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Principios de química Séptima edición

SÉPTIMA EDICIÓN

Principios de química Steven S. Zumdahl Universidad de Illinois

Donald J. DeCoste Universidad de Illinois

Traducción Ing. Jorge Hernández Lanto

Revisión técnica Maestra en Ciencias María Aurora Lanto Arriola Profesora titular Departamento de Química Inorgánica Escuela Nacional de Ciencias Biológicas Instituto Politécnico Nacional

Australia · Brasil · Japón · Corea · México · Singapur · España · Reino Unido · Estados Unidos

Principios de química Séptima edición Steven S. Zumdahl y Donald J. DeCoste Presidente de Cengage Learning Latinoamérica Fernando Valenzuela Migoya Director editorial, de producción y de plataformas digitales para Latinoamérica Ricardo H. Rodríguez Gerente de procesos para Latinoamérica Claudia Islas Licona Gerente de manufactura para Latinoamérica Raúl D. Zendejas Espejel Gerente editorial de contenidos en español Pilar Hernández Santamarina Coordinador de manufactura Rafael Pérez González Editores Sergio R. Cervantes González Gloria Luz Olguín Sarmiento Imagen de la portada © Nexus7/Dreamstime Composición tipográfica Baktun 13 Comunicación Luis Ángel Arroyo Hernández Gerardo Larios García Beatriz Mota Ramírez

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 15 14 13 12

© D.R. 2012 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Introductory Chemistry. A Foundation. Seventh Edition. Steven S. Zumdahl y Donald J. DeCoste Publicado en inglés por Brooks/Cole, una compañía de Cengage Learning ©2011 ISBN: 978-1-4390-4940-2 Datos para catalogación bibliográfica: Zumdahl, Steven S. y Donald J. DeCoste Principios de química. Séptima edición ISBN 13: 978-607-481-808-6 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

CONTENIDO Prefacio xiv

1 Química: introducción

1

1.1 Química: introducción 1 QUÍMICA EN ENFOQUE Doctora Ruth: heroína del algodón

4

1.2 ¿Qué es la química? 4 1.3 Resolución de problemas utilizando un método científico 5 QUÍMICA EN ENFOQUE Un problema misterioso

6

1.4 El método científico 8 1.5 Aprendizaje de la química

9

QUÍMICA EN ENFOQUE Química: un componente importante

de su educación

10

Repaso del capítulo 11

2 Mediciones y cálculos 2.1 Notación científica 2.2 Unidades

14

15

18

QUÍMICA EN ENFOQUE ¡Unidades críticas!

2.3 Mediciones de longitud, volumen y masa

19

20

QUÍMICA EN ENFOQUE Medición: pasado, presente y futuro

22

2.4 Incertidumbre en las mediciones 23 2.5 Cifras significativas 24 2.6 Resolución de problemas y análisis dimensional 30 2.7 Conversiones de temperatura: método para la resolución de problemas 34 QUÍMICA EN ENFOQUE Termómetros diminutos

2.8 Densidad

42

Repaso del capítulo

3 Materia 3.1 Materia

38

46

56 57

3.2 Propiedades y cambios físicos y químicos 58 3.3 Elementos y compuestos 61 3.4 Mezclas y sustancias puras 62 QUÍMICA EN ENFOQUE Concreto: un material antiguo hecho

actualmente con alta tecnología

63

3.5 Separación de mezclas 65 Repaso del capítulo 67 Repaso acumulativo para los capítulos 1-3 72

v

vi

Contenido

4 Fundamentos químicos: elementos, átomos y iones 4.1 Los elementos

74

75

4.2 Símbolos para los elementos

77

QUÍMICA EN ENFOQUE Elementos traza: pequeños pero cruciales

4.3 Teoría atómica de Dalton

80

QUÍMICA EN ENFOQUE No es cosa de risa

4.4 Fórmulas de los compuestos 4.5 Estructura del átomo

81

81

82

4.6 Introducción al concepto moderno de la estructura atómica 4.7 Isótopos

86

QUÍMICA EN ENFOQUE ¿“En cuál cabello” vive? QUÍMICA EN ENFOQUE Historias de isótopos

4.8 Introducción a la tabla periódica

87

89

90

QUÍMICA EN ENFOQUE Ponerle el alto al arsénico

4.9 Estados naturales de los elementos 4.10 Iones

85

94

94

98

4.11 Compuestos que contienen iones

101

Repaso del capítulo 105

5 Nomenclatura

114

5.1 Nomenclatura de compuestos

115

QUÍMICA EN ENFOQUE Azúcar de plomo

116

5.2 Nomenclatura de compuestos binarios que contienen un metal y un no metal (tipos I y II) 116 5.3 Nomenclatura de compuestos binarios que sólo contienen no metales (tipo III) 124 5.4 Nomenclatura de compuestos binarios: repaso 126 QUÍMICA EN ENFOQUE Química a través de la filatelia

