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QU Í MI CA 10a. edición Whitten | Davis | Peck | Stanley Química 10a. edición Química 10a. edición KENNETH W. WHITTEN RAYMOND E. DAVIS University of Georgia, Athens University of Texas at Austin M. LARRY PECK GEORGE G. STANLEY Texas A&M University Louisiana State University Traducción Víctor Hug...

Description

QU Í MI CA

10a. edición

Whitten | Davis | Peck | Stanley

Química 10a. edición

Química 10a. edición

KENNETH W. WHITTEN

RAYMOND E. DAVIS

University of Georgia, Athens

University of Texas at Austin

M. LARRY PECK

GEORGE G. STANLEY

Texas A&M University

Louisiana State University

Traducción Víctor Hugo Argüelles Ortiz Carlos Alberto Cruz Martínez Disraeli Díaz Guinzberg Francisco Gasteazoro Piñeiro Lizbeth González Jiménez Ossiel Francisco López Murillo Jesús Miguel Torres Flores Inés Rosario Vanegas Enríquez Traductores profesionales Revisión técnica Dr. en Ciencias Bioquímicas Jesús Miguel Torres Flores Universidad Nacional Autónoma de México

$XVWUDOLDä%UDVLOä-DSµQä&RUHDä0«[LFRä6LQJDSXUä(VSD³Dä5HLQR8QLGRä(VWDGRV8QLGRV

Química, 10a. ed. .HQQHWK::KLWWHQ5D\PRQG('DYLV 0/DUU\3HFN\*HRUJH*6WDQOH\ Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: )HUQDQGR9DOHQ]XHOD0LJR\D Director Editorial, de Producción y de Plataformas Digitales para Latinoamérica: 5LFDUGR+5RGU¯JXH] Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: &ODXGLD&*DUD\&DVWUR Gerente de Manufactura para Latinoamérica: 5D¼O'=HQGHMDV(VSHMHO Gerente Editorial en Español para Latinoamérica: 3LODU+HUQ£QGH]6DQWDPDULQD Gerente de Proyectos Especiales: /XFLDQD5DEXĔHWWL Coordinador de Manufactura: 5DIDHO3«UH]*RQ]£OH] Editora: $EULO9HJD2UR]FR Diseño de portada: $QQHOL'DQLHOD7RUUHV$UUR\R Imágenes de portada: kLVDNŀŀ6KXWWHUVWRFNk]KXGLIHQJ6KXWWHUVWRFN k*RQFKDUXN0DNVLP6KXWWHUVWRFNkQHGQDSD 6KXWWHUVWRFNkPWU6KXWWHUVWRFN kLVDNŀŀ6KXWWHUVWRFNkVFLHQFHSKRWR 6KXWWHUVWRFNk$OEHUW5XVV6KXWWHUVWRFN kPWU6KXWWHUVWRFN Composición tipográfica: %\&RORU6ROXFLRQHV*U£ĕFDV

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

k'5ĽĻļŀSRU&HQJDJH/HDUQLQJ(GLWRUHV 6$GH&9XQD&RPSD³¯DGH&HQJDJH /HDUQLQJ,QF&RUSRUDWLYR6DQWD)H $Y6DQWD)HQ¼PŀĻŀSLVRļĽ &RO&UX]0DQFD6DQWD)H &3ĻŀľĿń0«[LFR') &HQJDJH/HDUQLQJ®HVXQDPDUFDUHJLVWUDGD XVDGDEDMRSHUPLVR '(5(&+265(6(59$'261LQJXQDSDUWHGH HVWHWUDEDMRDPSDUDGRSRUOD/H\)HGHUDOGHO 'HUHFKRGH$XWRUSRGU£VHUUHSURGXFLGD WUDVPLWLGDDOPDFHQDGDRXWLOL]DGDHQ FXDOTXLHUIRUPDRSRUFXDOTXLHUPHGLR\DVHD JU£ĕFRHOHFWUµQLFRRPHF£QLFRLQFOX\HQGR SHURVLQOLPLWDUVHDORVLJXLHQWHIRWRFRSLDGR UHSURGXFFLµQHVFDQHRGLJLWDOL]DFLµQ JUDEDFLµQHQDXGLRGLVWULEXFLµQHQ,QWHUQHW GLVWULEXFLµQHQUHGHVGHLQIRUPDFLµQR DOPDFHQDPLHQWR\UHFRSLODFLµQHQVLVWHPDV GHLQIRUPDFLµQDH[FHSFLµQGHORSHUPLWLGR HQHO&DS¯WXOR,,,$UW¯FXORĽłGHOD/H\)HGHUDO GHO'HUHFKRGH$XWRUVLQHOFRQVHQWLPLHQWR SRUHVFULWRGHOD(GLWRULDO 7UDGXFLGRGHOOLEURChemistry7HQWK(GLWLRQ .HQQHWK::KLWWHQ5D\PRQG('DYLV 0/DUU\3HFNDQG*HRUJH*6WDQOH\ 3XEOLFDGRHQLQJOHVSRU%URRNV&ROHXQDFRPSD³¯D GH&HQJDJH/HDUQLQJkĽĻļĿ ,6%1ńłŃļļľľŁļĻŁŁľ 'DWRVSDUDFDWDORJDFLµQELEOLRJU£ĕFD :KLWWHQ.HQQHWK:5D\PRQG('DYLV 0/DUU\3HFN\*HRUJH*6WDQOH\ QuímicaļĻDHG ,6%1ńłŃŁĻłŀļńńŀŃ Ļ 9LVLWHQXHVWURVLWLRHQ KWWSODWLQRDPHULFDFHQJDJHFRP

