Factores de conversión Longitud m cm km 1 metro 1 10 2 10 −3 1 centímetro 10 −2 1 10 −5 1 kilómetro 10 3 10 5 1 1 pulgada 2,540 × 10 −2 2,540 2,540 × 10 −5 1 pie 0,3048 30,48 3,048 × 10 −4 1 milla 1.609 1,609 × 10 4 1,609 1 angstrom 10 −10 1 fermi 10 −15 1 año luz 9,460 × 10 12 in ft mi 1 metro 39,37 3,281 6,214 × 10 −4 1 centímetro 0,3937 3,281 × 10 −2 6,214 × 10 −6 1 kilómetro 3,937 × 10 4 3,281 × 10 3 0,6214 1 pulgada 1 8,333 × 10 −2 1,578 × 10 −5 1 pie 12 1 1,894 × 10 −4 1 milla 6,336 × 10 4 5.280 1 Área 1 cm 2 = 0,155 in 2 1 m 2 = 10 4 cm 2 = 10,76 ft 2 1 in 2 = 6,452 cm 2 1 ft 2 = 144 in 2 = 0,0929 m 2 Volumen 1 litro = 1.000 cm 3 = 10 −3 m 3 = 0,03531 ft 3 = 61,02 in 3 1 ft 3 = 0,02832 m 3 = 28,32 litros = 7,477 galones 1 galón = 3,788 litros Tiempo s min h día año 1 segundo 1 1,667 × 10 −2 2,778 × 10 −4 1,157 × 10 −5 3,169 × 10 −8 1 minuto 60 1 1,667 × 10 −2 6,944 × 10 −4 1,901 × 10 −6 1 hora 3.600 60 1 4,167 × 10 −2 1,141 × 10 −4 1 día 8,640 × 10 4 1.440 24 1 2,738 × 10 −3 1 año 3,156 × 10 7 5,259 × 10 5 8,766 × 10 3 365,25 1 Velocidad m/s cm/s ft/s mi/h 1 metro/segundo 1 10 2 3,281 2,237 1 centímetro/segundo 10 −2 1 3,281 × 10 −2 2,237 × 10 −2 1 pie/segundo 0,3048 30,48 1 0,6818 1 milla/hora 0,4470 44,70 1,467 1 Aceleración 1 m/s 2 = 100 cm/s 2 = 3,281 ft/s 2 1 cm/s 2 = 0,01 m/s 2 = 0,03281 ft/s 2 1 ft/s 2 = 0,3048 m/s 2 = 30,48 cm/s 2 1 mi/h · s = 1,467 ft/s 2 Masa kg g slug u 1 kilogramo 1 10 3 6,852 × 10 −2 6,024 × 10 26 1 gramo 10 −3 1 6,852 × 10 −5 6,024 × 10 23 1 slug 14,59 1,459 × 10 4 1 8,789 × 10 27 1 unidad de masa atómica 1,661 × 10 −27 1,661 × 10 −24 1,138 × 10 −28 1 1 tonelada métrica 1.000 Fuerza N dina lb 1 newton 1 10 5 0,2248 1 dina 10 −5 1 2,248 × 10 −6 1 libra 4,448 4,448 × 10 5 1 Presión Pa dina/cm 2 atm cmHg lb/in 2 * Donde la aceleración debido a la gravedad es 9,80665 m/s 2 y la temperatura es 0 ° C 1 pascal 1 10 9,869 × 10 −6 7,501 × 10 −4 1,450 × 10 −4 1 dina/centímetro 2 10 −1 1 9,869 × 10 −7 7,501 × 10 −5 1,450 × 10 −5 1 atmósfera 1,013 × 10 5 1,013 × 10 6 1 76 14,70 1 centímetro de mercurio* 1,333 × 10 3 1,333 × 10 4 1,316 × 10 −2 1 0,1934 1 libra/pulgada 2 6,895 × 10 3 6,895 × 10 4 6,805 × 10 −2 5,171 1 1 bar 10 5 1 torr 1 (mmHg) Trabajo, energía, calor J erg ft.lb 1 julio 1 10 7 0,7376 1 erg 10 −7 1 7,376 × 10 −8 1 pie-libra 1,356 1,356 × 10 7 1 1 electronvoltio 1,602 × 10 −19 1,602 × 10 -12 1,182 × 10 −19 1 caloría 4,186 4,186 × 10 7 3,088 1 unidad térmica británica 1,055 × 10 3 1,055 × 10 10 7,779 × 10 2 1 kilovatio-hora 3,600 × 10 6 eV cal Btu 1 julio 6,242 × 10 18 0,2389 9,481 × 10 −4 1 erg 6,242 × 10 11 2,389 × 10 −8 9,481 × 10 −11 1 pie-libra 8,464 × 10 18 0,3239 1,285 × 10 −3 1 electronvoltio 1 3,827 × 10 −20 1,519 × 10 −22 1 caloría 2,613 × 10 19 1 3,968 × 10 −3 1 unidad térmica británica 6,585 × 10 21 2,520 × 10 2 1 Potencia 1 W = 1 J/s 1 hp = 746 W = 550 ft · lb/s 1 Btu/h = 0,293 W Ángulo 1 rad = 57,30 ° = 180 ° / π 1 ° = 0,01745 rad = π / 180 rad 1 revolución = 360 ° = 2 π rad 1 rev./min ( rpm ) = 0,1047 rad/s

Ciencia


Constantes fundamentales Constantes fundamentales Cantidad Símbolo Valor Unidad de masa atómica u 1,660 538 782 ( 83 ) × 10 −27 kg 931,494 028 ( 23 ) MeV/ c 2 Número de Avogadro N A 6,02214076 × 10 23 mol recíproco ( mol –1 ) Magnetón de Bohr μ B = e ℏ 2 m e 9,274 009 15 ( 23 ) × 10 −24 J/T Radio de Bohr a 0 = ℏ 2 m e e 2 k e 5,291 772 085 9 ( 36 ) × 10 −11 m La constante de Boltzmann k B = R N A 1,380649 × 10 –23 julio por kelvin ( J ⋅ K –1 ) Longitud de onda Compton λ C = h m e c 2,426 310 217 5 ( 33 ) × 10 −12 m Constante de Coulomb k e = 1 4 π ε 0 8,987 551 788... × 10 9 N · m 2 /C 2 ( exactamente ) Masa de deuterón| m d 3,343 583 20 ( 17 ) × 10 −27 kg 2,013 553 212 724 ( 78 ) u 1875,612 859 MeV/ c 2 Masa del electrón m e 9,109 382 15 ( 45 ) × 10 −31 kg 5,485 799 094 3 ( 23 ) × 10 −4 u 0,510 998 910 ( 13 ) MeV/ c 2 Voltaje de electrón eV 1,602 176 487 ( 40 ) × 10 −19 J Cargo elemental e 1,602176634 × 10 −19 C Constante universal de los gases ideales R 8,314 472 ( 15 ) J/mol · K Constante gravitacional G 6,674 28 ( 67 ) × 10 −11 N · m 2 /kg 2 Masa de neutrón m n 1,674 927 211 ( 84 ) × 10 −27 kg 1,008 664 915 97 ( 43 ) u 939,565 346 ( 23 ) MeV/ c 2 Magnetón nuclear μ n = e ℏ 2 m p 5,050 783 24 ( 13 ) × 10 −27 J/T Permeabilidad del espacio libre μ 0 4 π × 10 −7 T · m/A ( exactamente ) Permeabilidad del espacio libre ε 0 = 1 μ 0 c 2 8,854 187 817... × 10 −12 C 2 / N · m 2 ( exactamente ) Constante de Planck h ℏ = h 2 π 6,62607015 × 10 −34 kg · m 2 · s –1 1,05457182 × 10 −34 kg · m 2 · s –1 Masa de protón m p 1,672 621 637 ( 83 ) × 10 −27 kg 1,007 276 466 77 ( 10 ) u 938,272 013 ( 23 ) MeV/ c 2 Constante de Rydberg R H 1,097 373 156 852 7 ( 73 ) × 10 7 m −1 Velocidad de la luz en el vacío c 2,997 924 58 × 10 8 m/s ( exactamente ) Nota: Estas constantes son los valores recomendados en 2006 por el Comité de Información para Ciencia y Tecnología (Committee on Data for Science and Technology, CODATA), basados en un ajuste por mínimos cuadrados de los datos de diferentes mediciones. Los números entre paréntesis de los valores representan las imprecisiones de los dos últimos dígitos. Combinaciones útiles de constantes para los cálculos: h c = 12.400 eV · Å = 1.240 eV · nm = 1.240 MeV · fm ℏ c = 1.973 eV · Å = 197,3 eV · nm = 197,3 MeV · fm k e e 2 = 14,40 eV · Å = 1,440 eV · nm = 1,440 MeV · fm k B T = 0,02585 eV en T = 300 K

Ciencia


Datos astronómicos Datos astronómicos Objeto celestial Distancia media al Sol (millones de km) Periodo de revolución (d = días) (y = años) Periodo de rotación en el ecuador Excentricidad de la órbita Sol – – 27 d – Mercurio 57,9 88 d 59 d 0,206 Venus 108,2 224,7 d 243 d 0,007 Tierra 149,6 365,25 d 23 h 56 min 4 s 0,017 Marte 227,9 687 d 24 h 37 min 23 s 0,093 Júpiter 778,4 11,9 y 9 h 50 min 30 s 0,048 Saturno 1.426,7 29,5 y 10 h 14 min 0,054 Urano 2.871,0 84,0 y 17 h 14 min 0,047 Neptuno 4.498,3 164,8 y 16 h 0,009 La Luna de la Tierra 149,6 (0,386 desde la Tierra) 27,3 d 27,3 d 0,055 Objeto celestial Diámetro ecuatorial (km) Masa (Tierra = 1) Densidad (g/cm 3 ) Sol 1.392.000 333.000 1,4 Mercurio 4.879 0,06 5,4 Venus 12.104 0,82 5,2 Tierra 12.756 1,00 5,5 Marte 6.794 0,11 3,9 Júpiter 142.984 317,83 1,3 Saturno 120.536 95,16 0,7 Urano 51.118 14,54 1,3 Neptuno 49.528 17,15 1,6 La Luna de la Tierra 3.476 0,01 3,3 Otros datos: Masa de la Tierra: 5,97 × 10 24 kg Masa de la Luna: 7,36 × 10 22 kg Masa del Sol: 1,99 × 10 30 kg

