrito de form a sim plificada, pero m uestra que la función del RN A consiste en dirigir la construcción de una proteína específica de acuerdo con la inform ación que el D N A contiene.

EJEMPLO 20.4 Ácidos nucleicos ¿Q ué es el D N A? ¿Cóm o se clasifica? M enciona las tres partes de que se com pone el DNA. D escribe la estructura secundaria del DNA; ¿cóm o se conserva? SO LUCIÓN E l D N A es ácido desoxirribonucleico. Se clasifica com o un ácido nucleico,

que es un polím ero de nucleótidos. C ada nucleótido del D N A tiene una am ina heterocíclica básica, desoxirribosa y una unidad de fosfato. L a estructura secundaria del D N A es una

Figura 20.20

E l R N A se

p resen tae n f orm ad ec adenas in d iv id u alesq u e f orm ans egm entos d ed o bleh élicep o ra p aream ien to in tern o d eb ases.

LA QUÍMICA EN NUESTRO MUNDO Ingeniería genética M á s d e 3 0 0 0 e n fe rm e d a d e s h u m a n a s tie n e n u n c o m p o n e n te g e ­ n é tico . L o s in v e stig a d o re s h a n v in c u la d o g e n e s esp e c ífic o s co n e n fe rm e d a d e s ta m b ié n esp ecíficas. A h o ra, la c a p a c id a d d e u tili­ z a r e s ta in fo rm a c ió n p a r a d ia g n o s tic a r y c u ra r e n fe rm e d a d e s g e ­ n é tic a s p a r e c e h a lla r s e a n u e s tro a lc a n c e . E s ta b le c ie n d o la u b i­ c a c ió n d e c ie rto s g e n e s e n la m o lé c u la d e D N A , lo s c ie n tífic o s h a n c o n s e g u id o id e n tific a r y a is la r g e n e s q u e tie n e n u n a fu n c ió n e s p e c ífic a . P o r e je m p lo , e n 1989 u n e q u ip o d e in v e s tig a c ió n e s ­ ta d o u n id e n s e -c a n a d ie n se id e n tific ó el g e n c a u s a n te d e la fib ro sis q u ística, la e n fe rm e d a d g e n é tic a m o rta l m á s c o m ú n e n A m é ric a d e l N o rte . E l sig u ie n te p a s o c o n s istirá en q u e lo s q u ím ic o s id e n ti­ fiq u en la p ro te ín a q u e se su p o n e fa b ric a e s te gen. E n 2 0 0 1 , lo s in v e s tig a d o re s c o m p le ta ro n la ta r e a d e e s ta ­ b le c e r la se c u e n c ia d e l g e n o m a h u m a n o , y e n c o n tra ro n q u e e l ser h u m a n o tie n e e n tre 3 0 0 0 0 y 4 0 0 0 0 g e n e s m e n o s d e lo e s tim a ­ d o . A is la r u n g e n d e fe c tu o so , re la c io n a d o c o n u n a e n fe rm e d a d g e n é tic a e n p a rtic u la r, e s m u y d ifíc il, p e ro e x is te n n u e v o s m é to ­ d o s d e d e te c c ió n q u e p e r m ite n o b te n e r se g m e n to s d e D N A c o n lo s q u e es m á s fá c il tra b a ja r. S i la d istrib u c ió n d e l D N A de u n a p e r s o n a c o in c id e c o n la d e u n p a rie n te c o n u n a e n fe rm e d a d g e n é tic a , p u e d e se r q u e la p e r s o n a lle g u e a p a d e c e r la e n fe rm e ­ d ad . D e e s te m o d o es p o s ib le id e n tific a r e in c lu so p re v e n ir la in ­ c id e n c ia d e u n a e n fe rm e d a d g e n é tic a . U n a e s p e ra n z a fu tu ra d e la in g e n ie ría g e n é tic a co n s iste e n la p o sib ilid a d d e c o rre g ir la a c c ió n d e u n g e n d e fe c tu o so in tro d u ­ c ien d o u n g e n e n b u e n a s c o n d ic io n e s d e fu n c io n a m ie n to e n las cé lu la s d e u n a p e rso n a . M e d ia n te la a p lic a c ió n d e la te c n o lo g ía d e D N A re c o m b in a n te ( D N A r), h o y e n d ía es p o s ib le c o lo c a r un g en d e u n o rg a n ism o e n e l m a te ria l g e n é tic o d e o tro . P rim e ro es n e c e sa rio id en tifica r, ais la r y c o lo c a r el g e n e n u n fra g m e n to in d i­ v id u a l d e D N A . E l D N A re c o m b in a d o se tra n sfie re e n to n c e s a u n a b a c te ria u o tro o rg a n ism o id ó n eo . E l p a s o final, lla m a d o c lo ­ n ació n , p e rm ite o b te n e r m u c h a s c o p ia s d e la b a c te ria m o d ific a d a , cap a c e s d e p ro d u c ir c a n tid a d e s re la tiv a m e n te g ra n d e s d e la p ro ­ te ín a c u y o c ó d ig o e s tá e n e l gen. T rab ajan d o e n sen tid o in v erso a p a rtir d e la se c u e n c ia de a m in o ácid o s d e la p ro teín a, lo s cien tífic o s p u e d e n d ilu c id a r la se ­ c u e n c ia d e b a se s d e l g e n q u e co n tie n e e l có d ig o d e la p ro teín a. Y a se fa b ric a n m u c h o s m a te ria le s v alio so s a p lic a n d o la te c n o lo g ía d e D N A r. A n te s , lo s p a c ie n te s d e d ia b e te s te n ía n q u e u tiliz a r in ­ su lin a d e c e rd o s o g a n a d o . A h o ra se p ro d u c e in su lin a h u m an a, u n a p ro te ín a cu y o c ó d ig o e s tá e n e l D N A h u m a n o , p o r m ed io de la m a q u in a ria c e lu la r d e b a c te ria s. L o s d ia b é tic o s d e p e n d ie n te s d e in su lin a a lo s q u e se h a d ia g n o stic a d o re c ie n te m e n te la enfer-

El investigador que se muestra aquí está estudiando los genes humanos usando la secuencia del AD N . m e d a d en E stad o s U n id o s se tratan a h o ra c o n in su lin a h u m a n a p ro ­ d u c id a m e d ia n te D N A r. L a h o rm o n a d e l c re c im ie n to h u m a n a , q u e se e m p le a p a ra tra ta r a lo s n iñ o s q u e no c re c e n c o m o e s d e b id o , se o b tie n e a h o ra c o n fa c ilid a d m e d ia n te la te c n o lo g ía d e D N A r. E s ta te c n o lo g ía h a p e rm itid o a lo s c ie n tífic o s c re a r cu ltiv o s m o d ific a d o s p o r in g e ­ n ie ría g e n é tic a q u e p ro d u c e n alim e n to s m á s sa lu d ab les, n u ev o s m e d ic a m e n to s e in c lu so v aso s sa n g u ín e o s d e re p u e sto cu ltiv ad o s a p a r tir d e c é lu la s d e l p ro p io p a c ie n te . N o o b sta n te , la o p in ió n p ú b lic a se m u e s tr a p r e o c u p a d a p o r p o te n c ia le s d e s a s tre s q u e la in v estig ac ió n d e este tip o p u d ie s e provocar. S e h a n in stitu id o p a u ­ tas e stric ta s p a r a la in v e stig a c ió n c o n D N A re c o m b in a n te . E l n u e v o c a m p o d e la g e n é tic a m o le c u la r h a a p o rta d o a l­ g u n o s lo g ro s im p re s io n a n te s . L a s p o s ib ilid a d e s p a r a el fu tu ro so n a b ru m a d o ra s: n u e v a s v a c u n a s , e lim in a c ió n d e d e fe c to s g e ­ n ético s, u n a c u ra p a ra e l cán cer, m a y o r in te lig e n c ia , etc. E l c o n o ­ c im ie n to c o n fie re p o d e r, p e ro n o n e c e s a ria m e n te p ro p o rc io n a sa b id u ría . ¿ Q u ié n d e c id irá q u é c la s e d e c ria tu ra d e b e ría se r la e s ­ p e c ie h u m a n a ? E l p r o b le m a m á s g ra n d e q u e la h u m a n id a d q u iz á te n d r á q u e e n f re n ta r al u tiliz a r la b io in g e n ie r ía s e rá e l d e d e c id ir q u ié n d e s e m p e ñ a r á e l p a p e l d e D io s c o n e l n u e v o “ se c re to d e la v id a ” .

hélice de doble cadena. L a form ación de puentes de hidrógeno entre las am inas heterocíclica básicas (guanina con citosina y adenina con tim ina) m antiene las hélices enroscadas una en torno de la otra. Véanse los problemas 2 0 .3 9 - 2 0 . 4 4

EJERCICIO 20.4 (a) D e las cuatro bases del D N A , ¿por qué la adenina siem pre se aparea con tim ina, y noc onc itosinan ig uanina?

(b) M enciona los nom bres de las bases pirim idínicas y de los azúcares que son diferen­ tes en el D N A y el RNA.

Algunas vitaminas y hormonas L as vitaminas son com puestos orgánicos específicos que es necesario incluir en la d ie­ ta p ara el buen funcionam iento del organism o, pues no se sintetizan en éste. M ás aún, la ausencia o escasez de una vitam ina d a por resultado un a enferm edad por deficiencia v i­ tam ínica. E n la tabla 20.5 se m uestran algunas de las vitam inas, su estructura, fuentes y síntom asd ed eficiencia. E l papel de las vitam inas en la prevención de enferm edades por deficiencia h a qu e­ dado bien establecido. E n años recientes se han recom endado dosis m asivas de ciertas vitam inas para prevenir o curar padecim ientos tan variados com o el resfriado com ún y la esquizofrenia. E ste tipo de tratam iento se conoce com o terapia m egavitam ínica. C om o se ve en la tabla 20.5, las vitam inas no com parten una estructura quím ica co­ mún. N o obstante, es posible dividirlas en dos categorías am plias: las vitaminas solubles en grasas (liposolubles), que incluyen la A , D , E y K , y las vitaminas solubles en agua (hidrosolubles), constituidas por el com plejo B y la vitam ina C. (Fig. 20.21.) Las vitam i­ nas solubles en grasas son m oléculas no polares. E n cambio, una m olécula de vitam ina so­ luble en agua contiene una proporción m ayor de los átom os electronegativos, oxígeno y nitrógeno. Estos átom os participan en la form ación de puentes de hidrógeno, lo que expli­ ca la solubilidad en agua de estas vitaminas. Las vitam inas liposolubles se disuelven en los tejidos grasos del cuerpo, donde se guardan reservas de estas vitam inas para su uso futuro. Por ejemplo, si tiene una dieta ade­ cuada, un adulto puede alm acenar una provisión de vitam ina A suficiente para varios años. Si la dieta llega a ser deficiente en vitam ina A, estas reservas se m ovilizan para uti­ lizarlas. Por otra parte, un niño pequeño que no ha tenido oportunidad de acum ular una re­ serva de la vitam ina m uestra m uy pronto los síntom as de la deficiencia. M uchos niños de los países en vías de desarrollo pierden la vista perm anentem ente por una deficiencia de vitam ina A. E l personal de sanidad de estos países suele llevar consigo soluciones in­ yectables de esta vitam ina para adm inistrar tratam iento de emergencia. D ebido a que las vitam inas liposolubles se alm acenan de form a eficiente en el cuer­ po, las sobredosis de estas vitam inas tienen efectos adversos. U n gran exceso de vitam ina A provoca irritabilidad, resequedad de la piel y una sensación de presión dentro de la ca­ beza. Las dosis masivas de esta vitam ina adm inistradas a ratas em barazadas dieron como resultado crías con m alform aciones. L a vitam ina D, com o la A, es soluble en grasas. D e­ m asiada vitam ina D produce dolor en los huesos, náusea, diarrea y pérdida de peso. Las cantidades de am bas vitaminas, A y D, presentes en preparaciones que se venden sin rece­ ta m édica están reguladas por la A dm inistración de A lim entos y Fárm acos de Estados Unidos. E n cambio, el riesgo de alm acenar las vitam inas E y K, otras dos vitam inas liposolubles, es m uy reducido porque se m etabolizan y se excretan. I L a capacidad del organism o para alm acenar vitam inas hidrosolubles es lim itada. Es necesario tom ar estas vitam inas a intervalos frecuentes porque el organism o excreta las cantidades en exceso de lo que puede utilizar de inm ediato. Cuando se cocinan verduras en agua, y ésta se desecha, se pierde una parte apreciable del contenido vitam ínico. L ite­ ralm ente, se tiran al caño las vitam inas solubles en agua. L a tabla 20.5 m uestra los nom bres de varias enferm edades por deficiencia vitamínica. Por ejemplo, la vitam ina D es necesaria para el crecimiento norm al de huesos y dientes. U na deficiencia de esta vitam ina produce raquitismo . Este trastorno se caracteriza por la presencia de piernas arqueadas y crecim iento nudoso de los huesos donde las costillas se unen al esternón. E n la década de 1870 a 1880, los m arineros de la recién creada A rm ada Japonesa con­ trajeron una enferm edad que produce invalidez: el beriberi. Este padecim iento paraliza las piernas, afecta el corazón y se acom paña de pérdida de apetito y trastornos digestivos. La dieta de arroz sin cascarilla de los m arineros era deficiente en vitam ina B 1. Tiempo después se supo que la cascarilla del grano de arroz contiene vitam inas B, y especialm ente vitam i­ na B1 .

Figura 20.21

L asl im as,

lim o n esy o tro s f ru to sc ítricoss on ricose nv itam inaC .E lc iru jan o d e la a rm ad ae scocesaJ am esL ind d em o stró q ues ep odíap revenire l e scorbutoc o m ien d o f ru ta f resca,q ue co n tien ev itam inaC ,y l asl im asy lim o n ess ec onservanm ejorq ue c u alq u ier o tra fru ta a b o rd o de los b arco sc aren tesd e refrigeración. D eb id o a q uel osm arineros b ritá n ic o sc om íanu noo d os lim o n esc ad a día,s el esc onocía c o m o ‘ co m elim o n es”o “ lim e y s” .

I C onexión con el m undo real Precaución: A diferencia de los m edicam entos, los com plem entos alim enticios no requieren ser eva lua dos por la Ad mi nistra ción de A lim entos y Fárm acos de Estados U nidos (FD A, por sus siglas en in ­ glés) C a s i cualq uie r producto que contenga vi ta mi nas, mi ne ra les, ami noá ci dos, hier bas u otros pro duc tos botá ni cos se pue de ven der co mo com ple mento de la dieta, sin el consenso de una aprobación científica com o lo exige la FDA.

Vitaminas solubles en grasas (liposolubles)

ch3 H 31

„c h 2o h H

I

H

o X

H

Retinol D H3C \ ^ I

h 3c

Pescado, Mgado, huevos, mantequilla, queso; también hay un precursor de la vitamina en las zanahorias y otras hortalizas

Ceguera nocturna

Aceite de hígado de bacalao, ergosterol irradiado (complemento de la leche)

Raquitismo

Aceite de germen de trigo, vegetales verdes, yema de huevo, carne

Esterilidad, distrofia muscular

Espinacas, otros vegetales verdes de hojas grandes

Hemorragia

Vitamina D2 (calciferol) CH, CH ,

CH,

CH,

(CH2)3CH(CH2)3CH(CH2)3CHCH3

a-Tocoferol K CH, I

3

CH2C H = C (C H 2)3CH(CH2)3CH(CH2)3CH ch3 ch3 ch3 Vitamina K j (filoquinona)

ch3

Vitaminas solubles en agua (hidrosolubles)

CH3

El complejo B NH,

c ^ - V

N/ H3C

\

C

Y ^ ^

CH,C —OH 3 I CH, c.

O

CHjCHCHj

ácido butírico — OH

O

alcohol primario

CH 3CH 2CH 2— c — o c h 3 + h 2o

ch3 d.

alcohol m etílico

C H jC H C I^ C H j

— OH

butirato de m etilo

alcohol primario

agua

CH, 19.39 L a d e s tila c ió n d e s tru c tiv a c o n s is te e n c a le n ta ru n a s u sta n -

19.71 p o li(e tile n t e re fta la to ) 19.73 L a e stru c tu ra g e n e ra ld e lg ru p o a m in o e s— N H 2. U n a

cia, c o m o la m a d e ra , e n a u s e n c ia d e o x íg e n o . D e la d e sti-

a m in a e su n c o m p u e s to q u e s e f o rm a s u s titu y e n d o u no,

la c ió n d e s tru c tiv a d e l a m a d e ra s e o b tie n e m e tan o l.

d o s o tre s á to m o s d e h id ró g e n o d e l a m o n ia c o p o r u n g r u ­

19.41 E l a lc o h o l d e s n a tu ra liz a d o es e ta n o l al q u e se h a n a g re g a ­

p o alq u ilo , R , o a rilo , Ar.

do d iv e rsa s su s ta n c ia s tó x ic a s y n o c iv a s a fin d e q u e no se

19.75 a. C H 3C H 2N H 2 p rim a ria

p u e d a e m p le a r c o m o b eb id a.

b. c h 3n c h 3

19.43 4 0 % (E l p o r c e n ta je d e a lc o h o l e n v o lu m e n es ig u a l a la g ra d u a c ió n a lc o h ó lic a ,o g r a d o s G a y -L u s sa c ).

secundaria

H

19.45 E l m e ta n o l se p ro d u c e e n e s c a la c o m e rc ia l m e d ia n te la re a c c ió n c a ta liz a d a d e h id ró g e n o g a se o so co n m o n ó x id o de

c.

3

carb o n o , o b ten id o d e la o x id ació n p a rc ia l d e m e ta n o , a te m ­

!

3

ch 3

p e ra tu ra y p re sió n elevadas.

19.47 E l1 ,2 -e ta n o d io l( c o n o c id o c o m o e tile n g lic o l)e se ld iol m á s c o m ú n .E se li n g r e d ie n te f u n d a m e n ta ld e la n tic o n g e la n te p a ra a u to m ó v ile s ,p e r o t a m b ié n s ee m p le a e x ten sa-

1977

O

Ésta es una amida.

c h 3c —n h c h 3

m e n te e n l a f a b ric a c ió n d e f ib ra s y p e líc u la s d e p o liéster.

19.49 C 6H 5O H ;e lf e n o ls ee m p le a c o m o a n tisé p tic o y d e s in fe c ta n te .

19.51 R — O — R 19.53 é te r;é te r m e tilt e r-b u tílic o 19.55 T o d o sl o s a ld e h íd o s c o n tie n e n e lg ru p o . c a rb o n ilo .

