Quimica Inorganica de Fco Recio Del Bosque

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Francisco Higinio Recio del Bosque

Universidad Autónoma de Coahuila

QUÍMICA

INORGÁNICA

B A C H I L L E R A T O

C u a r t a e d i c i ó n

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO

SAO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

Revisión técnica

M. en Q. Ana María Muttio Rico

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Qu´ímica

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Publisher: Jorge Rodríguez Hernández Director editorial: Ricardo Martín Del Campo Editor sponsor: Luis Amador Valdez Vázquez Asistencia editorial: Anastacia Rodríguez Castro Supervisor de producción: Jacqueline Brieño Álvarez Diseño de interiores: APHIK, S.A de C.V.

Diseño de portada: José Palacios Hernández Diagramación: Visión Tipográfi ca

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

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Colonia Desarrollo Santa Fe Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México D.F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN 13: 978-970-10-6406-1 ISBN 10: 970-10-6406-2

ISBN Edición anterior: 970-10-5083-5

1234567890 09765432108

Impreso en China Printed in China

QUÍMICA

INORGÁNICA

C u a r t a e d i c i ó n

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Este libro está dedicado a:

Francisco Daniel

Mariana

Diego Alberto

David Abraham

Ana Karina

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En esta cuarta edición de Química inorgánica se satisfacen, en gran por centaje, los contenidos programáticos de la disciplina en el nivel medio superior de los diferen-tes subsistemas educativos, no sólo de México, sino de los países de habla hispana, principalmente los latinoamericanos.

Desde siempre, la intención ha sido que los estudiantes apr ecien la química, no sólo en forma teórica, alejada de su realidad, sino que sean conscientes de que es una ciencia sumamente vinculada a su vida cotidiana.

Con este trabajo no se pr etende formar “químicos”, lo que se busca es cr ear in-dividuos que tengan conciencia de su entorno, tanto ar tiﬁ cial como natural, y que aprecien los conocimientos que se muestran como herramienta v aliosa en la satis-facción de sus necesidades presentes y futuras, sin olvidar a las generaciones que nos van a preceder.

Los conocimientos que conforman lo que llamamos humanidades son tan impor-tantes como los que se adquieren por medio de las ciencias, y en su conjunto permi-tirán al alumno tener una visión más amplia de la realidad que vive, para convertirse en un mejor individuo para sí mismo, su familia y para la sociedad de la cual es parte, la que además, construye.

En Química orgánica los conocimientos referidos a la materia se presentan en seis unidades cuyos contenidos teóricos están íntimamente relacionados con la vida co-tidiana mediante lecturas, laboratorios, conceptos nuevos, experiencias y ejercicios, con todo ello el estudiante advertirá el grado de comprensión de los conocimientos que va obteniendo a lo largo del curso.

Cada tema inicia con un mapa conceptual, para que anticipadamente se adviertan las ideas relevantes de su contenido.

Es preciso mencionar que la práctica enseñanza-aprendizaje se fortalece mediante la interacción docente-alumno cuando se cuestionan y analizan los conocimientos para profundizar en ellos y enriquecerlos y así lograr el éxito en esta materia.

Agradeceré sobremanera las obser vaciones y/o comentarios que pr ofesores y alumnos consideren útiles para mejorar el pr esente trabajo, fav or de dirigirlos a: [email protected]

Francisco Higinio Recio del Bosque Saltillo, Coahuila, octubre de 2007

Presentación

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Francisco H. Recio del Bosque nació en la ciudad de Sal-tillo, Coahuila, y su infancia transcurrió en la congr ega-ción de Jamé, enclavada en la Sierra de Arteaga, Coahuila. Se graduó como profesor de Educación Primaria en la Es-cuela Normal de Coahuila, ejerciendo su profesión en la Alta Tarahumara de Chihuahua. Es graduado como Maes-tro en Educación Media y Normal en la Escuela Normal Superior de Monterrey, Nuevo León, en la especialidad de Física y Química. Ha sido docente durante más de 30 años en escuelas secundarias y de bachillerato impartiendo matemáticas, física y química. Ha sido presidente de academias de química locales y regionales en los niveles medio básico y superior y desempeñando puestos admi-nistrativos como subdirector en el nivel medio básico y dir ector en el nivel medio superior, además de haber sido Coordinador de la Unidad Saltillo de la Universidad Autónoma de Coahuila, lo que le ha permitido, sin abandonar la docencia, escribir libros de química para los tr es grados de secundaria y los de química inorgánica, orgánica y general para bachillerato.

Su pasión por la enseñanza de la química, ubicándola como par te de la vida co-tidiana, más allá de la química teórica, le ha pr esentado la oportunidad de escribir varias obras de esta disciplina editadas por McGraw-Hill Interamericana Editores.

Su pasatiempo consiste en cultivar en un huerto familiar, árboles frutales y verdu-ras diversas, dedicado a su esposa, hijos y nietos, además de tocar la armónica como aﬁ cionado.

Acerca del autor

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UNIDAD 1 Objeto de estudio de la química 2

1.1 Química: una ciencia interdisciplinaria 6

Deﬁ nición de química 6

División de la química 6

Relación con otras ciencias 7

Importancia y campo de acción de la química 7

Manos a la obra La química en la industria 9 Lectura La protección de la capa de ozono 11

1.2 Materia 11

Concepto de materia 11

Otras formas de la materia 16

Propiedades de la materia 17

Clasiﬁ cación y composición de la materia 18

Manos a la obra Características de los elementos,

los compuestos y las mezclas 25

1.3 Energía 27

La energía y su relación con los cambios 27

Conservación 31

Manos a la obra ¿Qué ocurre cuando una vela se quema? 35 Lectura Compuestos químicos naturales contra productos sintéticos 36

UNIDAD 2 Estructura atómica y tabla periódica 40

2.1 Partículas subatómicas y modelos atómicos 42

Estructura básica del átomo 43

Partículas subatómicas fundamentales 43

Modelo atómico de Dalton 44

Modelo atómico de Th omson 47

Modelo atómico de Rutherford 47

Modelo atómico de Bohr 48

Modelo atómico de Sommerfeld 55

Lectura Los monitores para TV y computadoras y las luces de neón 46 Manos a la obra Espectros de emisión 56

2.2 Modelo atómico de la mecánica ondulatoria

y números cuánticos 57 Principio de dualidad 58 Principio de incertidumbre 58 Principio de Shrödinger 58

Contenido

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Principio de Dirac 59

Números cuánticos 59

Número cuántico principal 59

Número cuántico por forma 60

Número cuántico por orientación o magnético 63

2.3 Conﬁ guraciones electrónicas 66

Principio de Aufbau 66 Estructuras de Lewis 71 2.4 Tabla periódica 73 Símbolos químicos 73 Número atómico 75 Número de masa 77 Isótopos 80

Desarrollo de la tabla periódica 82

Lectura Cuentos de isótopos 82

Manos a la obra Distribución electrónica 85

2.5 Principales familias de elementos 94

Metales alcalinos 96

Metales alcalinotérreos 97

Halógenos 100

Gases raros 101

Metales de transición 102

Metales de transición interna 102

Metaloides 102

Lectura Los ﬂ uoruros y la caries dental 107

UNIDAD 3 Enlace químico: modelos de enlaces e

interacciones intermoleculares 112

3.1 Enlace químico 114

Regla del octeto 115

Representación de enlaces con estructura de Lewis 117

Enlace iónico 117

Enlace covalente 121

Enlace por coordinación 129

Enlace metálico 131

Manos a la obra El enlace de los compuestos 124 Lectura El brócoli, ¿un alimento milagroso? 127

