Fundamentos de Química Analítica Skoog, West 9na Edición PDF

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SKOOG Fundamentos de química analítica, novena edición, es un libro de texto introductorio diseñado principalmente para cursos de nivel superior. En esta edición se han incluido aplicaciones en los campos de la biología, la medicina, las ciencias de materiales, la ecología, las ciencias forenses y otras áreas relacionadas. El objetivo primordial de este texto es proporcionar un profundo conocimiento sobre los principios químicos que son particularmente importantes para la química analítica. Busca que los estudiantes desarrollen y evalúen la precisión y la exactitud de los datos experimentales. Esta edición incorpora varias características y métodos destinados a mejorar la experiencia de aprendizaje para el alumno y proporciona herramientas versátiles de enseñanza para el profesor. Entre ellas se encuentran:

QUÍMICA SKOOG | WEST

WEST

F UNDAM ENT OS DE

HOLLER CROUCH

• Nivel matemático. Los principios del análisis químico desarrollados en este texto están basados en álgebra superior, pero algunos de los conceptos que se presentan requieren fundamentos de cálculo diferencial e integral.

Novena edición

FUNDA MENT OS DE

• Preguntas y problemas. Un conjunto de preguntas y problemas ha sido incluido al final de la mayoría de los capítulos. Adicional a que las respuestas de cerca de la mitad de los problemas se incluyan al final del libro, ciertos problemas se resuelven mejor con el uso de hojas de cálculo siguiendo las indicaciones del texto.

QUÍMICA

• Operaciones en hojas de cálculo. En el libro se presentan hojas de cálculo para resolver problemas, análisis gráfico y muchas otras aplicaciones. El programa Microsoft Excel® ha sido adoptado como el estándar para realizar estas operaciones, pero las instrucciones pueden adaptarse fácilmente a otros programas que funcionan con base en hojas de cálculo y plataformas.

ANALÍTICA

• Ejemplos elaborados. Un gran número de ejemplos sirven como complemento para comprender los conceptos de la química analítica. Se mantiene la práctica de incluir unidades en los cálculos químicos y de utilizar el método del factor común para comprobar su veracidad. Los ejemplos también son modelos para la resolución de problemas ubicados al final de la mayoría de los capítulos.

ANALÍTICA

• Desafíos. Algunos capítulos incluyen un problema de desafío al final de cada sección de preguntas y problemas. Estos problemas son más difíciles de resolver ya que tienen como propósito que el estudiante investigue y reflexione de manera independiente. • Artículos. Una serie de artículos fueron resaltados a lo largo del del texto, son ensayos que contienen aplicaciones interesantes de la química analítica en el mundo actual, en la derivación de ecuaciones, en las explicaciones de las bases teóricas de los temas más complicados o notas históricas.

Novena edición ISBN-13: 978-6075193779 ISBN-10: 6075193774

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9 786075 193779

F. JAMES HOLLER | STANLEY R. CROUCH

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Fundamentos de química analítica, Novena edición Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler y Stanley R. Crouch Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Fernando Valenzuela Migoya Director Editorial, de Producción y de Plataformas Digitales para Latinoamérica: Ricardo H. Rodríguez Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: Claudia C. Garay Castro Gerente de Manufactura para Latinoamérica: Raúl D. Zendejas Espejel Gerente Editorial en Español para Latinoamérica: Pilar Hernández Santamarina Gerente de Proyectos Especiales: Luciana Rabuffetti Coordinador de Manufactura: Rafael Pérez González Editora: Abril Vega Orozco Diseño de portada: Karla Paola Benítez García Imágenes de portada: ©Andrii Muzyka/Shutterstock ©Wire_man/Shutterstock Composición tipográfica: Mariana Sierra Enríquez

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14

© D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor podrá ser reproducida, trasmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información, a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Fundamentals of Analytical Chemistry. Ninth Edition. Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler and Stanley R. Crouch. Publicado en inglés por Brooks/Cole, una compañía de Cengage Learning ©2014 ISBN: 978-0-495-55828-6 Datos para catalogación bibliográfica: Skoog, Douglas A., Donald M. West, F. James Holler y Stanley R. Crouch. Fundamentos de química analítica. Novena edición. ISBN: 978-607-519-937-6 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

