LABORATORIO DE TÉCNICAS BÁSICAS, 1000025, II-10
EXPERIMENTO
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MEDIDAS Y SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES OBJETIVOS: Utilizar las unidades básicas y derivadas del sistema internacional. · Reportar los datos con el número apropiado de cifras significativas. · Adquirir el el concepto concepto de presión presión y su medida. Determinar la presión máxima que es capaz de ejercer cada estudiante utilizando sus pulmones. Calcular la presión ejercida por un cuerpo sobre una superficie. Aprender Aprender a manejar manejar la pipeta. pipeta. Aprender Aprender a manejar manejar balanzas. balanzas. Hacer algunos cálculos estadísticos.
INTRODUCCIÓN La química es una ciencia experimental cuya esencia son las medidas. Los científicos deben ser capaces de obtener medidas precisas, confiables y deben tener la capacidad de interpretarlas conociendo sus alcances y limitaciones; por lo tanto, es importante para el estudiante que se inicia conocer los instrumentos de medida y su uso.
En la ciencia y la técnica frecuentemente se realizan mediciones que se usan en cálculos para obtener otras cantidades relacionadas. Los diferentes instrumentos permiten medir las propiedades cuantificables de una sustancia. Por ejemplo: con una cinta métrica se mide la longitud; con la bureta, pipeta, probeta graduada y matraz o balón volumétrico, se mide el volumen; con la balanza, la masa y con el termómetro, la temperatura. Una cantidad medida suele describirse como un número acompañado de la unidad apropiada. Esta práctica fue diseñada para mostrar al estudiante la importancia de registrar adecuadamente las medidas que se realizan en un laboratorio de química. Además, induce a la observación, descripción y análisis de los resultados. También incluye una introducción al manejo gráfico de resultados. La selección apropiada de un instrumento de medida requiere tener una idea clara de qué es lo que se pretende con la información a adquirir y conocer los alcances y las limitaciones de los instrumentos. Una vez se ha seleccionado un instrumento, el siguiente paso es utilizarlo adecuadamente para obtener de él los mejores datos posibles.
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Para esta práctica y el análisis de la información obtenida es INDISPENSABLE que el estudiante lea el capítulo de medidas del libro de Técnicas y Medidas Básicas en el
Laboratorio de Química.
Otros Aspectos Conceptuales: El Picnómetro:
El picnómetro es un instrumento utilizado para medir la densidad de líquidos y utilizando el principio de Arquímedes se puede aplicar también a la determinación de la densidad de sólidos. La principal virtud del picnómetro es la reproducibilidad de llenado, esa misma virtud lo hace un instrumento costoso y como comúnmente se construye de vidrio, es también un instrumento delicado. El volumen del picnómetro por lo general es desconocido pero al llenarlo con diferentes sustancias es un volumen reproducible. El picnómetro se utiliza de modo comparativo: el volumen del picnómetro lleno de agua será el mismo cuando se llene con la sustancia de interés. Vagua = Vlíquido de interés La densidad (d) que es el cociente de dos propiedades extensivas -la masa (m) y el volumen (V) - es una propiedad intensiva: d=m/V, así partiendo de que el volumen de llenado del picnómetro es reproducible, se puede establecer que: magua/dagua = mlíquido de interés/dlíquido de interés Si se mide la masa de agua que cabe en el picnómetro a cierta temperatura y la masa del líquido de interés que cabe en el picnómetro, a la misma temperatura, es posible conocer la densidad del líquido de interés si se conoce la densidad del agua a esa temperatura. En ocasiones para evitar tener que consultar el valor de la densidad del agua a la temperatura de trabajo se define la propi edad “Gravedad específica” que es el cociente entre la densidad de una sustancia dada y la densidad del agua a la misma temperatura. La gravedad específica es una cantidad adimensional que depende de la temperatura. Utilizando un picnómetro se puede demostrar que: Gravedad específica: Masa de la sustancia/Masa del agua. Donde las masas son las de las cantidades de sustancia y agua que caben en el picnómetro a una temperatura dada. Presión :
