CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1. Química, definición y clasificación ............................................. 17 1.2. La química como ciencia y como tecnología .............................. 18 1.3. Panorama de su evolución histórica ............................................ 20 1.4. Sistemas materiales: materia, cuerpo, sustancia. Propiedades .... 37 1.5. Componentes y fases .................................................................... 37 1.6. Separación y fraccionamiento ...................................................... 38 1.7. Combinación y descomposición. Leyes fundamentales: gravimétricas y volumétricas ...................................................... 40 1.8. Hipótesis atómica y molecular. Atomicidad ................................ 41 1.9. Constante de Avogadro. Mol, masa atómica ............................... 42 1.10. Fórmulas químicas. Fórmulas moleculares. Masa molecular. Composición centesimal ........................................................... 47 1.11. Ecuaciones químicas .................................................................. 50 1.12. Compuestos binarios y seudobinarios: óxidos, hidróxidos, ácidos, sales. Nomenclatura ...................................................... 52 1.13. Estequiometría ........................................................................... 57 1.14. Pureza, rendimiento ................................................................... 62 Apéndice 1.1: Referencia a los premios Nóbel ............................... 64 Premios Nóbel de Química ................................................................. 64 Premios Nóbel de Física ..................................................................... 72 Apéndice 1.2: El Sistema Internacional de Unidades ................... 83 Antecedentes ....................................................................................... 83 Las dos clases de unidades SI ............................................................. 84 Unidades SI. Definiciones .................................................................. 85 Símbolos .............................................................................................. 89
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Unidades derivadas. Expresiones ....................................................... 89 Observaciones ..................................................................................... 90 Recomendaciones ................................................................................ 91 Múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI. Prefijos SI . 92 Recomendaciones ................................................................................ 93 El kilogramo ........................................................................................ 93 Unidades fuera del SI .......................................................................... 93 Apéndice 1.3: Medidas, precisión y tratamiento de los datos ...... 97 Introducción ........................................................................................ 97 Cifras ciertas e inciertas. Cifras significativas ................................... 98 Precisión y exactitud ........................................................................... 99 Errores ............................................................................................... 101 Consideraciones estadísticas ............................................................. 103 Reglas para los cálculos .................................................................... 110 Procedimientos gráficos .................................................................... 112 Apéndice 1.4: Constantes y equivalencia de unidades ................ 118 Algunas constantes físicas universales ..............................................118 Factores de conversión o equivalencias de: volumen y capacidad ...118 Longitud .............................................................................................119 Masa ...................................................................................................119 Presión ................................................................................................119 Calor, energía, trabajo ....................................................................... 120 Potencia ............................................................................................. 120 Conversión de temperaturas.............................................................. 120 Ejercicios y problemas .................................................................... 121 CAPÍTULO 2: ESTRUCTURA DE LA MATERIA 2.1. Introducción ............................................................................... 133 2.2. Evidencias experimentales que demuestran la existencia de los átomos ........................................................................................ 135 2.3. Rayos catódicos .......................................................................... 136 2.4. Iones ........................................................................................... 139
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2.5. Rayos X ...................................................................................... 141 2.6. Radiactividad ............................................................................. 141 2.7. Dispersión de los rayos α ........................................................... 142 2.8. Materia y energía ........................................................................ 144 2.9. Espectro de la radiación electromagnética ................................ 146 2.10. Interacción entre la energía radiante y la materia. Espectros .. 148 2.11. Cuantos ..................................................................................... 152 2.12. Efecto fotoeléctrico .................................................................. 157 2.13. Constitución del átomo. Partículas elementales ...................... 159 2.14. Nociones sobre el núcleo del átomo ........................................ 160 2.15. Número atómico, número másico, isótopos, isóbaros ............ 160 2.16. Nociones sobre fisión y fusión nuleares .................................. 168 2.17. Reacciones en cadena .............................................................. 171 Apéndice 2.1: La Química y el núcleo atómico ............................ 