19.79 a m in a p rim a ria

Capítulo 20

Ejer. 20.1

a. E la lm id ó n y l ac e lu lo sa s o n d os p o lím e ro s n atur a le s c o n s titu id o s p o ru n id a d e s d e g lu c o s a .E n e l

19.57

O

E lf o r m a ld e h íd o s e e m p le a e n l íq u id o s p ara

a lm id ó n ,l asu n id a d e s d eg lu c o s a e stá n u n id a s p o r

H—C —H

e m b a ls a m a r,a d h e s iv o s y p lá s tic o s .L a f or-

e n la c e s a lfa ;e n c a m b io ,e n l a c e lu lo s a l asu n id a-

m a lin a e su n a s o lu c ió n d e f o r m a ld e h íd o e n

d e s d e g lu c o s a e s tá n u n id a s p o r e n la c e s b e ta . L o s s e re s h u m a n o s t ie n e n e n z im a s q u e d e s d o b la n ( d i­

a g u a al 4 0 % .

g i e r e n ^ la lm id ó n ,p e ro n o l a c e lu lo sa . T a n to l a b.

CH 3CH 2CCH 3

g lu c o s a c o m o l ag a la c to s a s o n a ld o h e x o s a s.S u

CH,CH

ú n ic a d ife re n c ia e s tru c tu ra le sl a o rie n ta c ió n h a ­ c ia l a d e re c h a o h a c ia l a i z q u ie rd a ( la e ste re o q u í-

O

II

CH 3

I

c h 3— c —c h c h 3

m ic a ) d e lo s g ru p o s — O H y — H.

b. L a a m ilo s a c o n s is te e n u n id a d e s d e a - g lu c o s a e nla z a d a s e n u n a c a d e n a c o n tin u a .L a a m ilo p e c tin a tie n e c a d e n a s r a m ific a d a sd e u n id a d e s d e a - g lu co sa.

Ejer 20.2

a. L o s ácid o s g raso s so n ácid o s carb o x ílico s, c o m o se m u e s tr a e n la ta b la 2 0 .1 . L as g ra s a s (líp id o s ) son é s te re s d e á c id o s g ra s o s y g lic e ro l.L asg ra sa s so n só lid o s ; e n c a m b io , lo s a c e ite s so n líq u id o s a te m p e r a tu ra a m b ie n te . b. L o s á c id o s g ra s o s o m e g a - 3 t ie n e n u n d o b le e n lac e e n tre e lt e rc e ro y c u a rto c a rb o n o c o n ta n d o a p a r tir d e l e x tre m o q u e tie n e e l g ru p o — C H 3. L o s á c id o s g ra so s o m e g a -6 tie n e n u n d o b le e n la c e a 6 á to m o s d e c a rb o n o d e l e x tre m o q u e tie n e e l g ru p o — C H 3.

Ejer. 20.3 a. L o so c h o a m in o á c id o s e se n c ia le s s o n :f e n ila la n in a ,v a lin a ,l e u c in a ,i s o le u c in a ,m e tio n in a ,t re o n in a ,t rip tó f a n o y l isina. b. L a e s tru c tu ra p r im a ria d e la s p ro te ín a s es la se ­ c u e n c ia d e a m in o á c id o s . L a e s tru c tu ra se c u n d a ria d e la s p ro te ín a s se re fie re a la f o rm a q u e la e s tru c ­ tu ra p rim a ria a d o p ta c u a n d o se e n ro s c a o p lieg a.

Ejer. 20.4 a. E l p a r d e A c o n T tie n e u n aju ste p e rfe c to q u e se m a n tie n e p o r m e d io d e p u e n te s d e h id ró g e n o , y la lo n g itu d d e l p a r e s d e 1.085 n m . A no se p u e d e e n la z a r c o n C n i G c o n e s te a ju ste n i co n esta lo n g itu d . b. E lD N A t ie n e t im in a y d e s o x irrib o s a .E lR N A t ien e u ra c ilo y r ib o sa .

Ejer. 20.5 a. T o d o ss o n e ste ro id e s ,a u n q u e n o n e c e s a ria m e n te h o rm o n a s. b. L a sh o rm o n a s s o n m o lé c u la s m e n s a je ra s q u e s e p ro d u c e n e n l asg lá n d u la s e n d o c rin a s y s e v ie rte n e n e l to rre n te sa n g u ín e o ; d a n la se ñ a l p a r a q u e se e fe c tú e n c a m b io s f is io ló g ic o s e n d iv e rsa s p artes d e lo rg a n ism o . c. C o n fia m o s e n q u e e s te c u rso y e s te tex to h a y a n in flu id o e n t u v id a d e m u c h a s y p o s itiv a s f o rm as. L o s m o d o s e sp e c ífic o s v a ría n ,p e ro p u e d e n i n-

20.11 E n e l a lm id ó n , la s u n id a d e s d e g lu c o s a e s tá n u n id a s p o r e n la c e s a lfa ;e n c a m b io ,e n l a c e lu lo s a ,l a s u n id a d e s d e g lu c o s a e stá n u n id a s p o re n la c e s b eta.

20.13 E l a lm id ó n q u e e s tá p r e s e n te e n la g a lle ta d e s o d a se d e s ­ d o b la e n u n id a d e s d e g lu c o s a d e s d e q u e la g a lle ta e s tá e n la b o c a , y la g lu c o s a e s d u lc e .

20.15 L 20.17 U n á c id o c a rb o x ílic o d e c a d e n a l a rg a c o n s u s á to m o s d e c a rb o n o u n id o s p o re n la c e s s e n c illo s .E je m p lo s :á cid o s e s te á ric o y o leico .

20.19 o m e g a -6 20.21 U n l íp id o s im p le s e c o m p o n e d e u n a m o lé c u la d eg lic e ro l u n id a p o re n la c e s é ste ra t r e s m o lé c u la s d e á c id o g raso .

20.23 a. m o n o in s a tu r a d o ;a c e ite d eo liv a b. s a tu ra d o ;a c e ite d e p alm a c. s a tu ra d o ;a c e ite d e n u e z m o s c a d a d. p o liin s a tu r a d o ;a c e ite d e h íg a d o

20.25 E lí n d ic e d e y o d o e su n a m e d id a g lo b a ld e l ai n sa tu ra c ió n d e g ra s a s y ac e ite s.

20.27 E s d e e s p e ra r q u e e l ín d ic e d e y o d o d e u n a m a rg a rin a líq u id a se a m a y o r q u e e l ín d ic e d e y o d o d e u n a m a rg a rin a sólida. L o s líq u id o s (aceites) so n m á s in sa tu rad o s que lo s só lid o s (grasas).

20.29 L o s a m in o á c id o s s o n l asu n id a d e s b á s ic a s m áss im p le s c o n la s q u e se c o n s tru y e n la s p ro te ín a s ; lo s a m in o á c id o s e s tá n u n id o s p o re n la c e s p e p tíd ic o s.

20.31 U n a m in o á c id o c o n tie n e u n g ru p o c a rb o x ilo ,— C O O H , y u n g ru p o a m in o , — N H 2.

20.33 20 20.35 U n p o lip é p tid o c o n siste e n u n a c a d e n a d e a lre d e d o r d e 10 o m á s am in o ácid o s. C u a n d o la m a s a m o la r (el p eso m o le c u ­ lar) d e l p o lip é p tid o p a s a d e 10 0 0 0 , se le lla m a p ro teín a.

20.37 la e stru c tu ra p rim a ria 20.39 E lá c id o d e s o x irrib o n u c le ic o ( D N A )y e lá c id o r ib o n u c le ic o (R N A ) so n lo s d o s tip o s d e á c id o s n u c le ic o s . El D N A e s tá e n e l n ú c le o c e lu la r; e l R N A e s tá e n to d a s las p a rte s d e l ac élu la.

20.41 R ib o s a y d e s o x irrib o sa . 20.43 E l D N A e s tá c o m p u e s to d e u n a h é lic e d e d o b le c a d e n a .

c lu ir u n a m e jo r c o m p re n s ió n d e la s s u s ta n c ia s

L a s d o sh é lic e s e stá n e n ro s c a d a s u n a a lre d e d o rd e l ao tra

q u ím ic a s d e l m u n d o d e to d o s lo s d ías, d e n u e s tro

y se m a n tie n e n u n id a s p o r e fe c to d e lo s fu e rte s p u e n te s

c u e rp o ,e tc .L a q u ím ic a i n flu y e e n t o d a s l a sp ers o n a sp o r q u e t o d o sd e p e n d e m o s d e l o sc a m b io s

d e h id ró g e n o q u e s e f o rm a n e n tr e l asb a s e sa p a re a d a s .

20.45 U n a v ita m in a e su n c o m p u e s to o rg á n ic o e sp e c ífic o q u e

q u ím ic o s .D e lm e ta b o lis m o a l ac o m b u s tió n ,d e

e s n e c e s a rio i n c lu ire n l ad ie ta e n p e q u e ñ a s c a n tid a d e s

la p r o d u c c ió n d e a lim e n to s a la s m e d ic in a s , d e la

p a ra q u e e lo r g a n is m o f u n c io n e c o m o e sd e b id o ;l ae sca-

n u tric ió n a l a s f ib ra sn a tu ra le sy a l o s a u to m ó v i-

se z d e u n a v ita m in a d ap o r r e s u lta d o u n a e n f e rm e d a d p o r

le s ,c o m p u ta d o r a s ,f o to g ra fía s ,p in tu ra s y p lásti-

d e fic ie n c ia v ita m ín ic a .

c o s, la q u ím ic a e s tá e n to d a s p a rte s.

20.47 L a s v ita m in a s A , D , E y K so n la s v ita m in a s so lu b le s en g ra sa s o l ip o s o lu b le s ;s o n n o p o la re s.

20.1 20.3 20.5

D e x tro s a o “ a z ú c a rd e l as a n g re ” ;e su n m o n o sa c á rid o .

20.7 20.9

a lfa ,b e ta y d e c a d e n a a b ie rta

L a o rie n ta c ió n d e l — O H y d e l — H e n e l C n ú m e ro 4. a. fru c to s a b. s a c a ro sa L a a m ilo s a , la a m il o p e c t in a y e l g l u c ó g e n o s o n p o lis a c á r id o s f o r m a d o s p o r u n id a d e s d e g lu c o s a u n id a s p o r e n la c e s a lfa.

20.49 a. L a p ro la c tin a e su n a p r o te ín a q u e m a n tie n e l a p ro d u c c ió n d e e s tró g e n o s y p ro g e s te ro n a ;e s tim u la l ap ro d u c c ió n d e l ech e. b. L a in su lin a es u n a p ro te ín a q u e in c re m e n ta la utilizació n d e g lu c o sa y a u m e n ta e l alm a c e n a m ie n to d e g lu có g en o . c. L a a ld o s te ro n a e su n e ste ro id e q u e r e g u la e lm e ta b o lism o d e la sa l y e s tim u la la r e te n c ió n d e N a + y la e x ­ c re c ió n d e K + p o r l o s r iñ o n e s. d. L a p r o g e s te r o n a e su n e ste ro id e q u e r e g u la e lc iclo m e n s tr u a ly m a n tie n e e le m b a ra z o .

Créditos de fotografías pág. ii Dale Chihuly, Saffron and Red Tower, 2000. Glass sculture/ Rutherford, California/Photo por Mark McDonnell vi George Halign/Photo Researchers, Inc. vi Rob Crandall/Stock Boston vii Tom Bochsler Photography Limite/Pearson Education/PH College viii Joequin Carrillo/Photo Researchers, Inc. ix, x (a) Richard Megna/Fundamental Photographs x (b) David Young-Wolff/PhotoEdit xi © Tony Arruza/CORBIS xii Paul Silverman/Fundamental Photographs xiii (sup.) Runk/Schoenberger/Gran Heilman Photography, Inc. (inf.) Micharl P. Gadomski/Photo Researchers, Inc. xiv Michael P. Gadomki/Photo Researchers. Inc. pág. 1 George Haling/Photo Researchers, Inc. Fig. Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 12 Jon F. Silla/Transparencies, Inc. pág. 8 Stolt Comex Seaway Inc. Fig. 1.4 AP/Wide World Photos pág. 12 Rob Crandall/Stock Boston Fig. 2-1 Frank Rossotto/Corbis/Stock Market Fig. 2.2 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 2.3 (a, b) Runk/Schoenberger/Grant Heilman Photography, Inc. I I (c) Breck P. Kent/Breck P. Kent Fig. 2.5 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 2.6 David W Hamilton/Getty Images Inc. Fig. 2.7 (a) Charles Thatcher/Getty Images Inc. (b) Stephen Frisch/Stock Boston Fig. 2.8 Arthur Beck/Photo Researchers, Inc. Fig. 2.10 (a) Peter Poulides/Getty Images Inc. (b) Charles D. Winters/Photo Researchers, Inc. pág. 23 (izq. y der.) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 2.11 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 24 The Granger Collection pág. 27 Stephen Marks/Getty Images Inc. Fig. 2.12 Sello de la colección privada del profesor C.M. Lang, fotografía por Gary J. Shulfer, University of Wisconsin-Stevens Point. “1979, China-People’s Republic (Scott #1468 )” ; Scott Standard Postage Stamp Catalogue, Scott Pub. Co., Sidney, Ohio. pág. 35 Fig. 3.1 Fig. 3.3 Fig. 3.4

Chris Hackett/Getty Images Inc. Tom Pantages/Phototake NYC Richard Megna/Fundamental Photographs (a-c) Richard Megna/Fundamental Photographs (d) Tony Neste/Anthony Neste Fig. 3.6 (a-d) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 3.8 (a-c) Richard Megna/Fundamental Photographs (d) Rim light/Getty Images, Inc./PhotoDisc, Inc. Fig. 3.10 (a) Richard Megna/Fundamental Photographs (b) SIU/Photo Researchers, Inc. (c) Mettler-Toledo, Inc. Fig. 3.11 Alliance Scale Incorporated pág. 58 Bill Bachmann/Stock Boston pág. 59 Lori Adamski Peek/Getty Images Inc. Fig. 3.16 Stephen Frisch/Stock Boston Fig. 3.18 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 3.19 (a) Paul Silverman/Fundamental Photographs

pág. 76 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 77 Cornelis Bega (Dutch, 1620-1664), El alquimista de la colec­ ción de Roy Eddleman. Fig. 4.2 Sello de la colección privada del profesor C. M. Lang, fotografía por Gary J. Shulfer, University of Wisconsin, Stevens Point. “Sweden (Scott #293, #295);” Scott Standard Postage Stamp Cata­ logue, Scott Pub. Co., Sidney, Ohio. pág. 76 (sup. izq.) Richard Megna/Fundamental Photographs (sup. centro) Barry L. Runk/Grant Heilman Photography, Inc. (sup. der.) Richard Megna/Fundamental Photographs (inf. izq.) Paul Silverman/Fundamental Photographs (inf. centro) Russ Lappa/Photo Researchers, Inc. (inf. der.) Getty Images, Inc./PhotoDisc, Inc. Fig. 4.10 (a) Charles D. Winters/Photo Researchers, Inc. (b) Runk/Schoenberger/Grant Heilman Photography, Inc. Fig. 4.11 Tom Bochsler Photography Limited/Pearson Education/PH College Fig. 4.12 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 4.13 Alinari-Scala/Art Resource, NY Fig. 4.14 (a-d) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 4.17 CORBIS Fig. 4.21 Dr. Mitsuo Ohtsuki/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. Fig. 4.22 IBM/Phototake NYC Fig. 4.26 Roy Morsch/Corbis/Stock Market Fig. 4.27 (a-d) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 4.28 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 114 David Olsen/Getty Images Inc. Fig. 5.1 Getty Images Inc. Fig. 5.2 Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. Fig. 5.3 (b) Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 119 CORBIS Fig. 5.8 The Burndy Library, Dibner Institute for the History of Science and Technology, Cambridge, Massachusetts Fig. 5.12 Dick Canby/DRK Photo Fig. 5.13 David Parker/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. pág. 123 NASA/Goddard Space Flight Center, Scientific Visualization Studio. pág. 124 Index Stock Imagery, Inc. pág. 125 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 5.17 Wabash Instrument Corp./Fundamental Photographs pág. 127 Milton Heiberg/Photo Researchers, Inc. pág. 130 Sello de la colección del profesor C. M. Lang, fotografía por Gary J. Shulfer, University of Wisconsin-Stevens Point. “1963, Denmark (Scott#409 and #410); Scott Standard Postage Stamp Catalogue, Scott Pub. Co., Sidney, Ohio Fig. 5.24 UPI/CORBIS pág. 135 (izq. y der.) Michael H. Dunn/Corbis/Stock Market Fig. 5.27 (a, b) Paul Silverman/Fundamental Photographs pág. 138 Courtesy of University Archives, The Bancroft Library, University of California, Berkeley pág. 154 Joequin Carrillo/Photo Researchers, Inc. Fig. 6.2 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 6.3 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 6.4 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 6.5 Photo courtesy of Harbor Freight Tools, Inc. www.harborfreight.com Fig. 6.6 Grantpix/Photo Researchers, Inc. pág. 166 Richard Megna/Fundamental Photographs

Fig. 6.7 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 6.8 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 6.9 Richard Megna/Fundamental Photographs pág 172 Foto cortesía Fisher Scientific Company, Pittsburgh, PA Fig. 6.10 Paul Silverman/Fundamental Photographs pág. 184 Schneider Studio/Corbis/Stock Market Fig. 7.2 Cortesía de the Library of Congress Fig. 7.3 Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory Fig. 7.15 (izq. y der.) Copyright 2003 General Motors Corp. Used with permission of GM Media Archives. Foto cortesía de General Motors Corp. Fig. 7.17 Laura Zito/Photo Researchers, Inc. Fig. 7.20 (a) John D. Cunningham/Visuals Unlimited (b) Larry Stepanowicz/Fundamental Photographs Fig. 7.21 (a) George Whiteley/Photo Researchers, Inc. I I (b) Carl & Ann Purcell/CORBIS Fig. 7.22 TLC Precision Wafer Technology Fig. 7.24 Paul Silverman/Fundamental Photographs Fig. 7.25 Fig. 7.26 Fig. 7.27 Fig. 7.29 Fig. 7.32 Fig. 7.34 Fig. 7.36 Fig. 7.38

1999 Prentice Hall Charles D. Winters/Photo Researchers, Inc. Paul Silverman/Fundamental Photographs Richard Megna/Fundamental Photographs Yoav Levy/Phototake NYC Eveready Battery Company, Inc. C. Vergara/Photo Researchers, Inc. Runk/Schoenberger/Grant Heilman Photography, Inc.