127

5.5 Nomenclatura de compuestos que contienen iones poliatómicos 129 5.6 Nomenclatura de ácidos 132 5.7 Escritura de las fórmulas a partir de los nombres 134 Repaso del capítulo 135 Repaso acumulativo para los capítulos 4-5 142

6 Reacciones químicas: introducción 6.1 Evidencia de una reacción química

145

6.2 Ecuaciones químicas 147 6.3 Balanceo de ecuaciones químicas 151

144

78

Contenido QUÍMICA EN ENFOQUE El escarabajo que dispara en línea recta

Repaso del capítulo 158

7 Reacciones en disoluciones acuosas

166

7.1 Predicción de si ocurrirá una reacción 167 7.2 Reacciones en las que se forma un sólido

167

7.3 Descripción de las reacciones en disoluciones acuosas 7.4 Reacciones que forman agua: ácidos y bases

177

179

7.5 Reacciones de metales con no metales (oxidación-reducción) 7.6 Formas de clasificar las reacciones

182

186

QUÍMICA EN ENFOQUE Reacciones de oxidación-reducción.

Lanzamiento del transbordador espacial

188

7.7 Otras formas de clasificar las reacciones 189 Repaso del capítulo

193

Repaso acumulativo para los capítulos 6-7

8 Composición química

201

204

8.1 Conteo por peso 205 QUÍMICA EN ENFOQUE ¡Plástico que habla y escucha!

8.2 Masas atómicas: conteo de átomos por peso 8.3 El mol

206

208

210

8.4 Aprendiendo a resolver problemas 8.5 Masa molar

215

218

8.6 Composición porcentual de los compuestos 8.7 Fórmulas de los compuestos

227

8.8 Cálculo de las fórmulas empíricas

229

8.9 Cálculo de las fórmulas moleculares Repaso del capítulo

225

236

238

9 Cantidades químicas

248

9.1 Información proporcionada por las ecuaciones químicas 9.2 Relaciones mol-mol 9.3 Cálculo de las masas

251 254

QUÍMICA EN ENFOQUE Automóviles del futuro

9.4 Concepto del reactivo limitante

264

9.5 Cálculos que involucran un reactivo limitante 9.6 Rendimiento porcentual Repaso del capítulo

273

275

Repaso acumulativo para los capítulos 8-9

286

266

262

249

153

vii

viii

Contenido

10 Energía

288

10.1 Naturaleza de la energía 10.2 Temperatura y calor

289

291

10.3 Procesos exotérmicos y endotérmicos 10.4 Termodinámica

292

293

10.5 Medición de los cambios de energía

294

QUÍMICA EN ENFOQUE Café: caliente y rápido (con cal)

295

QUÍMICA EN ENFOQUE La naturaleza tiene plantas calientes

297

QUÍMICA EN ENFOQUE Caminar sobre fuego: ¿magia o ciencia?

10.6 Termoquímica (entalpía)

300

301

QUÍMICA EN ENFOQUE Metano: una importante fuente de energía

303

10.7 Ley de Hess 303 10.8 Calidad contra cantidad de energía

305

10.9 La energía y nuestro mundo 306 QUÍMICA EN ENFOQUE Ver la luz

10.10 La energía como fuerza conductora

310

311

Repaso del capítulo 315

11 Teoría atómica moderna

322

11.1 El átomo de Rutherford 323 11.2 Radiación electromagnética

324

QUÍMICA EN ENFOQUE La luz como atrayente sexual QUÍMICA EN ENFOQUE Efectos atmosféricos

325

326

11.3 Emisión de energía de los átomos 327 11.4 Niveles de energía del hidrógeno 328 11.5 Modelo de Bohr del átomo 331 11.6 Modelo mecánico ondulatorio del átomo 331 11.7 Orbitales del hidrógeno 333 11.8 Modelo mecánico ondulatorio: desarrollo complementario 336 11.9 Arreglos electrónicos en los primeros 18 átomos de la tabla periódica QUÍMICA EN ENFOQUE Momento magnético

341

11.10 Configuraciones electrónicas y la tabla periódica

342

QUÍMICA EN ENFOQUE Química del bohrio

11.11 Propiedades atómicas y la tabla periódica

347

QUÍMICA EN ENFOQUE Fuegos artificiales

Repaso del capítulo 351

343 349

338

ix

Contenido

12 Enlace químico

358

12.1 Tipos de enlaces químicos 12.2 Electronegatividad

359

361

12.3 Polaridad de enlace y momentos dipolares 364 12.4 Configuraciones electrónicas estables y cargas en los iones 365 12.5 Enlace iónico y estructuras de los compuestos iónicos 368 12.6 Estructuras de Lewis 370 QUÍMICA EN ENFOQUE Abejas o no abejas

373

12.7 Estructuras de Lewis de moléculas con enlaces múltiples 374 QUÍMICA EN ENFOQUE Esconder el dióxido de carbono QUÍMICA EN ENFOQUE Brócoli: ¿alimento milagroso?

