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Índice
  1. Prefacio
  2. 1 Ideas esenciales
    1. Introducción
    2. 1.1 La química en su contexto
    3. 1.2 Fases y clasificación de la materia
    4. 1.3 Propiedades físicas y químicas
    5. 1.4 Mediciones
    6. 1.5 Incertidumbre, exactitud y precisión de las mediciones
    7. 1.6 Tratamiento matemático de los resultados de las mediciones
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  3. 2 Átomos, moléculas e iones
    1. Introducción
    2. 2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
    3. 2.2 Evolución de la teoría atómica
    4. 2.3 Estructura atómica y simbolismo
    5. 2.4 Fórmulas químicas
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  4. 3 Estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos
    1. Introducción
    2. 3.1 Energía electromagnética
    3. 3.2 El modelo de Bohr
    4. 3.3 Desarrollo de la teoría cuántica
    5. 3.4 Estructura electrónica de los átomos (configuraciones de electrones)
    6. 3.5 Variaciones periódicas de las propiedades de los elementos
    7. 3.6 La tabla periódica
    8. 3.7 Compuestos iónicos y moleculares
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  5. 4 Enlace químico y geometría molecular
    1. Introducción
    2. 4.1 Enlace iónico
    3. 4.2 Enlace covalente
    4. 4.3 Nomenclatura química
    5. 4.4 Símbolos y estructuras de Lewis
    6. 4.5 Cargas formales y resonancia
    7. 4.6 Estructura molecular y polaridad
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  6. 5 Teorías avanzadas de enlace
    1. Introducción
    2. 5.1 Teoría de enlace de valencia
    3. 5.2 Orbitales atómicos híbridos
    4. 5.3 Enlaces múltiples
    5. 5.4 Teoría de los orbitales moleculares
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  7. 6 Composición de sustancias y soluciones
    1. Introducción
    2. 6.1 Fórmula de masa
    3. 6.2 Determinación de fórmulas empíricas y moleculares
    4. 6.3 Molaridad
    5. 6.4 Otras unidades para las concentraciones de las soluciones
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  8. 7 Estequiometría de las reacciones químicas
    1. Introducción
    2. 7.1 Escritura y balance de ecuaciones químicas
    3. 7.2 Clasificación de las reacciones químicas
    4. 7.3 Estequiometría de la reacción
    5. 7.4 Rendimiento de la reacción
    6. 7.5 Análisis químico cuantitativo
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  9. 8 Gases
    1. Introducción
    2. 8.1 Presión del gas
    3. 8.2 Relaciones entre presión, volumen, cantidad y temperatura: la ley de los gases ideales
    4. 8.3 Estequiometría de sustancias gaseosas, mezclas y reacciones
    5. 8.4 Efusión y difusión de los gases
    6. 8.5 La teoría cinético-molecular
    7. 8.6 Comportamiento no ideal de los gases
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  10. 9 Termoquímica
    1. Introducción
    2. 9.1 Conceptos básicos de energía
    3. 9.2 Calorimetría
    4. 9.3 Entalpía
    5. 9.4 Fuerza de los enlaces iónicos y covalentes
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  11. 10 Líquidos y sólidos
    1. Introducción
    2. 10.1 Fuerzas intermoleculares
    3. 10.2 Propiedades de los líquidos
    4. 10.3 Transiciones de fase
    5. 10.4 Diagramas de fase
    6. 10.5 El estado sólido de la materia
    7. 10.6 Estructuras de red en los sólidos cristalinos
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  12. 11 Soluciones y coloides
    1. Introducción
    2. 11.1 El proceso de disolución
    3. 11.2 Electrolitos
    4. 11.3 Solubilidad
    5. 11.4 Propiedades coligativas
    6. 11.5 Coloides
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  13. 12 Termodinámica
    1. Introducción
    2. 12.1 Espontaneidad
    3. 12.2 Entropía
    4. 12.3 La segunda y la tercera ley de la termodinámica
    5. 12.4 Energía libre
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  14. 13 Conceptos fundamentales del equilibrio
    1. Introducción
    2. 13.1 Equilibrio químico
    3. 13.2 Constantes de equilibrio
