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Ouimica
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Mount San Antonio Collage
Susan Arena
University of Illinois, Urbana-Champaign
Traducción:
Ing. Virgilio González Pozo
Fac. de Química, UNAM
Revisión técnica:
M. en C. Luis Cabrera Mosqueda
Fac. de Química, UNAM
International Thomson EditoreSs .A. de C.V.
An International Thomson Publishing Company I@p
México Albany Bonn Boston Cincinnati Detroit Johannesburg London Madrid Melbourne New York
Pacific Grove Paris San Francisco San Juan, PR. Singapore Tokyo Toronto Washington
Traducción de la obra: Foundations of College Chemistry. Brief edition, publicada por BrooksfCole Publishing
Fundamentos de química
ISBN 968-7524-20-2
Derechos reservados O 1997, por International Thomson Editores S.A. de C.V.
International Thomson Editores es una empresa de International Thomson Publishing Imp
Editor Externo: Abelardo Rojas Flores
Diagramación y Diseño de Interiores: Imix Diseño
Lecturas: Xilonen Ruiz Ortiz
Diseño de Portada: Maré Concepto Gráfico
Director Editorial: Miguel Angel Toledo Castellanos
All rights reserved. No part of this work may be reproduced, stored in a retrieval system,
or transcribe, in anyf orm or by any means- electronic, mechanical, photocopying,
recording, or otherwise, orb e used to make a derivative work ( such as translation
or adaptation), without prior written permissoiof nth e publishel:
Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del texto de la presente obra
bajo cualesquiera formas, electrónica o mecánica, incluyendo el fotocopiado, el almacenamiento
en algún sistema de recuperación de información, o el grabado, sin el consentimiento previo
y por escrito del editor.
Impreso en México
Printed in Mexico
Fundamentosd eQ uímica fue pensado originalmente para estudiantes quen unca antes
hubieran tomado un curso de química, o para quienes hayan interrumpido durante un tiem-
po sus estudios, pero que tengan el deseo de continuarlos. Este libro, desde su publicación,
ha ayudado a definir el curso introductorio de química. La gran acogida que tuvieron las edi-
ciones anteriores comprueba que el texto ha captado una audiencia mucho mayor. Además
de los cursos de química fundamental, nuestro libro se ha usado mucheno cursos generalesd e
un semestre, como los que se siguen en los campos relacionados con las ciencias de la salud,
o en cursos para profesiones no científicas formados por un grupo muy diverso de estudian-
tes. Nuestra meta, en esta ocasión, es continuar haciendo accesible los fundamentos de
química para todosl os estudiantes que se iniciane n el estudio de esta ciencia.E l enfoque es el
mismo que el de la primera edición: ¿cómo hacer interesante y comprensible para los alum-
nos este material? Y, ¿cómo podemos enseñarles la habilidad que necesitarán para resolver
problemas?
Para la preparación de esta edición, la novena en inglés, tomamos en cuenta los comen-
tarios y sugerencias de estudiantes y profesores, con objeto de diseñar un texto que tuviera
como base los puntos fuertes de las ediciones anteriores y que presentara a la química como
lo que es: un tema vital, coherente e interesante. En particular, hemos tratado de relacionar
a la química con las actividades de los alumnos, a medida que se desarrolian los principios
para el estudio más avanzado de la química.
Desarrollo de la habilidad para resolver problemas
Todos deseamos que el estudiante adquiera una habilidad tangible para resolver problemas.
Creemos que la causa clave de la longevidad de este texto es el hecho de que el enfoque
El análisis dimensional se
hacia la resolución de problemas que aquí presentamos es benéfico para el alumno. Un
explica en la sección 2.8,
método para resolver problemas, que en ocasiones es llamado método de anúlisis dimen-
página 22. Recomendamos a
sional, es un proceso gradual, que permite al estudiante usar unidades de medida y visualizar
los alumnos principiantes
el cambio de una unidada otra. Los alumnos pueden aprender con mayorf acilidad si definen
usar este método, hasta que
y demuestran conceptos y problemas gradualmente, esto es, paso a paso. En esta edición
se familiaricen conl os térmi-
continuaremos presentando muchos ejemplos, comenzando con sustituciones sencillas, nos que usamos enl os
prosiguiendo con el uso de algoritmos, y pasando a problemas más complicados. Los ejem- cálculos.