3.2 Enlace molecular 133

Atracciones de Van der Waals 133

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viii

Puente de hidrógeno 134

Propiedades asociadas al puente de hidrógeno 135

Nuevos materiales 137

Lectura Origen del horno de microondas 137

Lectura Los fullerenos 139

UNIDAD 4 Nomenclatura de compuestos

químicos inorgánicos 142

4.1 Fórmula química 144

Fórmulas condensadas y desarrolladas 146

Lectura El dióxido de silicio: componente importante

en la corteza terrestre 147

4.2 Funciones químicas inorgánicas 148

Óxidos básicos 148

Óxidos ácidos o anhídridos 151

Hidróxidos 154 Ácidos (oxiácidos) 155 Ácidos (hidrácidos) 158 Sales (oxisales) 158 Sales (haloides) 160 Sales ácidas 161 Hidruros 162

Lectura No hay motivos para reír 153

Manos a la obra Antiácidos 167

Lectura ¿Cómo se inﬂ an las bolsas de aire? 168

UNIDAD 5 Reacciones químicas 172

5.1 Reacciones químicas 174

Deﬁ nición 177

Tipos de reacciones 179

Representación mediante ecuaciones 179

Clasiﬁ cación general de las reacciones químicas 180

Reacciones termoquímicas 183

Elementos de termoquímica 183

Velocidad de reacción, deﬁ nición y factores que la afectan 187

Lectura Consumismo y desarrollo sostenible 176 Manos a la obra Reacciones químicas 177 Manos a la obra Acción de las enzimas 189 Lectura ¿Envejecemos por oxidación? 190

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5.2 Balanceo de ecuaciones químicas 190

Deﬁ nición 191

Método de aproximaciones o tanteo 191

Método redox 196

Método algebraico 202

Lectura El lanzamiento del transbordador espacial 199 Manos a la obra Tipos de reacciones químicas 203 Lectura Fertilizantes producidos por los rayos 205

UNIDAD 6 Estequiometría 208 6.1 Estequiometría 210 Leyes fundamentales 210 6.2 Cálculos estequiométricos 219 Composición porcentual 219 Fórmulas empíricas 224 Fórmulas moleculares 224 Fórmula real 225 Relaciones ponderales 229 Relaciones volumétricas 234 Porcentaje de rendimiento 237

Lectura El alcohol metílico: ¿combustible con futuro? 238

6.3 Normalización de volúmenes 239

Ley de Boyle 239

Ley de Charles 240

Ley de Gay-Lussac 241

Ley general de los gases 244

6.4 Contaminación del aire 245

Componentes más importantes del aire 245

Efecto invernadero y calentamiento global del planeta 246

Inversión térmica 247

Esmog 247

Lluvia ácida 247

Índice Metropolitano de la Calidad del Aire (Imeca) 248

Lectura Contaminación del agua 249

Manos a la obra Ley de Boyle 250

Glosario 255 Bibliografía 260

Índice 261

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Unidad 1

Objeto de estudio

de la química

Contenido

¿Cuánto sabes?

1.1 Química: una ciencia interdisciplinaria Manos a la obra La química en la industria

Lectura La protección de la capa de ozono

1.2 Materia

Manos a la obra Características de los elementos, los compuestos y las mezclas

1.3 Energía

Manos a la obra ¿Qué ocurre cuando una vela se quema? Lectura Compuestos químicos naturales contra

productos sintéticos Actividades Lo que aprendí

Es indispensable conocer el mundo que nos rodea, ya que al estar conectados con la naturaleza, debemos ser conscientes de lo que le hacemos, pues nos lo hacemos a nosotros

mismos. En este conocimiento contribuye enormemente la química.

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Objetivo de la unidad

El estudiante identiﬁ cará, de manera crítica y cooperativa, el objeto de estudio de la química y su relación con otras ciencias, mediante el reconocimiento de problemáticas de la sociedad actual que involucren el uso de las propiedades de la materia, la energía y su interrelación.

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4

Introducción

El conjunto de todos los seres y hechos que nos rodean forman lo que se llama natu-raleza; estos hechos que obser vamos alrededor no se dan aislados y constituy en un campo de estudio de ciencias que se r elacionan entre sí. Estas ciencias r eciben el nombre de ciencias naturales y son principalmente: biología, física, química y astro-nomía. La química es, pues, una ciencia natural.

Podemos definir a la ciencia como un conjunto sistematizado de conocimientos ordenados lógicamente, que se refieren a hechos relacionados entre sí, que se pueden comprobar mediante la experimentación, el uso de aparatos o de las matemáticas y que conducen a la verdad relativa.

Los conocimientos que conforman una ciencia se logran mediante un pr oceso llamado método científico. El primer paso de este método es la observación, que consiste en recolectar información acerca de un problema mediante la utilización de los sentidos; luego, se pr opone una hipótesis, que es una posible explicación de lo observado. La hipótesis constituye el segundo paso y para saber si es correcta se debe probar mediante la experimentación; este tercer paso consiste en repetir lo observado. Los científicos aceptan las hipótesis que han sido comprobadas mediante experimen-tos y rechazan aquellas cuya comprobación experimental es insostenible.

La organización de los conocimientos así logrados se llama teoría. Una teoría es una explicación basada en muchas obser vaciones y apoyada por los r esultados de muchos experimentos (figura 1.1).

En esta unidad aprenderemos cómo se relaciona la química con otras ciencias; en qué forma satisface nuestras necesidades, las propiedades mediante las cuales se pue-den ipue-dentificar los tipos de materia, así como la clasificación básica de ésta y la rela-ción entre materia y energía.

Una ley científica es un hecho de la naturaleza que se observa con tanta frecuencia que se acepta como verdad.

La palabra y su raíz ciencia Scientia (latín) conocimiento.

Conjunto de métodos y técnicas para adquirir y organizar conocimientos sobre un cúmulo de fenómenos objetivos.

1. ¿Qué entiendes por química?

2. Escribe tres ejemplos de cómo inﬂ uye la química en tu vida diaria. 3. ¿Qué entiendes por materia?

4. ¿Cuáles son los estados de agregación molecular de la materia? 5. ¿Cuáles ciencias se relacionan para dar lugar a la bioquímica? 6. ¿Es correcta la expresión “el agua, el líquido elemento”? ¿Por qué? 7. ¿Cuál es el concepto de energía?

8. ¿Qué entiendes por energía limpia?

¿Cuánto

sabes?

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Figura 1.1 Los métodos de la ciencia Los científicos realizan una serie de observaciones que los llevan a varias hipótesis. Cada hipótesis debe comprobarse a través de un sinnúmero de experimentos. Si los resultados experimentales no son acordes con la hipótesis, nuevas observaciones conducirán a otras hipótesis. La hipótesis que se apoya en muchos experimentos se convierte en una teoría, la cual explica un hecho o fenómeno natural.

La palabra y su raíz química _{Κηεμεια (griego)} relativo a los jugos o esencia de las cosas.

Ciencia natural que estudia la materia, su estructura, propiedades y transformación a nivel atómico, molecular y macromolecular.

Observación Observación Observación

Hipótesis

Experimento Experimento Experimento

Teoría

Tiempo y más experimentos

Teoría revisada

Revisión de hipótesis

Tantas veces como sea necesario

¿Por qué estudiar química?

