MEDIDAS Y PROPIEDADES FÍSICAS

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1 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA QMC 100 L CURSO BASICO SEM 1/2011 LABORATORIO QUIMICA GENERAL PRÁCTICA Nº 1 MEDIDAS Y PROPIEDADES FÍSICAS OBJETIVO GENERAL Realizar mediciones de magnitudes comunes a propiedades físicas. 1.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS Realizar medidas que se aproximen al valor verdadero mediante los instrumentos de medición. Determinar las densidades de cuerpos regulares e irregulares y de líquidos. Determinar las temperaturas de congelación y ebullición del agua. Utilizar métodos estadísticos. Realizar un análisis de los datos experimentales que se dieron en el desarrollo del experimento. Realizar operaciones con las magnitudes derivadas sobre la base de los datos experimentales. Aprender el manejo de los instrumentos de laboratorio involucrados en los experimentos. FUNDAMENTO TEORICO Las características de la materia que sirven para definirla y diferenciarla se las denomina propiedades. Entre las propiedades de la materia se pueden distinguir propiedades físicas y propiedades químicas. Las propiedades físicas constituyen aquellas propiedades de los cuerpos que pueden medirse o apreciarse sin producir ninguna alteración en la constitución de la materia, mientras que en las propiedades químicas implican una alteración en la constitución de la materia. Una propiedad física de los sólidos, líquidos y gases de mucha importancia y de gran utilidad en la química es la densidad. Para medir la densidad se debe medir la masa y el volumen del cuerpo, dos magnitudes que se pueden medir con diferentes instrumentos.

2 1.2 Densidad. La densidad Absoluta, denominada también densidad de una sustancia, es la masa que tiene una sustancia por unidad de volumen y se puede expresar como: m ρ = V Las unidades más comunes en las cuales se expresa la densidad son: g kg ; ; cm t g kg ; ; ; lb m m pulg Por lo general, la densidad de los líquidos y sólidos se expresa en gramos por centímetro cúbico o en gramos por milímetro; mientras que la densidad de los gases se expresa en gramos por litro. En el sistema S.I. la unidad fundamental es el kilogramo por metro cúbico. La densidad de los cuerpos muestra una diferencia cuantitativa entre los distintos estados de agregación de la materia, los gases tienen densidades muy bajas ya que en sus moléculas se encuentran muy separadas entre si, es decir, que ocupan un volumen muy grande. Los líquidos por el contrario tienen densidades mucho mayores, debido a que en ellos las partículas que los conforman están mas cerca unas a otras, por lo tanto ocupan un menor volumen que el ocupado por la misma masa de gas. En los sólidos las partículas se encuentran en un estado mas compacto y por lo tanto ocupará un volumen mucho menor y su densidad será mucho mayor. Una excepción a esta regla la ofrece el agua, en ella las moléculas se mantienen separadas por medio de puentes de hidrógeno, lo cual produce una estructura mas abierta y un mayor volumen, dando como resultado que el hielo tiene menor densidad que el agua en estado liquido. Al analizar la densidad de cualquier cuerpo se debe tomar en cuenta su temperatura, ya que al aumentar la temperatura de un cuerpo este se dilata, aumentando por consiguiente su volumen, mientras que la masa permanece constante. Si el volumen varia en forma directamente proporcional con la temperatura; la densidad varia en una relación inversamente proporcional con la temperatura, de un modo general, para la mayor parte de las sustancias es posible afirmar que a mayor temperatura, menor densidad. Por lo consiguiente, en toda determinación de la densidad se debe tomar en cuenta la temperatura. Uno de los casos en las densidades ocurre con los sólidos granulares; en la cual se da la densidad aparente, la cual es una densidad aproximada debido al aire existente entre las partículas, por lo tanto es función del tamaño de las partículas y es necesario especificar esta variable. El método más exacto para determinar la densidad, es el uso del principio de Arquímedes. El principio de Arquímedes establece que un objeto sumergido en un fluido (líquido o gas) es sometido a una fuerza de empuje igual al peso del fluido que desplaza.

