Química General -Petrucci 10ma Edición PDF

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Química General QUÍMICA GENERAL Principios y aplicaciones modernas DÉCIMA EDICIÓN QUIMICA GENERAL Principios y aplicaciones modernas DÉCIMA EDICIÓN Ralph H. Petrucci California State University, San Bernardino F. Geoffrey Herring University o f British Columbio Jeffry D. Madura Duquesne University C...

Description

Química General

QUÍMICA GENERAL Principios y aplicaciones modernas DÉCIMA EDICIÓN

QUIMICA GENERAL Principios y aplicaciones modernas DÉCIMA EDICIÓN

Ralph H. Petrucci California State University, San Bernardino

F. Geoffrey Herring University o f British Columbio

Jeffry D. Madura Duquesne University

Carey Bissonnette University o f Waterloo

Traducción: Concepción Pando García-Pumarino Nerea Iza Cabo Universidad Complutense de Madrid

Revisión Técnica: Juan A . Rodríguez Renuncio Universidad Complutense de Madrid

Prentice Hall es un sello editorial de PEARSO N Harlow, England • London • New York • Boston • San Francisco • Toronto • Sydney • Singapore • Hong Kong Tokyo • Seoul • Taipei • New Delhi • Cape Town • Madrid • Mexico City • Amsterdam • Munich • Paris • Milan

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C b to sd e catalo g ación bibliográfica

Ralph H. Petrucci, F. Geoffrey Herring, Jeffry D. Madura y Carey Bissonnette Química General. Décima edición PEARSON EDUCACIÓN, S. A., Madrid, 2011 ISBN: 978-84-8322-680-3 Materia: 54, Química Formato: 215 X 270 mm

Páginas: 1432

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DERECHOS RESERVADOS © 2011, PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (España) ISBN: 978-84-8322-680-3

Authorized translation from the Enflish language edition, entitled GENERAL CHEMISTRY: PRINCIPLES AND MODERN APPLICATIONS, 10* Edition by RALPH PETRUCCI; F. HERRING; JEFFRY MADURA; CAREY BISSONNETTE, published by Pearson Education Canada, Inc, Copyright © 2011 All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any from or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. SPANISH language edition published by PEARSON EDUCACION, S.A., Copyright © 2011 Depósito Legal: Equipo editorial: Editor: Miguel Martín-Romo Técnico editorial: Esther Martín Equipo de producción: Director: José A. Clares Técnico: Irene Iriarte Diseño de cubierta:COPIBOOK, S.L. Fotografía cubierta: Foto lía Composición: COPIBOOK, S. L. Impreso pon

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Prefacio a la versión española De nuevo presentamos la traducción de esta obra, gracias a la excelente disposición del grupo editorial Pearson Educación, cuyo editor en España, D. Miguel Martín Romo no ha dudado en acometer la tarea de incluir en su catálogo en español esta décima edi­ ción de la Química General de Petrucci, Herring, Madura y Bissonnette. El libro ha mejorado su presentación y sus contenidos han sido ampliados y actualizados. Nosotros hemos disfrutado con el trabajo de traducción de esta excelente obra y nos hemos esmerado en la nueva versión española. En esta ocasión, hemos tenido la oportunidad de com­ partir comentarios y opiniones sobre el texto con un nutrido grupo de profesores de Química de diversas universidades iberoamericanas, participantes en la XV Olimpiada Iberoamericana de Química, celebrada en México en octubre de 2010. La colaboración y entusiasmo de todos ellos ha sido un verdadero estímulo para seguir trabajando y pro­ moviendo la Química, cuidando, con la ayuda de esta obra, su imagen, su enseñanza, su presentación y su papel imprescindible en la sociedad. Nuestro más sincero agradeci­ miento a los profesores: Dr. Oscar Várela, Profesor Titular Plenario de la Facultad de Ciencias Exactas y Natu­ rales de la Universidad de Buenos Aires (Argentina). Dra. Stella M. Fórmica, Profesora de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Natura­ les de Córdoba (Argentina). Dr. Leonardo Guzmán Alegría, Profesor Emérito de Fisicoquímica de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales de la Universidad Mayor de San Andrés, La Paz (Bolivia). Dr. José Luis Vila Castro, Profesor del Área de Química Analítica de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales de la Universidad Mayor de San Andrés, La Paz (Bolivia). Dr. Juan Vargas Marín, Profesor de la Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación (Chile). Dra. Elia Soto Sanhueza, Profesora de la Universidad Arturo Prat de Santiago (Chile). De Dagoberto Cáceres Rojas, Profesor Honorario de la Universidad Nacional de Colombia. Dr. José Muñoz Castillo, Profesor Honorario de la Universidad Nacional de Colombia. Dr. Randall Syedd León, Profesor de la Cátedra de Fisicoquímica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad Nacional (Costa Rica) M Se. Heilen Arce Rojas, Profesor de la Universidad de Costa Rica. Ph. D. Cristian Saúl Campos Fernández, Profesor de la Universidad de Costa Rica. Dra. Nilda Delgado Yanes, Profesora Auxiliar de la Universidad Pedagógica de La Habana (Cuba). Dr. Arturo Panameño Castro, Profesor de la Escuela de Química de la Universidad de El Salvador. Dra. María Antonia Dosal Gómez, Profesor Titular de Química Analítica de la Facul­ tad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Dr. Ramiro Eugenio Domínguez Danache, Profesor Titular de Fisicoquímica de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Dr. José Manuel Méndez Stivalet, Profesor Titular de Química Orgánica de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Dr. José Camacho Gutiérrez, Profesor de la Universidad Simón Bolivar de Venezuela. Dra. Amalia Torrealba Sanoja, Presidenta de la Asociación Venezolana de Olimpiadas de Química (AVOQUIM).

