01-Theodore L. Brown - Química la ciencia central Cap 01 La Materia PDF

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A CONTINUACIÓN... 1.1 EL ESTUDIO DE LA QUÍMICA

1.3 PROPIEDADES DE LA MATERIA

Comenzamos con una breve descripción de la química y de las razones por las que resulta útil estudiarla.

Luego consideraremos algunas de las diferentes características o propiedades que utilizamos para describir, identificar y separar las sustancias.

1.2 CLASIFICACIONES DE LA MATERIA

1.4 UNIDADES DE MEDIDA

Después analizaremos algunas formas fundamentales de clasificar la materia, distinguiendo entre las sustancias puras y las mezclas, y entre elementos y compuestos.

Veremos que muchas propiedades se basan en mediciones cuantitativas que implican números y unidades. Las unidades de medida que se utilizan en la ciencia son las del sistema métrico.

1 IMAGEN CAPTADA POR EL TELESCOPIO ESPACIAL HUBBLE de la nebulosa Omega, un remanente en expansión, con un ancho de 15 años luz, de una estrella supernova que explotó. Los filamentos anaranjados son los restos destrozados de la estrella y están compuestos principalmente de hidrógeno, el elemento más simple y más abundante en el Universo. El hidrógeno se presenta como moléculas en las regiones frías de la nebulosa, como átomos en las zonas calientes, y como iones en los lugares aún más calientes. Los procesos que ocurren dentro de las estrellas son responsables de la creación de otros elementos químicos a partir del hidrógeno.

1.5 INCERTIDUMBRE EN LAS MEDICIONES

También veremos que la incertidumbre inherente a todas las cantidades medidas se expresa con el número de cifras significativas que se utilizan para representarlas. Las cifras significativas también se usan para expresar la incertidumbre asociada con los cálculos que implican las cantidades medidas.

1.6 ANÁLISIS DIMENSIONAL

Observaremos que en cualquier cálculo se presentan los números con sus unidades, y que obtener las unidades correctas en el resultado de un cálculo es una manera importante de verificar si dicho cálculo es correcto.

INTRODUCCIÓN: MATERIA Y MEDICIÓN por qué brillan las estrellas? ¿Por qué las hojas cambian de color en otoño?, o ¿cómo una batería genera electricidad? ¿Se ha preguntado por qué los alimentos que se conservan fríos retardan su descomposición, y cómo es que nuestro cuerpo utiliza los alimentos para vivir? La química responde a estas y muchas otras preguntas similares.

¿ALGUNA VEZ SE HA PREGUNTADO

La química estudia la materia y los cambios que experimenta. Uno de los atractivos de aprender química es ver cómo los principios químicos se aplican a todos los aspectos de nuestras vidas, desde las actividades cotidianas, como cocinar la cena, hasta los procesos más complejos, como el desarrollo de medicamentos para curar el cáncer. Los principios químicos también se aplican en los confines de nuestra galaxia (fotografía de presentación de este capítulo), así como en nuestro entorno. Este primer capítulo ofrece un panorama de lo que trata la química y de la actividad que realizan los especialistas en esta ciencia. La lista anterior de la sección “A continuación...”, nos muestra una breve descripción de la organización de este capítulo y de algunas ideas que consideraremos. Conforme estudie, considere que los hechos y los conceptos químicos que aprenderá no representan un fin en sí mismos; más bien, son herramientas que le ayudarán a comprender mejor el mundo que le rodea.

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CAPÍTULO 1

Introducción: materia y medición

1.1 | EL ESTUDIO DE LA QUÍMICA Antes de viajar a una ciudad desconocida, le será útil consultar un mapa que le dé una idea de a dónde se dirige. Como es posible que el lector no esté familiarizado con la química, es conveniente que tenga una idea general de lo que le espera antes de iniciar este viaje de conocimiento. De hecho, incluso podría preguntarse por qué va a realizarlo.