Aunque en tu futuro profesional no consideres a la química como algo fundamental, esta ciencia estará presente en tu vida diaria. Por ejemplo, alguna vez te has pregun-tado: ¿de qué material es el envase de un refresco y de dónde proviene? Al desecharlo, ¿cómo afecta a la naturaleza? ¿Por qué ya no deben utilizarse compuestos de plomo en las gasolinas y cuál es el efecto de este metal tanto en vegetales como en animales? ¿Qué es y de dónde proviene el material con que se fabrican algunos platos “irrom-pibles” y otros enseres de cocina? ¿Cuál es la utilidad de algunos disolv entes y por qué debe controlarse su venta? ¿Por qué algunas prendas de vestir, al contacto con el fuego se “funden” y otras se “queman”? ¿Por qué no se descomponen los alimentos que se guardan en envases cerrados herméticamente? ¿Por qué es benéfico para la agricultura el uso de insecticidas y fer tilizantes y cuál es el riesgo cuando se aplican de forma indiscriminada? E l sodio y el clor o son elementos tó xicos; sin embargo, ¿por qué la sal de cocina, formada de la unión de estos elementos es una sustancia indispensable para nuestro organismo? El carbono, el hidrógeno y el oxígeno forman la aspirina y el azúcar de mesa, ¿por qué no puedes usar la primera para endulzar una bebida o tomar una cucharada de azúcar para el dolor de cabeza?

La lista de preguntas es interminable. Al estudiar química comprenderás el mun-do que te r odea, y aprenderás que el uso de las sustancias químicas pr oporciona grandes beneficios a la humanidad, así como los riesgos que conlleva.

5 5

¿Por qué estudiar química?

(15)

Unidad 1

Objeto de estudio de la química

6

Definición de química

La química es la ciencia que estudia la materia, su estr uctura íntima, sus cambios, sus relaciones con la energía, las leyes que rigen esos cambios y esas relaciones.

De acuerdo con lo anterior, admitimos que la química estudia cómo está formada la materia y sus transformaciones; ahora bien, debido a que lo que nos rodea está constitui-do de materia, resulta que el universo es objeto de estudio de esta ciencia.

No hay otra rama de la ciencia que tenga un campo de estudio tan amplio como la química, y al analizar el campo de estudio de otras ramas del saber, encontraremos que la química tiene una estrecha relación con cualquier ciencia en particular.

División de la química

Como se indicó anteriormente, el campo de estudio de la química es muy amplio y, por tanto, resulta imposible que alguien posea todos los conocimientos que consti-tuyen esta ciencia. Esta razón y otras de carácter didáctico determinan que la quími-ca se divida en varias ramas, las que comúnmente son:

• Química general Esta rama trata de los principios básicos que se refieren a la es-tructura íntima de los cuerpos y sus propiedades. Se relaciona estrechamente con la física.

• Química inorgánica Su campo de estudio se r efiere a las sustancias que forman el reino mineral. No estudia los componentes del carbono a ex cepción de los compuestos oxigenados de este elemento.

• Química orgánica Estudia los compuestos del carbono. Se llama orgánica ya que todos los compuestos orgánicos contienen en sus moléculas átomos de carbono.

se divide en Energía Cambios Composición Materia Alimentación Vestido Habitación Salud Transporte Química analítica Matemáticas Biología Física Astronomía Geología Química orgánica Química inorgánica Química general Química su y sus provocados por

que satisface necesidades de se relaciona con

estudia la Mapa conceptual 1.1

1.1 Química: una ciencia interdisciplinaria

(16)

• Química analítica Comprende los métodos de reconocimiento y determinación de los constituyentes de los compuestos, tanto en su calidad (análisis cualitativo) como en su cantidad (análisis cuantitativo).

• Fisicoquímica Comprende las leyes básicas de la química, así como las hipótesis y teorías que se emplean para explicarlas.

• Bioquímica Su campo se refiere a los procesos químicos que ocurren en los seres vivos.

Hay otros campos más concretos de aplicación de la química, como la termoquí-mica, la electroquítermoquí-mica, la cinética quítermoquí-mica, etcétera.

Relación con otras ciencias

La relación de la química con otras ciencias da origen a ciencias intermedias que le sirven de enlace, como se especifica en la figura 1.2.

Además, hay muchas otras ciencias que tienen que v er con la química, como la medicina, la agricultura, la oceanografía, la ingeniería y las matemáticas; esta última, debido a que el lenguaje matemático es empleado para r epresentar las ecuaciones químicas, efectuar cálculos y, en general, para interpretar sus leyes.

Bioquímica Biología Físicoquímica Física Geología Astronomía Astroquímica Geoquímica Transformaciones químicas que ocurren en los seres vivos: digestión, crecimiento, etcétera

Efectos de la energía sobre la materia.

Estudio del átomo

Cambios químicos ocurridos en las rocas, en las diferentes eras geológicas

Estructuras y constitución de los astros

Química

Importancia y campo de acción de la química

Gracias a la aplicación científica de la química se han obtenido millares de sustancias que el hombre ha creado para su bienestar; por ejemplo, una ayuda poder osa para nuestro sustento ha sido la fabricación de abonos ar tificiales y productos químicos que incrementan la cantidad y calidad de los alimentos, así como su conservación y

7 7

1.1

Química: una ciencia interdisciplinaria

Figura 1.2 Relación de la química con otras ciencias.

(17)

Unidad 1

8

utilización; también contribuye a nuestro vestido al proporcionar fibras artificiales que sustituyen la demanda de fibras vegetales y animales que, como el algodón y la seda, casi han sido desplazadas.

Asimismo, favorece nuestra salud al suministrar dr ogas y medicamentos que, como las vitaminas y hormonas, quinina, sulfamidas, penicilina, anestésicos y

desin-Investiga

Escribe ejemplos de productos que satisfagan tus necesidades de:

a) alimentación, b) vestido, c) habitación, d ) salud

y e) transporte.

Agrícola

Figura 1.3 La química está presente en la gran mayoría de las industrias. Papelera

Alimentaria Metalúrgica

Electrónica Industria del vidrio

Textil Petroquímica

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La química en la industria

9 9

1.1

Química: una ciencia interdisciplinaria

fectantes, salvan y prolongan la vida humana al combatir y alejar la enfermedad, aliviar el dolor y los sufrimientos de los infortunados y, por último, hace más fácil y agradable la vida, al facilitarnos materiales de construcción, comunicación, transpor-te y la fabricación de gran número de productos que utilizamos diariamentranspor-te.

La química es la base de casi 100% de industrias como la agrícola y ganadera, del papel, de los alimentos, metalúrgica, electr ónica, el vidrio, textil, farmacéutica, pe-troquímica y muchas otras más (figura 1.3).

En la siguiente lista de productos escribe el nombre de la in-dustria que los produce (en algunos casos puedes mencionar más de una industria).

a) Cartón: _________________________________ _______________________________________

b) Oro químicamente puro: _____________________ _______________________________________ c) Computadoras: ____________________________ _______________________________________ d) Fibra óptica: ______________________________ _______________________________________ e) Aspirina: ________________________________ _______________________________________ f ) Fertilizantes: ______________________________ _______________________________________ g) Poliéster: ________________________________ _______________________________________ h) Lubricantes: ______________________________ _______________________________________

i ) Fibra de algodón para prendas de vestir: __________ _______________________________________

j) Botellas: ________________________________ _______________________________________

k) Sustancias para teñir telas: ____________________ _______________________________________ l ) Parabrisas: _______________________________ _______________________________________ m) Calculadoras: _____________________________ _______________________________________ n) Acero: __________________________________ _______________________________________ ñ) Leche condensada: _________________________ _______________________________________ o) Celofán: _________________________________ _______________________________________ p) Alimentos balanceados: ______________________ _______________________________________ q) Vacunas: ________________________________ _______________________________________

r) Mercurio para termómetros: ___________________ _______________________________________ Manos

a la obra

(19)

Como podrás apreciar, la química existe en nuestr o entorno y juega un papel preponderante en nuestra calidad de vida. Sin embargo, en ocasiones hay

imprevis-tos que nos pueden perjudicar. A continuación mencionamos algunos ejemplos.