plos muestran cómo incorporar la habilidad matemática fundamental, la notación científica
y las cifras significativas, apegándose siempre a las reglas. Hemos tratado de mostrar, me- Hay métodos alternativos de
ticulosamente, cada paso del proceso de resolución del problema (ver púginas 107 y 138), solución. Véanse, por ejem-
así como exponer métodos alternativos de solución (por ejemplo, razón-proporción o alge- plo, las páginas3 8 y 39, y
176 y 177.
braicos) cuando son adecuados. Estos métodos alternativos proporcionan flexibilidad para
que el alumno elija el método que le funciona mejor. En esta edición empleamos cuatro
El redondeo de las respues-
cifras significativas en las masas atómicas y molares, para tener consistencia al redondear
tas aparece en las páginas
los resultados. Hemos tenido cuidado de seguir las reglas enunciadas al presentar las
14 y 15; cuando es necesario
respuestas, redondeadas correctamente para no confundir a los alumnos que tengan pro-
se proporcionan sugerencias
blemas con las matemáticas. adicionales
Fomentando el desarrollo de la habilidad en el alumno. La actitud desempeña un (ver pág. 31).
papel crítico en la resolución de los problemas. Recomendamos al estudiante aprender que
un método sistemático para resolver problemas es mejor que la simple memorización. En el
V
capítulo 2 nos damos a la tarea de establecer esta actitud. En todo el libro pedimos al alumno
que inicie escribiendo los hechos o datos de determinado problema y que planee el desa-
rrollo del mismo hasta llegar a la respuesta 12, cual debe comprobar para ver si tiene senti-
do. Una vez descritas las bases de los conceptos, marcamos los pasos a seguir para que el
alumno los pueda encontrar con facilidad. Las reglas y ecuaciones importantes se marcan en
recuadros para resaltarlas y para su rápida consulta.
Práctica para el alumno. Los ejercicios de prúcticas iguen a la mayor parted e los ejem-
En las páginas 59 y 85, ejem- plos del libro. Las respuestas de todos ellos aparecen al final de cada capítulo. Hemos amplia-
plos de reglasy ecuaciones do y actualizado la cantidad de los ejerciciosd e final de capítulo. Cada conjunto de ejercicios
encerradas en recuadros. comienza con una sección de Preguntas, que ayuda al alumno a repasar los términos y con-
ceptos clave,a sí como el materiaql ue se presenta en forma de tablas y figuras. A continuación
Para los ejercicios de prácti-
sigue la sección de Ejercicios relacionados,e n la que presentamos lado a lado dos'ejercicios
ca, un ejemplo en la página
semejantes. Esos ejercicios son de conceptos y numéricos. La sección Ejercicios adicionales
112, y la página 122 con las
permite practicar más con los conceptos que se presentaron en el capítulo. Las preguntas y
respuestas.
ejercicios más difíciles se marcan cuonn a sterisco. Las respuestads e todas las preguntays ejer-
cicios con número par aparecen en el apéndice V.
Con las preguntas se repa-
san palabras, conceptos, ci-
fras y tablas clave. Por ejem-
Énfasis en 10sa spectos prácticos
plo, las páginas 140 a 141.
Para los ejercicios relaciona- Seguimos haciendo énfasis en los aspectos menos teóricos de la química al principio del
dos, las páginas 141 a 143. libro, y dejamos para después la teoría por ser más abstracta. Este orden parece especial-
Para los ejercicios adiciona- mente adecuado en un curso en el que los alumnos se encuentran por primera vez con la
les, las páginas 143 y 144.
química. Los átomos, las moléculas y las reacciones son todos parte integral de la natura-
leza química de la materia. Al comprender sólidamente esos temas, el estudiante podrá for-
marse un concepto y un vocabulario básico de las propiedades químicas.
El capítulo 2 presenta las matemáticas y el lenguaje básicos para los cálculos químicos,
incluyendo una explicación del sistema métyri cdoe a ls cifras significativas.E l capítulo 3 intro-
duce el vocabulariod e los nombres químicos, definiendao l a materia y a los sistemas de nomen-
clatura y clasificación del os elementos. En el capítulo4 se presentan las propiedades químicas,
o sea la capacidad que tienenla s sustancias para formar otras sustancias nuevas. Despueéns ,e l
capítulo 5, el alumno encontrará la historiya los vocablos de la teoria atómica básica.
