Fundamentos de Química Analítica

1090 Pages·2015·21.12 MB·Spanish

by  Duglas Skoog

SKOOG
SKOOG | WEST
Fundamentos de química analítica, novena edición, es un libro de texto introductorio di-
WEST
señado principalmente para cursos de nivel superior. En esta edición se han incluido aplicacio-

FUNDAMENTOS DE
nes en los campos de la biología, la medicina, las ciencias de materiales, la ecología, las cien- Q
HOLLER
cias forenses y otras áreas relacionadas.
El objetivo primordial de este texto es proporcionar un profundo conocimiento sobre los
CROUCH UÍMICA

principios químicos que son particularmente importantes para la química analítica. Busca que
los estudiantes desarrollen y evalúen la precisión y la exactitud de los datos experimentales.
Esta edición incorpora varias características y métodos destinados a mejorar la experiencia
de aprendizaje para el alumno y proporciona herramientas versátiles de enseñanza para el
profesor. Entre ellas se encuentran:
ANALÍTICA
• Nivel matemático. Los principios del análisis químico desarrollados en este texto
están basados en álgebra superior, pero algunos de los conceptos que se presentan
requieren fundamentos de cálculo diferencial e integral.
AQ
• Ejemplos elaborados. Un gran número de ejemplos sirven como complemento para
Novena edición
comprender los conceptos de la química analítica. Se mantiene la práctica de incluir uni-
N
dades en los cálculos químicos y de utilizar el método del factor común para comprobar

su veracidad. Los ejemplos también son modelos para la resolución de problemas ubi- U
A
cados al fi nal de la mayoría de los capítulos.
F
U
• Operaciones en hojas de cálculo. En el libro se presentan hojas de cálculo para LÍ
N
resolver proble mas, análisis gráfi co y muchas otras aplicaciones. El programa Microsoft M D
Í
Excel® ha sido adoptado como el estándar para realizar estas operaciones, pero las A
T
instrucciones pueden adaptarse fácilmente a otros programas que funcionan con base M
en hojas de cálculo y plataformas. I E
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• Preguntas y problemas. Un conjunto de preguntas y problemas ha sido incluido al C T
O
fi nal de la mayoría de los capítulos. Adicional a que las respuestas de cerca de la mitad
AA S
de los problemas se incluyan al fi nal del libro, ciertos problemas se resuelven mejor con
D
el uso de hojas de cálculo siguiendo las indicaciones del texto. E

• Desafíos. Algunos capítulos incluyen un problema de desafío al fi nal de cada sec ción
de preguntas y problemas. Estos problemas son más difíciles de resolver ya que tienen
como propósito que el estudiante investigue y refl exione de manera indepen diente.
• Artículos. Una serie de artículos fueron resaltados a lo largo del del texto, son ensayos
que contienen aplicaciones interesantes de la química analítica en el mundo actual, en
la derivación de ecuaciones, en las explicaciones de las bases teóricas de los temas más
complicados o notas históricas.
Novena
edición
ISBN-13: 978-6075193779
ISBN-10: 6075193774
F. JAMES HOLLER | STANLEY R. CROUCH
Visite nuestro sitio en http://latinoamerica.cengage.com 9 786075 193779
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Fundamentos
de química
analítica
NOVENA EDICIÓN

Fundamentos
de química
analítica
NOVENA EDICIÓN
Douglas A. Skoog
Stanford University
Donald M. West
San Jose State University
F. James Holler
University of Kentucky
Stanley R. Crouch
Michigan State University
TRADUCCIÓN
Dr. Eugenio de la Mora Lugo
Universidad Nacional Autónoma de México
M. en C. Jesús Miguel Torres Flores
Universidad Nacional Autónoma de México
REVISIÓN TÉCNICA
M. en C. María Aurora Lanto Arriola
Profesora titular de química analítica
Escuela Nacional de Ciencias Biológicas
Instituto Politécnico Nacional
Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur
AuAsutsrtarlialia a• • BrBraasisli l • • CCoorreeaa •• EEssppaaññaa •• EEssttaaddoos s UUniniddoso •s •J aJpaópnó •n • MéMxiécxio c• o •
RReeiinnoo UUnniiddoo •• SiSinnggaappurur
Fundamentos de química analítica, © D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.,
Novena edición una Compañía de Cengage Learning, Inc.
Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Corporativo Santa Fe
Holler y Stanley R. Crouch Av. Santa Fe núm. 505, piso 12
Col. Cruz Manca, Santa Fe
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para Latinoamérica: por escrito de la Editorial.
Pilar Hernández Santamarina
Traducido del libro Fundamentals of Analytical Chemistry.
Gerente de Proyectos Especiales: Ninth Edition.
Luciana Rabuffetti Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler
and Stanley R. Crouch.
Coordinador de Manufactura: Publicado en inglés por Brooks/Cole, una compañía
Rafael Pérez González de Cengage Learning ©2014
ISBN: 978-0-495-55828-6
Editora:
Abril Vega Orozco Datos para catalogación bibliográfica:
Skoog, Douglas A., Donald M. West, F. James Holler
Diseño de portada: y Stanley R. Crouch.
Karla Paola Benítez García Fundamentos de química analítica. Novena edición.
ISBN: 978-607-519-937-6
Imágenes de portada:
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Composición tipográfica:
Mariana Sierra Enríquez
Impreso en México
1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14
Contenido breve
Capítulo 1 Naturaleza de la química analítica 1
PARTE I HERRAMIENTAS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA 14
Capítulo 2 Sustancias químicas, aparatos y operaciones unitarias
de la química analítica 15
Capítulo 3 Uso de hojas de cálculo en la química analítica 48
Capítulo 4 Cálculos utilizados en la química analítica 62
Capítulo 5 Errores en el análisis químico 82
Capítulo 6 Errores aleatorios en el análisis químico 93
Capítulo 7 Tratamiento y evaluación estadísticos de los datos 123
Capítulo 8 Muestreo, estandarización y calibración 153
PARTE II EQUILIBRIOS QUÍMICOS(cid:11)196
Capítulo 9 Disoluciones acuosas y equilibrios químicos 197
Capítulo 10 Efecto de los electrolitos sobre el equilibrio químico 235
Capítulo 11 Resolución de problemas sobre el equilibrio
para sistemas complejos 249
PARTE III MÉTODOS DE ANÁLISIS CLÁSICOS 279
Capítulo 12 Métodos de análisis gravimétricos 280
Capítulo 13 Valoraciones en química analítica 302
Capítulo 14 Principios de las valoraciones de neutralización 322
Capítulo 15 Sistemas complejos ácido/base 348
Capítulo 16 Aplicaciones de las valoraciones de neutralización 381
Capítulo 17 Reacciones y valoraciones complejométricas
y de precipitación 400
PARTE IV MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS 441
Capítulo 18 Introducción a la electroquímica 442
Capítulo 19 Aplicaciones de los potenciales de electrodo estándar 473
Capítulo 20 Aplicaciones de las valoraciones de oxidación/reducción 509
Capítulo 21 Potenciometría 535
Capítulo 22 Electrólisis en masa: electrogravimetría
y coulombimetría 578
Capítulo 23 Voltametría 610
PARTE V ANÁLISIS ESPECTROQUÍMICO 649
Capítulo 24 Introducción a los métodos espectroquímicos 650
Capítulo 25 Instrumentos de espectrometría óptica 683
Capítulo 26 Espectrometría de absorción molecular 722
Capítulo 27 Espectrometría de fluorescencia molecular 760
v
vi(cid:20)(cid:31)CONTENIDO BREVE
Capítulo 28 Espectroscopia atómica 773
Capítulo 29 Espectrometría de masas 802
PARTE VI CINÉTICA Y SEPARACIONES 818
Capítulo 30 Métodos cinéticos de análisis 819
Capítulo 31 Introducción a las separaciones analíticas 847
Capítulo 32 Cromatografía de gases 887
Capítulo 33 Cromatografía líquida de alta resolución 912
Capítulo 34 Métodos de separación diversos 935
PARTE VII ASPECTOS PRÁCTICOS DEL ANÁLISIS QUÍMICO 959