DDT, dicloro-difenil-tricloroetano

El ddt es un famoso y potente plaguicida que se utiliz ó para comba-tir plagas agrícolas y domésticas durante los años sesenta y a

princi-pios de los setenta del siglo pasado. Es un compuesto muy estable que dura por lo menos ocho años en el ambiente.

No obstante, al acumularse en los tejidos grasos es fatal para diversas clases de aves y peces y resulta altamente tóxico para el ser humano.

Se han celebrado acuer dos internacionales para eliminar por completo su empleo; por ello, se r ealizan experimentos para susti-tuirlos por otros insecticidas menos tóxicos.

CFCs, clorofluorocarbonos

Con el nombre de freón se conoce a los compuestos gaseosos de metanos y etanos que contienen flúor y cloro, es decir, son los clorofluorocarbonos (cfcs), los cuales se han empleado para impulsar sustancias que se encuentran en latas que pro-ducen aerosoles con sólo apretar una pequeña válvula. Como ejemplo podemos citar perfumes, lacas, aromatizantes de ambiente, insecticidas, etcétera. Los clor ofluoro-carbonos se licuan fácilmente y por ello también se emplean en r efrigeradores y sis-temas de aire acondicionado.

Como puedes apreciar, son relativamente útiles; no obstante, a últimas fechas se ha sabido que son peligrosos porque destruyen las moléculas de ozono, un gas formado por moléculas que contienen tres átomos de oxígeno (O3), en lugar de dos (O2),

com-puesto indispensable para la vida, ya que forma una capa pr otectora que existe en la atmósfera alta y que absorbe la may or parte de la radiación ultravioleta (uv) pr ove-niente del Sol.

Figura 1.4 El fue un insecticida muy utilizado en los años sesenta del siglo pasado; sin embargo, fue prohibido a partir de 1972 por su gran potencial contaminante.

Figura 1.5 El ozono (O3) es

un alótropo del oxígeno que constituye una barrera contra los rayos , dañinos para la vida, y forma una capa en la atmósfera terrestre. Sin embargo, el uso indiscriminado de clorofluorocarbonos ha provocado el rompimiento de la capa de ozono, lo cual pone en riesgo la vida del planeta. En la ilustración se muestra el “agujero” en la capa de ozono situado sobre la Antártida.

¿Sabías que...?

El uso del se prohibió desde 1972. A la fecha su utilización está rigurosamente controlada, y se restringe al combate de insectos que producen enfermedades al hombre como el paludismo, el tifo y el dengue.

Unidad 1

10

(20)

La protección de la capa de ozono

Lectura

11

Figura 1.6 La mayoría de los refrigeradores actuales ya usan sustancias alternas a los , que además de ser más eficientes, no dañan la capa de ozono.

La destrucción de la capa de oz ono es extremadamente peligrosa, ya que la vida terrestre se expone a un exceso de dicha radiación, la cual puede producir cáncer de la piel, cataratas, reducir la respuesta del sistema inmunitario, inferir en el pr oceso de fotosíntesis de las plantas y afectar el crecimiento del fitoplancton oceánico. La solu-ción a este problema consiste en dejar de utilizar los clorofluorocarbonos.

En la actualidad se producen compuestos que contienen hidrógeno, flúor y car-bono para utilizarlos como refrigerantes; es decir, no contienen cloro, que es el res-ponsable de la destrucción de la capa de ozono.

1.2 Materia

Concepto de materia

En el mundo físico que nos r odea sólo hay materia que se manifiesta en forma de masa o de energía y éstas se encuentran íntimamente r elacionadas. Pero, ¿qué es la materia? Resulta difícil dar una definición de materia mediante términos corrientes.

1111

1.2.

Materia

Los clorofluorocarbonos (s) son compuestos que contie-nen átomos de cloro y de flúor unidos al carbono, son ideales para los refrigeradores y acondicionadores de aire por ser no tóxicos y no corrosivos. Sin embargo, sucede que la gran esta-bilidad química de estas sustancias, que con anterioridad se

creyó constituía su princi-pal virtud, es su caracte-rística más grave. Estos compuestos se fugan a la atmósfera, y al ser tan poco reactivos, persisten ahí du-rante décadas. Sin embar-go, a cierta altitud, los se descomponen por efec-to de la luz ul travioleta, lo que libera átomos de clo-ro que pclo-rovocan la des-trucción de la capa de ozono en la estratosfera. Para evitar este problema, las naciones in

dustrializa-das firmaron un acuerdo (llamado Protocolo de Montreal) que prohíbe el uso de a partir de 1996.

Sin embargo, remediar esta situación implica encontrar sustitutos para los s. Hasta el momento la búsqueda de tales sustitutos está muy avanzada. La producción mundial de s ya se ha reducido a la mitad con respecto al nivel de 1986, 1.13 millones de toneladas métricas. Mientras tanto, una estrategia para el reemplazo de los s es cambiar a compuestos similares que contienen átomos de carbono e hidrógeno sustituidos por átomos de cloro. Por ejemplo, la industria estadounidense de aparatos ha cambiado del freón-12 (CF2Cl2), al compuesto CH2FCH3 (llamado HFC-134a),

para uso en refrigeradores domésticos, y la mayoría de los nuevos automóviles y camiones que se venden en Estados Unidos cuentan con acondicionadores de aire cargados con HCF-134a.

La industria química de varios países ha respondido rápi-damente a la emergencia que plantea el agotamiento de la capa de ozono. Resulta alentador que podamos actuar así cuando se presenta una crisis ambiental. Ahora necesitamos mejorar el aspecto de mantener el entorno como una de las principales prioridades conforme planeamos para el futuro.

Adaptada de Steven Zumdahl, Fundamentos de química, 5a. ed., McGraw-Hill Interamericana Editores, México, 2007, p. 486.

(21)

Unidad 1

12

Materia

puede ser tiene se presenta en

estados como Homogénea Heterogénea Propiedades está formada por

son las son las

que son Gaseosa

Líquida Sólida

Átomos

Generales Especíﬁ cas

Cristales líquidos Materiales amorfos Plasmas que forman Mezclas heterogéneas Sustancias Mezclas homogéneas se clasiﬁ can en se clasiﬁ can en Moléculas Disoluciones Físicas Químicas Elementos Compuestos se separan por de _{se separan por} Destilación Decantación Filtración Centrifugación Evaporación Métodos químicos Métodos físicos

Para nosotros, materia es todo aquello que constituye a los cuerpos; es la base del universo, ocupa un espacio, tiene masa y energía. La materia se pr esenta en forma muy diversa, pero toda ella tiene la misma estr uctura química: está formada por átomos y moléculas.

La materia se presenta en tres estados de agregación molecular: gaseosa, líquida y sólida. Durante muchos años el hombre trató de explicarse las diferencias entre estos tres estados, así como los fenómenos de evaporación, condensación, fusión y solubi-lidad de las sustancias. Fue hasta fines del siglo xix que se propuso la teoría cinética

molecular, la cual establece que el calor y el mo vimiento están relacionados con el

comportamiento de las moléculas y explica las propiedades de los estados de la ma-teria. Los postulados de la teoría cinética son:

• La materia está constituida por pequeñas partículas llamadas moléculas.

• Las moléculas se encuentran en constante movimiento produciendo energía ciné-tica que determina la temperatura del cuerpo.

• Las moléculas interactúan entre sí, interviniendo fuerzas de atracción (cohesión) y separación (repulsión) entre ellas.

Mapa conceptual 1.2

(22)

En los gases

La distancia entre las moléculas es muy grande y las fuer zas intermoleculares son despreciables. Además, las colisiones entre las moléculas y las paredes del recipiente son perfectamente elásticas (no pierden energía).