pág. 213 Vandystadt/Photo Researchers, Inc. 08-01 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 8.4 Grant Heilman Photography, Inc. Fig. 8.11 (a-c) Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 229 First Alert Inc. pág. 233 (sup.) Kristen Brochmann/Fundamental Photographs (centro) Kristen Brochmann/Fundamental Photographs (inf.) Kristen Brochmann/Fundamental Photographs Fig. 8.16 Farmland Industries, Inc. Fig. 8.17 Grant Heilman/Grant Heilman Photography, Inc. pág. 249 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 9.1 Ralph A. Burns Fig. 9.2 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 251 Michael Dalton/Fundamental Photographs Fig. 9.3 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 253 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 9.4 Barry L. Runk/Grant Heilman Photography, Inc. Fig. 9.5 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 276 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.1 (a) Russell D. Curtis/Photo Researchers, Inc. I I (b) Yoav Levy/Phototake NYC Fig. 10.2 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.5 Index Stock Imagery, Inc. Fig. 10.10 Joel Landau/Phototake NYC Fig. 10.11 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.12 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.13 (b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.14 (izq.) Richard Megna/Fundamental Photographs (der.) Tom Bochsler Photography Limited/Pearson Education/PH C ollege Fig. 10.15 Larry Stepanowicz/Fundamental Photographs Fig. 10.16 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.17 Carey B. Van Loon/Carey B. Van Loon Fig. 10.18 Peticolas/Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.19 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.20 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.21 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 10.22 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 303 Robert Mathena/Fundamental Photographs

pág. 312 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 11.3 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 11.8 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 338 Myrleen Ferguson/PhotoEdit Fig. 12.1 NASA/Science Source/Photo Researchers, Inc. pág. 342 Ed Degginger/Color-Pic, Inc. Fig. 12.5 (b) Yoav Levy/Phototake NYC Fig. 12.6 Johann Kerseboom (1627-1691), “Robert Boyle,” c. 1689. Óleo en tela. The Granger Collection. Fig. 12.12 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 12.14 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 376 Photo Researchers, Inc. Fig. 13.7 Herman Eisenbeiss/Photo Researchers, Inc. pág. 407 Tony Arruza/CORBIS Fig. 14.1 Michael Dalton/Fundamental Photographs Fig. 14.4 Kip Peticolas/Fundamental Photographs Fig. 14.7 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 14.11 Washnik Studio/Corbis/Stock Market Fig. 14.13 Craig Newbauer/Peter Arnold, Inc. Fig. 14.14 (a) Kip Peticolas/Fundamental Photographs (b) Richard R. Hansen/Photo Researchers, Inc. Fig. 14.15 Michael Dalton/Fundamental Photographs Fig. 14.17 (a, c) Dr. Dennis Kunkel/Phototake NYC I I (b) Arthur Singer/Phototake NYC pág. 437 Lawrence Manning/CORBIS Fig. 15.3 (a) Peter Pearson/Getty Images Inc. Fig. 15.4 (a) Michael Newman/PhotoEdit pág. 443 Courtesy of University of Minnesota Fig. 15.6 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 445 Edgar Bernstein/Peter Arnold, Inc. Fig. 15.7 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 15.13 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 15.16 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 455 Farmland Industries, Inc. pág. 469 Fig. 16.1 Fig. 16.2 Fig. 16.3 Fig. 16.4 Fig. 16.5 pág. 475

Paul Silverman/Fundamental Photographs Richard Megna/Fundamental Photographs Richard Megna/Fundamental Photographs Paul Silverman/Fundamental Photographs Richard Megna/Fundamental Photographs Richard Megna/Fundamental Photographs (izq.) Richard Megna/Fundamental Photographs (der.) Courtesy of Fisher Scientific Communication Fig. 16.7 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 479 Jeff Greenberg/PhotoEdit pág. 480 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 16.8 Larry Stepanowicz/Fundamental Photographs pág. 482 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 16.11 Paul Silverman/Fundamental Photographs Fig. 16.12 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 507 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 17.1 (sup.) David Young-Wolff/PhotoEdit (centro) Donna Bise/Photo Researchers, Inc. (inf.) Hans Reinhard/OKAPIA/Photo Researchers, Inc. Fig. 17.2 (a) David Young-Wolff/PhotoEdit (b) Porterfield/Chickering/Photo Researchers, Inc. Fig. 17.3 (izq.) Ken Fisher/Getty Images Inc. (centro) David Young-Wolff/PhotoEdit (der.) Aaron Haupt/Stock Boston pág. 511 NASA/John F. Kennedy Space Center pág. 514 (sup.) Baldwin H. Ward/CORBIS I I (inf.) Ted Mahieu/Corbis/Stock Market Fig. 17.6 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 519 Hank Morgan/Photo Researchers, Inc. pág. 520 Larry Stepanowicz/Fundamental Photographs

pág. 522 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 17.13 Paul Silverman/Fundamental Photographs pág. 539 CNRI/Phototake NYC F ig .18.3 Susan Leavines/Photo Researchers, Inc. Fig. 18.7 Hank Morgan/Photo Researchers, Inc. Fig. 18.8 Martyn F. Chillmaid/Science Photo Library/Photo Researchers, I nc. pág. 550 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 18.11 CORBIS pág. 555 (a) Dr. Robert Friedland/Science Photo Library/Photo Researchers, I nc. (b) Dr. Henry Wagner/Peter Arnold, Inc. Fig. 18.13 Runk/Schoenberger/Grant Heilman Photography, Inc. Fig. 18.14 Peticolas/Megna/Fundamental Photographs Fig. 18.15 T. Youssef/Custom Medical Stock Photo, Inc. Fig. 18.16 (izq. y der.) ISM/Phototake NYC pág. 561 Zoko/Institut D ’Optique/Corbis/Sygma Fig. 18.17 University of Chicago, Courtesy of AIP Emilio Segre Visual Archives Fig. 18.18 Courtesy of the Othmer Library, Chemical Heritage Foundation Fig. 18.21 Los Alamos National Laboratory Fig. 18.23 Helmut Gritscher/Peter Arnold, Inc. pág. 570 Plasma Physics Laboratory, Princeton University pág. 577 Paul Silverman/Fundamental Photographs Fig. 19.1 (a) James P. Blair/CORBIS (b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.3 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.4 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.5 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.6 (a) Richard Megna/Fundamental Photographs (b) Larry Stepanowicz/Fundamental Photographs Fig. 19.7 (a-d) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.8 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.9 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.10 Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 599 (izq.) Paul Silverman/Fundamental Photographs (der.) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.12 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.13 John Dudak/Phototake NYC

Fig. 19.17 Diane Hirsch/Fundamental Photographs pág. 606 Guy Gillette/Photo Researchers, Inc. Fig. 19.18 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.19 (a, b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.20 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.21 Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 19.22 Michael Dalton/Fundamental Photographs pág. 624 Alfred Pasieka/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. Fig. 20.1 Robert Mathena/Fundamental Photographs Fig. 20.2 (izq.) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 20.2 (centro) David Young-Wolff/PhotoEdit Fig. 20.2 (der.) Christie’s Images/CORBIS Fig. 20.3 (izq. y der.) Paul Silverman/Fundamental Photographs Fig. 20.3 (centro) Martin Bough/Fundamental Photographs Fig. 20.7 Biophoto Associates/Photo Researchers, Inc. Fig. 20.8 Richard M egna/Fundamental P hotographs Fig. 20.10 (b) Richard Megna/Fundamental Photographs Fig. 20.14 Gertrude Elion Fig. 20.17 A. Barrington Brown/Science Source/Photo Researchers, Inc. Fig. 20.18 (b) Richard Megna/Fundamental Photographs pág. 644 Colin Cuthbert/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc. Fig. 20.21 Michael P. Gadomski/Photo Researchers, Inc.

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Indice A Aceites, 61, 383-384, 413. Véaset ambién Lípidos Acero, 20, 206 Aceroi noxidable,2 0,6 7 Acetal,e nlaces ,6 28 Acetaldehído, 6 10 Acetaminofeno,1 25 Acetatod eb encilo ,6 14 Acetatod ei sopentilo ,6 14 Acetileno( C 2H2), 17, 265-266, 269, 592 Acetona,3 88,6 11-612 Ácido(s). Véaset ambién pH,e scalad e a partir de óxidos no metálicos y agua, 298 amortiguadores,4 98-499 batería, 2 45 carboxílicos, 1 70,6 07,6 12-615 deh alógenos,1 72-173 definiciónd e Arrhenius,4 70-473,4 86 definiciónd eB r0nsted-Lowry,4 83-486 definiciónd eL ewis,4 85-486 ejemplos de, 470, 474 están dar, 4 99 fuertes y débiles, 169-170, 473-475 io nes hi dro nio, 169, 472 monopróticos,d ipróticosy t ripróticos,4 72-473 nomenclaturad e,1 69-174,4 73 oxiácidos,1 70,1 72 reaccionesd ec arbonatosy b icarbonatos,4 78 reacciones de los metales en, 297, 477 reaccionesd el osó xidosm etálicos,4 78 reaccionesd el oss ulfurosm etálicos,4 79 reaccionesd en eutralización,3 03-304,4 71,4 77 titulacionesá cido-base,4 99-500,5 05 Ácido acético( CH 3COOH), 170, 176, 472-474, 505, 612 Ácidoa cetilsalicílico( aspirina ),6 14 Ácidoa raquidónico ,6 32 Ácidoa spártico ,6 37 Ácidob enzoico( C 6H5COOH), 613, 654 Ácido butírico ,6 12-613,6 32 Ácido cáprico ,6 32 Ácido caprílico ,6 13,6 32 Ácido caproico ,6 13,6 32 Ácido carbónico( H2CO 3), 170, 173, 478 Ácido clorhídrico (HCl), 169, 176-177, 264, 473 Ácidod esoxirribonucleico( DNA) apareamiento de bases en el, 642-643 componentesd el ,6 40-642 estructurad ed obleh éliced el ,6 41-643 modelod el,6 24 recombinante ,6 44 transcripciónd e ,6 43 Ácidoe steárico ,6 13,6 31-632 Ácidof órmico( HCOOH ),6 12 Ácidof osfórico( H 3PO4), 177, 202, 298, 642 Áci do g ástri co, 4 74 Ácidog lutámico ,6 37 Ácidol áurico ,6 13,6 32 Ácidol inolénico ,6 32 Ácidom irístico ,6 13,6 32 Ácidon ítrico( HNO 3), 177, 519 Áci do olei co, 6 32 Ácido oxálico, 5 21 Ácido palmítico ,6 13,6 32

Ácidopro piónico,612 Ácidor ibonucleico( RNA ),6 40,6 42-645 Ácidos ulfúrico( H2SO 4) densidadd el ,6 1 en la lluvia ácida, 478-479 producción anual de, 177, 475 sales de, 173 usos del, 176-178, 475 Ácidov alérico ,6 13 Ácidosc arboxílicos,1 70,6 07,6 12-615 Ácidosd ébiles,4 74-475 Ácidosd ipróticos,4 72-473 Ácidosf uertes,4 73-475 Ácidosg rasos ,6 31-634 Ácidosm onopróticos,4 72-473 Ácidosn ucleicos ,6 40-645 Ácidosp olipróticos,1 73-174 Ácidost ripróticos,4 72-473 Actínidos,1 87,2 07 Actividad, serie de, 295-297, 299, 528 Ade ni na, 640-642 Adición,p olímerosd e,5 97-598 Adición, reacciones de, 596 Adrenoleucodistrofia , 634 Aerosoles,4 27 Agentese mulsificantes,4 28 Agentesh umectantes,3 84 Agen tes o xi dan tes comoa ntisépticosy d esinfectantes,5 20 definición, 5 15-516 ejemplos de, 516-520 reaccionesd em etalesc on,2 93-295 Agentesr eductores,2 94,5 15-516,5 20-523 Agua (H2O) anfiprótica,4 84 autoionizaciónd el,4 87-488 calord ev aporizaciónd el,3 89,4 00 calore specíficod el,6 7,3 97-400 calor molar de fusión del, 394-395 calorm olard ev aporizaciónd el,3 89,3 95 constanted elp roductoi ónicod el,4 87 curvad ec alentamientod el,3 95 de hidratación, 174-175, 254-255, 411 der eaccionesd en eutralización,3 03-304 densidadesd el ,6 1,3 97-398 electrólisis de, 90, 94, 234, 290, 326-327 estadosf ísicosd el,1 4 formam oleculard el,2 34-235 hidrólisis,4 96 hielo, 61, 243, 382, 397-398, 400 implicacionesd el asp ropiedadesd el,3 99-400 naturalezap olard el,2 35 pesada,99,564 potable,4 23,4 25 presión de vapor del, 363-365 propiedadesá cido-based el,4 84,4 87-488 propiedadesc aracterísticasd el ,2 2 propiedadesd ed isolvented el,4 00-401,4 13-414 puentes de hidrógeno, 242-243, 382, 400 puntos de congelación y de ebullición del, 63-64, 387-388 reaccionesd em etalese n,2 95-296 reaccionesd eó xidosn om etálicosc on,2 99 solubilidadd elo xígenoe n,4 18,4 23

tensións upeificiald el,3 84 vapors obrecalentado,3 96 volumeny m asa,4 6-47 Aguaa nfiprótica,4 84 Aguap otable,r eglamentaciónd el,4 23 Agua, vapor de, 14, 363-365 Aguas profundas, buceo en, 8 Aguas ,t ratamientod e,5 20 Aire. Véaset ambién Atmósfera composición del, 16, 20, 339, 374 contaminación del, 202, 448, 479, 610 densidadd el,6 1 límites de radón en el, 550 presiones parcialesd el,3 63-365 Ajustei nducido ,6 39 Alanina ,6 36 Albercas,2 14 Alcanfor,3 92 Alcanos dec adenar amificada,5 86 grupos a lquilo,5 87 nomenclaturad e,5 80-582,5 86-592 propiedadesf ísicasd el os,5 82-584 propiedadesq uímicasd el os,5 83-585 tabla de los primeros diez, 581 Alcohol (es) nomenclaturad e ,6 02-603 reaccionesd ea lquenos,5 96 solubilidadd e,4 13 to xi ci dad de, 6 03-604 Alcohold em adera. Véase Metanol Alcohold es naturalizado, 6 05 Alcohol en la sangre, niveles de, 606 Alcohole tílico. Véase Etanol Alcoholi sopropílico,2 0,4 21,5 96 Alcoholl aurílico,4 14 Alcoholm etílico. Véase Metanol Alcoholp araf riccionesc orporales( alcoholi sopropílico), 20, 421, 596 Alcoholesb utílicos,4 14,6 04 Alcoholesp olihidroxilados,6 05-608 Alcoholesp rimarios ,6 03 Alcoholess ecundarios ,6 03 Alcoholest erciarios,6 03 Aldehídos,607,609-612 Aldohexosas,626 Al do sa, 6 26 Aldosterona ,6 50 Aleaciones,4 09 Aleacionesm etálicasc omos olucioness ólidas,1 9-20,4 09 Alfa( a),p artículas bombardeoc on,5 51-553 en el interior del cuerpo humano, 543 en el modelo de Rutherford, 119-120 perspectivag enerald el as,5 40-541 poder de penetración de las, 542-544 Alfa,f ormas,6 27 a//a-hidroxiácidos ,6 13 Alimentosi rradiados,5 56 Al mi dón, 6 29-630 Alótropos, 199-200,392 Alquenos definiciónd el os,5 92 gruposf uncionalesd el os ,6 07 isómeros cis y trans de, 594-595 nomenclaturad e,5 93-594 polimerizaciónd e,5 97-599 presencia naturald e,5 99 reaccionesq uímicasd el os,5 96 Alquilo,gru pos,587-588

Al qui mis tas, 7 7 Al qui nos, 592-599, 607 Alumbre, 1 75 Alú mi na, 3 34, 3 36 Aluminio anfótero,4 81 bombardeod e,c onp artículasa lfae n,5 52 calor específico del, 67, 397 compuestos de, 178 densidadd el ,6 1 energía de ionización del, 192 experiencia práctica, 182 isótoposde ,101 propiedades características del, 22, 198 síntesis de, 182 Amarillod ea lizarinaR ,4 95 Americio, 99, 207, 554, 556, 570 Amidas, 607, 616-617 Amilopectina, 6 29 Amilosa ,6 29-630 Aminas, 607, 615-617 Amino,g rupos ,6 15 Aminoácidos ejemplos de, 636-637 enlacesp eptídicos,6 38-639 esenciales,6 37 fórmulag enerald el os ,6 35 Amoniaco( NH 3) calord ev aporizaciónd el,3 89 como base, 476, 484 composiciónd el ,1 8 constanted ee quilibriod el,4 61 densidadd el ,6 1 formam oleculard el,2 35-236 io nes a mo nio, 1 58 producción y usos del, 177, 182, 236, 289, 453-456 Amoniacoa cuoso,4 76 Amoniacoa nhidro,2 36 Amortiguadoresd ep H,4 97-499 Análisisd el ac ombustión,2 66-268 Análisisd imensional,4 0-43,4 9-50 Anfetamina,6 16 Angstroms( unidades),1 89 Ángulosd ee nlace,2 34-236 Anilina, 6 15 Aniones, 156, 190 Ánodos, 526, 529-530 Ánodosd es acrificio,5 30 Antiácidos, 300, 320, 331-332, 469, 482 Anticongelante ,6 2-63,4 24-425,6 05 Antimonio,2 02 Antioxidantes,2 32 Antipirina,3 87 Antisépticos,5 20,6 08 Antraceno ,6 01 Apagado,1 75 Arcoiris,1 21-122 Áreas uperficial,v elocidadesd er eaccióny ,4 48-449 Argi ni na, 637 Argón, 192, 204 Arilo,g rupos ,6 00-601 Aristóteles,8 8 Arrhenius,S vante,2 88,4 70-471 Arrhenius, teoría de, de ácidos y bases, 470-473, 486 Arsénico,2 02,4 23 Arteriosclerosis,6 34 Asfalto, 5 90 Asparagina ,6 36 Aspartamo ,6 38 Aspirina( ácidoa cetilsalicílico ),6 14

Ástato,7 8,2 03 Atmósfera. Véaset ambién Aire capa de ozono, 123, 232, 335 composición de la, 16, 20, 339 contaminación de la, 202, 448, 479 efectod ei nvernadero,2 88 lluvia ácida, 334, 478-479 metano ,2 38 presióna tmosférica,3 42-343,3 46 producción de NO, 467-468 radiaciónu ltravioleta, 1 24,2 32 Atmósferas( unidades),3 43,3 46 -ato,s ufijo,158 Átomos cargas eléctricas de los, 94-95 definición, 1 7 descubrimientod es ue structura,1 15-121 estudiosc ont ubosd er ay osc atódicos,1 15-117 ionizaciónd e,1 30,1 92-193 isótopos, 98-101, 544-546, 564 moles de, 102-105 núcleo de los, 96 orbitalesy s ubniveles,1 39-142 símbolos de electrón punto de Lewis, 137-139 tamaño de los, 96, 189-191 teoríasa ntiguas,8 8 Automóviles aceite,3 83-384 anticongelantep ara ,6 2-63,4 24-425,6 05 bateríasd e,5 32 combustibled eh idrógenol íquido,1 97 convertidoresc atalíticos,4 48 presiones manométricasd el osn eumáticos,3 54-355,3 71 Autorradiografías,5 56 Avogadro, Amadeo, 102-103, 251, 357, 366 Avogadro, ley de, 357-358, 369 Avogadro, número de, 102-104, 252-253, 258-262 Azúcaresr eductores ,6 27 Azufre ácidos de, 170-171. Véaset ambién Ácidos ulfúrico enl ag asolina,2 98 en la hulla, 334, 479 energíad ei onizaciónd el,1 92 nomenclaturad ec ompuestosd e,1 65 oxidaciónd e,2 98 propiedadesc aracterísticasd el,2 3,2 02 Azuld eb romotimol,4 95 Azul de timol, 495

