UNIVESIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
Laboratorio de Ciencia Básica
INFORME DE ACTIVIDAD EXPERIMENTAL
“Determinar experimentalmente experimentalmente la relación cuantitativa entre la masa de una sustancia (líquida y sólida) y su volumen”
Alumnos: González González Rafael Grupo: 1151 Ingeniería Química Semestre 2016-1 Profesora: Leticia Badillo Solís
Fecha de entrega: 5/Oct/2015
2
Índice
Página Introducción…………………………,……………………………………4
Planteamiento del problema………….…………………………………..7 Control y Asignación de variables……………….………...…………….7
Hipótesis………………………………….………………..………………7
Método…………………………………………………………………….7 a)Sujeto de Estudio……………….………...…………………....…7
b)Material, Equipo y Sustancias………………….……… .………8 c)Procedimiento Experimental……………………………………8 Resultados…………………………………………………………………9 Conclusiones………………………………..…………………………….15
Referencias……………………………..…..………………….…...……. 16
3
Introducción
Todo aquello que ocupa un espacio se percibir con nuestros sentidos, principalmente con la vista y tacto, se conoce como materia. La materia se encuentra en todos los lugares y en muchas formas, tamaños, colores y miles de representaciones que toma. Un término que resulta familiar es sustancia. Una sustancia es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, el amoniaco, el azúcar de mesa (sacarosa), el oro y el oxígeno. Las sustancias difieren entre ellas por su composición y se pueden identificar según su aspecto, color, sabor y otras propiedades1 La materia la podemos encontrar en sus diferentes estados de agregación, Sólido, Líquido y Gas, en este diseño experimental lo que principalmente nos interesa es el estado sólido y líquido. Burns Ralph los describe de la siguiente manera; un sólido tiene forma y volumen
definido,
muchos
solidos
son
cristalinos,
tienen
una
forma
tridimensional definida, con superficies que forman ángulos específicos una con la otra los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene a excepción de la superficie superior que en general es plana al igual que los sólidos, sin embargo, los líquidos conservan un volumen casi constante.2 La constitución de la materia en un solo tipo de elemento es muy rara, por lo que en su mayoría se le puede hallar en forma de mezcla, las cuales se pueden clasificar en dos tipos. Algunas mezclas como la arena, como las rocas y la madera no tienen la misma composición, propiedades y aspecto en todos sus puntos. Tales mezclas son homogéneas. Las mezclas que son uniformes en todos sus puntos son 3
1
BROWN L. Theodore (2004) Química , La ciencia central , Pearson Educación, Mexico, p. 8 BURNS A. Ralph (2011) Fundamentos de la química, Pearson Educación, México, pp. 14-15 3 WHITTEN, Kenneth W.,(2008) Química,8°Ed., México, D.F., Cenage Learning Editores, 1036p 2
4
La materia posee propiedades intensivas y extensivas El valor medido de una propiedad extensiva depende de la cantidad de materia que se considere. La masa, que es la cantidad de materia en una muestra dada de una sustancia, es una propiedad extensiva. El volumen, que se define como la longitud elevada al cubo, es otra propiedad extensiva. El valor de una cantidad extensiva depende de la cantidad de materia.4 Estas propiedades son un factor fundamental al momento de la experimentación, ya que lo que fundamentalmente interesa es qué relación existe entre la masa y el volumen de un objeto. Medir el volumen de un gas es difícil y está fuera del alcance de los instrumentos con los que se cuenta en el laboratorio, por lo que concentraremos la experimentación con solo sólidos y líquidos. Los instrumentos que se utilizaran serán la pipeta para determinar los volúmenes de los líquidos, la balanza granataria para determinar todas las masas, y la probeta, que nos servirá para determinar el volumen tanto de los líquidos como de los sólidos. Para llevar a cabo la medición del volumen en un sólido, será de una manera sencilla que consta de sumergir el sólido en un recipiente con graduación (en este caso la probeta), con un volumen ya definido, para que posteriormente cuando se sumerja el sólido, observar el aumento de volumen en el recipiente y conocer el volumen de dicho sólido. Este método es conocido como el principio de Arquímedes el cual afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado5. La ventaja de este método es que se puede aplicar para cualquier sólido, aunque sea de forma irregular. Este método nos brinda un ejemplo de lo que es una mezcla heterogénea, en la cual podemos distinguir sus componentes ya que estos no reaccionan o se diluyen, en caso de una disolución consideraríamos esta mezcla como homogénea. La medición de la densidad se puede obtener de forma indirecta en la cual se mide la masa habitualmente en balanza y el volumen mediante el
