Problemario de Química - Grupo Editorial Patria
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PROBLEMARIO DE QUÍMICA 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 1 12/31/69 7:54:11 PM 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 2 12/31/69 7:54:11 PM PROBLEMARIO DE QUÍMICA Rosa María González Muradás Pilar Montagut Bosque María del Carmen Sansón Ortega Roberto René Salcedo Pintos PRIMERA EDICIÓN EBOOK MÉXICO, 2014 GRUPO EDITORIAL PATRIA 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 3 12/31/69 7:54:11 PM info editorialpatria.com.mx www.editorialpatria.com.mx Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinadora editorial: Estela Delfín Ramírez Supervisor de prepensa: Gerardo Briones González Diseño de interiores: Juan Bernardo Rosado Solís Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís Ilustraciones: Adrian Zamorategui Fotografías: © Thinkstockphoto Revisión técnica: Laura Rocío Ortiz Esquivel Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional Química Derechos reservados: © 2014, Rosa María González Muradás, Pilar Montagut Bosque, María del Carmen Sansón Ortega, Roberto René Salcedo Pintos © 2014, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V. Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm. 43 ISBN ebook: 978-607-438-935-7 Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México Printed in Mexico Primera edición ebook: 2014 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 4 12/31/69 7:54:12 PM PRESENTACIÓN La evolución del mundo, desde las fronteras hasta las tecnologías, sin olvidarnos de los modos de vida, demanda una flexibilidad y creatividad creciente de los seres humanos en el trabajo, campo, ciudad y en todo ámbito que le compete. Perrenoud (2003) define competencia como: “La capacidad de actuar de manera eficaz en un tipo definido de situación, capacidad que se apoya en conocimientos pero no se reduce a ellos”. Es decir, la competencia consiste en aplicar los conocimientos que construimos y recopilamos de acuerdo con nuestra experiencia y formación en las diferentes situaciones complejas que se viven en la realidad. La cultura de las competencias se instauró en el sistema educativo mexicano; y es tarea de las instituciones educativas lograr que las nuevas generaciones tengan la capacidad de enfrentar el mundo actual y futuro. Con este libro nuestra intención es que los estudiantes adquieran las competencias necesarias para adaptarse a un entorno cambiante, entendiéndose el concepto de competencia como: “La capacidad de los estudiantes para extrapolar lo que han aprendido y aplicar sus conocimientos y habilidades en nuevos escenarios; así como el analizar, razonar y comunicarse de manera satisfactoria al plantear, resolver e interpretar problemas en diversas situaciones del mundo real” (PISA 2006). El presente trabajo es resultado de varios años de experiencia docente de todos los autores, durante los cuales nos percatamos a través de los comentarios por parte de los alumnos, en relación con la limitada bibliografía disponible para ejercitarse en la resolver problemas. Nuestros alumnos determinaron el alcance y profundidad del texto; ellos fueron quienes, a través de sus excelentes preguntas, ayudaron de manera constante a dilucidar los métodos usados en la resolución de problemas. Nuestro objetivo es apoyar a las principales asignaturas del área de ingeniería y ciencias, por medio de este problemario, para que los estudiantes refuercen y practiquen los conocimientos adquiridos. También, buscamos que sirva a los profesores como material didáctico. Al inicio de cada unidad se presenta una breve introducción histórica con los fundamentos teóricos que requiere el estudiante para desarrollar el tema, mismos que aplicará al resolver los diversos problemas que se establecen. Contiene referencias que amplían y profundizan el tema que se cubre. En seguida se incluyen problemas resueltos que se comprenden mejor con las explicaciones de las estrategias de resolución. Seguidos de ellos planteamos problemas complementarios con sus respuestas al final del texto, a los que se incorporan la sección Alerta que se intercala a lo largo del problema, cuando lo consideramos necesario, para evitar errores comunes. Los problemas están ordenados en una secuencia ascendente en cuanto a su grado de complejidad. En su mayoría, los enunciados de los problemas presentan situaciones prácticas e incluyen los datos necesarios para resolver el ejercicio, evitando llegar a la respuesta por medio de una simple sustitución de algoritmos. Al final del texto incorporamos referencias bibliográficas, hemerográficas y electrónicas; cuya consulta favorecerá a profundizar en los conocimientos que el estudiante considere necesarios. v 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 5 12/31/69 7:54:12 PM AGRADECIMIENTOS En primer lugar queremos agradecer a nuestra editora, Estela Delfín Ramírez, por su confianza al encomendarnos el desarrollo de esta obra, así como por sus valiosas opiniones y comentarios del contenido. Estela aportó su experiencia como editora nos ayudó a fijar metas y organizar el contenido temático. También expresamos nuestro agradecimiento a los revisores técnicos, en especial a Laura Rocío Ortiz Esquivel, cuyo intenso trabajo permitió finalizar el proyecto con el mejor resultado posible. No podemos pasar por alto la aportación de nuestros alumnos durante la elaboración de este libro. Ellos fueron los que resolvieron todos los ejercicios y problemas en un principio. Los resultados obtenidos nos permitieron realizar los cambios necesarios para mejorar el contenido de este problemario. Esperamos que el empleo de este libro sea una experiencia agradable y productiva tanto para los profesores como para los alumnos. Los autores vi 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 6 12/31/69 7:54:12 PM Grupo Editorial Patria© CONTENIDO Unidad 1 La materia y sus cambios 1 1.1 Medición 2 1.2 Materia y su clasificación 7 1.3 Propiedades de la materia 8 1.4 Estados físicos de la materia 12 1.5 Métodos de separación de mezclas 14 Problemas para resolver Unidad 2 Clasificación periódica 16 20 2.1 Introducción histórica de la clasificación periódica 21 2.2 Estructura del átomo. Partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones 24 2.3 El modelo de Bohr y el modelo atómico cuántico 29 2.4 Propiedades periódicas físicas 35 2.5 Propiedades periódicas químicas 37 Problemas para resolver Unidad 3 Nomenclatura de los compuestos inorgánicos 44 49 3.1 Introducción histórica de la nomenclatura química 50 3.2 Nombres y símbolos de los elementos 50 3.3 Nomenclatura de los números de oxidación 51 3.4 Nomenclatura sistemática (IUPAC) 51 Problemas para resolver 61 vii 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 7 12/31/69 7:54:15 PM Contenido Unidad 4 Nociones sobre el enlace químico 67 4.1 Introducción al modelo de enlace químico 68 4.2 Estructuras de Lewis de los compuestos químicos. Regla del octeto 68 Interacciones fuertes: enlace iónico, enlace covalente, enlace metálico. Geometría de los compuestos 70 Interacciones débiles: enlace ion-dipolo, enlace dipolo-dipolo, fuerzas de London y enlace de hidrógeno 76 Propiedades de los compuestos químicos en función de los tipos de enlace 77 4.3 4.4 4.5 Problemas para resolver Unidad 5 