    4. 13.3 Equilibrios cambiantes: el principio de Le Châtelier
    5. 13.4 Cálculos de equilibrio
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  15. 14 Equilibrios ácido-base
    1. Introducción
    2. 14.1 Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry
    3. 14.2 pH y pOH
    4. 14.3 Fuerza relativa de los ácidos y las bases
    5. 14.4 Hidrólisis de sales
    6. 14.5 Ácidos polipróticos
    7. 14.6 Tampones
    8. 14.7 Titulaciones ácido-base
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  16. 15 Equilibrios de otras clases de reacción
    1. Introducción
    2. 15.1 Precipitación y disolución
    3. 15.2 Ácidos y Bases de Lewis
    4. 15.3 Equilibrios acoplados
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  17. 16 Electroquímica
    1. Introducción
    2. 16.1 Repaso de química redox
    3. 16.2 Celdas galvánicas
    4. 16.3 Potenciales del electrodo y de la celda
    5. 16.4 Potencial, energía libre y equilibrio
    6. 16.5 Baterías y pilas de combustible
    7. 16.6 Corrosión
    8. 16.7 Electrólisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  18. 17 Cinética
    1. Introducción
    2. 17.1 Tasas de reacciones químicas
    3. 17.2 Factores que afectan las tasas de reacción
    4. 17.3 Leyes de velocidad
    5. 17.4 Leyes de tasas integradas
    6. 17.5 Teoría de colisiones
    7. 17.6 Mecanismos de reacción
    8. 17.7 Catálisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  19. 18 Metales representativos, metaloides y no metales
    1. Introducción
    2. 18.1 Periodicidad
    3. 18.2 Incidencia y preparación de los metales representativos
    4. 18.3 Estructura y propiedades generales de los metaloides
    5. 18.4 Estructura y propiedades generales de los no metales
    6. 18.5 Incidencia, preparación y compuestos de hidrógeno
    7. 18.6 Incidencia, preparación y propiedades de los carbonatos
    8. 18.7 Incidencia, preparación y propiedades del nitrógeno
    9. 18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo
    10. 18.9 Incidencia, preparación y compuestos del oxígeno
    11. 18.10 Incidencia, preparación y propiedades del azufre
    12. 18.11 Incidencia, preparación y propiedades de los halógenos
    13. 18.12 Incidencia, preparación y propiedades de los gases nobles
    14. Términos clave
    15. Resumen
    16. Ejercicios
  20. 19 Metales de transición y química de coordinación
    1. Introducción
    2. 19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos
    3. 19.2 Química de coordinación de los metales de transición
    4. 19.3 Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación
    5. Términos clave
    6. Resumen
    7. Ejercicios
  21. 20 Química nuclear
    1. Introducción
    2. 20.1 Estructura y estabilidad nuclear
    3. 20.2 Ecuaciones nucleares
    4. 20.3 Decaimiento radiactivo
    5. 20.4 Transmutación y energía nuclear
    6. 20.5 Usos de los radioisótopos
    7. 20.6 Efectos biológicos de la radiación
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  22. 21 Química orgánica
    1. Introducción
    2. 21.1 Hidrocarburos
    3. 21.2 Alcoholes y éteres
    4. 21.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
    5. 21.4 Aminas y amidas
    6. Términos clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  23. A La tabla periódica
  24. B Matemáticas esenciales
  25. C Unidades y factores de conversión
  26. D Constantes físicas fundamentales
  27. E Propiedades del agua
  28. F Composición de los ácidos y las bases comerciales
  29. G Propiedades termodinámicas estándar de determinadas sustancias
  30. H Constantes de ionización de los ácidos débiles
  31. I Constantes de ionización de las bases débiles
  32. J Productos de solubilidad
  33. K Constantes de formación de iones complejos
  34. L Potenciales de electrodos estándar (media celda)
  35. M Semivida de varios isótopos radiactivos
  36. Clave de respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
    18. Capítulo 18
    19. Capítulo 19
    20. Capítulo 20
    21. Capítulo 21
  37. Índice