4 CHANG,
Raymond y GOLDSBY A. Kenneth (2013) Quimica, 11°Ed., México, D.F., McGraw-Hill. 1098p 5 CHAMIZO GUERRERO, José Antonio (2008) Ciencias 2. Física, 2°ed., México D.F., Esfinge 348p
5
desplazamiento de líquido, este caso se adapta más a las sustancias sólidas mientras que a las sustancias liquidas, ya que en los líquidos los volúmenes se miden fácilmente debido a la propiedad que presentan de adoptar la forma del recipiente que los contiene. Los instrumentos que se utilizaran serán la pipeta para determinar los volúmenes de los líquidos, la balanza granataria para determinar todas las masas, y la probeta, que nos servirá para determinar el volumen tanto de los líquidos como de los sólidos. Sera necesario realizar una investigación previa sobre los valores de las densidades teóricas de las sustancias que trabajaremos en la investigación, para hacer una comparación con los valores experimentales que obtengamos y determinar si hay relación entre ellas. La plastilina será el sólido base que todos los equipos del grupo utilizaremos por lo que servirá de referencia principal en los resultados, que también serán analizados con las diferentes sustancias que utilizaremos junto con la variedad de materiales. Otro aspecto que no debe pasar desapercibido es la unidad de medida en la que será representada la densidad de los objetos, el SI pone como principal el Kg/m3, pero esa es una medida muy grande, por lo tanto nos resulta obsoleta, la más adecuada es g/cm 3.6 Una vez teniendo la medida precisa de medición de la densidad y los materiales adecuados solo queda evitar los errores sistemáticos y aleatorios, ya que podrían dificultar la precisión de las medidas. La densidad puede obtenerse directa e indirectamente. Para la obtención directa se mide la masa y el volumen por separado y posteriormente la densidad7 Mediante esta experimentación nos daremos cuenta del comportamiento que presenta la materia en la relación que existe entre la masa y el volumen y más que nada nos aportara el conocimiento de esta propiedad tan peculiar que presentan todas las sustancias existentes.
6
BROWN L. Theodore (2004) Química , La ciencia central , Pearson Educación, Mexico, p. 36
7 RESNICK,
Robert (1998), Física para estudiantes de ciencia e ingeniería, Continental Editorial, México D.F. p-87-89
6
Planteamiento del problema Determinar experimentalmente la relación cuantitativa entre la masa de una sustancia (líquida y sólida) y su volumen
Selección y Asignación de variables Para materiales sólidos Variable Independiente Variable Dependiente
Masa Volumen
Para materiales líquidos Variable Independiente Variable Dependiente
Volumen Masa
Control de Variables Temperatura Densidad Impurezas
Temperatura ambiente, para que las sustancias no pierdan sus propiedades originales (20° - 25°) Sustancias de diferentes densidades la cual no debe variar entre una sustancia de un solo tipo. En el caso de las semillas de trigo, ya que puede contener trozos de sustancias diferentes, como piedritas o semillas huecas.
Hipótesis Para materiales sólidos La relación cuantitativa entre el volumen de un sólido es directamente proporcional a su masa
Para materiales líquidos La relación cuantitativa entre la masa de un sólido es directamente proporcional a su volumen
7
Método a) Sujetos de Estudio. Solidos -Rocas.- Grava de acuario, hechas de Silicio en un 80%, color café y no maleable. -Plastilina.- Material basado en arcilla marca “Combate”, color gris, maleable -Semillas de trigo, que son semillas de tamaño diminuto. Líquidos -Leche.- Producto lácteo de origen vacuno en forma líquida de la marca “Lala” -Agua Destilada.- H2O que mediante el proceso de destilación se le han eliminado las impurezas e iones. b) Material, Equipo y Sustancias Material 2 Vasos de precipitado 1 Probeta 100ml 1 Piseta 500ml 1 Valvula de Tres Vias 1 Pipeta 10ml 2 Vidrios de Reloj 1 Espatula 150ml
Equipo 1 Balanza Granataria Marca “OHAUS”
1 Termómetro
Sustancias 1 Paquete de Plastilina Grava para acuario 800g de Trigo 500 ml de Agua Destilada 500 ml de Leche “Lala”
c) Procedimiento Experimental Para materiales sólidos 1. Determinar 5g de masa en la balanza granataria 2. Agregar 50 ml de agua destilada en una probeta de 100 ml 3. Para determinar el volumen sumergir la masa y medir el desplazamiento de volumen en la probeta 4. Repetir el procedimiento con 10g, 15g, 20g, 25g y 30g.
