INTRODUCCIÓN MATERIA Y MEDICIÓN TEORIA Y EJERCICIOS RESUELTOS FOTOS+PDF PARA IMPRIMIR GRATIS

INTRODUCCIÓN MATERIA Y MEDICIÓN TEORIA Y EJERCICIOS RESUELTOS PDF

a 2.2 libras (lb). Esta unidad fundamental no es correcta en cuanto a que utiliza el prefijo, kilo , en lugar de la palabra gramo sola, ya que obtenemos otras unidades de masa añadiendo prefijos a la palabra gramo. EJERCICIO TIPO 1.2 ¿Qué nombre se da a la unidad que es igual a (a) 10 9 gramos; (b) 10 6 segundos; (c) 10 3 metros? Solución En cada caso, podemos remitirnos a la tabla 1.5 para encontrar el prefijo que corresponde a cada una de las fracciones decimales: (a) nanogramo, ng; (b) microsegundo, μs; (c) milímetro, mm. EJERCICIO DE APLICACIÓN (a) ¿Qué fracción decimal de un segundo es un picosegundo, ps? (b) Exprese la medición 6.0 103 m empleando un prefijo que sustituya la potencia de 10. (c) Use la notación exponencial estándar para expresar 3.76 mg en gramos. Respuestas: (a) 10 12 segundos; (b) 6.0 km; (c) 3.76 10 3 g Temperatura Sentimos la temperatura como una medida de la calidez o frialdad de un objeto. En realidad, la temperatura determina la dirección de flujo del calor. El calor siempre fluye espontáneamente de una sustancia que está a una temperatura más alta hacia una que está a una temperatura más baja. Por ello, sentimos la entrada de energía cuando tocamos un objeto caliente, y sabemos que ese objeto está a una temperatura más alta que nuestra mano. Las escalas de temperatura que comúnmente se emplean en los estudios científicos son las escalas Celsius y Kelvin. La escala Celsius también es la escala de temperatura cotidiana en la mayor parte de los países (Figura 1.17 »), y se basó originalmente en la asignación de 0ºC al punto de congelación del agua y 100ºC a su punto de ebullición en el nivel del mar (Figura 1.18 ¥). Escala Fahrenheit El agua hierve Temperatura normal del cuerpo El agua se congela 212 F 32 F 98.6 F Escala Kelvin Escala Celsius 100 C 0 C 100 intervalos de un grado 100 intervalos de un grado 180 intervalos de un grado 373 K 273 K 310 K 37.0 C « Figura 1.18 Comparación de las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Fahrenheit. La escala Kelvin es la escala de temperatura SI, y la unidad SI de temperatura es el kelvin (K). Históricamente, la escala Kelvin se basó en las propiedades de los gases; sus orígenes se estudiarán en el capítulo 10. El cero en esta escala es la temperatura más baja que puede alcanzarse, 273.15ºC, a la cual llamamos cero absoluto. Ambas escalas, Celsius y Kelvin, tienen unidades del mismo tamaño; es decir, un kelvin tiene el mismo tamaño que un grado Celsius. Por tanto, la relación entre las escalas Kelvin y Celsius es la siguiente: [1.1] El punto de congelación del agua, 0ºC, es 273.15 K (Figura 1.18). Adviértase que no usamos un signo de grado (º) con temperaturas en la escala Kelvin. La escala de temperatura común en Estados Unidos es la escala Fahrenheit, que no se emplea generalmente en estudios científicos. En esa escala, el agua se congela a 32ºF y hierve a 212ºF. Las escalas Fahrenheit y Celsius están relacionadas como sigue: °C = [1.2] 5 9 1°F - 322 o bien °F = 9 5 1°C2 + 32 K = °C + 273.15 10 cm 1 dm 1 cm 1 L 1 dm3 1000 cm3 1 cm3 1 mL Á Figura 1.19 Un litro es el mismo volumen que un decímetro cúbico, 1 L 1 dm3. Cada decímetro cúbico contiene 1000 centímetros cúbicos, 1 dm3 1000 cm3. Cada centímetro cúbico equivale a un mililitro, 1 cm3 1 mL. Unidades derivadas del SI Las unidades SI fundamentales de la tabla 1.4 sirven para derivar las unidades de otras cantidades. Para ello, tomamos la ecuación que se va a resolver y sustituimos por las unidades fundamentales apropiadas. Por ejemplo, la velocidad se define como el cociente de la distancia entre el tiempo transcurrido. Por tanto, la unidad SI para la velocidad es la unidad SI para la distancia (longitud) dividida