Los siguientes capítulos se encuentran disponibles en línea como documento Adobe
Acrobat® pdf en el sitio http://latam.cengage.com/skoog
Capítulo 35 Análisis de muestras reales 960
Capítulo 36 Preparación de muestras para el análisis 970
Capítulo 37 Descomposición y disolución de muestras 976
Capítulo 38 Métodos seleccionados de análisis 986
Glosario G-1
Apéndice 1 Bibliografía de química analítica A-1
Apéndice 2 Constantes de producto de solubilidad a 25 °C A-6
Apéndice 3 Constantes de disociación de ácidos a 25 °C A-8
Apéndice 4 Constantes de formación a 25 °C A-10
Apéndice 5 Potenciales de electrodo estándar y potenciales A-12
Apéndice 6 Uso de números exponenciales y logaritmos A-15
Apéndice 7 Cálculos volumétricos utilizando normalidad y peso
equivalente A-19
Apéndice 8 Compuestos recomendados para la preparación de disoluciones
estándar de algunos elementos comunes A-27
Apéndice 9 Deducción de las ecuaciones de propagación de error A-29
Respuestas a preguntas y problemas seleccionados R-34
Índice analítico I-1
Material de apoyo M-1
Contenido detallado
Capítulo 1 Naturaleza de la química analítica 1 Artículo 6.1 Monedas al aire: una actividad que ilustra
una distribución normal 97
1A La función de la química analítica 2
6B Tratamiento estadístico de los errores aleatorios 98
1B Métodos analíticos cuantitativos 4
Artículo 6.2 Determinación del área bajo la curva
1C El análisis cuantitativo típico 4
de Gauss 101
1D La función integral del análisis químico: sistemas de control Artículo 6.3 Importancia del número de grados
por retroalimentación 9 de libertad 104
Artículo 1.1 Muerte de venados: el estudio de un caso Artículo 6.4 Ecuación para calcular la desviación estándar
que ilustra el uso de la química analítica combinada 107
para resolver un problema de toxicología 10 6C Desviación estándar de los resultados calculados 110
6D Presentación de los datos calculados 115
PARTE I(cid:11)HERRAMIENTAS
DE LA QUÍMICA ANALÍTICA(cid:11)14
Capítulo 7 Tratamiento y evaluación estadísticos
de los datos 123
Capítulo 2 Sustancias químicas, aparatos y operaciones
7A Intervalos de confianza 124
unitarias de la química analítica 15
Artículo 7.1 W. S. Gossett (Student) 127
2A Selección y manejo de reactivos y de otras sustancias
7B Auxiliares estadísticos de las pruebas de hipótesis 129
químicas 16
7C Análisis de varianza 140
2B Limpieza y rotulado del material de laboratorio 17
7D Detección de errores brutos 146
2C Evaporación de líquidos 18
2D Medición de la masa 18 Capítulo 8 Muestreo, estandarización y calibración 153
2E Equipo y manipulaciones asociadas con la pesada 25 8A Muestras y métodos analíticos 153
2F Filtración y calcinación de sólidos 28 8B Muestreo 156
2G Medición del volumen 34 8C Manejo automatizado de muestras 164
2H Calibración del material volumétrico 43 8D Estandarización y calibración 167
2I Libreta de laboratorio 45 Artículo 8.1 El laboratorio en un chip 168
2J Seguridad en el laboratorio 46 Artículo 8.2 Un método comparativo para las aflatoxinas 169
Artículo 8.3 Calibración multivariada 180
Capítulo 3 Uso de hojas de cálculo en la química
8E Parámetros de calidad para los métodos analíticos 186
analítica 48
3A Mantenimiento de registros y cálculos 49 PARTE II(cid:11)EQUILIBRIOS QUÍMICOS 196
3B Ejemplos más complejos 52
Capítulo 9 Disoluciones acuosas y equilibrios químicos 197
Capítulo 4 Cálculos utilizados en la química analítica 62 9A Composición química de las disoluciones acuosas 197