Ciencia


Fórmulas matemáticas Fórmula cuadrática Si a x 2 + b x + c = 0 , entonces x = – b ± b 2 – 4 a c 2 a Geometría Triángulo de base b y altura h Área = 1 2 b h Círculo de radio r Circunferencia = 2 π r Área = π r 2 Esfera de radio r Superficie = 4 π r 2 Volumen = 4 3 π r 3 Cilindro de radio r y altura h Superficie curva = 2 π r h Volumen = π r 2 h Trigonometría Identidades trigonométricas sen θ = 1 / csc θ cos θ = 1 / sec θ tan θ = 1 / cot θ sen ( 90 0 – θ ) = cos θ cos ( 90 0 – θ ) = sen θ tan ( 90 0 – θ ) = cot θ sen 2 θ + cos 2 θ = 1 sec 2 θ – tan 2 θ = 1 tan θ = sen θ / cos θ sen ( α ± β ) = sen α cos β ± cos α sen β cos ( α ± β ) = cos α cos β ∓ sen α sen β tan ( α ± β ) = tan α ± tan β 1 ∓ tan α tan β sen 2 θ = 2 sen θ cos θ cos 2 θ = cos 2 θ – sen 2 θ = 2 cos 2 θ – 1 = 1 – 2 sen 2 θ sen α + sen β = 2 sen 1 2 ( α + β ) cos 1 2 ( α – β ) cos α + cos β = 2 cos 1 2 ( α + β ) cos 1 2 ( α – β ) Triángulos Ley de los senos: a sen α = b sen β = c sen γ Ley de los cosenos: c 2 = a 2 + b 2 – 2 a b cos γ Teorema de Pitágoras: a 2 + b 2 = c 2 Ampliaciones de la serie Teorema del binomio ( a + b ) n = a n + n a n – 1 b + n ( n – 1 ) a n – 2 b 2 2 ! + n ( n – 1 ) ( n – 2 ) a n – 3 b 3 3 ! + ··· ( 1 ± x ) n = 1 ± n x 1 ! + n ( n – 1 ) x 2 2 ! ± ··· ( x 2 < 1 ) ( 1 ± x ) – n = 1 ∓ n x 1 ! + n ( n + 1 ) x 2 2 ! ∓ ··· ( x 2 < 1 ) sen x = x – x 3 3 ! + x 5 5 ! – ··· cos x = 1 – x 2 2 ! + x 4 4 ! – ··· tan x = x + x 3 3 + 2 x 5 15 + ··· e x = 1 + x + x 2 2 ! + ··· ln ( 1 + x ) = x – 1 2 x 2 + 1 3 x 3 – ··· ( | x | < 1 ) Derivadas d d x [ a f ( x ) ] = a d d x f ( x ) d d x [ f ( x ) + g ( x ) ] = d d x f ( x ) + d d x g ( x ) d d x [ f ( x ) g ( x ) ] = f ( x ) d d x g ( x ) + g ( x ) d d x f ( x ) d d x f ( u ) = [ d d u f ( u ) ] d u d x d d x x m = m x m – 1 d d x sen x = cos x d d x cos x = – sen x d d x tan x = sec 2 x d d x cot x = – csc 2 x d d x sec x = tan x sec x d d x csc x = – cot x csc x d d x e x = e x d d x ln x = 1 x d d x sen −1 x = 1 1 – x 2 d d x cos −1 x = – 1 1 – x 2 d d x tan −1 x = 1 1 + x 2 Integrales ∫ a f ( x ) d x = a ∫ f ( x ) d x ∫ [ f ( x ) + g ( x ) ] d x = ∫ f ( x ) d x + ∫ g ( x ) d x ∫ x m d x = x m + 1 m + 1 ( m ≠ – 1 ) = ln x ( m = −1 ) ∫ sen x d x = – cos x ∫ cos x d x = sen x ∫ tan x d x = ln | sec x | ∫ sen 2 a x d x = x 2 – sen 2 a x 4 a ∫ cos 2 a x d x = x 2 + sen 2 a x 4 a ∫ sen a x cos a x d x = – cos 2 a x 4 a ∫ e a x d x = 1 a e a x ∫ x e a x d x = e a x a 2 ( a x – 1 ) ∫ ln a x d x = x ln a x – x ∫ d x a 2 + x 2 = 1 a tan −1 x a ∫ d x a 2 – x 2 = 1 2 a ln | x + a x – a | ∫ d x a 2 + x 2 = senh −1 x a ∫ d x a 2 – x 2 = sen −1 x a ∫ a 2 + x 2 d x = x 2 a 2 + x 2 + a 2 2 senh −1 x a ∫ a 2 – x 2 d x = x 2 a 2 – x 2 + a 2 2 sen −1 x a

Ciencia


El alfabeto griego El alfabeto griego Nombre Mayúsculas Minúsculas Nombre Mayúsculas Minúsculas Alpha A α Nu N ν Beta B β Xi Ξ ξ Gamma Γ γ Ómicron O ο Delta Δ δ Pi Π π Épsilon E ε Rho P ρ Zeta Z ζ Sigma Σ σ Eta H η Tau T τ Theta Θ θ Ípsilon ϒ υ lota I ι Phi Φ ϕ Kappa K κ Chi X χ Lambda Λ λ Psi ψ ψ Mu M μ Omega Ω ω