Posteriormente viene la presentación de material nuevo, haciéndolo a un nivel adecua-
do para el estudiante novato. En el cual se hace énfasis en la nomenclatura, la composición
de las sustancias y las reacciones - e nl os capítulos del 6 al 9--, antes de pasar a los detalles
de la teoría atómica moderna. El capítulo "La tabla periódica", de la octava edición, se inte-
gró al capítulo 10, "Teoría atómica moderna", que hemos vuelto a elaborar y al capítulo 11,
"Enlaces químicos". Los profesores que consideran básico aprender la teoría atómica y los
enlaces desde el principio del curso, pueden pasar a los capítulos 10 y 11 inmediata-
mente después de estudiar el capítulo 5. Los alumnos adquirirán seguridad en su propia
capacidad de identificar y trabajar las sustancias químicas en el laboratorio, antes de pasar
a las abstractas teorías de la materia. Como químicos en activo que somos, encontramos
pocas dificultades al relacionar la teoría con las propiedades químicas, pero los alumnos, en
especial quienes no hayan tenido contacto con la química, podrán no compartir esta capaci-
dad de relacionar lo abstracto con lo práctico. En resumen, hemos modificado todo el texto
y actualizado su redacción para mejorar la claridad.
vi
Auxiliares para el aprendizaje
Para ayudar a que el estudiante principiante adquiera la confianza necesaria para dominar el
material técnico, hemos preparado y mejorado una serie de auxiliares para el aprendizaje:
Términos: páginas 48 y 182
Los términos importantes se señalan en negritas, al momento ded efinirlas, y se ponen
al margen. Esos términos también aparecen en negritas en el índice.
Ejemplos resueltos y ejerci-
Hay ejemplos resueltos, con los pasos indicados, para mostrar a los alumnos cómo se cios de práctica: páginas 16,
resuelvee l problema, antes de pedirles atacar por sí mismoos trop roblema. 17,112 y 297.
Los ejercicios de práctica permiten el refuerzo inmediato para determinada habili-
dad descrita en los problemas de ejemplo. Las respuestas aparecen al final del capítulo, Respuestas a los ejercicios
a fin de alentar al estudiante a que compruebe de inmediatosu capacidad para resolver de práctica: páginas 122 y
el problema. 317 .
Hemos corregido arduamente los ejercicios de final de capítulo, e incluimos unos Ejercicios de final del capí-
200 ejercicios nuevos, muchos de losc uales subrayan los conceptosy sus aplicaciones. tulo: páginas 80 a 82 y 140 a
Un gran número de problemas dee diciones anteriores se abrevió. 144.
AI final de cada capítulo hay una lista de repaso de conceptos, para guiar al alumno Repaso de conceptos: pági-
en la determinaciónd e los conceptoms ás importantes que se describieron. nas 40 y 204.
En el apéndice I presentamos un repaso de matemáticas.
Las unidades de medida aparecen en formato de tabla, en los apéndices VI.
111
Las respuestas a las preguntas y ejercicios con número par aparecen ene l apéndice V.
Cadac apítuloc omienza conu na fotografia en donde se relacionae l contenido
del capítulo con nuestra vidad iaria. Una presentación preliminard e los temas del capí-
tulo ayuda a que el estudiante visualice los temas que se describen en él, y el párrafo
introductorior elaciona,t odavíam ás, el contenidod el capítulo conl av ida diaria. Químicae na cción: ve “El
sabor de la química”, en la
Cada capítulo contiene, cuando menos, una sección especial de Química en acción, página 133, y ‘?Gol! una mo-
donde se describe el impacto de la química sobre una diversidad de aplicaciones prác- khlae sferica”, en la Página
ticas. Estos ensayos abarcan temas como aditivos alimenticios, buceo sin escafandra 227*
y gomas de mascar. Hay otros ensayos de este tipo donde se presenta información
experimental acerca de los nuevos descubrimientos y aplicaciones químicas.