B B,v itaminas ,6 45-648 Bagian,J ames,1 3 Balanzas,4 7-48 Balanzasa nalíticas,4 8 Balanzasd ep latilloe levado,4 8 Balmer, J. J., 126, 134 Bario, 126, 127 Barómetros,3 43,3 46 Barras de control, 564, 566 Barriles( unidades),3 6 Básculas( balanzas),4 7-48 Bases. Véaset ambién pH,e scalad e amortiguadores,4 98-499 conjugadas,4 83 de DNA y RNA, 640-643 definiciónd e Arrhenius,4 71-472,4 86 definiciónd eB r0nsted-Lowry,4 83-486 definiciónd eL ewis,4 85-486 ejemplos de, 470, 476 metalesa nfóterosy ,4 81

reacciones de las, 480-481 reaccionesd en eutralización,3 03-304,4 71,4 77 titulacionesá cido-base,4 99-500 Basesd ébiles,4 76-477 Basesf uertes,4 76-477 Baterías ácidos de, 245 celdas de Daniell, 528, 531 conh idrurosm etálicos,2 18 de ion litio, 216 de plomo y ácido, 532 definición, 5 25 pi las s e cas, 5 31 Bauxita,1 98-199 Becquerel, Antoine,1 18-119,1 34 Bega,C ornelis,7 7 Bemis, C. E., 573 Benceno( C 6H6), 265-266, 269, 599-601 Benzaldehído ,6 11 Beriberi,6 45 Berilio bombardeod e,c onp artículasa lfa, 5 52 configuracióne lectrónicad el,1 45 energíad ei onizaciónd el,1 92 formasm olecularesd el,2 33 punto de fusión del, 194 usos del, 198 Berquelio,5 54,5 70 Berzelius, J. J., 78, 80, 89, 92, 115, 134 Beta,f ormas ,6 27 Beta,p artículas,1 19,5 40-543 bi-,p refijo,1 59 Bicarbonatod es odio( NaHCOs), 173, 176, 480, 482 Bicarbonatos,r eacciónc oná cidos,4 78. Véaset ambién Bicarbonatod es odio Binning, Gerd, 134 Bioquímica ,6 24-655 ácidosn ucleicos ,6 40-645 aminoácidosy p roteínas ,6 35-640 carbohidratos,6 25-631 hormonas,649-651 ingenieríag enética,6 44 lípidos ,6 31-634 vitaminas,6 45-64 Bismuto,2 02 Black, J., 641 B lanqueador,335,520-521 Bohr, diagramas de, 131-132 Bohr, Niels, 128-132, 134, 562 Bohrio,554 Bolsas frías, 327-328 Bombas a tómicas,5 62-565,5 69 Bombas de hi drógeno,569 Bombasn ucleares,5 62-565,5 69 Bombillasi ncandescentes ,6 6,2 04 Bórax, 175, 198-199 Boro configuracióne lectrónicad el,1 45 en barras de control, 566 energíad ei onizaciónd el,1 92 formasm olecularesd el,2 34,2 42 isótopos del, 101, 544 punto de fusión del, 194 usos y fuentes de, 198-199 Boyer, Paul, 641 Boyle, ley de modelod el ab ombap aran eumáticod eb icicleta,3 46-347 relacionesd ep resióny v olumen,3 44-346,3 69 teoría de la, 347-348 Boyle, Robert, 77-78, 343-344

Bragg, Sir William L. y Sir W. H., 117 Bromo, 86-87, 203-204, 219-220, 378-379, 382 Bromurod em etilo( C ^ B r), 583,585 Bromuro de plata (AgBr), 522 Bron ce, 20 Br0nsted, J. N., 483 Br0nsted-Lowry, ácidos y bases de, 483-486 Buceo en aguas profundas, 8, 354 Buckybolas( buckminsterfulereno),2 00,3 92-393 Bunsen, Robert, 126, 134 Butadieno,5 99 Butano,580-583 1-Butanol,6 04 Butanona ,6 12 1-Buteno,5 92 2-Butenos,5 94 Butilo,g rupos,5 88 Butiratod em etilo ,6 14

C Cadaverina ,6 16 Cadmio, 126, 423, 564, 566 Cal (óxido de calcio, CaO), 175-177, 300, 333 Cal apagada, 175-176, 415 Cal viva (óxido de calcio, CaO), 175-177, 300, 333 Calcio, 126-127, 198 Cálculos. Véase Cantidades Californio,5 54 Calor de fusión, 394-396 Calord ev aporización,3 88-389,4 00 Calore specífico ,6 7,1 12,1 15,3 97-400 Calor molar de fusión, 394-396 Calorm olard ev aporización,3 89,3 94-395 Calorías (unidades), 66-67, 74, 325 Calorímetro (construcción), 112 Cal vin, M el vin, 2 7 Cambios físicos, 21, 23 experiencia práctica de, 33 Cambios químicos, 22-23 experiencia práctica de, 33 Cáncerp ulmonar,5 50 Cantidades. Véaset ambién Mediciones ;E stequiometría cálculosd ec omposición,2 54-257 cálculos de mol a mol, 314-316 cálculosd er eactivol imitante,3 21-323 composiciónp orcentual,2 55-257,2 68 conversiones e ntrem as ay m oles,2 57-258 fórmulase mpíricasy m oleculares,2 65-270 LD50, 603 masasd el asp artículasu nitarias ,2 60 masasm olares, 1 05-107,2 50-254 molaridad,2 62-265,3 19-321,4 19-421 moles, 37, 102-105, 250-252 númerod e Avogadro,1 02-104,2 52-253,2 58-262 númerod ep artículas,2 61-262 porcentajee nm asa,4 22-423 porcentaje en volumen, 421-422 químicas (experiencia práctica), 274 rendimientop orcentual,3 23-325 Cañonesd er adar,1 24 Capacidada mortiguadora,4 97 Carbohidratos complejos ,6 29 disacáridos ,6 25,6 28-629 estructurasc íclicasd e ,6 27 monosacáridos ,6 25-628 polisacáridos ,6 25,6 29-631 Carbonatación,4 17-418 Carbonatod ec alcio( CaCO 3) cavernasd ep iedrac aliza,3 03

comoa ntiácido,3 31,4 82 estequiometríad el,3 20 ingesta en la dieta, 274 reacciones con ácido, 300, 478 usos del, 176 Carbonatod el itio( Li2CO 3), 274, 415 Carbonatod em agnesio( MgCO 3), 482 Carbonatod ep otasio( K2CO 3), 176 Carbonatod es odioN a2CO 3, 176-178, 254 Carbonatos,r eaccionesd e,c oná cidos,4 78. Véaset ambién Carbonatod ec alcio Carbonilo,gru pos,609 Carbono. Véaset ambién Químicao rgánica abundanciad el,8 2 ácidosq uec ontienen,1 71 electronegatividadd el,2 21 enc ompuestosi norgánicos,5 78 energíad ei onizaciónd el,1 92 formasc ristalinasd el,1 99-200,3 92-394 isótopos del, 101, 554 nomenclaturad el osc ompuestosi norgánicosd e,1 65 punto de fusión del, 194 Carbono14,fe chadopor ,559-561 Carbonosq uirales ,6 26-627 Carborundo,201,392 Carboxilo,gru pos,170,472-473,612 Carburo,l ámparasd e,3 11 Carburod es ili cio ( carborundo),2 01,3 92 Carburod et ungsteno( WC),3 92 Carga eléctrica, 95, 116, 117-118, 380 Cargasp arciales,3 80 Carlisle, Anthony,9 0,9 4 Caroteno,5 99 Carothers, WallaceH .,6 17 Carver, George Washington, 7 Caseína, 654 Catalizadores definición,291,445 enl ase cuacionesq uímicas,2 78 enl osc onvertidoresc atalíticos,4 48 energía de activación y, 442, 446, 448-449 en zi mas c o mo, 6 39-640 equilibrioq uímicoy ,4 58-459 velocidadesd er eaccióny ,4 45-448 Cationes, 155,190 Cátodos,526,529-530 Cavendish,H enry,90 Celdase lectrolíticas,5 25-528 C el dase lectroquímicas,5 28 Celdasg alvánicas,5 28 Celdasv oltaicas,5 28-533 Celsius, Anders ,6 3 Celsius,e scala ,6 3-66,3 48 Celulosa ,6 29-630 Centímetros,3 9 Centralesn ucleoeléctricas,5 50,5 66-568,5 70 Cerillas, 1 65 Ceroa bsoluto,65,352 Ceros,c ifrass ignificativasy ,5 3-54 Cesio,378 Cetonas,607,609-612 Cetosa,626 Cetosis,6 11 Chadwick, James, 120, 134, 552 Charles, Jacques A. C., 348-349 Charles, ley de, 348-351, 369 Chernobyl, accidente de la central nuclear de, 567-568 Chipsd ec omputadora ,8 5 Cianurod eh idrógeno( HCN),2 40 Cifrass ignificativas aritméticay ,5 5,5 8-60

ceros,5 3-54 coeficientese ne cuaciones,3 13 fórmulase mpíricas,2 67 logaritmos,4 91 mediciones,5 1-52 notaciónc ientífica,5 6-60 númerose xactos,5 3 re don deo de ,54 Cinéticaq uímica,4 38-442 Cisteína ,6 36 Cis-trans, isomería, 594-595, 632 Citosina ,6 40-642 Clima, predicción del, 346, 362 Clonación, 6 44 Cloratod ep otasio( K O O 3), 447, 458 Cloratos,d escomposiciónd e,2 91-292 Cloro cálculosm olares,2 52-253 co mo a gen te o xi dan te, 5 18 configuracióne lectrónicad el,1 48 densidadd el ,6 1 diatómico,2 18-219 ena lbercas,2 14 energíad ei onizaciónd el,1 92 enlacesc ovalentesp olaresd e ,2 22 gaseoso,2 15 io nes, 1 57 oxiácidosq uec ontienen ,1 71 producción anual y usos del, 177 propiedadesd el,2 03,3 79 reacción del, con sodio, 191, 214-216 tratamientod ea guas,5 20 Clorofluorocarbonos,1 23,2 32 Cloroformo( C H Q 3), 61, 585 Clorurod ec alcio( CaCl2), 160 Clorurod ee tilo,5 87 Cloruro de hidrógeno (HCl), 222, 226, 229, 300. Véase también Ácidoc lorhídrico Clorurod em agnesio( MgC^), 159,216-217 Clorurod em etileno( CH2O 2), 61, 585 Clorurod em etilo( C ^ C l), 414, 585 Clorurod ep olivinilo( PVC),2 74,5 98 Clorurod ep otasio( KCl),2 16 Clorurod es odio( NaCl) calor molar de fusión del, 395 composiciónd el,1 7-18 electrólisisd e,5 25-526 enlacesd el,2 14-216 formac ristalinad el,1 4-15,2 16 importanciad el,1 97 ingesta en la dieta, 254 propiedadesc aracterísticasd el,2 2,5 78 solubilidadd el,4 11,4 15 tamañosi ónicoy a tómico,1 91 usos del, 176 Cobalto, 99, 546, 556, 557 Cobre calore specíficod el,6 7,3 97 calor molar de fusión del, 395 color a la flama del, 127 densidadd el,6 1 enc eldasv oltaicas,5 28-529 en el agua potable, 423 reacciones del, con agentes oxidantes, 293, 295, 513, 519 usos del, 205 Cobre(II),s ulfatod e,p entahidratado,1 74,3 34 Coeficientes de reacción, 280, 288, 313-314, 326 Colesterol,6 34,6 49,6 51 Colisiones elás ti cas, 3 41

energíad ea ctivación,4 39-442 frecuenciad e,4 38 orientacionese nl as,4 38-439 Coloides,4 26-428 Colores, 122, 127, 174 Combinacióno s íntesis,r eaccionesd e,2 86,2 89-290 Combustión. Véaset ambién Oxidación-reducción;r eaccionesd e análisis de la, 266-268, 374 cambios e nerg éticos d urantel a,3 25-326 dea lcanos,5 83 de glu co sa, 326-327 dehi drógeno,326 definición, 5 10 ecuaciones de la, 284-286 efectod ei nvernadero ,2 88 Lavoisier y la, 88 reac cio nes d e, 2 87-289 velocidadesd e,4 44-445 Combustióne spontánea,5 10 Complementosd ietéticos ,6 45 Composiciónp orcentual,2 55-257,2 68 Compuestos. Véaset ambién Sales composiciónp orcentuald e,2 55-257,2 68 de gases nobles, 204 de no metales, 165-167 definiciones, 1 7,7 7 ele men tos y , 1 7-18 hidratos,1 74-175 númerosd eo xidaciónd e,1 67-169 oxidaciónde ,512 Compuestosa lifáticos ,6 01 C ompuestosi ns aturados, 5 96 Compuestos iónicos, 159-164, 215-217, 218, 225 conductividadd e,2 25 formaciónd e,2 15 fórmulasu nitariasd e,2 51 nomenclaturad e,1 59-164 propiedades de los, 217, 378, 391 redesc ristalinasd e,3 90,3 91 solubilidadde ,225,301,411-412 Compuestosm oleculares,2 18,2 25-226,3 78,3 91-392 Concentración diluciones,264-265,424 molaridad,2 62-265,3 19-321,4 19-421 notaciónc onc orchetes,4 89 porcentajee nm asa,4 22-423 porcentajee nv olumen,4 21-422 principiod eL eC hátelier,4 55-456 velocidadd er eaccióny ,4 44-445 Condensación, 14,3 85-3 89 Conductividade léctrica dec ompuestosi ónicos,2 17,2 25 dec ompuestosm olecular es,2 25-226 dee nlacesm etálicos,2 24 definición, 8 6 ejemplos de sustancias, 22, 87 tendenciasp eriódicasd e,1 96-197 tipos de enlaces químicos y, 224-227, 391 Conductividadt érmica,1 96-197 Configuracionese lectrónicas,1 44-149 Confinamientom agnético,5 70 Congelación, 14,394,398 Congelacióni nstantánea,3 98 Conservación de la masa, 24, 26, 91 Constante del producto iónico del agua, 487 Constante universal de los gases (R), 360 Convencionesd en omenclatura. Véase Nomenclatura Convertidoresc atalíticos,4 48 Corey, R. B., 639 Corrosión,530 Cortisol,6 50

Coulomb( unidad), 1 16 Crac king, p ro ce so d e, 5 90 Crémort ártaro( hidrogenotartratod ep otasio),4 17,4 80 Crenación,4 30 Crewe, Al bert, 9 6, 1 34 Crick, Francis, 642-643 Crio ge nia, 6 6,3 98 Cristalización, 654 Cromo, 423, 517, 524-525, 557 Crookes, Sir William, 115, 134 Crookes, tubos de descarga en gas de, 115-117 Cuantos, 127 Cuartos,3 6 Cuarzo,3 92 Cubos, fórmula del volumen de los, 43-44 Cuerpoh umano abundancia de elementos en el, 82 áci do g ás tri co, 4 74 antiácidos, 300, 320, 331-332, 469, 482 cetosis ,6 11 daños por radiación, 543, 549-550 dieta, 629, 632-633, 637 equilibrio dee lectrólitos,2 17 fiebree h ipotermia,4 43 informacións obren utrición,2 50 ingenieríag enética, 6 44 ingesta de sal, 254 inhalaciónd em onóxidod ec arbono,2 29 niveles de alcohol en la sangre, 606 oxígeno en el, 511 papeld eló xidon ítrico ,1 66 Curie, Irene, 119, 552 Curie, Marie, 118-119, 134, 203, 546 Curie,P ierre,1 19 Curies( unidades),5 46 Curio, 554, 570 Curvasd ec alentamiento ,6 6-68,3 95-397,3 99

D D,d esignación ,6 26 Dalton, John, 90-91, 115, 134, 362 Dalton, ley de las presiones parciales de, 362-364, 369 Daniell, celdas de, 528, 531 Darmstadtio, 112 Davisson,C linton,1 33 Davy, Sir Humphrey, 470 de Broglie, Louis, 133-134 Decano,5 81 Decímetros,3 9 Demócrito ,8 8 Den si dad cálculosd e ,6 1-62 dec ompuestoso rgánicos,5 78 de gases, 358-360 definición, 6 0 del agua, 61, 397-398 ejemplos de, 61 medicionesd e ,6 2-63 tendenciasp eriódicasd e,1 95-196 Densidadr elativa,6 2-63 Descomposición,r eaccionesd e,2 86,2 90-293 Desinfectantes,5 20 Desintegracióna lfa,5 40-541,5 49 Desintegraciónb eta,5 41-542,5 49 Desintegracióng amma,5 42 Desintegracionesp ors egundo( unidades),5 46-547 2-Desoxirribosa ,6 40-641 Destilación, 387-388,6 03-604 Destilaciónd estructiva,6 04-605

Destilados,3 87-388 Deuterio, 98-99, 101, 564, 569 Dextrosa ,6 27-628 D-Fructosa ,6 28 D-Galactosa ,6 28 D-Glucosa ,6 27-628 di-,p refijo,1 59 Día del Mol, 251 Diálisis,4 28-431 Diamantes,3 92 Dicloroeteno,i sómerosd el,5 95 Diclorometano( CH2Cl2), 585 Dicromatod es odio( Na2Cr2O 7 ), 517 Dieta, 629, 632-634, 637 Difusión, 340, 429, 564 Difusióng as eos a, 5 64 Dilución,2 64-265,4 24 Dimetilmercurio,5 87 1,3-Dinitrobenceno,6 02 Di oles, 6 05 Dióxidod ea zufre( SO 2), 511 Dióxidod ec arbono( CO 2) den si dad d el, 6 1 efectod ei nvernadero,2 88 en la elaboración de pan, 480 hielos eco,3 92 producción anual y usos del, 177 sólido, 1 76 usos del, 229 Dióxidod ec loro( O O 2), 520 Dióxidod es ilicio ( SiO2), 15, 86 Dipéptidos ,6 38 Directamentep roporcional,3 49 Disacáridos ,6 25,6 28-629 Disociaciónd ec ompuestosi ónicos,2 17,2 25 Disolución,d efiniciónd e,4 08. Véaset ambién Solubilidad Disolventes, 262, 400-401, 408, 413 Dispersión,f uerzasd e,3 81-383 Dispersionesc oloidales,4 26-427 Divi sión, 5 6-60 DNA. Véase Ácidod esoxirribonucleico DNAr ecombinante,6 44 Dobereiner,J . W.,1 85 Dobles ustitución,r eaccionesd e,2 87,2 99-304 Doblese nlaces,2 19,5 96 Dolomita, 3 11 Dorn, Friedrich, 204 Drake, Edwin L., 565-566 Dub nio, 554 Ductilidad,2 1,8 7 Dulong, Pierre, 115, 134 Dureza, 8 7