Fundamentos de estequiometría 79 84 5.1 Leyes ponderales 85 5.2 El mol 88 5.3 Composición porcentual de un compuesto 92 5.4 Fórmula mínima 93 5.5 Fórmula molecular 94 Problemas para resolver 96 Unidad 6 Estequimetría en reacciones en disolución acuosa 99 6.1 Disoluciones 100 6.2 Diluciones 103 6.3 Representación de la ecuación de una reacción química 107 6.4 Tipos de reacciones químicas 108 6.5 Balanceo de ecuaciones 111 6.6 Balance de materia en reacciones químicas 116 6.7 Porcentaje de rendimiento en una reacción química 120 Problemas para resolver 121 viii 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 8 12/31/69 7:54:17 PM Grupo Editorial Patria© Unidad 7 Termodinámica 126 7.1 Introducción 127 7.2 Teoría cinética de los gases 127 7.3 Gases 132 7.5 Primera Ley de la Termodinámica 141 7.6 Termoquímica 149 7.7 Segunda Ley de la Termodinámica 153 7.8 Tercera Ley de la Termodinámica 158 Problemas para resolver Unidad 8 Equilibrio fisicoquímico 162 167 8.1 Introducción 168 8.2 Potenciales termodinámicos 168 8.3 Equilibrio térmico 170 8.4 Equilibrio mecánico 172 8.5 Potencial químico de una mezcla de gases ideales 174 8.6 Equilibrio entre fases 176 8.7 Soluciones ideales 179 8.8 Equilibrio químico 185 8.9 Fugacidades y actividades 189 Problemas para resolver Unidad 9 Equilibrios ácido-base. Solubilidad y precipitación 191 193 9.1 Conceptos básicos 194 9.2 Par conjugado. Constantes Ka y Kb. Fuerzas relativas de ácidos y bases en disolución acuosa. Escala de pH y predicción de reacciones 197 9.3 Cálculos de pH de ácidos y bases fuertes 201 9.4 Cálculos de pH de ácidos y bases débiles 204 9.5 Medición del pH 216 9.6 Soluciones amortiguadoras 218 9.7 Equilibrios de solubilidad y precipitación en disolución acuosa 222 Problemas para resolver 231 ix 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 9 12/31/69 7:54:20 PM Contenido Unidad 10 Óxido-reducción y electroquímica 236 10.1 Conceptos básicos 237 10.2 Potencial de electrodo. Ecuación de Nernst. Fuerzas relativas de oxidantes y reductores, escala de potencial y predicción cualitativa de reacciones redox 239 10.3 Celda electroquímica y su representación simbólica 244 10.4 Cálculos de potencial. Constante de equilibrio. Cálculo de la concentración de especies al equilibrio 251 10.5 La electricidad y las reacciones químicas. Electrólisis, pilas electrolíticas. Electrodepositación. Corrosión y protección catódica 259 Problemas para resolver 266 x 00_PROBLEMARIO QUIMICA_CH00.indd 10 12/31/69 7:54:21 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios Objetivos Utilizar el sistema métrico en diferentes mediciones. Hacer conversiones mediante el método del factor unitario o análisis dimensional. Identificar las diferencias entre las escalas de temperatura. Realizar conversiones entre las distintas escalas de temperatura. Describir los tres estados físicos de la materia. Identificar los diferentes tipos de materia, según sus características. Diferenciar propiedades físicas y químicas y los fenómenos que las ponen de manifiesto. Distinguir entre mezclas homogéneas y heterogéneas. Aplicar los métodos de separación de mezclas en un problema real. ¿Qué sabes? ¿Qué volumen de refresco contiene una lata de Coca-Cola? ¿A cuántos litros corresponde? ¿De qué está hecha la nieve que cae del cielo? ¿Por qué desaparece el desodorante de baño? ¿Por qué flota un corcho en el agua? 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 1 12/31/69 6:33:49 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios 1.1 Medición ❚❚ Manejo de unidades Todas las ciencias son cuantitativas y la química con mayor razón. Los químicos no sólo tienen que hacer su trabajo cualitativamente sino también medir y calcular resultados numéricos a partir de las mediciones. En este capítulo repasaremos las unidades empleadas en el sistema métrico y el Sistema Internacional de Unidades (SI), que es el adoptado por la comunidad científica internacional y que está basado en el sistema métrico. Partiremos de las siguientes ideas: ■■ Para que una medición tenga significado debe componerse de un número y una unidad con la cual se indique qué escala se está empleando. ■■ Para la resolución de problemas se aplicará el método del factor unitario o análisis dimensional. ■■ Como en las ciencias se necesitan mediciones sumamente pequeñas y en ocasiones muy grandes, emplearemos la notación exponencial. ■■ Por último, trabajaremos la equivalencia entre las diferentes escalas de temperatura. ❚❚ Sistema métrico El sistema métrico tiene como unidad fundamental el gramo (g) como medida de masa; el litro (L) como medida de volumen y el metro (m) como medida de longitud. En el sistema métrico, las unidades de masa, volumen y longitud se pueden expresar en múltiplos de 10, 100, 1 000, 1 000 000 y así sucesivamente. En la tabla 1.1 se encuentran los prefijos empleados para los múltiplos y submúltiplos de las unidades fundamentales. Tabla 1.1 Unidades métricas de masa, volumen y longitud. Prefijo Número de unidades básicas Exponencial Masa Volumen Longitud Tera 1 000 000 000 000 (1012) teragramo (Tg) teralitro (TL) terametro (Tm) Giga 1 000 000 000 (109) gigagramo (Gg) gigalitro (GL) gigametro (Gm) Mega 1 000 000 (106) megagramo (Mg) megalitro (ML) megámetro (Mm) 1000 (103) kilogramo (kg) kilolitro (kL) kilómetro (km) 1 gramo (g) litro (L) metro (m) Kilo Unidad básica Deci- 0.1 (10-1) decigramo (dg) decilitro (dL) decímetro (dm) Centi- 0.01 (10-2) centigramo (cg) centilitro (cL) centímetro (cm) Mili- 0.001 (10-3) miligramo (mg) mililitro (mL) milímetro (mm) Micro- 0.000001 (10-6) microgramo (µg) microlitro (µL) micrómetro (µm) Nano- 0.000000001 (10-9) nanogramo (ng) nanolitro (nL) nanómetro (nm) Pico- 0.000000000001 (10-12) picogramo (pg) picolitro (pL) picómetro (pm) La tendencia actual en la comunidad científica es utilizar el Sistema Internacional de Unidades (SI) y aunque no se ha generalizado, en unos años será el único sistema que se emplee. Como se ve en la tabla 1.2, el Sistema Internacional se fundamenta en siete unidades básicas. En las mediciones científicas también se emplean unidades derivadas que provienen de las siete unidades básicas del SI, como ejemplos de éstas tenemos la densidad expresada en g/mL o en kg/m3 y el volumen en m3. 2 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 2 12/31/69 6:33:50 PM Grupo Editorial Patria© Tabla 1.2 Unidades base del Sistema Internacional (SI). Magnitud Unidad Símbolo en el SI metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Temperatura absoluta kelvin K Cantidad de sustancia mol mol Corriente eléctrica ampere A Intensidad luminosa candela cd Longitud Vamos a definir las cinco primeras unidades por ser de gran importancia en química general: 1. El metro se estableció en 1983 como la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo. 2. El kilogramo representa la masa de un bloque de platino e iridio que se mantiene en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Sevres, Francia. 3. El segundo se redefinió en 1967 como la duración de 9 192 631 770 periodos de determinada línea de espectro del cesio 133. 