Introducción a los conceptos fundamentales de química

Prefacio. . 25

Capítulo uno

El conocimiento científico y la sociedad:

una perspectiva desde la química 29

Objetivos de aprendizaje. . 31

Introducción. . 31

Impacto del desarrollo científico y tecnológico en nuestra sociedad. . 32

¿Qué es el conocimiento científico desde la perspectiva de las

ciencias de la naturaleza?. . 33

Sesgos y fraudes en la ciencia. . 35

El método científico. . 37

Indeterminación de las teorías científicas y racionalidad asociada

a la elección de una teoría científica sobre las otras. . 39

¿Por qué muchos sectores de la sociedad son analfabetas

en temas científicos? . 41

Reflexiones sobre el papel de la ciencia en Colombia. . 43

¿Qué es una educación de calidad en ciencias naturales? . 45

Parámetros que controlan las políticas de educación y de ciencia. . 47

Ética en la investigación científica . 49

Conclusiones. . 51

Capítulo dos

Teoría cinético-molecular de la materia 53

Objetivos de aprendizaje. . 55

Introducción . 55

Partículas en movimiento perpetuo: movimiento browniano . 57

Más pruebas del movimiento de las partículas: la difusión molecular. . 60

¿Cómo detectar las partículas elementales o átomos en movimiento? . 61

Explicación de la presión de un gas mediante la teoría

cinético-molecular . 63

Separando las sustancias puras en los elementos químicos

que la componen: la electrólisis del agua . 66

Ley de las proporciones definidas. . 69

Teoría cinético-molecular y los estados de la materia. . 71

Partículas elementales de materia y agregados de ellas. . 74

Descubrimiento de las partículas elementales de la materia. . 76

Incertidumbre de las posiciones y las trayectorias de partículas microscópicas. 79