Perspectiva atómica y molecular de la química La química estudia las propiedades y el comportamiento de la materia. La materia es el material físico del Universo; es todo lo que tiene masa y ocupa espacio. Una propiedad es cualquier característica que nos permita reconocer un tipo particular de materia y distinguirla de otros tipos. Este libro, su cuerpo, el aire que respira y la ropa que viste son ejemplos de materia. Innumerables experimentos han demostrado que la enorme variedad de materia de nuestro mundo se debe a combinaciones de solo aproximadamente 100 sustancias llamadas elementos. Conforme avancemos en este libro, trataremos de relacionar estas propiedades de la materia con su composición, es decir, con los elementos particulares que contiene. La química también brinda los antecedentes para comprender las propiedades de la materia en términos de átomos, los bloques de construcción infinitesimalmente pequeños de la materia. Cada elemento se compone de un solo tipo de átomos. Veremos que las propiedades de la materia se relacionan tanto con el tipo de átomos que contiene (su composición) como con el arreglo de estos (su estructura). Los átomos se combinan para formar moléculas en las que dos o más átomos se unen en formas específicas. A lo largo de este libro representaremos las moléculas con esferas de colores para mostrar cómo se enlazan entre sí sus átomos constituyentes (쑼 FIGURA 1.1). El color representa una forma sencilla y conveniente de distinguir los átomos de diferentes elementos. Por ejemplo, observe que las moléculas del etanol y del etilenglicol de la figura 1.1 tienen diferentes composiciones y estructuras. El etanol solo contiene un átomo de oxígeno, el cual se representa con una esfera roja. En contraste, el etilenglicol tiene dos átomos de oxígeno. Incluso las diferencias aparentemente pequeñas en la composición o estructura de las moléculas pueden ocasionar grandes diferencias en sus propiedades. Por ejemplo, el etanol, también conocido como alcohol de grano, es el alcohol de las bebidas como la cerveza y el vino, mientras que el etilenglicol es un líquido viscoso que se utiliza en los automóviles como anticongelante. Las propiedades de estas dos sustancias difieren en muchos sentidos, al igual

IMAGINE

¿Cuántos átomos de carbono hay en una molécula de aspirina?

=H

=O

=C

Oxígeno

Etanol Agua 씰 FIGURA 1.1 Modelos moleculares. Las esferas blancas, gris oscuro y rojas representan átomos de hidrógeno, carbono y oxígeno, respectivamente.

Dióxido de carbono

Etilenglicol

Aspirina

SECCIÓN 1.1

El estudio de la química

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que sus actividades biológicas. El etanol se consume alrededor del mundo, pero nunca se debe consumir etilenglicol debido a que es altamente tóxico. Uno de los retos que los químicos enfrentan es alterar la composición o estructura de las moléculas de forma controlada para crear nuevas sustancias con propiedades diferentes. Todo cambio en el mundo observable, desde el agua en ebullición hasta los cambios que ocurren cuando nuestros cuerpos combaten los virus invasores, se basa en el mundo no observable de los átomos y las moléculas. Así, conforme avancemos en nuestro estudio de la química, nos encontraremos pensando en dos reinos: el reino macroscópico de objetos de tamaño ordinario (macro ⫽ grande) y el reino submicroscópico de átomos y moléculas. Efectuamos nuestras observaciones en el mundo macroscópico pero, para comprender ese mundo, debemos visualizar el comportamiento de los átomos y las moléculas en el nivel submicroscópico. La química es la ciencia que busca comprender las propiedades y el comportamiento de la materia mediante el estudio de las propiedades y el comportamiento de los átomos y las moléculas. PIÉNSELO UN POCO a) ¿Aproximadamente cuántos elementos existen? b) ¿Cuáles partículas submicroscópicas son los bloques de construcción de la materia?