4. El kelvin es la unidad básica del SI para la temperatura. En esta escala 0 K corresponde a –273.15 °C. 5. El mol es la cantidad de sustancia que contiene el mismo número de partículas que el número de átomos contenidos exactamente en 0.012 kg de carbono-12 (12 g de átomos de 12C). Tabla 1.3 Equivalencias entre el sistema inglés y el métrico. Longitud Masa Volumen 1 m = 1.094 yd 1 kg = 2.205 lb 1 L = 1.06 qt 2.54 cm = 1 in 453.6 g = 1 lb 1 ft3 = 28.32 L 1 mi = 5280 ft 1 mi = 1760 yd ❚❚ Análisis dimensional o método del factor El análisis dimensional o método del factor unitario es útil para resolver problemas matemáticos, ya que nos permite transformar una unidad en otras, a partir de las equivalencias entre éstas. Un factor de conversión expresa la equivalencia de una medición en dos unidades diferentes: Una docena de lápices 5 12 lápices; 1 m = 100 cm; 1 kg = 1 000 g. El factor de conversión siempre se escribe de tal manera que tenga la forma de las nuevas unidades divididas por las unidades originales. Número con la unidad original nueva unidad unidad original = nuevo número con la nueva unidad <factor de conversión> 3 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 3 12/31/69 6:33:50 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios Problema resuelto Convierte 3.45 centímetros a pulgadas. Respuesta Es necesario conocer la relación entre pulgadas y centímetros. En la tabla 1.4, que muestra diversas equivalencias del sistema inglés al sistema métrico, se encuentra la siguiente relación: 3.45 cm 3 factor de conversión 5 ? in Se elige el factor de conversión que cancela las unidades innecesarias y se dejan las unidades deseadas en el resultado. Por tanto, la conversión se efectúa como sigue: 3.45 cm 3 1 in 5 1.35 in 2.54 cm ¿Cómo se efectúa la conversión a la inversa? Problema resuelto Una impresora tiene 15.74 in de longitud, ¿cuál es su longitud en centímetros? Respuesta Es necesario convertir 15.74 in S ? cm ¿Qué factor de conversión se necesita? Hay que recordar que los dos factores de conversión provienen de la misma condición de equivalencia. En este caso, el factor es 2.54 cm = 1 in. Por tanto, 15.74 in 3 2.54 cm 5 39.97 cm 1 in Problema resuelto Convierte 0.0070 litros a microlitros. Respuesta El factor es 106 μL 5 1 L 0.0070 L 3 1 000 000 μL 1L 5 7000 μL o 7.0 3 103 μL Problema resuelto Una botella de tequila contiene 1.2 L, ¿cuál es su volumen en cuartos de galón? Respuesta En la tabla 1.4 vemos que la equivalencia es 1 L 5 1.06 qt 1.2 L 3 1.06 qt 5 1.27 qt 1L 4 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 4 12/31/69 6:33:51 PM Grupo Editorial Patria© Problema resuelto Una pista para corredores mide 2.6 millas. ¿Cuál es la distancia en kilómetros? Respuesta La equivalencia es: 2.6 mi 5 ? km Esta conversión puede efectuarse de diversas maneras, las equivalencias en la tabla 1.3: 1 mi 5 1760 yd y 1 m 5 1.094 yd, es posible hacerlo con las siguientes conversiones: Millas S yardas S metros S kilómetros Las conversiones se hacen en forma individual. Millas S Yardas: Se convierten millas a yardas mediante el factor de conversión: 1 760 yd 1 mi 2.6 mi 3 1 760 yd 5 4576 yd 1 mi Después convertimos yardas a metros: 1 m/1.094 yd. 4 576 yd 3 1m 5 4182 m 1 760 yd Finalmente convertimos metros a kilómetros: 1 km 5 1 000 m 4 182 m 3 1 km 5 4.18 km 1 000 m Podríamos haber anotado todos los factores en un solo paso: 1m 3 1 km 5 4.18 km 2.6 mi 3 1 760 yd 3 1 760 yd 1 000 m 1 mi ❚❚ Notación científica Los números asociados con mediciones científicas suelen ser demasiado grandes o muy pequeños. Por ejemplo, la cantidad de materia contenida en un mol es de 602 000 000 000 000 000 000 000 entidades. Este número tan largo es más fácil de escribir y recordar si lo expresamos con notación científica, o sea como potencia de 10, así, quedaría escrito como: 6.02 3 1023. La notación científica es un método para escribir números muy grandes o muy pequeños de forma más sencilla. Sin importar su magnitud, todos los números pueden expresarse como: N 3 10n Donde N es un número entre 1 y 10, y n (el exponente) es un entero positivo o negativo. Considera el número 230; se puede expresar como un producto: 230 5 2.30 3 100 Como 100 5 10 3 10 5 102, se puede escribir: 230 5 2.30 3 100 5 2.30 3 102 De igual manera, el número 2800 puede expresarse como: 2 800 5 2.8 3 1 000 5 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 5 12/31/69 6:33:51 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios Y como 1000 = 10 × 10 × 10 = 103, se puede escribir: 2 800 5 2.8 3 1 000 5 2.8 3 103 Alerta Al resolver problemas debes recordar los siguientes puntos: 1. Incluir siempre las unidades (la medición tiene dos partes: un número y una unidad). 2. Cancelar las unidades al efectuar los cálculos. 3. Verificar si la respuesta final tiene las unidades correctas. En caso contrario habrá alguna operación equivocada. 4. Analizar si la respuesta tiene sentido. El número 45,000,000 puede expresarse como sigue: 45 000 000 5 4.5 3 10 000 000 5 4.5 3 107 La manera más sencilla de establecer la potencia de 10 consiste en encontrar n, o sea hay que contar el número de lugares que debe moverse el punto decimal para obtener el número. N debe ser un número del 1 al 10. Por ejemplo, para el número: 890000000 87654321 El punto decimal debe moverse ocho lugares hacia la izquierda para obtener 8.9 (un número del 1 al 10). Para compensar cada vez que se mueve el punto decimal hacia la izquierda, es necesario multiplicar por 10. Es decir, cada vez que el punto decimal se mueve hacia la izquierda, el número se reduce una potencia de 10. Por tanto, por cada vez que el punto decimal se mueve hacia la izquierda es necesario multiplicar por 10 para conservar su magnitud original. Por consiguiente, si el punto decimal se mueve ocho veces hacia la izquierda, es necesario multiplicar ocho veces 8.9 por 10, o sea por 108: 890 000 000 5 8.9 3 108 Alerta Cuando el punto decimal se mueve hacia la derecha, el exponente de 10 es positivo. El punto decimal se desplazó ocho lugares hacia la izquierda, por lo cual los ceros quedan incluidos en 108, para conservar el número original. Es posible representar números menores que 1 siguiendo la misma convención, pero en este caso la potencia de 10 es negativa. Por ejemplo, para el número 0.00010 es necesario mover el punto decimal cuatro lugares hacia la derecha para obtener un número del 1 al 10: 0.00010 El exponente debe ser −4, o sea 0.00010 5 1.0 3 10–4. Alerta Cuando el punto decimal se mueve hacia la derecha, el exponente de 10 es negativo. Problema resuelto Convierte a notación científica el número 0.00000320. Respuesta En este caso es necesario mover el punto decimal seis lugares hacia la derecha para obtener 3.20 (un número del 1 al 10); el exponente es: −6: 3.20 3 10–6 Problema resuelto Representa los siguientes números por notación científica: a) 835 000 b) 2 800 000 Respuesta a) Primero se desplaza el punto decimal hasta que se obtiene un número del 1 al 10, en este caso 8.35. El punto decimal se desplazó cinco lugares hacia la izquierda, la potencia de 10 es 5. Por tanto, 835 000 5 8.35 3 105 b) 2 800 000. El punto decimal se desplaza seis lugares hacia la izquierda, por lo cual el exponente de 10 es 6. Por tanto, 2 800 000 5 2.8 3 106 6 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 6 12/31/69 6:33:52 PM Grupo Editorial Patria© Problema resuelto Representa los siguientes números en notación científica. a) 0.00066 b) 0.0124 Respuesta a) Primero se desplaza el punto decimal hasta que se tiene un número