Resumen del Contenido 1 Las propiedades de la materia y su medida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12 13 14 15 16 17 18 19 20

21 22 23 24 25 26 27 28

Los átomos y la teoría atómica 34 Compuestos químicos 68 Las reacciones químicas 111 Introducción a las reacciones en disolución acuosa 151 Gases 192 Termoquímica 241 Los electrones en los átomos 294 La Tabla Periódica y algunas propiedades atómicas 360 Enlace químico I. Conceptos básicos 395 Enlace químico II. Aspectos adicionales 449 Fuerzas intermoleculares: líquidos y sólidos 498 Las disoluciones y sus propiedades físicas 557 Cinética química 602 Principios del equilibrio químico 665 Ácidos y bases 697 Otros aspectos de los equilibrios áddo-base 745 Solubilidad y equilibrios de iones complejos 784 Espontaneidad. Entropía y energía Gibbs 819 Electroquímica 863 Química de los elementos de los grupos principales I: Grupos 1, 2,13 y 14 917 Química de los elementos de los grupos principales II: Grupos 18,17, 16,15 e hidrógeno Elementos de transición 1031 Iones complejos y compuestos de coordinación 1069 Química nuclear 1111 Estructura de los compuestos orgánicos 1147 Reacciones de los compuestos orgánicos 1208 Química de los seres vivos 1266

A P ÉN D IC ES A. B. C. D. E. F. G.

Operaciones matemáticas A l Conceptos físicos básicos A ll Unidades SI A15 Tablas de datos A17 Mapas conceptuales A37 Glosario A39 Respuestas a las Evaluaciones de conceptos

A55

976

Contenido Sobre los autores xiv Prefacio xv

1

Las propiedades de la materia y su medida

1.1 1.2 13 1.4 1.5

El método científico 2 Propiedades de la materia 4 Clasificación de la materia 5 Medida de las propiedades de la materia. Unidades SI 8 La densidad y la composición porcentual y su utilización en la resolución de problem as 13 La incertidum bre en las m edidas científicas 18 Cifras significativas 19 Resumen 23 Ejemplo de recapitulación 24 Ejercicios 26 Ejercicios avanzados y de recapitulación 29 Problemas de seminario 31 Ejercicios de autoevaluación 32

1.6 1.7

1

2

Los átomos y la teoría atómica

34

2.1 22 23 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Los prim eros descubrimientos quím icos y la teoría atómica 35 Los electrons y otros descubrimientos de la física atómica 38 El átomo nuclear 42 Los elem entos químicos 44 M asas atóm icas 48 Introducción a la tabla periódica 51 El concepto de m ol y la constante de Avogadro 54 Utilización del concepto de m ol en los cálculos 56 Resumen 59 Ejemplo de recapitulación 59 Ejercicios 6 0 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 65 Ejercicios de autoevaluación 66

64

3

Compuestos químicos

68

3.1 32 33 3.4 3.5 3.6 3.7

Tipos de compuestos y sus fórmulas 69 El concepto de m ol y los com puestos quím icos 73 Composición de los com puestos quím icos 76 Estados de oxidación: otra herramienta para describir los com puestos quím icos Nomenclatura de los compuestos orgánicos e inorgánicos 86 Nombres y fórmulas de los compuestos inorgánicos 87 Nombres y fórmulas de los com puestos orgánicos 94 Resumen 100 Ejemplo de recapitulación 101 Ejercicios 103 Ejercicios avanzados y de recapitulación 107 Problemas de seminario 108 Ejercicios de autoevaluación 110