¿Por qué estudiar química? La química tiene un gran impacto en nuestra vida diaria. De hecho, la química es el centro de muchas cuestiones de interés público: el mejoramiento de la atención médica, la conservación de los recursos naturales, la protección del medio ambiente, y el suministro de nuestras necesidades diarias en cuanto a alimento, vestido y vivienda. Por medio de la química hemos descubierto sustancias farmacéuticas que fortalecen nuestra salud y prolongan nuestra vida. Hemos aumentado la producción de alimentos mediante el uso de fertilizantes y plaguicidas, y hemos desarrollado la síntesis de plásticos y otros materiales que utilizamos en casi todas las facetas de nuestra vida, que van desde el equipo electrónico incluido en los aparatos que nos ayudan a ejercitar el cuerpo hasta materiales de construcción. Por desgracia, algunas sustancias químicas también tienen el potencial de dañar nuestra salud o el medio ambiente. Como ciudadanos y consumidores educados, es conveniente que comprendamos los profundos efectos, tanto positivos como negativos, que las sustancias químicas tienen en nuestras vidas; solo así podremos encontrar un equilibrio informado sobre su uso. No obstante, la mayoría de los lectores estudian química no solamente para satisfacer su curiosidad o para convertirse en consumidores o ciudadanos informados, sino porque es una parte esencial de su plan de estudios. Quizás usted cursa la licenciatura de química, o tal vez estudie la carrera de biología, ingeniería, farmacología, agricultura, geología o alguna otra relacionada. ¿Por qué tantos campos tienen un vínculo esencial con la química? La respuesta es que la química es la ciencia central, ya que nos permite el entendimiento fundamental de otras ciencias y tecnologías. Por ejemplo, nuestras interacciones con el mundo material generan preguntas básicas sobre los materiales que nos rodean. ¿Cuáles son sus composiciones y propiedades?, ¿cómo interactúan con nosotros y con el entorno?, ¿cómo, cuándo y por qué experimentan un cambio? Estas preguntas son importantes, ya sea que el material forme parte de una celda solar, de un pigmento utilizado por un pintor renacentista, o de una criatura viva (쑼 FIGURA 1.2).

a)

b)

c)

씱 FIGURA 1.2 La química nos ayuda a comprender mejor los materiales. a) Celdas solares de silicio. b) Esta pintura renacentista, Muchacha que lee, de Vittore Carpaccio (1472-1526), utiliza pigmentos que conservan el color durante años. c) La luz de esta luciérnaga es el resultado de una reacción química dentro del animal.

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CAPÍTULO 1

Introducción: materia y medición

Al estudiar química, aprenderemos a utilizar el poderoso lenguaje y las ideas que se han desarrollado para describir y mejorar nuestra comprensión de la materia. Además, comprender la química nos permite entender mejor otras áreas de la ciencia, la tecnología y la ingeniería modernas.

LA QUÍMICA EN ACCIÓN La química y la industria química La química está en todas partes. Muchas personas están familiarizadas con los productos químicos comunes de uso doméstico, como los que se muestran en la 씰 FIGURA 1.3, pero pocos estamos conscientes de las dimensiones y la importancia de la industria química. Las ventas mundiales de productos químicos y otros relacionados que se fabrican en Estados Unidos representan aproximadamente $550 mil millones anuales. La industria química emplea a más del 10% de todos los científicos e ingenieros, y contribuye de manera importante en la economía estadounidense. Cada año se producen grandes cantidades de sustancias químicas, las cuales sirven como materia prima para diversos usos, como la manufactura y el procesamiento de metales, plásticos, fertilizantes, farmacéuticos, combustibles, pinturas, adhesivos, plaguicidas, fibras sintéticas, chips microprocesadores y muchos otros productos. La 쑼 TABLA 1.1 presenta una lista de las ocho sustancias químicas más producidas en Estados Unidos. ¿Quiénes son los químicos y qué hacen? Los químicos desempeñan diversas actividades en la industria, el gobierno y la docencia. Quienes trabajan en la industria química encuentran empleos como químicos de laboratorio, donde realizan experimentos para desarrollar nuevos productos (investigación y desarrollo), analizan materiales (control de calidad) o asesoran a clientes en el uso de productos (ventas y servicio). Aquellos con más experiencia o capacitación pueden desempeñarse como gerentes o directores de una empresa. Los químicos son miembros importantes de la fuerza de trabajo científico en el gobierno (los Institutos Nacionales de Salud, el Departamento de Energía y la Agencia de Protección Ambiental emplean a químicos) y en las universidades. Una licenciatura en química también puede prepararlo para desempeñar carreras alternas en educación, medicina, investigación biomédica, informática, trabajo ambiental, ventas técnicas, y para trabajar en agencias gubernamentales que se encargan de regulaciones y patentes.

