Introduccion a la Fisicoquimica Termodinamica

582 Pages·2010·10.065 MB·Spanish

by  Engel Thomas

Introducción a la
Fisicoquímica:
Termodinámica
Primera edición
Thomas Engel
Universidad de Washington
Philip Reid
Universidad de Washington
Con la colaboración de:
Warren Hehre
CEO, Wavefunction, Inc.
Traducción y revisión técnica
Dr. Alberto Requena Rodríguez
Dr. José Zúñiga Román
Catedráticos de la Universidad de Murcia, España
Departamento de Química Física
Dr. Adolfo Bastida Pascual
Profesor titular de la Universidad de Murcia, España
Departamento de Química Física
Datos de catalogación bibliográfica
Engel, Thomas
Introducción a la Fisicoquímica: Termodinámica
Primera edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007
ISBN: 970-26-0829-5
Área: Química-Física
Formato: 21 × 27 cm Páginas: 584
Authorized translation from the English language edition, entitled Physical Chemistry 1sted., by Thomas Engel and Philip J. Reid, published
by Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings, Copyright, 2006. All rights reserved.
ISBN 0-8053-3844-6
Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada Physical Chemistry 1a ed., por Thomas Engel y Philip J. Reid, publicada por
Pearson Education, Inc., publicada como Benjamin Cummings, Copyright, 2006. Todos los derechos reservados.
Esta edición en español es la única autorizada.
Edición en español Edición en inglés
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Editora de desarrollo: Gloria Morales Veyra Project Editors: Katie Conley and Lisa Leung
Supervisor de producción: Enrique Trejo Hernández Editorial Assistant: Cinnamon Hearst
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Composition: Carlisle Communications, Ltd.
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Text Printer and Binder: RR Donnelley and Sons, Willard
Cover Printer: Phoenix Color
Cover Credit: Adolph Gottlieb, “Jetsam” 1967, acrylic on paper, 24(cid:1)19®
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El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes.
ISBN 10: 970-26-0829-5
ISBN 13: 978-970-26-0829-5
Impreso en México. Printed in Mexico.
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Acerca de los autores
Thomas Engelha enseñado Química durante más de 20 años en la Universidad de Was-
hington, donde es profesor permanente de Química y asociado al programa de gradua-
ción. El profesor Engel cursó los grados de bachiller y master en Química en la
Universidad Johns Hopkins y el Doctorado en Química en la Universidad de Chicago.
Ha invertido 11 años como investigador en Alemania y Suiza, a la vez que obtenía el
grado de Dr. rer. nat. habil. de la Universidad Ludwig Maximilians de Munich. En 1980,
dejó el laboratorio de investigación de IBM en Zurich para incorporarse como miembro
de la Facultad de la Universidad de Washington.
Los intereses de investigación del profesor Engel están en el área de Química de su-
perficies y ha publicado más de 80 artículos y capítulos de libros en este campo. Ha re-
cibido el premio de Química de superficies y coloides de la American Chemical Society
y un premio Senior Humboldt Research de la Fundación Alexander von Humboldt, que
le ha permitido establecer colaboraciones con investigadores alemanes. Trabaja habi-
tualmente con fabricantes europeos de convertidores catalíticos para mejorar su rendi-
miento para máquinas diesel.
Philip Reid ha enseñado Química en la Universidad de Washington desde que se in-
corporó a la Facultad de Química en 1995. El Profesor Reid ha obtenido el grado de ba-
chiller en la Universidad de Puget Sound en 1986 y el Doctorado en Química en la
Universidad de Berkeley en 1992. La investigación postdoctoral la ha llevado a cabo
en la Universidad de Minnesota, en el campus Twin Cities antes de trasladarse a Was-
hington.
La investigación en la que está interesado el profesor Reid se centra en las áreas de
la Química atmosférica, dinámica de reacciones en fase condensada y materiales ópti-
cos no lineales. Ha publicado más de 70 artículos en estos campos. El profesor Reid ha
recibido el premio CAREER de la National Science Foundation, es Cottrell Scholar de
le Research Corporation y es becario Sloan.
vi
Prefacio
Este libro se ha ido elaborando a lo largo de muchos años de enseñanza e investigación en
Fisicoquímica para conseguir un libro de texto que fuera accesible a los estudiantes y de-
mostrara que la Fisicoquímica es un campo moderno, vital y en evolución. La audiencia ob-
jetivo es la de estudiantes de licenciatura, fundamentalmente de Química, Bioquímica e
Ingeniería Química, así como los estudiantes de Ciencias Ambientales y Ciencias
Biológicas. Los siguientes objetivos, ilustrados con breves ejemplos, subrayan los rasgos
distintivos de este libro.