Ciencia


Prefacio Bienvenido a Química 2ed , un recurso de OpenStax. Este libro de texto fue escrito para aumentar el acceso de los estudiantes a materiales de aprendizaje de alta calidad, a la vez que se mantienen los más altos estándares de rigor académico a bajo costo o sin costo alguno. Acerca de OpenStax OpenStax es una organización sin fines de lucro con sede en la Universidad de Rice. Nuestra misión es mejorar el acceso de los estudiantes a la educación. Nuestro primer libro de texto universitario con licencia abierta se publicó en 2012, y desde entonces nuestra biblioteca se ha ampliado a más de 25 libros para cursos universitarios y de Colocación Avanzada (Advanced Placement, AP ® ) utilizados por cientos de miles de estudiantes. OpenStax Tutor, nuestra herramienta de aprendizaje personalizado de bajo costo, se utiliza en cursos universitarios de todo el país. A través de nuestras asociaciones con fundaciones filantrópicas y nuestra alianza con otras organizaciones de recursos educativos, OpenStax rompe las barreras más comunes para el aprendizaje y capacita a estudiantes e instructores para tener éxito. Sobre los recursos de OpenStax Personalización Química 2ed está bajo una licencia de Creative Commons Atribución 4.0 International (CC BY), lo que significa que se puede distribuir, remezclar y construir sobre el contenido, siempre y cuando se proporcione la atribución a OpenStax y sus colaboradores de contenido. Dado que nuestros libros tienen licencia abierta, usted es libre de utilizar todo el libro o de elegir las secciones que sean más relevantes para las necesidades de su curso. Siéntase libre de remezclar el contenido asignando a sus estudiantes determinados capítulos y secciones de su programa de estudios, en el orden que usted prefiera. Incluso puede proporcionar un enlace directo en su programa de estudios a las secciones en la vista web de su libro. Los instructores también tienen la opción de crear una versión personalizada de su libro de OpenStax. La versión personalizada puede ponerse a disposición de los estudiantes en formato impreso o digital de bajo costo a través de la librería de su campus. Visite la sección de Recursos para instructores de la página de su libro en OpenStax.org para obtener más información. Errata Todos los libros de texto de OpenStax se someten a un riguroso proceso de revisión. Sin embargo, como cualquier libro de texto de nivel profesional, a veces se producen errores. Dado que nuestros libros están en la web, podemos hacer actualizaciones periódicas cuando se considere pedagógicamente necesario. Si tiene una corrección que sugerir, envíela a través del enlace de la página de su libro en OpenStax.org. Los expertos en la materia revisan todas las sugerencias de erratas. OpenStax se compromete a ser transparente en todas las actualizaciones, por lo que también encontrará una lista de los cambios de erratas anteriores en la página de su libro en OpenStax.org. Formato Puede acceder a este libro de texto de forma gratuita en vista web o en PDF a través de OpenStax.org, y por un bajo costo en versión impresa. Sobre Química 2ed Química 2ed está diseñado para cumplir con los requisitos de alcance y secuencia del curso de química general de dos semestres. El libro de texto ofrece una importante oportunidad para que los estudiantes aprendan los conceptos básicos de la química y comprendan cómo esos conceptos se aplican a sus vidas y al mundo que los rodea. El libro también incluye una serie de características innovadoras, como ejercicios interactivos y aplicaciones del mundo real, diseñadas para mejorar el aprendizaje de los estudiantes. La segunda edición ha sido revisada para incorporar explicaciones más claras, actuales y dinámicas, manteniendo la misma organización que la primera edición. Se han introducido mejoras sustanciales en las figuras, las ilustraciones y los ejercicios de ejemplo que apoyan la narración del texto. Cobertura y alcance Nuestro libro de texto de Química 2ed se adhiere al alcance y la secuencia de la mayoría de los cursos de química general en todo el país. Nos esforzamos por hacer que la química, como disciplina, sea interesante y accesible para los estudiantes. Con este objetivo en mente, el contenido de este libro de texto se ha desarrollado y organizado para proporcionar una progresión lógica desde los conceptos fundamentales hasta los más avanzados de la ciencia química. Los temas se introducen en el contexto de experiencias familiares siempre que sea posible, se tratan con un rigor adecuado para satisfacer el intelecto del estudiante y se refuerzan en discusiones posteriores sobre contenidos relacionados. La organización y las características pedagógicas se desarrollaron y examinaron con los comentarios de los educadores de química dedicados al proyecto. Cambios de la segunda edición OpenStax solo acomete segundas ediciones cuando es necesario llevar a cabo modificaciones significativas en el texto. En el caso de Química 2ed , los comentarios de los usuarios nos indicaron que debíamos centrarnos en algunas áreas clave, lo que hemos hecho de las siguientes maneras: Revisión del contenido para mayor claridad y exactitud. El plan de revisión varió según el capítulo en función de las necesidades. Se reescribieron ampliamente unos cinco capítulos y se revisaron sustancialmente otros doce para mejorar la legibilidad y la claridad de la narración. Ejercicios de ejemplo y de final de capítulo. Los ejercicios de ejemplo y de final de capítulo se sometieron a una rigurosa comprobación de exactitud y se revisaron para corregir cualquier error, y se añadieron ejercicios adicionales a varios capítulos para apoyar mejor su contenido. Arte e ilustraciones. Bajo la dirección de los autores y de los ilustradores científicos expertos, especialmente aquellos versados en la creación de arte accesible, el equipo de OpenStax realizó cambios en gran parte del arte de la primera edición de Química . Las revisiones incluyeron la corrección de errores, el rediseño de las ilustraciones para mejorar la comprensión y volver a colorear para lograr una coherencia general. Mejoras en la accesibilidad. Como todos los libros de OpenStax, la primera edición de Química se creó con un enfoque de accesibilidad. En la segunda edición hemos enfatizado y mejorado ese enfoque. Para dar cabida a los usuarios de tecnologías de asistencia específicas, se revisó todo el texto alternativo para que sea más completo y claro. Se revisaron muchas ilustraciones para mejorar el contraste de los colores, lo que es importante para algunos estudiantes con problemas de visión. En general, la plataforma OpenStax se ha actualizado continuamente para mejorar la accesibilidad. Fundamentos y características pedagógicas A lo largo de Química 2ed , encontrará características que atraen a los estudiantes a la investigación científica al llevar los temas seleccionados un paso más allá. Tanto los estudiantes como los educadores apreciarán los debates en estos recuadros de características. La química en la vida cotidiana vincula los conceptos de la química a los problemas cotidianos y a las aplicaciones de la ciencia en el mundo real que los estudiantes encuentran en sus vidas. Los temas incluyen los teléfonos móviles, las centrales de energía solar térmica, el reciclaje de plásticos y la medición de la presión arterial. En los recuadros Cómo se interconectan las ciencias se habla de la química en el contexto de su interconexión con otras disciplinas científicas. Los temas incluyen neurotransmisores, gases de efecto invernadero y cambio climático y proteínas y enzimas. Retrato de un químico presenta una breve biografía y una introducción al trabajo de figuras destacadas de la historia y la actualidad para que los estudiantes puedan ver las "caras" de los colaboradores en este campo, así como la ciencia en acción. Amplio programa de arte Nuestro programa de arte está diseñado para mejorar la comprensión de los conceptos por parte de los estudiantes mediante ilustraciones, diagramas y fotografías claras y eficaces. Interactivos que captan el interés Química 2ed incorpora enlaces a ejercicios interactivos y animaciones relevantes que ayudan a dar vida a los temas a través de nuestra función Enlace al aprendizaje . Algunos ejemplos: Simulaciones del PhET. Datos e interactivos de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC). Charlas de Tecnología, Entretenimiento y Diseño (charlas TED). Evaluaciones que refuerzan los conceptos clave Los ejemplos de los capítulos guían a los estudiantes a través de los problemas planteando una pregunta, exponiendo una solución y pidiendo a los estudiantes que practiquen la habilidad con el componente "Compruebe lo aprendido". El libro también incluye evaluaciones al final de cada capítulo para que los estudiantes puedan aplicar lo que han aprendido mediante problemas de práctica. Recursos adicionales Recursos para estudiantes e instructores Hemos recopilado recursos adicionales tanto para los estudiantes como para los instructores, lo que incluye guías de inicio, un manual de soluciones para el instructor y diapositivas de PowerPoint. Los recursos para instructores requieren una cuenta de instructor verificada, que puede solicitar al iniciar sesión o crear su cuenta en OpenStax.org. Aproveche estos recursos para complementar su libro de OpenStax. Centros comunitarios OpenStax se asocia con el Instituto para el Estudio de la Gestión del Conocimiento en la Educación (Institute for the Study of Knowledge Management in Education, ISKME) para ofrecer centros comunitarios en OER Commons, una plataforma para que los instructores compartan recursos creados por la comunidad que apoyan los libros de OpenStax, de forma gratuita. A través de nuestros centros comunitarios, los instructores pueden cargar sus propios materiales o descargar recursos para utilizarlos en sus propios cursos, incluidos auxiliares adicionales, material didáctico, multimedia y contenido relevante del curso. Animamos a los instructores a que se unan a los centros de los temas más relevantes para su docencia e investigación como una oportunidad tanto para enriquecer sus cursos como para relacionarse con otros profesores. Para comunicarse con los centros comunitarios (Community Hubs), visite www.oercommons.org/hubs/OpenStax . Socios tecnológicos Como aliados que hacen accesibles materiales de aprendizaje de alta calidad, nuestros socios tecnológicos ofrecen herramientas opcionales de bajo costo que se integran con los libros de OpenStax. Para acceder a las opciones tecnológicas de su texto, visite la página de su libro en OpenStax.org. Sobre los autores Autores principales Paul Flowers, University of North Carolina at Pembroke El Dr. Paul Flowers se licenció en química en el St. Andrews Presbyterian College en 1983 y obtuvo un doctorado en Química Analítica en la University of Tennesse en 1988. Tras un nombramiento postdoctoral de un año en el Los Alamos National Laboratory, se incorporó a la University of North Carolina at Pembroke en el otoño de 1989. El Dr. Flowers imparte cursos de química general y analítica y lleva a cabo investigaciones experimentales relacionadas con el desarrollo de nuevos dispositivos y métodos de análisis químico a microescala. Klaus Theopold, University of Delaware El Dr. Klaus Theopold (nació en Berlín, Alemania) recibió su pregrado de la Universität Hamburg en 1977. Luego, decidió realizar sus estudios de posgrado en los Estados Unidos, donde se doctoró en química inorgánica en la UC Berkeley en 1982. Tras un año de investigación postdoctoral en el MIT (Massachusetts Institute of Technology, MIT), se incorporó al cuerpo docente de la Cornell University. En 1990 se trasladó a la University of Delaware, donde es catedrático del Departamento de Química y Bioquímica y director asociado del Centro de Ciencia y Tecnología Catalítica de la Universidad. El Dr. Theopold imparte regularmente cursos de posgrado de Química inorgánica y Organometálica, así como de Química general. Richard Langley, Stephen F. Austin State University El Dr. Richard Langley se licenció en Química y Mineralogía en la Miami University of Ohio a principios de los años 70 y se doctoró en Química en la University of Nebraska en 1977. Tras una beca postdoctoral en el Arizona State University Center for Solid State Studies, el Dr. Langley impartió clases en el sistema de la University of Wisconsin y participó en investigaciones en el Argonne National Laboratory. Después de trasladarse a la Stephen F. Austin State University en 1982, el Dr. Langley es hoy profesor de Química. Sus áreas de especialización son la química del estado sólido, la química inorgánica sintética, la química del flúor y la educación en química. William R. Robinson, PhD Autores colaboradores Mark Blaser, Shasta College Simon Bott, University of Houston Donald Carpenetti, Craven Community College Andrew Eklund, Alfred University Emad El-Giar, University of Louisiana at Monroe Don Frantz, Wilfrid Laurier University Paul Hooker, Westminster College Jennifer Look, Mercer University George Kaminski, Worcester Polytechnic Institute Carol Martinez, Central New Mexico Community College Troy Milliken, Jackson State University Vicki Moravec, Trine University Jason Powell, Ferrum College Thomas Sorensen, University of Wisconsin–Milwaukee Allison Soult, University of Kentucky Revisores Casey Akin, College Station Independent School District Lara AL-Hariri, University of Massachusetts–Amherst Sahar Atwa, University of Louisiana at Monroe Todd Austell, University of North Carolina–Chapel Hill Bobby Bailey, University of Maryland–University College Robert Baker, Trinity College Jeffrey Bartz, Kalamazoo College Greg Baxley, Cuesta College Ashley Beasley Green, National Institute of Standards and Technology Patricia Bianconi, University of Massachusetts Lisa Blank, Lyme Central School District Daniel Branan, Colorado Community College System Dorian Canelas, Duke University Emmanuel Chang, York College Carolyn Collins, College of Southern Nevada Colleen Craig, University of Washington Yasmine Daniels, Montgomery College–Germantown Patricia Dockham, Grand Rapids Community College Erick Fuoco, Richard J. Daley College Andrea Geyer, University of Saint Francis Daniel Goebbert, University of Alabama John Goodwin, Coastal Carolina University Stephanie Gould, Austin College Patrick Holt, Bellarmine University George A. Kaminski, Worcester Polytechnic Institute Kevin Kolack, Queensborough Community College Amy Kovach, Roberts Wesleyan College Judit Kovacs Beagle, University of Dayton Krzysztof Kuczera, University of Kansas Marcus Lay, University of Georgia Pamela Lord, University of Saint Francis Oleg Maksimov, Excelsior College John Matson, Virginia Tech Katrina Miranda, University of Arizona Douglas Mulford, Emory University Mark Ott, Jackson College Adrienne Oxley, Columbia College Richard Pennington, Georgia Gwinnett College Rodney Powell, Coastal Carolina Community College Jeanita Pritchett, Montgomery College–Rockville Aheda Saber, University of Illinois at Chicago Raymond Sadeghi, University of Texas at San Antonio Nirmala Shankar, Rutgers University Jonathan Smith, Temple University Bryan Spiegelberg, Rider University Ron Sternfels, Roane State Community College Cynthia Strong, Cornell College Kris Varazo, Francis Marion University Victor Vilchiz, Virginia State University Alex Waterson, Vanderbilt University JuchaoYan, Eastern New Mexico University Mustafa Yatin, Salem State University Kazushige Yokoyama, State University of New York at Geneseo Curtis Zaleski, Shippensburg University Wei Zhang, University of Colorado–Boulder

Ciencia


Introducción Las sustancias y los procesos químicos son esenciales para nuestra existencia, ya que nos proporcionan el sustento, nos mantienen limpios y sanos, se usan para la fabricación de dispositivos electrónicos, permiten el transporte y mucho más (créditos: izquierda: modificación del trabajo de "vxla"/Flickr; centro izquierda: modificación del trabajo de "the Italian voice"/Flickr; centro derecha: modificación del trabajo de Jason Trim; derecha: modificación del trabajo de "gosheshe"/Flickr). Suena el despertador y, después de darle al botón de “posponer" una o dos veces, se levanta de la cama. Se prepara una taza de café para ponerse en marcha y luego se ducha, se viste, desayuna y comprueba si hay mensajes en su teléfono. De camino a la escuela, se detiene a llenar el tanque de gasolina de su automóvil, lo que hace que casi llegue tarde al primer día de clase de Química. Mientras encuentra un asiento en el aula, lee la pregunta proyectada en la pantalla: “¡Bienvenidos a la clase! ¿Por qué debemos estudiar química?”. ¿Tiene una respuesta? Puede que estudie química porque cumple un requisito académico, pero si tiene en cuenta sus actividades cotidianas, puede que la química le resulte interesante por otras razones. Casi todo lo que se hace y se encuentra durante el día tiene que ver con la química. Hacer café, cocer huevos y tostar el pan es algo que tiene que ver con la química. Los productos que utiliza, como el jabón y el champú, los tejidos que viste, los aparatos electrónicos que lo mantienen conectado al mundo, la gasolina que impulsa su automóvil, todos ellos y otros implican sustancias y procesos químicos. Tanto si es consciente como si no, la química forma parte de su mundo cotidiano. En este curso, aprenderá muchos de los principios esenciales que subyacen en la química de la vida moderna.