Por lo anterior, los gases presentan las siguientes características: • Expansión Llenan todo el espacio donde se encuentran. • Forma y volumen Indefinidos.

• Compresibilidad Se pueden comprimir, esto es, disminuyen su volumen al apli-cárseles una fuerza.

• Baja densidad Las densidades son inferiores a las de líquidos y sólidos.

• Miscibilidad Si dos o más gases no reaccionan entre sí, al mezclarlos lo hacen de una manera uniforme.

Figura 1.7 Modelo del

movimiento de una partícula de gas Un disco de hockey viaja en línea recta hasta que choca con el borde de la cancha. Entonces, rebota en línea recta, pero en una nueva dirección. De la misma forma, una partícula de gas se mueve a través del espacio del recipiente que lo contiene, en línea recta. La velocidad del disco de hockey es de alrededor de 1 m por segundo, mientras que la partícula de gas se mueve a una velocidad

mucho mayor, de 102_{a 10}3_{m por}

segundo.

1313

1.2

Materia

En los líquidos

La distancia entre las moléculas es pequeña y éstas cambian de lugar ordenadamente sin ocupar posiciones definidas; es decir , las fuerzas de cohesión y r epulsión se en-cuentran equilibradas.

Por lo anterior, los líquidos presentan las siguientes características: • Expansión limitada No se expanden indefinidamente como los gases.

• Forma No tienen forma definida, adquieren la forma del recipiente que los con-tiene.

• Volumen Presentan volumen fijo sin impor tar la forma del r ecipiente que los contiene.

• Compresibilidad Se comprimen ligeramente cuando ocurr e algún cambio de temperatura o presión.

• Alta densidad Su densidad es mucho mayor que la de los gases. • Miscibilidad Un líquido se mezcla con otro en el cual es soluble.

(23)

Unidad 1

14

Figura 1.9 Cambios de estado

a) En un gas las moléculas se mueven libremente a gran velocidad. Su atracción mutua es muy débil. b) En un líquido las moléculas se atraen fuertemente unas con otras. Están apiñadas pero todavía se pueden mover. c) En un sólido las partículas se atraen fuertemente. Vibran alrededor de sus ejes.

Figura 1.8 Modelo de líquidos

a) Las canicas se esparcen hasta

llenar el fondo del recipiente. El volumen que ocupan no puede reducirse. b) Cuando se hace girar el recipiente, las canicas se mueven en forma circular. c) Cuando el recipiente se vuelca, las canicas magnetizadas fluyen por la mesa.

En los sólidos

Las moléculas se encuentran más cercanas entre sí. Las fuerzas que predominan entre ellas es la de cohesión. Por tanto, el movimiento de las moléculas consiste en la vi-bración en torno a puntos fijos.

Los sólidos presentan las siguientes características:

• Expansión No se expanden cuando la temperatura varía.

• Forma Tienen forma definida.

• Volumen Su volumen es definido.

• Compresibilidad Los sólidos no se pueden comprimir.

• Alta densidad

• Miscibilidad Se mezclan con gran lentitud de tal forma que no lo podemos apreciar. a) b) c) b) Líquido c) Sólido Solidificación Fusión Evaporación Condens ación Deposición Sublimación a) Gas 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 14 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 14 4/20/12 12:25:16 PM4/20/12 12:25:16 PM

(24)

Figura 1.10 Redes cristalinas Las redes cristalinas se repiten a través de todo el sólido. Aquí se muestra la red cristalina del sulfuro de plomo (II), que se encuentra en el mineral galena.

1515

1.2

Materia

Figura 1.11 Estructura de los cristales líquidos a) En algunos cristales líquidos, las moléculas están ordenadas en líneas paralelas. Cuando la sustancia se funde, este ordenamiento se mantiene. b) En otros cristales líquidos, las líneas paralelas de las moléculas están ordenadas en capas. Cuando estas sustancias se funden, las capas permanecen en su lugar.

Otras formas de la materia

En ocasiones la materia pr esenta algunas formas que no pueden describirse como sólido, líquido o gas. A veces son como sólidos o como gases, en otras se comportan como un líquido. Estas formas de la materia son cristales líquidos, materiales amorfos y plasmas.

Cristales líquidos

Cuando un sólido se funde, se desintegran sus r edes cristalinas y sus par tículas pierden su patrón tridimensional. Sin embargo, cuando algunos materiales, llama-dos cristales líquillama-dos, se funden, pierden su organización rígida sólo en una o llama-dos dimensiones. Por ejemplo, el cristal líquido que se muestra en la figura 1.11, tiene moléculas en forma de bastones. Las fuer zas interpartículas de un cristal líquido son débiles y su ordenamiento se rompe con facilidad. Cuando se rompe la red, el cristal puede fluir como un líquido. Actualmente se usan pantallas de cristales lí-quidos (l cd, por sus siglas en inglés) en relojes, termómetros, calculadoras y compu-tadoras portátiles, porque los cristales líquidos cambian de color a temperaturas específicas.

Pb S Galena PbS

a) b)

(25)

Unidad 1

16

Materiales amorfos

Un material amorfo tiene una red cristalina fortuita, desarticulada e incompleta. Las ceras, la mantequilla y el algodón de dulce son ejemplos comunes de materiales amorfos. Pese a que estos materiales tienen forma y v olumen fijos, no se clasifican como sólidos, sino como materiales amorfos. En la figura 1.12 se compara la estruc-tura de un sólido con un material amorfo.

Figura 1.12 Un sólido se

convierte en un material amorfo a) El dióxido de silicio cristalino,

SiO2, tiene una estructura regular

de panal. b) Si se funde y luego se enfría rápidamente, el dióxido de silicio pierde su regularidad y se convierte en un material amorfo.

La palabra y su raíz amorfo A (griego) negación y morfo forma.

Que no tiene forma.

Figura 1.13 Foco de luz fluorescente Cuando una pequeña corriente eléctrica calienta el electrodo, algunos electrones de éste adquieren suficiente energía para abandonar la superficie y chocar con moléculas del argón gaseoso, que se ioniza. A medida que se liberan más electrones, también se ionizan algunos átomos de mercurio, con lo cual se forma el plasma. Los electrones y los iones mercurio chocan con los átomos de mercurio y sus electrones, excitados, adquieren mayores niveles energéticos. Cuando los electrones excitados regresan a niveles energéticos inferiores, liberan energía en forma de luz ultravioleta invisible. El recubrimiento de los focos fluorescentes absorbe la luz ultravioleta y genera radiación de luz visible.

Plasmas

La forma más común de la materia en el universo, pero menos común en la Tierra, es el plasma. El Sol y otras estrellas están formados por plasma, y puede encontrarse también en las luces fluorescentes (figura 1.13). Un plasma es un gas ionizado que conduce corriente eléctrica pero, igual que un alambre conductor común, es eléctri-camente neutro porque contiene el mismo número de electrones libres que de iones positivos. El plasma se forma a temperatura muy elevada, cuando la materia absorbe energía y se separa formando iones positiv os y electrones o, en algunas ocasiones, núcleos atómicos y electrones libres. En las estrellas, la energía que ioniza los gases se produce como consecuencia de reacciones de fusión nuclear.

Si O

Electrodo Recubrimiento_{de fósforo cristalino}

Átomo de mercurio gaseoso Átomo de argón gaseoso a) b) ¿Sabías que...? El oxígeno es el elemento más abundante en la corteza terrestre, pero en el Universo es el hidrógeno.