Esta edición de Química está dedicada como agradecimiento al profesor emérito Kenneth W. Whitten y al profesor Kenneth D. Gailey, quienes con su organización y calidad pedagógicas proporcionaron la dirección para generaciones de estudiantes y sentaron las bases para las ya varias y acertadas ediciones de este libro.

RED, MLP y GGS

Contenido breve 1

Fundamentos de la química

2

Fórmulas químicas y estequiometría de composición

3

Ecuaciones químicas y estequiometría de reacción

4

Estructura de los átomos

5

Periodicidad química

6

Algunos tipos de reacciones químicas

7

Enlace químico

8

Estructura molecular y teorías del enlace covalente

9

Orbitales moleculares en el enlace químico

1 43 81

115

173 207

249 287

329

10

Reacciones en solución acuosa I: ácidos, bases y sales

11

Reacciones en solución acuosa II: cálculos

12

Gases y teoría cinético-molecular

13

Líquidos y sólidos

14

Soluciones

15

Termodinámica química

16

Cinética química

17

Equilibrio químico

18

Equilibrios iónicos I: ácidos y bases

401

449

505

vi A menos que se indique lo contrario, todo el contenido de esta página es propiedad de © Cengage Learning.

551

611 667 709

375

347

CONTENIDO BREVE

19

Equilibrios iónicos II: amortiguadores y curvas de titulación 749

20

Equilibrios iónicos III: principio del producto de solubilidad 779

21

Electroquímica

22

Química nuclear

23

Química orgánica I: fórmulas, nomenclatura y propiedades 887

24

Química orgánica II: formas, reacciones seleccionadas y biopolímeros 953

25

Compuestos de coordinación

26

Metales I: metalurgia

27

Metales II: propiedades y reacciones

28

Algunos no metales y metaloides

803 851

989

1017 1035

1057

APÉNDICE A

Algunas operaciones matemáticas

APÉNDICE B

Configuración electrónica de los átomos de los elementos

APÉNDICE C

Unidades comunes, equivalencias y factores de conversión

APÉNDICE D

Constantes físicas

APÉNDICE E

Constantes físicas de algunas sustancias comunes

APÉNDICE F

Constantes de ionización de ácidos débiles a 25 °C

APÉNDICE G

Constantes de ionización de bases débiles a 25 °C

APÉNDICE H

Constantes del producto de solubilidad de algunos compuestos inorgánicos a 25 °C A-21

APÉNDICE I

Constantes de disociación de algunos iones complejos

APÉNDICE J

Potenciales estándar de reducción en solución acuosa a 25 °C

APÉNDICE K

Valores termodinámicos seleccionados a 298.15 K

APÉNDICE L

Respuestas a los ejercicios numéricos pares seleccionados

Índice de ecuaciones Glosario/Índice

vii

A-1 A-9 A-12

A-15 A-16 A-18 A-20

A-23 A-24

A-27 A-30

E-1

G-1

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Contenido detallado Acerca de los autores xvii

