Fundamentos de Quimica General, Organica y Bioquimica para Ciencias de la Salud PDF

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VALORES NORMALES DE ALGUNOS CONSTITUYENTES DE LA SANGRE EN EL ADULTO __________________________ Valores8_____________________________________________ Constituyente Convencionales SI Albúmina sérica Amoniaco 3.5-5.0 g/dl 12-55 35-50 g/l 12-55 plasmático Bilirrubina sérica nmol/l Hasta 1.0 nmol/l Has...

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VALORES NORMALES DE ALGUNOS CONSTITUYENTES DE LA SANGRE EN EL ADULTO

__________________________ Valores8_____________________________________________ Constituyente

Convencionales

SI

Albúmina sérica Amoniaco plasmático Bilirrubina sérica (total) Nitrógeno ureico en sangre (BUN) (Urea=BUNX2.14) Calcio Bióxido de carbono, contenido pCO2 Cloruro sérico, ion Colesterol, en ayunas (depende de edad y sexo) Creatinina Globulina sérica Glucosa, en ayunas Lípidos, triacilgliceroles Magnesio, ion Osmolalidad Presión de oxígeno, pO2

3.5-5.0 g/dl 12-55 nmol/l Hasta 1.0 mg/dl 8-25 mg/dl

35-50 g/l 12-55 nmol/l Hasta 17 |imol/l 2.9-8.9 mmol/l

8.5-10.5 mg/dl 24-30 meq/l 25-45 mm Hg 100-108 meq/l 120-220 mg/dl 0.6-1.5 mg/dl 2.3-3.5 g/dl 70110 mg/dl 40-150 mg/dl 1.5-2.0 meq/l 280-296 mOsm/kg agua 75-100 mm Hg 7.38-7.42 3.04.5 mg/dl 3.5-5.0 meq/l 6.0-8.4 g/dl 135-145 meq/l 3.0-7.0 mg/dl

pH

Fósforo inorgánico Potasio Proteína total Sodio Ácido úrico •Estos valores provienen de diversas fuentes, peroen su mayoría han sido tomados de The New England Journal ol Medicine, Vol. 314

2.1-2.6 mmol/l 24-30 mmol/l 4.76.0 kPa 100-108 mmol/l 3.10-5.68 mmol/l 53-133 nmol/t 2335 g/l 3.9-5.6 mmol/l 0.4-1.5g/l 0.8-1.3 mmol/l 280-296 mmol/kg 10.0-13-3 kPa 7.38-7.42 1.0-1.5 mmol/l 3.5-5.0 mmol/l 60-84 g/l 135-145 mmol/l 0.18-042 mmol/l

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Fundamentos de Química General, Orgánica y Bioquímica para Ciencias de la Salud

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COLECCIÓN TEXTOS POLITÉCNICOS Serie Química

Acerca del autor

John R. Holum parte del cuerpo docente del Augsburg College, en Minneapolis, Minnesota. Estudió en St. Olaf College y obtuvo su doctorado en Química Orgánica en la Universidad de Minnesota. Realizó otros estudios en el Instituto Tecnológico de California y en la Universidad de Harvard durante sus descansos sabáticos. En 1947 recibió el Distinguished Teaching Award (Premio al maestro distinguido) de la sección Minnesota por parte de la American Chemical Society. Es miembro de Phi Beta Kappa, Ph¡ Lambda Upsilon, Sigma X¡ y Sigma P¡. La National Science Foundation le ha otorgado varias becas para investigación y una membresía en el claustro de ciencias. Es autor y coautor de varios textos de química, todos ellos publicados por John Wiiey and Sons. También ha publicado artículos en el Journal of the American Chemical Society, el Journal of Organic Chemistry y el Journal of Chemical Education. Ha participado en el Examinations Committee (Comité de Exámenes y en el Committee on Chemistry for ProfessionalHealth Care Students (Comité de química para estudiantes del área del cuidado profesional de la salud) de la División de Educación Química de la ACS; ha pronunciado discursos frecuentemente en las reuniones divisionales y regionales, así como en reuniones de la Two-Year College Chemistry Association. Sus libros de texto de química para estudiantes del área del cuidado profesional de la salud, se han utilizado ampliamente en Estados Unidos y otros países durante 25 años.