375 377

12.8 Estructura molecular 381 12.9 Estructura molecular: modelo RPECV

382

QUÍMICA EN ENFOQUE Sabor: es la estructura la que cuenta

12.10 Estructura molecular: moléculas con enlaces dobles QUÍMICA EN ENFOQUE Molécula minimotora

383

387 389

Repaso del capítulo 391 Repaso acumulativo para los capítulos 10-12 399

13 Gases

402

13.1 Presión 403 13.2 Presión y volumen: ley de Boyle 407 13.3 Volumen y temperatura: ley de Charles 411 13.4 Volumen y moles: ley de Avogadro 417 13.5 Ley de los gases ideales 419 QUÍMICA EN ENFOQUE ¡Los bocadillos también necesitan química!

424

13.6 Ley de Dalton de las presiones parciales 425 13.7 Leyes y modelos: repaso 429 13.8 Teoría cinética molecular de los gases 430 13.9 Las implicaciones de la teoría cinética molecular 431 13.10 Estequiometría de los gases

432

Repaso del capítulo 436

14 Líquidos y sólidos

446

14.1 El agua y sus cambios de fase 448 14.2 Requerimientos de energía para los cambios de estado 450 QUÍMICA EN ENFOQUE Las ballenas necesitan cambios de estado

451

x

Contenido 14.3 Fuerzas intermoleculares 454 14.4 Evaporación y presión de vapor 456 14.5 El estado sólido: tipos de sólidos 458 14.6 Enlazamiento en los sólidos 460 QUÍMICA EN ENFOQUE Metal con memoria

464

Repaso del capítulo 466

15 Disoluciones 15.1 Solubilidad

474

475

QUÍMICA EN ENFOQUE Agua, agua en todas partes, pero… QUÍMICA EN ENFOQUE Química verde

478

480

15.2 Composición de las disoluciones: introducción 480 15.3 Composición de las disoluciones: porcentaje en masa

481

15.4 Composición de las disoluciones: molaridad 483 15.5 Dilución 488 15.6 Estequiometría de las reacciones en disoluciones 491 15.7 Reacciones de neutralización 495 15.8 Composición de las disoluciones: normalidad 497 Repaso del capítulo 501 Repaso acumulativo para los capítulos 13-15 510

16 Ácidos y bases

514

16.1 Ácidos y bases 515 QUÍMICA EN ENFOQUE Goma que espumea

517

16.2 Fuerza de los ácidos 518 QUÍMICA EN ENFOQUE Carbonatación: un truco interesante QUÍMICA EN ENFOQUE Las plantas se defienden

522

16.3 El agua como un ácido y una base 523 16.4 La escala del pH 525 QUÍMICA EN ENFOQUE Salpullido de aviones

526

QUÍMICA EN ENFOQUE Variedad de indicadores ácido-base

en el jardín

532

16.5 Cálculo del pH de disoluciones de ácidos fuertes 532 16.6 Disoluciones reguladoras 534 Repaso del capítulo 535

521

Contenido

17 Equilibrio

544

17.1 Cómo ocurren las reacciones químicas 545 17.2 Condiciones que afectan las velocidades de reacción 546 QUÍMICA EN ENFOQUE Protección del ozono

548

17.3 La condición del equilibrio 549 17.4 Equilibrio químico: una condición dinámica

551

17.5 Constante de equilibrio: introducción 552 17.6 Equilibrios heterogéneos 556 17.7 Principio de Le Châtelier 558 17.8 Aplicaciones que involucran la constante de equilibrio 566 17.9 Equilibrios de solubilidades 567 Repaso del capítulo 571 Repaso acumulativo para los capítulos 16-17 580

18 Reacciones de oxidación-reducción y electroquímica

582

18.1 Reacciones de oxidación-reducción 583 18.2 Estados de oxidación 584 18.3 Reacciones de oxidación-reducción entre no metales 588 QUÍMICA EN ENFOQUE ¿Envejecemos por la oxidación?