Ciencia


La química en su contexto A lo largo de la historia de la humanidad, la gente ha intentado convertir la materia en formas más útiles. Nuestros antepasados de la Edad de Piedra tallaban trozos de sílex para convertirlos en herramientas útiles y tallaban madera para hacer estatuas y juguetes. Estos esfuerzos implicaban cambiar la forma de una sustancia sin cambiar la propia sustancia. Pero a medida que aumentaban nuestros conocimientos, los humanos empezaron a cambiar también la composición de las sustancias: la arcilla se convirtió en cerámica, las pieles se curaron para hacer prendas de vestir, los minerales de cobre se transformaron en herramientas y armas de cobre, y el grano se convirtió en pan. Los seres humanos comenzaron a practicar la química cuando aprendieron a controlar el fuego y a utilizarlo para cocinar, fabricar cerámica y fundir metales. Posteriormente, comenzaron a separar y utilizar componentes específicos de la materia. De las plantas se aislaron diversas drogas, como el aloe, la mirra y el opio. Los tintes, como el índigo y la púrpura de Tiro, se extraían de la materia vegetal y animal. Los metales se combinaban para formar aleaciones (por ejemplo, el cobre y el estaño se mezclaban para hacer bronce) y las técnicas de fundición más elaboradas producían hierro. Los álcalis se extraían de las cenizas y los jabones se preparaban combinando estos álcalis con grasas. El alcohol se producía por fermentación y se purificaba por destilación. Los intentos de comprender el comportamiento de la materia se remontan a más de 2500 años. Ya en el siglo VI a.C., los filósofos griegos discutían un sistema en el que el agua era la base de todas las cosas. Quizás haya oído hablar del postulado griego de que la materia está formada por cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Posteriormente, los alquimistas difundieron una amalgama de tecnologías químicas y especulaciones filosóficas desde Egipto, China y el Mediterráneo oriental, que se esforzaron por transformar "metales básicos" como el plomo en "metales nobles" como el oro, y por crear elíxires para curar enfermedades y alargar la vida ( ). (a) Este retrato muestra el taller de un alquimista alrededor de 1580. Aunque la alquimia hizo algunas contribuciones útiles sobre cómo manipular la materia, no era científica según los estándares modernos. (b) Aunque el equipo utilizado por Alma Levant Hayden en esta foto de 1952 puede no parecer tan elegante como el que se puede encontrar en un laboratorio hoy en día, su enfoque era muy metódico y estaba cuidadosamente registrado. Hayden, un jefe de departamento en la Administración de Alimentos y Medicamentos (Food and Drug Administration, FDA), es más famoso por exponer que un fármaco anticanceroso comercializado de forma agresiva no era más que una solución inútil de sustancias comunes (créditos a: Chemical Heritage Foundation; b: Oficina de Historia de los Institutos Nacionales de Salud [National Institutes of Health, NIH]). De la alquimia surgieron los avances históricos que condujeron a la química moderna: el aislamiento de fármacos a partir de fuentes naturales, como plantas y animales. Aunque muchas de las sustancias extraídas o procesadas de esas fuentes naturales eran fundamentales en el tratamiento de las enfermedades, muchas eran escasas. Por ejemplo, la progesterona, que es fundamental para la salud de las mujeres, empezó a estar disponible como medicamento en 1935, pero sus fuentes animales producían cantidades extremadamente pequeñas, lo que limitaba su disponibilidad y aumentaba su costo. Asimismo, en la década de 1940 se empezó a utilizar la cortisona para tratar la artritis y otros trastornos y lesiones, pero su síntesis requirió un proceso de 36 pasos. El químico Percy Lavon Julian recurrió a una fuente más abundante: la soja. Anteriormente, Julian desarrolló un laboratorio para aislar la proteína de la soja, que se utilizaba en la extinción de incendios, entre otras aplicaciones. Se centró en el uso de los esteroles de la soja (sustancias que se utilizan principalmente en las membranas de las plantas) y fue capaz de producir rápidamente progesterona y más tarde testosterona y otras hormonas. Posteriormente desarrolló un proceso para hacer lo mismo con la cortisona y sentó las bases del diseño moderno de fármacos. Dado que la soja y otras fuentes vegetales similares eran extremadamente abundantes, los fármacos pronto estuvieron se masificaron para salvar muchas vidas. Química: la ciencia central La química se conoce a veces como "la ciencia central" debido a su interconexión con una amplia gama de otras disciplinas de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas (Science, Technology, Engineering, and Math, STEM). La química y el lenguaje de los químicos desempeñan papeles vitales en la biología, la medicina, la ciencia de los materiales, la ciencia forense, la ciencia ambiental y muchos otros campos ( ). Los principios básicos de la física son esenciales para entender muchos aspectos de la química, y existe una amplia superposición entre muchas subdisciplinas de ambos campos, como la física química y la química nuclear. Las matemáticas, la informática y la teoría de la información proporcionan importantes herramientas que nos ayudan a calcular, interpretar, describir y, en general, dar sentido al mundo químico. La biología y la química convergen en la bioquímica, que es crucial para comprender los numerosos y complejos factores y procesos que mantienen vivos a los seres vivos (como nosotros). La ingeniería química, la ciencia de los materiales y la nanotecnología combinan los principios químicos y los hallazgos empíricos para producir sustancias útiles, desde la gasolina hasta los tejidos o la electrónica. La agricultura, la ciencia de los alimentos, la veterinaria y la elaboración de cerveza y vino contribuyen a proporcionar el sustento en forma de alimentos y bebidas a la población mundial. La medicina, la farmacología, la biotecnología y la botánica identifican y producen sustancias que nos ayudan a mantenernos sanos. Las ciencias medioambientales, la geología, la oceanografía y las ciencias atmosféricas incorporan muchas ideas químicas para ayudarnos a comprender y proteger mejor nuestro mundo físico. Las ideas químicas se utilizan para ayudar a entender el universo en astronomía y cosmología. El conocimiento de la química es fundamental para comprender una amplia gama de disciplinas científicas. Este diagrama muestra algunas de las interrelaciones entre la química y otros campos. ¿Cuáles son algunos de los cambios en la materia que son esenciales para la vida diaria? Digerir y asimilar los alimentos, sintetizar los polímeros que se utilizan para fabricar ropa, envases, utensilios de cocina y tarjetas de crédito y refinar el petróleo crudo para convertirlo en gasolina y otros productos son solo algunos ejemplos. A medida que avance en este curso, descubrirá muchos ejemplos diferentes de cambios en la composición y la estructura de la materia, cómo clasificar estos cambios y cómo se producen, sus causas, los cambios de energía que los acompañan y los principios y las leyes implicados. Mientras aprende sobre estas cosas, estará aprendiendo química , el estudio de la composición, las propiedades y las interacciones de la materia. La práctica de la química no se limita a los libros de química o a los laboratorios: ocurre siempre que alguien se ve envuelto en cambios en la materia o en condiciones que pueden provocar dichos cambios. El método científico La química es una ciencia basada en la observación y la experimentación. Hacer química implica intentar responder preguntas y explicar observaciones en términos de las leyes y teorías de la química, utilizando procedimientos aceptados por la comunidad científica. No existe una única vía para responder una pregunta o explicar una observación, pero hay un aspecto común a todos los enfoques: cada uno de ellos utiliza conocimientos basados en experimentos que se pueden reproducir para verificar los resultados. Algunas rutas implican una hipótesis , que es una explicación tentativa de las observaciones que actúa como guía para reunir y comprobar la información. Una hipótesis se pone a prueba mediante la experimentación, el cálculo o la comparación con los experimentos de otros y, a continuación, se perfecciona según sea necesario. Algunas hipótesis son intentos de explicar el comportamiento que se resume en leyes. Las leyes de la ciencia resumen un gran número de observaciones experimentales y describen o predicen alguna faceta del mundo natural. Si dicha hipótesis resulta ser capaz de explicar un gran número de datos experimentales, puede alcanzar el estado de teoría. Las teorías científicas son explicaciones bien fundamentadas, completas y comprobables de determinados aspectos de la naturaleza. Las teorías se aceptan porque proporcionan explicaciones satisfactorias, pero se pueden modificar si se dispone de nuevos datos. El camino del descubrimiento que lleva de la pregunta y la observación a la ley o la hipótesis a la teoría, combinado con la verificación experimental de la hipótesis y cualquier modificación necesaria de la teoría, se llama método científico ( ). El método científico sigue un proceso similar al que se muestra en este diagrama. Se muestran todos los componentes clave, más o menos en el orden correcto. El progreso científico rara vez es ordenado y limpio: requiere una investigación abierta y la reelaboración de preguntas e ideas en respuesta a los hallazgos. Los dominios de la química Los químicos estudian y describen el comportamiento de la materia y la energía en tres dominios diferentes: macroscópico, microscópico y simbólico. Estos dominios proporcionan diferentes formas de considerar y describir el comportamiento químico. Macro es una palabra griega que significa "grande". El dominio macroscópico nos resulta familiar: es el reino de las cosas cotidianas que son lo suficientemente grandes como para ser percibidas directamente por la vista o el tacto humanos. En la vida cotidiana, esto incluye los alimentos que se comen y la brisa que se siente en la cara. El ámbito macroscópico incluye la química cotidiana y de laboratorio, donde observamos y medimos propiedades físicas y químicas como la densidad, la solubilidad y la inflamabilidad. Micro viene del griego y significa "pequeño". El dominio microscópico de la química se visita a menudo en la imaginación. Algunos aspectos del dominio microscópico son visibles a través de microscopios ópticos estándar, por ejemplo, muchas células biológicas. Los instrumentos más sofisticados son capaces de obtener imágenes de entidades incluso más pequeñas, como moléculas y átomos (vea la ( b )). Sin embargo, la mayoría de los temas del dominio microscópico de la química son demasiado pequeños para ser vistos incluso con los microscopios más avanzados y solo pueden imaginarse en la mente. Otros componentes del dominio microscópico son los iones y los electrones, los protones y los neutrones y los enlaces químicos, cada uno de los cuales es demasiado pequeño para ser visto. El dominio simbólico contiene el lenguaje especializado utilizado para representar los componentes de los dominios macroscópico y microscópico. Los símbolos químicos (como los utilizados en la tabla periódica), las fórmulas químicas y las ecuaciones químicas forman parte del dominio simbólico, al igual que los gráficos, los dibujos y los cálculos. Estos símbolos desempeñan un papel importante en la química porque ayudan a interpretar el comportamiento del dominio macroscópico en cuanto a los componentes del dominio microscópico. Uno de los retos para los estudiantes que aprenden química es reconocer que los mismos símbolos pueden representar cosas diferentes en los dominios macroscópico y microscópico, y una de las características que hace que la química sea fascinante es el uso de un dominio que debe imaginarse para explicar el comportamiento en un dominio que puede observarse. Una forma útil de entender los tres dominios es a través de la sustancia esencial y omnipresente del agua. Que el agua es un líquido a temperaturas moderadas, que se congela para formar un sólido a temperaturas más bajas y que hierve para formar un gas a temperaturas más altas ( ) son observaciones macroscópicas. Pero algunas propiedades del agua caen en el dominio microscópico, es decir, lo que no se puede observar a simple vista. La descripción del agua como compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, y la explicación de la congelación y la ebullición en términos de atracciones entre estas moléculas, está dentro del ámbito microscópico. La fórmula H 2 O, que puede describir el agua a nivel macroscópico o microscópico, es un ejemplo del dominio simbólico. Las abreviaturas ( g ) para gas, ( s ) para sólido y ( l ) para líquido también son simbólicas. (a) La humedad del aire, los icebergs y el océano representan el agua en el ámbito macroscópico. (b) A nivel molecular (ámbito microscópico), las moléculas de gas están muy separadas y desorganizadas, las moléculas de agua sólida están muy juntas y organizadas y las moléculas de líquido están muy juntas y desorganizadas. (c) La fórmula H 2 O simboliza el agua y ( g ), ( s ) y ( l ) simbolizan sus fases. Observe que las nubes se componen en realidad de pequeñísimas gotas de agua líquida o de cristales de agua sólida; el agua gaseosa de nuestra atmósfera no es visible a simple vista, aunque puede percibirse como humedad (créditos a: modificación del trabajo de "Gorkaazk"/Wikimedia Commons). Conceptos clave y resumen La química se ocupa de la composición, la estructura y las propiedades de la materia, así como de los modos de interconversión de las distintas formas de materia. Por ello, ocupa un lugar central en el estudio y la práctica de la ciencia y la tecnología. Los químicos utilizan el método científico para realizar experimentos, plantear hipótesis y formular leyes y desarrollar teorías, de modo que puedan comprender mejor el comportamiento del mundo natural. Para ello, operan en los ámbitos macroscópico, microscópico y simbólico. Los químicos miden, analizan, purifican y sintetizan una gran variedad de sustancias importantes para nuestra vida. Ejercicios de Química del final del capítulo Explique cómo podría determinar experimentalmente si la temperatura exterior es superior o inferior a 0 °C (32 °F) sin utilizar un termómetro. Coloque un vaso de agua en el exterior. Se congelará si la temperatura es inferior a 0 °C. Identifique cada una de las siguientes afirmaciones como la más parecida a una hipótesis, una ley o una teoría. Explique su razonamiento. (a) El descenso de la presión barométrica precede a la aparición del mal tiempo. (b) Toda la vida en la Tierra ha evolucionado a partir de un organismo común y primitivo mediante el proceso de selección natural. (c) El rendimiento de la gasolina de mi camión ha bajado considerablemente, probablemente porque le toca una puesta a punto. Identifique cada una de las siguientes afirmaciones como la más parecida a una hipótesis, una ley o una teoría. Explique su razonamiento. (a) La presión de una muestra de gas es directamente proporcional a la temperatura del gas. (b) La materia está formada por pequeñas partículas que pueden combinarse en cocientes específicos para formar sustancias con propiedades concretas. (c) A mayor temperatura, los sólidos (como la sal o el azúcar) se disuelven mejor en el agua. (a) ley (establece un fenómeno observado de forma constante, puede utilizarse para la predicción); (b) teoría (una explicación ampliamente aceptada del comportamiento de la materia); (c) hipótesis (una explicación tentativa, puede investigarse mediante la experimentación) Identifique cada uno de los elementos subrayados como parte del dominio macroscópico, del dominio microscópico o del dominio simbólico de la química. Para cualquier elemento en el dominio simbólico, indique si son símbolos para una característica macroscópica o microscópica. (a) La masa de un tubo de plomo es de 14 lb. (b) La masa de un determinado átomo de cloro es de 35 u. (c) Una botella con una etiqueta que dice Al contiene aluminio metálico. (d) Al es el símbolo de un átomo de aluminio. Identifique cada uno de los elementos subrayados como parte del dominio macroscópico, del dominio microscópico o del dominio simbólico de la química. Para los del dominio simbólico, indique si son símbolos de una característica macroscópica o microscópica. (a) Una determinada molécula contiene un átomo de H y otro de Cl. (b) El alambre de cobre tiene una densidad de unos 8 g/cm 3 . (c) La botella contiene 15 gramos de polvo de Ni . (d) Una molécula de azufre está compuesta por ocho átomos de azufre. (a) simbólico, microscópico; (b) macroscópico; (c) simbólico, (d) microscópico Según una teoría, la presión de un gas aumenta a medida que disminuye su volumen porque las moléculas del gas tienen que desplazarse una distancia más corta para chocar con las paredes del recipiente. ¿Sigue esta teoría una descripción macroscópica o microscópica del comportamiento químico? Explique su respuesta. La cantidad de calor necesaria para fundir 2 libras de hielo es el doble de la cantidad de calor necesaria para fundir 1 libra de hielo. ¿Es esta observación una descripción macroscópica o microscópica del comportamiento químico? Explique su respuesta. Macroscópica. El calor necesario se determina a partir de las propiedades macroscópicas. química estudio de la composición, propiedades e interacciones de la materia hipótesis explicación tentativa de las observaciones que sirve de guía para recoger y comprobar la información ley declaración que resume un gran número de observaciones experimentales y describe o predice algún aspecto del mundo natural dominio macroscópico ámbito de las cosas cotidianas que son lo suficientemente grandes como para ser percibidas directamente por la vista y el tacto humanos dominio microscópico reino de las cosas que son demasiado pequeñas para ser percibidas directamente método científico camino del descubrimiento que lleva de la pregunta y la observación a la ley o hipótesis a la teoría, combinado con la verificación experimental de la hipótesis y cualquier modificación necesaria de la teoría dominio simbólico el lenguaje especializado utilizado para representar los componentes de los dominios macroscópico y microscópico, como los símbolos químicos, las fórmulas químicas, las ecuaciones químicas, los gráficos, los dibujos y los cálculos teoría explicación bien fundamentada, completa y comprobable de un aspecto concreto de la naturaleza