E e/m,r azones ,1 16 Ebriedad, pruebas de, 517 Ecuaciones. Véase Ecuacionesq uímicas Ecuacionesi ónicas,3 02-303 Ecuacionesi ónicasn etas,3 02-303 Ecuacionesn ucleares,5 41 Ecuacionesq uímicas. Véaset ambién Estequiometría cálculos de mol a mol, 314-316 escrituray b alanceod e ,2 80-286 información que se obtiene de las, 278-280 iónicasy i ónicasn etas,3 02-303 mediar eacción, 5 23 nucleares,5 41 perspectivag enerald el as,2 77 razones molares a partir de, 286, 313-314 Edad del universo, 559

Edulcorantesa rtificiales,6 0 Efecto invernadero,2 88 Einstein, Albert, 29, 127, 134, 561-562 Einstein, ecuación de, 29, 561 Eins te nio, 5 54, 5 70 Elasticidadp erfecta,3 41 Electricidad,9 4-95,1 15-117,5 66-568 Electricidade stática,9 4-95 Electrólisis celdase lectrolíticas,5 25-528 de agua, 90, 290, 326 descubrimientod el a,1 98 leyd el asp roporcionesd efinidas,9 4,2 34 Electrólitos,2 17,2 25 Electrón(es) cargae léctricad el,1 17-118 de valencia, 130-132, 137-139 descubrimientod el, 1 16-117 diagramasd eo rbitales,1 44-149 ene nlacesc ovalentes,2 18 en las celdas voltaicas, 529 enr eaccionesd eo xidación-reducción,2 93-294 espín del, 133, 139, 145-146 masa del, 118 niveles energéticos de los, 128-132, 136-137, 140, 142-144 octetod e,1 39 orbitales, 1 33,1 39-144 propiedadesd el,9 5-96 razón e/m, 116 subnivelesde ,133,139-144 Electronegatividad,2 20-222,2 42 Electroplatinado,5 26-527 Elementos abundancia de los, 81-82, 202, 511 composiciónp orcentual,2 55-257,2 68 det ransición,1 42-144 definición, 1 7 densidadesd el os,1 95-196 electronegatividad,2 20-221 espectros de líneas de los, 126-128 familias de, 83, 188 grupos de, 83, 188 isótopos,98-100 masa atómica, 95, 100-102, 186, 250 nombres y símbolos de los, 78-81 númeroatómico,9 6-98,1 86,5 40 propiedadesf ísicasd el os ,8 6-88 sintéticos,7 8 tablap eriódica ,8 2-85,1 85-186 tamañoa tómico,1 89-191 tamañoi ónico,1 90-191 teoríasa ntiguas,7 7-78 transmutaciónd e,5 41,5 51-552 Elementosd iatómicos ,8 4-85 Elementosr epresentativos,1 42,1 88 Elementost ransuránicos,1 87,2 07-208,5 54,5 56 Elion, Gertrude B., 641 Emulsiones,4 27 Energía a partir de grasas, 633 conservaciónd el a,2 8-29 dei onización,1 30,1 92-193 definición, 2 5 durantel ac ombustión,3 25-326 enl asr eaccionesq uímicas,3 25-326 unidadesd e ,6 6 Energíac alorífica,t emperaturay ,6 6-68 Energíac inética,d efiniciónd e,2 5,3 42 Energíad ea ctivación( Ea), 439-442, 446, 448-449 Energíad ea ctivación,d iagramasd e,4 41,4 46-447

Energíad ei onización,1 30,1 92-193 Energíad ep rimerai onización,1 92 Energíap otencial,d efiniciónd e,2 6,3 42 Enfermedadd elb uzo ,8 Enfoquec ientíficop arar esolverp roblemas,4 -6 Enlaces,2 13-248 ángulosd ee nlace,2 34-236 conductividade léctricay ,2 21-223 definición, 2 13 dobles y triples, 219, 596 electronegatividady ,2 21-223 enlacesp olaresy m oléculasp olares,2 28-231 estructurasd er esonancia ,2 31 iónicos, 214-217, 221, 223, 227 no polares, 219, 223 paresd ee lectronese nlazantesy n oe nlazantes,2 31-234 polares,2 21-223,2 28-231 puentes de hidrógeno, 242-243, 380-382, 400, 413-414 reglad elo cteto,2 15 tablap eriódicay ,2 39-242 Enl aces c ovalentes,2 18-223,2 27,2 37-243,4 13-414 coordinados,2 37-238 perspectivag eneral,2 18-220,2 27 puentesd eh idrógeno,2 42-243 solubilidadd e,4 13-414 tablap eriódica,2 39-242 Enlacesc ovalentesn op olares,2 19,2 23,3 78 Enlacesc ovalentesp olares,2 21-223,2 28-231,3 78 Enlaces iónicos, 214-217, 221, 223, 227 Enlacesm etálicos,2 23-224,2 27 Enlacesp eptídicos,6 38-639 Enlacesq uímicos. Véase Enlaces Entalpía,3 26-327 Entropía,3 25,3 28 Enzimas, 278, 448, 639-640 Epinefrina ,6 50 Epsom, sal de, 175 Equilibrio,c onstantesd e,4 59-462 Equilibrio. Véase Equilibrioq uímico Equilibriod inámico,3 85,3 94,4 15,4 37 Equilibrioq uímico,4 37-468 cambiosd ec oncentración,4 55-456 cambiosd et emperaturay ,4 51,4 56 cambios de volumen y de presión, 457-458 constantesd ee quilibrio,4 59-462 dinámico, 385, 394, 415, 437 efectosd elc atalizador,4 58-459 principio de Le Chátelier, 453, 458 reaccionesr eversibles,4 49-453 representaciónd el,4 51-452 velocidadesd er eacciónr eversiblee i rreversible,4 52 Ergios( unidades),5 46 Escalac entígrada ,6 3 Escala Kelvin, 64-66, 349-350, 352 Escandio,149,206 Escorbuto ,6 45,6 49 Espectroc ontinuo,1 21 Espectroe lectromagnético,1 21-125 Espectrov i sible, 1 22,1 28 Espectrómetrosd em asa,2 69 Espectroscopios,1 26 Espín, 133, 139, 145-146 Es pu mas, 4 27 Estadob asal,1 29 Estados de la materia, 14, 406 Estadose xcitados,1 28 Estadosf ísicos,1 4 Estalactitasy e stalagmitas,3 03 Estaño,2 01,3 94 Estequiometría,3 12-329. Véaset ambién Ecuacionesq uímicas

cálculos de mol a mol, 314-316 cálculos de moles y masas, 316-319 cálculosd er eactivol imitante,3 21-323 de gases, 365-368 definición, 3 12 razonesm olares,3 13-314 rendimientop orcentual,3 23-325 solucionesm olares,3 19-321 Estereoisómeros ,6 27 Ésteres ,6 07,6 13-615 Esteroides,6 49-651 Estireno, 6 00 Estradiol,6 50 Es tro na, 6 51 Es tron cio, 1 01, 1 26-127 Estructurasp rimarias ,6 39 Estructurass ecundarias,6 39 Estructurast erciarias,6 39 Etano,5 79-581 Etanol( alcohole tílico,C 2H5OH) calore specíficod el,6 7,3 97 calor molar de fusión del, 395 calorm olard ev aporizaciónd el,3 89 combustiónd e,2 89 densidadd el,6 1 en bebidas, 604, 606 propiedadesc aracterísticasd el,1 8,2 2 punto de ebullición del, 388, 604 reacción de producción de, 332, 596 sintético ,6 05 toxicidad del,6 04,6 06 usos del, 176, 604, 606 Eteno( etileno,C 2H4), 177, 182, 592, 598-599 Éterd ietílico,3 88-389,6 09 Éterm etilt er-butílico( MTBE ),6 09 Éteres,6 07-609 Etil ben ce no, 6 00 Etilbutirato, 614 Etilenglicol,6 04-605 Etileno( etenoC 2H2), 177, 182, 592, 598-599 Etilmetilcetona( MEK ),6 12 Etilo,g rupos,5 87-588 Evaporación,3 85,3 88-389 Exactitud,5 0-51 Experimentod el al aminillad eo ro,1 20-121 Experimentos,d efiniciónd e,6 Extrapolación, 3 49

F Factor de protección solar (FPS), 124 Factores d ec onversión cálculos con moles, 254-258, 319-321 conversionese ntreu nidadesi nglesasy m étricas, 49-50 escalasd et emperatura ,6 4-66 métodod e,4 0-43 paral ongitudese ne ls istemam étrico,4 3,4 9 parav olúmenese ne ls istemam étrico,4 5-46,4 9 uso de, 40-43 Fahrenheit,e scala ,6 3-65 Familiasd ee lementos ,8 3,1 88 Faraday,M ichael,5 25,5 99 Fase, cambios de, 22, 386 Fenilalanina ,6 36,6 39 Fenilo,g rupos ,6 02 2 -Feniloctano ,6 02 Fenoles,6 08 Fenolftaleína,4 95 Fermi,E nrico,5 61-562,5 64 Fermio,5 54 Fertilizantes

ácido sulfúrico en la producción de, 176-177, 475 amoniaco en los, 182, 236-237, 289, 335 orgánicos,578 procesoH aber,4 55-458 Fibrosisq uística ,6 44 Filtros olar,1 24 Fisión. Véase Fisiónn uclear Fisiónn uclear bombas de, 564-565 centralese léctricasd e,5 66-568 descubrimientod el a,5 61-564 Flama, colores a la, 127,152 Flúor diagrama de Bohr del, 131-132 energíad ei onizaciónd el,1 92 propiedades del, 83, 203, 379 punto de fusión del, 194 Fluorescencia, 1 18,1 22 Fluorocarbonos ,203,232,335 Fluoruro de hidrógeno (HF), 242, 381 Fluoruros y caries dental, 478 Formaldehído ,6 10 Formasm oleculares angulares,234-235,241 lineales,2 33,2 41 piramidalest rigonales,2 35-236,2 41 planast rigonales,2 33,2 41 polaridady ,2 41-242 pre dic ción d e, 2 37-238 tablap eriódicay ,2 39-242 teoría RPECV y, 231-234 tetraédricas,2 33-234 Formiatod ee tilo ,6 14 Formol,6 10 Fórmulas dec ompuestosi ónicos, 1 59-164 determinaciónd e,2 66-270 mas asm olaresy ,1 05-107 paréntesise nl as,1 62-163 razonesa tómicase n,9 1 Fórmulase mpíricas,2 65-268 Fórmulase structurales,5 85-586 Fórmulase structuralesc ondensadas,5 85-586 Fórmulasm oleculares,2 65-266,2 69-270 Fórmulasq uímicas. Véase Fórmulas Fórmulasu nitarias,1 05,4 25 Fosfato( PO 43-), iones, 229-230 Fosfatod ea monio[ (NH4^PO 4], 106, 256-257 Fosfatod ec alcio[ Ca3(PO4)2], 106 Fósforo ácidos de, 171, 173 emisiónd ep ositrones,5 53 energíad ei onizaciónd el,1 92 nomenclaturad ec ompuestosd e,1 65 propiedadesd el,2 02 radioisótoposd e,u soe nm edicina,5 57 usos del, 202 Fotoexploraciones,5 58 Fotografía,r eaccionesd er educcióne n,5 22 Fotones, 1 27-128 Fotosíntesis,2 7,2 88,5 08 Franklin,R osalind ,6 42 Frecuencia, 121, 123, 127 Freones, 203, 232, 335 Frisch, Otto, 562 Fructosa ,6 26,6 28 Fuerzas ded ispersión,3 81-383 Fuerzasd ipolares,3 80 Fuerzasi nteriónicas,3 79-380 Fuerzasi ntermoleculares,3 80-385,3 91,3 94-395,4 11-412

calor de fusión y, 394-395 definición, 37 8,380 dipolares,3 80 ens ólidosc ristalinos,3 91 fuerzas de dispersión (de London), 381-383 puentesde hi drógeno,242-243,380-382 tensións uperficial,3 83-385 viscosidady ,3 83 yd isolución,4 11-412 Fuerzasi ntramoleculares,3 78,3 80 Fuller,R .B uckminster,2 00 Fusión, calor de, 394-396 Fusión con láser, 570 Fusión fría, 570 Fu sión n u clear, 5 69-571

G Gadolinio,5 57-558 Galactosa ,6 26 Galena,3 18 Galio, 199, 378 Galvani,L uigi,5 28 Galvanización,2 06,5 27 Gas (es),3 38-375 ap artird er eaccionesd ed obles ustitución,2 99-300 constanteu niversald el os,3 60 densidad de los, 61 en la sangre, 362 energíac inética,3 42 estequiometríad e,3 65-368 ley(es) combinada de los, 356-357, 369 de Avogadro,3 57-358,3 69 de Boyle, 344-348, 369 de Charles, 348-351, 369 de Gay-Lussac, 351-355, 369 de invernadero, 288 de las presiones parciales de Dalton, 362-364, 369 del osv olúmenesd ec ombinación,3 66-367 del gas ideal, 360-362, 369, 377 delg asi dealm odificada,3 62 presióna tmosférica,3 43-344 propiedades de los, 15-16, 340, 378 radón, 100, 204, 550-551, 557 solubilidadd e,e nl íquidos ,8 ,4 17-419 temperaturay p resiónn ormales,3 55 teoríac inéticam olecular,3 39-342 unidadesd ep resión,3 42 volumenm olar,3 58-360 Gash ilarante,1 76 Gas ideal, 361 Gas ideal, ley del, 360-362, 369, 377 Gas licuado de petróleo (GLP), 582 Gas natural, 20, 238. Véaset ambién Metano Gases nobles, 86, 204, 354. Véaset ambién bajo losn ombres deg asesi ndividuales Gasesn obles,c ompuestosd e,2 04 Gasesr eales,3 61 Gasolina azufre en la, 298 densidad de la, 61 hidrocarburosq uec omponenl a, 5 82 metil ter-butil éter, 609 reacciones de combustión de, 277, 331 Gay-Lussac, Joseph, 351, 365 Gay-Lussac, ley de, 351-355, 369 Geiger,c ontadores,5 47-548 Geiger, Hans, 119-120 Germanio,2 01 Germer,L ester,1 33 Glicerol( glicerina ),6 04-605

Gli ci na, 6 36 Globos de aire caliente, 348, 351 Glucagon,650 Glucógeno,629 Glucosa combustión de, 277, 326-327, 441 ens olución,4 25 estructuras de la, 414, 625-628 forma de aldehído libre de la, 627 polímerosd e ,6 29-630 propiedadesd el a ,2 26 reaccionesd ed egradaciónd el a ,6 30 Glutamina,6 36 Goldstein, Eugen, 117, 134, 552 Gotad ea ceite,e xperimentod el a,1 17-118 Graduacióna lcohólica,6 06 Grafeno,2 00 Gramos,4 6 Grano,a lcohold e. Véase Etanol Grasas,6 32-633. Véaset ambién Lípidos Grasasp oliinsaturadas,6 32-634 Grasass aturadas,6 32-634 Gray, Harold, 546 Grays( unidades),5 46 Groves, Leslie R., 564 Grupos de elementos, 83, 188, 192 Gruposf uncionales,6 02,6 07 Guanina,640-642

H Haber, Fritz, 454 Haber, p roces o,4 54-458 Hahn, Otto, 562, 565 Halógenos ácidos de, 171-173 comoa genteso xidantes,5 18 compuestosi ónicosd e,2 14-217 enl at ablap eriódica, 8 4 fuerzas de dispersión en, 382 fuerzasi ntermolecularese n,3 79 propiedadesd el os,2 03 reacciones de los alquenos con, 596 reaccionesd es ustitucións impled e,2 98-299 serie de actividad de los, 299 tamañosi ónicosd e,1 90-191 tendencias de sus puntos de fusión y ebullición, 194 Halogenurosde a lquilo,583,585,607 Hall, Charles M., 198 Hasio,5 54 HDL( colesterole nl ipoproteínasd ea ltad ensidad ),6 34 Heisenberg, Werner,1 33-135 Helio abundanciad e ,8 1 densidadd el ,6 1 descubrimientod el,2 04 energíad ei onizaciónd el,1 92 partículasa lfa ,1 20 propiedadesc aracterísticasd el ,2 2 solubilidadd el ,8 Hemiacetales,6 27 Hemólisis,4 30 Heptano, 581, 585, 590 1-Hepteno,5 92 Héroult, Paul, 198 Herrumbre, reacción de la, 24, 283-284, 510, 530 Hexano, 414, 578, 581 1-Hexanol,6 04 1-Hexeno,592 Hibernación,4 43 Híbridosd er esonancia ,6 00

Hidracina,2 74 Hidratación, 174-175, 254-255, 411, 596 Hidrataciónc atalizadap orá cidos,5 96 Hidratos, 174-175, 254-255, 625 Hidrocarburos,5 79-585,5 90. Véaset ambién Químicao rgánica Hidrocarburos a romáticos,5 99-602 Hidrocarbuross aturados. Véase Alcanos Hidrogenación,5 96 Hi dró ge no a partir de reacciones de metales con ácidos, 478 abundancia de, 81, 101, 514 combustióne xotérmicad el,3 26 comoa genter eductor,5 20 como combustible, 197, 281, 289, 519 densidadd el ,6 1 descubrimientod el,9 0 deuterio, 98-99, 101, 564, 569 electronegatividadd el,2 21 energíad ei onizaciónd el,1 92 enlacesc ovalentesp olaresd e ,2 22 escala de pH (Véase pH,e scalad e) espectro de líneas del, 126 formas de la nube de electrones del, 382 fusión de, 569-571 io nes hi dro nio, 169, 472 moléculasd iatómicasd e,2 18-219 númerod eo xidaciónd el ,1 68 orbitalesd el,1 44 pro duc ción de ,514 protio,9 9 reducción yp ropiedadesq uímicasd el,5 13-516 singularidadd el,1 97 tritio, 98, 541, 544-545, 557, 560, 569 Hidrogenocarbonatod es odio( NaHCO 3), 173, 176,480,482 Hidrogenosulfitod es odio( NaHSO 3), 173 Hidrogenotartratod ep otasio,4 17,4 80 Hidrólisis,4 96 Hidrómetro ,6 2-63 Hidronio( ^ O +), iones, 169, 472, 487 Hidróxidod ea luminio[ Al(OH)3], 482 Hidróxidod ea monio( NH 4OH), 476 Hidróxidod ec alcio[ Ca(OH)2], 175-176, 415, 476 Hidróxidod el itio( LiOH),3 31 Hidróxidod em agnesio[ Mg(OH)2], 176, 476, 482 Hidróxidod ep otasio( KOH),4 76 Hidróxido de sodio (NaOH), 176-177, 476, 481 Hidróxidosa nfóteros,4 81 Hidroxilo( OH—),g rupos ,6 02-607. Véaset ambién Alcohol (es) Hidruros,2 18 Hielo calore specíficod el,3 97 densidad del, 61, 397-398 estructurac ristalinad el,4 00 puentes de hidrógeno en el, 243, 382 Hierro acero, 20, 206 calore specíficod el,6 7,3 97 calor molar de fusión del, 395 corrosión de,5 30 den si dad d el, 6 1 galvanizado,2 06,5 27 io nes, 1 58 númerosd eo xidaciónd el,2 05 punto de fusión del, 378 radioisótoposu tilizadose nm edicina,5 57 reacción de la herrumbre, 24, 283-384, 510, 530 Hielos eco,3 29. Véaset ambién Dióxidod ec arbono (CO2) Hildebrand, Joel ,8 Hindenburg,i ncendiod el,5 14 Hiperacidez,4 82 hipo-,p refijo, 1 59