entre la unidad SI para el tiempo, m/s, que se lee “metros por segundo”. Encontraremos muchas unidades derivadas, como las de fuerza, presión y energía, más adelante en este texto. En este capítulo examinaremos las unidades derivadas para volumen y densidad. Volumen El volumen de un cubo está dado por su longitud al cubo (longitud)3. Por tanto, la unidad SI fundamental del volumen es el metro cúbico (m3), el volumen de un cubo que tiene 1 m por lado. En química, es común utilizar unidades más pequeñas como el centímetro cúbico, cm3 (que a veces se escribe cc). Otra unidad de volumen de uso común en química es el litro (L), que equivale a un decímetro cúbico (dm3) y es un poco más de un cuarto de galón. El litro es la primera unidad métrica que hemos visto que no es una unidad SI. Hay 1000 mililitros (mL) en un litro (Figura 1.19 «), y cada mililitro es el mismo volumen que un centímetro cúbico: 1 mL 1 cm3. Los términos mililitro y centímetro cúbico se emplean indistintamente para expresar volumen. EJERCICIO TIPO 1.3 Un pronosticador del tiempo predice que durante el día la temperatura alcanzará 31ºC. Exprese esa temperatura (a) en K; (b) en ºF. Solución (a) Usando la ecuación 1.1, tenemos (b) Usando la ecuación 1.2, tenemos EJERCICIO DE APLICACIÓN El etilenglicol, el principal ingrediente de los anticongelantes, se congela a 11.5ºC. Exprese ese punto de congelación en (a) K; (b) ºF. Respuestas: (a) 261.7 K; (b) 11.3ºF °F = 9 5 1312 + 32 = 56 + 32 = 88°F K = 31 + 273 = 304 K Bureta Llave de paso, válvula que sirve para controlar el flujo de líquido Probeta graduada Jeringa Pipeta Matraz volumétrico mL 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 mL 0 1 2 3 4 45 46 47 48 49 50 « Figura 1.20 Aparatos comunes empleados en el laboratorio de química para medir y entregar volúmenes de líquido. La probeta graduada, la jeringa y la bureta sirven para entregar volúmenes variables de líquido; la pipeta sirve para entregar un volumen específico de líquido; el matraz volumétrico contiene un volumen específico de líquido cuando se le llena hasta la marca. En la figura 1.20 Á se ilustran los aparatos que se usan con mayor frecuencia en química para medir volúmenes. Las jeringas, buretas y pipetas entregan líquidos con mucha mayor exactitud que las probetas graduadas. Los matraces volumétricos sirven para contener volúmenes específicos de líquido. Densidad La densidad se utiliza ampliamente para caracterizar las sustancias; se define como la cantidad de masa en una unidad de volumen de la sustancia: [1.3] Las densidades de sólidos y líquidos se expresan comúnmente en unidades de gramos por centímetro cúbico (g/cm3) o gramos por mililitro (g/mL). Las densidades de algunas sustancias comunes se dan en la tabla 1.6 ¥. No es coincidencia que la densidad del agua sea 1.00 g/cm3; el gramo se definió originalmente como la masa de 1 mL de agua a una temperatura específica. Dado que casi todas las sustancias cambian de volumen al calentarse o enfriarse, la densidad depende de la temperatura. Al informar densidades, se debe especificar la temperatura. Por lo regular se supone que la temperatura es 25°C, la temperatura ambiente normal, si no se indica la temperatura. Densidad = masa volumen TABLA 1.6 Densidades de algunas sustancias a 25ºC Densidad Sustancia (g/cm3) Aire 0.001 Madera balsa 0.16 Etanol 0.79 Agua 1.00 Etilenglicol 1.09 Azúcar de mesa 1.59 Sal de mesa 2.16 Hierro 7.9 Oro 19.32 La química es un campo muy activo y dinámico de la ciencia. Dado que desempeña un papel tan importante en nuestra vida, casi todos los días podemos leer en las noticias informes acerca de asuntos de importancia química. Algunos hablan de avances recientes en el desarrollo de medicamentos, materiales y procesos nuevos. Otros se ocupan de problemas ecológicos y de seguridad pública. Esperamos que, al estudiar química, el lector logre entender