4

Las reacciones químicas

4.1 42 43 4.4 4.5

Las reacciones químicas y la ecuación química 112 La ecuación química y la estequiometría 116 Las reacciones químicas en disolución 123 Determinación del reactivo limitante 129 Otros aspectos prácticos de la estequiometría de la reacción Resumen 138 Ejemplo de recapitulación 139 Ejercicios 140 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 148 Ejercicios de autoevaluación 149

84

111

148 IX

X

Contenido

5

Introducción a las reacciones en disolución acuosa

5.1 52. 53 5.4 5.5 5.6 5.7

Naturaleza de las disoluciones acuosas 152 Reacciones de precipitación 156 Reacciones ácido-base 160 Principios generales de la oxidadón-reducdón 165 Ajuste de reacciones de oxidación-reducción 170 Agentes oxidantes y reductores 175 Estequiometría de las reacciones en disolución acuosa y valoraciones 177 Resumen 181 Ejemplo de recapitulación 182 Ejercicios 183 Ejercicios avanzados y de recapitulación 187 Problemas de seminario 189 Ejercicios de autoevaluación 191

6

Gases

6.1 6.2 63

Propiedades de los gases: presión del gas 193 Las leyes elem entales de los gases 198 Combinación de las leyes de los gases: ecuación del gas ideal y ecuación general de los gases 204 Aplicaciones de la ecuación del gas ideal 207 Los gases en las reacciones químicas 210 Mezclas de gases 212 Teoría dnetico-m olecular de los gases 216 Propiedades de los gases en la teoría dnetico-m olecular 223 Gases no ideales (reales) 226 Resumen 229 Ejemplo de recapitulación 230 Ejercicios 231 Ejercicios avanzados y de recapitulación 236 Problemas de seminario 238 Ejercicios de autoevaluación 240

6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9

192

7

Termoquímica

7.1 7.2 73 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

Térm inos básicos en termoquímica 242 Calor 244 Calores de reacdón y calorimetría 248 Trabajo 252 El prim er prindpio de la termodinámica 255 Calores de reacdón: AU y AH 259 Determ inadón indirecta de AH : ley de H ess 266 Entalpias de form ación estándar 268 Los combustibles com o fuentes de energía 275 Resumen 281 Ejemplo de recapitulación 282 Ejercicios 283 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 291 Ejercicios de autoevaluación 292

8 8.1 8.2 83 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10

151

241

Los electrones en los átomos

289

294

Radiadón electromagnética 295 Espectros atóm icos 300 Teoría cuántica 302 El átomo d e Bohr 307 Dos ideas que condujeron a la mecánica cuántica 313 Mecánica ondulatoria 317 N úm eros cuánticos y orbitales de los electrones 324 Interpretadón y representadón de los orbitales del átomo de hidrógeno Espín del electrón. Un cuarto núm ero cuántico 333 Átomos multielectrónicos 336

327

Contenido

8.11 8.12

Configuraciones electrónicas 339 Configuraciones electrónicas y la tabla periódica 344 Resumen 348 Ejemplo de recapitulación 349 Ejercicios 351 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 358 Ejercicios de autoevaluación 359

9

La Tabla Periódica y algunas propiedades atómicas

9.1 9 2. 93 9.4 9.5 9.6 9.7

Clasificación de los elementos. La ley periódica y la tabla periódica 361 M etales, no m etales y sus iones 364 El tamaño d e los átomos y los iones 367 Energía de ionización 374 Afinidad electrónica 378 Propiedades m agnéticas 379 Propiedades periódicas de los elem entos 381 Resumen 386 Ejemplo de recapitulación 386 Ejercicios 389 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 392 Ejercicios de autoevaluación 393

10

Enlace químico I. Conceptos básicos

10.1 10.2 103 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9

Visión general de la teoría de Lewis 3 % Introducción al enlace covalente 399 Enlaces covalentes polares y m apas de potencial electrostático 402 Escritura de las estructuras de Lewis 408 Resonancia 416 Excepciones a la regla del octeto 418 La forma d e las m oléculas 421 Orden de enlace y longitud de enlace 433 Energías de enlace 434 Resumen 438 Ejemplo de recapitulación 43 9 Ejercicios 440 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 447 Ejercicios de autoevaluación 448

357

360

391

395

446

11

Enlace químico II. Aspectos adicionales

449

11.1 11.2 113 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8

Objetivo de una teoría de enlace 450 Introducción al método de enlace de valencia 451 Hibridación de orbitales atómicos 453 Enlaces covalentes m últiples 461 Teoría de orbitales moleculares 465 Electrones deslocalizados. El enlace en la molécula de benceno 474 El enlace en los m etales 480 Algunos temas sin resolver: ¿Pueden ayudar las representaciones de densidad de carga? 484 Resumen 489 Ejemplo de recapitulación 489 Ejercicios 491 Ejercicios avanzados y de recapitulación 49 4 Problemas de seminario 495 Ejercicios de autoevaluación 497