Vivimos inmersos en un fluido; el aire, a veces nos olvidamos que existe por que es transparente y estamos acostumbrados a la presión que la atmósfera ejerce sobre nosotros y la superficie terrestre. Sentimos los cambios de presión cuando nos desplazamos en un vehículo de un lugar a otro con distintos niveles sobre la superficie del mar, también cuando nos sumergimos en la piscina. La presión (P) se define como la fuerza (F) que actúa sobre una determinada área (A). Si un cuerpo se coloca sobre una superficie, ejerce sobre ella una fuerza igual a su peso (masa *
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gravedad) la cual se reparte sobre el área total de la base. La presión ejercida por el cuerpo será:
P=F/A = mg /A Donde m es la masa y g la aceleración gravitatoria. Si el cuerpo está construido de un material de densidad constante, la masa (m) es igual al producto de la densidad (d) por el volumen (V). m = dV Para ciertos cuerpos de forma regular como los cilindros y los prismas el volumen se puede expresar como el producto de la altura (h) por el área de la base (A). V = hA Reemplazando en la ecuación de presión se tiene:
P = mg /A = Vdg /A = hAdg /A = dg h De acuerdo con la ecuación anterior si la densidad y la gravedad son constantes existe una relación directamente proporcional entre la presión y la altura de un cuerpo que tenga forma cilíndrica o prismática.
P = kh Donde k es una constante de proporcionalidad igual a la densidad multiplicada por la aceleración gravitatoria. Esta ecuación permite calcular fácilmente la presión ejercida por un líquido sobre el fondo del recipiente o sobre algún cuerpo colocado en su interior, ya que los líquidos, sí son homogéneos, tendrán densidad constante y siempre será posible establecer una columna de líquido que tenga geometría cilíndrica. La presión ejercida por los líquidos se conoce como presión hidrostática. La ecuación anterior permite definir escalas de presión en términos de la altura de líquidos, por ejemplo, es común expresar la presión en mm de Hg o en pulgadas de agua. AI decir mercurio se está fijando la densidad y se asume que la aceleración es la gravedad terrestre y que ésta es constante. Los barómetros nos permiten conocer la presión atmosférica y por lo general son tubos en forma de J que contienen mercurio.
ACTIVIDADES PRELABORATORIO Antes de realizar esta práctica, el estudiante debe: 1.
Consultar y consignar en el cuaderno la información referente a: • • • •
¿Qué es una cifra significativa? ¿Cómo se leen los instrumentos graduados? ¿Qué es la incertidumbre de una medida? ¿Cómo se escriben los datos obtenidos por medidas?
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• • • • • • • •
¿Cómo se expresa el resultado de operaciones matemáticas realizadas con números obtenidos por medidas? ¿Qué es la tolerancia de los instrumentos de medidas? Repasar el manejo de balanza analítica y balanza de platillo externo Leer sobre la medida de la presión utilizando un tubo en U. Buscar sobre el uso y lectura del calibrador Leer sobre ¿Cómo se mide la presión atmosférica? Leer sobre los pasos para el manejo de la pipeta. Leer sobre el uso del pipeteador. Leer con atención sobre unidades del sistema internacional (SI), introducción a la estadística, cifras significativas, densidad, escalas de temperatura. Alistar en el cuaderno las tablas para recolección de datos.
ARTÍCULOS QUE DEBE POSEER EL ESTUDIANTE Regla, gafas de seguridad, pipeteador, guía de laboratorio, cuaderno de laboratorio, blusa, calculadora, regla, toallas de papel y si es posible calibrador.
MATERIALES QUE SUMINISTRA EL LABORATORIO A LOS ESTUDIANTES: Probetas de 100 mL y 25 mL, vaso de 150 mL , termómetro, pipeta aforada de 10,00 mL, picnómetro (según disponibilidad), cilindro metálico, frasco con tapa. •
Reactivos •
Disolución salina de densidad desconocida para estudiante.
Nota: El trabajo es por equipos de dos personas, no se divida el trabajo, ambos deben estar al frente de la misma experiencia, el tiempo asignado a la práctica es suficiente para realizarla.