del 1 al 10, en este caso 6.6. El punto decimal se desplaza cuatro lugares hacia la derecha, por lo cual la potencia de 10 es 4. Por tanto, 0.00066 5 6.6 3 10−4. b) El exponente del 10 es 22 porque el punto decimal se desplazó dos lugares hacia la derecha. Por tanto, 0.012 5 1.2 3 10−2. Problema resuelto Representa los siguientes números en notación decimal. a) 2.2 3 10−4 b) 4.5 3 10−2 c) 7.2 3 10−5 Respuesta Como son exponentes negativos tendrás que desplazar el punto decimal hacia la izquierda: a) El punto se recorre 4 cifras a la izquierda 0.00022. b) El punto se recorre 2 cifras a la izquierda 0.045. c) El punto se recorre 5 cifras a la izquierda 0.000072. Problema resuelto Representa los siguientes números en notación decimal. a) 3.5 3 104 b) 6.2 3 107 Respuesta Como la potencia de 10 es positiva, el punto decimal se recorre hacia la derecha: a) 35 000 b) 62 000 000 1.2 Materia y su clasificación La materia se define como cualquier cosa que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. La composición de la materia está determinada por el tipo de elementos que contiene. Su estructura se establece por la forma en que se encuentran dispuestos los átomos de los elementos que la constituyen. Los átomos forman moléculas que son entidades formadas por dos o más átomos unidos entre sí. La materia se encuentra en la naturaleza en tres estados de agregación o estados físicos: sólido, líquido y gas. Algunos autores reconocen un cuarto estado llamado plasma. Para facilitar su estudio, la materia puede clasificarse de diferentes maneras según las propiedades a considerar. En este libro usaremos la siguiente clasificación (figura 1.1). Una sustancia es una forma de materia que tiene una composición constante o definida y propiedades características. Las sustancias (algunos autores las nombran como sustancias puras) comprenden a los elementos y a los compuestos. Un elemento es una sustancia que no puede descomponerse en sustancias más simples y está formado por una sola clase de átomos. Se representa por símbolos, que son combinaciones de letras. Ejemplos: plata (Ag), oro (Au), cobre (Cu), hierro (Fe). Los compuestos están formados por dos o más tipos de átomos unidos químicamente en proporciones constantes y definidas. Sus elementos sólo pueden ser separados por métodos químicos. Ejemplos: sulfato de cobre (II) (CuSO4), hidróxido de sodio (NaOH), agua oxigenada (H2O2). 7 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 7 12/31/69 6:33:53 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios Materia Sustancias puras Figura 1.1 Composición de la materia. Mezclas Elementos Compuestos Homogéneas Heterogéneas Sodio, oro, hierro Cloruro de sodio, carbonato de potasio, hidróxido de magnesio Disoluciones Madera, mármol, papel Colirios, aire, sueros La mayor parte de la materia se encuentra como mezclas. Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias en las que éstas mantienen su identidad química. Ejemplos: mármol, minerales de cobre, asfalto. Las mezclas pueden separarse por métodos físicos como, destilación, sublimación, centrifugación. Las mezclas homogéneas son uniformes en su composición y propiedades; también se les conoce como soluciones. Ejemplos: colirios, sueros medicinales, soluciones inyectables, petróleo. Las mezclas heterogéneas no son uniformes en su composición ni en sus propiedades, presentan dos o más fases físicamente distintas y con distribución irregular. En la tabla 1.4 se resumen algunas diferencias entre compuestos y mezclas. Tabla 1.4 Diferencias entre compuestos y mezclas. Compuesto Mezcla Composición constante y definida. Composición variable. Los elementos que forman el compuesto pierden su identidad, están unidos químicamente. Los elementos o compuestos que la forman retienen su identidad, no están combinados químicamente. No pueden separarse en sustancias más simples por medios físicos ordinarios. Sus componentes pueden ser separados por métodos físicos comunes. 1.3 Propiedades de la materia Podemos clasificar las propiedades de la materia en propiedades físicas, químicas, organolépticas, intensivas y extensivas. Las propiedades físicas son características que se pueden observar y medir sin modificar la composición o identidad de las sustancias. Ejemplos: punto de ebullición, densidad, viscosidad, tensión superficial. Pueden ser intensivas y extensivas. Estas propiedades se observan o se manifiestan en los cambios físicos. Ejemplos de cambios físicos: fusión de la parafina de una vela, congelación del agua en un glaciar, fundición del hierro en un alto horno. Las propiedades químicas son las características o propiedades que describen la forma de interactuar o reaccionar de una sustancia para convertirse en otra. Ejemplos: reactividad química, toxicidad. Estas propiedades se ponen de manifiesto en un cambio químico. Ejemplos de cambio químico: oxidación de un clavo, combustión de la madera, oscurecimiento de una fruta por oxidación. Las propiedades organolépticas son las características que se aprecian mediante los sentidos. Ejemplos: color del cobre, olor de una esencia, dureza de un metal. Las propiedades intensivas son las que no dependen de la extensión del sistema o de la cantidad de muestra examinada. Ejemplos: temperatura de fusión, densidad. Las propiedades extensivas son aquellas que sí dependen de la cantidad de materia considerada (masa, longitud, volumen). Enseguida analizaremos algunas de las propiedades de la materia citadas. 8 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 8 12/31/69 6:33:54 PM Grupo Editorial Patria© La densidad es la cantidad de masa contenida en una unidad de volumen de la sustancia. Generalmente se expresa como gramo por centímetro cúbico (g/cm3) o como gramo por mililitro (g/mL). Para los gases, por su baja densidad, es común encontrar estos valores expresados en g/L. masa Densidad 5 volumen Tabla 1.5 Densidades de algunas sustancias comunes a 20 °C. Sustancia Densidad (g/cm3) Estado físico oxígeno gas 0.00133* hidrógeno gas 0.000084* etanol líquido 0.785 benceno líquido 0.880 agua líquido 1.000 magnesio sólido 1.74 cloruro de sodio sólido 2.16 aluminio sólido 2.70 hierro sólido 7.87 cobre sólido 8.96 plata sólido 10.5 plomo sólido 11.34 mercurio líquido 13.6 oro sólido 19.32 * A presión de 1 atmósfera. Problema resuelto La densidad de la sal de mesa (cloruro de sodio) es de 2.16 g/mL. ¿Qué volumen ocupa 500 g de sal? Respuesta Aplicamos la fórmula: Despejamos el volumen: masa Densidad 5 volumen m V5 d 500 g V 5 2.6 g/mL 5 192 mL Problema resuelto Una muestra de un metal con una masa de 60 g se introduce en una probeta que contiene un volumen de agua de 50 mL, el volumen aumenta a 85.3 mL. ¿Cuál es la densidad del metal? Respuesta Aplicamos la fórmula: masa Densidad 5 volumen El volumen de agua que aumenta corresponde al volumen de la muestra. 