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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