Kenneth D. Gailey Exp. Prof. de la Universidad de Georgia, Athenas, U.S.A.

Transcripción

1 QUÍMICA GENERAL TERCERA EDICIÓN (Segunda edición en español) Kenneth W. Whitten Universidad de Georgia, Athenas, U.S.A. Kenneth D. Gailey Exp. Prof. de la Universidad de Georgia, Athenas, U.S.A. Raymond E. Davis Universidad de Texas, Austin, U.S.A. TRADUCCIÓN: María Teresa Aguilar Ortega Químico, Facultad de Química, UNAM Profesora de Inglés, Centro de Lenguas, Universidad Anáhuac REVISIÓN TÉCNICA: Rosa María González Muradas Q.F.B. Facultad de Química, UNAM Profesora de asignatura, Depto. de Química Orgánica y Nuclear, UNAM McGRAW-HILL MÉXICO BOGOTÁ BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK PANAMÁ SAN JUAN SANTIAGO SAO PAULO AUCKLAND HAMBURGO LONDRES MILÁN MONTREAL NUEVA DELHI PARIS SAN FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TOKIO TORONTO

2 Gerente de producto: Ricardo del Bosque Alayón Supervisor de traducción y corrección de estilo: César Suárez Azueta Supervisor de producción: Zeferino García García QUÍMICA GENERAL Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio, sin autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 1992, respecto a la segunda edición en español por McGRAW-HILL INTERAMERICANA DE MÉXICO, S. A. de C. V. Atlacomulco , Fracc. Ind. San Andrés Atoto, Naucalpan de Juárez, Edo. de México Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Num ISBN (ISBN primera edición) Traducido de la tercera edición en inglés de GENERAL CHEMISTRY Copyright MCMLXXX, by SAUNDERS COLLEGE PUBLISHING, a division of Holt, Rinehart and Winston, Inc. ISBN ING Impreso en México Printed in Mexico Esta obra se terminó de imprimir en diciembre de 1991 en Litográíica Ingramex Centeno No Col. Granjas Esmeralda Delegación Iztapalapa México, D.F. Se tiraron 6000 ejemplares

3 RESUMEN DEL CONTENIDO 1 Los fundamentos de la química 1 2 Fórmulas químicas y composición estequiométrica 34 3 Ecuaciones químicas y estequiometría de las reacciones 59 4 La estructura de los átomos 86 5 Periodicidad química Enlace químico y nomenclatura inorgánica Estructura molecular y teorías del enlace covalente Los orbitales moleculares en el enlace químico Reacciones químicas: un estudio sistemático Los gases y la teoría cinética molecular Líquidos y sólidos Soluciones Ácidos, bases y sales Reacciones de óxido-reducción Termodinámica química Cinética química ^ Equilibrio químico Equilibrios iónicos I: ácidos y bases Equilibrios iónicos II: hidrólisis Equilibrio iónico III: el principio del producto de solubilidad Electroquímica Metales y metalurgia Los metales representativos Elementos no metálicos, parte I: gases nobles y el grupo VIIA Elementos no metálicos, parte II: elementos del grupo VIA Elementos no metálicos, parte III: elementos del grupo VA Elementos no metálicos, parte IV: carbono, silicio y boro Los metales de transición Compuestos de coordinación Química nuclear Química orgánica I: hidrocarburos Química orgánica II: grupos funcionales 857

4 CONTENIDO 1 LOS FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA Materia y energía Estados de la materia Propiedades químicas y físicas Cambios químicos y físicos Sustancias, compuestos, elementos y mezclas Separación de mezclas Las mediciones en química Unidades de medición Cifras significativas Método del factor unitario (análisis dimensional) Densidad y gravedad específica Calor y temperatura Transferencia de calor y medición de calor 27 2 FÓRMULAS QUÍMICAS Y COMPOSICIÓN ESTEQUIOMETRICA Átomos y moléculas Fórmulas químicas Iones y compy# os iónicos Pesos atómicos La mol Pesos fórmula, pesos moleculares y moles Composición porcentual y fórmulas de compuestos Deducción de las fórmulas a partir de la composición elemental Determinación de fórmulas moleculares Pureza de la muestras 53 3 ECUACIONES QUÍMICAS Y ESTEQUIOMETRÍA DE LAS REACCIONES elaciones químicas culos que se realizan a partir de ecuaciones químicas El concepto del reactivo limitante Rendimientos porcentuales a partir de las reacciones químicas Concentraciones de soluciones Dilución de soluciones Empleo de soluciones en reacciones químicas 74

