Química. La ciencia central, 12va Edición Theodore L. Brown LibrosVirtual PDF

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Lista de elementos con sus símbolos y masas atómicas Número Masa Número Masa Número Masa Elemento Símbolo atómico atómica Elemento Símbolo atómico atómica Elemento Símbolo atómico atómica Actinio Ac 89 227.03a Hafnio Hf 72 178.49 Radón Rn 86 222.02a Aluminio Al 13 26.981538 Hasio Hs 108 269.13a Ren...

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Ac Al Am Sb Ar As At Ba Bk Be Bi Bh B Br Cd Ca Cf C Ce Cs Cl Cr Co Cn Cu Cm Ds Db Dy Es Er Eu Fm F Fr Gd Ga Ge Au

Actinio Aluminio Americio Antimonio Argón Arsénico Astato Bario Berkelio Berilio Bismuto Bohrio Boro Bromo Cadmio Calcio Californio Carbono Cerio Cesio Cloro Cromo Cobalto Copernicio Cobre Curio Darmstadio Dubnio Disprosio Einstenio Erbio Europio Fermio Flúor Francio Gadolinio Galio Germanio Oro

89 13 95 51 18 33 85 56 97 4 83 107 5 35 48 20 98 6 58 55 17 24 27 112 29 96 110 105 66 99 68 63 100 9 87 64 31 32 79

Número atómico Elemento Hafnio Hasio Helio Holmio Hidrógeno Indio Yodo Iridio Hierro Criptón Lantano Lawrencio Plomo Litio Lutecio Magnesio Manganeso Meitnerio Mendelevio Mercurio Molibdeno Neodimio Neón Neptunio Níquel Niobio Nitrógeno Nobelio Osmio Oxígeno Paladio Fósforo Platino Plutonio Polonio Potasio Praseodimio Prometio Protactinio Radio

Masa atómica 227.03a 26.981538 243.06a 121.760 39.948 74.92160 209.99a 137.327 247.07a 9.012182 208.98038 264.12a 10.811 79.904 112.411 40.078 251.08a 12.0107 140.116 132.90545 35.453 51.9961 58.933200 285 63.546 247.07a 281.15a 262.11a 162.50 252.08a 167.259 151.964 257.10a 18.9984032 223.02a 157.25 69.723 72.64 196.96655

Masa del isótopo más longevo o importante. Los nombres de los elementos del 113 en adelante todavía no se determinan.

b

a

Símbolo

Elemento Hf Hs He Ho H In I Ir Fe Kr La Lr Pb Li Lu Mg Mn Mt Md Hg Mo Nd Ne Np Ni Nb N No Os O Pd P Pt Pu Po K Pr Pm Pa Ra

Símbolo 72 108 2 67 1 49 53 77 26 36 57 103 82 3 71 12 25 109 101 80 42 60 10 93 28 41 7 102 76 8 46 15 78 94 84 19 59 61 91 88

Número atómico 178.49 269.13a 4.002602a 164.93032 1.00794 114.818 126.90447 192.217 55.845 83.80 138.9055 262.11a 207.2 6.941 174.967 24.3050 54.938049 268.14a 258.10a 200.59 95.94 144.24 20.1797 237.05a 58.6934 92.90638 14.0067 259.10a 190.23 15.9994 106.42 30.973761 195.078 244.06a 208.98a 39.0983 140.90765 145a 231.03588 226.03a

Masa atómica Radón Renio Rodio Roentgenio Rubidio Rutenio Rutherfordio Samario Escandio Seaborgio Selenio Silicio Plata Sodio Estroncio Azufre Tantalio Tecnecio Telurio Terbio Talio Torio Tulio Estaño Titanio Tungsteno Uranio Vanadio Xenón Iterbio Itrio Zinc Circonio *b *b *b *b *b *b

Elemento Rn Re Rh Rg Rb Ru Rf Sm Sc Sg Se Si Ag Na Sr S Ta Tc Te Tb Tl Th Tm Sn Ti W U V Xe Yb Y Zn Zr