Novedades de esta edición
Hemos hecho varios cambios a la edición anterior, pero las características del material se Nitinol, páginas 3 a 5.
han conservado. Todo el texto se revisó y se volvió a escribir para mejorar las explicaciones, Riesgos y beneficios: pági-
y para brindar más ayuda a los estudiantes en la resolución de los problemas. Entre las ca- nas 9 a 10.
racterísticas nuevas se incluyen, específicamente, las siguientes:
Se reescribió por completo el capítulo 1, para que el alumno adquiera una mejor com-
prensión del proceso científico. Para ello iniciamos el curso con una descripción narrativa
del descubrimiento del nitinol, al que muchasv eces se le llamam etalc on memoria.
I
r e f a c i o
También, en el capítulo se incluye la descripción de las conveniencias y los riesgos de la
ciencia en nuestro mundo tan tecnificado.
Todo nuevo diseño incluye un programa actualizado de ilustración y con muchas
fotografías, para mejorar el aspecto visual y para resaltar las aplicaciones químicas en los
negocios y en la vida.
Las palabras claves e presentan en orden alfabético al final de cada capítulo, junto con
el número de sección donde se explican, para ayudar al alumno en su repaso del nuevo
vocabulario.
Para que el alumno repase las palabras clave tenemos el glosario. Como auxiliares de
aprendizaje aparecen los números de las secciones donde se describe cada término, para
guiar al estudiante en su definición contextual.
Ejercicios relacionados:
pág19s 1 -.1 21 Esta edición presenta, como novedalda , sección de Ejercicior es lacionados al final
de la mayoría de los capítulos. Presentamos dos ejercicios, paralelos y lado a lado, para que
el alumno pueda usar elm ismo método de resolución con dos conjuntos semejantes de infor-
mación. En el apéndice V aparecen las respuestas a los ejercicios con número par.
Ejercicios adicionales: Al final de la mayoría de los capítulos aparecen Ejercicios adicionales. Se presentan
págs. 187-1 88 algo al azar, para que el estudiante repase el material del capítulo correspondiente.
Se han agregado notas al margen para ayudar al lector a comprender los conceptos
básicos y la técnica de resolución de problemas. Los cuales se distinguen para separarlos
claramente del texto y de los términos de vocabulario.
Aparecen por primera vezd oce ensayos de La química en acción,d e temas tan varia-
dos como el control del graffiti y el contenido graso de la comida rápida. Los demás ensayos
se corrigieron y actualizaron.
Los pasos para la resolución de problemases imprimieron en gris para consultarlos
con facilidad.
Los enunciados, ecuaciones y leyes importantes se encerraron en recuadros y se
realzaron para darles énfasis.
Auxiliares didácticos para el profesor*
A este libro acompaña el siguiente paquete de auxiliares didácticos:
El manual del profesor (Solutions Manual), para Fundamentos de Quínmoivcean, a edición,
por Morris Hein y Susan Arena, incluye una copia de las preguntas de examen propor-
cionadas electrónicamente en EXP-Test, hojas de ejercicios de repaso, respuestas a las pre-
guntas de examen y respuestas a las hojas de ejercicios de repaso.
EXP-Test, quee s un sistema computarizado de elaboración de exámenes, está
disponible para PC de IBM o compatibles. Para Macintosh tenemos Chariot Microtest 111.
* Estos materiales( eni n glés) se proporcionanap rofesoresq ue usen el libro como texto. Comunicarsep oer -mail a:
clientes@ mai1.internet.com.m~.
viii
P r e f a c i
Las transparencias a todo color contienen las ilustraciones del texto, amplificadas para
su uso en salones de clase y salas de conferencias.
Reconocimientos
Los libros son el resultado de los esfuerzos conjuntos de mucha gente, con talento y dedi-
cación. Entre los amigos y colegas que nos ayudaron, reconocemos el entusiasmo y la
energía de Connie Grosse, profesora de El Dorado High School, en Southern California,
autora de los nuevos ejercicios y problemas que aparecen aquí. Gracias a Don DeCoste, de
la Universidad de Illinois, por el tiempo quei nvirtió en leer y evaluar el manuscrito y com-
probarlo, y a Iraj Behbahani, de Mt. San Antonio College, por comprobar la solución de
cada una de las preguntas y ejercicios de esta edición. Estas personas nos proporcionaron
ayuda y crítica constructiva durante todo el proyecto. Agradecemos los numerosos comen-
tarios de colegas ye studiantes quienes, a través de los años, han hecho posible esta edición.