172 1. Ubicación ...................................................................................... 172 2. Radiactividad ................................................................................ 173 3.detección......................................................................................... 177 4. Velocidad de desintegración ......................................................... 182 5. Barrera de potencial ...................................................................... 183 6. Aceleradores de partículas. Primera reacción nuclear inducida ... 185 7. Constitución nuclear ..................................................................... 186 8. Radiactividad artificial (o inducida) ............................................. 187 9. La fisión del núcleo ....................................................................... 188 10. Reacciones en cadena ................................................................. 191 11. Los elementos transuránicos ....................................................... 192 12. Estabilidad nuclear ...................................................................... 193 2.13. Clasificación de las reacciones nucleares ................................ 195 14. La energía en las reacciones nucleares ....................................... 203 15. Energía de enlace nuclear ........................................................... 203 16. Aplicaciones de las reacciones nucleares ................................... 205 Aplicaciones ¿curiosas? .................................................................... 217 Apéndice 2.2: El señor Aguirre sueña el espectro electromagnético .............................................................................. 218 Ejercicios y problemas .................................................................... 222
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CAPÍTULO 3: ESTRUCTURAS ATÓMICA Y MOLECULAR 3.1. Modelos atómicos: breve reseña de su evolución histórica ...... 233 3.2. Nociones sobre el modelo mecánico-cuántico .......................... 234 3.3. Niveles electrónicos de energía; espectros de absorción y de emisión. Niveles fundamental y excitados ............................... 236 3.4. Números cuánticos ..................................................................... 240 3.5. Mecánica ondulatoria ................................................................. 243 3.6. Principio de indeterminación ..................................................... 250 3.7. Orbitales atómicos ..................................................................... 252 3.8. Principio de exclusión ................................................................ 258 3.9. Principio de multiplicidad máxima ........................................... 259 3.10. Configuraciones electrónicas ................................................... 259 3.11. Energía de ionización ............................................................... 260 3.12. Clasificación periódica ............................................................ 264 3.13 Estructura atómica y clasificación periódica ............................ 268 3.14. Propiedades periódicas ............................................................ 275 3.15. Volumen atómico ..................................................................... 275 3.16. Radio atómico .......................................................................... 277 3.17. Radio iónico ............................................................................. 279 3.18. Valencia .................................................................................... 279 3.19. Electronegatividad ................................................................... 283 3.20. Afinidad electrónica ................................................................. 284 3.21. Noción de enlace químico ....................................................... 287 3.22. Enlace iónico ............................................................................ 288 3.23. Enlace covalente ...................................................................... 293 3.24. Hibridación ............................................................................... 297 3.25. Covalencia coordinada ............................................................. 303 3.26. Resonancia ............................................................................... 304 3.27. Enlace metálico ........................................................................ 305 3.28. Dipolos ..................................................................................... 307 3.29. Enlace de hidrógeno ................................................................. 311 2.30. Fuerzas de Van der Waals ........................................................ 312 Apéndice 3.1: Función de ondas ψ ................................................ ................................................313 Apéndice 3.2: Escala de electronegatividades (Pauling) ............. 314 Ejercicios y problemas .................................................................... 315
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CAPÍTULO 4: GASES 4.1. Introducción ............................................................................... 323 4.2. Gases. Definiciones.................................................................... 323 4.3. Volumen ..................................................................................... 326 4.4. Temperatura ................................................................................ 327 4.5. Presión ........................................................................................ 328 4.6. Ley de Boyle-Mariotte ............................................................... 330 4.7. Ley de Charles-Gay-Lussac ....................................................... 333 4.8. Ley de Avogadro ........................................................................ 336 4.9. Ecuación general de estado ........................................................ 337 4.10. Ley de Dalton ........................................................................... 340 4.11. Ley de Graham ......................................................................... 342 4.12. Teoría cinético-molecular ........................................................ 