Fundamentos de quimica - Chang PDF

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www.FreeLibros.me 1 18 1A 8A 1 10 Número atómico 2 H Ne He Hidrógeno 2 Neón 13 14 15 16 17 Helio 1.008 2A 20.18 Masa atómica 3A 4A 5A 6A 7A 4.003 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne Litio Berilio Boro Carbono Nitrógeno Oxígeno Flúor Neón 6.941 9.012 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18 11 12 13 14 15...

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18 8A

1 1A

Hidrógeno 1.008

3

Li

Número atómico

10

1

H

Ne

2 2A

Neón

2

13 3A

Masa atómica

20.18

4

5

Be

B

14 4A 6

C

15 5A 7

N

16 6A 8

O

17 7A 9

20.18

Berilio

Boro

Carbono

Nitrógeno

Oxígeno

Flúor

9.012

10.81

12.01

14.01

16.00

19.00

13

14

15

16

12

Mg

Sodio

Magnesio

22.99

24.31

19

3 3B

20

21

4 4B

5 5B

22

23

24

25

8 26

Ca Calcio

Escandio

Titanio

Vanadio

Cromo

Manganeso

Hierro

39.10

40.08

44.96

47.88

50.94

52.00

54.94

55.85

38

39

Potasio

37

Rb

Y

Sr

40

Zr

V

41

Nb

Cr

7 7B

K

Sc

Ti

6 6B

42

Mo

Mn

43

Tc

Fe

44

9 8B 27

10 28

Bromo

Criptón 83.80

52

53

45

46

Hafnio

89

104

87

88

Renio

Osmio

183.9

186.2

190.2

105

106

107

Db

Indio

Estaño

Antimonio

Telurio

Yodo

Xenón

118.7

121.8

127.6

126.9

131.3

79

Platino

Oro

Mercurio

Talio

Plomo

Bismuto

197.0

200.6

204.4

207.2

209.0

108

109

110

111

112

113

114

115

Rutherfordio

Dubnio

Seaborgio

Bohrio

Hassio

Meitnerio

Darmstadtio

Roentgenio

(257)

(260)

(263)

(262)

(265)

(266)

(269)

(272)

Metaloides

Hs

61

Pm

Mt

62

Sm

Ds

63

Eu

Rg

64

Gd

65

Tb

66

Dy

67

91

92

Torio

Protactinio

Uranio

Neptunio

232.0

(231)

238.0

(237)

97

Plutonio

Americio

Curio

Berkelio

(242)

(243)

(247)

(247)

98

71

103

164.9

Bk

70

102

Holmio

162.5

96

69

101

Disprosio

158.9

Cm

118

Lutecio

Terbio

157.3

95

(117)

175.0

Gadolinio

152.0

Am

116

Radón

Iterbio

Europio

150.4

94

(222)

173.0

Samario

(147)

Pu

Astato (210)

168.9

Promecio

144.2

93

Polonio (210)

167.3

Neodimio

Np

86

Rn

Yb

140.9

U

85

At

Tm

Praseodimio

Pa

68

84

Po

Er

Cerio

Th

Bi

Te

Ho

140.1

90

No metales

60

83

195.1

Actinio

Nd

82

Pb

Sb

Iridio

(227)

59

81

Tl

Sn

192.2

Radio

Pr

80

Hg

In

Au

(226)

58

Bh

78

Cd

Pt

(223)

Ce

Sg

54

Xe

114.8

Ra

Metales

Rf

Tungsteno

I

Cadmio

Fr

Francio

Ac

Tántalo 180.9

51

112.4

77

178.5

50

Plata

76

Lantano

49

107.9

Paladio 106.4

138.9

48

Ag

Rodio

Ir

47

Zinc

Pd

102.9

Bario

36

Kr

79.90

Rutenio

137.3

35

Br

Selenio

101.1

Cesio

34

78.96

Cobre

Ge

As

Se

74.92

(98)