Símbolo

Lista de elementos con sus símbolos y masas atómicas

86 75 45 111 37 44 104 62 21 106 34 14 47 11 38 16 73 43 52 65 81 90 69 50 22 74 92 23 54 70 39 30 40 113 114 115 116 117 118

Número atómico

222.02a 186.207a 102.90550 272.15a 85.4678 101.07 261.11a 150.36 44.955910 266a 78.96 28.0855 107.8682 22.989770 87.62 32.065 180.9479 98a 127.60 158.92534 204.3833 232.0381 168.93421 118.710 47.867 183.84 238.02891 50.9415 131.293 173.04 88.90585 65.39 91.224 284a 289a 288a 292a 294a 294a

Masa atómica

DECIMOSEGUNDA EDICIÓN

QUÍMICA L

A

C

I

E

N

C

I

A

C

E

N

T

R

A

L

DECIMOSEGUNDA EDICIÓN

QUÍMICA L

A

C

I

E

N

C

I

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C

E

N

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R

A

L

Theodore L. Brown University of Illinois at Urbana-Champaign

H. Eugene LEMay, Jr.

Catherine J. Murphy

University of Nevada, Reno

University of Illinois at Urbana-Champaign

Bruce E. Bursten

Patrick M. Woodward

University of Tennessee, Knoxville

The Ohio State University

Traducción Ana Elizabeth García Hernández Traductora especialista en Ciencias Revisión técnica Alberto Rojas Hernández Área de Química analítica Jesús Alejandro López Gaona Margarita Viniegra Ramírez Nancy Coromoto Martín Guaregua Patricia Villamil Aguilar Área de Catálisis Juan Marcos Esparza Schulz Área de Fisicoquímica de superficies Departamento de Química Universidad Autónoma Metropolitana - Iztapalapa México

Araceli Florido Segoviano María del Consuelo Valenzuela Arellano Departamento de Ciencias básicas Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Querétaro México

Datos de catalogación bibliográfica BROWN, THEODORE L.; LeMAY JR., H. EUGENE; BURSTEN, BRUCE E.; MURPHY, CATHERINE J.; WOODWARD, PATRICK M.

Química, la ciencia central Decimosegunda edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2014 ISBN: 978-607-32-2237-2 Área: Ciencias Formato: 21.5 ⫻ 27.5 cm

Páginas: 1200

Authorized translation from the English language edition, entitled CHEMISTRY: THE CENTRAL SCIENCE 12nd Edition, by THEODORE L. BROWN, H. EUGENE LeMAY JR., BRUCE E. BURSTEN, CATHERINE J. MURPHY, PATRICK M. WOODWARD, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright © 2012. All rights reserved. ISBN 9780321696724 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada CHEMISTRY: THE CENTRAL SCIENCE 12ª edición por THEODORE L. BROWN, H. EUGENE LeMAY JR., BRUCE E. BURSTEN, CATHERINE J. MURPHY, PATRICK M. WOODWARD, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Copyright © 2012. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Dirección general: Dirección Educación Superior: Editora sponsor:

Philip De la Vega Mario Contreras Gabriela López Ballesteros e-mail: [email protected] Felipe Hernández Carrasco José D. Hernández Garduño

Editor de desarrollo: Supervisor de Producción: Gerencia Editorial Educación Superior Latinoamérica: Marisa de Anta DÉCIMO SEGUNDA EDICIÓN, 2014

D.R. © 2014 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o. piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Estado de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. núm. 1031. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. 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 VERSIÓN IMPRESA: 978-607-32-2237-2 ISBN VERSIÓN E-BOOK: 978-607-32-2235-8 ISBN E-CHAPTER: 978-607-32-2236-5 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 17 16 15 14

A nuestros alumnos, cuyo entusiasmo y curiosidad a menudo nos inspiran, y cuyas preguntas y sugerencias en ocasiones son fuente de aprendizaje para nosotros.