(26)

Propiedades de la materia

Cuando un trascabo sube por el terr eno para vaciar su carga, podrías pr eguntarte: “¿Qué es todo ese material?” A pesar de que sabes que todo eso son desper dicios de la vida moderna como papel, vidrio, metal, plástico y más; aún persiste la pregunta: “¿Qué es esto?” Los químicos quieren saber qué es cada porción de materia. ¿De qué está formada (composición)? ¿Cómo están distribuidos sus átomos (estructura)? ¿Qué hará el material ( comportamiento)? Cualquier característica que se pueda usar para describir o identificar un pedaz o de materia es una pr opiedad de ésta. D e hecho, cada sustancia tiene un conjunto de propiedades particulares, del mismo modo que una persona tiene huellas digitales únicas. S i conoces las huellas digitales de una sustancia, la puedes identificar.

Aunque se ha indicado una definición de materia, la mejor forma de reconocerla y describirla es mediante sus propiedades.

Las propiedades de la materia son las características que la identifican; es decir, las diversas formas como son percibidas por nuestros sentidos, por ejemplo, color, olor, densidad, estado de agr egación molecular, punto de fusión, punto de ebullición, etcétera.

Propiedades generales

Las propiedades generales son aquellas características que posee la materia en general, sin importar su estado de agregación molecular. Son propiedades generales:

• Extensión o volumen La materia ocupa un lugar en el espacio. En el vacío no hay materia.

• Peso Es atraída por fuerzas gravitatorias.

• Inercia Se opone a cambiar el estado de mo vimiento rectilíneo uniforme o de reposo en que se encuentre.

• Impenetrabilidad Dos cuerpos no pueden ocupar al mismo tiempo el mismo lugar.

• Porosidad Entre las partículas que forman la materia existen espacios huecos. • Divisibilidad La materia puede fragmentarse.

• Elasticidad Dentro de cierto límite, la materia se deforma cuando se le aplica una fuerza y recupera su forma original al dejar de aplicarle dicha fuerza.

Propiedades específicas

Como ya se indicó, las anteriores características las posee todo tipo de materia, per o ésta se encuentra formada por infinidad de sustancias que distinguimos debido a que presentan características particulares llamadas propiedades específicas, como son: color, olor, sabor, solubilidad, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, peso especí-fico, etcétera. Por ejemplo, no podríamos difer enciar la sal del azúcar por su color , pero sí las distinguimos por su sabor; el agua se difer encia del alcohol por su olor; el plomo del aluminio, por su densidad; la sal del azufr e, por su solubilidad en agua, etcétera.

Podemos clasificar a las propiedades en físicas y químicas.

Propiedades físicas

Son propiedades físicas aquellas características que pr esenta la materia sin alterar su estructura íntima, es decir , sin transformarse en otras sustancias distintas. Como

1717

1.2

Materia

Investiga

Tu peso es de 55 kg en la Tierra. Investiga si en la Luna pesarías lo mismo. Encuentra la diferencia entre peso y masa.

(27)

Unidad 1

18

propiedades físicas podríamos mencionar los cambios de estado, el color , el olor, el sabor, la dureza (propiedades organolépticas); el punto de fusión, el punto de ebulli-ción, la densidad, el peso específico (constantes físicas); la maleabilidad, la ductilidad, la solubilidad, etcétera.

Propiedades químicas

Las propiedades químicas son aquellas que presenta la materia al transformarse de una sustancia a otras diferentes, alterando su estructura íntima. Como propiedades quí-micas podríamos mencionar la combustibilidad, la comburencia, la mayor o menor facilidad con que una sustancia se transforma en otra u otras diferentes, o se combi-na con otras, etcétera.

Clasificación y composición de la materia

Ahora bien, para estudiar la materia es necesario un ordenamiento sistemático de la misma. La figura 1.14 indica la clasificación básica de la materia en términos de heterogénea y homogénea.

Materia

Homogénea Heterogénea Mezclas

heterogéneas

Sustancias Mezclas

homogéneas Soluciones

Elementos Compuestos

Figura 1.14 Clasificación básica de la materia.

La palabra y su raíz heterogénea Hetero (griego) diferente, otro; genes (griego) origen, fuente.

Una mezcla heterogénea es distinta en diferentes puntos.

homogénea Homo (griego) lo mismo, semejante; genes (griego) origen, fuente.

Una mezcla homogénea siempre es la misma en todas partes.

Materia homogénea y heterogénea

La materia es heterogénea cuando podemos detectar en ella fácilmente, con la ayuda de una lupa o microscopio, dos o más partes que la forman, cada una de las cuales tiene propiedades distintas. Como ejemplo de materia heter ogénea podemos men-cionar la madera y el granito: en la primera, distinguimos anillos o vetas de diferen-te color y dureza, lo que hace suponer que se trata de div ersas clases de madiferen-teria; en el granito pueden apreciarse partículas de distinto aspecto, unas brillantes y oscuras que son de mica, otras duras y transparentes que son de cuarzo y algunas traslúcidas y grisáceas que son de feldespato.

La materia es homogénea cuando no podemos distinguir en ella las par tes que la forman; por ejemplo, agua salada, acero, aluminio, sal de cocina, cobre, cal, etcétera.

(28)

Sustancias

Las sustancias son aquellas clases de materia homogénea que tienen composición definida e invariable y que presentan las mismas propiedades en todas sus partes. Son sustancias, por ejemplo, el hierro, el agua, la sal, la plata, la cal, pero no el agua sala-da, ya que esta última está formada por sustancias que poseen características diferen-tes (agua y sal) que pueden separarse por medios mecánicos.

Elementos

Por elemento entendemos una sustancia simple, elemental, que puede descompo-nerse en otras más sencillas mediante procedimientos químicos ordinarios. Son ele-mentos el hierro, el aluminio, la plata, el cobre, el carbono, el oxígeno, etcétera. (En la actualidad se conocen 114 elementos.)

En la figura 1.15 podemos apreciar la abundancia relativa aproximada de los ele-mentos en la corteza terrestre y en el cuerpo humano.

1919

1.2

Materia

Figura 1.15 Composición del

cuerpo humano y de la corteza terrestre La composición del cuerpo humano es muy distinta a la de la corteza terrestre. Los números representan los porcentajes en masa de cada componente. Los elementos oxígeno e hidrógeno se encuentran en la corteza y en el cuerpo humano, pero el carbono se concentra en los seres vivos.

Elemento Composición (%) Oxígeno 46.0 Silicio 28.0 Aluminio 8.0 Hierro 6.0 Magnesio 4.0 Calcio 2.4 Potasio 2.3 Sodio 2.1 Hidrógeno 0.9 Otros 0.3 Compuestos

Un compuesto es una sustancia homogénea que resulta de la unión química de dos o más elementos, por tanto, puede experimentar descomposición ulterior. Son com-puestos: el agua, la sal, el ácido sulfúrico, el dióxido de carbono, el alcohol etílico, el azúcar, el benceno, el butano y cientos de miles más. A las par tes que forman un compuesto se les llama constituyentes; así, por ejemplo, los constituy entes del agua son hidrógeno y oxígeno; de la sal común (cloruro de sodio) son el sodio y el cloro; del ácido sulfúrico son el hidrógeno, el azufre y el oxígeno.

Elemento Composición (%) Oxígeno 65.0 Carbono 18.5 Hidrógeno 9.5 Nitrógeno 3.3 Calcio 1.5 Fósforo 1.0 Azufre 0.3 Otros 0.9 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 19 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 19 4/20/12 12:25:18 PM4/20/12 12:25:18 PM

(29)

Unidad 1

20

Como características de los compuestos podríamos mencionar las siguientes: • Las partes que los forman pierden sus propiedades originales.

• Durante su formación hay manifestaciones de energía.