85.3 2 50 5 35.3 mL Al sustituir los datos en la fórmula: 60 g d 5 35.3 mL 5 1.69 g/mL 9 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 9 12/31/69 6:33:55 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios Problema resuelto ¿Cuál será la densidad de un líquido que se encuentra en un recipiente de 25 mL, si su masa es de 24.76 g y la masa del recipiente vacío es de 3.70 g? Respuesta Volumen del recipiente 5 25 mL La masa del líquido será la diferencia entre la masa total y la masa del recipiente: m 5 24.76 2 3.70 5 21.06 g Obtenemos la densidad aplicando la fórmula: masa d 5 volumen 21.06 g d 5 25 mL 5 0.8424 g/mL Problema resuelto Un cilindro de hierro tiene una altura de 40.0 cm, un radio de 10 cm y una densidad de 7.87 g/cm3. ¿Cuál es la masa del cilindro? (V 5 π r2 h). Respuesta Primero obtenemos el volumen con la fórmula: V 5 π r 2 h V 5 3.1416 3 100 cm2 3 40.0 cm 5 12566.4 cm3 m 5 dV m 5 7.87 g/cm3 3 12566.4 cm3 m 5 9.89 3 104 g La solubilidad (una propiedad intensiva) es la cantidad de sustancia que se puede disolver en una cantidad dada de disolvente a una temperatura determinada. Generalmente se expresa en unidades de gramos por 100 mL de disolvente (g/100 mL) (este concepto se trata con amplitud en el capítulo 9). Solubilidad 5 gramos 100 mL El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido iguala a la presión atmosférica. Se llama punto de ebullición normal de un líquido cuando dicho punto se determina a una presión externa de 1 atmósfera. Ejemplo: el agua hierve en la Ciudad de México a una temperatura de 92 °C y 585 mm de Hg; el punto de ebullición normal del agua es de 100 °C medido a la presión de 760 mm de Hg. El punto de fusión de un sólido o el punto de solidificación de un líquido es la temperatura en la cual la fase sólida y la fase líquida coexisten en equilibrio. El punto de fusión normal (o punto de solidificación normal) es el punto de fusión determinado a una presión externa de 1 atmósfera. La presión de vapor o equilibrio de presión de vapor es la presión ejercida cuando la velocidad de evaporación iguala a la velocidad de condensación de un líquido a una temperatura determinada. Generalmente se expresa en atmósferas (atm) o en milímetros de mercurio (mm de Hg). La presión de vapor está dada en función de la temperatura. (Las propiedades mencionadas antes también se utilizan para identificar sustancias.) La masa es la cantidad de materia contenida en un cuerpo. En el SI, la unidad básica de masa es el kilogramo (kg); sin embargo, en química es muy común el uso del gramo como unidad. El peso es la cantidad de materia contenida en un cuerpo considerando la fuerza de la gravedad del lugar donde se mide. La masa de un cuerpo es la misma en cualquier lugar del universo, pero el peso será distinto dependiendo de la fuerza de la gravedad. 10 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 10 12/31/69 6:33:55 PM Grupo Editorial Patria© Masa en la Tierra de 65 kg Masa en la Luna de 65 kg Peso en la Tierra de 64.4 kg Peso en la Luna de 10.8 kg Gravedad en la Tierra: 9.81 m/s2 Gravedad en la Luna: 1.62 m/s2 Figura 1.2 (En la Luna la fuerza gravitatoria es una sexta parte de la misma fuerza en la Tierra.) Comparación de peso y masa de una persona en la Tierra y la Luna. El volumen es la cantidad de espacio tridimensional que ocupa una sustancia. La unidad fundamental de volumen en el sistema SI se basa en el volumen de un cubo que mide un metro en cada una de las tres direcciones, es decir 1 m3. La temperatura es una medida del calor o frialdad de un objeto (es una propiedad intensiva, ya que no depende de la extensión del sistema). La temperatura determina la dirección del flujo de calor; el calor fluye de manera espontánea de una sustancia de alta temperatura a otra de baja temperatura. Para una misma temperatura pueden darse valores distintos, ya que existen diferentes escalas para medir la temperatura. ❚❚ Escalas de temperatura Las escalas de temperatura que se usan con mayor frecuencia son: Celsius o centígrada, se expresa en °C; la escala Fahrenheit, de uso común en el sistema inglés, expresada en °F, y la escala Kelvin (K), que es la unidad de temperatura en el sistema internacional, usada comúnmente en trabajos científicos. El cero absoluto es la temperatura en donde la energía cinética promedio de las moléculas es de 0 kelvins. Como se observa en la figura 1.3, en la escala centígrada y en la Kelvin, existen 100 grados de diferencia entre el punto de congelación del agua y su punto de ebullición. En la escala Fahrenheit esta diferencia es de 180 grados (escala empleada todavía en el sistema inglés). Tabla 1.6 Algunas temperaturas en grados Celsius y Fahrenheit. Temperatura °C °F Punto de ebullición del agua 100 212 Punto de congelación del agua 0 32 Temperatura promedio del cuerpo humano 37 98.6 20 a 25 68 a 77 Temperatura ambiental confortable Para convertir de la escala Fahrenheit a la Celsius se usa la siguiente relación: °C 5 100/180 (°F 2 32) Como 0 °C 5 32 °F La expresión será: °C 5 5/9 (°F 2 32) Para convertir de la escala centígrada a la Fahrenheit se emplea la siguiente relación: °F 5 (9/5 ∙ °C) 1 32 K 5 °C 1 273 También podemos emplear el factor: 180/100 5 1.8 °C 5 (°F − 32)/1.8 °F 5 (1.8 ∙ °C) 1 32 Figura 1.3 Esquema de escalas de temperatura con termómetros. 11 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 11 12/31/69 6:33:57 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios Problema resuelto Una persona con resfriado tiene una temperatura de 103 °F. ¿Cuál es su temperatura en grados centígrados? Respuesta °C 5 5/9 (°F − 32) °C 5 5/9 (103 °F − 32) °C 5 39.4 Problema resuelto En un día de invierno la temperatura que indica el termómetro es de −12 °C. ¿Cuál es esta temperatura en grados Fahrenheit? Respuesta °F 5 (9/5 ∙ °C) + 32 °F 5 10.4 1.4 Estados físicos de la materia Atendiendo a su estado físico, la materia se puede clasificar en sólido, líquido, gas y plasma. Figura 1.4 Estado sólido de la materia. El estado sólido se presenta cuando las fuerzas atractivas entre las moléculas individuales son más grandes que la energía de repulsión entre ellas, por lo cual presentan una posición rígida. Las moléculas individuales vibran cerca unas de otras, en una posición fija, por lo cual los sólidos retienen su forma y volumen. El cercano empaquetamiento de las moléculas, confiere a los sólidos mayor densidad que la de líquidos y gases. Si la temperatura de un sólido aumenta, se incrementará la vibración de las moléculas. En estado líquido, las moléculas pueden moverse y chocar unas con otras, aunque es un movimiento limitado. En un líquido, las fuerzas intermoleculares permiten separar y juntar a las moléculas. Debido a esto, los líquidos pueden fluir tomando la forma del recipiente que los contiene. No pueden ser comprimidos con facilidad porque sus espacios intermoleculares no son tan grandes. Por lo general presentan menor densidad que los sólidos. Tienen volumen definido, pero su forma es indefinida. Figura 1.5 Estado líquido de la materia. En estado gaseoso, las moléculas tienen pequeñas interacciones entre ellas, rebotando unas con otras en forma ocasional. Las moléculas se mueven rápidamente y en todas direcciones. Los gases se expanden, por lo cual ocupan todo el recipiente donde están contenidos, por esto presentan muy baja densidad. Los gases pueden ser comprimidos con facilidad y tienen forma indefinida. El plasma (considerado el cuarto estado), es un estado especial de la materia. Está formado por una mezcla gaseosa de iones positivos y electrones en altas temperaturas. Es un estado altamente energético, cargado de iones. Existe solamente en la cercanía del Sol. Los sólidos, líquidos y gases son los estados de la materia comunes en nuestro planeta. Figura 1.6 Estado gaseoso de la