CONTENIDO BREVE Prefacio xxvii Acerca de los autores

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

xxxix

Introducción: materia y medición 2 Átomos, moléculas y iones 38 Estequiometría: cálculos con fórmulas y ecuaciones químicas 76 Reacciones en disoluciones acuosas 114 Termoquímica 158 Estructura electrónica de los átomos 206 Propiedades periódicas de los elementos 248 Conceptos básicos de los enlaces químicos 288 Geometría molecular y teorías de enlace 330 Gases 382 Líquidos y fuerzas intermoleculares 424 Sólidos y nuevos materiales 462 Propiedades de las disoluciones 512 Cinética química 556 Equilibrio químico 610 Equilibrios ácido-base 650 Aspectos adicionales del equilibrio acuoso 702 Química del medio ambiente 748 Termo-dinámica química 784 Electroquímica 826 Química nuclear 874 Química de los no metales 916 Metales de transición y la química de coordinación 962 La química de la vida: química orgánica y biológica 1004

APÉNDICES A OPERACIONES MATEMÁTICAS 1051 B PROPIEDADES DEL AGUA 1058 C CANTIDADES TERMODINÁMICAS PARA DETERMINADAS SUSTANCIAS A 298.15 K (25 °C)

1059

D CONSTANTES DE EQUILIBRIO ACUOSO 1062 E POTENCIALES DE REDUCCIÓN ESTÁNDAR A 25 °C 1064 Respuestas a ejercicios seleccionados

A-1

Respuestas de las secciones Piénselo un poco

A-33

Respuestas a las preguntas de las secciones Imagine Glosario

G-1

Créditos de fotografías y de arte viii

Índice

I-1

P-1

A-41

CONTENIDO PREFACIO xxvii Acerca de los autores

1

xxxix

INTRODUCCIÓN: MATERIA Y MEDICIÓN 2 1.1

EL ESTUDIO DE LA QUÍMICA 4 Perspectiva atómica y molecular de la química 4 ¿Por qué estudiar química? 5

1.2

CLASIFICACIONES DE LA MATERIA 7 Estados de la materia 7 Sustancias puras 7 Compuestos 8 Mezclas 10

1.3

PROPIEDADES DE LA MATERIA 11 Cambios físicos y químicos 12

1.4

Elementos 7

Separación de mezclas 13

UNIDADES DE MEDIDA 14 Unidades del SI 15 Longitud y masa 16 Temperatura 17 Unidades derivadas del SI 18 Volumen 18 Densidad 19

1.5

INCERTIDUMBRE EN LAS MEDICIONES 20 Precisión y exactitud 21 Cifras significativas 22 Cifras significativas en el desarrollo de cálculos 23

1.6

ANÁLISIS DIMENSIONAL 25 Uso de dos o más factores de conversión 27 implican volúmenes 28

Conversiones que

RESUMEN Y TÉRMINOS CLAVE DEL CAPÍTULO 30 HABILIDADES CLAVE 31 ECUACIONES CLAVE 31 VISUALIZACIÓN DE CONCEPTOS 31 EJERCICIOS ADICIONALES 35 LA QUÍMICA EN ACCIÓN La química y la industria química 6 UNA MIRADA DE CERCA El método científico 15 LA QUÍMICA EN ACCIÓN La química en las noticias 20 ESTRATEGIAS EN QUÍMICA Estimación de respuestas 26 ESTRATEGIAS EN QUÍMICA La importancia de la práctica 29 ESTRATEGIAS EN QUÍMICA Características de este libro 30

2

ÁTOMOS, MOLÉCULAS Y IONES 38 2.1 2.2

TEORÍA ATÓMICA DE LA MATERIA 40 DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCTURA ATÓMICA Rayos catódicos y electrones 41 del átomo 43

2.3

Radiactividad 43

41

Modelo nuclear

CONCEPCIÓN MODERNA DE LA ESTRUCTURA ATÓMICA 44 Números atómicos, números de masa e isótopos 46