PROCEDIMIENTO Nota: El orden de realización de cada uno de los numerales no altera el producto. Puede empezar por el procedimiento que desee.
1. Medidas de Presión: a. Observe los diseños y los diámetros de los manómetros designados para la práctica. b. Compare sus capacidades para desplazar las columnas de líquido soplando por la punta de la manguera y midiendo la diferencia de alturas lograda en cada manómetro. c. Limpie la punta de la manguera con una toalla de papel antes de iniciar el experimento. d. Observe que a partir del nivel inicial, la distancia que sube el líquido en una rama es igual a la que baja en la otra, por lo tanto no necesita una escalera para hacer la medida. La diferencia entre los dos niveles del líquido será entonces el doble de lo que disminuye el nivel del líquido en la rama que baja. e. No olvide registrar la información directamente en el cuaderno de laboratorio.
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2. Medidas de masa y volumen: Densidad de un líquido y de un sólido y conteo por pesada. a) Pese una probeta seca de 25 mL en la balanza que se le asigne. b) Agregue un volumen cualquiera de disolución salina. Seque la parte externa de la probeta y vuelva y pese. c) Mida la temperatura del líquido. d) Exprese la densidad de la solución salina determinada con ayuda de la probeta con el número apropiado de cifras significativas. e) Pese el picnómetro vacío, limpio y seco; registre este valor. f) Con ayuda de un vaso de precipitados, transfiera la disolución al picnómetro hasta 1 alcanzar un nivel de aproximadamente ¾ del cuello del recipiente (ver figura 1 ). Coloque la tapa del picnómetro de manera que el líquido llene por completo el capilar, apreté suavemente. g) Seque cuidadosamente el picnómetro con una toalla de papel. Péselo de nuevo y registre el dato. h) Enjuague el picnómetro y repita el procedimiento llenando el picnómetro con agua destilada. Determine la temperatura (°C) del agua destilada y de la solución salina que está utilizando con el termómetro que le fue entregado. i) Busque la densidad del agua a la temperatura de trabajo en alguna Tabla de Constantes Físicas. Calcule la densidad de la disolución salina relativa al agua a la misma temperatura.
Altura aproximada del líquido: ¾ del cuello
Figura 1. Picnómetro j)
Ud. encontrará un gran cilindro con el mismo líquido al que le midió la densidad. Debe calcular, con el número apropiado de cifras significativas, la masa de líquido contenida en él. k) Calcule la presión ejercida por el líquido en el cilindro sobre el fondo del recipiente. No olvide las cifras significativas. l)
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Dentro del material asignado Ud. recibe un pequeño cilindro metálico, péselo en la balanza asignada. Determine el volumen del cilindro metálico mediante el principio de Arquímedes, para ello coloque un volumen de agua de la llave que llene
http://mediateca.educa.madrid.org/imagen/imagenes/publicas - Consultado 21/01/2009
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aproximadamente la mitad del volumen de la probeta de 100 mL . Lea el volumen reportándolo con el número apropiado de cifras significativas. Sumerja el bloque metálico en el agua de la probeta y repita la medida del volumen. Determine el volumen ocupado por el sólido. Calcule la densidad del bloque metálico y reporte el valor con el número apropiado de cifras significativas.
3. Medidas geométricas y cálculo de presión a) Describa cualitativamente las características físicas (color, brillo, textura, etc.) de los bloques metálicos que encontrará disponible para las prácticas. Efectúe las medidas geométricas que le permitan estimar áreas y volumen del bloque (emplee un calibrador). Determine la masa del bloque utilizando la balanza de platillo externo con aproximación a la décima de gramo. Calcule la densidad de los bloques metálicos utilizando medidas geométricas. Reporte el dato con el número apropiado de cifras significativas. b) Calcule la presión que hacen los bloques metálicos cuando están parados sobre la mesa. c) Observe el barómetro y mida la presión atmosférica del día de la práctica en Bogotá. El uso del barómetro está descrito en el libro de Técnicas y Medidas Básicas.