4A Algunas unidades de medición importantes 62 9B Equilibrio químico 202
Artículo 4.1 Unidades de masa unificadas y el mol 65 Artículo 9.1 Constantes de formación sucesivas y generales
Artículo 4.2 Método del factor de conversión para la formación de iones complejos 205
para el ejemplo 4.2 67 Artículo 9.2 ¿Por qué [HO] no aparece en las expresiones
2
4B Disoluciones y sus concentraciones 67 de equilibrio químico para disoluciones
4C Estequiometría química 75 acuosas? 206
Artículo 9.3 Fuerzas relativas de los pares ácido/base
Capítulo 5 Errores en el análisis químico 82 conjugados 212
5A Algunos conceptos importantes 84 Artículo 9.4 El método de aproximaciones sucesivas 217
5B Errores sistemáticos 87 9C Disoluciones amortiguadoras 219
Artículo 9.5 La ecuación de Henderson-Hasselbalch 221
Capítulo 6 Errores aleatorios en el análisis químico 93 Artículo 9.6 Lluvia ácida y capacidad amortiguadora
6A Naturaleza de los errores aleatorios 93 de los lagos 227
vii
viii(cid:20)(cid:31)CONTENIDO DETALLADO
Capítulo 10 Efecto de los electrolitos sobre el equilibrio Capítulo 15 Sistemas ácido/base complejos 348
químico 235 15A Mezclas de ácidos fuertes y débiles o de bases fuertes
10A Efecto de los electrolitos sobre el equilibrio químico 235 y débiles 348
10B Coeficientes de actividad 239 15B Ácidos y bases polifuncionales 352
Artículo 10.1 Coeficientes de actividad media 242 15C Disoluciones amortiguadoras que involucran ácidos
polipróticos 354
Capítulo 11 Resolución de problemas sobre el equilibrio 15D Cálculo del pH de disoluciones de NaHA 356
para sistemas complejos 249 15E Curvas de valoración para ácidos polifuncionales 360
11A Resolución de problemas de equilibrio múltiple Artículo 15.1 La disociación del ácido sulfúrico 368
mediante un método sistemático 250
15F Curvas de valoración para bases polifuncionales 369
11B Cálculos de solubilidad empleando el método sistemático 256
15G Curvas de valoración para especies anfóteras 371
Artículo 11.1 Expresiones algebraicas necesarias para calcular Artículo 15.2 Comportamiento ácido/base
la solubilidad del CaCO en agua 262
2 4 de los aminoácidos 371
11C Separación de iones por medio del control
15H Composición de las disoluciones de ácidos polipróticos
de la concentración del agente precipitante 268
como función del pH 373
Artículo 11.2 Immunoensayo: equilibrio en la determinación Artículo 15.3 Una expresión general para los valores alfa 374
específica de fármacos 272
Artículo 15.4 Diagramas de concentración logarítmica 375
PARTE III MÉTODOS DE ANÁLISIS
Capítulo 16 Aplicaciones de las valoraciones
CLÁSICOS(cid:11)279
de neutralización 381
16A Reactivos para las valoraciones de neutralización 382
Capítulo 12 Métodos de análisis gravimétricos 280
16B Aplicaciones típicas de las valoraciones
12A Precipitación gravimétrica 280
de neutralización 387
Artículo 12.1 Área de superficie de los coloides 287
Artículo 16.1 Determinación de proteínas totales del suero 388
12B Cálculo de resultados a partir de datos gravimétricos 291 Artículo 16.2 Otros métodos para determinar nitrógeno
12C Aplicaciones de los métodos gravimétricos 294 orgánico 388
Artículo 16.3 Masas equivalentes de ácidos y bases 394
Capítulo 13 Valoraciones en química analítica 302
13A Algunos conceptos utilizados en las valoraciones Capítulo 17 Reacciones y valoraciones complejométricas
volumétricas 303 y de precipitación 400
13B Disoluciones estándar 305 17A Formación de complejos 400