JOHN R. HOLUM Colegio de Augsburg

Fundamentos de Química General, Orgánica y Bioquímica para Ciencias de la Salud

ERRNVPHGLFRVRUJ

V ERSIÓN

AUTORIZADA EN ESPAÑOL DE LA OBRA

PUBLICADA EN INGLÉS CON EL TÍTULO:

FUNDAMÉNTALA OF GENERAL.ORGANIC, AND BIOLOGICAL CHEMISTRY ©JOHN WILEY & SONS, INC. COLABORADORES EN LA TRADUCCIÓN:

MAYRA LERMA ORTIZ

QUÍMICA BACTERIÓLOGA PARASITÓLOGA, ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS. MAESTRÍA EN BIOQUÍMICA, CINVESTAV, INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

LAURA LINARES SALGADO INGENIERA BIOQUÍMICA, U NIVERSIDAD A UTÓNOMA METROPOLITANA.

JUAN ENRIQUE ZARATE CASTAÑEDA INGENIERO QUÍMICO , FACULTAD DE Q UÍMICA, UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. REVISIÓN:

MÁXIMO CASTILLO FLORES QUÍMICO INDUSTRIAL, ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS, UNIVERSIDAD AUTÓNOMA OE PUEBLA. MAESTRÍA EN FARMACOLOGÍA CONDUCTUAL, UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. BENJAMÍN RUIZ LOYOLA QUÍMICO, FACULTAD QUÍMICA, UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. DE

LA PRESENTACIÓN Y DISPOSICIÓN EN CONJUNTO DE

FUNDAMENTOS DE QUÍMICA GENERAL, ORGÁNICA Y BIOQUÍMICA PARA CIENCIAS DE LA SALUD SON PROPIEDAD DEL EDITOR. NlNGUNA PARTE DE ESTA OBRA PUEDE SER REPRODUCIDA O TRANSMITIDA, MEDIANTE NINGÚN SISTEMA O MÉTODO, ELECTRÓNICO O MECÁNICO (INCLUYENDO EL FOTOCOPIADO, LA GRABACIÓN O CUALQUIER SISTEMA DE RECUPERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN), SIN CONSENTIMIENTO POR ESCRITO DEL EDITOR.

DERECHOS RESERVADOS:

© 1999, EDITORIAL LIMUSA, S.A. DE C.V. GRUPO NORIEGA EDITORES BALDERAS 95, MÉXICO, D.F. C.P. 06040 (5)521-21-05 01(800)7-06-91-00

(5)512-29-03

limusa® noriega.com. mx www.noriega.com.mx. CANIEM NÚM. 121 PRIMERA EDICIÓN HECHO EN MÉXICO ISBN: 968-18-4637-0

Prólogo El tema central de este libro es la base molecular de la vida. En él se presentan los conocimientos fundamentales de química que son necesarios en diversas carreras relacionadas con las ciencias de la salud. Los programas de estudio para varias de estas carreras tienen dos condiciones a las que se sujeta este libro: que los estudiantes cursen sólo un año de química y que este estudio incluya varios temas de bioquímica y de química fisiológica. Antes de este curso, los estudiantes cuando mucho han cursado un año de química en bachillerato. Un curso de química a nivel universitari para cumplir con estas condiciones se enfrenta, por lo tanto, a grandes restricciones y sólo un control riguroso sobre qué temas incluir y a qué nivel, pueden hacer posible un curso de este tipo. Para este control, es necesario un tema principal en el cual se basan las decisiones más firmes sobre qué incluir y en qué orden. Dicho tema, la base molecular de la vida, ha servido para elaborar esta edición. Este texto abarca todos los temas que consideran importantes los profesores que enseñan química a los profesionales de la salud. Dichos temas se listan en el informe del Committee on Chemical Education for the Health Professions (Comité de enseñanza de la química para las profesiones relacionadas con la salud) elaborado por la División of Chemical Education (División de Enseñanza de la Química) de la American Chemical Society. Estamos conscientes del gran interés por la práctica profesional de nuestros estudiantes. Los estudiantes muestran un enorme interés en la práctica profesional, de la cual sacamos provecho, en lugar de combatirla. De esta manera, el libro aprovecha muchas oportunidades para resaltar por qué tiene que estudiarse un tema que parece totalmente ajeno a una carrera, por ejemplo las estructuras atómica y molecular. No es difícil para los estudiantes darse cuenta que si la vida tiene una base molecular no pueden hablar de ella mientras no sepan qué es una molécula. Los estudiantes aprenden lo que son los ácidos, las bases y las soluciones reguladoras, no como cosas extrañas, sino como sustancias cuyas interacciones afectan profundamente nuestra salud. Los primeros once capítulos se dedican a temas de Química General. En términos de páginas, un poco menos de la mitad de este libro trata acerca de los principios químicos, la estructura atómica y molecular y los tipos de sustancias inorgánicas, particularmente ácidos, bases, sales, soluciones reguladoras, así como reacciones redox y sus equilibrios.