Hipoclorito (ClO—), ion, 173, 335, 520-521 Hipocloritod ec alcio[ Ca(ClO)2], 173, 520-521 Hipocloritod es odio( NaClO),3 35,5 20-521 Hiposulfito( tiosulfatod es odio),s oluciónd e, 1 76,5 22 Hipotermia, 4 43 Hipótesis,d efiniciónd e ,6 His ti di na, 6 37 Hitchings, G., 641 Hoffmann, Roald, 7 Homólogos,5 82 Hormona delc recimientoh umana( HGH ),6 44,6 50 Hormona estimulanted el ac ortezas uprarrenal( ACTH),6 50 Hormona estimulanted el at iroides( TSH ),6 50 Hormona estimulanted elf olículo( FSH ),6 50 Hormona luteinizante( LH ),6 50 Hormona paratiroidea,6 50 Hormonas,6 44,6 49-651 Hu mo, 427 Humo,d etectoresd e,2 07,5 56 Hund,F rederick,1 34 Hund, regla de, 146-147 Hurst, Samuel, 134

I Ignición,t emperaturad e,5 10 Incertidumbre,p rincipiod e,1 33-135 Incertidumbree nl asm ediciones,5 0-51 Indicadoresá cido-base,4 70-472,4 94-495 Índicesde yo do,633 In dio, 199 Industriaq uímica,3 -4 Inflamabilidad,5 78 Infrarrojo,e spectrofotómetrosd e,1 25 Ingenieríag enética ,6 44 Insoluble,d efiniciónd e,4 10 Insulina ,6 44,6 49-650 Inversamentep roporcional,3 44 Invertasa,4 45 Investigacióna plicada,7 Investigacióna plicaday b ásica,7 Investigaciónb ásica,7 Ion amonio (NH4+), 236-238, 412 Io nes definición, 130,190,215 electrólitos,2 17,2 25 formaciónd e,2 15-217 fuerzase ntre,3 79-380 hidronio, 169, 472, 487 hidruro,218 oxidaciónd e,5 12 relacionesp eriódicasd e,1 57-158 solubilidadd e,4 12 tendencias de tamaño de los, 190-191 Ionesd ipolo( zwitteriones),6 37 Ionese spectadores,3 02 Ionesi soelectrónicos,1 91 Ionesm onoatómicos,1 55-158 Ionesp oliatómicos,1 58-159,1 62-163,5 09 Ionización autoionizaciónd ela gua,4 87-488 de ácidos y bases, 474, 476 de átomos, 130, 192-193 energía de, 130, 192-193 Is obutano ,580-582 isobutilmetilcetona( MIBK ),6 12 Isobutilo,g rupos,5 88 Isoleucina ,6 36 Isómeros, 580, 582, 594-595, 602-603 Isopropilamina ,6 15 Isopropilo,gru pos,587-588 Isótopos

definición, 5 40 enriquecimientod e,5 64 masa atómica media a partir de los, 100-101 perspectivag enerald el os,9 8-100 radioisótopos,544-546,556-561 tabla de, 101 -ito,s ufijo,15 8 Itrio, 206

J Janssen, Pierre, 126, 134, 204 Joliot, Irene y Frédéric, 119, 552-553 Joules (unidades ),6 6,3 25 Jugo de limón, 493

K Kekulé,F riedrich August,6 00 Kelvin( unidades),3 7,6 5 Kilogramos,3 6-37,4 6 Kilómetros,3 9 Kioto, protocolo de, 28

L L,d esignación ,6 26 Lactosa,6 29,6 59 Lantánidos,2 07 Latasd ea erosol,3 52-353 Latón, 20, 67 Laurencio, 5 54 Lavoisier, Antoine, 24, 77-78, 88-89, 291, 470 LD50, 603-604 LDL (colesterole nl ipoproteínasd eb ajad ensidad),6 34 Le Chátelier, Henri Louis, 454 Le Chátelier, principio de, 453-458, 487 Leclanché,p ilasd e,p aral internasd em ano,5 37 Le che d e m ag ne sia, 4 82 Leucina ,6 36 Leucipo ,8 8 Lewis, ácidos y bases de, 485-486 Lewis, Gilbert N., 137-138, 215, 485 Lewis,s ímbolose lectrónp untod e enlacesc ovalentes,2 19,2 22 enlacesi ónicos,2 15-217 enlacesp olaresy m oléculasp olares,2 28-231 estructurasd er esonancia,2 31 formasd el asm oléculas,2 31-234 pasosp arae scribir,2 27-228 perspectivag eneral,1 37-139 Ley(es) combinada de los gases, 356-357, 369 Ley de conservación de la energía, 28-29 Ley de conservación de la masa, 24, 26, 91 Ley de conservación de la materia y la energía, 29 Leyd el ac omposiciónd efinida, 1 7 Ley de las octavas, 185 Ley de las presiones parciales, 362-364 Leyd el asp roporcionesd efinidas,1 7,8 8-94 Leyd el asp roporcionesm últiples,9 0-94 Leyd el osv olúmenesd ec ombinación,3 66-367 Leyn atural,6 Leyp eriódica, 1 85 Leyesc ientíficas,2 4 Lind, James, 645 Líneas, espectro de, 126, 129 Lípidos ,6 31-634 Líquidos. Véaset ambién Soluciones aerosoles,4 27 calord ev aporizaciónd e,3 88-389 comparadosc onl osg ases,3 77-379 densidady d ensidadr elativad e ,6 2-63,3 77 emulsiones,4 27

fuerzasi ntermolecularese n,3 80-382 polaresy n op olares,2 26-227 propiedades de los, 14-16, 378 puntos de ebullición de, 193-195, 381, 386-387, 425 suspensiones,426-427 tensións uperficial,3 83-385 vaporizacióny c ondensación,3 85-389 vis co si dad, 3 83 Líquidosi nmiscibles,1 5-16,6 2,4 10,4 13 Líquidosm iscibles,1 5,4 10 Líquidosv olátiles,3 85 Li si na, 6 37 Lis ter, J o seph, 6 08 Litio baterías de ion de, 216 color a la flama del, 127 electronesd ev alenciad el,1 31 energíad ei onizaciónd el,1 92 orbitalesd el,1 45 punto de fusión del, 216 Litros,4 3 Logaritmos,4 88-489 London, Fritz, 382 London, fuerzas de, 381-383 Longitud, medición de la, 38-40, 43, 49 Lowry, T. M., 483 Lucesd eB engalad es eguridad,2 91 Lus tre, 8 6-87 Luz efecto Tyndall,4 26-427 fotones, 1 27 infrarroja,1 23,1 25,1 28 microondas, 1 23-125 ultravioleta, 1 22-124,1 28 velocidadd el a ,1 21-122 visible, 1 22 Luzn egra( radiaciónu ltravioleta),1 22-124,1 28 Llavey c erradura,m odelosd e ,6 39 Lluvia ácida, 334, 478-479

M Madera,c alore specíficod el a,3 97 Mag ne sio calore specíficod el,6 7 comoá nodod es acrificio,5 30 densidadd el ,6 1 en ácido, 297 energíad ei onizaciónd el,1 92 ingesta de, en la dieta, 198 isótoposd el ,1 01 metálico,2 78-279 usos del, 198 Maleabilidad,2 1,8 6-87 Maltosa ,6 28-629 Manganeso, 1 67,4 23,5 17 Manganeso(IV)( MnO 2), óxido de, 445-446 Mantequilla,s ustitutosd el a,5 95 Mantod e Turín,f echadod el,5 61 Marcadores,5 56 Marsden,E arnest,1 19 Masa(s) conservación de la, 24, 26, 91 conversionesd em oles,2 57-258,3 16-319 del asp artículass ubatómicas,9 5 dep artículasu nitarias ,2 60-262 definición, 1 3-14 del electrón, 118 den si dad, 60-63 mediciónd e,4 6-49 por ciento en, 422-423

Masaa tómicam edia,1 00 Masac rítica,5 46 Masas atómicas, 92, 100-102, 186, 250 Masasa tómicasr elativas,1 02-105 Masas molares, 105-107, 250-254, 256, 269 Materia característicaso ndulatoriasd el a,1 33 clasificación de la, 19 conservación de la, 25 definición, 1 3-14 estados de la, 14-17 Materialesi mpermeables,4 28 Mecánicac uántica,1 35-136 Me dias c el das, 5 38-529 Mediasr eacciones,d eo xidación-reducción,5 23-525 Medicina nuclear, 539, 546, 555, 556-559 Medicinas, 1 66,2 74 Mediciones,3 5-75. Véaset ambién Cantidades;U nidad(es) cifrass ignificativas,5 1-56 componentesd el as,3 5 ded ensidady d ensidadr elativa,6 0-63 de longitud, 38-40, 43, 49 de masa, 46-49 der adiación,5 46-547 det emperatura ,6 3-66 de volumen, 43-46, 49 factoresd ec onversióny a nálisisd imensional,4 0-43,4 9-50 incertidumbree nl a,5 0-51 notaciónc ientífica,5 6-59 unidades métricas y del SI, 36-40. Véaset ambién Sistemam étrico Meitner,L ise,5 62 Meitnerio,5 54 Membranas,4 28-431 Membranass emipermeables,4 28-429 Mendeleev,D mitril vanovich,1 15,1 34,1 85-186 Mendelevio,5 54 Menisco,d efiniciónd e,5 1-52 Mercurio calore specíficod el,6 7 calorm olard ev aporizaciónd el,3 89 densidadd el,6 1 dimetilmercurio,5 87 en el agua potable, 423 io nes, 1 58 milímetrosd e,3 43 propiedadesd el,8 6-87 punto de ebullición del, 388 Mercurio(II) (HgO), óxido de, 453 meta-,p refijo ,6 02 Metabolismo,2 6-27 Metacrilatod em etilo,5 98 Metales anfóteros,4 81 basesd erivadasd e,4 76 calorese specíficos,6 7,1 15 característicasd elg rupo,1 97-198 cationes de, 155-157, 215 corrosión de,5 30 densidad de los, 60-61 electronesd ev alenciad e,1 38 en el agua potable, 423, 424 en la tabla periódica, 82, 83, 84, 188-189 energíasd ei onizaciónd e,1 92 enlacesq uímicosd e,2 23-224,2 27 hidrurosd e ,2 18 líquidos,8 6 masasa tómicasd e,1 15 propiedades características de los, 20-21, 86-87, 378, 391, 393 reacciones de, con ácidos, 297, 477

reaccionesd e,c ona genteso xidantes,2 93-295 reacciones de, con agua, 295-296 reaccionesd el osó xidosm etálicos,2 93 reaccionesd es ustitucións imple,2 95-297 solubilidadd e,4 11 tendencias de los puntos de ebullición y fusión de, 193-194 Metalesalcalinotérreos,1 38-139,1 98 Metalesd ea cuñación,2 05 Metalesd et ransicióni nterna,2 07-208 Metaloides,8 3,8 5 Metano( CH4) combustión de, 325, 511, 517, 583 de la agricultura, 238, 590 formam oleculard el,2 38-239,5 79-581 gas invernadero, 590 usos del, 16, 590 Metanol( alcoholm etílico,C H3OH) calorm olard ev aporizaciónd el,3 89 comoc ombustible,6 04 producción de, 332, 603-605 punto de ebullición del, 388, 603 reacción de combustión del, 331 solubilidadd el,4 14 toxicidadd el,6 03-604 usos del, 176 Metátesis,r eaccionesd e,2 87,2 99-304 4-Metil-2-pentanona,6 12 Metilamina( CH 3NH 2), 414, 615 2-Metilhexano,5 89 Metilo,g rupos,5 87-588,6 02 Metilpropilcetona ,6 12 Metionina ,6 36 Métodoc ientífico ,6 -7 Metros,3 6-38 Meyer,L othar,1 86 Mezclash eterogéneas,1 9 Mezclash eterogéneasy h omogéneas,1 9 Mezclash omogéneas,1 9,2 0,4 08. Véaset ambién Soluciones Microagitador (construcción), 112 Microgramos,4 6 Microlitros,4 4 Micrómetros,3 9 Microondas,1 23-125 Microscopioe xploradord ee fectot únel( STM),9 6-97 Microscopiosd ef uerzaa tómica( AFM),9 6 Microscopiose lectrónicos,1 33 Miel, 417, 445 Miligramos,4 6 Mililitros,4 4 Milímetros,3 9 Milímetrosd em ercurio,3 43,3 46 Millikan, R obert A.,1 17-118,1 34 Mínimoc omúnm últiplo( MCM),1 61-162 Modelom ecánicoc uántico,1 32-135 Modelos de esferas y palos, 216, 580, 594 Modelosde glo bos,231-234 Moderadores,563,566-567 Mofeta, aroma de la, 595 Molaridad,2 62-265,3 19-321,4 19-421. Véaset ambién Moles Moléculas,d efiniciónd e,2 18 Moléculasa ngulares,2 34,2 41 Moléculasl ineales,2 33 Moléculasp iramidalest rigonales,2 35-236,2 41 Moléculasp lanast rigonales,2 33,2 41 Moléculast etraédricas,2 33-234,2 38-239,2 41 Moles. Véaset ambién Molaridad cálculosd ec omposición,2 54-257 conversionesd em asa,2 57-258,3 16-319

definición, 2 50 ecuacionesq uímicas ,2 86 fórmulasq uímicas,2 51-253 númerod e Avogadro,1 02-105,2 52-253,2 58-262 volumen molar de los gases, 358-360 Monofosfatod ea denosina( AMP ),6 40-641 Monos acáridos,6 25-628 Monóxidode c arbono(C O),229,521-523 Monóxidod ed initrógeno,1 76 Moseley, Henry, 134, 186 Multiplicación,5 5-60 Mutarrotación ,6 27

N Naftaleno ,6 01 Nanómetros,3 9 Nanotubos,200-201,393 Naranjad em etilo,4 95 Neo di mio, 2 06 Neón, 61, 129, 192, 194, 204 Neptunio, 207, 553-554, 564, 570 Neumáticos,p resionesm anométricasd e,3 54-355,3 71 Neutralización,r eaccionesd e,3 03-304,4 71,4 77 Neutrones,9 5-96,1 20 Newlands, John A. R., 185 Newtons( unidades),3 42 Niacina,d eficienciad e ,6 49 Niágara,c ataratasd el, 1 2 Nicholson, William,9 0,9 4 Nitratod ea monio( NH 4NO- ), 177, 311, 327-328 Nitratos,2 30-231,2 91-292 Nitritod es odio( NaNO 2), 172 Nitro,g rupos ,6 02 Nitrocelulosa, 25 Ni tró ge no ácidos que contienen, 171, 177, 519 configuracióne lectrónicad el,1 47-148 constantesd ee quilibrio,4 61 energíad ei onizaciónd el,1 92 importanciad el,2 02 líquido, 486 moléculasd iatómicasd e ,8 5 nomenclaturad ec ompuestosd e,1 65 producción anual de, 177 punto de fusión del, 194 2 -Nitrotolueno ,6 01 Nitruro( N 3- ), ion, 160 Nitrurod em agnesio( Mg 3N2), 162 Nivel atómico, estados de la materia en el, 14-16 Nivele nergéticop rincipal,1 36,1 40 Nivelese nergéticos del ose lectrones diagramasd eo rbitales,1 44-147 perspectivag enerald el os,1 28-132 principales,1 36-137 subnivelesy o rbitales,1 40,1 42-144 Nom etales ácidos de, 172-173 aniones de, 156-157, 215 compuestosb inariosd e,1 65-167 enl at ablap eriódica ,8 2-84 ordenp referentep aral an omenclatura,1 65 óxidos de no metales en agua, 298 propiedadesf ísicasd e ,8 6-87 reaccionesd eo xidación-reducciónd el os,2 94 reaccionesd es ustitucións impled e,2 98-299 Nobelio,5 54 Nomenclatura deá cidosp olipróticos,1 73-174 de ácidos y sus sales, 169-174, 473 de alcanos, 580-582, 586-592

dea lcoholes ,6 02-603 dea ldehídosy c etonas ,6 10-612 de a l que nos y a l qui nos, 593-594 de aniones, 156 dec ationes,1 55 dec ompuestosb inariosd en om etales, 1 65-167 dec ompuestosd ec adenar amificada,5 91-592 dec ompuestosi ónicos,1 59-164 de dobles y triples enlaces, 219, 596 degru posa lquilo,587 deh idratos,1 74-175 dei onesp oliatómicos,1 58-159,1 62-163 deo xiácidos,1 70-171 deq uímicao rgánica,5 86-592 des ustituyentesd ea nillosb encénicos ,6 02 ionesm onatómicos,1 55-158 localizaciónd eg ruposs ustituyentes,5 87-589 monosacáridos,6 26 númerod es ustituyentesi dénticos,5 89 númerosd eo xidación,1 67-169 paréntesis, 1 62-163 Nomenclaturaq uímica. Véase Nomenclatura Nonano,581 Norepinefrina ,6 50 Notaciónc ientífica,5 6-60 Nubes de electrones, 133, 141, 382. Véaset ambién Orbitalese lectrónicos Nucleidos,d efinición,5 40 Núcleoa tómico,9 6-97,1 20-121 Nucleótidos,6 40-641 Númeroa tómico,9 6-98,1 86,5 40 Númerod em asa,9 6 Númerose xactos,5 3 Númerose xponenciales,5 6-60 NutraSweet,6 38 Nutrición, 629, 632-634, 637 Nutrición,r ótuloss obre,2 50 Nylon 6-6, 616-617