• La proporción de los constituyentes que forman un compuesto es fija.

• Los constituyentes sólo se pueden separar por medios químicos. (Compara estas características con las de las mezclas que se mencionan más adelante.)

Respecto de las características de que los compuestos únicamente se pueden sepa-rar por medios químicos, es posible afirmar que, por ejemplo, al sepasepa-rar los consti-tuyentes del agua se obtienen dos sustancias completamente diferentes. Las otras son gaseosas; una de ellas es combustible (el hidrógeno) y la otra comburente (el oxígeno). Esto indica que el agua se ha transformado en otras sustancias cuya estructura íntima es distinta: ha ocurrido un cambio químico. Al llevarse a cabo esta operación, deci-mos que se ha efectuado el análisis del agua.

Hasta ahora hemos establecido algunos conceptos generales, par tiendo de la cla-sificación de la materia y de que ésta tiene la misma estructura química: está forma-da por átomos y moléculas, pero ¿qué es un átomo?, ¿qué es una molécula?

Cuadro 1.1 Algunos compuestos comunes.

Nombre del compuesto Fórmula Usos

Acetaminofén C8H9NO2 Analgésico

Ácido acético C2H4O2 Ingrediente del vinagre

Amoniaco NH3 Fertilizantes, limpiadores domésticos cuando está disuelto en agua

Ácido ascórbico C6H8O6 Vitamina C

Aspartame C14H18N2O5 Edulcorante artiﬁ cial

Aspirina C9H8O4 Analgésico

Bicarbonato de sodio NaHCO3 Para cocinar

Butano C4H10 Combustible de encendedores

Cafeína C8H10N4O2 Estimulante del café, té y algunas bebidas

Carbonato de calcio CaCO3 Antiácido

Dióxido de carbono CO2 Para carbonatar bebidas gaseosas

Etanol C2H6O Desinfectante, bebidas alcohólicas

Etilenglicol C2H6O2 Anticongelante

Ácido clorhídrico HCl Llamado ácido muriático, limpia morteros para los tabiques

Hidróxido de magnesio Mg(OH)2 Antiácido

Metano CH4 Gas natural, combustible

Ácido fosfórico H3PO4 Saborizante de bebidas

Tartrato de potasio K2C4H4O6 Crema tártara, para cocinar

Propano C3H8 Combustible para cocinar

Sal NaCl Saborizante

Carbonato de sodio Na2CO3 Sosa para lavar

Hidróxido de sodio NaOH Limpieza de cañerías

Sacarosa C12H22O11 Edulcorante

Ácido sulfúrico H2SO4 Ácido de las baterías

Agua H2O Para lavar, cocinar, limpiar

(30)

Átomos

El átomo es la partícula más pequeña en que se puede dividir la materia mediante procedimientos químicos, que interviene en los cambios o reacciones químicas.

Moléculas

Para dar respuesta a estas preguntas, consideremos las siguientes sustancias: agua, sal (cloruro de sodio) y oxígeno. Las tres están constituidas por moléculas, es decir, si las dividimos hasta obtener la última partícula de agua, sal y oxígeno, lo que tendríamos sería una molécula de cada una de estas sustancias.

Una molécula de agua es la par tícula más pequeña que sigue siendo agua; una molécula de oxígeno es la partícula más pequeña de esta sustancia que sigue siendo oxígeno. En resumen, una molécula es la menor por ción en que la materia puede dividirse por medios físicos conservando las características de las sustancias.

Dada la pequeñez de estas par tículas es difícil imaginar su tamaño; su diámetr o es del orden de diez millonésimos de milímetro. La unidad para medir las moléculas es el angström.

Å = 1

10 000 000mm = 1×10

−10_m

Las dimensiones de las diferentes moléculas dependen de su clase. Para imagi nar su tamaño consideremos una gota agrandada hasta el v olumen de la Tierra, cada molécula de agua tendría aproximadamente el tamaño de una naranja.

En cualquier estado de agregación molecular, éstas no se tocan; entre ellas existen espacios huecos (poros) llamados espacios intermoleculares. La aparente continuidad de la materia se debe al limitado poder separador de nuestros sentidos.

Ahora bien, considerando las moléculas de las sustancias que hemos mencionado como ejemplo (agua, sal y oxígeno), las del agua están formadas por tres partículas más pequeñas; las de sal, por dos y las del o xígeno por dos partículas. Estas partículas que forman las moléculas son los átomos.

La molécula del agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (figura 1.16) la de sal por uno de sodio y otr o de cloro, y la del o xígeno por dos átomos de oxígeno.

Como puedes deducir, las moléculas de agua están formadas por átomos de dis-tinta clase, lo mismo las de sal, ya que estas sustancias son compuestos. Las de oxíge-no, que es un elemento, están formadas por átomos de la misma clase.

En general, los compuestos son sustancias cuyas moléculas están formadas por dos o más tipos de átomos.

Soluciones

El ejemplo mencionado en el apartado “Sustancias” (agua salada), representa lo que en química se llama solución y de acuer do con la figura 1.14, una solución es una mezcla homogénea que puede tener composición v ariable. Fundamentalmente las soluciones constan de dos partes: el disolvente y el soluto. El disolvente es la parte que existe en mayor proporción, y el soluto la que se encuentra en menor pr oporción. Las soluciones pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas, siendo las más comunes las líquidas.

Puede haber soluciones gaseosas, por ejemplo, de gas en gas (air e); de líquido en gas (niebla) y de sólido en gas (humo); líquidas, de gas en líquido (bebidas gaseosas);

2121

1.2

Materia

Figura 1.16 Dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno forman una molécula de agua.

La palabra y su raíz átomo Atoms (latín), y éste del griego atomos, indivisible o no

divisible_.

Unidad más pequeña en que se puede dividir la materia.

O H H2O H 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 21 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 21 4/20/12 12:25:19 PM4/20/12 12:25:19 PM

(31)

Unidad 1

22

de líquido en líquido (alcohol en agua) y de sólido en líquido (sal en agua), y sólidas, de gas en sólido (hidrógeno en platino), de líquido en sólido (amalgama de plata) y de sólido en sólido (acero).

Cuadro 1.2 Algunas aleaciones comunes. Nombre de la

aleación Composición como porcentaje en masa

Usos

Acero inoxidable

Hierro (Fe) 73-79% Cromo (Cr) 14-18% Níquel (Ni) 7-9%

Utensilios de cocina, cuchillos, cubiertas inoxidables Bronce Cobre (Cu) 70-95% Zinc (Zn) 1-25% Estaño (Sn) 1-18% Esculturas, películas Latón Cobre (Cu) 50-80% Zinc (Zn) 20-50% Plateado, adornos Platería Plata (Ag) 92.5% Cobre (Cu) 7.5% Joyería, vajillas Oro de 14 kilates Oro (Au) 58% Plata (Ag) 14-28% Cobre (Cu) 14-28% Joyería Oro blanco de 18 kilates Oro (Au) 75% Plata (Ag) 12.5% Cobre (Cu) 12.5% Joyería Soldadura (para electrónica) Estaño (Sn) 63% Plomo (Pb) 37% Conexiones eléctricas Mezclas

Hemos visto que las soluciones son mezclas homogéneas y en general podemos definir las

mezclas, ya sean homogéneas o heterogéneas, como la materia que resulta de la unión

apa-rente (no química) de dos o más sustancias, las cuales reciben el nombre de componentes. Como característica de las mezclas podríamos mencionar las siguientes:

• Las partes que las forman no pierden sus propiedades originales. • Durante su formación no hay manifestaciones de energía. • La proporción de los componentes es variable.

• Sus componentes se pueden separar por medios físicos.