591

18.4 Balanceo de reacciones de oxidación-reducción por el método de medias reacciones 592 18.5 Electroquímica: introducción 597 18.6 Baterías

600

18.7 Corrosión 602 QUÍMICA EN ENFOQUE Acero inoxidable: se pica

18.8 Electrólisis

603

604

QUÍMICA EN ENFOQUE Chimenea que funciona con agua

Repaso del capítulo 606

19 Radiactividad y energía nuclear

614

19.1 Decaimiento radiactivo 616 19.2 Transformaciones nucleares 620 19.3 Detección de la radiactividad y el concepto de vida media 19.4 Datación por medio de la radiactividad 623 QUÍMICA EN ENFOQUE Datación de diamantes

624

621

605

xi

xii

Contenido 19.5 Aplicaciones médicas de la radiactividad 624 QUÍMICA EN ENFOQUE La TEP, la mejor amiga del cerebro

625

19.6 Energía nuclear 626 19.7 Fisión nuclear 626 19.8 Reactores nucleares 628 19.9 Fusión nuclear 629 QUÍMICA EN ENFOQUE Futuro de la energía nuclear

630

19.10 Efectos de la radiación 631 QUÍMICA EN ENFOQUE Eliminación de desechos nucleares

632

Repaso del capítulo 634

20 Química orgánica

640

20.1 Enlazamiento de carbono 642 20.2 Alcanos

643

20.3 Fórmulas estructurales e isomerismo 646 20.4 Nomenclatura de alcanos 648 20.5 Petróleo

654

20.6 Reacciones de alcanos 655 20.7 Alquenos y alquinos 656 20.8 Hidrocarburos aromáticos 658 20.9 Nomenclatura de compuestos aromáticos 659 QUÍMICA EN ENFOQUE Almacenamiento en naftaleno de termitas

20.10 Grupos funcionales 20.11 Alcoholes

663

664

20.12 Propiedades y usos de los alcoholes 666 20.13 Aldehídos y cetonas

668

20.14 Nomenclatura de aldehídos y cetonas

669

20.15 Ácidos carboxílicos y ésteres 671 20.16 Polímeros

673

QUÍMICA EN ENFOQUE La química de la música QUÍMICA EN ENFOQUE La madre de la invención

Repaso del capítulo 677

21

Bioquímica

688

21.1 Proteínas 691 21.2 Estructura primaria de las proteínas 691 21.3 Estructura secundaria de las proteínas 694 21.4 Estructura terciaria de las proteínas 695

675 676

663

Contenido 21.5 Funciones de las proteínas 696 21.6 Enzimas

696

QUÍMICA EN ENFOQUE Cultivo de la orina

21.7 Carbohidratos

698

699

QUÍMICA EN ENFOQUE ¿Grandes esperanzas? La química de los

placebos 702

21.8 Ácidos nucleicos 702 21.9 Lípidos

706

Repaso del capítulo 712

Apéndice

A1

Uso de su calculadora Álgebra básica

A1

A3

Notación científica (exponencial)

A4

Graficación de funciones A6 Unidades del SI y factores de conversión

A7

Soluciones para los ejercicios de autocomprobación

A9

Respuestas para las preguntas y ejercicios pares de final de capítulo Respuestas para los ejercicios pares de los repasos acumulativos Índice/ Glosario

A61

A27

A53

xiii

5

5.1 Nomenclatura de compuestos 5.2 Nomenclatura de compuestos binarios que contienen un metal y un no metal (tipos I y II) 5.3 Nomenclatura de compuestos binarios que sólo contienen no metales (tipo III) 5.4 Nomenclatura de compuestos binarios: repaso 5.5 Nomenclatura de compuestos que contienen iones poliatómicos 5.6 Nomenclatura de ácidos 5.7 Escritura de las fórmulas a partir de los nombres

Nomenclatura Cielo nublado sobre el Gran Cañon del Colorado. (© mundoview/ Shutterstock)

5.1 Nomenclatura de compuestos Ingrese a OWL en www.cengage.com/owl para ver tutoriales y simulaciones, desarrollar habilidades para la resolución de problemas y completar las tareas en línea asignadas por su profesor. Descargue videos de minilecturas para repasar los conceptos clave y prepararse para el examen desde OWL, o adquiéralos en www.ichapters. com

115

C

uando la química era una ciencia naciente, no había un sistema para la nomenclatura de compuestos. Los nombres como azúcar de plomo, vitriolo azul, cal viva, sales de Epsom, leche de magnesia, yeso y gas hilarante fueron acuñados por los primeros químicos. A tales nombres se les llama nombres comunes. A medida que creció el conocimiento de la química se volvió claro que no era práctico el uso de nombres comunes para los compuestos. En la actualidad se conocen más de 4 millones de compuestos químicos. Memorizar los nombres comunes para todos ellos sería imposible. Por supuesto, la solución es un sistema para la nomenclatura de compuestos en el cual el nombre indica algo acerca de su composición. Después de aprender el sistema, usted debe ser capaz de nombrar un compuesto cuando se le proporcione su fórmula. Y, de...