5 xxii CONTENIDO 4 LA ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS 86 Partículas subatómicas Partículas fundamentales El descubrimiento del electrón Rayos canal y protones Rutherford y el átomo nuclear; número atómico Neutrones Número de masa e isótopos Espectrometría de masa y abundancia isotópica La escala de pesos atómicos y los pesos atómicos 97 Estructuras electrónicas de los átomos Radiación electromagnética Efecto fotoeléctrico Naturaleza ondulatoria del electrón Espectros atómicos y el átomo de Bohr Descripción del átomo según la mecánica cuántica Números cuánticos Orbitales atómicos Configuraciones electrónicas PERIODICIDAD QUÍMICA La tabla periódica Representación de los elementos según la fórmula puntual de Lewis Propiedades periódicas 5-3 Radio atómico Energía de ionización Afinidad electrónica Radios iónicos Electronegatividad Metales, no metales y metaloides ENLACE QUÍMICO Y NOMENCLATURA INORGÁNICA 145 Enlace iónico Formación de compuestos iónicos Estructuras de compuestos iónicos 151 Enlace covalente Enlace covalente polar y no polar Momentos dipolares Fórmulas puntuales de Lewis para moléculas e iones poliatómicos 156

6 6-6 Regla del octeto Resonancia Limitaciones de la regla del octeto para las fórmulas de Lewis 163 Introducción a los nombres de compuestos inorgánicos Números de oxidación Manera de nombrar compuestos binarios ESTRUCTURA MOLECULAR Y TEORÍAS DEL ENLACE COVALENTE Teoría de la repulsión del par de electrones en la capa de valencia (RPECV) Teoría del enlace de valencia (EV) Moléculas AB 2 sin pares de electrones no-compartidos en moléculas A-lineales Moléculas AB 3 sin pares de electrones no-compartidos en moléculas A-plano triangulares Moléculas AB 4 sin pares de electrones no-compartidos en moléculas A-tetraédricas Moléculas AB 3 con un par de e'fctrones no-compartidos en moléculas A-piramidales Moléculas AB 2 con dos pares de electrones no-compartidos en moléculas A-angulares Moléculas AB con tres pares de electrones no-compartidos en moléculas A-lineales Moléculas AB 5 sin pares de electrones no-compartidos en moléculas A-bipiramidales trigonales Moléculas AB 6 sin par de electrones no-compartidos en moléculas A-octaédricas Compuestos que contienen enlaces dobles Compuestos que contienen enlace triple Resumen de geometrías moleculares y electrónicas Geometrías de iones poliatómicos Resumen LOS ORBITALES MOLECULARES EN EL ENLACE QUÍMICO Orbitales moleculares Diagramas de niveles de energía de los orbitales moleculares Orden de enlace y estabilidad de enlace Moléculas diatómicas homonucleares Moléculas diatómicas heteronucleares Deslocalización y formas de los orbitales moleculares REACCIONES QUÍMICAS: UN ESTUDIO SISTEMÁTICO Soluciones acuosas Introducción 225 Clasificación de las reacciones químicas Reacciones de combinación 229

7 9-3 Descripción de reacciones en soluciones acuosas Reacciones de desplazamiento Reacciones de descomposición Reacciones de metátesis Reacciones de óxido-reducción Introducción 238 Reacciones químicas y periodicidad El hidrógeno y los hidruros El oxígeno y los óxidos LOS GASES Y LA TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR Comparación de sólidos, líquidos y gases Composición de la atmósfera y algunas propiedades comunes de los gases Presión Ley de Boyle: la relación entre el volumen y la presión Ley de Charles: relación entre el volumen y la temperatura; escala de temperaturas absolutas Temperatura y presión estándar Ecuación corr Ki nada de las leyes de los gases Densidades délos gases y volumen molar estándar Resumen de las leyes de los gases ecuación de los gases ideales Determinación de pesos moleculares y fórmulas moleculares de sustancias gaseosas Ley de Dalton de las presiones parciales La teoría cinética Ley de Graham: difusión y efusión de los gases Gases reales desviaciones de la idealidad 284 Estequiometría en reacciones en las que participan gases Ley de Gay-Lussac de los volúmenes de combinación Relaciones de masa-volumen en reacciones en las que participan gases LÍQUIDOS Y SÓLIDOS Descripción de líquidos y sólidos según la cinética molecular Atracciones intermoleculares y cambios de fase 299 El estado líquido Viscosidad Tensión superficial Acción capilar Evaporación Presión de vapor Puntos de ebullición y destilación Transferencia de calor en líquidos 310