mejor el impacto de la química sobre su vida. Tal entendimiento será necesario para participar en discusiones y debates públicos acerca de cuestiones relacionadas con la química que afectan su comunidad, su país y el mundo. Como ejemplos, resumiremos aquí algunos reportajes recientes en los que interviene la química. “Las celdas de combustible que producen energía a partir de hidrocarburos” El advenimiento del automóvil eléctrico, como el de la figura 1.21¥, como medio práctico de transporte se ha retrasado por el problema de hallar una fuente de energía idónea. Las baterías que pueden construirse con un costo razonable son demasiado pesadas y sólo alcanzan para viajar cierto número de kilómetros, antes de que sea necesario recargarlas. La celda de combustible, en la que una reacción química proporciona energía directamente, es una alternativa de la batería. Hasta hace poco, las únicas celdas de combustible funcionales requerían hidrógeno como combustible. El hidrógeno es costoso y su almacenamiento presenta problemas y riesgos. En fechas recientes, investigadores de la University of Pennsylvania, demostraron que es posible usar directamente combustibles más baratos y posiblemente más seguros, como butano y diésel, para producir electricidad en una celda de combustible de novedoso diseño. El butano y el diésel se componen de hidrocarburos, moléculas que sólo contienen átomos de carbono y de hidrógeno. La clave de la nueva tecnología es el desarrollo de un nuevo material para los electrodos de la celda, el cual contiene el elemento cobre, que supuestamente cataliza las reacciones electroquímicas apropiadas en el electrodo. Aunque esta nueva tecnología parece muy prometedora, aún falta tiempo para que podamos comprar automóviles eléctricos que la usen. Es preciso resolver varios problemas de ingeniería y costos para convertir esos coches en una realidad comercial. No obstante, varios fabricantes de automóviles se han propuesto sacar al mercado un automóvil impulsado por celdas de combustible en 2004 o poco después. “La adición de hierro al océano promueve la fotosíntesis” Las plantas microscópicas flotantes llamadas fitoplancton escasean en ciertas partes del mar (Figura 1.22 ¥). Hace varios años, los científicos propusieron que tal escasez se debe a la falta de nutrientes, primordialmente hierro. Dado que el fitoplancton asimila dióxido de carbono durante la fotosíntesis, se propuso que cantidades relativamente pequeñas de hierro distribuidas en regiones apropiadas de los océanos podrían reducir el dióxido de carbono atmosférico y por ende el calentamiento global. Si el fitoplancton se hunde al fondo del mar al morir, el dióxido de carbono no volverá a la atmósfera por la descomposición de esos organismos. Se han efectuado estudios recientes en los que se añadió hierro a las aguas superficiales del océano cerca de la Antártida, a fin de estudiar su efecto sobre el fitoplancton. El resultado fue un aumento sustancial en la cantidad de fitoplancton y una reducción, al menos a corto plazo, en la cantidad de dióxido de carbono del aire que está encima de esas aguas. Los resultados fueron congruentes con experimentos similares efectuados antes en el Océano Pacífico ecuatorial y confirmaron la hipótesis de que el hierro es el nutriente limitante de esos microorganismos en gran parte de los océanos. Sin embargo, no hubo un aumento en la cantidad de microbios que cayeron desde la superficie del agua, por tanto, este procedimiento puede ser útil para reducir en el largo plazo, el dióxido de carbono en la atmósfera. “Nanotecnología: exageraciones y esperanza” En los últimos 15 años han proliferado equipos y técnicas relativamente económicos para explorar y manipular materiales en la escala de longitud de nanómetros. Ello ha dado pie a pronósticos optimistas de nanotecnologías futuristas que incluirían máquinas y robots