El átomo. . 84

Origen de los elementos químicos o nucleosíntesis. . 85

Electronegatividad. . 87

Periodicidad de las propiedades de los átomos. . 90

Enlace químico. . 93

Estructura molecular y propiedades de la materia. . 99

Alcance de los modelos empíricos de la estructura molecular. . 101

¿Por qué se mueven los átomos?. . 103

Preguntas y ejercicios. . 106

Capítulo tres

Termodinámica 111

Objetivo de aprendizaje. . 113

Introducción. . 113

Conceptos fundamentales de la termodinámica. . 114

Propiedad. . 114

Energía. . 116

Sistema. . 124

Estado de un sistema125

Fase. . 126

Proceso. . 126

Calor específico a volumen constante. . 126

Calor específico a presión constante. . 127

Leyes de la termodinámica. . 127

Ley cero de la termodinámica. . 127

Primera ley de la termodinámica. . 128

Segunda ley de la termodinámica.135

Aumento de la entropía por la expansión de un gas. . 139

El concepto de temperatura. . 141

Consideraciones generales. . 141

Termómetros. . 146

Temperaturas inferiores a 0 K. 148

Aplicaciones de la termodinámica . 150

Evaporación del agua y humedad.150

El calorímetro. . 151

Ejercicios. . 152

Ciclos termodinámicos. . 153

Termoquímica. . 162

Potencial químico. . 168

Definición de potencial químico. . 168

Variación del potencial químico con la presión y la concentración. . 169

Aplicaciones del concepto de potencial químico. . 171

Propiedades termodinámicas de mezclas de disoluciones ideales. . 171

Constantes de equilibrio. 172

Relación entre entropía y el concepto de equilibrio. . 175

Anexo 1. Cálculo de la entropía para un sistema que siga

la estadística Maxwell–Boltzmann. . 180

Anexo 2. Definición de entropía a partir de la probabilidad

de que estén ocupados los niveles energéticos. . 184

Anexo 3. Tabla de datos termodinámicos del agua y de los elementos

que la conforman . 187

Capítulo cuatro

Introducción a los estados de la materia 189

Objetivos de aprendizaje. . 191

Consideraciones preliminares con respecto a los estados de la

materia y la transición entre ellos. . 191

El agua. . 199

Disoluciones. . 205

¿Por qué se forman las disoluciones?. . 208

Autodisociación del agua. . 210

Tensión interfacial. . 212

Propiedades coligativas. . 217

Ascenso ebulloscópico. . 218

Descenso de la presión de vapor. . 219

Descenso crioscópico. . 221

Ósmosis. . 222

Fases iónicas. . 225

Preguntas y ejercicios. . 229

Capítulo cinco

Introducción al estudio del estado sólido 231

Objetivo de aprendizaje. . 233

Introducción. . 233

Propiedades mecánicas de los materiales. . 235

Propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales. . 239

Introducción a las ecuaciones de Maxwell 239

Ondas electromagnéticas. . 242

Propiedades eléctricas. . 243

Propiedades magnéticas.248

Propiedades dieléctricas de los materiales: ¿cómo funciona

un horno microondas? . 252

Propiedades ópticas de los materiales. . 254

Reflexión de la luz. . 254

Dispersión de la luz. . 255

Refracción de la luz. . 256

Difracción e interferencia de la luz. . 259

Polarización de la luz.259

Fluorescencia y fosforescencia. . 261

El color. . 262

Nucleación. . 262

Preguntas y ejercicios. . 265

Capítulo sexto

Cinética química 267

Objetivos de aprendizaje. . 269

¿Por qué es importante hacer un estudio de la cinética de las

reacciones químicas? . 269

¿Qué es una reacción química? . 272

Cinética química desde el punto de la teoría cinético-molecular. . 275

Aspectos teóricos de la cinética química. . 277

Distribución de densidad de carga y reactividad.277

Reacción química y enlace químico. . 280

Colisión y formación de un enlace entre dos átomos. . 281

Superficies de energía potencial. .283

Superficies de energía potencial para sistemas conformados

por tres átomos. . 287

¿Qué se debe tener en cuenta para hacer un estudio cinético de una reacción química? . 289

Ejemplos de cómo se puede controlar la velocidad de una reacción. . 290

Protección catódica. . 290

Efecto de la temperatura en la cinética química. . 292

Efecto de los catalizadores.  294

Efecto del área de contacto en la cinética química. . 295

Efecto del pH en la cinética química. . 295

Efecto de la fuerza iónica en la cinética química. . 296

Efecto de la polaridad del solvente en la cinética química. . 296

Efecto de la estructura del solvente en la cinética química. . 297

Efecto isotópico. . 297

Ley de velocidad para una reacción bimolecular en fase homogénea. . 298

Ejemplo de un estudio cinético de una reacción química en fase homogénea: hidrólisis del cloruro de tert-butilo. . 301

Reacciones de orden cero y cinética enzimática. . 304

Reacciones en la interfaz de un electrodo-electrolito. . 308

Reacciones oscilantes. . 309

Deducción semiempírica del efecto de la temperatura y la

composición en la velocidad de reacción a partir de las leyes

de equilibrio termodinámico. . 311

Ecuación de Eyring-Polanyi. . 315

Reacciones en una interfaz. . 316

Ecuación general de la cinética química. . 317

Cálculos de cinética química. . 318

Preguntas y ejercicios. . 320

Capítulo siete

Sistema Internacional de Unidades 323

Objetivos de aprendizaje. . 325

Introducción. . 325

¿Por qué es importante tener un sistema universal de unidades

de medida?. . 326

Anotaciones históricas sobre el origen de las unidades de medida. . 328

La unidad de longitud y masa. . 328

El tiempo. . 329

El amperio. . 331

Fotometría y radiometría. . 331

Sistema Internacional de Unidades basado en constantes físicas. . 333

El segundo (s) . 334

El metro (m) . 335

El mol. . 335

El kilogramo (kg) . 335

El kelvin (k) . 336

El amperio o ampere (A) 337

La candela (cd) . 338

Preguntas y ejercicios. . 339

Capítulo ocho

Modelos físicos del átomo 341

Objetivos de aprendizaje. . 343

Modelo de Thomson. . 343

Introducción. . 343

Conceptos físicos fundamentales de electrostática. . 345

El átomo de helio según el modelo de Thomson. . 347

Modelo del átomo de Ernest Rutherford. . 351

Modelo del átomo de Bohr. . 352

Preguntas y ejercicios. . 356

Referencias 357

Índice analítico 362