• Centra la atención en la enseñanza de los conceptos fundamentales. Se exploran
los principios centrales de la Fisicoquímica centrando la atención en las ideas
fundamentales y entonces se extienden esas ideas a una variedad de problemas. Por
ejemplo, se puede conseguir una buena comprensión de la Termoquímica a partir
de sistemas básicos, como la energía almacenada en los enlaces químicos y los
cambios de energía interna. Por tanto, hay que tener cuidado en explicar y desarrollar
estos sistemas totalmente para proporcionar una base sólida al estudiante. Se han
formulado aproximaciones similares para otras áreas de la Fisicoquímica. El objetivo
es construir una base sólida para la comprensión de los estudiantes, más que cubrir
una amplia variedad de temas con un grado de detalle modesto.
• Ilustra la relevancia de la Fisicoquímicaen el mundo que nos rodea. Muchos
estudiantes se esfuerzan para conectar los conceptos de la Fisicoquímica con el
mundo que los rodea. Para conseguir este objetivo se incluyen Problemas Ejemplo
y temas específicos para ayudar a los estudiantes a establecer esta conexión. Se
discuten las células de combustible, refrigeradores, máquinas térmicas y máquinas
reales en conexión con la segunda ley de la Termodinámica. Se hace todo lo posible
para conectar las ideas fundamentales con aplicaciones que son familiares a los
estudiantes.
• Las simulaciones basadas en la Web ilustran los conceptos que se han explorado
y evitan la sobrecarga matemática. Las Matemáticas son centrales en la
Fisicoquímica; sin embargo, las matemáticas pueden distraer a los estudiantes de
la “visión” de los conceptos subyacentes. Para soslayar este problema, se han
incorporado simulaciones como problemas al final del capítulo a lo largo del libro,
de forma que los estudiantes pueden centrar su atención en las Ciencias y evitar una
sobrecarga matemática. El comportamiento termodinámico de los conjuntos
moleculares, funciones de distribución de velocidad y comportamiento cinético, se
ilustran mediante tutoriales interactivos. Esas simulaciones basadas en la Web en la
página www.pearson.educacion.net/engel las pueden usar también los profesores en
las clases. Hay disponibles más de 70 problemas basados en la Web. Cada problema
se ha diseñado como un ejercicio asignable con una hoja de respuestas impresa que se
puede entregar al profesor. La página Web también incluye una rutina gráfica con
capacidad de ajustar curvas que permite a los estudiantes imprimir y entregar
representaciones gráficas.
• Muestra cómo el aprendizaje de habilidades para resolverproblemas es una
parte esencial de la Fisicoquímica. En cada capítulo se trabajan muchos Problemas
Ejemplo. Los problemas del final del capítulo cubren un rango de dificultades
apropiado a estudiantes de todos los niveles. Las cuestiones conceptuales al final de
cada capítulo aseguran que los estudiantes aprenden a expresar sus ideas en el
lenguaje científico.
vii
viii Prefacio
Este texto contiene más material que el que se emplea en un curso académico y esto es com-
pletamente intencionado. El uso efectivo del texto no requiere proceder secuencialmente en
los capítulos o incluir todas las secciones. Algunos temas se discuten en secciones suple-
mentarias que se pueden omitir si no se ven esenciales para el curso. También, muchas sec-
ciones son autosuficientes, de forma que se pueden omitir si no sirven a las necesidades
del profesor. El texto está construido para adaptarse a sus necesidades. Agradecemos los
comentarios tanto de estudiantes como de profesores sobre el material que se ha usado
y cómo puede mejorarse la presentación. Por favor contacte con nosotros en la dirección
[email protected].