4. Conteo por pesada: a)
Ud. encontrará un recipiente con granos y debe estimar el número de ellos. ¿Qué ideas se le ocurren? ¿Qué variables afectan la incertidumbre en la determinación del número de granos según el método escogido?
5. Manejo de la pipeta: Esta sección pretende que Ud. se entrene en el manejo de la pipeta y el uso del pipeteador.
1. Repase en el libro de Técnicas y medidas básicas el uso de la pipeta. 2. Ensaye y entrene con agua de la llave hasta que se sienta cómodo y considere que ya sabe manejar el instrumento. 3. Purgue la pipeta con la solución salina o coloreada que se ha empleado antes. Purgar implica lavar las paredes del instrumento tres veces con la solución a medir. 4. Pese en la balanza asignada un frasco con tapa, seco en la parte externa. 5. Agregue una alícuota2 medida con la pipeta aforada al frasco, tape y pese nuevamente. 6. Registe el dato de la masa y deseche el líquido. 7. Vuelva y pese el frasco, es normal que esta vez pese más porque ahora está húmedo. 2
Porción de líquido
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8. Repita el procedimiento de agregar una alícuota y pesar. 9. Cada estudiante debe hacer el proceso 10 veces, con el objetivo de tener suficientes datos para aplicar la estadística.
ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN OBTENIDA Nota: Las tablas presentadas en la guía son modelo para la construcción de tablas en su cuaderno de laboratorio. Los datos no se deben escribir en la guía se deben apuntar directamente en el cuaderno de laboratorio.
TABLAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS 1. Medidas de presión. Tabla 1: Manómetros de líquido Manómetro Diámetro externo de la manguera 1 2
Líquido Altura alcanzada manométrico por ________
Altura alcanzada por ________
…..
2. Densidad de la solución salina medida con probeta: Masa de la probeta seca: Características de la probeta (división mínima, marca, tolerancia) Volumen de la solución salina con el número adecuado de cifras significativas: Masa de la probeta con el líquido: Balanza donde se realizó la medida (marca, división mínima): 3. Densidad de la solución salina medida con picnómetro: Masa del picnómetro seco: Balanza donde se realizó la medida (marca, división mínima): Masa del picnómetro más agua Temperatura del agua. Densidad del agua destilada según la tabla: División mínima del termómetro con que se realiza la medida Masa del picnómetro más la solución salina: Temperatura de la solución salina: 4. Presión ejercida por la solución salina sobre el fondo del cilindro Medidas geométricas realizadas para calcular el volumen de solución. Características de los instrumentos de medida (división mínima y marca si es posible) 5. Densidad del cilindro metálico según el principio de Arquímedes:
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Descripción del cilindro metálico: Masa del cilindro Balanza donde se realizó la medida (marca, división mínima) Características de la probeta (división mínima, marca si está disponible). Volumen de líquido antes de sumergir el cilindro (con el número apropiado de cifras significativas) Volumen del líquido con el cilindro sumergido con el número apropiado de cifras significativas)
6. Medidas geométricas y cálculo de presión que ejercen los bloques sobre la mesa Descripción de los bloques metálicos: Descripción de los instrumentos de medida (división mínima y marca si es posible9 Tabla 2: Geometría de los bloques Bloque No. Descripción
Alto
Ancho
…..
Largo
No olvide las unidades y las cifras significativas de las medidas
Descripción del barómetro e instrumento con la que se realizó la medida: Presión atmosférica en el laboratorio 151 del Departamento de Química, Universidad Nacional de Colombia, Ciudad Universitaria, ciudad de Bogotá, con h ora y fecha de la medida: 7.
Conteo por pesada: Tipo de granos ¿Cuántos granos contó? Masa de cierto número de granos:
8.
Manejo de la Pipeta: Volumen nominal de la pipeta: Marca Tolerancia:
Pipeteada No
Masa del frasco sin la alícuota
Masa del frasco con la alícuota
Masa de la alícuota
1 2 …..
Cálculos: 1. Densidad de la solución salina medida con probeta: calcule la densidad de la solución salina con el número apropiado de cifras significativas. Calcule la gravedad específica. 2. Densidad de la solución salina medida con picnómetro: determine la densidad de la solución salina con el número apropiado de cifras significativas.