2.3 Nombre y fórmula de algunos compuestos iónicos 49

Para el profesor xviii

2.4 Masas atómicas

Para el estudiante xxx

2.5 La mol

1

Fundamentos de la química

1.1 Materia y energía

5

2.7 Composición porcentual y fórmula de compuestos 60

10

2.8 Determinación de fórmulas a partir de la composición elemental 61

9

1.4 Propiedades químicas y propiedades físicas 1.5 Cambios químicos y cambios físicos

2.9 Determinación de fórmulas moleculares

12

1.6 Mezclas, sustancias, compuestos y elementos

13

QUÍMICA APLICADA: Nombre de los elementos

18

1.7 Mediciones en química

19

2.11 Pureza de muestras Términos clave Ejercicios

1.9 Método del factor unitario (análisis dimensional) 22

3

26

1.11 Densidad absoluta y densidad relativa (gravedad específica) 26

Términos clave Ejercicios

71

73

Ecuaciones químicas y estequiometría de reacción

31

35

3.3 Concepto de reactivo limitante

3.5 Reacciones secuenciales

2

Fórmulas químicas y estequiometría de composición 43

2.1 Fórmulas químicas

91

3.4 Rendimiento porcentual de las reacciones químicas 95

36

44

2.2 Iones y compuestos iónicos

48

3.7 Dilución de las soluciones

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97

102

3.8 Uso de las soluciones en las reacciones químicas 103 Ejercicios

viii

96

3.6 Concentración de las soluciones

Términos clave 106

106

81

82

3.2 Cálculos basados en ecuaciones químicas

1.13 Transferencia de calor y medición del calor

65

72

3.1 Ecuaciones químicas

1.12 Calor y temperatura 29

56

2.10 Algunas otras interpretaciones de las fórmulas químicas 67

1.8 Unidades de medida 20

1.10 Porcentaje

55

2.6 Masas formulares, masas moleculares y moles

4

1.3 Estados de la materia

51

QUÍMICA APLICADA: Número de Avogadro

1

1.2 Química: una visión molecular de la materia

51

88

ix

CONTENIDO DETALLADO

4

Estructura de los átomos

115

5.4 Afinidad electrónica 5.5 Radio iónico

PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

116

4.1 Partículas fundamentales

4.5 Número atómico 4.6 Neutrones

117

5.8 Hidrógeno e hidruros 120

5.9 Oxígeno y óxidos

121

Términos clave

122

Ejercicios

4.7 Número de masa e isótopos

6

4.9 Escala de masa atómica y masas atómicas

126

134

134

4.14 Naturaleza ondulatoria del electrón

138

ALGO MÁS: Ecuación de Schrödinger

217

226

6.8 Reacciones de desplazamiento

227

146

153

6.10 Reacciones con formación de gases

237

6.11 Resumen de los tipos de reacciones

238

Términos clave 240

159

Ejercicios

161

162

7

164

232

241

Enlace químico

249

7.1 Fórmulas de puntos de Lewis de los átomos

5

Periodicidad química

5.1 Más sobre la tabla periódica

177

5.3 Energía de ionización

251

ALGO MÁS: Introducción a las relaciones energéticas del enlace iónico 256

175 177

ENLACE COVALENTE 258 7.3 Formación de enlaces covalentes

179

250

251

7.2 Formación de compuestos iónicos

174

PROPIEDADES PERIÓDICAS DE LOS ELEMENTOS 5.2 Radio atómico

ENLACE IÓNICO

173

QUÍMICA APLICADA: Tabla periódica

222

QUÍMICA APLICADA: Reacciones de desplazamiento problemáticas 230 6.9 Reacciones de metátesis