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Calcular las masas de las fórmulas de los compuestos covalentes e iónicos.

Muchos sostienen que la ciencia química moderna comenzó cuando los científicos empezaron a explorar los aspectos cuantitativos y cualitativos de la química. Por ejemplo, la teoría atómica de Dalton fue un intento de explicar los resultados de las mediciones que le permitieron calcular las masas relativas de los elementos combinados en diversos compuestos. Entender la relación entre las masas de los átomos y las fórmulas químicas de los compuestos nos permite describir cuantitativamente la composición de las sustancias.

Fórmula de masa

En un capítulo anterior de este texto se describía el desarrollo de la unidad de masa atómica, el concepto de masas atómicas promedio y el uso de fórmulas químicas para representar la composición elemental de las sustancias. Estas ideas pueden ampliarse para calcular la fórmula de masa de una sustancia sumando las masas atómicas promedio de todos los átomos representados en la fórmula de la sustancia.

Fórmula de masa de las sustancias covalentes

En el caso de las sustancias covalentes, la fórmula representa el número y el tipo de átomos que componen una sola molécula de la sustancia; por tanto, la fórmula de masa puede denominarse correctamente masa molecular. Pensemos en el cloroformo (CHCl3), un compuesto covalente que antiguamente se utilizaba como anestésico quirúrgico y que ahora se emplea principalmente en la producción del polímero "antiadherente", el teflón. La fórmula molecular del cloroformo indica que una sola molécula contiene un átomo de carbono, uno de hidrógeno y tres de cloro. La masa molecular promedio de una molécula de cloroformo es, por tanto, igual a la suma de las masas atómicas promedio de estos átomos. La Figura 6.2 resume los cálculos utilizados para obtener la masa molecular del cloroformo, que es de 119,37 u.

Se muestran una tabla y un diagrama. La tabla se compone de seis columnas y cinco filas. La fila de encabezado dice: "Elemento", "Cantidad", un espacio en blanco, "Masa atómica (uma) promedio", un espacio en blanco y "Subtotal (uma)”. La primera columna contiene los símbolos "C", "H", "C l" y una celda en blanco y combinada que recorre el ancho de las cinco primeras columnas. La segunda columna contiene los números "1", "1" y "3", así como la celda combinada. La tercera columna contiene el símbolo de la multiplicación en cada celda, excepto en la última celda combinada. La cuarta columna contiene los números "12,01", "1,008" y "35,45", así como la celda combinada. La quinta columna contiene el símbolo "=" en cada celda, excepto en la última celda combinada. La sexta columna contiene los valores "12,01", "1,008", "106,35" y "119,37”. Hay una línea negra gruesa debajo del número 106,35. La celda combinada bajo las cinco primeras columnas dice "Masa molecular”. A la derecha de la tabla hay un diagrama de una molécula. Tres esferas verdes están unidas a una esfera negra un poco más pequeña, que a su vez está unida a una esfera blanca más pequeña. Las esferas verdes se sitúan debajo y a los lados de la esfera negra, mientras que la esfera blanca se encuentra directamente arriba de la esfera negra.
Figura 6.2 La masa promedio de una molécula de cloroformo, CHCl3, es de 119,37 u, que es la suma de las masas atómicas promedio de cada uno de sus átomos constituyentes. El modelo muestra la estructura molecular del cloroformo.

Asimismo, la masa molecular de una molécula de aspirina, C9H8O4, es la suma de las masas atómicas de nueve átomos de carbono, ocho átomos de hidrógeno y cuatro átomos de oxígeno, que asciende a 180,15 u (Figura 6.3).

Se muestran una tabla y un diagrama. La tabla se compone de seis columnas y cinco filas. La fila de encabezado dice: "Elemento", "Cantidad", un espacio en blanco, "Masa atómica (uma) promedio", un espacio en blanco y "Subtotal (uma)”. La primera columna contiene los símbolos "C", "H", "O" y una celda combinada. La celda combinada tiene la longitud de las cinco primeras columnas. La segunda columna contiene los números "9", "8" y "4", así como la celda combinada. La tercera columna contiene el símbolo de la multiplicación en cada celda, excepto en la última celda combinada. La cuarta columna contiene los números "12,01", "1,008" y "16,00", así como la celda combinada. La quinta columna contiene el símbolo "=" en cada celda, excepto en la última celda combinada. La sexta columna contiene los valores: "108,09", "8,064", "64,00" y "180,15”. Hay una línea negra gruesa debajo del número 64,00. La celda combinada bajo las cinco primeras columnas dice "Masa molecular”. A la derecha de la tabla hay un diagrama de una molécula. Seis esferas negras están situadas en un anillo de seis lados y conectadas por doble enlaces negros y enlaces simples alternativamente. A cada una de las cuatro esferas negras se une una esfera blanca más pequeña. A la esfera negra más alejada de la derecha se une una esfera roja, conectada a otras dos esferas negras, todas en fila. Junto a la última esfera negra de esa fila hay otras dos esferas blancas. Unida a la primera esfera negra de esa fila hay otra esfera roja. Una esfera negra, unida a dos esferas rojas y una esfera blanca está unida a la esfera negra en la parte superior derecha del anillo de seis lados.
Figura 6.3 La masa media de una molécula de aspirina es de 180,15 u. El modelo muestra la estructura molecular de la aspirina, C9H8O4.