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3. Presión ejercida por la solución salina sobre el fondo del cilindro: calcule la presión ejercida por el líquido sobre el fondo del recipiente y exprese el resultado en pascales y atmósferas. 4. Densidad del cilindro metálico según el principio de Arquímedes: Calcule la densidad 3 3 del cilindro metálico y exprese el resultado en cm /g y en ton/m con el número apropiado de cifras significativas. 5. Medidas geométricas y cálculo de presión que ejercen los bloques sobre la mesa: Calcule la presión total (en pascales) ejercida sobre la mesa por cada uno de los bloques metálicos. La presión total es igual a la presión que ejerce el objeto más la presión atmosférica. Tenga en cuenta las cifras significativas. 6. Conteo por pesada: Calcule el número total de granos que contiene la bolsa. Dé una idea de la incertidumbre que tiene esa estimación del número total de granos en la bolsa. 7. Manejo de la pipeta: Calcule el promedio de la masa de la alícuota, la desviación estándar, el coeficiente de variación y la incertidumbre del promedio.
Discusión de resultados: 1. Medidas de Presión Analice la influencia del volumen en la presión que ejercen los bloques metálicos sobre la mesa. Discuta la influencia de la masa en la presión que ejercen los bloques metálicos sobre la mesa. Discuta la influencia de la altura en la presión que ejercen los bloques metálicos sobre la mesa. Discuta la influencia de la densidad del material en la presión que ejercen los bloques metálicos sobre la mesa y en la altura máxima que logra Ud. elevar el líquido en los manómetros. Discuta el efecto del diámetro de la manguera en la determinación de su “capacidad pulmonar ” entendida esta como la presión máxima que alcanza Ud. a ejercer al soplar aire. 2. Medidas de masa y volumen: Compare los dos métodos que utilizó para la determinación de la densidad de la solución salina. Discuta acerca de la calidad de los instrumentos de medida. 3. Conteo por pesada: Si debe contar los granos que hay en un bulto de arroz ¿Cómo podría hacerlo? ¿Cómo se mejoraría la calidad de la medida o estimación? Si debe contar todos los granos de la cosecha de arroz que produce la región de los llanos orientales en un año ¿cómo podría hacerlo? ¿Qué afecta la calidad de la estimación del número de granos? 4. Manejo de la pipeta: ¿Es la incertidumbre de sus medidas mayor, igual o menor a la tolerancia del instrumento? De acuerdo con sus resultados y la comparación con la tolerancia del instrumento ¿Ud. está pipeteando bien o mal?
PREGUNTAS DE REFLEXIÓN
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¿Por qué la densidad de los líquidos cambia con la temperatura? ¿Por qué la presión atmosférica cambia con la altura sobre el nivel del mar? Los médicos determinan la capacidad pulmonar de los pacientes utilizando un man ómetro, por su puesto utilizan un manómetro más pequeño que los de la práctica. ¿Cómo puede, la capacidad pulmonar expresada en unidades de presión, ser un indicador de la buena o mala salud de los pacientes?
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA CRC Handbook of Chemistry and Physics – CRC PRESS Trujillo, C.A.; Sánchez R., J.E. (2007) Técnicas y medidas básicas en el laboratorio de química. Universidad Nacional de Colombia. Unibiblos, Bogotá, Colombia. Miller, J.C.; Miller, J.N. (1993) Estadística para química analítica. 2da edición. AddisonWesley Iberoamericana, USA. PARA IR MÁS ALLA A TRAVÉS DE LA WEB: Si quiere acceder a más información sobre el SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, puede consultar en: 1. 2. 3. 4.
Enlaces a todos los organismos de medida internacionales: http://www.fasor.com/iso25/ Documento en inglés de Euromet, (pdf) : http://www.euramet.org/index.php?id=mis Sistema Internacional de Unidades (en español, 100 páginas pdf) http://www.cem.es/cem/es_ES/documentacion/generales.jsp?op=generales http://www.terra.es/personal6/gcasado/si.htm