2.4

MASAS ATÓMICAS 47 La escala de masa atómica 47

2.5

Masa atómica 48

LA TABLA PERIÓDICA 49 ix

x

CONTENIDO

2.6

MOLÉCULAS Y COMPUESTOS MOLECULARES 52 Moléculas y fórmulas químicas 52 Fórmulas moleculares y empíricas 53 Representación de moléculas 54

2.7

IONES Y COMPUESTOS IÓNICOS 54 Predicción de cargas iónicas 55

2.8

Compuestos iónicos 56

NOMENCLATURA DE COMPUESTOS INORGÁNICOS 59 Nombres y fórmulas de compuestos iónicos 59 Nombres y fórmulas de ácidos 64 Nombres y fórmulas de compuestos moleculares binarios 65

2.9

ALGUNOS COMPUESTOS ORGÁNICOS SIMPLES 66 Alcanos 66

Algunos derivados de los alcanos 66

RESUMEN Y TÉRMINOS CLAVE DEL CAPÍTULO 67 HABILIDADES CLAVE 68 VISUALIZACIÓN DE CONCEPTOS 69 EJERCICIOS ADICIONALES 73 UNA MIRADA DE CERCA Fuerzas básicas 46 UNA MIRADA DE CERCA El espectrómetro de masas 49 UNA MIRADA DE CERCA Glenn Seaborg y el seaborgio 52 LA QUÍMICA Y LA VIDA Elementos necesarios para los organismos vivos 58

ESTRATEGIAS EN QUÍMICA Reconocimiento de patrones 58

3

ESTEQUIOMETRÍA: CÁLCULOS CON FÓRMULAS Y ECUACIONES QUÍMICAS 76 3.1

ECUACIONES QUÍMICAS 78 Balanceo de ecuaciones 78 reactivos y los productos 81

3.2

Indicación sobre el estado de los

ALGUNOS PATRONES SENCILLOS DE REACTIVIDAD QUÍMICA 81 Reacciones de combinación y descomposición 82 de combustión 83

3.3

MASAS FÓRMULA 84 Masas fórmula y masas moleculares 85 de fórmulas químicas 85

3.4

Reacciones

Composición porcentual

EL NÚMERO DE AVOGADRO Y EL MOL 86 Masa molar 88 Conversión entre masas y moles 90 entre masas y números de partículas 91

3.5

Conversión

FÓRMULAS EMPÍRICAS A PARTIR DEL ANÁLISIS 92 Fórmulas moleculares a partir de fórmulas empíricas 94 por combustión 95

Análisis

3.6

INFORMACIÓN CUANTITATIVA A PARTIR DE ECUACIONES BALANCEADAS 96

3.7

REACTIVOS LIMITANTES 99 Rendimientos teóricos 102 RESUMEN Y TÉRMINOS CLAVE DEL CAPÍTULO 104 HABILIDADES CLAVE 104 ECUACIONES CLAVE 104 VISUALIZACIÓN DE CONCEPTOS 105 EJERCICIOS ADICIONALES 111 EJERCICIOS DE INTEGRACIÓN 113 ESTRATEGIAS EN QUÍMICA Resolución de problemas 86 LA QUÍMICA Y LA VIDA Monitoreo de glucosa 90 ESTRATEGIAS EN QUÍMICA Cómo presentar un examen 103

CONTENIDO

4

Reacciones en disoluciones acuosas 114 4.1

PROPIEDADES GENERALES DE LAS DISOLUCIONES ACUOSAS 116 Propiedades electrolíticas 116 Compuestos iónicos en agua 117 Compuestos moleculares en agua 118 Electrolitos fuertes y débiles 118

4.2

REACCIONES DE PRECIPITACIÓN 119 Reglas de solubilidad para compuestos iónicos 120 Reacciones de intercambio (metátesis) 121 Ecuaciones iónicas 122