4.20 Paramagnetismo y diamagnetismo

219

225

6.7 Reacciones de descomposición

147

4.19 Tabla periódica y configuración electrónica

Ejercicios

215

6.4 Nomenclatura de ácidos ternarios y sus sales

6.6 Reacciones de síntesis

144

4.15 Visión de la mecánica cuántica del átomo

Términos clave

208

6.5 Reacciones de oxidación-reducción: una introducción 222

ALGO MÁS: Teoría de Bohr y la ecuación de Balmer-Rydberg 141

4.18 Configuración electrónica

Algunos tipos de reacciones químicas 207

CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

4.13 Espectros atómicos y átomo de Bohr

148

202

6.3 Nomenclatura de compuestos binarios

138

4.17 Orbitales atómicos

201

NOMENCLATURA DE COMPUESTOS INORGÁNICOS 217

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS

147

193

6.2 Reacciones en solución acuosa

4.10 Tabla periódica: metales, no metales y metaloides 129

4.16 Números cuánticos

190

6.1 Soluciones acuosas: una introducción

QUÍMICA APLICADA: Análisis de la proporción de isótopos estables 127

4.12 Efecto fotoeléctrico

190

123

4.8 Espectrometría de masas y abundancia isotópica 124

4.11 Radiación electromagnética

187

REACCIONES QUÍMICAS Y PERIODICIDAD

119

4.4 Rutherford y el átomo nuclear

186

5.7 Números de oxidación

4.2 Descubrimiento de los electrones 4.3 Rayos canales y protones

184

5.6 Electronegatividad

116

182

258

7.4 Longitud de enlace y energía de enlace

259

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x

CONTENIDO DETALLADO

7.5 Fórmulas de Lewis de moléculas y iones poliatómicos 260

8.13 Un par de electrones no compartidos en el átomo central: resumen 315

7.6 Escritura de fórmulas de Lewis: regla del octeto 261

8.14 Compuestos que tienen enlaces dobles

317

8.15 Compuestos que tienen enlaces triples

319

7.7 Carga formal

267

8.16 Resumen de las geometrías electrónica y molecular 320

7.8 Escritura de fórmulas de Lewis: limitaciones de la regla del octeto 269 7.9 Resonancia

Términos clave

274

Ejercicios

7.10 Enlaces covalentes polares y no polares 7.11 Momentos dipolares

323

276

278

7.12 Intervalo continuo de tipos de enlace

322

9

279

Orbitales moleculares en el enlace químico 329

Términos clave 280 Ejercicios

8

9.1 Orbitales moleculares

281

330

9.2 Diagramas de niveles de energía de los orbitales moleculares 333

Estructura molecular y teorías del enlace covalente 287

8.1 Presentación preliminar del capítulo

9.3 Orden de enlace y estabilidad de enlace 9.4 Moléculas diatómicas homonucleares

288

9.5 Moléculas diatómicas heteronucleares

8.2 Teoría de la repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia 290

FORMA MOLECULAR Y ENLACE

335 339

9.6 Deslocalización y forma de los orbitales moleculares 341

8.3 Moléculas polares: influencia de la geometría molecular 292 8.4 Teoría del enlace de valencia

335

Términos clave Ejercicios

343

344

293

294

8.5 Geometría electrónica lineal: especies AB2 (sin pares de electrones no compartidos en A)

10 295

Reacciones en solución acuosa I: ácidos, bases y sales 347

8.6 Geometría electrónica trigonal plana: especies AB3 (sin pares de electrones no compartidos en A) 297

10.1 Propiedades de las soluciones acuosas de ácidos y bases 349

8.7 Geometría electrónica tetraédrica: especies AB4 (sin pares de electrones no compartidos en A) 299

10.3 Ion hidronio (ion hidrógeno hidratado)

10.2 Teoría de Arrhenius

349

10.4 Teoría de Brønsted-Lowry 10.5 Autoionización del agua

350

350 353

8.8 Geometría electrónica tetraédrica: especies AB3U (un par de electrones no compartidos en A) 304

10.6 Anfoterismo

8.9 Geometría electrónica tetraédrica: especies AB2U2 (dos pares de electrones no compartidos en A) 308

10.8 Reacciones ácido-base en solución acuosa

8.10 Geometría electrónica tetraédrica: especies ABU3 (tres pares de electrones no compartidos en A) 310 8.11 Geometría electrónica bipiramidal trigonal: AB5, AB4U, AB3U2 y AB2U3 310 8.12 Geometría electrónica octaédrica: AB6, AB5U y AB4U2 314

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354

10.7 Fuerza de los ácidos

355 358

QUÍMICA APLICADA: Sales de ácidos ternarios cotidianos 360 10.9 Sales ácidas y sales básicas 10.10 Teoría de Lewis

363

10.11 Preparación de ácidos Términos clave 367 Ejercicios

368

365

361

xi

CONTENIDO DETALLADO

11

Reacciones en solución acuosa II: cálculos 375

REACCIONES ÁCIDO-BASE EN MEDIO ACUOSO 376 11.1 Cálculos donde interviene la molaridad 11.2 Titulaciones

376

380

11.3 Cálculos en titulaciones ácido-base REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN 11.4 Balanceo de ecuaciones rédox 1

Términos clave 438 Ejercicios

13

Líquidos y sólidos

13.1 Descripción cinético-molecular de los líquidos y los sólidos 450

386

13.2 Atracción intermolecular y cambios de fase

387

11.6 Cálculos en titulaciones rédox

13.5 Capilaridad

12

390

393

459

13.4 Tensión superficial

460

460

13.6 Evaporación

393

461

13.7 Presión de vapor

Gases y teoría cinético–molecular

462

13.8 Puntos de ebullición y destilación

464

13.9 Transferencia de calor en líquidos

465

401

ALGO MÁS: Ecuación de Clausius-Clapeyron

12.1 Comparación de sólidos, líquidos y gases

402

ESTADO SÓLIDO

13.10 Punto de fusión

12.3 Presión

13.12 Sublimación y presión de vapor de sólidos

403 405

13.11 Transferencia de calor en sólidos

ALGO MÁS: Difracción de rayos X

412

12.7 Ecuación combinada de la ley de los gases

412

12.8 Ley de Avogadro y volumen molar estándar

414

13.15 Estructura de los cristales 13.16 Enlace en sólidos

12.10 Determinación de la masa molecular y fórmulas moleculares de sustancias gaseosas 419 420

12.12 Relaciones masa-volumen en reacciones en que intervienen gases 426 12.13 Teoría cinético-molecular

428

ALGO MÁS: Teoría cinético-molecular, ecuación de los gases ideales y velocidad molecular 431 12.14 Difusión y efusión de gases

433

12.15 Desviaciones del comportamiento ideal de los ga...