Thomas Engel
Universidad de Washington
Philip J. Reid
Universidad de Washington
Revisores ix
Agradecimientos
Muchas personas nos han ayudado a elaborar este texto en su actual forma. Los estudian-
tes nos han proporcionado retroalimentación directamente y a través de las cuestiones que
han formulado, nos han ayudado a comprender cómo aprenden. Muchos de nuestros cole-
gas, incluyendo a Peter Armentrout, Wes Borden, Doug Doren, Gary Drobny, Graeme Hen-
kelman, Tom Pratum, Bill Reinhardt, Peter Rossky, George Schatz, Michael Schick,
Gabrielle Varani y especialmente Mickey Schurr, han suministrado críticas invaluables al
leer capítulos individuales, como Kendrick Shaw, que ha leído todos los capítulos en su pa-
pel de chequeo preciso. Thomas Engel quiere agradecer al Fritz Haber Institute de Berlín y
a la Alexander von Humboldt Foundation por su generoso mantenimiento durante un pe-
riodo en el que se escribió parte de este libro. Nuestra propia aproximación a la Termodi-
námica y a la Termodinámica estadística está influida por los excelentes libros de texto de
Leonard Nash y Gilbert Castellan. También somos afortunados de tener acceso a algunos
problemas del final de los capítulos que originalmente se presentaron en Physical Chemistry,
3ª edición, por Joseph H. Noggle y en Physical Chemistry,3ª edición, por Gilbert W. Cas-
tellan. Los revisores, que se relacionan separadamente, han aportado muchas sugerencias
de mejora, que agradecemos mucho.
Todos los implicados en el proceso de producción han ayudado con su esfuerzo a ha-
cer de este texto una realidad. Agradecimientos especiales para nuestro editor Jim Smith
que nos convenció de emprender esta tarea y a los editores del proyecto, a Lisa Leung, que
cuidó el manuscrito en la revisión y los procesos de desarrollo y Katie Conley que se en-
cargó del texto, artes y suplementos en la producción.
Revisores
Ludwik Adamowicz Robert Continetti
University of Arizona University of California, San Diego
Daniel Akins Susan Crawford
City College of New York California State University, Sacramento
Peter Armentrout Ernest Davidson
University of Utah University of Washington
Joseph BelBruno H. Floyd Davis
Dartmouth College Cornell University
Eric Bittner Jimmie Doll
University of Houston Brown University
Juliana Boerio-Goates D. James Donaldson
Brigham Young University University of Toronto
Alexandre Brolo Robert Donnelly
University of Victoria Auburn University
Alexander Burin Doug Doren
Tulane University University of Delaware
Laurie Butler Bogdan Dragnea
University of Chicago Indiana University
Ronald Christensen Cecil Dybowski
Bowdoin College University of Delaware
Jeffrey Cina Donald Fitts
University of Oregon University of Pennsylvania
x Revisores
Patrick Fleming Lee Pedersen
San Jose State University University of North Carolina, Chapel Hill
Edward Grant Jacob Petrich
Purdue University Iowa State University
Arthur Halpern Vitaly Rassolov
Indiana State University University of South Carolina
Ian Hamilton David Ritter
Wilfrid Laurier University Southeast Missouri State University
Cynthia Hartzell Peter Rossky
Northern Arizona University University of Texas, Austin
Rigoberto Hernandez Marc Roussel
Georgia Institute of Technology University of Lethbridge
Ming-Ju Huang Ken Rousslang
Jackson State University University of Puget Sound
Ronald Imbihl George Schatz
University of Hannover Northwestern University
George Kaminski Robert Schurko
Central Michigan University University of Windsor
Katherine Kantardjieff Roseanne J. Sension
California State University, Fullerton University of Michigan
Kerry Karukstis Alexa Serfis
Harvey Mudd College Saint Louis University
Neil Kestner Bradley Stone
Louisiana State University San Jose State University
Chul-Hyun Kim Robert Swofford
California State University Hayward Wake Forest University
Keith Kuwata Michael Trenary
Macalester College University of Illinois, Chicago
Kimberly Lawler-Sagarin Carl Trindle
Elmhurst College University of Virginia
Katja Lindenberg Michael Tubergen
University of California, San Diego Kent State University
Lawrence Lohr Tom Tuttle
University of Michigan Brandeis University
John Lowe James Valentini
Penn State University Columbia University
Peter Lykos Carol Venanzi
Illinois Institute of Technology New Jersey Institute of Technology
Peter Macdonald Michael Wagner
University of Toronto, Mississauga George Washington University
David Micha Robert Walker
University of Florida University of Maryland
David Nesbitt Gary Washington
University of Colorado United States Military Academy, West Point
Daniel Neumark Charles Watkins
University of California, Berkeley University of Alabama at Birmingham
Simon North Rand Watson
Texas A&M University Texas A&M University
Maria Pacheco Mark Young
Buffalo State College University of Iowa
Robert Pecora
Stanford University
Resolución de problemas xi