씰 FIGURA 1.3 Sustancias químicas de uso doméstico.

En esencia, los químicos realizan tres actividades: 1. elaboran nuevos tipos de materia: materiales, sustancias o combinaciones de sustancias con las propiedades deseadas; 2. miden las propiedades de la materia; y 3. desarrollan modelos que explican y/o predicen las propiedades de la materia. Un químico, por ejemplo, puede pasar años trabajando en el laboratorio para descubrir nuevos medicamentos. Otro tal vez se concentre en el desarrollo de nueva instrumentación para medir las propiedades de la materia a nivel atómico. Otros químicos utilizan los materiales y métodos existentes para comprender cómo se transportan los contaminantes en el medio ambiente y cómo se procesan los medicamentos en el cuerpo. Sin embargo, otro químico se encargará de desarrollar la teoría, escribir el código informático o correr simulaciones de computadora para entender cómo se mueven y reaccionan las moléculas en escalas de tiempo muy rápidas. La empresa química, en conjunto, es una rica mezcla de todas estas actividades.

TA BLA 1.1 • Las ocho sustancias químicas fabricadas en mayor cantidad por la industria química estadounidense durante 2008a Producción en 2008 Fórmula (miles de millones de libras)

Lugar

Sustancia química

1

Ácido sulfúrico

H 2SO4

71

2 3 4 5 6

Etileno Cal Propileno Amoniaco Cloro

C 2H 4 CaO C 3H 6 NH 3 Cl2

50 44 33 21 21

7 8

Ácido fosfórico Hidróxido de sodio

H 3PO4 NaOH

20 16

a

Usos finales principales Fertilizantes, plantas químicas Plásticos, anticongelante Papel, cemento, acero Plásticos Fertilizantes Blanqueadores, plásticos, purificación de agua Fertilizantes Producción de aluminio, jabón

La mayoría de los datos provienen de Chemical and Engineering News, 6 de julio de 2009, pp. 53 y 56. El dato de la cal procede del Servicio Geológico de Estados Unidos (U.S. Geological Survey, USGS).

SECCIÓN 1.2

Clasificaciones de la materia

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1.2 | CLASIFICACIONES DE LA MATERIA Comencemos nuestro estudio de la química analizando algunas formas fundamentales en las que se clasifica la materia. Dos formas principales de clasificar la materia son de acuerdo con su estado físico (como gas, líquido o sólido) y de su composición (como elemento, compuesto o mezcla).