Ciencia


Fases y clasificación de la materia La materia se define como todo lo que ocupa espacio y tiene masa, y está a nuestro alrededor. Los sólidos y los líquidos son más obviamente materia: podemos ver que ocupan espacio y su peso nos indica que tienen masa. Los gases también son materia; si los gases no ocuparan espacio, un globo no se inflaría (aumentaría su volumen) al llenarse de gas. Sólido, líquido y gaseoso son los tres estados de la materia que se encuentran comúnmente en la tierra ( ). Un sólido es rígido y posee una forma definida. Un líquido fluye y adopta la forma de su recipiente, salvo que forme una superficie superior plana o ligeramente curvada al actuar sobre ella la gravedad (en gravedad cero, los líquidos adoptan una forma esférica). Tanto las muestras líquidas como las sólidas tienen volúmenes que son casi independientes de la presión. Un gas toma la forma y el volumen de su recipiente. Los tres estados o fases más comunes de la materia son sólido, líquido y gaseoso. Un cuarto estado de la materia, el plasma, se da de forma natural en el interior de las estrellas. Un plasma es un estado gaseoso de la materia que contiene un número apreciable de partículas cargadas eléctricamente ( ). La presencia de estas partículas cargadas confiere propiedades únicas a los plasmas que justifican su clasificación como un estado de la materia distinto de los gases. Además de las estrellas, los plasmas se encuentran en algunos otros ambientes de alta temperatura (tanto naturales como artificiales), como los rayos, ciertas pantallas de televisión e instrumentos analíticos especializados que se utilizan para detectar trazas de metales. Un soplete de plasma puede utilizarse para cortar metal (créditos: "Hypertherm"/Wikimedia Commons). En una minúscula célula de un televisor de plasma, el plasma emite luz ultravioleta, que a su vez hace que la pantalla de ese lugar tenga un color específico. La composición de estos pequeños puntos de color constituye la imagen que se ve. Vea este video para saber más sobre el plasma y los lugares donde se encuentra. Algunas muestras de materia parecen tener propiedades de sólidos, líquidos o gases al mismo tiempo. Esto puede ocurrir cuando la muestra está compuesta por muchos trozos pequeños. Por ejemplo, podemos verter la arena como si fuera un líquido porque está compuesta por muchos granos pequeños de arena sólida. La materia también puede tener propiedades de más de un estado cuando es una mezcla, como ocurre con las nubes. Las nubes parecen comportarse como gases, pero en realidad son mezclas de aire (gas) y pequeñas partículas de agua (líquida o sólida). La masa de un objeto es una medida de la cantidad de materia que contiene. Una forma de medir la masa de un objeto es medir la fuerza que se necesita para acelerar el objeto. Se necesita mucha más fuerza para acelerar un automóvil que una bicicleta porque el automóvil tiene mucha más masa. Una forma más común de determinar la masa de un objeto es utilizar una balanza para comparar su masa con una masa estándar. Aunque el peso está relacionado con la masa, no es lo mismo. El peso se refiere a la fuerza que la gravedad ejerce sobre un objeto. Esta fuerza es directamente proporcional a la masa del objeto. El peso de un objeto cambia cuando cambia la fuerza de gravedad, pero su masa no. La masa de un astronauta no cambia solo porque vaya a la luna. Pero su peso en la luna es solo una sexta parte de su peso en la tierra porque la gravedad de la luna es solo una sexta parte de la de la tierra. Puede sentirse "sin peso" durante su viaje cuando experimenta fuerzas externas insignificantes (gravitacionales o de cualquier otro tipo), aunque, por supuesto, nunca está "sin masa". La ley de conservación de la materia resume muchas observaciones científicas sobre la materia: afirma que no hay ningún cambio detectable en la cantidad total de materia presente cuando la materia se convierte de un tipo a otro (un cambio químico) o cambia entre los estados sólido, líquido o gaseoso (un cambio físico) . La fabricación de cerveza y el funcionamiento de las pilas son ejemplos de la conservación de la materia ( ). Durante la elaboración de la cerveza, los ingredientes (agua, levadura, cereales, malta, lúpulo y azúcar) se convierten en cerveza (agua, alcohol, carbonatación y sustancias aromáticas) sin que se produzca una pérdida real de sustancia. Esto se ve más claramente durante el proceso de embotellado, cuando la glucosa se convierte en etanol y dióxido de carbono y la masa total de las sustancias no cambia. Esto también puede verse en una batería de plomo y ácido de un automóvil: las sustancias originales (plomo, óxido de plomo y ácido sulfúrico), que son capaces de producir electricidad, se transforman en otras sustancias (sulfato de plomo y agua) que no producen electricidad, sin que cambie la cantidad real de materia. (a) La masa de materiales precursores de la cerveza es la misma que la masa de cerveza producida: el azúcar se ha convertido en alcohol y dióxido de carbono. (b) La masa del plomo, del óxido de plomo y del ácido sulfúrico consumida por la producción de electricidad es exactamente igual a la masa del sulfato de plomo y del agua que se forma. Aunque esta ley de conservación es válida para todas las conversiones de la materia, los ejemplos convincentes son escasos y poco frecuentes porque, fuera de las condiciones controladas de un laboratorio, rara vez recogemos todo el material que se produce durante una conversión determinada. Por ejemplo, cuando se come, se digiere y se asimila la comida, se conserva toda la materia del alimento original. Pero como una parte de la materia se incorpora al cuerpo y otra parte se excreta en forma de diversos tipos de residuos, es difícil de verificar mediante mediciones. Clasificación de la materia La materia puede clasificarse en varias categorías. Dos grandes categorías son las mezclas y las sustancias puras. Una sustancia pura tiene una composición constante. Todas las muestras de una sustancia pura tienen exactamente la misma composición y propiedades. Cualquier muestra de sacarosa (azúcar de mesa) está compuesta por un 42,1 % de carbono, un 6,5 % de hidrógeno y un 51,4 % de oxígeno en masa. Cualquier muestra de sacarosa tiene también las mismas propiedades físicas, como el punto de fusión, el color y el dulzor, independientemente de la fuente de la que se haya aislado. Las sustancias puras pueden dividirse en dos clases: elementos y compuestos. Las sustancias puras que no pueden descomponerse en sustancias más simples mediante cambios químicos se denominan elementos . El hierro, la plata, el oro, el aluminio, el azufre, el oxígeno y el cobre son ejemplos comunes de los más de 100 elementos, de los cuales unos 90 se dan de forma natural en la Tierra y unas dos docenas se han creado en laboratorios. Las sustancias puras, formadas por dos o más elementos, se denominan compuestos . Los compuestos se descomponen mediante cambios químicos para producir elementos u otros compuestos, o ambos. El óxido de mercurio (II), un sólido anaranjado y cristalino, puede descomponerse por el calor en los elementos mercurio y oxígeno ( ). Cuando se calienta en ausencia de aire, el compuesto sacarosa se descompone en el elemento carbono y el compuesto agua (la fase inicial de este proceso, cuando el azúcar se vuelve marrón, se conoce como caramelización, y es lo que confiere el característico sabor dulce y a nuez a las manzanas caramelizadas, las cebollas caramelizadas y el caramelo). El cloruro de plata(I) es un sólido blanco que puede descomponerse en sus elementos, plata y cloro, por absorción de la luz. Esta propiedad es la base del uso de este compuesto en las películas fotográficas y en los lentes fotocromáticos (aquellos que se oscurecen al exponerse a la luz). (a) El compuesto óxido de mercurio(II), (b) cuando se calienta, (c) se descompone en gotas plateadas de mercurio líquido y oxígeno gaseoso invisible (créditos: modificación del trabajo de Paul Flowers). Muchos compuestos se descomponen al calentarse. Este sitio muestra la descomposición del óxido de mercurio, HgO. También puede ver un ejemplo de la descomposición fotoquímica del cloruro de plata (AgCl), base del origen de la fotografía. Las propiedades de los elementos combinados son diferentes a las del estado libre o no combinado. Por ejemplo, el azúcar blanco cristalino (sacarosa) es un compuesto resultante de la combinación química del elemento carbono, que es un sólido negro en una de sus formas no combinadas, y los dos elementos hidrógeno y oxígeno, que son gases incoloros cuando no están combinados. El sodio libre, un elemento que es un sólido metálico suave y brillante, y el cloro libre, un elemento que es un gas amarillo-verde, se combinan para formar el cloruro de sodio (sal de mesa), un compuesto que es un sólido blanco y cristalino. Una mezcla está compuesta por dos o más tipos de materia que pueden estar presentes en cantidades variables y que pueden separarse mediante cambios físicos, como la evaporación (más adelante aprenderá más sobre esto). Una mezcla cuya composición varía de un punto a otro se denomina mezcla heterogénea . El aderezo italiano es un ejemplo de mezcla heterogénea ( ). Su composición puede variar, ya que puede prepararse con distintas cantidades de aceite, vinagre y hierbas. No es igual de un punto a otro de la mezcla: una gota puede ser mayoritariamente vinagre, mientras que otra gota puede ser mayoritariamente aceite o hierbas porque el aceite y el vinagre se separan y las hierbas se asientan. Otros ejemplos de mezclas heterogéneas son las galletas de chocolate (podemos ver los trozos de chocolate, las nueces y la masa de las galletas por separado) y el granito (podemos ver el cuarzo, la mica, el feldespato, etc.). Una mezcla homogénea , también llamada solución , presenta una composición uniforme y parece visualmente igual en todo momento. Un ejemplo de solución es una bebida deportiva, que consiste en agua, azúcar, colorante, aromatizante y electrolitos mezclados uniformemente ( ). Cada gota