Contenido breve Capítulo 1

Naturaleza de la química analítica

1

PARTE I HERRAMIENTAS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA 14 Capítulo 2 Sustancias químicas, aparatos y operaciones unitarias de la química analítica 15 Capítulo 3 Uso de hojas de cálculo en la química analítica 48 Capítulo 4 Cálculos utilizados en la química analítica 62 Capítulo 5 Errores en el análisis químico 82 Capítulo 6 Errores aleatorios en el análisis químico 93 Capítulo 7 Tratamiento y evaluación estadísticos de los datos 123 Capítulo 8 Muestreo, estandarización y calibración 153 PARTE II EQUILIBRIOS QUÍMICOS196 Capítulo 9 Disoluciones acuosas y equilibrios químicos 197 Capítulo 10 Efecto de los electrolitos sobre el equilibrio químico Capítulo 11 Resolución de problemas sobre el equilibrio para sistemas complejos 249

235

PARTE III MÉTODOS DE ANÁLISIS CLÁSICOS 279 Capítulo 12 Métodos de análisis gravimétricos 280 Capítulo 13 Valoraciones en química analítica 302 Capítulo 14 Principios de las valoraciones de neutralización 322 Capítulo 15 Sistemas complejos ácido/base 348 Capítulo 16 Aplicaciones de las valoraciones de neutralización 381 Capítulo 17 Reacciones y valoraciones complejométricas y de precipitación 400 PARTE IV MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS 441 Capítulo 18 Introducción a la electroquímica 442 Capítulo 19 Aplicaciones de los potenciales de electrodo estándar 473 Capítulo 20 Aplicaciones de las valoraciones de oxidación/reducción 509 Capítulo 21 Potenciometría 535 Capítulo 22 Electrólisis en masa: electrogravimetría y coulombimetría 578 Capítulo 23 Voltametría 610 PARTE V ANÁLISIS ESPECTROQUÍMICO 649 Capítulo 24 Introducción a los métodos espectroquímicos 650 Capítulo 25 Instrumentos de espectrometría óptica 683 Capítulo 26 Espectrometría de absorción molecular 722 Capítulo 27 Espectrometría de fluorescencia molecular 760

v

viCONTENIDO BREVE

Capítulo 28 Capítulo 29

Espectroscopia atómica 773 Espectrometría de masas 802

PARTE VI CINÉTICA Y SEPARACIONES 818 Capítulo 30 Métodos cinéticos de análisis 819 Capítulo 31 Introducción a las separaciones analíticas 847 Capítulo 32 Cromatografía de gases 887 Capítulo 33 Cromatografía líquida de alta resolución 912 Capítulo 34 Métodos de separación diversos 935 PARTE VII ASPECTOS PRÁCTICOS DEL ANÁLISIS QUÍMICO 959 Los siguientes capítulos se encuentran disponibles en línea como documento Adobe Acrobat® pdf en el sitio http://latam.cengage.com/skoog Capítulo 35 Capítulo 36 Capítulo 37 Capítulo 38

Apéndice 1 Apéndice 2 Apéndice 3 Apéndice 4 Apéndice 5 Apéndice 6 Apéndice 7

Análisis de muestras reales 960 Preparación de muestras para el análisis 970 Descomposición y disolución de muestras 976 Métodos seleccionados de análisis 986 Glosario G-1 Bibliografía de química analítica A-1 Constantes de producto de solubilidad a 25 °C A-6 Constantes de disociación de ácidos a 25 °C A-8 Constantes de formación a 25 °C A-10 Potenciales de electrodo estándar y potenciales A-12 Uso de números exponenciales y logaritmos A-15 Cálculos volumétricos utilizando normalidad y peso equivalente A-19 Compuestos recomendados para la preparación de disoluciones estándar de algunos elementos comunes A-27 Deducción de las ecuaciones de propagación de error A-29 Respuestas a preguntas y problemas seleccionados R-34 Índice analítico I-1 Material de apoyo M-1

www.elsolucionario.org Apéndice 8 Apéndice 9

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Contenido detallado Capítulo 1 Naturaleza de la química analítica