O Octadecano,3 83 Octano( C 8H 18), 581 1-Octeno,5 92 Octetod ee lectrones, 1 39 Octeto,r eglad el,2 15 Ollas de presión, 386 Omega-3/omega-6,á cidosg rasos ,6 33-634 On das característicaso ndulatoriasd el am ateria,1 33 fre cuen cia, 1 21 longitudde on da, 121-123 microondas, 1 23-125 Ondasg amma,1 23 Oppenheimer,J .R obert,5 65 Orbitalese lectrónicos diagramasd e,1 44-149 ecuaciónd eo ndad eS chrodinger,1 33 nubes de electrones, 133, 141, 382 subnivelese nergéticosy ,1 39-142 tablap eriódicay ,1 42-144 Orgánico,d efiniciónd e,5 78 Oro alquim istas y, 77 calor específico del, 67, 397 com posición de aleaciones de, 20 % d e n si dad del, 6 1 usos del, 206 orto-,p refijo ,6 02 Ósmosis,4 28-431 -oso,s ufijo,173

Osteoporosis,5 58 Oxiá ci dos, 1 70-173 Oxidación,d efiniciónd e,5 09,5 12 Oxidación,e stadosd e,1 67-169,5 09. Véaset ambién Oxidación,n úmerosd e Oxidación,n úmerosd e cómoe stablecer,5 18 de ácidos y sus sales, 170-171 de átomos en compuestos, 167-169 dei onesp oliatómicos,5 09 dem etalesd et ransición,2 05 definiciónd eo xidaciónm ediante,5 12 definiciónd er educciónm ediante,5 15-516 perspectivag eneral,5 09 Oxidación-reducción,r eaccionesd e,5 07-538 agen tes o xi dan tes, 2 93-295, 5 15-520 agentesr eductores,2 94,5 15-516,5 20-523 celdase lectrolíticas,5 25-528 celdasv oltaicas,5 28-533 corrosión,5 30 dem etales,2 93-295 enf otografía,5 22 hidrógenoy ,513-516 identificaciónd e,5 18 mediasr eacciones,5 23-525 metabolismo,5 08 oxígenoy ,509-513 series de actividad, 295-297, 299, 528 Óxidod ea luminio( Al2O 3), 161 Óxido de calcio (CaO), 175-177, 300, 333 Oxido de hierro(III) Fe 2O2, 510 Óxidom ercúrico( HgO),2 91 Óxido nítrico (NO), 166, 232, 511 Óxidosd en itrógeno( NOX), 202 Óxidosm etálicos,2 91,2 93,4 78 Oxígeno abundancia de, 82, 202, 511 densidadd el ,6 1 descubrimientod el, 8 8 energíad ei onizaciónd el,1 92 experimentosd eL avoisiers obree l,2 5 ozono, 202, 467, 520 producción anual de, 177 propiedadesq uímicasd el,5 09-513,5 16-517 punto de fusión del, 194 solubilidad del, en agua, 418, 423 Oxitocina ,6 50 Ozo no ( O 3), 202, 467, 520 Ozono, capa de, 123, 232, 335

P para-,p refijo ,6 02 Parafina,5 90 Paréntesise nf órmulas,1 62-163 Paresc onjugadosá cido-base,4 83-484 Partes por billón (ppb), 423 Partes por mil millones, 57-59, 423 Partes por millón (ppm), 423 Partículas alfa, 119-120, 540-544, 551-553 áreas uperficialy v elocidadd er eacción,4 48-449 beta, 119, 540-543, 549 coloides,4 26-428 determinaciónd em asay n úmerod e ,2 60-262, 425 fundamentales,5 52 teoríac inéticam olecular,3 39-342 Partículass ubatómicas,9 4-98 hadrones, 129

leptrones, 129 neutrinos, 129 quarks, 129 Pascales( unidades),3 46 Pauli, principio de exclusión de, 8-9, 220, 639-649 Pauli, Wolfgang,1 34,1 39 p-Diclorobenceno,3 92,6 01 Pelagra, 6 49 Penetración,p oderd e,5 42-544 Pentano,581 2-Pentanona,6 12 1-Pen te no, 5 92 Pentosas,a zúcares ,6 42 per-,p refijo, 1 59 Perclorato,i ones,1 56,1 59,1 83 Periodos de elementos, 83, 187-188, 192 Permanganatod ep otasio( KMnO 4), 517 Permeabilidad,4 28 Peróxidod eb enzoílo[ (C6H5CO)2O2], 520 Peróxidod eh idrógeno( H2O2), 292-293, 445-446, 467, 519, 521 Peróxidos,241,292-293. Véaset ambién Peróxidod eh idrógeno Pe so definición, 1 3-14 lejos de la Tierra, 13-14 porcentajee n,2 56 Pesoa tómico,1 00-101 Pesosf órmula,1 05,4 25 Pesosm oleculares, 1 05,2 50 Petit, Alexis,1 15,1 34 pH,e scalad e amortiguadores,4 98-499 cifrass ignificativas,4 91 ejemplos de, 490 enc alculadoras,4 91,4 93-494 hidrólisisd es olucioness alinas,4 96 mediciónd e,4 94-495 perspectivag eneral,4 88-491 pOH y, 491-493 pH,in dicadoresde ,470-472,494-495 Picnómetros,6 3 Piedrac aliza. Véase Carbonatod ec alcio Pilass ecas,5 31 Piridoxamina ,6 16 Pirimidina,b asesd e ,6 42 Pirita, 1 5 Pirotecnia,1 27,2 91 PKU( fenilcetonuria ),6 39 Placas d ep elícula, 5 48 Planck, constante de, 127 Planck, Max, 127, 134 Plas ma, 5 69 Plasmólisis,4 30 Plás ti cos, 5 97-599, 6 14 Plata calore specíficod el a ,6 7,3 97 de ley (sterling), 20 electroplatinado,5 26-527 oscurecimiento de la, 521 punto de fusión de la, 378 re duc ción d e, 5 22 usos de la, 206 Platino, 206, 446, 513 Plo mo calore specíficod el,6 7 comoe scudoc ontral ar adiación,5 43 densidadd el ,6 1 reglamentación de, en el agua potable, 423, 424 toxicidadd el,4 24 usos del, 201 Plomo(II) (PbO), óxido de, 176

Plomo(II)[ Pb(NOs)], nitrato de, 416-417 Plutonio, 207, 544, 554, 556, 564, 570 pOH, 491 Polaridad, 228-231, 241-242, 378, 413 Poliamidas,6 16-617 Poliestireno,5 98 Polietilenod ea ltad ensidad( HDPE),5 98-599 Polietilenod eb ajad ensidad( LDPE),5 98-599 Polietilenos,5 92,5 97-599 Polimerización,5 97-599 Polipéptidos,6 38 Polipropileno,5 98 Polisacáridos,6 25,6 29-631 Polonio, 119, 203, 550 Porcentajee nm asa,4 22-423 Porcentajee nv olumen,4 21-422 Po sitro nes, 5 53, 5 55 Potasio color a la flama, 127 configuracióne lectrónica, 1 48-149 fechadoc onr adioisótopos,5 60 fuentes en la dieta, 198 isótopos de, 549, 552 reacción de, con agua, 295-296 Potencias de diez, 56 Precipitación,r eaccionesd e,2 85-286,2 99-302 Precisión,5 0-51 Prefijos de ácidos, 173 dec ompuestosb inarios,1 65 de iones, 159 des ustituyentese na nillosb encénicos,6 02 deu nidades,3 8-39 enq uímicao rgánica,5 86-587 númerod eá tomosd ec arbono,5 80 Pre sión de vapor, 363-365, 385 definición,3 43 equilibrioq uímicoy ,4 57-458 ley combinada de los gases, 356-357, 369 ley del gas ideal, 360-362, 369 manométricad en eumáticos,3 54-355 punto de ebullición y, 386-387 solubilidady ,4 16-419 temperaturay ,3 51-355 temperaturay p resiónn ormales,3 44,3 55 volumeny,3 44-348 Presióna tmosférica,3 42-344,3 46 Presiónn ormal,3 43 Presióno smótica,4 30 Presións anguínea,1 66 Presionesp arciales,3 62-364 Priestley, J oseph ,8 8 Primeral eyd el at ermodinámica,2 8,3 27-328 Pris mas, 1 22 Procesose spontáneos,6 6 Productos,d efiniciónd e,2 77 Productosq uímicosi ndustriales, 1 75-178 Progesterona,6 51 Prolactina, 6 50 Prolina ,6 36 Prometio,7 8 Propanal,6 11 Propano,579-583 1-Propanol,6 03-604 2-Propanol,6 04 Propanona( acetona),3 88,6 11-612 Propeno,592 Propiedadesc aracterísticas,2 0-23 Propiedadesc oligativas,4 25-426. Véaset ambién Puntosd ee bullición; Puntosd ec ongelación;P untosd ef usión

Propiedadese xtensivas,2 1 Propiedadesf ísicas de los elementos, 86-88 definición ,2 0-21 ejemplos de, 22-23 experiencia práctica de las, 33, 246 fuerzasi ntermolecularesy ,3 78-380 Propiedadesi ntensivas,2 1-22 Propiedadesq uímicas,2 1-22 experiencia práctica de las, 33 Propilamina ,6 15 Propilbenceno ,6 01 Propileno,5 92 Propilo, gru pos,587-588 Proporcionalidad,c onstantesd e,3 44 Protecciónc atódica,5 30 Proteínas enlacesp eptídicos,6 38-639 enzimas, 278, 448, 639-640 estructurad el as ,6 35 estructurasp rimaria,s ecundariay t erciariad el as ,6 39 hormonas ,644,649-651 síntesisd e ,6 34-645 Proteínasc omplementarias,6 37 Protio,9 9. Véaset ambién Hidrógeno Protones,95-98,483-485 Proust, Joseph Louis, 88-89 ProyectoM anhattan,5 63-565 Puentes alino. Véaset ambién Compuestosi ónicos ap artird er eaccionesd en eutralización,3 03-304,4 71 anhidras, 1 74 deá cidosp olipróticos,1 73-174 deha lógenos,172-173 definición,1 70 disoluciónd e,4 11-412 fun di das, 525-526 hidrólisisd e,4 96 Puentes de hidrógeno, 242-243, 380-382, 400, 413-414 Puntod ee bulliciónn ormal,3 87 Puntode e quivalencia,499,517 Punto de Lewis, 137-139 modelosd es emiesferas,5 80 Puntof inald eu nat itulación,4 99 Puntos de congelación, 63-64, 387-388, 394, 425 Puntos de ebullición, 193-195, 381, 386-387, 425, 584 Puntosd ef usión calor de fusión, 394-396 dea lcanos,5 84 dec ompuestos o rgánicos,5 78 des ólidosc ristalinos,3 91 definición,3 94 ejemplos de, 22 generalizaciones a cercad el os,3 78 tendenciasp eriódicasd el,1 93-195 Purina,b asesd e ,6 42

Q Queros eno, 5 90 Químican uclear,5 39-576. Véaset ambién Radiación;R adiactividad detectoresd er adiación,5 47-548 fisión n u clear, 5 61-568 fusiónn uclear,5 69-571 mediciónd el ar adiación,5 46-547 partículasa lfa,1 19-120,5 40-541,5 49 partículasb eta,1 19,5 40-543,5 49 plantan uclear( centralesn ucleoeléctricas),5 50,5 66-568,5 70 poderd ep enetración,5 42-544 radiaciónd ef ondo,5 48-551 radiactividadi nducida,5 52-555 radiactividadn atural,5 40-544

rayos gamma, 119, 542-543, 556 rayos X, 118-119, 123, 542, 546 transmutaciones a rtificiales,5 51-552 usosd el osr adioisótopos,5 56-561 vida media, 544-546, 549 Químicao rgánica,5 77-623. Véaset ambién Bioquímica ácidosc arboxílicos,1 70,6 07,6 12-615 alcanos,5 79-585 alcoholes, 20, 413, 421, 596, 602-608 aldehídos yc etonas ,6 09-612 al que nos y a l qui nos, 5 92-599 aminas y amidas, 607, 615-617 compuestosa lifáticosy a romáticos ,6 00-601 definiciones,5 77-578 ésteres ,6 07,6 13-615 éteres ,6 08-609 fenoles ,6 08 fórmulase structurales,5 85-592 gruposf uncionales,5 86-592 hidrocarburos a romáticos,5 99-602 isomeríac is/trans,5 94-595 nomenclaturad el al UPAC,5 86-592 polímeros,5 97-599 Química campos de la, 9 comoc ienciac uantitativa,2 4 como la ciencia central, 8-9 como rama de la ciencia, 2-4, 13 definición, 1 3 en el buceo en aguas profundas, 8 en el estilo de vida, 4 implicaciones de la 4 resoluciónd ep roblemasd e,5 -6

R Radar, 124-125 Radiación. Véaset ambién Radiactividad alimentosi rradiados,5 56 artificial,5 50-551 daños que provoca la, 546, 549-550 detectoresd e,5 47-548 enfermedadp or,5 57 medición de, 546-547, 575 poder de penetración de la, 542-544 protecciónc ontral a, 5 43 radioterapia,5 56-557 ultravioleta, 1 22 unidadesd e,5 46-547 usos de la, en medicina, 539, 546, 555-557 Radiaciónd ef ondo,5 48-551 Radiacióne lectromagnética,1 21,1 23 Radiacióni nfrarroja,1 23,1 25,1 28 Radiacióni onizante,5 46,5 48,5 75 Radiactividad. Véaset ambién Radiación dep lantasn ucleoeléctricas,5 68 descubrimientod el a ,1 18 en el interior del cuerpo humano, 543 fechadoc onr adioisótopos,5 59-560 marcador es, 5 56 natural,5 40-544 partículas alfa,1 19-120,5 40-541 partículas beta,1 19,5 40-543,5 49 poder de penetración de la, 542-544 rayos gamma, 119, 123, 540, 542-543, 556 tipos de, 119 transmutaciones a rtificiales,5 51-552 vida media, 544-546, 549 Radiactividadi nducida,5 52-555 Radicalesl ibres,2 32 Radio, 119, 540, 549, 557

Radio, ondas de, 123 Radioisótopos,544-546,556-561 Radiosa tómicos,1 89-190 Radón, 100, 204, 550-551, 557 Rad( unidades),5 46-547 Ramsay,S ir William,2 04 Raquitismo ,6 45 Rayosc atódicos,t ubosd e,1 15-117 Rayosc ósmicos,5 48-549 Rayos gamma, 119, 542-543, 556 Razonesm olares,3 13-314,3 65-368 Reacciones,2 76-311. Véaset ambién Velocidadesd er eacción cambiose nergéticose nl as,3 25-329 clasificaciónd el as,2 86-287 de ácidos, 477-480 de adición, 596 de combustión, 284-286, 287-289 ded escomposición,2 86,2 90-293 ded obles ustitución,2 87,2 99-304 dem etales,2 93-297 den eutralización,3 03-304,4 71,4 77 deo xidación-reducción,2 93-295 dep recipitación,2 85-286,2 99-302 de síntesis, 286, 289-290 des ustitucións imple,2 86-287,2 95-299 definición, 277 en las cavernas de piedra caliza, 303 experiencia práctica de, 309 leyd el asp roporcionesm últiples,9 0-92 mecanismosd e,4 44-445 Reaccionese nc adena,5 62-564 Reaccionese ndergónicas,2 6,3 26-327 Reaccionese ndotérmicas,2 6,3 25-329,4 56-457 Reac cio nes e xergó ni cas, 2 6,4 39 Reaccionese xotérmicas,2 6,3 25-329,4 39,4 56-457 Reacciones fotoquímicas, 232 Reaccionesn ucleares,2 9 Reaccionesq uímicas. Véase Reacciones Reaccionesr eversibles,4 49-453 Reactivol imitante,c álculosd e,3 21-323 Reactivos, 277, 321-323, 449-450 Reciclamiento,5 26,5 99 Redc ovalente( macromoleculares),s ólidosd e,3 79,3 91-392 Redes cristalinas, 14-15, 215-216, 224, 390 Redesc úbicasc entradase ne lc uerpo,3 90 Redesc úbicasc entradase nl asc aras,3 90 Redondeod ec ifras,5 4 Redox,r eacciones. Véase Oxidación-reducción,r eaccionesd e Reducción. Véaset ambién Oxidación-reducción,r eaccionesd e de cloro, 215 definiciones ,294,514-516 hidrógenoy ,513-516 mediasr eaccionesd e,5 23-525 Refrigeradores,3 89 Relatividad,t eoríad el a,2 9,5 61 Rem (unidades), 546-547, 575 Rendimiento,277,323-325 Rendimientop orcentual,3 23-325 Rendimientor eal,3 24 Rendimientot eórico,3 24 Renio,560 Repulsiónd ep aresd ee lectrones,2 31-234 Repulsiónd ep arese lectrónicosd el ac apad ev alencia. Véase Residuos nucleares,5 68 Residuosr adiactivos,5 68 Residuoss ólidos,2 5 Resonancia,e structurasd e,2 31,6 00 Resta, c ifrass ignificativase nl a, 5 5 Revistasc ientíficas,6 Ribosa,640-642

Riesgoy b eneficio,2 RNAd et ransferencia ,6 43 RNAm ensajero ,6 43 RNAr ibosomal,6 43 Roentgen, Wilhelm, 118-119, 134, 542, 546 Roentgenios( unidades),5 46-547 Rojod em etilo,4 95 RPECV (repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia), 231­ 235, 238-242 Rutherford, Ernest, 119-121, 134, 552, 562 Rutherfordio,5 54