343 4.13. Desviaciones respecto de la ley de Boyle-Mariotte ............... 348 4.14. Desviaciones respecto de la ley de Charles-Gay-Lussac ........ 350 4.15. Desviaciones respecto de la ley de Avogadro .......................... 351 4.16. Desviaciones respecto de la ley de Dalton .............................. 351 4.17. Ecuación de Van der Waals ...................................................... 352 4.18. Licuación de gases ................................................................... 355 4.19. Regla de Cailletet y Mathias .................................................... 357 4.20. Transición del estado gaseoso (vapor) al líquido .................... 360 4.21. Parámetros críticos ................................................................... 362 Apéndice 4.1: Determinación de las constantes de Van der Waals. Para temperaturas subcríticas .......................................... 364 Fundamentos del método .................................................................. 365 Cálculo .............................................................................................. 366 Ejercicios y problemas .................................................................... 367 CAPÍTULO 5: LÍQUIDOS 5.1. Líquidos ideales ......................................................................... 377 5.2. Presión de vapor ......................................................................... 378 5.3. Ecuación de Clapeyron-Clausius ............................................... 383 5.4. Ebullición ................................................................................... 385 5.5. Tonometría ................................................................................. 388 5.6. Puntos de fusión y de ebullición ................................................ 389
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5.7. Viscosidad .................................................................................. 395 5.8. Tensión superficial ..................................................................... 400 5.9. Nociones sobre estructura de los líquidos ................................. 404 Apéndice 5.1: Ecuación de Clapeyron-Clausius. ......................... 405 Apéndice 5.2: Eudiometría............................................................. 407 Ejercicios y problemas .................................................................... 408 CAPÍTULO 6: SÓLIDOS 6.1. Nociones sobre estructuras cristalinas ....................................... 415 6.2. Dispersión de rayos X ................................................................ 415 6.3. Empaquetamiento ...................................................................... 418 6.4. Número de coordinación. Poliedro de coordinación ................. 422 6.5. Sistemas cristalinos .................................................................... 423 6.6. Elementos de simetría ................................................................ 423 6.7. Ejes cristalográficos. Parámetros. Símbolos ............................. 425 6.8. Notaciones de Weiss y de Miller ............................................... 426 6.9. Sistemas cristalográficos............................................................ 427 6.10. Defectos en los sólidos cristalinos ........................................... 427 6.11. Tipos de sólidos ........................................................................ 431 6.12. Sólidos no cristalinos ............................................................... 434 6.13. Isomorfismo. Polimorfismo ..................................................... 435 6.14. Otras redes ................................................................................ 435 Apéndice 6.1: Radios críticos ......................................................... 438 Número de coordinación 3 ................................................................ 438 Número de coordinación 4 ................................................................ 438 Número de coordinación 6 ................................................................ 439 Número de coordinación 8 ................................................................ 439 Apéndice 6.2. Redes de Bravais ..................................................... 441 Apéndice 6.3: Semiconductores ..................................................... 443 Apéndice 6.4: Sólidos no cristalinos .............................................. 445 Apéndice 6.5: Cristales líquidos .................................................... 449 Ejercicios y problemas .................................................................... 451
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CAPÍTULO 7: EQUILIBRIO FÍSICO 7.1. Introducción ............................................................................... 457 7.2. Equilibrios .................................................................................. 457 7.3. Cambios de estado ..................................................................... 458 7.4. Gráfica de calentamiento ........................................................... 459 7.5. Conceptos de sistema y de fase ................................................. 461 7.6. Diagrama de fases. Punto triple. Diagrama de fases del agua .. 465 7.7. Grados de libertad. Componentes. Regla de las fases ............... 469 7.8. Aplicaciones de la regla de las fases .......................................... 474 Ejercicios y problemas .................................................................... 480 CAPÍTULO 8: SOLUCIONES 8.1. Introducción ............................................................................... 487 8.2. Tipos de soluciones .................................................................... 487 8.3. Concentración ............................................................................ 488 8.4. Solubilidad ................................................................................. 494 8.5. Solubilidad de sólidos en líquidos. Ley de Raoult .................... 498 8.6. Propiedades coligativas .............................................................. 500 8.7. Ebulloscopía ............................................................................... 509 8.8. Crioscopía .................................................................................. 509 8.9. Factor «i» de Van’t Hoff ............................................................. 