4.3

ÁCIDOS, BASES Y REACCIONES DE NEUTRALIZACIÓN 124 Ácidos 124 Bases 125 Ácidos y bases fuertes y débiles 125 Identificación de electrolitos fuertes y débiles 126 Reacciones de neutralización y sales 127 Reacciones de neutralización con formación de gases 129

4.4

REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN 131 Oxidación y reducción 131 Números de oxidación 132 Oxidación de metales por medio de ácidos y sales 133 La serie de actividad rédox de los metales 135

4.5

CONCENTRACIONES DE SOLUTOS EN DISOLUCIONES 139 Molaridad de un soluto X 139 Expresión de la concentración de un electrolito 140 Conversiones entre molaridad, moles y volumen 140 Dilución 141

4.6

ESTEQUIOMETRÍA DE REACCIONES EN DISOLUCIÓN Y ANÁLISIS QUÍMICO 144 Titulaciones 145 RESUMEN Y TÉRMINOS CLAVE DEL CAPÍTULO 149 HABILIDADES CLAVE 149 ECUACIONES CLAVE 149 VISUALIZACIÓN DE CONCEPTOS 150 EJERCICIOS ADICIONALES 154 EJERCICIOS DE INTEGRACIÓN 156 LA QUÍMICA EN ACCIÓN Antiácidos 130 UNA MIRADA DE CERCA El aura del oro 138 ESTRATEGIAS EN QUÍMICA Análisis de reacciones químicas 138 LA QUÍMICA Y LA VIDA Beber demasiada agua puede causar la muerte 143

5

TERMOQUÍMICA 158 5.1

LA NATURALEZA DE LA ENERGÍA 160 Energía cinética y energía potencial 160 Unidades de energía 162 Sistema y entorno 162 Transferencia de energía: Trabajo y calor 163

5.2

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 164 Energía interna 164 Relación entre ⌬E, calor y trabajo 165 Procesos endotérmicos y exotérmicos 167 Funciones de estado 167

5.3 5.4 5.5

ENTALPÍA 169 ENTALPÍAS DE REACCIÓN 172 CALORIMETRÍA 175 Capacidad calorífica y calor específico 175 Calorimetría a presión constante 177 Bomba calorimétrica (calorimetría a volumen constante) 178

xi

xii

CONTENIDO

5.6 5.7

LEY DE HESS 181 ENTALPÍAS DE FORMACIÓN 183 Uso de las entalpías de formación para calcular las entalpías de reacción 185

5.8

ALIMENTOS Y COMBUSTIBLES 188 Alimentos 188

Combustibles 190

Otras fuentes de energía 191

RESUMEN Y TÉRMINOS CLAVE DEL CAPÍTULO 194 HABILIDADES CLAVE 195 ECUACIONES CLAVE 195 VISUALIZACIÓN DE CONCEPTOS 196 EJERCICIOS ADICIONALES 202 EJERCICIOS DE INTEGRACIÓN 204 UNA MIRADA DE CERCA Energía, entalpía y trabajo P-V 172 ESTRATEGIAS EN QUÍMICA Uso de la entalpía como una guía 175 LA QUÍMICA Y LA VIDA Regulación de la temperatura corporal 180 LA QUÍMICA EN ACCIÓN Los retos científicos y políticos de los biocombustibles 192

6

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS 206 6.1 6.2

NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZ 208 ENERGÍA CUANTIZADA Y FOTONES 210 Los objetos calientes y la cuantización de la energía 210 fotoeléctrico y los fotones 211

6.3

El efecto

ESPECTROS DE LÍNEAS Y EL MODELO DE BOHR 213 Espectros de líneas 213 El modelo de Bohr 214 Los estados de energía del átomo de hidrógeno 214 Limitaciones del modelo de Bohr 216

6.4

COMPORTAMIENTO ONDULATORIO DE LA MATERIA 216 El principio de incertidumbre 217

6.5

MECÁNICA CUÁNTICA Y ORBITALES ATÓMICOS 219 Orbitales y números cuánticos 220

6.6

REPRESENTACIONES DE ORBITALES 222 Los orbitales s 222

6.7

Los orbitales p 224

ÁTOMOS POLIELECTRÓNICOS 226 Orbitales y sus energías 226 de exclusión de Pauli 227