S Saborizantesa rtificiales,6 13-614 Sacarosa(C 12H22O n ), 22, 176, 444-445, 628-629. Véaset ambién Azúcar (es) azúcaresr eductores,6 27 composiciónd e ,1 8 cristalizaciónd e,4 17 disacáridos,6 25,6 28-629 monosacáridos,6 25-628 sacarosa, 22, 176, 444-445, 628-629 SAE, í n di ces, 3 83 Sal. Véase Clorurod es odio Salesá cidas. Véaset ambién Sales,1 73 Salesa nhidras,1 74 Salud. Véase Cuerpoh umano;M edicinas Sangre, gases en, 362, 364 Scheele, Karl W., 88 Schrodinger,E rwin,1 33-134 Seaborg, Glenn T., 138, 186-187, 553, 564 Seaborgio,5 54 sec-Butilo,g rupos,5 88 Segre, Emilio,5 61 Segundal eyd el at ermodinámica,3 28-329 Segun dos, 37 Seguridad de latas de aerosol, 352-353 inflamabilidadd elé ter,6 09 luzu ltravioleta,1 22,1 24 monóxidode c arbono,229 Selenio,2 02-203 Semiconductores,8 5-86 Semiesferas,m odelosd e,5 80 Serieh omóloga,5 82 Serina ,6 36 SI( SistemaI nternacional),u nidadesd el,3 6-38. Véaset ambién Sistema métrico;U nidad(es) Silicio, 85-86, 192, 201 Símbolos de electrón de Lewis, 137-139 de los elementos, 78 de los isótopos, 99 dela nillob encénico ,6 00 modelos de esferas y palos, 216, 580, 594 modelosd eg lobos,2 31-234 Síntesis,r eaccionesd e,2 86,2 89-290 Sistemam étrico. Véaset ambién Unidad(es) aproximaciones,4 0,4 6 densidadr elativae ne l ,6 2 factoresd ec onversión,4 2-43 medicionesd el ongitud,3 8-40,4 9 medicionesd em asa,4 6-49 medicionesd ev olumen,4 3-46,4 9 perspectivag eneral,3 6-38 prefijosd el,3 8-39 Sistema Stock, 158, 164. Véaset ambién Nomenclatura Skou, Jens, 641 Soda para hornear (bicarbonato de sodio), 173, 176, 480, 482 So dio

color a la flama del, 127, 129 conductividadt érmicad el,1 96 energíad ei onizaciónd el,1 92 espectro de líneas del, 126 ingesta en la dieta, 137, 254 iones, 1 56-157 isótoposde ,101 metálico,2 14 nivelese nergéticosd el ose lectronesd el,1 31 radioisótoposd e,u soe nm edicina,5 57 reacción de cloro con, 191, 214-216 Soles,4 27 Soless ólidos,4 27 Sólidos cristalinos,3 91 de red covalente, 379, 391-392 definición, 1 4 noc ristalinos,3 90 propiedadesd el os ,1 6 redesc ristalinas,1 4-15,2 15-216,3 90 sol es, 4 27 soluciones,4 09 Sólidosa morfos,3 90 Sólidosm acromoleculares,3 79,3 91-392 Sólidosm etálicos,3 93 Sólidosr ectangulares,4 3 Solubilidad dec ompuestosc ovalentes,4 13-414 de compuestos iónicos, 225, 301, 411-412 dec ompuestoso rgánicos,5 78 de gases en líquidos, 8, 417-419 des ólidose nl íquidos,4 16-417 definición, 4 10 enlacesq uímicosy ,2 27 equilibriosd e,4 15-416 formam oleculary ,2 38-239 reglas de, 300-301 temperaturay ,4 15-416 terminologíad e,4 10 Soluble,d efiniciónd e,4 10 Soluciones,4 07-436 acuosas, 409 cálculosc ons olucionesm olares,3 19-321 cálculosd ep reparación,2 62,4 20-421 concentradas,4 10 definición, 19,262,408-409 determinaciónd ev olúmenes,2 63 diluidas,4 10,4 23-425 ejemplos de, 20 molaridad,2 62-265,3 19-321,4 19-421 ós mo sis, 4 28-431 porcentajee nm asa,4 22-423 porcentajee nv olumen,4 21-422 preparaciónd e,p ord ilución,2 64-265,4 24 propiedadesc oligativasd el as,4 25-426 sólidas,4 09 suspensionesy ,4 26 tipos de, 409 Solucionesa cuosase ne cuacionesq uímicas,2 78 Solucionesa lcalinas. Véase Bases Solucionesb ásicas,r eaccionesd el osó xidosm etálicose n,2 93 Solucionesh ipertónicas,4 30 Solucionesh ipotónicas,4 30 Solucionesi sotónicas,4 30 Solucionesn eutras,4 89 Solucioness aturadase i nsaturadas,4 15 Solucioness obresaturadas,4 17 Solutos,d efiniciónd e,2 62,4 08 Solvatación,4 11 Sonido, en un vacío, 344

Sorensen, S. P. L., 488 Stoney, G. J., 116 Strassmann, Fritz, 562, 565 Stroke,G eorge W.,9 6 Sublimación,2 04 Subnivelese lectrónicos,1 33,1 39-144 Sulfatod eb ario( BaSO 4), 285, 335, 542 Sulfatod ec alcio( CaSO 4), 304 Sulfurod eh idrógeno( H2S), 18, 299-300, 479, 512 Sulfurod eh ierro( FeS2), 15 Sulfurosm etálicos,4 79-480 Suma,c ifrass ignificativase nl a,5 5 Superóxidos,2 93 Suspensiones,4 26 Sustanciasp uras,1 7,1 9 Sustitucións imple,r eaccionesd e,2 86-287,2 95-299 Szilard, Leo, 562, 565

T Tabaco,r adiaciónp orc onsumod e,5 49 Tablap eriódica. Véase también Tendenciasp eriódicas de los elementos actínidos, 187,2 07 densidades,1 96 desarrollo de la, 115, 185 diagramasd eo rbitales,1 46-148 electronegatividad,2 20-221 elementost ransuránicos,1 87 estructurasm olecularesy ,2 39-242 Grupol A (metalesa lcalinos),1 97-198 Grupol IA( metales alcalinotérreos),1 98 Grupo IIIA, 198-199 Grupo IVA, 199-201 Grupo VA,201-202 Grupo VIA,202-203 Grupo VIIA( halógenos),2 03 Grupo VIIIA( gasesn obles),2 04 gruposy f amilias,1 88-189 hidrógeno, 197 iones simples y, 157-158 lantánidos,2 07 metalesd et ransición,2 05-207 metalesd et ransicióni nterna,2 07-208 perspectivag eneral,8 2-85,1 86-189 puntos de fusión, 195 radiosa tómicos,1 90 seriesd ea ctividad,2 95-297,2 99 subnivelese nergéticosy ,1 42-144 Talio,1 99 Tecnecio, 78, 539, 557-559 Teflón, 203, 598 Televisión,f recuenciasd eo ndad e,1 23 Telurio,2 03 Temperatura corporal,6 8,4 43 dei gnición,5 10 dev aporización,3 85-386,4 00 en la fusión nuclear, 569 en la ley combinada de los gases, 356-357, 369 en la ley del gas ideal, 360-362, 369 energíac aloríficay ,6 6-68 energía cinética de los gases y, 342 equilibrio y,4 51 escalasd e ,6 3-66 presión y, 351-355 solubilidady ,4 15-419 velocidadesd er eaccióny ,4 42-444 viscosidady ,3 83 volumeny,3 48-351 Temperaturay p resiónn ormales( TPN),3 55,3 58-360

Tendenciasp eriódicasd el ose lementos,1 84-212 conductividadd ec alory e lectricidad, 1 96-197 energíad ei onización,1 92-193 estructurasc ristalinas,3 90 predicciónd ee lementos,1 85-186 puntos de fusión y ebullición, 193-195, 381 tamañoa tómico, 1 89-191 tamañoi ónico,1 90-191 tendenciasg enerales,1 87-188 Tensións uperficial,3 83-385 Tensoactivos,a gentes,3 84 Teoría,d efiniciónd e ,6 -7 Teoríaa tómica antigua ,8 8 cronologíad el osd escubrimientos,1 34,1 36 de Bohr, 128-133 de Dalton, 90-94, 115, 117 ecuacionesd eo ndad eS chrodinger,1 33 modelo del pudín con pasas, 117 modelom ecánicoc uántico,1 32-135 modelon ucleard eR utherford,1 19-121 partículass ubatómicas,9 4-98 principiod ei ncertidumbred eH eisenberg,1 33-135 Teoríac inéticam olecular( TCM) Cinética. Véase Velocidadesd er eacción criptóng aseoso,1 7,2 04-205 ley de Boyle, 347-348 ley de Charles, 350-351 ley de Gay-Lussac, 353 perspectivag enerald el a,3 39-342 Teoríac uántica, 1 27 ter-Butilo,g rupos,5 88 Termita,r eacciónd e,2 76 Termodinámica,2 8,3 27-329 Testosterona,6 51 tetra-,p refijo,1 59 Tetraclorurod ec arbono( C O 4), 383 Thomson,G eorge, 1 33 Thomson, J. J., 115-117, 134 Three Mile Island, accidente de la central nuclear de, 550, 567 Tibbets, Cnel. Paul, 565 Tierra, la, 82, 339. Véaset ambién Atmósfera Tierras raras, elementos de las, 207 Ti mi na, 6 40-642 tio-,p refijo,1 59 Tiosulfatod es odio( Na2S2O 3), 176, 522 Tirosina,6 37 Tiroxina,650 Titanio(III) (TiN), nitruro de, 164, 392 Titulacionesá cido-base,4 99-500 TNT( 2,4,6-trinitrotolueno),6 01 Tokamak( TFTR),R eactord eF usiónE xperimental,5 70-571 Tolueno,600-601 Tomografíad ee misiónd ep ositrones( PET),5 55 Torio,5 49 Tornasol,4 70-472 Torr (unidad), 343 Torricelli,E vangelista,3 43 Toxicidad,m edidasd e ,6 03 Trabajo,d efiniciónd e,2 5 trans, ácidos grasos, 632 trans, isómeros, 594-595, 632 TransbordadorE spacial,1 3,2 81 Trans crip ción, 6 43 Transición,m etalesd e. Véase también Metales bases de, 476 cationesd e,1 57-158 enl at ablap eriódica, 1 88 internos,2 07-208 límites de, en el agua potable, 423

númerosd eo xidaciónd e,1 67-169 propiedadesd el os,2 05-207 reacciones de bases con sales de, 481 reglasd es olubilidad,3 00 subnivelese nergéticosd e,1 42-144 Transmutacióna rtificial,5 51-552 Transmutaciones,5 41,5 51-552 Treo ni na, 6 36 tri-,p refijo, 1 59 Triclorometano( C H O 3), 585 Tricoseno,i sómerosd el,5 95 Trifluorurod eb oro( BF3), 486 Trifluorurod en itrógeno( NF 3), 183 Trifosfatod ea denosina( ATP),6 41 Triglicéridos ,6 05,6 31 Trimetilamina ,6 15 1,3,5-Trimetilbenceno,6 01 Trioles,6 05 Tripéptidos,6 38 Triplese nlaces,2 19 Triptófano,6 37 Tritio, 98, 541, 544-545, 557, 560, 569 Tungsteno (W), 378, 395, 520 Tyndall,e fecto,4 26-427 experiencia práctica, 436

U Ultravioleta( UV),r adiación,1 22-124,1 28 Unidad(es) análisisd imensional,4 0-43,4 9-50 de energía, 66 de longitud, 38-40, 43, 49 de masa, 46-49 dep resióng aseosa,3 46 der adiación,5 46-547 de volumen, 43-46, 49 métricasy a nglosajonas,c onversióne ntre,4 9-50 métricas y del SI, 36-40 partes por mil millones, 57-59, 423 prefijosd e,3 7-39 Unidades de masa atómica (uma), 92, 95, 100-101, 104 Unidadesi nglesas,4 9-50 Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), 154, 158, 165, 586-592, 594-595. Véase también Nomenclatura Uracilo ,6 40-642 Uranio descubrimientod el ar adiactividad, 1 18 enri que ci do, 5 64, 5 66 fechadoc onr adioisótopos,5 59-560 fragmentaciónd e,5 63 masac ríticad e,5 64 seried ed esintegraciónd el,5 49 vida media del, 544, 549 Urea [(NH2)2CO], 177 Urey, Harold C., 134, 564

directae i nversa,4 49-452 energíad ea ctivación,4 39-442,4 46 frecuenciad ec olisiones,4 38 orientación,4 38-439 principiod eL eC hátelier,4 53-458 temperaturay ,4 42-444 unidades, 442 Vida media, 544-546, 549 Vidrio, 397, 406 Vinagre, 170, 469, 474, 612. Véaset ambién Ácidoa cético Vino,q uímicad el,4 17 Violetad em etilo,4 95 Vis co si dad, 14, 383-384 Vitaminas estructurasd e ,6 46-648 liposolublese h idrosolubles ,6 45 vitamina A,5 99,6 45-646 vitamina C, 74, 645, 648-649 vitaminaD ,6 45-646 vitaminaE ,6 45-646 vitaminaK ,6 45-646 vitaminas B ,6 45-648 Volta, Alessandro,5 28 Voltios( unidades),5 29 Volumenm olar,3 58-360 Volúmenes des olucionesm olares,2 63,3 19-321 en la ley combinada de los gases, 356-357, 369 equilibrioq uímicoy ,4 57-458 mediciónm étricay c onversiónd e,4 3-46,4 9 molares,3 58-360 presión y, 343-348 temperaturay ,3 48-351

W Walker, John, 641 Watson, James D., 641-643 Wilhelmy,L udwig,4 44-445

X X, rayos, 118-119, 123, 542, 546 Xilenos ,6 01

Y Yeso, 175 Yodo comoa ntiséptico,5 20 fuerzas de dispersión en el, 382 ín di ce de yo do, 633 isótopos del, 99, 557-558 propiedadesd el,2 04,3 79 tinturad e,4 04 Yoduro( I_), iones, 445-446 Yucca, montaña, 568

Z V Valina,6 36 van der Waals, fuerzas de, 380 van der Waals, Johannes, 380 Vapor, presión de, 363-365, 385 Vapor de agua, 14 Vapors obrecalentado,3 96 Vaporización,3 85-389,4 00 Vasopresina,6 50 Vehículose léctricos( VE),5 32 Velocidad de la luz, 121-122 Velocidadesd er eacción áreas uperficialy ,4 48-449 concentracióny ,4 44-445

Zinc anfótero,4 81 calore specíficod el,6 7 enc eldasv oltaicas,5 28-529 en el agua potable, 423 ene lh ierrog alvanizado,2 06,5 27 reacciones de, con ácidos, 297 usos del, en medicina, 2

Masas atóm icas do los olomontos C c o tHrt* « n *1 ( d ít o n o 12. iM \ núm ero entr* parante** es la m asa é \6 a \K ¿ del isótopo m at e tta b k do u n r í m e n l o radi*c!rvo.

SJmM o

Aclinwi Aluminio Amencto Antunooio Afónico Asaco Azufre Bario Berilio Berkello Biwreto Bohrio Boro Bromo Cadmio Caleta Californio CVbono Cerio

Ac AJ Am Sb Ar At AI S Ba Be Bk Bi Bfc B Br Cd Ci a c a

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E*tafto tarOfMO Lítame x> Fremx» Flúor Wrtforo Francio Godolimo Galio GcrmiAjo Hafn» 11asio Helio HU*%eno Hierro Hierro Hotmio Indio Iridio Iterbio Itrio Lantano I ¿lurercio

89 13 95 51 18 33 as 16 56 4 97 83 107 5 35 48 20 98 6 58 55 40 17 27 29 24 96 ll«l 66 105 99 68 21 50 63 38 ICO 9 15 87 64 31 32 72 I0k 2 1 26 36 67 49 77 70 39 57 103

hno ut/tmn o (227> 26.98 (245) 121.76 39.95 74.92 (210) 32X17 137.33 (247) 9.01 208.98 (264) 10.81 79.90 (251) 112.41 40.08 12X31 140.12 132.91 91.22 35.45 52.00 58.93 63.55 (247)

Mcitncno Mcndclevto Mertafto Molibdeno Neodimio Niobio Neón Neptunio NC*jd Nurógcao Nobelio Oro Omtuo (h íje n o

Li luí M* Mn Mt Md Hg Mo Nd Nb Nc Np Nl N No Au O» O M Ag Pb Pt P® IV) X Pr Pm Pa Ra Ra Re Rh

Plata Plomo Platino Plutotuo Pulo S®. «rabMpo 59 Pr

60 Nd

140.91 144.24 pffmcttdnmo ocokSbbo

noorw

es

(268) meitaeno

61 Pm

62 Sm

63 Eu

(144.91) prnocto

150.36 «amano

151.97

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np

94 Pu

95 Am

232 lorio

231 prctactró

238 uranio

237 neptunio

(244) plutonio

(243) americio

•Eo el cato de Un clcmcnun un nótopo%etUbln, k rouett/a cl número de a i u de un téóicpo radiactivo importanle. no Labum atómica 9*Aún un nombre. ♦Se Ni informado de tu tíntcm. pero 6tu no te ha repetido

Sím bolos y n o m bres d e algu nos c a tio n e s com u n es C a tio n es +1

C a tio n es +2

D E L G R U PO IA

C a tio n es + 3 y + 4

D E L G R U PO IIA

D E L G R U PO IIIA

H idrógeno

H+

M agnesio

M g2 +

L itio

C alcio

C a2 +

S odio

Li + N a+

E stroncio

Sr2 +

P otasio

K+

B ario

B a2 +

O TRO S

O TRO S nh

P lata

M ercurio(I) o m ercuroso

4+

A l3 +

O TRO S

Z in c

Zn2 +

Ag +

C adm io

Cd2 +

Cu +

C obre(II) o cúprico

Cu2 +

H g22 +

M ercurio(II) o m ercúrico

H g2 +

C rom o(II) o crom oso

C r2 +

C rom o(III) o cróm ico

C r3 +

M n2 +

M anganeso(III) o m angánico

M n3 +

F e2 +

H ierro(III) o férrico

Fe3 +

Co2 +

C obalto(III) o cobáltico

Co3 +

N íquel(III)

N i3 +

S n4 +

M anganeso(II) o m anganoso H ierro(II) o ferroso C obalto(II) o cobaltoso N íquel(II) o niqueloso

N i2 +

E staño(II) o estanoso

Sn2 +

E staño(IV ) o estánico

P b2 +

P lom o(IV ) o plúm bico

P lom o(II) o plum boso

P b -P*. +

A m o n io C obre(I) o cuproso

A lum inio

Sím bolos y n o m b res d e algu nos an io n es com u n es A n io n e s —2

A n io n e s —1

Ó xido

A n io n e s —3 y —4 O2 — S2—

N itruro

n

3—

F osfuro

p

3—

A rsen iu ro

A s3 —

C arburo

c

H idruro

O 22 — H—

F luoruro

F—

S eleniuro

C loruro

T eluriuro

Se2 — T e2 —

Y oduro

C l— B r— I—

H idróxido

OH —

H idro g en o carb o n ato (bicarbonato)

h c o 3—

C arbonato

C O lo

P eróxido*

S ulfato

so

42 —

F osfato

po

Sulfito

s°

3 2:

F osfito

PO 33 —

B rom uro

H idrogenosulfato (bisulfato) H idrogenosulfito (bisulfito) T iocianato

h so

S ulfuro

4—

HSO3 — SCN —

T iosulfato

C ianuro

CN—

A cetato

ch

3c

o

2h 3o 2

N itrato

c

o o

N itrito

n o 3— NO2 —

P erm anganato

M nO 4

P e rc lo ra to f

C lO 4 —

C lo ra to f C lo rito f

C lO 3 — C lO 2 —

H ip o c lo rito f

C lO —

~

s 2o

32 —

O xalato

c

C rom ato

C rO 4 2 —

D icrom ato

C r2 °7 2 —

*En el peróxido cada oxígeno tiene un número de oxidación de —1. fLos iones con bromo y yodo en vez de cloro tienen nombres similares.

2°42—

4—

43 —