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PRÓLOGO Los capítulos doce al dieciocho abordan los conceptos de Química Orgánica.

El

tema central del libro continúa en estos capítulos ya que frecuentemente se muestra a los estudiantes que los compuestos bioquímicos contienen los grupos funcionales que se han estudiado en los sistemas simples. El autor está convencido que la propuesta pedagógica más acertada es introducir estos grupos, uno después de otro, como ocurren entre los compuestos monofuncionales más simples. Las estructuras complejas y grandes como la glucosa, la hemoglobina o el DNA pueden dar pie al temor, más que a la admiración cuando se introducen demasiado pronto. Solamente es posible incluir los requisitos mínimos de Química Orgánica debido a que el tiempo disponible tiene que distribuirse muy cuidadosamente. Por lo tanto, apenas si se mencionan los haluros de alquilo debido a que este sistema no se presenta entre los compuestos bioquímicos que se estudian posteriormente. Se incluye muy poco sobre química de compuestos aromáticos, debido a que los detalles de las reacciones de sustitución electrofílica de los compuestos aromáticos no se utilizan después. (Se estudia el significado de aromático y algunas de las reacciones características del anillo de benceno, debido a que este anillo se presenta en algunos aminoácidos y proteínas.) En los capítulos dedicados a la química orgánica se hace énfasis en las propiedades químicas de los grupos funcionales más que las estrategias para sintetizar compuestos orgánicos. Se resaltan tres tipos de reactivos: agua, agentes oxidantes y agentes reductores, que son los principales en todos los seres vivos. Se repasan brevemente ciertos mecanismos de reacción, de manera que los estudiantes puedan ver que las reacciones son racionales, que no sólo ocurren mediante la operación de "lazos". Sin embargo, la elaborada terminología de los mecanismos de reacción, que deben aprender los estudiantes que continúen con el estudio de la química, se mantiene aquí el nivel más elemental. Los capítulos de química orgánica no constituyen un estudio de química orgánica como el que podría obtenerse en un curso de un periodo académico. Estos capítulos se dedican totalmente a preparar a los estudiantes que utilizan este texto, para la parte de bioquímica y biología molecular que viene después, ni más ni menos. Los profesores que imparten este tipo de curso aprueban definitivamente esta propuesta. Conocen muy bien las limitaciones del tiempo si debe enseñarse algo de bioquímica con relevancia. Los capítulos de bioquímica, del diecinueve al veintinueve, ponen de relieve todo lo estudiado antes. Los capítulos diecinueve al veintinueve llevan todos los temas de los primeros capítulos al estudio de las principales sustancias orgánicas presentes en las células -carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos- así como sus principales funciones como compuestos químicos cuando se encuentran dentro de las células. En los capítulos de bioquímica también se tratan temas especiales como: El efecto del invernadero. El ozono en el esmog. El ozono en la estratosfera. Los ácidos grasos omega-3 y las enfermedades cardiacas. Las huellas genéticas y la criminología. Potenciales redox de las oxidaciones biológicas. Condensación de esteres: una importante reacción productora de enlaces C-C. Interesantes exposiciones sobre virus e ingeniería genética.