de una bebida deportiva sabe igual porque cada gota contiene las mismas cantidades de agua, azúcar y otros componentes. Tenga en cuenta que la composición de una bebida deportiva puede variar: puede estar hecha con algo más o menos de azúcar, saborizantes u otros componentes, y seguir siendo una bebida deportiva. Otros ejemplos de mezclas homogéneas son el aire, el sirope de arce, la gasolina y una solución de sal en agua. (a) El aderezo de aceite y vinagre para ensaladas es una mezcla heterogénea porque su composición no es uniforme en todas sus partes. (b) Una bebida deportiva comercial es una mezcla homogénea porque su composición es uniforme en toda su extensión (créditos: foto (a) a la izquierda: modificación del trabajo de John Mayer; foto (a) a la derecha: modificación del trabajo de Umberto Salvagnin; foto (b) a la izquierda: modificación del trabajo de Jeff Bedford). Aunque hay poco más de 100 elementos, decenas de millones de compuestos químicos resultan de diferentes combinaciones de estos elementos. Cada compuesto tiene una composición específica y posee propiedades químicas y físicas definidas que lo distinguen de todos los demás compuestos. Y, por supuesto, hay innumerables formas de combinar elementos y compuestos para formar diferentes mezclas. En la se muestra un resumen de cómo distinguir entre las distintas clasificaciones principales de la materia. En función de sus propiedades, una sustancia determinada puede clasificarse como una mezcla homogénea, una mezcla heterogénea, un compuesto o un elemento. El 99 % de la corteza terrestre y la atmósfera están compuestas por, aproximadamente, once elementos ( ). El oxígeno constituye casi la mitad y el silicio alrededor de la cuarta parte de la cantidad total de estos elementos. La mayoría de los elementos de la Tierra se encuentran en combinaciones químicas con otros elementos; aproximadamente una cuarta parte de los elementos se encuentran también en estado libre. Composición elemental de la Tierra Elemento Símbolo Porcentaje de masa Elemento Símbolo Porcentaje de masa oxígeno O 49,20 cloro Cl 0,19 silicio Si 25,67 fósforo P 0,11 aluminio Al 7,50 manganeso Mn 0,09 hierro Fe 4,71 carbono C 0,08 calcio Ca 3,39 azufre S 0,06 sodio Na 2,63 bario Ba 0,04 potasio K 2,40 nitrógeno N 0,03 magnesio Mg 1,93 flúor F 0,03 hidrógeno H 0,87 estroncio Sr 0,02 titanio Ti 0,58 todos los demás - 0,47 Átomos y moléculas Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que tiene las propiedades de ese elemento y puede entrar en una combinación química. Consideremos el elemento oro, por ejemplo. Imagine que corta una pepita de oro por la mitad, luego corta una de las mitades por la mitad y repite este proceso hasta que queda un trozo de oro tan pequeño que no se puede cortar por la mitad (por muy pequeño que sea su cuchillo). Esta pieza de oro de tamaño mínimo es un átomo (del griego átomos , que significa "indivisible") ( ). Este átomo dejaría de ser oro si se dividiera más. (a) Esta fotografía muestra una pepita de oro. (b) Un microscopio de túnel de barrido (Scanning-Tunneling Microscope, STM) puede generar vistas de las superficies de los sólidos, como esta imagen de un cristal de oro. Cada esfera representa un átomo de oro (créditos: a: modificación del trabajo del Servicio Geológico de los Estados Unidos; b: modificación del trabajo de "Erwinrossen"/Wikimedia Commons). La primera sugerencia de que la materia está compuesta por átomos se atribuye a los filósofos griegos Leucipo y Demócrito, que desarrollaron sus ideas en el siglo V a. C. Sin embargo, no fue hasta principios del siglo XIX cuando John Dalton (1766-1844), un maestro de escuela británico muy interesado en la ciencia, apoyó esta hipótesis con mediciones cuantitativas. Desde entonces, repetidos experimentos han confirmado muchos aspectos de esta hipótesis, y se ha convertido en una de las teorías centrales de la química. Otros aspectos de la teoría atómica de Dalton se siguen utilizando, pero con pequeñas revisiones (los detalles de la teoría de Dalton se proporcionan en el capítulo sobre átomos y moléculas). Un átomo es tan pequeño que su tamaño es difícil de imaginar. Una de las cosas más pequeñas que podemos ver a simple vista es un solo hilo de una tela de araña: Estas hebras tienen un diámetro de aproximadamente 1/10.000 de un centímetro (0,0001 cm). Aunque la sección transversal de una hebra es casi imposible de ver sin un microscopio, es enorme a escala atómica. Un solo átomo de carbono en la red tiene un diámetro de unos 0,000000015 centímetros, y se necesitarían unos 7.000 átomos de carbono para abarcar el diámetro de la hebra. Para ponerlo en perspectiva, si un átomo de carbono tuviera el tamaño de una moneda de diez centavos, la sección transversal de una hebra sería mayor que un campo de fútbol, lo que requeriría unos 150 millones de “monedas de diez centavos" de átomos de carbono para cubrirla. La muestra vistas microscópicas y a nivel atómico cada vez más cercanas de algodón ordinario. Estas imágenes ofrecen una visión cada vez más cercana: (a) una mota de algodón, (b) una sola fibra de algodón vista con un microscopio óptico (ampliada 40 veces), (c) una imagen de una fibra de algodón obtenida con un microscopio electrónico (con un aumento mucho mayor que el del microscopio óptico); y (d y e) modelos a nivel atómico de la fibra (las esferas de diferentes colores representan átomos de diferentes elementos) (créditos c: modificación de la obra de "Featheredtar"/Wikimedia Commons). Un átomo es tan ligero que su masa también es difícil de imaginar. Mil millones de átomos de plomo (1.000.000.000 de átomos) pesan aproximadamente 3 × 10 -13 gramos, una masa demasiado ligera para ser pesada incluso en las balanzas más sensibles del mundo. Se necesitarían más de 300.000.000.000.000 de átomos de plomo (300 billones, o 3 × 10 14 ) para ser pesados, y solo pesarían 0,0000001 gramos. Es raro encontrar colecciones de átomos individuales. Solo unos pocos elementos, como los gases helio, neón y argón, están formados por un conjunto de átomos individuales que se mueven independientemente unos de otros. Otros elementos, como los gases hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro, se componen de unidades formadas por pares de átomos ( ). Una forma del elemento fósforo consiste en unidades compuestas por cuatro átomos de fósforo. El elemento azufre existe en varias formas, una de las cuales consiste en unidades compuestas por ocho átomos de azufre. Estas unidades se denominan moléculas. Una molécula está formada por dos o más átomos unidos por fuerzas fuertes llamadas enlaces químicos. Los átomos de una molécula se mueven como una unidad, como las latas de refresco de un paquete de seis o un manojo de llaves unidas en un mismo llavero. Una molécula puede estar formada por dos o más átomos idénticos, como las moléculas de los elementos hidrógeno, oxígeno y azufre, o puede estar formada por dos o más átomos diferentes, como las moléculas del agua. Cada molécula de agua es una unidad que contiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Cada molécula de glucosa es una unidad que contiene 6 átomos de carbono, 12 de hidrógeno y 6 de oxígeno. Al igual que los átomos, las moléculas son increíblemente pequeñas y ligeras. Si un vaso de agua ordinario se ampliara al tamaño de la Tierra, las moléculas de agua de su interior tendrían el tamaño de una pelota de golf. Los elementos hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre forman moléculas compuestas por dos o más átomos del mismo elemento. Los compuestos agua, dióxido de carbono y glucosa están formados por combinaciones de átomos de diferentes elementos. Descomposición del agua/producción de hidrógeno El agua está formada por los elementos hidrógeno y oxígeno combinados en una relación de 2 a 1. El agua puede descomponerse en gases de hidrógeno y oxígeno mediante la adición de energía. Una forma de hacerlo es con una batería o fuente de alimentación, como se muestra en la ( ). La descomposición del agua se muestra a nivel macroscópico, microscópico y simbólico. La batería proporciona una corriente eléctrica (microscópica) que descompone el agua. A nivel macroscópico, el líquido se separa en los gases hidrógeno (a la izquierda) y oxígeno (a la derecha). Simbólicamente, este cambio se presenta mostrando cómo el H 2 O líquido se separa en los gases H 2 y O 2 . La descomposición del agua implica una reordenación de los átomos de las moléculas de agua en diferentes moléculas, cada una de ellas compuesta por dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno, respectivamente. Dos moléculas de agua forman una molécula de oxígeno y dos de hidrógeno. La representación de lo que ocurre, 2 H 2 O ( l ) ⟶ 2 H 2 ( g ) + O 2 ( g ) , se analizará con mayor profundidad en capítulos posteriores. Los dos gases producidos tienen propiedades claramente diferentes. El oxígeno no es inflamable, pero es necesario para la combustión de un combustible, y el hidrógeno es altamente inflamable y una potente fuente de energía. ¿Cómo se puede aplicar este conocimiento en nuestro mundo? Una de las aplicaciones es la investigación de un transporte más eficiente en cuanto al combustible. Los vehículos de pilas de combustible (fuel-cell vehicles, FCV) funcionan con hidrógeno en lugar de gasolina ( ). Son más eficientes que los vehículos con motor de combustión interna, no son contaminantes y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero, haciéndonos menos dependientes de los combustibles fósiles. Sin embargo, los FCV aún no son económicamente viables y la producción actual de hidrógeno depende del gas natural. Si conseguimos desarrollar un proceso para descomponer el agua de forma económica, o producir hidrógeno de otra forma respetuosa con el medio ambiente, los FCV podrían ser el camino del futuro. Una pila de combustible genera energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno mediante un proceso electroquímico y solo produce agua como producto de desecho. La química de los teléfonos móviles Imagine lo diferente que sería