materia. Figura 1.7 El plasma, el cuarto estado de la materia. Figura 1.8 Representación microscópica de los siguientes estados físicos de la materia: sólido, liquido y gas. 12 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 12 12/31/69 6:33:59 PM Grupo Editorial Patria© Si consideramos como ejemplo el agua, sabemos que en el hielo (estado sólido del agua) las moléculas están unidas en posiciones fijas. En el líquido, las moléculas aún se encuentran muy cercanas, pero tienen cierto movimiento; sus posiciones ya no son fijas como en el hielo. En estado gaseoso, las moléculas están mucho más separadas y se mueven en forma aleatoria, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. La tabla 1.7 resume algunas características de los estados físicos en que se puede presentar la materia. Tabla 1.7 Estados físicos de la materia. Estado Definición Ejemplos Sólido Rígido, tiene forma y volumen fijos. Carbón, diamante, alambre de cobre. Líquido Tiene volumen definido, pero toma la forma del recipiente que lo contiene. Petróleo, agua, alcohol, leche. Gaseoso No tiene ni volumen ni forma fija; toma la forma y Hidrógeno, aire, oxígeno. el volumen del recipiente que lo contiene. Sólido Líquido Gas Plasma Ejemplo Ejemplo Ejemplo Ejemplo Hielo Agua Vapor Gas ionizado Frío T , 0 °C Templado 0,T,100 °C Caliente T.100 °C Muy caliente T.100 000 °C I.10 electro voltios Moléculas unidas en red Moléculas libres para moverse Moléculas libres para moverse en grandes espacios Iones y electrones con movimiento independiente en grandes espacios A B C D ❚❚ Cambios de estado Los cambios de un estado a otro de la materia se conocen como cambios de fase. A una presión constante se asocia un cambio en la entalpía del sistema para pasar de una fase a otra. La materia puede cambiar de gas a sólido, de líquido a gas, de sólido a líquido, etcétera, mediante cambios en las condiciones de temperatura y/o presión. Estos cambios son transformaciones que sufre la materia en sus características físicas, pero no en su composición. También se conocen como cambios físicos. hielo c agua líquida c vapor de agua El agua en sus tres estados tiene propiedades o características físicas diferentes, pero sus propiedades químicas se conservan. Ejemplos: ■■ La evaporación del agua cuando hierve. ■■ La vaporización del agua líquida en los lagos en los meses de calor. ■■ La condensación del vapor de agua que se presenta sobre la superficie fría de una ventana. ■■ El hielo que se funde en la primavera. Figura 1.9 Cambios físicos del agua. Lo más importante acerca de todos estos cambios es que las moléculas de agua permanecen intactas. Los movimientos de las moléculas individuales y las distancias entre ellas cambian, pero aún siguen siendo moléculas de H2O. Como ya se mencionó, estos cambios de fase se llaman cambios físicos porque no afectan la composición de la sustancia. En cada uno de éstos se conservan las moléculas de agua (H2O) y no se produce una sustancia nueva. Los cambios químicos son las transformaciones de la materia mediante las cuales una sustancia se convierte en otra (estos cambios o reacciones los trataremos ampliamente en el capítulo 6 de este libro). En la figura 1.10 se resumen los principales cambios de estado físico de la materia. 13 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 13 12/31/69 6:34:01 PM UNIDAD 1 La materia y sus cambios ■■ Sublimación es el cambio de sólido a gas sin pasar por el líquido. Algunas sustancias subliman a temperatura ambiente y otras por incremento de la temperatura. Las sustancias que subliman tienen una alta presión de vapor. Los desodorantes de baño presentan esta propiedad. ■■ Fusión es el cambio de sólido a líquido por incremento de la temperatura. La parafina de las velas se funde cuando se calienta. ■■ Evaporación es el cambio de líquido a gas por incremento de la temperatura. El agua en ebullición pasa al estado de vapor. ■■ Condensación es el cambio de gas a líquido. Un gas se condensa cuando disminuye la temperatura. El vapor de agua se deposita como gotas de agua cuando disminuye la temperatura. ■■ Solidificación es el cambio de líquido a sólido cuando disminuye la temperatura. El agua se transforma en hielo (se solidifica) cuando disminuye la temperatura a 0 °C. ■■ Deposición o desublimación es el cambio de una sustancia gaseosa a sólido cuando disminuye la temperatura. El vapor de agua se transforma en nieve por descenso de la temperatura ambiental. Solidificación Deposición o solidificación Condensación Evaporación LÍQUIDO Fusión Sublimación GAS SÓLIDO Figura 1.10 Principales cambios de estado físico de la materia. Como se observa, a presión constante la sublimación, la fusión y la evaporación son procesos endotérmicos (absorben energía para poder realizarse). La condensación, la solidificación y la deposición son procesos exotérmicos (cuando se realizan se desprende energía en forma de calor). 1.5 Métodos de separación de mezclas Aprovechando las diferentes propiedades de las sustancias que componen una mezcla, es posible separarlas y purificarlas por diversos métodos físicos. Entre ellos podemos mencionar los siguientes: cristalización, decantación, filtración, solubilidad, centrifugación, sublimación, cromatografía y magnetismo. En la tabla 1.9 se muestran algunos métodos de separación de mezclas y la propiedad en que se basan. Tabla 1.9 Métodos de separación de mezclas. Método Cristalización Destilación Propiedad base Solubilidad. Punto de ebullición. Cromatografía Refinación por zonas Adsorción en un medio inerte. Solubilidad. Decantación Filtración Magnetismo Centrifugación Densidad. Densidad, solubilidad, tamaño de partícula. Propiedades magnéticas. Densidad. Sublimación Alta presión de vapor. Ejemplo de aplicación Desalación del agua de mar. Obtención de vinos y licores. Destilación fraccionada del petróleo. Obtención de colorantes para cosméticos. Obtención de metales de gran pureza para industria electrónica. Limpieza del mercurio. Análisis cualitativo. Separación del hierro de otros minerales. Análisis cualitativo. Análisis de sangre. Desodorantes del ambiente. Naftalina. La centrifugación es un método que permite separar los componentes de una mezcla con base en la diferencia de densidad. La cristalización es un método de separación y purificación de una muestra sólida, en el cual se disuelve la muestra en un disolvente caliente para formar una disolución saturada, se filtra para eliminar impurezas insolubles y se deja enfriar lentamente para favorecer la cristalización. La decantación permite separar un sólido de un líquido aprovechando su diferente densidad. También es posible separar dos líquidos no miscibles con distinta densidad. Por ejemplo, la separación de un disolvente orgánico de la fase acuosa. En el proceso de destilación se calienta un líquido hasta su punto de ebullición para producir evaporación, se condensan los vapores en un condensador y se recupera el líquido purificado. La filtración es un método que, mediante materiales porosos, permite separar una mezcla de sólido y líquido por su diferente estado de agregación; por ejemplo, las disoluciones con presencia de precipitado. 