PRÓLOGO

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El diseño de esta edición obedece a fines estrictamente pedagógicos. Los comentarios al margen se utilizan algunas veces como recordatorios, otras para exponer en otra forma un punto y otras para proporcionar datos o estructuras. Se presentan exposiciones especiales sobre temas de interés actual y se pre senta una lista de estos temas después de la tabla de contenido. Un tema especial de actualidad en los capítulos de química general es el caso del radón como un contaminante del aire. \ Los términos clave se resaltan en negritas en la parte del texto donde se definen y se explican. Al final del libro hay un glosario completo con todos estos términos. Cada capítulo tiene un resumen en el que se utilizan los términos clave en un repaso. Cada sección principal de cada capítulo también comienza con un enunciado breve que señala el tema a tratar y que sirve, durante los periodos de exámenes de revisión, para resaltar los temas principales En todo el libro aparecen un gran número de ejemplos y casi todos son seguidos inmediatamente por ejercicios de práctica. Al final de cada capítulo hay un grupo de ejercicios de repaso que están clasificados de acuerdo a temas. (También hay ejercicios de repaso para todos los temas especiales.) El método del factor-identidad se utiliza para casi todos los cálculos. Las respuestas a todos los ejercicios de práctica y a algunos ejercicios de repaso se dan en el apéndice D. En el Apéndice de conceptos matemáticos se enseña al estudianta cómo utilizar la calculadora de bolsillo en la solución de problemas logarítmicos. Para continuar con una larga tradición, se ha intentado hacer el índice más completo posible, con el mayor número de referencias cruzadas que cualquier otro texto de este tipo. John R. Holum Augsburg College

Agradecimientos A través de todos los años de preparar materiales didácticos, mi esposa Mary y nuestras hijas, Liz, Ann y Kathryn, han sido mis más firmes apoyos. Me complace darles las gracias por ser tan gentiles. He disfrutado de un apoyo firme y constante por parte del Dr. Earl Alton, presidente del Departamento de Química, del Dr. Ryan Latturd, decano del cuerpo académico, y del Dr. Charles S. Anderson, presidente aquí en Augsburg College. La libertad de escribir se deriva en gran medida del privilegio que estas personas me han concedido. Aprecio mucho los útiles comentarios que el profesor Arlin Gyberg de nuestro departamento de Química hace de vez en cuando. Las personas gentiles también abundan en John Wiley & Sons. Hacen un buen trabajo. En particular, considero el apoyo de mi editor ejecutivo, Dennis Sawicki. Deseo también dar las gracias a su asistente administrativo, Jo Ann Spear. John Balbalis, el ilustrador principal, ha mostrado su pericia, habilidad artística y profesionalismo como ilustrador de libros de texto durante muchos años. La editora de fotografía, Mary Schoenthaler, resolvió los problemas de muy buena manera e hizo esta faceta de producción algo sencillo. La diseñadora, Ann Marie Renzi, se mostró capaz de enfrentar el reto de aumentar el interés del estudiante y hacer más ameno el libro. La jefa de redacción, Genevive Scandone y la supervisora Priscillaibdd han sido la diplomacia personificada al corregir los problemas gramaticales y de estilo. Sandra Olmsted proporcionó una valiosa ayuda en la etapa de corrección de planas, aunque debo exhimirla de toda responsabilidad por cualquier error que permanezca. Dichos errores son míos y agradecería realmente que me los comunicaran. Finalmente, mi agradecimiento a Lucille Buonocore, Dawn Reitz y Marcia Samuels, supervisoras de producción, quienes dirigieron con habilidad y paciencia la relación de toda esta gente con el trabajo de composición y de impresión. En conjunto, John Wiley & Sons siempre reúne un impresionante equipo y me considero afortunado, por supuesto, de haberme asociado con esta casa editorial. La crítica profesional de los profesores es parte del proceso de preparación de un escrito. Agradezco infinitamente a las siguientes personas por su trabajo: Cario Aliare Mercer County Community College

Hermán DeHaas University of Maine

Richard Beitzel Bemidji State University

Stanley Grenda University of Nevada at Las Vegas

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AGRADECIMIENTOS

Arlin Gyberg Augsburg College G. Olof Larson Ferris State University Marvin Lofquist Ferris State University Robert G. Martinek, Manager Chicago Laboratory Illinois Department of Public Healt Kevin Mayo Temple University Robert Nelson Georgia Southern College Sandra Olmsted Augsburg College

Louis Perlgut California State University, Long Beach Suzanne Rottman The University of Maryland James Schreck University of Northern Colorado Michael Strauss University of Vermont Neal Thorpe Augsburg College Harry Ungar Cabrillo College J.R.H.