IMAGINE

Estados de la materia Una muestra de materia puede ser un gas, un líquido o un sólido. Estas tres formas se conocen como estados de la materia y difieren en algunas de sus propiedades observables más sencillas. Un gas (también conocido como vapor) no tiene volumen ni forma fijos; en cambio, ocupa el volumen y toma la forma del recipiente que lo contiene. Un gas puede comprimirse para que ocupe un volumen más pequeño, o puede expandirse para que ocupe uno más grande. Un líquido tiene un volumen definido, independiente de su recipiente, pero no tiene forma específica. Un líquido toma la forma de la parte que ocupa del recipiente. Un sólido tiene tanto forma como volumen definidos. Ni los líquidos ni los sólidos pueden comprimirse de manera apreciable. Es posible comprender las propiedades de los estados de la materia en el nivel molecular (씰 FIGURA 1.4). En un gas las moléculas están muy separadas y se mueven a altas velocidades; además, colisionan repetidamente entre sí y con las paredes del recipiente. Al comprimir un gas, disminuye el espacio entre las moléculas y se incrementa la frecuencia de las colisiones entre ellas, pero no se altera el tamaño ni la forma de estas. En un líquido las moléculas están más cercanas unas de otras, pero aún se mueven rápidamente. Este rápido movimiento permite que se deslicen unas sobre otras; por eso, un líquido fluye con facilidad. En un sólido las moléculas están firmemente unidas entre sí, por lo general en arreglos definidos dentro de los cuales solo pueden moverse ligeramente de sus posiciones fijas. Por lo tanto, las distancias entre moléculas son similares en los estados líquido y sólido, pero los dos estados se diferencian en el grado de libertad que tienen las moléculas para moverse. Los cambios de temperatura y/o presión pueden conducir a la conversión de un estado de la materia a otro; así sucede en procesos comunes como la fusión del hielo o la condensación del vapor de agua.

Sustancias puras

¿En cuál estado del agua sus moléculas están más distantes? Vapor de agua

Hielo

Agua líquida

쑿 FIGURA 1.4 Los tres estados físicos del agua: vapor de agua, agua líquida y hielo. Vemos los estados líquido y sólido del agua, pero no podemos ver el estado gaseoso (vapor). Lo que vemos cuando observamos vapor o las nubes son pequeñas gotitas de agua líquida dispersas en la atmósfera. Las flechas con doble dirección indican que los tres estados de la materia son reversibles.

La mayoría de las formas de la materia que encontramos, por ejemplo, el aire que respiramos (un gas), la gasolina para los automóviles (un líquido) y la acera por la que caminamos (un sólido), no son químicamente puras. Sin embargo, podemos descomponer o separar estas formas de la materia en diferentes sustancias puras. Una sustancia pura (generalmente conocida como sustancia) es materia que tiene propiedades definidas y una composición que no varía de una muestra a otra. El agua y la sal de mesa común (cloruro de sodio), que son los componentes principales del agua de mar, son ejemplos de sustancias puras. Todas las sustancias son elementos o compuestos. Los elementos son sustancias que no pueden descomponerse en sustancias más simples. En el nivel molecular, cada elemento se compone de solo un tipo de átomos [ 씰 FIGURA 1.5 a) y b)]. Los compuestos son sustancias que contienen dos o más elementos, es decir, dos o más tipos de átomos [figura 1.5c)]. Por ejemplo, el agua es un compuesto constituido por dos elementos: hidrógeno y oxígeno. La figura 1.5d) muestra una mezcla de sustancias. Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias en las que cada una mantiene su propia identidad química.

Elementos En la actualidad se conocen 118 elementos, los cuales varían ampliamente en su abundancia. Por ejemplo, tan solo cinco elementos (oxígeno, silicio, aluminio, hierro y calcio) conforman más del 90% de la corteza terrestre (incluidos los océanos y la atmósfera), y tan solo tres

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Introducción: materia y medición

CAPÍTULO 1

IMAGINE

¿Cómo difieren las moléculas de un compuesto de las moléculas de un elemento?

a) Átomos de un elemento

b) Moléculas de un elemento

c) Moléculas de un compuesto

En cualquier elemento, solo hay un tipo de átomos.

d) Mezcla de elementos y un compuesto

Los compuestos deben tener al menos dos clases de átomos.

쑿 FIGURA 1.5 Comparación molecular de elementos, compuestos y mezclas.

IMAGINE

¿Puede mencionar dos diferencias significativas entre l...