8 El estado sólido Punto de fusión Transferencia de calor en sólidos Sublimación y presión de vapor de los sólidos Diagramas de fase (P contra T) Sólidos amorfos y sólidos cristalinos Estructuras de los cristales Enlaces en sólidos Teoría de banda de los metales SOLUCIONES 340 El proceso de disolución Espontaneidad del proceso de disolución Disolución de sólidos en líquidos Disolución de líquidos en líquidos (miscibilidad) Disolución de gases en líquidos Velocidades de disolución y saturación Efecto de la temperatura en la solubilidad Efecto de la presión en la solubilidad Molalidad y fracción molar 351 Propiedades coligativas de las soluciones Abatimiento de la presión de vapor y la ley de Raoult Destilación fraccionada Elevación del punto de ebullición Abatimiento del punto de congelación Determinación del peso molecular por abatimiento del punto de congelación Disociación de electrólitos y propiedades coligativas Presión de la membrana osmótica Purificación de agua por osmosis inversa 364 Coloides Efecto Tyndall El fenómeno de adsorción Coloides hidrofílicos e hidrofóbicos ÁCIDOS, BASES Y SALES La teoría de Arrhenius El ion hidrógeno hidratado La teoría de Br0nsted-Lowry Propiedades de soluciones acuosas de ácidos y bases Fuerzas de ácidos binarios Reacciones de ácidos y bases Sales acidas y sales básicas Nomenclatura de ácidos ternarios y sus sales Fuerzas de los ácidos ternarios y anfoterismo La preparación de ácidos La preparación de bases solubles fuertes La teoría de Lewis 392

9 Concentraciones y reacciones acuosas ácido/base Cálculos de molaridad Estandarización de soluciones y titulaciones ácido-base: procedimientos Estandarización de soluciones y titulaciones ácido-base: cálculos REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN Conceptos fundamentales 410 Balanceo de ecuaciones de óxido-reducción Método del cambio en el número de oxidación Adición de H +, OH - o H 2 0 para balancear oxígeno o hidrógeno Método del ion-electrón (método de la semirreacción) 418 Titulaciones rédox Método de la mol y soluciones molares de agentes oxidantes o reductores ^esos equivalentes y soluciones normales de agentes oxidantes y reductores TERMODINÁMICA QUÍMICA La primera ley de la termodinámica Algunos términos termodinámicos Cambios de energía interna, AE Calorimetría Cambio de entalpia, AH Entalpias molares estándar de formación, AH f Ley de Hess Energía de enlace El ciclo de Born-Haber La segunda ley de la termodinámica Entropías, S Cambio de energía libre, AG CINÉTICA QUÍMICA Teoría de colisiones de las velocidades de reacción Teoría del estado de transición 470 Factores que afectan las velocidades de reacción Naturaleza de los reactivos Concentración de los reactivos Temperatura Catalizadores Mecanismos de reacción y expresión de la ley de velocidad Ecuación de velocidad integrada: vida media de un reactivo 489

10 17 EQUILIBRIO QUÍMICO Conceptos fundamentales La constante de equilibrio El cociente de reacción Aplicaciones de la constante de equilibrio, K c Factores que afectan al equilibrio Aplicación de tensión en un sistema en equilibrio Presiones parciales y la constante de equilibrio Relación entre K p y K c Equilibrios heterogéneos Relación entre AG y la constante de equilibrio Evaluación de las constantes de equilibrio a diferentes temperaturas EQUILIBRIOS IÓNICOS I: ÁCIDOS Y BASES Electrólitos fuertes La autoionización del agua La escala de ph Constantes de ionización para ácidos y bases débiles monopróticas Indicadores ácido-base Curvas de titulación ácido fuene/base fuerte El efecto del ion común y las soluciones amortiguadoras Acción amortiguadora Preparación de soluciones amortiguadoras Ácidos polipróticos EQUILIBRIOS IÓNICOS II: HIDRÓLISIS Sales de bases fuertes solubles y ácidos fuertes Sales de bases fuertes y ácidos débiles Sales de bases débiles y ácidos fuertes Sales de bases débiles y ácidos débiles Curvas de titulación ácido débil/base fuerte Hidrólisis de cationes pequeños con carga elevada EQUILIBRIO IÓNICO III: EL PRINCIPIO DEL PRODUCTO DE SOLUBILIDAD Constantes del producto de solubilidad Determinación de las constantes del producto de solubilidad Aplicaciones de las constantes del producto de solubilidad Precipitación fraccionada Equilibrios simultáneos de compuestos poco solubles Disolución de precipitados ELECTROQUÍMICA Conductividad eléctrica Electrodos 602