su vida sin teléfonos móviles ( ) y otros dispositivos inteligentes. Los teléfonos móviles se fabrican a partir de numerosas sustancias químicas, que se extraen, refinan, purifican y ensamblan utilizando un amplio y profundo conocimiento de los principios químicos. Alrededor del 30 % de los elementos que se encuentran en la naturaleza se encuentran en un típico teléfono inteligente. La carcasa/cuerpo/marco está formada por una combinación de polímeros resistentes y duraderos compuestos principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno [acrilonitrilo butadieno estireno (Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS) y policarbonato termoplástico], y metales estructurales ligeros y resistentes, como el aluminio, el magnesio y el hierro. La pantalla de visualización está hecha de un vidrio especialmente endurecido (vidrio de sílice reforzado por la adición de aluminio, sodio y potasio) y recubierto con un material para hacerlo conductor (como el óxido de indio y estaño). La placa de circuito utiliza un material semiconductor (normalmente silicio), metales de uso común como el cobre, el estaño, la plata y el oro, y elementos más desconocidos como el itrio, el praseodimio y el gadolinio. La batería se basa en iones de litio y otros materiales, como hierro, cobalto, cobre, óxido de polietileno y poliacrilonitrilo. Casi un tercio de los elementos naturales se utilizan para fabricar un teléfono móvil (créditos: modificación del trabajo de John Taylor). Conceptos clave y resumen La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. El bloque básico de la materia es el átomo, la unidad más pequeña de un elemento que puede formar combinaciones con átomos del mismo tipo o con átomos de otros elementos. En muchas sustancias, los átomos se combinan en moléculas. En la Tierra, la materia existe comúnmente en tres estados: sólidos, de forma y volumen fijos; líquidos, de forma variable, pero volumen fijo; y gases, de forma y volumen variables. En condiciones de alta temperatura, la materia también puede existir como plasma. La mayor parte de la materia es una mezcla: Se compone de dos o más tipos de materias que pueden estar presentes en cantidades variables y pueden separarse por medios físicos. Las mezclas heterogéneas varían su composición de un punto a otro; las mezclas homogéneas tienen la misma composición de un punto a otro. Las sustancias puras están formadas por un solo tipo de materia. Una sustancia pura puede ser un elemento, que consta de un solo tipo de átomo y no puede descomponerse mediante un cambio químico, o un compuesto, que consta de dos o más tipos de átomos. Ejercicios de química del final del capítulo ¿Por qué se utiliza la masa de un objeto, en lugar de su peso, para indicar la cantidad de materia que contiene? ¿Qué propiedades distinguen a los sólidos de los líquidos? ¿A los líquidos de los gases? ¿Sólidos a partir de gases? Los líquidos pueden cambiar su forma (fluir); los sólidos no. Los gases pueden sufrir grandes cambios de volumen al cambiar la presión; los líquidos no. Los gases fluyen y cambian de volumen; los sólidos no. ¿En qué se diferencia una mezcla heterogénea de una homogénea? ¿En qué se parecen? ¿En qué se diferencia una mezcla homogénea de una sustancia pura? ¿En qué se parecen? La mezcla puede tener diversas composiciones; una sustancia pura tiene una composición definida. Ambos tienen la misma composición de punto a punto. ¿En qué se diferencia un elemento de un compuesto? ¿En qué se parecen? ¿En qué se diferencian las moléculas de los elementos y las moléculas de los compuestos? ¿En qué se parecen? Las moléculas de los elementos solo contienen un tipo de átomo; las moléculas de los compuestos contienen dos o más tipos de átomos. Se parecen en que ambos están formados por dos o más átomos unidos químicamente. ¿En qué se diferencia un átomo de una molécula? ¿En qué se parecen? Muchos de los artículos que se compran son mezclas de compuestos puros. Seleccione tres de estos productos comerciales y prepare una lista de los ingredientes que son compuestos puros. Las respuestas variarán. Ejemplo de respuesta: Gatorade contiene agua, azúcar, dextrosa, ácido cítrico, sal, cloruro de sodio, fosfato monopotásico y acetato isobutirato de sacarosa. Clasifique cada uno de los artículos de la siguiente lista como un elemento, un compuesto o una mezcla: (a) cobre (b) agua (c) nitrógeno (d) azufre (e) aire (f) sacarosa (g) una sustancia compuesta por moléculas que contienen cada una dos átomos de yodo (h) gasolina Clasifique cada uno de los artículos de la siguiente lista como un elemento, un compuesto o una mezcla: (a) hierro (b) oxígeno (c) óxido de mercurio (d) sirope para panqueques (e) el dióxido de carbono (f) una sustancia compuesta por moléculas que contienen cada una un átomo de hidrógeno y un átomo de cloro (g) bicarbonato de sodio (h) el polvo de hornear (a) elemento; (b) elemento; (c) compuesto; (d) mezcla; (e) compuesto; (f) compuesto; (g) compuesto; (h) mezcla Un átomo de azufre y una molécula de azufre no son idénticos. ¿Cuál es la diferencia? ¿En qué se parecen las moléculas del oxígeno gaseoso, las del hidrógeno gaseoso y las del agua? ¿En qué se diferencian? En cada caso, una molécula está formada por dos o más átomos combinados. Se diferencian en que los tipos de átomos cambian de una sustancia a otra. ¿Por qué se dice que los astronautas en el espacio “no tienen peso", pero sí “tienen masa"? Prepare una lista de los principales productos químicos consumidos y producidos durante el funcionamiento de un automóvil. Se consume gasolina (una mezcla de compuestos), oxígeno y, en menor medida, nitrógeno. El dióxido de carbono y el agua son los principales productos. El monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno se producen en menor cantidad. La materia está en todas partes a nuestro alrededor. Haga una lista con los nombres de los quince tipos de materia que se encuentra cada día. Su lista debe incluir (y marcar al menos un ejemplo de cada uno) lo siguiente: un sólido, un líquido, un gas, un elemento, un compuesto, una mezcla homogénea, una mezcla heterogénea y una sustancia pura. Cuando el hierro elemental se corroe, se combina con el oxígeno del aire y acaba formando un óxido de hierro(III) de color marrón rojizo llamado óxido. (a) Si un clavo de hierro brillante con una masa inicial de 23,2 g se pesa después de ser recubierto con una capa de óxido, ¿esperaría que la masa hubiera aumentado, disminuido o permanecido igual? Explique. (b) Si la masa del clavo de hierro aumenta a 24,1 g, ¿qué masa de oxígeno se ha combinado con el hierro? (a) Aumentó ya que se habría combinado con el oxígeno del aire aumentando así la cantidad de materia y por lo tanto la masa. (b) 0,9 g Como se indica en el texto, los ejemplos convincentes que demuestran la ley de conservación de la materia fuera del laboratorio son escasos. Indique si la masa aumentaría, disminuiría o se mantendría igual para los siguientes escenarios en los que se producen reacciones químicas: (a) Se coloca exactamente una libra de masa de pan en un molde. La masa se cuece en un horno a 350 °F liberando un maravilloso aroma a pan recién horneado durante el proceso de cocción. ¿La masa del pan horneado es menor, mayor o igual que la libra de masa original? Explique. (b) Cuando el magnesio arde en el aire se produce una ceniza blanca y escamosa de óxido de magnesio. ¿La masa de óxido de magnesio es menor, mayor o igual que el trozo de magnesio original? Explique. (c) Antoine Lavoisier, el científico francés al que se le atribuye la primera ley de conservación de la materia, calentó una mezcla de estaño y aire en un matraz sellado para producir óxido de estaño. ¿La masa del matraz cerrado y del contenido disminuyó, aumentó o permaneció igual después del calentamiento? La levadura convierte la glucosa en etanol y dióxido de carbono durante la fermentación anaeróbica, tal y como se representa en la sencilla ecuación química que aparece aquí: glucosa ⟶ etanol + dióxido de carbono (a) Si se convierten completamente 200,0 g de glucosa, ¿cuál será la masa total de etanol y dióxido de carbono producida? (b) Si la fermentación se lleva a cabo en un recipiente abierto, ¿esperaría que la masa del recipiente y del contenido después de la fermentación fuera menor, mayor o igual que la masa del recipiente y del contenido antes de la fermentación? Explique. (c) Si se producen 97,7 g de dióxido de carbono, ¿qué masa de etanol se produce? (a) 200,0 g; (b) La masa del recipiente y del contenido disminuiría ya que el dióxido de carbono es un producto gaseoso y saldría del recipiente. (c) 102,3 g átomo partícula más pequeña de un elemento que puede entrar en una combinación química compuesto sustancia pura que puede descomponerse en dos o más elementos elemento sustancia que se compone de un solo tipo de átomo; una sustancia que no puede descomponerse por un cambio químico gas estado en el que la materia no tiene ni volumen ni forma definidos mezcla heterogénea combinación de sustancias con una composición que varía de un punto a otro mezcla homogénea (también, solución) combinación de sustancias con una composición uniforme en toda su extensión líquido estado de la materia que tiene un volumen definido, pero una forma indefinida ley de conservación de la materia cuando la materia se convierte de un tipo a otro o cambia de forma, no hay un cambio detectable en la cantidad total de materia presente masa propiedad fundamental que indica la cantidad de materia materia cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa mezcla materia que puede separarse en sus componentes por medios físicos molécula conjunto de enlaces de dos o más átomos de un mismo o diferente elemento plasma estado gaseoso de la materia que contiene un gran número de átomos o moléculas cargadas eléctricamente sustancia pura sustancia homogénea que tiene una composición constante sólido estado de la materia que es rígido, tiene una forma definida y tiene un volumen bastante constante peso fuerza que la gravedad ejerce sobre un objeto