1

1A La función de la química analítica 2 1B Métodos analíticos cuantitativos 4 1C El análisis cuantitativo típico 4 1D La función integral del análisis químico: sistemas de control por retroalimentación 9 Artículo 1.1 Muerte de venados: el estudio de un caso que ilustra el uso de la química analítica para resolver un problema de toxicología 10

PARTE IHERRAMIENTAS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA14 Capítulo 2 Sustancias químicas, aparatos y operaciones unitarias de la química analítica 15 2A Selección y manejo de reactivos y de otras sustancias químicas 16 2B Limpieza y rotulado del material de laboratorio 17 2C Evaporación de líquidos 18 2D Medición de la masa 18 2E Equipo y manipulaciones asociadas con la pesada 25 2F Filtración y calcinación de sólidos 28 2G Medición del volumen 34 2H Calibración del material volumétrico 43 2I Libreta de laboratorio 45 2J Seguridad en el laboratorio 46

Capítulo 3 Uso de hojas de cálculo en la química analítica 48 3A Mantenimiento de registros y cálculos 3B Ejemplos más complejos 52

49

Capítulo 4 Cálculos utilizados en la química analítica 62 4A Algunas unidades de medición importantes 62 Artículo 4.1 Unidades de masa unificadas y el mol 65 Artículo 4.2 Método del factor de conversión para el ejemplo 4.2 67 4B Disoluciones y sus concentraciones 67 4C Estequiometría química 75

Capítulo 5 Errores en el análisis químico 82 5A Algunos conceptos importantes 5B Errores sistemáticos 87

84

Capítulo 6 Errores aleatorios en el análisis químico 93 6A Naturaleza de los errores aleatorios

93

Artículo 6.1 Monedas al aire: una actividad que ilustra

una distribución normal 97 6B Tratamiento estadístico de los errores aleatorios 98 Artículo 6.2 Determinación del área bajo la curva de Gauss 101 Artículo 6.3 Importancia del número de grados de libertad 104 Artículo 6.4 Ecuación para calcular la desviación estándar combinada 107 6C Desviación estándar de los resultados calculados 110 6D Presentación de los datos calculados 115

Capítulo 7 Tratamiento y evaluación estadísticos de los datos 123 7A Intervalos de confianza 124 Artículo 7.1 W. S. Gossett (Student) 127 7B Auxiliares estadísticos de las pruebas de hipótesis 7C Análisis de varianza 140 7D Detección de errores brutos 146

129

Capítulo 8 Muestreo, estandarización y calibración 153 8A Muestras y métodos analíticos 153 8B Muestreo 156 8C Manejo automatizado de muestras 164 8D Estandarización y calibración 167 Artículo 8.1 El laboratorio en un chip 168 Artículo 8.2 Un método comparativo para las aflatoxinas 169 Artículo 8.3 Calibración multivariada 180 8E Parámetros de calidad para los métodos analíticos 186

PARTE IIEQUILIBRIOS QUÍMICOS 196 Capítulo 9 Disoluciones acuosas y equilibrios químicos 197 9A Composición química de las disoluciones acuosas 197 9B Equilibrio químico 202 Artículo 9.1 Constantes de formación sucesivas y generales para la formación de iones complejos 205 Artículo 9.2 ¿Por qué [H2O] no aparece en las expresiones de equilibrio químico para disoluciones acuosas? 206 Artículo 9.3 Fuerzas relativas de los pares ácido/base conjugados 212 Artículo 9.4 El método de aproximaciones sucesivas 217 9C Disoluciones amortiguadoras 219 Artículo 9.5 La ecuación de Henderson-Hasselbalch 221 Artículo 9.6 Lluvia ácida y capacidad amortiguadora de los lagos 227

vii

viiiCONTENIDO DETALLADO Capítulo 10 Efecto de los electrolitos sobre el equilibrio químico 235