Esperamos que continúen compartiéndonos sus ideas de cambio, directamenteo a través de
nuestra editorial.
Agradecemos especialmente el apoyo, amistad y aliento constante de nuestros con-
sortes, Edna y Steve, quienes aguantaron muchos fines de semanap erdidos, y por su pacien-
cia y comprensión hacia las largas horas que tomó este proceso. Su optimismo y buen humor
nos comunicaron una sensación de equilibrio y estabilidad emocional.
Ningún texto se puede terminar sin los incansables esfuerzos de muchos profesionales
de la industria editorial. Gracias especiales al talentoso equipo de International Thomson
Publishing, en especial a Jamie Sue Brooks, gerente de servicios de producción, y a Beth
Wilbur, editor asociado, quienes trabajaron mucho para controlar los múltiples aspectos del
proyecto. Gran parte del crédito es de Julie Kranhold, de Ex Libris, por su atención a
los detalles y su persistencia para movilizar el libro a través de sus muchas etapas de pro-
ducción. Fue admirable su destreza para rastrear cada cambio y para traducir a la realidad
nuestras ideas de figuras y fotografías para esta edición. También, gracias especiales a
Nancy Benedict, por el colorido y agradable diseño del libro. Reconocemos la ayuda de
Harvey Pantzis, editor ejecutivo, y su apoyo en los momentos críticos durante el proceso
de revisión. Gracias también al gran equipo de representantes de ITP-Brooks-Cole, por su
interés y entusiasmo al comentar nuestro libro con profesores de todo el país.
Gracias sinceras a los revisores que tuvieron la amabilidad de leer y emitir sus comen-
tarios profesionales: Kathleen Ashworth, de Yakima Valley Community College; a Ann
Barber, de Manatee Community College; aM ark Bishop, de Monterey Peninsula College;
a EugeneB oney, de OceanC ounty College; a John Chapin,d e St. Petersburg Junior
College; a William Hausler, de Madison Area Technical College; a MargaretH olzer, de la
Universidad Estatal de California, en Northridge; a James Jacobs, de la Universidad de
-ode Island; a William Nickels, de Schoolcraft College; a Jeffrey Schneider, de la Uni-
versidad Estatal de Nueva York, en Oswego; a Donald Wink, de la Universidad de Illinois
en Chicago, y a Donald Young, de Ashville-BuncombeC ommunity College.
Morris Hein
Susan Arena
I
c e r c a d e los a u t o r e s
Morris Hein es profesor emérito de química en el Mt. San Antonio College, donde tuvo a
su cargo el curso introductorio de química. Su nombre es sinónimo de claridad y meticulosa
exactitud, también es famoso por su método gradual, paso a paso, que pueden seguir los
alumnos. A través de los años, más de dos millones de alumnos han usado el texto de Morris
Hein. Además de Principios de Química, novena edición, es coautor de College Chemistry:
An lntroduction to General,O rganic and Biochemistry, quinta edición, así como de
Introduction to Organic and Biochemistry. Escribió también Foundations of Chemistry in
the Laboratory, novena edición, y College Chemistry in the Laboratory,q uinta edición.
Susan Arena es actualmente profesora de química general, y es directora del Programa de
Méritos para Formación de Estudiantes en la Universidad de Illinois, en Urbana-
Champaign. Colaboró con Morris Hein en la séptima edición de Principios de Química y
pasó a ser coautora en la octava edición. También es coautora de College Chemistry An
Introduction to General, Organic and Biochemistry, quinta edición, y de Introduction to
Organic and Biochemistry.
Educación no es cuúnto has aprendido de memoria,
o aun cuúnto sabes. Es ser capaz de distinguir
entre lo que sabes y lo que desconoces. Es saber
hacia dónde dirigirte para encontrarlo que
necesitas sabe< y es saber cómo usarl a
información una vez que la obtienes
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I sabor de la química 133
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I color de las hojas en otoño 151
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