132.9

33

Arsénico

Tecnecio

Os

32

72.59

95.94

75

31

Germanio

Rh

Re

39.95

Galio

Molibdeno

74

Argón

35.45

69.72

Ru

W

Cloro

32.07

65.39

Niobio

73

Azufre

30.97

63.55

92.91

Ta

Fósforo

28.09

Níquel

Zirconio

72

Silicio

26.98

58.69

91.22

Hf

Aluminio

Cobalto

Itrio

57

18

Ar

58.93

88.91

La

17

Cl

Ga

87.62

56

S

Zn

Estroncio

Ba

30

P

Cu

Rubidio

55

29

12 2B

Si

Neón

Ni

Co

85.47

Cs

11 1B

Al

10

Ne

Litio

11

Helio

4.003

F

6.941

Na

He

99

Erbio

100

Tulio

Californio

Es

Einsteinio

Fm Fermio

Mendelevio

Nobelio

Laurencio

(249)

(254)

(253)

(256)

(254)

(257)

Cf

Md

Lu

No

Lr

La designación del grupo 1-18 ha sido recomendada por la International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) pero aún no está en uso. En este texto se usa la notación estadounidense estándar para los grupos (1A-8A y 1B-8B). No se han asignado nombres para los elementos 112-116 y 118. El elemento 117 todavía no se ha sintetizado.

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Lista de elementos con sus símbolos y masas atómicas*

Elemento

Símbolo

Número atómico

Actinio Aluminio Americio Antimonio Argón Arsénico Astato Azufre Bario Berilio Berkelio Bismuto Bohrio Boro Bromo Cadmio Calcio Californio Carbono Cerio Cesio Cloro Cobalto Cobre Criptón Cromo Curio Darmstadtio Disprosio Dubnio Einstenio Erbio Escandio Estaño Estroncio Europio Fermio Flúor Fósforo Francio Gadolinio Galio Germanio Hafnio Hassio Helio Hidrógeno Hierro Holmio Indio Iridio Iterbio Itrio Lantano Laurencio Litio

Ac Al Am Sb Ar As At S Ba Be Bk Bi Bh B Br Cd Ca Cf C Ce Cs Cl Co Cu Kr Cr Cm Ds Dy Db Es Er Sc Sn Sr Eu Fm F P Fr Gd Ga Ge Hf Hs He H Fe Ho In Ir Yb Y La Lr Li

89 13 95 51 18 33 85 16 56 4 97 83 107 5 35 48 20 98 6 58 55 17 27 29 36 24 96 110 66 105 99 68 21 50 38 63 100 9 15 87 64 31 32 72 108 2 1 26 67 49 77 70 39 57 103 3

Masa atómica** (227) 26.98 (243) 121.8 39.95 74.92 (210) 32.07 137.3 9.012 (247) 209.0 (262) 10.81 79.90 112.4 40.08 (249) 12.01 140.1 132.9 35.45 58.93 63.55 83.80 52.00 (247) (269) 162.5 (260) (254) 167.3 44.96 118.7 87.62 152.0 (253) 19.00 30.97 (223) 157.3 69.72 72.59 178.5 (265) 4.003 1.008 55.85 164.9 114.8 192.2 173.0 88.91 138.9 (257) 6.941

Elemento

Símbolo

Número atómico

Lutecio Magnesio Manganeso Meitnerio Mendelevio Mercurio Molibdeno Neodimio Neón Neptunio Niobio Níquel Nitrógeno Nobelio Oro Osmio Oxígeno Paladio Plata Platino Plomo Plutonio Polonio Potasio Praseodimio Proactinio Prometio Radio Radón Renio Rodio Roentgenio Rubidio Rutenio Ruterfordio Samario Seaborgio Selenio Silicio Sodio Talio Tántalo Tecnecio Telurio Terbio Titanio Torio Tulio Tungsteno Uranio Vanadio Xenón Yodo Zinc Zirconio