Capítulo 15 Sistemas ácido/base complejos 348

10A Efecto de los electrolitos sobre el equilibrio químico 235 10B Coeficientes de actividad 239 Artículo 10.1 Coeficientes de actividad media 242

Capítulo 11 Resolución de problemas sobre el equilibrio para sistemas complejos 249 11A Resolución de problemas de equilibrio múltiple mediante un método sistemático 250 11B Cálculos de solubilidad empleando el método sistemático 256 Artículo 11.1 Expresiones algebraicas necesarias para calcular la solubilidad del CaC2O4 en agua 262 11C Separación de iones por medio del control de la concentración del agente precipitante 268 Artículo 11.2 Immunoensayo: equilibrio en la determinación específica de fármacos 272

PARTE III MÉTODOS DE ANÁLISIS

Capítulo 16 Aplicaciones de las valoraciones de neutralización 381

CLÁSICOS279

Capítulo 12 Métodos de análisis gravimétricos 280 12A Precipitación gravimétrica 280 Artículo 12.1 Área de superficie de los coloides 287 12B Cálculo de resultados a partir de datos gravimétricos 12C Aplicaciones de los métodos gravimétricos 294

15A Mezclas de ácidos fuertes y débiles o de bases fuertes y débiles 348 15B Ácidos y bases polifuncionales 352 15C Disoluciones amortiguadoras que involucran ácidos polipróticos 354 15D Cálculo del pH de disoluciones de NaHA 356 15E Curvas de valoración para ácidos polifuncionales 360 Artículo 15.1 La disociación del ácido sulfúrico 368 15F Curvas de valoración para bases polifuncionales 369 15G Curvas de valoración para especies anfóteras 371 Artículo 15.2 Comportamiento ácido/base de los aminoácidos 371 15H Composición de las disoluciones de ácidos polipróticos como función del pH 373 Artículo 15.3 Una expresión general para los valores alfa 374 Artículo 15.4 Diagramas de concentración logarítmica 375

291

Capítulo 13 Valoraciones en química analítica 302 13A Algunos conceptos utilizados en las valoraciones volumétricas 303 13B Disoluciones estándar 305 13C Cálculos volumétricos 306 Artículo 13.1 Otro enfoque al ejemplo 13.6a 311 Artículo 13.2 Redondeando la respuesta del ejemplo 13.7 312 13D Valoraciones gravimétricas 314 13E Curvas de valoración 315 Artículo 13.3 Cálculo de los volúmenes de NaOH mostrados en la primera columna de la tabla 13.1 317

Capítulo 14 Principios de las valoraciones de neutralización 14A Disoluciones e indicadores para valoraciones ácidos/ base 322 14B Valoración de ácidos y bases fuertes 326 Artículo 14.1 Uso de la ecuación de balance de carga para generar las curvas de valoración 328 Artículo 14.2 Cifras significativas en los cálculos de curvas de valoración 331 14C Curvas de valoración para ácidos débiles 332 Artículo 14.3 Determinación de las constantes de disociación de ácidos y bases débiles 334 Artículo 14.4 Método de la ecuación maestra para valoraciones ácido débil/base fuerte 336 14D Curvas de valoración para bases débiles 337 Artículo 14.5 Determinación de los valores de pK para aminoácidos 339 14E Composición de disoluciones durante las valoraciones ácido/ base 341 Artículo 14.6 Identificación de los puntos finales de la valoración a partir de mediciones de pH 342

16A Reactivos para las valoraciones de neutralización 382 16B Aplicaciones típicas de las valoraciones de neutralización 387 Artículo 16.1 Determinación de proteínas totales del suero 388 Artículo 16.2 Otros métodos para determinar nitrógeno orgánico 388 Artículo 16.3 Masas equivalentes de ácidos y bases 394