a escala molecular capaces de manipular la materia con precisión atómica. Muchos creen que tales visiones futuristas son exageraciones, pero otros confían en que se harán realidad. La química en acción La química en las noticias Á Figura 1.21 Vista interior de un automóvil impulsado por celdas de combustible. Á Figura 1.22 Imagen coloreada de satélite que muestra el océano global, destacando la distribución y concentración de fitoplancton. Las regiones rojas y anaranjadas son las de más alta concentración, mientras que las azules y púrpura oscuro indican concentraciones bajas. Los materiales a nanoescala presentan las propiedades químicas y físicas de diversos materiales macroscópicos. Por ejemplo, puede hacerse que el carbono forme estructuras tubulares como la de la figura 1.23 Á. Esos “nanotubos” semejan un rollo cilíndrico de alambrada para gallinero. Si los tubos se moldean debidamente, conducen la electricidad como metales. Los científicos han descubierto que las propiedades eléctricas y ópticas de ciertas partículas a escala nanométrica pueden afinarse ajustando su tamaño o forma. Por tanto sus propiedades tienen interés en aplicaciones de almacenamiento óptico de datos y sistemas de comunicación ultrarrápidos. Aunque faltan años para que tales aplicaciones se conviertan en una realidad comercial, prometen alterar drásticamente no sólo el tamaño de los dispositivos electrónicos, sensores y muchas otras cosas, sino también la forma de fabricarlos. Incluso podría ser posible ensamblar tales dispositivos a partir de componentes más pequeños y sencillos como moléculas y otras nanoestructuras. Este enfoque es similar al que la naturaleza usa para construir complejas arquitecturas biológicas. “La búsqueda de una superaspirina” La aspirina, introducida en 1899, fue uno de los primeros medicamentos desarrollados y sigue siendo uno de los más utilizados. Se calcula que cada año se ingieren 20,000 millones de tabletas de aspirina en Estados Unidos. Su propósito original era calmar el dolor de articulaciones y músculos adoloridos, pero ha demostrado ser una medicina muy complicada con inesperados poderes y limitaciones. Se ha descubierto que reduce la incidencia de ataques cardiacos, el mal de Alzheimer y cánceres del tracto digestivo. Sin embargo, la aspirina también ataca el recubrimiento del estómago y puede producir hemorragias e incluso úlceras, llegando a causar problemas intestinales. La aspirina bloquea una enzima (un tipo de proteína), llamada COX-2, que provoca inflamación, dolor y fiebre. Lamentablemente, también afecta la acción de COX-1, una enzima que produce hormonas indispensables para la salud del estómago y los riñones. Un analgésico y agente antiinflamatorio ideal inhibiría a COX-2 pero no afectaría a COX-1. En la figura 1.24(a) ¥ se muestra la forma de la molécula de aspirina. La aspirina funciona transfiriendo una parte de su molécula, llamada grupo acetilo, a COX-2, la cual queda entonces inhabilitada. Un sustituto de la aspirina deberá conservar esa característica de la molécula, como se muestra en la figura 1.24(a). El sustituto también deberá tener forma y tamaño parecidos a los de la molécula de aspirina, para que encaje en la enzima de la misma manera que lo hace la aspirina. En la figura 1.24(b) se muestra una variante prometedora de la molécula de aspirina. La porción alterada consiste en un átomo de azufre (amarillo) seguido de una “cola” de átomos de carbono (negro) e hidrógeno (blanco). Esta molécula es un potente inhibidor de COX-2 que al parecer no afecta a COX-1. Ésta y otras “superaspirinas” deben pasar las pruebas de seguridad a largo plazo para poder aparecer en los anaqueles de las farmacias, pero podrían llegar a sustituir a la aspirina y otros medicamentos antiinflamatorios no esteroides populares. Eje del nanotubo « Figura 1.23

Categoría: INTRODUCCIÓN MATERIA Y MEDICIÓN