Métodos de separación de mezclas

Existen varios métodos de separación de mezclas y su uso depende de las características de los componentes que las forman. C uando se aprovecha la diferente densidad de los componentes se emplea la decantación, la filtración o la centrifugación.

Decantación En este método se deja reposar durante cierto tiempo una mezcla de

com-ponentes sólidos y líquidos, para que la acción de la gravedad los separe (figura 1.17).

Filtración Este procedimiento se basa en el empleo de material por oso que retiene

las partículas sólidas, mientras deja pasar el líquido en el que estas partículas estaban en suspensión. Por lo general, el material por oso se acomoda en un embudo para facilitar la separación (figura 1.18).

(32)

2323

1.2

Materia

Centrifugación En ocasiones la sedimentación del sólido es muy lenta y se acelera

mediante la acción de la fuerza centrífuga. Se coloca la mezcla en recipientes que se hacen girar a gran velocidad; los componentes más densos se depositan en el fondo (figura 1.19).

Figura 1.17 Decantación Para separar los componentes de una mezcla, se aprovecha la fuerza de gravedad.

Figura 1.19 Centrífuga eléctrica La fuerza centrífuga acelera la sedimentación de los componentes sólidos de una mezcla. Figura 1.18 Filtración Utiliza un

material poroso para separar partículas sólidas de un líquido.

Hay otros procedimientos en los que se aprovecha el diferente punto de ebullición de los componentes: tales pr ocedimientos son la ev aporación, la sublimación y la destilación.

Evaporación Este método se emplea para separar un sólido de un líquido, cuando

se quiere recuperar el sólido. Simplemente se calienta la mez cla y al ev aporarse el componente líquido queda el sólido en el recipiente.

Arena Agua Aceite Agua Aceite Agua Filtro Embudo 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 23 01-RECIO_QUIMICA_INORG.indd 23 4/20/12 12:25:19 PM4/20/12 12:25:19 PM

(33)

Unidad 1

24

Figura 1.22 Alambique común para la destilación del agua.

Sublimación Este procedimiento se utiliza para separar al yodo de otros materiales

sólidos, ya que el yodo se sublima al calentarlo, es decir, pasa directamente del esta-do sóliesta-do al gaseoso y se condensa en una superficie fría (figura 1.20).

Destilación Este método consta de dos procesos fundamentales: evaporación (paso

de líquido a vapor) y condensación (paso de vapor a líquido). Mediante este proce-dimiento se puede separar un líquido de un sólido, evaporando el líquido y conden-sándolo en un aparato especial llamado r efrigerante. También se puede separar un líquido de otro (agua y acetona), aprovechando sus diferentes puntos de ebullición. Por este método se obtiene el agua químicamente pura, llamada agua destilada. Ob-serva las figuras 1.21 y 1.22.

Figura 1.21 Destilación Mediante procesos de evaporación y condensación se separan los componentes de una mezcla. En dos líquidos, se aprovecha la diferencia entre sus puntos de ebullición.

Termómetro

Residuo

Desagüe

Condesador

Entrada de agua _Destilado

Receptor Trozos de vidrio o porcelana para impedir la ebullición violenta Mechero Rejilla metálica que distribuye el calor Salida de agua fría

Agua destilada Entrada de _{agua fría}

Vapor

Agua en ebullición Figura 1.20 Sublimación Al

calentar el yodo, éste pasa al estado gaseoso y luego se condensa.

(34)

2525

1.2

Materia

Características de los elementos, los compuestos y las mezclas

Manos a la obra Materiales y sustancias • mechero • tubo de ensayo • imán • azufre en polvo (2 g) • limadura de hierro (2 g) Procedimiento

1. Revuelve la mitad del azufre en la mitad del hierro. Ahora tienes: azufre en polvo, hierro en polvo, azufre y hierro revueltos, y sulfuro de hierro.

2. Mezcla parte de la otra mitad del hierro y del azufre y co-lócalo en el tubo de ensayo, ahora caliéntalo con cuidado.

3. Escribe las características que se piden en la tabla de resultados de la página siguiente.

4. Analicemos estas observaciones, en especial, las dos últimas ﬁ las de la tabla mencionada.

a) ¿Es soluble el azufre en bisulfuro de carbono?

____________________________________ ____________________________________

b) ¿Se disuelve el hierro en bisulfuro de carbono?

____________________________________ ____________________________________

c) Del azufre y hierro revueltos ¿qué parte es la que se

disuelve en bisulfuro de carbono?

____________________________________ ____________________________________ Hay otro procedimiento que combina algunos de los ya descritos y que r ecibe el

nombre de separación por solubilidad. Si, por ejemplo, queremos separar una mezcla cuyos componentes sean sal y carbón en polv o, se le agrega agua que disolverá sólo la sal y, más tarde, la mezcla se filtra para separar el carbón, y el líquido filtrado (agua salada) se separa por evaporación.

Hemos mencionado que la sal, el agua y el carbón (carbono cuando es química-mente puro), son sustancias que en general se dividen en compuestos y elementos (véase figura 1.14).

Separación de compuestos

El análisis es el procedimiento químico que permite conocer los constituy entes de un compuesto. La síntesis es un proceso contrario al de análisis y consiste en formar un com-puesto a partir de sustancias más sencillas.

El análisis puede ser cualitativo o cuantitativo. Es cualitativo cuando sólo interesa conocer la clase de constituyentes que forman un compuesto, y cuantitativo cuando se indica la cantidad de esos constituyentes.

Si la cantidad de los constituyentes se da en unidades de volumen, es análisis cuan-titativo volumétrico y si se da en unidades de peso, es análisis cuancuan-titativo gravimétrico.

Cuando se indica que el agua está constituida por hidr ógeno y oxígeno, se ha hecho el análisis cualitativ o de esta sustancia. S i se determina que en el agua, por cada 2 cm3_{de hidrógeno existe 1 cm}3_{de oxígeno, el análisis es cuantitativo}

volumé-trico, y será cuantitativo gravimétrico cuando se indica que por cada gramo de hi-drógeno hay ocho de oxígeno.

(35)

Unidad 1

26

d) ¿Perdió sus propiedades el azufre al revolverse con

el hierro?

____________________________________ ____________________________________

e) ¿Se disuelve el sulfuro de hierro en bisulfuro de

car-bono?

____________________________________ ____________________________________

f ) ¿Perdió sus propiedades el hierro al formar sulfuro

de carbono?

____________________________________ ____________________________________

g) ¿Es atraído el azufre por el imán?

____________________________________

h) ¿Atrae el imán al hierro?

____________________________________

i ) Del azufre y hierro revueltos ¿qué parte es la que

atrae el imán?

____________________________________ ____________________________________

j ) ¿Perdió propiedades el hierro?

____________________________________ ____________________________________

k) ¿Es atraído el sulfuro de hierro por el imán?

____________________________________ ____________________________________

l ) ¿Perdió sus propiedades el hierro al formar esta

sus-tancia?

____________________________________ ____________________________________ 5. Ahora toma la mitad del azufre y hierro revueltos y

colócalos en un tubo de ensayo.

6. Aplícale calor y espera unos minutos. Después compa-ra la sustancia que se formó con el sulfuro de hierro que tienes. ¿Es la misma sustancia?

____________________________________ ____________________________________ 7. Acércale un imán.

a) ¿Es atraída por el imán la sustancia que formaste?

____________________________________ ____________________________________

b) ¿Hubo desprendimiento de energía cuando ésta se

formó?

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c) ¿Conservó el hierro sus propiedades?

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Azufre Hierro Azufre y hierro revueltos Sulfuro de hierro

Color Olor

¿Se disuelve el bisulfuro de carbono?

¿Es atraída por el imán?