14 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 14 12/31/69 6:34:02 PM Grupo Editorial Patria© El magnetismo se utiliza para separar componentes de una mezcla que presentan diferentes propiedades magnéticas. Ejemplo: mezclas de distintos minerales. La sublimación se utiliza para separar una mezcla de sólidos donde uno de ellos tiene la propiedad de sublimar; debido a su alta presión de vapor, al incrementarse la temperatura se favorece la sublimación. Ejemplo: los desodorantes ambientales son mezclas que contienen sustancias que subliman. La cromatografía se basa en la separación de los componentes de una mezcla por distribución entre dos fases, una es fija o estacionaria y la otra es móvil, y ésta se desplaza a través de la fase estacionaria, arrastrando dichos componentes con diferente velocidad. Puedes separar los pigmentos que componen la tinta de un plumón mediante este procedimiento (véase Problema reto al final de esta unidad). Problema resuelto ¿Qué métodos se utilizan en una mina para separar un mineral de cobre de algunas impurezas que son solubles? Respuesta Se somete al mineral a una trituración, después se filtra a través de un tamiz, se disuelve en agua y se realiza una cristalización para recuperar los compuestos solubles cristalizados. Problema resuelto Cuando una persona introduce bolas de naftalina en un clóset de ropa, para eliminar algunos insectos, ¿qué propiedad física del compuesto está aprovechando? Respuesta La sublimación. La naftalina está formada por una mezcla que contiene naftaleno, el cual sublima a baja temperatura. Problema resuelto En un análisis sanguíneo se hace una separación de los componentes de la sangre en suero y plasma, mediante la técnica de __________________________. Respuesta Centrifugación. Problema resuelto El químico de un laboratorio quiere limpiar el mercurio mezclándolo con acetona. ¿Cómo debe separarlo después? ¿Qué instrumento del laboratorio le conviene utilizar? Respuesta Por decantación, aprovechando su gran diferencia de densidad. Utilizará un embudo de separación. Problema resuelto ¿Por qué los gases se transportan en cilindros metálicos sometidos a altas presiones? Respuesta Los gases tienen la propiedad de ser compresibles, lo cual se aprovecha para transportarlos en recipientes que soportan altas presiones y puedan ser manejados con mayor facilidad. 15 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 15 12/31/69 6:34:02 PM 1 UNIDAD Problemas para resolver 1.1 Expresa las siguientes cantidades en notación científica. 1.17 Convierte las siguientes temperaturas a grados Fahrenheit. a) 45 000.00 a) 20 °C b) 3456.00 c) 0.00789 d) 0.00085 b) 45 °C c) 100 °C 1.2 Expresa las siguientes cantidades en notación decimal. 1.18 Convierte los siguientes valores a temperatura absoluta (Kelvin). a) 8.346 3 10−3 a) 40 °C b) 2.63 3 102 c) 6.335 3 10−4 d) 7.742 3 105 1.3 Realiza las siguientes conversiones. a) 3.6 km a mm b) 16 mL a μL d) 355 nm a Å 1.5 En una competencia de natación, los nadadores salen de Puerto Marqués a la Marina de Acapulco, atravesando toda la bahía. La distancia es de 11.7 km. ¿Cuántas millas recorren los nadadores? 1.6 Convierte los siguientes volúmenes a microlitros. b) 200 L c) −100 °C 1.19 Convierte las siguientes temperaturas a grados Celsius. c) 0.66 cm3 a L 1.4 ¿A cuántos metros equivalen 3 cm? a) 0.15 L b) −40 °C a) 100 K b) −10 K c) 40 K 1.20 En un día soleado, la temperatura en Vancouver es de 75 °F y en la Ciudad de México es de 26 °C. ¿En cuál ciudad hace más calor? 1.21 La temperatura de ebullición de un elemento desconocido es de 125 K, ¿cuál es el valor de esta temperatura en grados Celsius? 1.22 Identifica en las siguientes propiedades cuáles son extensivas y cuáles intensivas. c) 6.0 L ALERTA: Si el punto decimal se recorre a la izquierda, la potencia es positiva: si se recorre a la derecha la potencia será negativa. a) Densidad b) Masa c) Punto de fusión normal d) Temperatura 1.7 Convierte los siguientes volúmenes a litros. 1.23 En las siguientes propiedades indica cuáles son extensivas y cuáles intensivas. a) 30,000 μL a) Presión b) 50 mL c) 0.040 cm3 1.8 ¿Qué pesa más, una libra de pescado o un kilogramo de pescado? 1.9 ¿Con qué unidades del sistema inglés son más comparables en escala las siguientes unidades del sistema métrico? b) Calor c) Longitud d) Viscosidad 1.24 ¿Cuál será la densidad de un líquido que se encuentra en un recipiente de 10 mL si su masa es de 14.76 g y la masa del recipiente vacío es de 4.070 g? 1.10 ¿Qué unidades del sistema inglés conviene utilizar para medir la distancia de la Ciudad de México a Cuernavaca? 1.25 Se requiere conocer la identidad de un metal, para lo cual se introduce una masa de 45 g de metal en una probeta con agua. El nivel del agua sube de 30 mL a 34.28 mL, ¿cuál de los siguientes es el metal? a) Pies a) Fe (d 5 7.87 g/cm3) a) Kilómetro b) Centímetro b) Yardas c) Metro c) Millas b) Ag (d 5 10.5 g/cm3) 3 c) Cu (d 5 8.96 g/cm ) ALERTA: Consulta las tablas de conversiones. Conversión Fórmula Celsius a Fahrenheit T°F = 1.80(T°C) + 32 Fahrenheit a Celsius T°C = (T°F – 32)/1.80 1.26 Una mezcla de balines de cobre, agua y mercurio se coloca en un tubo de vidrio y se deja reposar. ¿Cuál elemento quedará en el fondo y cuál en la parte superior? (Cu: d 5 8.96 g/cm3; Hg: d 5 13.6 g/cm3; H2O: d 5 0.998 g/cm3) 1.27 Un cilindro de cobre tiene una altura de 35.0 cm, un radio de 11 cm y una densidad de 8.96 g/cm3. ¿Cuál es la masa del cilindro? (V 5 π r2 h) Celsius a Kelvin TK = T°C + 273 Kelvin a Celsius T°C = TK − 273 1.11 Un litro de leche en la tienda cuesta $14.00 y un galón cuesta $25.00. ¿Cuál de los dos es más barato? 1.12 Convierte 3.8 ng a picogramos. 1.13 Una moneda de 50 centavos pesa 6.6 g. ¿Cuál será la masa en kg y en miligramos? 1.14 Tu hermano tiene malestar estomacal, al tomarle la temperatura con un termómetro, donde no se ve el nombre de la escala, observas que marca 95 grados. a) ¿A qué escala debe pertenecer esta medición de temperatura? b) ¿A cuánto corresponde en grados Celsius? 1.15 Un líquido hierve a 239 °F. ¿Cuál es la temperatura en grados Celsius? 1.28 En el laboratorio encuentras un frasco con un líquido comercial desconocido y deseas identificar su componente principal. Mides 25 mL del líquido y determinas que pesa 19.62 g. ¿Cuál de las siguientes sustancias puede ser el componente principal del líquido? a) Cloroformo d 5 1.483 b) Tolueno d 5 0.867 c) Éter dietílico d 5 0.714 d) Alcohol isopropílico d 5 0.785 1.29 Escribe la expresión numérica exponencial de los siguientes términos. a) Microlitro b) Milímetro c) Kilogramo d) Centímetro 1.30 La densidad del tolueno es 0.817 g/mL. ¿En qué volumen habrá 100 g del compuesto? 1.31 Un recipiente pesa 115 g cuando está vacío. Se llena con un líquido (d 5 1.04 g/mL) y su peso cambia a 205 g. ¿Cuál es el volumen del recipiente? 1.16 Escribe las diferencias entre las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit. 16 Problemas aplicados a la realidad 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 16 Problemas para resolver con tecnología 12/31/69 6:34:03 PM Grupo Editorial Patria© a) Un metal con un volumen de 6 mL y una masa de 35 g. 1.44 Subraya la propiedad o cambio físico en cada una de las siguientes afirmaciones: b) Una sustancia con un volumen de 85 mL y una masa de 140 g. a) Un compuesto químico “cobelita” es de color rojo y funde a 150 °C. c) Una pieza de metal de forma regular que tiene las siguientes medidas: 30 mm 3 3 cm 3 0.2 dm y su masa es de 18 g. [Calculadora] b) Los cristales incoloros de la sal de mesa son cúbicos. 