Ejemplo 6.1

Calcular la masa molecular de un compuesto covalente

El ibuprofeno, C13H18O2, es un compuesto covalente y el ingrediente activo de varios medicamentos populares para el dolor sin receta, como Advil y Motrin. ¿Cuál es la masa molecular (u) de este compuesto?

Solución

Las moléculas de este compuesto están formadas por 13 átomos de carbono, 18 de hidrógeno y 2 de oxígeno. Siguiendo el enfoque descrito anteriormente, la masa molecular media de este compuesto es, por tanto, de: Se muestra una tabla formada por seis columnas y cinco filas. La fila de encabezado dice: "Elemento", "Cantidad", un espacio en blanco, "Masa atómica (uma) promedio", un espacio en blanco y "Subtotal (uma)”. La primera columna contiene los símbolos "C", "H", "O" y una celda combinada. La celda combinada tiene la longitud de las cinco primeras columnas. La segunda columna contiene los números "13", "8" y "2", así como la celda combinada. La tercera columna contiene el símbolo de la multiplicación en cada celda, excepto en la última celda combinada. La cuarta columna contiene los números "12,01", "1,008" y "16,00", así como la celda combinada. La quinta columna contiene el símbolo "=" en cada celda, excepto en la última celda combinada. La sexta columna contiene los valores "156,13", "18,114", "32,00" y "206,27”. Hay una línea negra gruesa debajo del número 32,00. La celda combinada bajo las cinco primeras columnas dice "Masa molecular”. A la derecha se ve un modelo de barras y esferas de la estructura. En el centro, muestra seis esferas negras dispuestas en un anillo de seis lados con dobles enlaces alternados. Las dos esferas negras de la parte superior e inferior del anillo de seis lados están enlazadas a una esfera blanca más pequeña. La esfera negra del lado izquierdo del anillo de seis lados está conectada a otra esfera negra. Esta esfera está conectada a dos esferas blancas más pequeñas y a otra esfera negra. Esta esfera negra está conectada a una esfera blanca más pequeña y a otras dos esferas negras. Cada una de estas dos últimas esferas negras está conectada a dos esferas blancas más pequeñas. La esfera negra del lado derecho del anillo de seis lados está conectada a otra esfera negra. Esta esfera negra está conectada a una esfera blanca más pequeña y a otras dos esferas negras. La esfera negra que está conectada a ella y está situada arriba a la derecha está conectada a dos esferas blancas más pequeñas. La esfera negra conectada hacia la parte inferior derecha está conectada a dos esferas rojas. Forma un doble enlace con una de estas esferas rojas y la otra esfera roja está conectada a una esfera blanca más pequeña.

Compruebe lo aprendido

El acetaminofén, C8H9NO2, es un compuesto covalente y el ingrediente activo de varios medicamentos populares para el dolor sin receta, como Tylenol. ¿Cuál es la masa molecular (u) de este compuesto?

Respuesta:

151,16 u

Fórmula de masa de los compuestos iónicos

Los compuestos iónicos están formados por cationes y aniones discretos combinados en proporciones que dan lugar a una materia masiva eléctricamente neutra. La fórmula de masa de un compuesto iónico se calcula de la misma manera que la fórmula de masa de los compuestos covalentes: sumando las masas atómicas promedio de todos los átomos de la fórmula del compuesto. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la fórmula de un compuesto iónico no representa la composición de una molécula discreta, por lo que no puede denominarse correctamente "masa molecular”.

Como ejemplo, consideremos el cloruro de sodio, NaCl, el nombre químico de la sal de mesa común. El cloruro de sodio es un compuesto iónico formado por cationes de sodio, Na+, y aniones de cloruro, Cl-, combinados en una relación 1:1. La fórmula de masa de este compuesto se calcula en 58,44 u (vea la Figura 6.4).