Contenido UNO_________________________21

3.4

Objetivos, Métodos y Mediciones

3.5 3.6

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

La química y la base molecular de la vida Fenómenos, hipótesis y teorías en la ciencia Propiedades y cantidades físicas Unidades y estándares de medida. El Sistema Internacional de Unidades Notación científica Exactitud y precisión El método del factoridentidad en los cálculos Densidad Resumen Ejercicios de repaso

22 23 24

87 92 93

Compuestos y Enlaces Químicos 25 31 34

4.1

38 41 45 45

4.3

DOS_________________________48 Materia y Energía Estados y tipos de la materia Átomos y símbolos químicos Formas de energía Energía calorífica Metabolismo y temperatura corporal Resumen Ejercicios de repaso

81 85

CUATRO _____________________ 97

4.2

4.4 4.5

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Configuraciones electrónicas de los elementos de 1 al 20 Pesos atómicos La ley periódica y la tabla periódica Resumen Ejercicios de repaso

49 52 57 58

4.6 4.7 4.8 4.9

63 67 67

Transferencia de electrones y los compuestos iónicos 98 Los iones y la regla del octeto 103 Distribución de electrones y compuestos moleculares 109 Moléculas, estructuras de Lewis y la regla del octeto 110 Iones poliatómicos y una introducción a los ácidos y las bases 116 Forma de escribir estructuras de Lewis 118 Formas de las moléculas 123 Moléculas polares 126 Orbitales moleculares. Otro punto de vista del enlace covalente 129 Resumen 136 Ejercicios de repaso 137

CINCO______________________ 142 TRES ________________________71 La Teoría Atómica y el Sistema Periódico de los Elementos 3.1 El átomo 3.2 Dónde están los electrones de un átomo: Breve estudio 3.3 Orbitales atómicos

72 76 78

Relaciones Cuantitativas en fas Reacciones Químicas 5.1 5.2 5.3

Ecuaciones balanceadas: Una segunda revisión Número de Avogadro Pesos de fórmula y pesos moleculares

143 145 147

11

12 CONTENIDO 5.4 5.5 5.6 5.7

La mol 148 Reacciones en solución 153 Concentración molar 155 Preparación de soluciones diluidas a partir de soluciones concentradas 160 Resumen 162 Ejercicios de repaso 162

SEIS _______________________ 166 Estados de la Materia, Teoría Cinética y Equilibrio 6.1 El estado gaseoso 167 6.2 La relación presión-volumen a temperatura constante 169 6.3 Ley de las presiones parciales 172 6.4 La relación temperaturavolumen a presión constante 177 6.5 La ley universal de los gases 179 6.6 Teoría cinética de los gases 182 6.7 El estado líquido y los equilibrios dinámicos 185 6.8 El estado sólido y la teoría cinética 190 6.9 La teoría cinética y las reacciones químicas 192 6.10 Factores que afectan la rapidez de reacción 196 Resumen 198 Ejercicios de repaso 199

8.3 Propiedades químicas de ácidos y bases acuosos 245 8.4 Fuerza de los ácidos y bases de Bransted, un estudio cualitativo 253 8.5 Sales 261 8.6 El sistema ácido carbónico y su lugar en la respiración y el metabolismo, consideraciones preliminares 269 Resumen Ejercicios de repaso

270 271

NUEVE______________________277 Equilibrio Ácido-Base 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8

La constante del producto iónico del agua 278 El concepto de pH 281 Las constantes de ionización acida 286 Las constantes de ionización básica 292 Los conceptos de pKa y pKb 296 Soluciones reguladoras 299 Algunos aspectos cuantitativos de las soluciones reguladoras 302 Titulaciones ácido-base 308 Resumen 311 Ejercicios de repaso 312

SIETE ______________________ 204

DIEZ _______________________ 316

Agua, Soluciones y Coloides 7.1 El agua 7.2 Tipos de mezclas . homogéneas 7.3 El agua como un disolvente 7.4 Soluciones de gas en agua 7.5 Otras expresiones de concentración 7.6 Osmosis y diálisis 7.7 La diálisis y el torrente sanguíneo Resumen Ejercicios de repaso

Equilibrio Oxidación-Reducción 10.1 Números de oxidación 10.2 Balance de reacciones redox 10.3 Potenciales de reducción 10.4 Equilibrios redox Resumen Ejercicios de repaso

205 209 21...