11 XXVlll CONTENIDO Celdas electrolíticas La electrólisis de cloruro de sodio fundido (la celda de Downs) Electrólisis de cloruro de sodio acuoso La electrólisis de sulfato de sodio acuoso Ley de Faraday de electrólisis Determinación del estado de oxidación (carga de un ion) mediante electrólisis Refinación electrolítica y electroplateado de metales 609 Celdas voltaicas o galvánicas Construcción de celdas voltaicas simples La celda zinc-cobre La celda cobre-plata 613 Potenciales estándar del electrodo El electrodo estándar de hidrógeno La celda zinc-ehe La celda cobre-ehe La serie electromotriz (serie de actividades) de los elementos Aplicaciones de la serie electromotriz Potenciales de elec^odo para otras semirreacciones Corrosión Protección contra la corrosión 623 Efecto de las concentraciones (o presiones parciales) sobre los potenciales del electrodo La ecuación de Nernst Relación de? e ida con AG 0 y K 627 Celdas voltaicas primarias La celda seca (celda de Leclanché) 631 Celdas voltaicas secundarias El acumulador de plomo La celda de níquel-cadmio (nicad) La celda combustible de hidrógeno-oxígeno METALES Y METALURGIA 642 Metales Abundancia de los metales 647 Metalurgia 22-2 Tratamiento de los minerales 22-3 Reducción a metales libres Refinación o purificación de metales 650

12 Metalurgias de metales específicos Aluminio Hierro Cobre Oro Magnesio Utilización y conservación de los recursos metálicos LOS METALES REPRESENTATIVOS 662 Los metales alcalinos (grupo IA) Metales del grupo IA: propiedades y abundancia Reacciones de los metales del grupo IA Aplicaciones de los metales del grupo IA y sus compuestos 666 Los metales alcalinotérreos (grupo HA) Metales del grupo ILA: propiedades y abundancia Reacciones de los metales del grupo ILA Aplicaciones de los metales del grupo ILA y sus compuestos 670 Los metales de postransición Tendencias periódicas grupos IIIA y IVA Aluminio Estaño, plomo y bismuto ELEMENTOS NO METÁLICOS, PARTE I: GASES NOBLES Y EL GRUPO VIIA 679 Los gases nobles (grupo 0) Abundancia, manera de aislarlos y aplicaciones Propiedades físicas Propiedades químicas Compuestos de xenón 682 Los halógenos (grupo VIIA) Propiedades de los halógenos Abundancia, producción y aplicaciones Reacciones de los halógenos libres Interhalógenos Los halogenuros de hidrógeno Preparación de los halogenuros de hidrógeno Soluciones acuosas de halogenuros de hidrógeno (ácidos alhídricos) Halogenuros de otros elementos Oxiácidos de los halógenos ELEMENTOS NO METÁLICOS, PARTE II: ELEMENTOS DEL GRUPO VIA 697 Azufre, selenio y telurio Abundancia, propiedades y aplicaciones de los elementos 699

13 25-2 Reacciones de los no metales del grupo VIA Hidruros de los elementos del grupo VIA Soluciones acuosas de los hidruros del grupo VIA Reacciones de los hidruros del grupo VIA Sulfuros metálicos y compuestos análogos Halogenuros de los elementos del grupo VIA 703 Óxidos del grupo VIA Dióxidos del grupo VIA: S0 2, Se0 2 y Te Trióxidos del grupo VIA: S0 3, Se0 3 y Te Oxiácidos de azufre, setenio y telurio Ácidos sulfuroso, selenoso y teluroso Ácidos sulfúrico, selénico y telúrico Ácido tiosulfúrico y tiosulfatos ELEMENTOS NO METÁLICOS, PARTE III: ELEMENTOS DEL GRUPO VA 712 Nitrógeno Abundancia, propiedades e importancia El ciclo del nitrógeno Producción y estados de oxidación del nitrógeno 715 Compuestos nitrogenados con hidrógeno Amoniaco y sales de amonio Aminas Hidrazina 718 Óxidos de nitrógeno Óxido de dinitrógeno (estado de oxidación + 1) Óxido de nitrógeno (estado de oxidación + 2) Trióxido de dinitrógeno (estado de oxidación + 3) Dióxido de nitrógeno y tetraóxido de dinitrógeno (estado de oxidación + 4) Pentaóxido de dinitrógeno (estado de oxidación + 5) Óxidos de nitrógeno y niebla fotoquímica 721 Algunos oxiácidos del nitrógeno y sus sales Ácido nitroso (estado de oxidación +3) Ácido nítrico (estado de oxidación +5) NaN0 2 y NaN0 3 como aditivos alimenticios 724 Fósforo y arsénico Fósforo: abundancia, producción y aplicaciones Arsénico Alótropos del fósforo y el arsénico Fosfina y arsina 726