13C Cálculos volumétricos 306 Artículo 17.1 Cálculo de valores alfa para complejos
Artículo 13.1 Otro enfoque al ejemplo 13.6a 311 metálicos 403
Artículo 13.2 Redondeando la respuesta del ejemplo 13.7 312 17B Valoraciones con agentes inorgánicos complejométricos 406
13D Valoraciones gravimétricas 314 Artículo 17.2 Determinación de cianuro de hidrógeno
13E Curvas de valoración 315 en desagües de plantas de acrilonitrilo 407
Artículo 13.3 Cálculo de los volúmenes de NaOH mostrados 17C Agentes orgánicos complejométricos 413
en la primera columna de la tabla 13.1 317 17D Valoraciones con ácidos aminocarboxílicos 414
Artículo 17.3 Especies presentes en una disolución de edta 415
Capítulo 14 Principios de las valoraciones de neutralización
Artículo 17.4 edta como conservador 418
14A Disoluciones e indicadores para valoraciones ácidos/ Artículo 17.5 Curvas de valoración con edta en presencia
base 322
de un agente complejante 428
14B Valoración de ácidos y bases fuertes 326 Artículo 17.6 Aumento de la selectividad de las valoraciones
Artículo 14.1 Uso de la ecuación de balance de carga para generar con edta utilizando agentes enmascarantes y
las curvas de valoración 328 desenmascarantes 435
Artículo 14.2 Cifras significativas en los cálculos de curvas Artículo 17.7 Equipos de prueba para evaluar la dureza
de valoración 331 del agua 436
14C Curvas de valoración para ácidos débiles 332
Artículo 14.3 Determinación de las constantes de disociación PARTE IV MÉTODOS
de ácidos y bases débiles 334 ELECTROQUÍMICOS(cid:11)441
Artículo 14.4 Método de la ecuación maestra para valoraciones
ácido débil/base fuerte 336 Capítulo 18 Introducción a la electroquímica 442
14D Curvas de valoración para bases débiles 337 18A Caracterización de reacciones de oxidación/reducción 442
Artículo 14.5 Determinación de los valores de pK Artículo 18.1 Balanceo de ecuaciones redox 444
para aminoácidos 339 18B Celdas electroquímicas 446
14E Composición de disoluciones durante las valoraciones ácido/ Artículo 18.2 La celda de gravedad de Daniell 450
base 341 18C Potenciales de electrodo 451
Artículo 14.6 Identificación de los puntos finales de la valoración Artículo 18.3 Por qué no se pueden medir potenciales
a partir de mediciones de pH 342 de electrodo absolutos 456
CONTENIDO DETALLADO(cid:31)(cid:20)ix
Artículo 18.4 Convenciones de signos en la literatura antigua 464 Capítulo 23 Voltametría 610
Artículo 18.5 ¿Por qué existen dos potenciales de electrodo 23A Señales de excitación en voltametría 611
para Br2 en la tabla 18.1? 466 23B Instrumentación voltamétrica 612
Capítulo 19 Aplicaciones de los potenciales de electrodos Artículo 23.1 Instrumentos voltamétricos basados
en amplificadores operacionales 613
estándar 473
23C Voltametría hidrodinámica 618
19A Cálculo de los potenciales de celdas electroquímicas 473
23D Polarografía 633
19B Determinación experimental de potenciales estándar 480
23E Voltametría cíclica 635
Artículo 19.1 Sistemas biológicos redox 482
23F Voltametría de pulso 639
19C Cálculo de las constantes de equilibrio redox 482
23G Aplicaciones de la voltametría 642
Artículo 19.2 Expresión general para calcular constantes
de equilibrio a partir de potenciales estándar 487 23H Métodos de redisolución 643
19D Construcción de curvas de valoración redox 488 23I Voltametría con microelectrodos 645
Artículo 19.3 Método de la ecuación maestra inversa para curvas