12

Fuerzas intermoleculares: líquidos y sólidos

12.1 12.2 123 12.4 12.5

Fuerzas intermoleculares 499 Algunas propiedades de los líquidos 508 Algunas propiedades de los sólidos 520 Diagramas de fases 522 Sólidos de red covalente y sólidos iónicos 526

498

XI

X II

Contenido

12.6 12.7

Estructuras cristalinas 530 Cambios de energía en la formación de cristales iónicos 542 Resumen 545 Ejemplo de recapitulación 546 Ejercicios 547 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 554 Ejercicios de autoevaluación 556

13

Las disoluciones y sus propiedades físicas

13.1 13.2 133 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8

Tipos de disoluciones. Térm inos utilizados 558 Concentración de una disolución 558 Fuerzas intermoleculares y procesos de disolución 562 Formación de la disolución y equilibrio 567 Solubilidad de los gases 570 Presión de vapor de las disoluciones 573 Presión osmótica 577 Descenso del punto de congelación y elevación del punto de ebullición de las disoluciones de no electrolitos 581 Disoluciones de electrolitos 584 Mezclas coloidales 587 Resumen 590 Ejemplo de recapitulación 591 Ejercicios 592 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 599 Ejercicios de autoevaluación 600

13.9 13.10

557

14

Cinética química

14.1 14.2 143

La velocidad de una reacción química 603 Medida de velocidades de reacción 605 Dependencia de las velocidades de reacción con la concentración. Ecuación de velocidad 608 Reacciones de orden cero 611 Reacciones de prim er orden 612 Reacciones de segundo orden 619 Resumen de la cinética de reacción 620 Modelos teóricos de la cinética química 622 Dependencia de las velocidades de reacción con la temperatura 626 M ecanismos de reacción 629 Catálisis 637 Resumen 642 Ejemplo de recapitulación 643 Ejercicios 645 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 652 Ejercicios de autoevaluación 654

14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 14.11

597

602

15

Principios del equilibrio químico

15.1 15.2 153 15.4 15.5 15.6

Equilibrio dinám ico 656 Expresión de la constante de equilibrio 656 Relaciones entre las constantes de equilibrio 663 Significado del valor numérico de una constante de equilibrio 669 El cociente de reacdón, Q: predicdón del sentido del cambio neto 670 Modificación de la condidones de equilibrio. Principio de Le Chátelier 673 Cálculos de equilibrios. Ejemplos ilustrativos 679 Resumen 686 Ejemplo de recapitulación 686 Ejercicios 688 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 694 Ejercicios de autoevaluación 695

15.7

552

65 0

655

693

Contenido

16

Ácidos y bases

697

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9

Breve revisión de la teoría de Arrhenius 698 Teoría de áddos y bases de Bronsted-Lowry 698 La autodisodación del agua y la escala de pH 703 Ácidos fuertes y bases fuertes 706 Ácidos débiles y bases débiles 708 Ácidos polipróticos 717 Los iones com o ácidos y como bases 723 Estructura molecular y carácter áddo-base 727 Ácidos y bases de Lew is 732 Resumen 73 6 Ejemplo de recapitulación 736 Ejercicios 73 8 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 743 Ejercicios de autoevaluación 744

17

Otros aspectos de los equilibrios ácido-base

17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6

Efecto del ion común en los equilibrios ácido-base 746 Disoluciones reguladoras 750 Indicadores ácido-base 759 Reacciones de neutralización y curvas de valoradón 762 Disoluciones de sales de áddos polipróticos 770 Resumen de los cálculos de equilibrios ácido-base 771 Resumen 7 7 3 Ejemplo de recapitulación 77 3 Ejercicios 77 5 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas de seminario 782 Ejercicios de autoevaluación 783

742

745

18

Solubilidad y equilibrios de iones complejos

18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9

Constante del producto d e solubilidad, íQp 785 Reladón entre solubilidad y Ksp 786 Efecto del ion común en los equilibrios de solubilidad 788 Lim itadones del concepto de K*p 790 Criterios para la predpitadón y predpitadón completa 792 Predpitadón fracdonada 795 Solubilidad y pH 797 Equilibrios que im plican iones com plejos 799 Análisis cualitativo de cationes 805 Resumen 81 0 Ejemplo de recapitulación 810 Ejercicios 812 Ejercicios avanzados y de recapitulación Problemas...