14 26-20 Halogenuros de fósforo y arsénico Óxidos y ácidos de fósforo y arsénico ELEMENTOS NO METÁLICOS, PARTE IV: CARBONO, SILICIO Y BORO 732 Carbono Abundancia del carbono Reacciones del carbono Óxidos de carbono Ácido carbónico y carbonatos Tetrahalogenuros de carbono 741 Silicio Producción y aplicaciones del silicio Propiedades químicas del silicio Halogenuros de silicio Dióxido de silicio (sílice) Silicatos y ácidos silícicos Silicatos naturales Silicones 746 Boro Ácidos bóricos y óxido de boro Boro elemental Enlaces de tres centros con dos electrones Hidruros de boro (boranos) Haluros de boro LOS METALES DE TRANSICIÓN 753 Los metales de transición-d Propiedades generales Configuraciones electrónicas y estados de oxidación Clasificación en subgrupos Color Tendencias en las propiedades físicas Óxidos e hidróxidos de manganeso Óxidos e hidróxidos de cromo Metales de transición como catalizadores 766 Las tierras raras (metales de transición-f) COMPUESTOS DE COORDINACIÓN Compuestos de coordinación Complejos animados Términos importantes v Nomenclatura Estructuras 778

15 Isomerismo en compuestos de coordinación Isómeros estructurales Estereoisómeros 782 Enlace en compuestos de coordinación Teoría del enlace valencia Teoría del campo cristalino El color y la serie espectroquímica Energía de estabilización del campo cristalino QUÍMICA NUCLEAR El núcleo Relación neutrón-protón y estabilidad nuclear Estabilidad nuclear y energía de enlace Desintegración radiactiva Núcleos por encima de la banda de estabilidad Núcleos por debajo de la banda de estabilidad Núcleos con número atómico mayor de Detección de radiaciones Velocidad de desintegración y vida media Series de desintegración Aplicaciones de los radionuclides Transmutaciones artificiales de los elementos Fisión y fusión nuclear La bomba atómica (fisión) Reactores nucleares (fisión) Energía de fusión nuclear (termonuclear) QUÍMICA ORGÁNICA I: HIDROCARBUROS 831 Hidrocarburos saturados Los aléanos Nomenclatura de los hidrocarburos saturados Conformaciones Propiedades químicas de los aléanos Reacciones de sustitución Oxidación de los aléanos Petróleo 842 Hidrocarburos no saturados Los alquenos (olefinas) Reacciones de los alquenos Oxidación de los alquenos Los alquinos 848 Hidrocarburos aromáticos Benceno Otros hidrocarburos aromáticos Reacciones de los hidrocarburos aromáticos 852

16 32 QUÍMICA ORGÁNICA II: GRUPOS FUNCIONALES 857 Alcoholes y fenoles Nomenclatura de alcoholes y fenoles Propiedades físicas de alcoholes y fenoles Preparación de algunos alcoholes Reacciones de alcoholes y fenoles 862 Ácidos carboxílicos Nomenclatura, estructura y fuerza de los ácidos carboxílicos 864 Algunos derivados de los ácidos carboxílicos ^ Haluros de acilo (haluros ácidos) Esteres Poliésteres 871 Aminas Estructura y nomenclatura de las aminas Reacciones de las aminas 874 Amidas Preparación, estructura y nomenclatura de las amidas 874 Aldehidos y cetonas Estructura y nomenclatura de aldehidos y cetonas Preparación de aldehidos y cetonas 879 Éteres 879 Apéndice A Algunas operaciones matemáticas A.2 Apéndice B Configuraciones electrónicas de los átomos de los elementos A.7 Apéndice C Unidades, equivalencias y factores de conversión de uso frecuente A. 10 Apéndice D Constantes físicas A. 13 Apéndice E Algunas constantes físicas para el agua y algunas sustancias comunes A. 14 Apéndice F Constantes de ionización para ácidos débiles a 25 C A.16 Apéndice G Constantes de ionización para bases débiles a 25 C A. 17 Apéndice H Constantes del producto de solubilidad para algunos compuestos inorgánicos a 25 C A. 18 Apéndice I Constantes de disociación para algunos iones Apéndice J complejos A. 20 Potenciales estándar de reducción en solución acuosa a 25 C A.21 Apéndice K Algunos valores termodinámicos A.24 Apéndice L Respuestas para los ejercicios de números pares A. 26 Créditos de ilustraciones y tablas. A.33 índice 1.1