de valoración redox 497 PARTE V ANÁLISIS ESPECTROQUÍMICO 649
Artículo 19.4 Velocidades de reacción y potenciales Capítulo 24 Introducción a los métodos
de electrodo 502
espectroquímicos 650
19E Indicadores de oxidación/reducción 502
24A Propiedades de la radiación electromagnética 651
19F Puntos finales potenciométricos 505
24B Interacción de la radiación con la materia 654
Capítulo 20 Aplicaciones de las valoraciones de oxidación/ Artículo 24.1 Espectroscopia y descubrimiento de nuevos
reducción 509 elementos 657
20A Reactivos oxidantes y reductores auxiliares 509 24C Absorción de la radiación 658
20B Aplicación de agentes reductores estándar 511 Artículo 24.2 Derivación de la ley de Beer 660
20C Aplicación de agentes oxidantes estándar 515 Artículo 24.3 ¿Por qué una disolución roja es roja? 665
Artículo 20.1 Determinación de especies químicas de cromo 2D Emisión de la radiación electromagnética 674
en muestras de agua 517
Capítulo 25 Instrumentos de espectrometría óptica 683
Artículo 20.2 Antioxidantes 522
25A Componentes instrumentales 683
Capítulo 21 Potenciometría 535 Artículo 25.1 Fuentes láser: la luz fantástica 687
Artículo 25.2 Origen de la ecuación 25.1 693
21A Principios generales 536
Artículo 25.3 Producción de rejillas grabadas
21B Electrodos de referencia 537
y holográficas 695
21C Potenciales de unión líquida 539
Artículo 25.4 Bases de la ecuación 25.2 698
21D Electrodos indicadores 540
Artículo 25.5 Señales, ruido y la relación señal-ruido 700
Artículo 21.1 Un electrodo de membrana líquida selectiva
Artículo 25.6 Medición de fotocorrientes con amplificadores
ion selectivo fácil de construir 552
operacionales 708
Artículo 21.2 Estructura y desempeño de los transistores de efecto
25B Fotómetros y espectrofotómetros para la región ultravioleta/
de campo sensibles a iones 554
visible 710
Artículo 21.3 Pruebas clínicas de cabecera: gases y electrolitos
25C Espectrofotómetros infrarrojos 713
en sangre con instrumentación portátil 558
Artículo 25.7 ¿Cómo funciona un espectrómetro infrarrojo
21E Instrumentos para medir el potencial de celda 560
de transformada de Fourier? 715
Artículo 21.4 Error de carga en las mediciones de potencial 560
Artículo 21.5 Mediciones de voltaje con amplificador Capítulo 26 Espectrometría de absorción molecular 722
operacional 562 26A Espectroscopia de absorción molecular ultravioleta
21F Potenciometría directa 563 y visible 722
21G Valoraciones potenciométricas 569 26B Métodos fotométricos y espectrofotométricos
21H Determinación potenciométrica de constantes automatizados 744
de equilibrio 573 26C Espectroscopia de absorción infrarroja 746
Artículo 26.1 Producción de espectros con un espectrómetro
Capítulo 22 Electrólisis en masa: electrogravimetría y
ftir 751
coulombimetría 578
22A El efecto de la corriente eléctrica sobre los potenciales de Capítulo 27 Espectroscopia de fluorescencia molecular
celda 579 27A Teoría de la fluorescencia molecular 760
Artículo 22.1 El sobrevoltaje y la batería de plomo/ácido 586 27B Efecto de la concentración en la intensidad
22B Selectividad de los métodos electrolíticos 586 de fluorescencia 764
22C Métodos electrogravimétricos 588 27C Instrumentación de fluorescencia 765
22D Métodos coulombimétricos 594 27D Aplicaciones de los métodos de fluorescencia 766
Artículo 22.2 Valoración coulombimétrica de cloruro en fluidos Artículo 27.1 Uso de sondas de fluorescencia en neurobiología:
biológicos 603 sondeando a los iluminados 767