510 8.10. Soluciones ideales .................................................................... 512 8.11. Distribución de un soluto entre solventes no miscibles .......... 512 8.12. Soluciones de líquidos en líquidos .......................................... 514 8.13. Diagramas de ebullición .......................................................... 519 8.14. Soluciones de líquidos parcialmente miscibles ....................... 521 8.15. Soluciones de líquidos casi completamente inmiscibles ........ 524 8.16. Soluciones de gases en líquidos. Ley de Henry ...................... 524 8.17. Soluciones de gases en gases ................................................... 526 8.18. Soluciones de sólidos en sólidos ............................................. 527 Apéndice 8.1: Ósmosis inversa ...................................................... 529 Apéndice 8.2: Soluciones coloidales .............................................. 533 Ejercicios y problemas .................................................................... 538
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CAPÍTULO 9: TERMODINÁMICA 9.1. Introducción ............................................................................... 553 9.2. Termodinámica ........................................................................... 553 9.3. Principio cero de la termodinámica ........................................... 554 9.4. Equivalencia entre calor y trabajo ............................................. 555 9.5. Energía. Formas ......................................................................... 556 9.6. Primer principio de la termodinámica. Energía interna ............ 557 9.7. Temperatura y calor .................................................................... 561 9.8. Capacidad calorífica. Ecuaciones polinómicas ......................... 561 9.9. Noción de entalpía ..................................................................... 567 9.10. Calor de las reacciones químicas ............................................. 568 9.11. Ecuaciones termoquímicas ...................................................... 573 9.12. Leyes termoquímicas ............................................................... 576 9.13. Calor de formación .................................................................. 578 9.14. Calor de combustión ................................................................ 579 9.15. Calor de hidrogenación ............................................................ 584 9.16. Efecto de la temperatura sobre el calor de reacción ................ 585 9.17. Cambios de fase ....................................................................... 587 9.18. Calores de disolución y de dilución ......................................... 591 9.19. Calor de neutralización ............................................................ 593 9.20. Calor de ionización .................................................................. 593 9.21. Energías de enlace y calor de reacción .................................... 595 9.22. Espontaneidad de las reacciones químicas .............................. 598 9.23. Segundo principio de la termodinámica. Entropía .................. 599 9.24. Energía libre de Gibbs ............................................................. 602 Apéndice 9.1: Combustión ............................................................. 606 Combustible ...................................................................................... 606 Poder calorífico ................................................................................. 607 Aire .................................................................................................... 608 Combustión ....................................................................................... 610 Clases de combustión ........................................................................ 611 Combustión perfecta teórica ............................................................. 612 Combustión perfecta con aire en exceso .......................................... 613 Combustión imperfecta ..................................................................... 613
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Combustión incompleta .................................................................... 615 Comparación entre las distintas clases de combustión .................... 616 Ejercicios y problemas .................................................................... 617 CAPÍTULO 10: CINÉTICA QUÍMICA 10.1. Introducción ............................................................................. 627 10.2. Velocidad de reacción. Orden .................................................. 628 10.3. Determinación del orden de una reacción ............................... 632 10.4. Reacciones de primer orden ..................................................... 634 10.5. Vida media ............................................................................... 635 10.6. Determinación del orden (reaciones de primer orden) ............ 638 10.7. Reacciones de segundo orden .................................................. 640 10.8. Determinación del orden (reaciones de segundo orden) ......... 643 10.9. Variación de la velocidad de reacción con la temperatura ...... 645 10.10. Mecanismo de las reacciones químicas ................................. 647 10.11. Complejo activado. Energía de activación ............................ 648 10.12. Mecanismo de reacciones en etapas ...................................... 652 10.13. Catálisis .................................................................................. 654 10.14. Reacciones fotoquímicas ....................................................... 656 Ejercicios y problemas .................................................................... 659 CAPÍTULO 11: EQUILIBRIO QUÍMICO 11.1. Introducción ............................................................................. 673 11.2. Ley de acción de masas ............................................................ 674 11.3. Ecuación del equilibrio químico .............................................. 675 11.4. Constante de equilibrio de casos especiales ............................ 682 11.5. Constante de equilibrio de sistemas gaseosos ......................... 684 11.6. Constante de equilibrio de sistemas con fases sólidas ............ 686 11.7. Desplazamiento del equilibrio ................................................. 687 11.8. Agregado de una sustancia inerte a un sistema en equilibrio .. 688 11.9. Ecuación de Van’t Hoff ............................................................ 690 11.10. Principio de Le Chatelier-Braun ............................................ 692 11.11. Cociente de reacción .............................................................. 694 Ejercicios y problemas .................................................................... 696