Para materiales líquidos 1. Tarar la probeta de 100ml en la balanza granataria 2. Agregar 5ml del líquido 3. Determinar la masa del líquido midiendo el aumento en la balanza 4. Repetir procedimiento con 10ml, 15ml, 20ml, 25ml y 30ml
Para semillas 1. Tarar el vidrio de reloj en la balanza granataria 2. Determinar una masa de 10g 8
3. Adicionar a una probeta de 100mL y obtener el volumen aparente 4. Intentar que las semillas se acomoden realizando golpeteos verticales para determinar el volumen real 5.
Repetir el procedimiento con masas de 10g, 15g, 20g, 25g y 30g.
Resultados Individuales -Solidos
Plastilina Masa del Sólido M Volumen inicial Vi Volimen Final Vf # (g) (mL) (mL) Volumen, Masa Constante Pendiente 1 5 50 53 3 3 0.6 2 10 50 56 6 3 0.6 3 15 50 59 9 3 0.6 4 20 50 62 12 3 0.6 5 25 50 65 15 3 0.6 6 30 50 68 18 3 0.6
Gráfico 1 .- Representacion gráfica de la relacion del volumen respecto a la masa de la plastilina 20 18 16 ) 14 L m ( 12 V n 10 e m 8 u l o V 6
4 2 0 0
5
10
15
20
25
30
35
Masa M (g)
Como podemos observar en la tabla como en el gráfico, existe una relación que presenta un comportamiento en forma de patrón, por cada 5g de plastilina el volumen aumenta 3 mL, la relación entre ambas propiedades es directamente proporcional. La pendiente de la recta es 0.6. Aplicando la regresión lineal nos dio como coeficiente de correlación 1, ya que los valores obtenidos fueron exactos. 9
Rocas (grava de acuario) # 1 2 3 4 5 6
Masa del Sólido M Volumen inicial Vi Volimen Final Vf Constante (g) (mL) (mL) Volumen, Masa (k) Pendiente 5 60 62 2 2 0.4 10 60 64 4 2 0.4 15 60 66 6 2 0.4 20 60 68 8 2 0.4 25 60 70 10 2 0.4 30 60 72 12 2 0.4
Gráfico 2 .- Representacion gráfica de la relacion del volumen respecto a la masa de la grava de acuario 14 12 ) 10 L m ( M 8 n e m 6 u l o V 4
2 0 0
5
10
15
20
25
30
35
Masa M (g)
De igual manera se presenta este caso en la relación masa-volumen en la grava para acuario, por cada 5 g de grava el volumen aumentaba 2 mL, durante la determinación de los valores presento ese patrón, por lo que podemos determinar que esta relación es directamente proporcional. La pendiente de la recta tiene un valor de 0.4, aplicando la regresión lineal nos dio como coeficiente de correlación 1, ya que los valores obtenidos fueron exactos. En estos dos procesos, fue muy cuidadosa la manera en que se llevaron a cabo las mediciones, procurando evitar los errores típicos. Haciendo una comparación en ambos casos de los sólidos que el material más denso es la grava de acuario, ya que por cada 5g el volumen aumentaba menos lo que significa que hay más materia por cada unidad de volumen. 10
- Líquidos
Agua destilada Volumen del Masa Inicial del Masa Final del # Líquido mL vaso Mi (g) vaso Mf (g) Masa (g mL) Constante Pendiente 1 10 131,8 141,8 10 3 1 2 20 131,8 151,8 20 3 1 3 30 131,8 161,4 29,6 3 0,98667 4 40 131,8 171,4 39,6 3 0,99 5 50 131,8 181,4 49,6 3 0,992 6 60 131,8 191 59,2 3 0,98667
Gráfico 3.- Reppresentacion gráfica de la relacion de la masa respecto a un volumen del agua destilada 70 60 50 ) g ( 40 M a s 30 a M 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Volumen V (mL)
Se pueden percibir que la obtención de datos ya no fue tan precisas como las anteriores, sin embargo, observamos que presente el comportamiento en relación directamente proporcional entre el volumen del líquido y la masa de la sustancia. Mediante la regresión lineal obtuvimos que el valor del creciente de correlación es de .0999, el de A 0.1866 y B 0.9852. Por cada 10 mL de agua destilada aumentaba aproximadamente entre 9.6 y 9.9 g con sus respectivas variaciones.