Se muestran una tabla y un diagrama. La tabla se compone de seis columnas y cuatro filas. La fila de encabezado dice: "Elemento", "Cantidad", un espacio en blanco, "Masa atómica (uma) promedio", un espacio en blanco y "Subtotal (u)". La primera columna contiene los símbolos "N a", "C l" y una celda combinada. La celda combinada tiene la longitud de las cinco primeras columnas. La segunda columna contiene los números "1" y "1", así como la celda combinada. La tercera columna contiene el símbolo de la multiplicación en cada celda, excepto en la última celda combinada. La cuarta columna contiene los números "22,99" y "35,45", así como la celda combinada. La quinta columna contiene el símbolo "=" en cada celda, excepto en la última celda combinada. La sexta columna contiene los valores "22,99", "35,45" y "58,44". Hay una línea negra gruesa debajo del número "35,45". La celda combinada bajo las cinco primeras columnas dice "fórmula de masa”. A la derecha de la tabla hay un diagrama de una estructura química. El diagrama muestra esferas verdes y púrpuras colocadas en un patrón alternado, formando las esquinas de ocho cubos apilados para formar un cubo más grande. Las esferas verdes son ligeramente más pequeñas que las púrpura.
Figura 6.4 La sal de mesa, NaCl, contiene un conjunto de iones de sodio y cloruro combinados en una relación de 1:1. Su fórmula de masa es de 58,44 u.

Observe que en este cálculo se han utilizado las masas medias de los átomos neutros de sodio y cloro, en lugar de las masas de los cationes de sodio y los aniones de cloro. Este enfoque es perfectamente aceptable cuando se calcula la fórmula de masa de un compuesto iónico. Aunque un catión de sodio tiene una masa ligeramente menor que un átomo de sodio (ya que le falta un electrón), esta diferencia se verá compensada por el hecho de que un anión de cloruro es ligeramente más masivo que un átomo de cloruro (debido al electrón extra). Además, la masa de un electrón es insignificante con respecto a la masa de un átomo típico. Incluso cuando se calcula la masa de un ion aislado, los electrones faltantes o adicionales pueden generalmente ignorarse, ya que su contribución a la masa total es insignificante, reflejándose solo en los dígitos no significativos que se perderán al redondear adecuadamente la masa calculada. Las pocas excepciones a esta norma son los iones muy ligeros derivados de elementos con masas atómicas conocidas con precisión.

Ejemplo 6.2

Calcular la fórmula de masa de un compuesto iónico

El sulfato de aluminio, Al2(SO4)3, es un compuesto iónico que se utiliza en la fabricación de papel y en diversos procesos de purificación del agua. ¿Cuál es la fórmula de masa (u) de este compuesto?

Solución

La fórmula de este compuesto indica que contiene iones Al3+ y SO42- combinados en una relación 2:3. Para calcular la fórmula de masa, es útil reescribir la fórmula en el formato más simple, Al2S3O12. Siguiendo el enfoque descrito anteriormente, la fórmula de masa de este compuesto se calcula de la siguiente manera: Se muestra una tabla formada por seis columnas y cinco filas. La fila de encabezado dice: "Elemento", "Cantidad", un espacio en blanco, "Masa atómica (uma) promedio", un espacio en blanco y "Subtotal (uma)”. La primera columna contiene los símbolos "A l", "S", "O" y una celda combinada. La celda combinada tiene la longitud de las cinco primeras columnas. La segunda columna contiene los números "2", "3" y "12", así como la celda combinada. La tercera columna contiene el símbolo de la multiplicación en cada celda, excepto en la última celda combinada. La cuarta columna contiene los números "26,98", "32,06" y "16,00", así como la celda combinada. La quinta columna contiene el símbolo "=" en cada celda, excepto en la última celda combinada. La sexta columna contiene los valores "53,96", "96,18", "192,00" y "342,14”. Hay una línea negra gruesa bajo el número 192,00. La celda combinada bajo las cinco primeras columnas dice "Masa molecular”. A la derecha de esta tabla hay un estructura de barras y esferas. Muestra esferas amarillas y grises conectadas a esferas rojas en un patrón complejo. Las esferas amarilla y gris tienen un tamaño similar, pero las rojas parecen ser más pequeñas en comparación.

Compruebe lo aprendido

El fosfato de calcio, Ca3(PO4)2, es un compuesto iónico y un antiaglomerante muy común que se añade a los productos alimenticios. ¿Cuál es la fórmula de masa (u) del fosfato de calcio?

Respuesta:

310,18 uma

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