Resolución de problemas
Maria Pacheco
Ludwik Adamowicz
Buffalo State College
University of Arizona
David Ritter
Daniel Akins
Southeast Missouri State University
City College of New York
Marc Roussel
Sergiy Bubin
University of Lethbridge
University of Arizona
Ken Rousslang
Ming-Ju Huang
University of Puget Sound
Jackson State University
Tom Tuttle
George Kaminski
Brandeis University
Central Michigan University
Gary Washington
Benjamin Killian
United States Military Academy, West Point
University of Florida
John Watts
Craig Martens
Jackson State University
University of California, Irvine
Emily Weiss
Matthew Nee
Northwestern University
University of California, Berkeley
Jia Zhou
University of California, Berkeley
Prólogo a la edición en español
Este libro de texto aporta nuevas formas, nuevos planteamientos y nuevas herramientas para
mejorar la educación superior. Los autores han recogido la experiencia, historia y aporta-
ciones significativas de muchas generaciones de químicos. En el mundo actual, las deman-
das de las empresas receptoras de buena parte de los titulados universitarios, hacen patente
la necesidad de una buena formación básica, sobre la cual perfilar posteriormente las nece-
sidades concretas. La innovación, como base de la competitividad, requiere recursos, tam-
bién intelectuales, alcanzables con una sólida formación, donde los aspectos básicos son
imprescindibles. Pero, sin duda, la incidencia de todas estas grandes líneas que inspiran la
educación está en abrir las oportunidades para que los estudiantes se puedan convertir en
protagonistas de la educación.
El mundo educativo universitario enfrenta nuevos retos a los que conviene responder, en todo
caso, mejorando la actual situación e introduciendo elementos que aporten una mayor ga-
rantía de calidad formativa y docente y que permitan a los egresados afrontar los retos que
la sociedad plantea. Evidentemente esto también alcanza a los elementos con los que habi-
tualmente se trabaja y los libros de texto siguen siendo instrumentos imprescindibles para
conseguir una calificación adecuada. Los libros de texto requieren también incorporar no
sólo nuevos conocimientos, sino contenidos que fomenten la reflexión, nuevos enfoques
acordes con las posibilidades actuales de los diferentes tópicos, argumentos sugerentes, pro-
puestas de ejercicios que recojan problemas reales relevantes, propuestas de referencias que
completen conocimientos y la posibilidad de ampliar puntos concretos a discreción del es-
tudiante.
Éste es el interés que ha suscitado en nosotros este texto que tiene en las manos. Como bien
aclaran sus autores, centra su atención en la enseñanza de los conceptos fundamentales y
plantea las ampliaciones en ejercicios adicionales, incluso en apartados suplementarios es-
pecíficos. De esta forma los aspectos básicos quedan garantizados, pero se sugieren líneas
de reflexión o ampliación de conocimientos que pueden escojerse en función de las inquie-
tudes que en cada caso concreto surjan como consecuencia del propio nivel de formación o
de curiosidad. En todo caso, la disciplina Fisicoquímica entra en contacto con el mundo
real de forma permanente con los Problemas Ejemplo y los temas específicos, con una es-
pecial habilidad para conectar las ideas fundamentales con aspectos y aplicaciones que son
familiares, lo que supone un elemento pedagógico y didáctico potente que contribuye a fijar
la atención. Pero ello no es óbice para abordar los aspectos novedosos de las áreas emer-
gentes, que vienen a suponer un elemento de atracción adicional de gran interés, al incorpo-
rar los aspectos excitantes del escenario fisicoquímico actual, en el que adquieren signi-
ficación las conexiones entre las aportaciones de vanguardia y los conceptos básicos que se
van cimentando. Ytodo ello se completa con la posibilidad de practicar y asimilar concep-
tos explorando con simulaciones basadas en la red, en las que mediante la interrogación del
sistema, se puede fomentar su estudio y comprensión, sin la ardua dependencia de las mate-
máticas, que en otros textos menos audaces se convierten en demasiado protagonistas, exce-
diendo su carácter instrumental. Centrar la atención en los aspectos importantes, puede, incluso
servir de acicate para desentrañar el tratamiento, incluso a nivel matemático, pero, en todo
caso sin menoscabo de la asimilación de los conceptos fisicoquímicosinherentes.Las cues-
tiones conceptuales que se plantean al final de cada capítulo contribuyen a fomentar que los
propios estudiantes expresen sus ideas empleando el lenguaje científico, lo que contribuye
a ir configurando la personalidad expresiva fisicoquímica y, al fin, científica. Finalmente
los elementos expresivos potencian la atracción y facilitan la lectura y la comprensión de los
conceptos.
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