Leche Entera Lala
11
# 1 2 3 4 5 6
Volumen del Masa Inicial del Masa Final del Masa (g Líquido mL vaso Mi (g) vaso Mf (g) mL) Constante Pendiente 10 130,2 140 9,8 3 0,98 20 130,2 150,5 20,3 3 1,015 30 130,2 16,5 30,3 3 1,01 40 130,2 171 40,8 3 1,02 50 130,2 181,3 51,1 3 1,022 60 130,2 191,3 61,1 3 1,018333
Gráfico 5.- Reppresentacion gráfica de la relacion de la masa respecto a un volumen de la leche 70 60 50 ) g ( 40 M a s 30 a M 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Volumen V (mL)
También la relación que presenta indica ser directamente proporcional, por cada 10 mL de leche la masa que aumentaba es de entre 9.8 y 11.1. Auxiliándonos del método de regresión lineal para buscar la función que más se aproxime a los datos obtenidos, se tiene como un coeficiente de correlación de 0.9999, el de A -0.0373 y B 1.026. La leche presento un comportamiento un poco más complicado a la hora de obtener las mediciones. -Semillas
Semillas de Trigo Masa de las semillas Volumen Volumen Constant Constant Pendiente Pendiente # M (g) Aparente (mL) Real (mL) e 1 e2 1 2 1 10 14 12 1,4 1,2 1,4 1,2 2 20 27 23 1,35 1,15 1,35 1,15 1,2666666 3 30 39 38 1,3 1,2667 1,3 7 4 40 52 50 1,3 1,25 1,3 1,25 5 50 64 62 1,28 1,24 1,28 1,24 6 60 76 74 1,26667 1,2333 1,266667 1,233333
12
Gráfico 5 .- Representacion gráfica de la relacion del volumen real respecto a la masa de las semillas de trigo 80 70 60 ) L m50 ( M n 40 e m u 30 l o V 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Masa M (g)
En las semillas se tomaron en cuenta dos volúmenes, el aparente y el real, debido a la forma que presentan la semillas resulta difícil determinar el volumen ya que al agregarlos a la probeta solo nos da un volumen aparente, porque hay que intentar acomodarlos forzando que los espacios se llenen. También se aplicó la regresión lineal y se obtuvo un valor de coeficiente de correlación de 0.9996, el de A 0.266 y el de B 1.2257. Por cada 10g el volumen aumentaba aproximadamente de 12 a 14 mL, lo que nos indica que existe una densidad considerable.
Grupales Plastilina EQUIPO 6 12 14 11 9 1 3 5 7 8 4 13 2
MARCA Combate Pelikan Messa Vinci Vinci Vinci Colorsitos Mussa Vinci Combate Combate Makyoo Vinci
COLOR Rojo Rojo Morado Negro Amarillo Blanco Gris Verde Verde Gris Gris Amarillo Azul
TEMPERATURA (°C) 24 22 24 21.5 24 23 24 24 24 24 21.5 22 23
13
RANGO DE MEDICION (g) 10 – 60 5 – 25 5 – 25 3 – 18 5 – 30 8 – 18 10 – 60 5 – 30 10 – 60 5 – 30 10 – 60 10 – 60 5 – 30
A 0.6 -0.56 0 -0.2 -1.06 0.033 -0.6 -0.13 -0.46 0.6 -0.6 2.266 0
ρ=
1
R
1.666 1.81 1.666 1.693 1.2727 2.87 1.5487 1.6171 1.7032 1.666 1.6203 1.8041 1.666
1 0.9993 1 0.9992 0.9962 0.9999 0.9997 0.9978 0.9996 1 0.9988 0.9984 1
10
Mussa
Azul
24
20 – 120
-0.53
1.5318
0.9918
Balines EQUIPO
MARCA
TEMPERATURA
A
ρ=
R
12 14
Umarex Estrella
22° C 24° C
0.1339 1
7.4669 8.4998
1 1
Monedas EQUIPO
AÑO
6
DENOMINA CION $10
4 2
₵10 ₵20
2004 2002
MATERIAL
1996
Zn, Ni, Cu Cr, Ni, C, Si, Mn, S, P, Fe Cu, Al, Ni
TEMPERATU RA 21° C
A 0.5465
7.8247
0.9982
21° C 23° C
0.4333 0.1156
7.9808 7.59
0.9975 0.9937
ρ=
R
Vidrio (canicas) EQUIPO 5 7
MARCA
TEMPERATURA
Vacar TOP NOT CH MARBLES
6
A
ρ=
R
24° C 24° C
-0.054 -0.8191
2.594 2.4636
0.9943 0-9983