6.8

Los orbitales d y f 225

Espín electrónico y el principio

CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS 229 Regla de Hund 229 Configuraciones electrónicas condensadas 231 Metales de transición 232 Lantánidos y actínidos 232

6.9

CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Y LA TABLA PERIÓDICA 233 Configuraciones electrónicas anómalas 237 RESUMEN Y TÉRMINOS CLAVE DEL CAPÍTULO 238 HABILIDADES CLAVE 239 ECUACIONES CLAVE 239 VISUALIZACIÓN DE CONCEPTOS 240 EJERCICIOS ADICIONALES 244 EJERCICIOS DE INTEGRACIÓN 246 UNA MIRADA DE CERCA La rapidez de la luz 209 UNA MIRADA DE CERCA Medición y el principio de incertidumbre 218

UNA MIRADA DE CERCA Densidad de probabilidad y funciones de probabilidad radial 224

CONTENIDO

UNA MIRADA DE CERCA Evidencia experimental para el espín electrónico 227

LA QUÍMICA Y LA VIDA Espín nuclear e imágenes por resonancia magnética 228

7

PROPIEDADES PERIÓDICAS DE LOS ELEMENTOS 248 7.1 7.2 7.3

DESARROLLO DE LA TABLA PERIÓDICA 250 CARGA NUCLEAR EFECTIVA 251 TAMAÑOS DE LOS ÁTOMOS Y DE LOS IONES 254 Tendencias periódicas de los radios atómicos 255 periódicas de los radios iónicos 256

7.4

Tendencias

ENERGÍA DE IONIZACIÓN 259 Variaciones en las energías de ionización sucesivas 259 periódicas en las primeras energías de ionización 260 Configuraciones electrónicas de iones 262

7.5 7.6

AFINIDADES ELECTRÓNICAS 263 METALES, NO METALES Y METALOIDES 264 Metales 265

7.7

No metales 267

Metaloides 268

TENDENCIAS PARA LOS METALES DE LOS GRUPOS 1A Y 2A 268 Grupo 1A: Metales alcalinos 269 alcalinotérreos 272

7.8

Tendencias

Grupo 2A: Metales

TENDENCIAS DE NO METALES SELECCIONADOS 273 Hidrógeno 273 Grupo 6A: El grupo del oxígeno 273 Grupo 7A: Halógenos 274 GRUPO 8A: Gases nobles 276 RESUMEN Y TÉRMINOS CLAVE DEL CAPÍTULO 277 HABILIDADES CLAVE 278 ECUACIONES CLAVE 279 VISUALIZACIÓN DE CONCEPTOS 279 EJERCICIOS ADICIONALES 283 EJERCICIOS DE INTEGRACIÓN 285 UNA MIRADA DE CERCA Carga nuclear efectiva 253 LA QUÍMICA EN ACCIÓN Movimiento de iones: Energía electrónica 258

LA QUÍMICA Y LA VIDA El sorprendente desarrollo de los fármacos con litio 271

8

CONCEPTOS BÁSICOS DE LOS ENLACES QUÍMICOS 288 8.1

SÍMBOLOS DE LEWIS Y LA REGLA DEL OCTETO 290 La regla del octeto 290

8.2

ENLACE IÓNICO 291 Aspectos energéticos de la formación de enlaces iónicos 292 Configuraciones electrónicas de iones de los elementos de los bloques s y p 294 Iones de metales de transición 296

8.3

ENLACE COVALENTE 296 Estructuras de Lewis 297

8.4

Enlaces múltiples 298

POLARIDAD DE ENLACE Y ELECTRONEGATIVIDAD 298 Electronegatividad 299 Electronegatividad y polaridad de enlace 300 Momentos dipolares 301 Dist...