Capítulo 17 Reacciones y valoraciones complejométricas y de precipitación 400 17A Formación de complejos 400 Artículo 17.1 Cálculo de valores alfa para complejos metálicos 403 17B Valoraciones con agentes inorgánicos complejométricos 406 Artículo 17.2 Determinación de cianuro de hidrógeno en desagües de plantas de acrilonitrilo 407 17C Agentes orgánicos complejométricos 413 17D Valoraciones con ácidos aminocarboxílicos 414 Artículo 17.3 Especies presentes en una disolución de edta 415 Artículo 17.4 edta como conservador 418 Artículo 17.5 Curvas de valoración con edta en presencia de un agente complejante 428 Artículo 17.6 Aumento de la selectividad de las valoraciones con edta utilizando agentes enmascarantes y desenmascarantes 435 Artículo 17.7 Equipos de prueba para evaluar la dureza del agua 436

MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS441

PARTE IV

Capítulo 18 Introducción a la electroquímica 442 18A Caracterización de reacciones de oxidación/reducción Artículo 18.1 Balanceo de ecuaciones redox 444 18B Celdas electroquímicas 446 Artículo 18.2 La celda de gravedad de Daniell 450 18C Potenciales de electrodo 451 Artículo 18.3 Por qué no se pueden medir potenciales de electrodo absolutos 456

442

CONTENIDO DETALLADOix

Artículo 18.4 Convenciones de signos en la literatura antigua Artículo 18.5 ¿Por qué existen dos potenciales de electrodo

para Br2 en la tabla 18.1?

464

466

Capítulo 19 Aplicaciones de los potenciales de electrodos estándar 473

19A Cálculo de los potenciales de celdas electroquímicas 473 19B Determinación experimental de potenciales estándar 480 Artículo 19.1 Sistemas biológicos redox 482 19C Cálculo de las constantes de equilibrio redox 482 Artículo 19.2 Expresión general para calcular constantes de equilibrio a partir de potenciales estándar 487 19D Construcción de curvas de valoración redox 488 Artículo 19.3 Método de la ecuación maestra inversa para curvas de valoración redox 497 Artículo 19.4 Velocidades de reacción y potenciales de electrodo 502 19E Indicadores de oxidación/reducción 502 19F Puntos finales potenciométricos 505

Capítulo 20 Aplicaciones de las valoraciones de oxidación/ reducción 509 20A Reactivos oxidantes y reductores auxiliares 509 20B Aplicación de agentes reductores estándar 511 20C Aplicación de agentes oxidantes estándar 515 Artículo 20.1 Determinación de especies químicas de cromo en muestras de agua 517 Artículo 20.2 Antioxidantes 522

Capítulo 21 Potenciometría 535 21A Principios generales 536 21B Electrodos de referencia 537 21C Potenciales de unión líquida 539 21D Electrodos indicadores 540 Artículo 21.1 Un electrodo de membrana líquida selectiva ion selectivo fácil de construir 552 Artículo 21.2 Estructura y desempeño de los transistores de efecto de campo sensibles a iones 554 Artículo 21.3 Pruebas clínicas de cabecera: gases y electrolitos en sangre con instrumentación portátil 558 21E Instrumentos para medir el potencial de celda 560 Artículo 21.4 Error de carga en las mediciones de potencial 560 Artículo 21.5 Mediciones de voltaje con amplificador operacional 562 21F Potenciometría directa 563 21G Valoraciones potenciométricas 569 21H Determinación potenciométrica de constantes de equilibrio 573

Capítulo 22 Electrólisis en masa: electrogravimetría y coulombimetría 578

22A El efecto de la corriente eléctrica sobre los potenciales de celda 579 Artículo 22.1 El sobrevoltaje y la batería de plomo/ácido 586 22B Selectividad de los métodos electrolíticos 586 22C Métodos electrogravimétricos 588 22D Métodos coulombimétricos 594 Artículo 22.2 Valoración coulombimétrica de cloruro en fluidos biológicos 603

Capítulo 23 Voltametría 610

23A Señales de excitación en voltametría 611 23B Instrumentación voltamétrica 612...