Ciencia


Propiedades físicas y químicas Las características que distinguen una sustancia de otra se llaman propiedades. Una propiedad física es una característica de la materia que no está asociada a un cambio en su composición química. Algunos ejemplos conocidos de propiedades físicas son la densidad, el color, la dureza, los puntos de fusión y ebullición y la conductividad eléctrica. Algunas propiedades físicas, como la densidad y el color, pueden observarse sin cambiar el estado físico de la materia. Otras propiedades físicas, como la temperatura de fusión del hierro o la temperatura de congelación del agua, solo pueden observarse cuando la materia sufre un cambio físico. Un cambio físico es un cambio en el estado o las propiedades de la materia sin que se produzca un cambio en las identidades químicas de las sustancias contenidas en la materia. Los cambios físicos se observan cuando la cera se derrite, cuando el azúcar se disuelve en el café y cuando el vapor se condensa en agua líquida ( ). Otros ejemplos de cambios físicos son la magnetización y desmagnetización de metales (como se hace con las etiquetas de seguridad antirrobo habituales) y la molienda de sólidos en polvo (que a veces puede producir cambios de color notables). En cada uno de estos ejemplos, hay un cambio en el estado físico, la forma o las propiedades de la sustancia, pero no hay cambio en su composición química. (a) La cera sufre un cambio físico cuando la cera sólida se calienta y forma cera líquida. (b) El vapor que se condensa dentro de una olla es un cambio físico, ya que el vapor de agua se convierte en agua líquida (créditos a: modificación de la obra por "95jb14"/Wikimedia Commons; créditos b: modificación de la obra por "mjneuby"/Flickr). El cambio de un tipo de materia en otro tipo (o la incapacidad de cambiar) es una propiedad química . Algunos ejemplos de propiedades químicas son la inflamabilidad, la toxicidad, la acidez y muchos otros tipos de reactividad. El hierro, por ejemplo, se combina con el oxígeno en presencia del agua para formar óxido; el cromo no se oxida ( ). La nitroglicerina es muy peligrosa porque explota con facilidad; el neón no representa casi ningún peligro porque es muy poco reactivo. (a) Una de las propiedades químicas del hierro es que se oxida; (b) una de las propiedades químicas del cromo es que no se oxida (créditos a: modificación del trabajo de Tony Hisgett; créditos b: modificación del trabajo de "Atoma"/Wikimedia Commons). Un cambio químico siempre produce uno o más tipos de materia que difieren de la materia presente antes del cambio. La formación de óxido es un cambio químico porque el óxido es un tipo de materia diferente del hierro, el oxígeno y el agua presentes antes de que se formara el óxido. La explosión de la nitroglicerina es un cambio químico porque los gases producidos son tipos de materia muy diferentes de la sustancia original. Otros ejemplos de cambios químicos son las reacciones que se llevan a cabo en un laboratorio (como la reacción del cobre con el ácido nítrico), todas las formas de combustión (quema) y la cocción, digestión o putrefacción de los alimentos ( ). (a) El cobre y el ácido nítrico sufren un cambio químico para formar nitrato de cobre y dióxido de nitrógeno gaseoso de color marrón. (b) Durante la combustión de una cerilla, la celulosa de la cerilla y el oxígeno del aire sufren un cambio químico para formar dióxido de carbono y vapor de agua. (c) La cocción de la carne roja provoca una serie de cambios químicos, entre ellos la oxidación del hierro de la mioglobina que da lugar al conocido cambio de color rojo a marrón. (d) El hecho de que un plátano se vuelva marrón es un cambio químico al formarse nuevas sustancias más oscuras (y menos sabrosas) (créditos b: modificación del trabajo de Jeff Turner; créditos c: modificación del trabajo de Gloria Cabada-Leman; créditos d: modificación del trabajo de Roberto Verzo). Las propiedades de la materia se dividen en dos categorías. Si la propiedad depende de la cantidad de materia presente, es una propiedad extensiva . La masa y el volumen de una sustancia son ejemplos de propiedades extensivas; por ejemplo, un galón de leche tiene una masa mayor que un vaso de leche. El valor de una propiedad extensiva es directamente proporcional a la cantidad de materia en cuestión. Si la propiedad de una muestra de materia no depende de la cantidad de materia presente, es una propiedad intensiva . La temperatura es un ejemplo de propiedad intensiva. Si el galón y la taza de leche están cada uno a 20 °C (temperatura ambiente), cuando se combinan, la temperatura sigue siendo de 20 °C. Como otro ejemplo, considere las propiedades distintas, pero relacionadas del calor y la temperatura. Una gota de aceite de cocina caliente salpicada en el brazo provoca una breve y leve molestia, mientras que una olla de aceite caliente produce graves quemaduras. Tanto la gota como la olla de aceite están a la misma temperatura (propiedad intensiva), pero la olla contiene claramente mucho más calor (propiedad extensiva). Diamante de peligro Es posible que haya visto el símbolo que aparece en la en los envases de productos químicos en un laboratorio o lugar de trabajo. A veces lo llaman "diamante de fuego" o "diamante de peligro", este diamante de peligro químico proporciona una valiosa información que resume brevemente los diversos peligros de los que hay que ser consciente cuando se trabaja con una sustancia concreta. El diamante de peligro de la Agencia Nacional de Protección contra Incendios (National Fire Protection Agency, NFPA) resume los principales peligros de una sustancia química. El Sistema de Identificación de Peligros 704 de la Agencia Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) fue desarrollado por la NFPA para proporcionar información de seguridad sobre ciertas sustancias. El sistema describe los riesgos de inflamabilidad, reactividad, salud y otros. Dentro del símbolo general del diamante, el diamante superior (rojo) especifica el nivel de riesgo de incendio (rango de temperatura para el punto de inflamabilidad). El diamante azul (izquierda) indica el nivel de peligro para la salud. El diamante amarillo (derecha) describe los riesgos de reactividad, como la facilidad con la que la sustancia sufrirá una detonación o un cambio químico violento. El diamante blanco (inferior) señala los peligros especiales, como si es un oxidante (que permite que la sustancia arda en ausencia de aire/oxígeno), sufre una reacción inusual o peligrosa con el agua, es corrosiva, acídica, alcalina, un peligro biológico, radiactiva, etc. Cada peligro se clasifica en una escala de 0 a 4, siendo 0 ningún peligro y 4 extremadamente peligroso. Aunque muchos elementos difieren drásticamente en sus propiedades químicas y físicas, algunos elementos tienen propiedades similares. Por ejemplo, muchos elementos conducen bien el calor y la electricidad, mientras que otros son conductores deficientes. Estas propiedades pueden utilizarse para clasificar los elementos en tres clases: metales (elementos que conducen bien), no metales (elementos que conducen de forma deficiente) y metaloides (elementos que tienen conductividades intermedias). La tabla periódica es una tabla que agrupa los elementos con propiedades similares ( ). Aprenderá más sobre la tabla periódica a medida que continúe su estudio de la química. La tabla periódica muestra cómo los elementos pueden agruparse según ciertas propiedades similares. Tenga en cuenta que el color de fondo indica si un elemento es un metal, un metaloide o un no metal, mientras que el color del símbolo del elemento indica si es un sólido, un líquido o un gas. Conceptos clave y resumen Todas las sustancias tienen propiedades físicas y químicas distintas, y pueden sufrir cambios físicos o químicos. Las propiedades físicas, como la dureza y el punto de ebullición, y los cambios físicos, como la fusión o la congelación, no implican un cambio en la composición de la materia. Las propiedades químicas, como la inflamabilidad y la acidez, y los cambios químicos, como la oxidación, implican la producción de una materia diferente a la presente. Las propiedades medibles pertenecen a una de las dos categorías. Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de materia presente, por ejemplo, la masa del oro. Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de materia presente, por ejemplo, la densidad del oro. El calor es un ejemplo de propiedad extensiva, y la temperatura es un ejemplo de propiedad intensiva. Ejercicios de Química del final del capítulo Clasifique las seis propiedades subrayadas en el siguiente párrafo como químicas o físicas: El flúor es un gas amarillo pálido que reacciona con la mayoría de las sustancias . El elemento libre se funde a -220 °C y hierve a -188 °C . Los metales finamente divididos arden en flúor con una llama brillante. Diecinueve gramos de flúor reaccionarán con 1,0 gramos de hidrógeno . Clasifique cada uno de los siguientes cambios como físicos o químicos: (a) condensación del vapor (b) quema de gasolina (c) acidificación de la leche (d) disolución del azúcar en el agua (e) fundición del oro (a) físico; (b) químico; (c) químico; (d) físico; (e) físico Clasifique cada uno de los siguientes cambios como físicos o químicos: (a) la quema de carbón (b) fusión del hielo (c) mezclar sirope de chocolate con leche (d) explosión de un petardo (e) magnetización de un destornillador El volumen de una muestra de oxígeno gaseoso cambió de 10 mL a 11 mL al cambiar la temperatura. ¿Es un cambio químico o físico? físico Un volumen de 2,0 litros de hidrógeno gaseoso se combina con 1,0 litros de oxígeno gaseoso para producir 2,0 litros de vapor de agua. ¿El oxígeno sufre un cambio químico o físico? Explique la diferencia entre propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor de una propiedad extensiva depende de la cantidad de materia considerada, mientras que el valor de una propiedad intensiva es el mismo independientemente de la cantidad de materia considerada. Identifique las siguientes propiedades como extensivas o intensivas. (a) volumen (b) la temperatura (c) humedad (d) calor (e) punto de ebullición La densidad (d) de una sustancia es una propiedad intensiva que se define como la relación entre su masa (m) y su volumen (V). densidad = masa volumen d = m V Considerando que tanto la masa como el volumen son propiedades extensivas, explique por qué su relación, la densidad, es intensiva. Al ser propiedades extensivas, tanto la masa como el volumen son directamente proporcionales a la cantidad de sustancia estudiada. Al dividir una propiedad extensiva entre otra, se "anula" esta dependencia de la cantidad, dando lugar a una relación independiente de la cantidad (una propiedad intensiva). cambio químico cambio que produce un tipo de materia diferente a la original propiedad química comportamiento relacionado con el cambio de un tipo de materia en otro tipo de materia propiedad extensiva propiedad de una sustancia que depende de la cantidad de esta propiedad intensiva propiedad de una sustancia que es independiente de la cantidad de esta cambio físico cambio en el estado o las propiedades de la materia que no implica un cambio en su composición química propiedad física característica de la materia que no está asociada a ningún cambio en su composición química

Ciencia