1.32 Encuentra la densidad en g/mL a partir de los siguientes datos: 1.33 Se tienen tres muestras de glicerina a una temperatura de 20 °C. Calcula la densidad de la glicerina, a esa temperatura. c) El gas cloro de color amarillo se combina con oxígeno para formar diferentes óxidos. 1.45 En cada caso, indica si el cambio es físico o químico. a) Una muestra de 130 mL con un peso de 163.8 g a) Ebullición del agua. b)Una muestra de 100 mL con un peso de 126 g b) La leche se agria. c) Una muestra de 60 mL con un peso de 75.6 g c) Freír un huevo. 1.34 Considerando la pregunta anterior deduce si la densidad es una propiedad intensiva o extensiva. 1.35 Calcula el volumen de las siguientes muestras de ácido en el laboratorio, a una temperatura de 20 °C. a) 25 g de ácido nítrico (d 20° 5 1.4 g/mL) c) 30 g de ácido clorhídrico (d 20° 5 1.19 g/mL) d) El oxígeno respirado entra al organismo y sale en forma de CO2. 20 °C d = 1.00 d = 0.708 d = 0.880 d = 1.05 d = 1.26 d = 1.49 d = 1.83 1.47 Indica si los siguientes cambios son físicos o químicos. Justifica tu respuesta. Cambio a) Combustión de la madera b) Digestión de un alimento c) Trituración de un alimento d) Fusión del plomo 1.36 En un laboratorio de química se necesitan 150 g de mercurio. ¿Qué volumen de este metal se debe medir? (d 20° 5 13.6 g/mL) 1.37 ¿Qué cantidad de benceno (en gramos) corresponde a 500 mL de esta sustancia? (d 20° 5 0.880 g/mL). 1.38 Calcula el volumen en mililitros que tendrá una muestra de 3.0 kg de tetracloruro de carbono (d 20° 5 1.60 3 103 kg/m3) a una temperatura de 20 °C. 1.39 Escribe tres cambios de estado que requieren energía para realizarse. 1.40 ¿Se conserva la masa en un cambio de estado? Justifica tu respuesta y da un ejemplo. 1.41 ¿Se conserva el volumen en un cambio de estado? Justifica tu respuesta y escribe un ejemplo. 1.42 ¿Se conserva la masa en las reacciones químicas? Explica tu respuesta y menciona un ejemplo. 1.43 Completa la siguiente tabla: Nombre Cambio de fase Sólido a gas Líquido a gas a) La clorofila se sintetiza en las plantas a partir de los nutrientes del suelo. c) La manteca se funde con el calor. ALERTA: Consulta la tabla de datos. Deposición o solidificación 1.46 Indica el tipo de cambio que corresponde a las palabras subrayadas. b) Un líquido quitamanchas cambió el color de tu falda de negro a verdoso. b)100 g de ácido sulfúrico (d 20° 5 1.82 g/mL) Densidades g/ mL Agua Éter Benceno Ácido acético Glicerina Cloroformo Ácido sulfúrico d) Un hielo se mezcla en un refresco. Cambio energético 1.48 Describe un proceso de filtración de uso común en el hogar para separar los componentes de una mezcla. Escribe dos ejemplos. 1.49 Describe cómo puedes separar una mezcla de: a) Aceite y agua. b) Carbonato de calcio y cloruro de sodio. c) Granalla de cinc y granalla de hierro. d) Alcohol y agua. 1.50 Método físico de purificación conocido desde la antigüedad para . obtener vinos y licores: 1.51 ¿Qué método se utiliza en las salinas para obtener cloruro de sodio del agua de mar? 1.52 ¿Qué propiedad física se pone de manifiesto en los desodorantes de baño? 1.53 ¿Por qué al “hielo seco” (CO2 sólido) le sale “humo”? 1.54 En la separación de los minerales se emplea un método físico llamado , que permite separarlos por diferencia de densidad. 1.55 Tienes una mezcla con diferentes componentes, los quieres separar y recuperar. Considera lo siguiente e indica cómo los separarías. a) Una de las sustancias es soluble en agua. Condensación Problemas aplicados a la realidad 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 17 Problemas para resolver con tecnología 17 12/31/69 6:34:04 PM 1 UNIDAD Problemas para resolver b) Otra es insoluble. 1.60 Clasifica los siguientes conceptos como mezcla o sustancia pura. c) La otra sublima. a) El aire que respiramos. 1.56 Clasifica lo siguiente según el tipo de materia que representa (elemento, compuesto, mezcla homogénea o heterogénea): b) El diamante en un anillo. a) Sal disuelta en agua. d) El agua en una alberca. b) Una muestra de agua de un río turbio. c) Un refresco de naranja. 1.61 Clasifica los siguientes conceptos como mezcla o sustancia pura. c) Hormigón como el empleado en las carreteras. a) Una tableta de calcio. d) El diamante de un anillo. b) El líquido limpiador de lentes de contacto. e) Una moneda de 10 pesos. c) Agua destilada. f) Azúcar. d) Sangre. 1.57 La siguiente gráfica muestra la relación de la presión de vapor en función de la temperatura. Encierra en un círculo la sustancia más volátil. a) A b) B c) C Presión de vapor [ bar ] 12000 1.62 Escribe tres ejemplos de soluciones y tres ejemplos de mezclas heterogéneas de uso común en el hogar. Soluciones A 10000 8000 Mezclas B 6000 C 4000 2000 0 50 100 150 200 250 a) Mezcla homogénea. Temperatura [ °C ] 1.58 Anota si las siguientes propiedades son intensivas o extensivas: a) Volumen b) Viscosidad c) Calor b) Mezcla heterogénea. c) Compuesto. 1.64 Clasifica las siguientes mezclas como homogéneas o heterogéneas. a) Mantequilla. b) Aceite para motores. c) Vinagre para ensalada. d) Asfalto en una carretera. 1.65 En un sistema hay presentes dos sustancias, ¿puede ser una mezcla homogénea? Justifica tu respuesta. d) Presión de vapor 1.59 Define los siguientes conceptos: a) Una mezcla heterogénea. 1.63 La mayonesa se puede clasificar como: b) Una solución. 1.66 Un compuesto tiene una solubilidad a 25 °C, de 26 g/100 g H2O. ¿Qué volumen de agua se debe medir para disolver 45 g del compuesto? c) Un compuesto. problemas Reto 1 2 18 En un experimento del laboratorio de química general se pide a los estudiantes que determinen la cantidad relativa de sulfato de cobre (II), naftaleno, azufre y virutas de hierro en una mezcla sólida. Investiga propiedades de estas sustancias (solubilidad, temperatura de fusión, sublimación, etc.) y, en función de éstas, diseña una secuencia para separar los componentes de la mezcla. Visita una planta purificadora y potabilizadora de agua. a) Realiza un esquema donde se ilustre todo el proceso. b) Reflexiona si sería posible eliminar algunas de las etapas o si se puede cambiar el orden de éstas. c) Analiza los diferentes pasos del proceso y haz una lista de los que son métodos físicos y otra de los tratamientos químicos. d) La planta que visitaste, ¿sólo purifica el agua o también la hace potable? ¿Cuál es la diferencia entre estos dos procesos? Problemas aplicados a la realidad 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 18 Problemas para resolver con tecnología 12/31/69 6:34:10 PM Grupo Editorial Patria© Investiga en la bibliografía cómo realizar una cromatografía de los pigmentos contenidos en un plumón. 3 Referencias Chang, R. Química. McGraw-Hill Interamericana Editores, 9a edición, México, 2007. Daub, W., Seese, W., Carrillo, M., González, R. M., Montagut, P., Nieto, C y Sansón, C. Química. Pearson Educación, 8a edición, México, 2005. Zumdahl, S. y Zumdahl, S. Química. Patria, 7a edición, México, 2007. Direcciones electrónicas http://www.acienciasgalilei.com/qui/tablaperiodica0.htm (consultada 25 abril de 2010). ■■ http://www.visionlearning.com/library/module-viewer.php?mid 120 (consultada 25 abril de 2010). Problemas para resolver ■■ 19 01_PROBLEMARIO QUIMICA_CH01.indd 19 12/31/69 6:34:11 PM