Lu Mg Mn Mt Md Hg Mo Nd Ne Np Nb Ni N No Au Os O Pd Ag Pt Pb Pu Po K Pr Pa Pm Ra Rn Re Rh Rg Rb Ru Rf Sm Sg Se Si Na Tl Ta Tc Te Tb Ti Th Tm W U V Xe I Zn Zr

71 12 25 109 101 80 42 60 10 93 41 28 7 102 79 76 8 46 47 78 82 94 84 19 59 91 61 88 86 75 45 111 37 44 104 62 106 34 14 11 81 73 43 52 65 22 90 69 74 92 23 54 53 30 40

Masa atómica** 175.0 24.31 54.94 (266) (256) 200.6 95.94 144.2 20.18 (237) 92.91 58.69 14.01 (253) 197.0 190.2 16.00 106.4 107.9 195.1 207.2 (242) (210) 39.10 140.9 (231) (147) (226) (222) 186.2 102.9 (272) 85.47 101.1 (257) 150.4 (263) 78.96 28.09 22.99 204.4 180.9 (99) 127.6 158.9 47.88 232.0 168.9 183.9 238.0 50.94 131.3 126.9 65.39 91.22

*Todas las masas atómicas tienen cuatro cifras signiicativas. Estos valores son los que recomienda el Comité para la Enseñanza de la Química de la International Union of Pure and Applied Chemistry. **Los valores aproximados de las masas atómicas se señalan entre paréntesis.

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Constantes fundamentales Número de Avogadro

6.0221415 3 1023

Carga electrónica (e)

1.60217653 3 10219 C

Masa electrónica

9.1093826 3 10228 g

Constante de Faraday (F)

96 485.3383 C/mol e2

Constante de los gases (R)

8.314472 J/K ? mol (0.082057 L ? atm/K ? mol)

Masa de neutrones

1.67492728 3 10224 g

Constante de Planck (h)

6.6260693 3 10234 J ? s

Masa de protón

1.672621 3 10224 g

Constante de Rydberg (RH)

2.179872 3 1028 J

Velocidad de la luz en el vacío

2.99792458 3 108 m/s

Factores de conversión útiles y relaciones 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

lb 5 453.6 g gal 5 3.785 L 5 4 quarts in 5 2.54 cm (exactamente) mi 5 1.609 km km 5 0.6215 mi pm 5 1 3 10212 m 5 1 3 10210 cm atm 5 760 mmHg 5 760 torr 5 101 325 N/m2 5 101 325 Pa cal 5 4.184 J (exactamente) L atm 5 101.325 J J51C31V

? °C 5 (°F 2 32°F ) 3 ? °F 5

5°C 9°F

9°F 3 (°C) 1 32°F 5°C

? K 5 ( °C 1 273.15 °C)

1  K 1°C

Algunos prefijos utilizados con unidades SI tera (T)

1012 9

centi (c)

1 0 22

giga (G)

10

mili (m)

1 0 23

mega (M)

106

micro (m)

1 0 26

3

kilo (k)

10

nano (n)

1 0 29

deci (d)

1021

pico (p)

10212

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FUNDAME NT OS DE QUÍMICA

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FUNDAMENTOS DE QUÍMICA Raymond Chang Williams College

Adaptación

Pedro Ibarra Escutia Instituto Tecnológico de Toluca

Revisión técnica

Isaías de la Rosa Gómez Instituto Tecnológico de Toluca

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig V. Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Erika Jasso Hernán D’Borneville

FUNDAMENTOS DE QUÍMICA Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2011 respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Ediicio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN: 978-607-15-0541-5

Adaptado de la décima edición de: Química de Raymond Chang. © 2010 McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de C.V. ISBN: 978-607-15-0307-7

1234567890

1098765432101

Impreso en México

Printed in Mexico

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ACERCA DEL AUTOR

Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London University, en Inglaterra y se doctoró en química en la Yale University. Después de realizar su investigación posdoctoral en Washington University y enseñar durante un año en el Hunter College de la City University of New York, se unió al Departamento de Química en Williams College, donde ha enseñado desde 1968. El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society Examination Committee, el National Chemistry Olympiad Examination Committee y el Graduate Record Examinations (GRE) Committee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. Chang ha escrito libros sobre isicoquímica, química industrial y ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de literatura juvenil. Para relajarse, el doctor Chang cultiva un jardín selvático, juega tenis, ping-pong, toca la armónica y practica el violín.