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CAPÍTULO 12: EQUILIBRIO EN SOLUCIÓN 12.1. Introducción ............................................................................. 705 12.2. Constantes de equilibrio en solución ....................................... 705 12.3. Electrólitos y no electrólitos .................................................... 708 12.4. Disociación iónica .................................................................... 709 12.5. Grado de disociación ............................................................... 711 12.6. Disociación de ácidos y bases.................................................. 716 12.7. Disociación de iones complejos .............................................. 720 12.8. Producto de solubilidad ........................................................... 722 12.9. Efecto del ión común ............................................................... 723 12.10. Predicción de insolubilidad ................................................... 725 12.11. Separación de iones por precipitación ................................... 726 12.12. Ácidos y bases. Teorías .......................................................... 727 12.13. Ionización del agua. Escala de pH ......................................... 732 12.14. Reacciones ácido-base. Neutralización ................................. 735 12.15. Hidrólisis ................................................................................ 739 12.16. Soluciones amortiguadoras .................................................... 742 12.17. Titulaciones. Indicadores ....................................................... 745 12.18. Curvas de titulación ............................................................... 747 Ejercicios y problemas .................................................................... 751 CAPÍTULO 13: REACCIONES REDOX 13.1. Introducción ............................................................................. 763 13.2. Oxidación. Reducción .............................................................. 763 13.3. Reacciones Redox .................................................................... 765 13.4. Agentes oxidante y reductor .................................................... 766 13.5. El número de oxidación ........................................................... 767 13.6. Método de ajuste de ecuaciones químicas ............................... 771 13.7. Intensidad del poder oxidante y reductor ................................ 773 13.8. Potenciales: definiciones y convención de signos................... 774 13.9. Pilas. Hemirreacciones, hemipilas; electrodos ........................ 779 13.10. Pilas patrón ............................................................................. 786 13.11. Influencia de la concentración del electrólito sobre la fem de una pila .............................................................................. 787 13.12. Influencia de la temperatura sobre la fem de una pila .......... 790 13.13. Fuentes químicas de corriente eléctrica ................................. 791
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13.14. Pilas de combustible .............................................................. 793 13.15. Potenciales de oxidación-reducción ...................................... 794 13.16. Predicción de las reacciones Redox ...................................... 795 Ejercicios y problemas .................................................................... 798 CAPÍTULO 14: ELECTROQUÍMICA 14.1. Introducción ............................................................................. 807 14.2. Conductores. Clases ................................................................. 807 14.3. Reacciones electroquímicas ..................................................... 808 14.4. Leyes de la electrólisis o de Faraday ....................................... 809 15.5. Conductividad eléctrica ........................................................... 812 14.6. Conductividad eléctrica equivalente........................................ 814 14.7. Conductividad eléctrica de sales fundidas .............................. 816 14.8. Conductividad eléctrica de sales sólidas ................................. 817 14.9. Cinética elecctroqímica............................................................ 817 14.10. Polarización ............................................................................ 818 14.11. Sobretensión ........................................................................... 821 14.12. Pasividad ................................................................................ 825 14.13. Deposición electrolítica de metales ....................................... 827 14.14. Electrólisis de sales fundidas ................................................. 828 14.15. Electrólisis de sales disueltas ................................................. 830 Apéndice 14.1: Corrosión ............................................................... 833 1. Introducción .................................................................................. 833 2. Tipos de corrosión ......................................................................... 833 3. Mecanismo básico del proceso de corrosión ................................ 835 4. Formas de corrosión. ..................................................................... 837 Apéndice 14.2: Determinación de la conductividad de electrolitos ........................................................................................ 842 Ejercicios y problemas .................................................................... 845 Glosario de términos y expresiones .............................................. 849 Respuestas a la ejercitación propuesta ......................................... 897 Fichas del ejercicio especial de la página 179 .............................. 907