24° C
-O.1294
2.5006
0.9979
Tuercas EQUIPO
MARCA
3
Trupper
1
Trupper
MATERIAL
TEMPERATURA
Acero galvanizado Acero
A
ρ=
R
21° C
-0.023
8.1632
0.9997
21° C
-0.053
7.46
0.9983
Rocas EQUIPO 11 8 13 10
MATERIAL
TEMPERATURA
Grava Grava de acuario Piedras Tezontle
A
ρ=
R
22° C 24° C
0.1603 0.4
1.966 2.5
0.9632 1
22° C 24° C
-0.125 0.8534
4.624 1.8722
0.9961 0.9959
Semillas EQUIPO
SEMILLA
8 2
Trigo Arroz
4
Arroz
10 12 6
Trigo Ajonjolí Arroz
14
Ajonjolí
MARCA O REGION San Lorenzo Verde Valle Verde Valle
TEMPERATURA
A
ρ=
R
24° C 22° C
0.6 0
1.5015 0.8536
0.9996 0.9990
22° C
0
0.8536
0.9973
24° C 23° C 23° C
3.1333 -0.4666 2
0.7743 0.6272 0.8475
0.9998 0.9998 0,9988
24° C
1.8666
0.6849
0.9999
TEMPERATURA
A
Polvos EQUIPO
TIPO DE POLVO
MARCA
14
ρ=
R
3 1 5
Detergente Detergente NaCl
Aurrera Aurrera La fina
25° C 25° C 25° C
5.61 0.34 -0.9666
0.6889 0.75 1.3917
0.9996 0.9999 0.9993
Las sustancias que todo el grupo utilizo fueron plastilina, balines, monedas, vidrio, rocas, semillas y polvos, los cuales podemos clasificar como regulares e irregulares. Se determinaron las relaciones que existen entre la masa y el volumen de manera variada por todo el grupo. La comparación entre los datos teóricos y los experimentales en el caso de la plastilina se obtuvieron valores un tanto similares, fue la sustancia que utilizaron todos los equipos. Los balines, las tuercas muestran la mayor densidad seguido por las monedas y el vidrio, después las rocas y por ultimo las semillas y los polvos.
Conclusiones Sólidos Los materiales trabajados en esta actividad experimental presentaron diferentes valores, en el caso de los sólidos resulto más clara la relación que existe entre la masa y el volumen de las sustancias. Por lo tanto, la relación cuantitativa entre el volumen de un sólido es directamente proporcional a su masa
Liquidos En cambio, en los líquidos y en las semillas se complicó un poco al momento de hacer las mediciones precisas, pero el comportamiento que surgió de la relación entre el volumen y la masa fue el mismo, por lo tanto, la relación cuantitativa entre la masa de un sólido es directamente proporcional a su volumen
Semillas Las semillas, debido a su forma, la manera de determinar su volumen no fue del todo exacta, sin embargo, al igual que en los sólidos y en los líquidos se presentó un relación directamente proporcional. 15
Referencias
1. BROWN, Theodore (2004) Química, La ciencia central, 9°Ed, México, D.F., Pearson Educación, 1152p.
2. BUECHE, Frederick J., (2007) Física General, 10ª Ed.,Tr. José Hernán Pérez Castellanos, México D.F., McGraw-Hill, 391p. 3. BURNS A. Ralph (2011) Fundamentos de la química, Pearson Educación, México.
4. CHANG, Raymond y GOLDSBY A. Kenneth (2013) Quimica, 11°Ed., México, D.F., McGraw-Hill. 1098p.
5. HALLIDAY David, Resnick Robert y Walker Jearl (2006), Fundamentos de la física, México, Editorial Continental, 268p.
6. WHITTEN, Kenneth W.,(2008) Química,8°Ed., México, D.F., Cenage Learning Editores, 1036p.
7. RESNICK, Robert (1998), Física para estudiantes de ciencia e ingeniería, Continental Editorial, México D.F. 295p.
8. CHAMIZO GUERRERO, José Antonio (2008) Ciencias 2. Física, 2°ed., México D.F., Esfinge 348p.
16