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xviii

Prólogo del adaptador Prefacio xix Nota al estudiante xxiv

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Química. El estudio del cambio 1 Átomos, moléculas y iones 15 Relaciones de masa en las reacciones químicas Reacciones en disolución acuosa

51

91

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos

131

Relaciones periódicas entre los elementos 177 Enlace químico I: Conceptos básicos 217 Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 253 Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 303 Equilibrio químico 325 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 361 Electroquímica

403

Metalurgia y la química de los metales Química orgánica

Apéndice Apéndice Apéndice Apéndice

1 2 3 4

415

439

Derivación de los nombres de los elementos A-1 Unidades para la constante de los gases

A-7

Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8 Operaciones matemáticas

A-13

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Prólogo del adaptador xviii Prefacio xix Nota al estudiante xxiv

Química. El estudio del cambio 1 1.1

Química: una ciencia para el siglo xxi 2 QUÍMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big Bang 5

1.2 1.3 1.4

Clasiicación de la materia 6 Los tres estados de la materia 9 Propiedades físicas y químicas de la materia 10 Desarrollo de competencias 11 Problemas especiales 12 MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios 12

Átomos, moléculas y iones 15 2.1 2.2 2.3 2.4

Teoría atómica 16 Estructura del átomo 17 Número atómico, número de masa e isótopos 23 La tabla periódica 25 QUÍMICA en acción Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 26

2.5 2.6 2.7 2.8

Moléculas y iones 27 Fórmulas químicas 29 Nomenclatura de los compuestos 33 Introducción a los compuestos orgánicos 42 Ecuaciones básicas 44 Resumen de conceptos 44 Desarrollo de competencias 44 Problemas especiales 49 Respuestas a los ejercicios de práctica 50

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xii

Contenido

Relaciones de masa en las reacciones químicas 51 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Masa atómica 52 Número de Avogadro y masa molar de un elemento 53 Masa molecular 57 Espectrómetro de masas 60 Composición porcentual de los compuestos 60 Determinación experimental de fórmulas empíricas 64 Reacciones químicas y ecuaciones químicas 66 Cantidades de reactivos y productos 71 Reactivo limitante 75 Rendimiento de reacción 78 QUÍMICA en acción Fertilizantes químicos 80 Ecuaciones básicas 81 Resumen de conceptos 81 Desarrollo de competencias 81 Problemas especiales 90 Respuestas a los ejercicios de práctica 90

Reacciones en disolución acuosa 91 4.1 4.2

Propiedades generales de las disoluciones acuosas 92 Reacciones de precipitación 94 QUÍMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable 99

4.3 4.4

Reacciones ácido-base 99 Reacciones de oxidación-reducción 105 QUÍMICA en acción Alcoholímetro 116

4.5

Concentración de las disoluciones 117 QUÍMICA en acción Metal proveniente del mar 121 Ecuaciones básicas 122 Resumen de conceptos 122 Términos básicos 122 Desarrollo de competencias 123 Problemas especiales 128 Respuestas a los ejercicios de práctica 129 MISTERIO de la química ¿Quién asesinó a Napoleón? 129

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Contenido

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 131 5.1 5.2 5.3

De la física clásica a la teoría cuántica 132 El efecto fotoeléctrico 136 Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 138 QUÍMICA en acción Láser: la luz esplendorosa 144

5.4

La naturaleza dual del electrón 144 QUÍMICA en acción Microscopia electrónica 148

5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Mecánica cuántica 149 Números cuánti...