3 La diferencia entre el peso de la sustancia en el vacío y el peso de la sustancia en el fluido es la fuerza de empuje y es igual al peso del fluido desplazado. En la determinación de la densidad de un sólido o liquido, la masa en el aire es tomada como la masa en el vacío, debido a que la masa del aire desplazado es despreciable comparada con la masa de un volumen igual de sólido o liquido de una manera indirecta. Para hallar la densidad del sólido por éste último método se utiliza la siguiente fórmula. ρ s m m ρ sólidoenelaire sólidoenelaire m líquido sólidoenellíquido Donde: m sólido en el aire = masa obtenida en una balanza y m sólido en el líquido = masa obtenida donde el sólido está sumergido en el líquido. Densidad Baume. En laboratorio se dispone de un densímetro para la determinación de la densidad del ácido sulfúrico, si bien no existe una relación matemática entre la concentración de una disolución y su densidad, existe una relación unívoca entre ambas magnitudes, esto es, a cada concentración corresponde una sola concentración. Para diversas sustancias se ha determinado esta relación, por lo cual, conocida la densidad de una disolución dada puede hallarse la concentración a que corresponde. Esta relación, aunque en forma algo distinta, se ha utilizado en la industria, al dar la concentración de las disoluciones de algunas sustancias en grados Baumé (Bé), según una escala establecida por el químico francés Antoine Baumé. La escala Baumé equivale en realidad a una escala de densidades tomando como puntos fijos de aquella, el agua pura y una disolución al 10% de cloruro sódico. La relación entre los grados Bé y la densidad depende algo de la temperatura. A temperatura ambiente, en realidad a ºC, se han establecido las siguientes relaciones: Líquidos más densos que el agua: Líquidos menos densos que el agua: 145 n n n n Siendo n los grados Baumé y ρ la densidad relativa de la disolución respecto al agua a la misma temperatura. Se conocen y utilizan otras relaciones muy aproximadas a éstas. Densidad relativa. Es la relación existente entre la densidad absoluta de una sustancia a la densidad de otra sustancia conocida como de referencia.

4 Densidad relativa conocida también como gravedad especifica o peso especifico relativo, matemáticamente es relacionada de la siguiente manera: ρx ρ rel = ρref Donde: ρ x = densidad de la sustancia ρ ref = densidad de la sustancia de referencia La densidad relativa no tiene unidades por lo tanto es adimensional. Es de uso general considerar al agua como la sustancia de referencia para sólidos y líquidos, cuya densidad es igual a 1.00 g/cm 3, a la temperatura de 4 C ; y el aire para gases siendo su densidad igual a 1.29 g/l, a 0 C de temperatura y 1 atm de presión. Las sustancias de referencia o patrón para los estados sólido, líquido y gaseoso son: SUSTANCIA AGUA AIRE OXÍGENO HIDRÓGENO PATRÓN DENSIDAD 1 g/ml a 4 ºC g/ a 1 atm y 0 ºC g/ a 1 atm y 0 ºC g/ a 1 atm y 0 ºC PARA ESTADO Sólido y líquido Gaseoso Gaseoso Gaseoso 1.3 Temperatura. La temperatura es la medida del contenido calórico de un cuerpo, es una medida de la energía en forma de calor y se mide en diferentes unidades. Para asignar a cada nivel térmico un valor numérico es necesario disponer de una escala de medida de la temperatura. Se han creado 4 escalas de temperatura. Unidades absolutas: ºR grados Rankine, ºK grados Kelvin Unidades relativas: ºC grados centígrados, ºF grados Farenheight Las diferentes escalas están relacionadas por: 1.4 Volumen Espacio que ocupa un cuerpo. Su unidad fundamental en el Sistema Internacional de Unidades es el metro cúbico (m 3 ) y en el Sistema Inglés es el pie cúbico (ft 3 ). El centímetro cúbico (cm 3 ) y el litro (l) son unidades de volumen muy utilizadas y el litro se puede representar con múltiplos y submúltiplos.

5 1.5 Masa Cantidad de materia que posee un cuerpo. Su unidad fundamental en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg) y en el Sistema Inglés es la libra (lb). El gramo (g) es una unidad de masa muy utilizada y se puede representar con múltiplos y submúltiplos. 1.6 Flujo volumétrico En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Sus unidades son las de volumen y tiempo. En el Sistema Internacional de Unidades es el m 3 /s 1.7 Voltaje La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro. Se puede medir con un voltímetro. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de voltaje es el voltio (V ó volt.) MATERIALES Y REACTIVOS 1.8 Materiales ITEM MATERIAL CARACTERÍSTICA CANTIDAD ITEM MATERIAL CARACTERÍSTICA CANTIDAD 1 Termómetro de Hg 0 ºC a 100 ºC 1 9 Matraz Aforado 50 ml 1 2 Balanza Eléctrica 1 10 Vaso de precipitado 250 ml 1 3 Balanza de densidades Westphal 1 11 Vaso de precipitado 1000 ml 1 4 Caja de sólidos granulares Caja metálica 1 12 Soporte universal con pinza Metálico 1 5 Probeta 50 ml 1 13 Cronómetro Digital 1 6 Probeta 100 ml 1 14 Regla milimétrica Vernier 1 7 Pipeta 10 ml 1 15 Densímetro 4 8 Bureta 50 ml 1 16 Piseta 1

6 1.9 Reactivos y objetos de medición ITEM REACTIVO CARACTERÍSTICA ITEM REACTIVO CARACTERÍSTIC 1 Sólido regular Diversas formas 5 Aceite Común 2 Sólido irregular Metálico 6 Kerosene Combustible 3 Sólido granular Diversas clases 7 Agua destilada 4 Alcohol etílico Mezcla alcohol y agua 8 Ácido sulfúrico Solución diluida Procedimiento 1.10 Medidas de temperatura Temperatura ambiente Con un termómetro de mercurio suspendido de la pinza del soporte universal, se realizarán lecturas de la temperatura ambiental Temperatura de Ebullición En un vaso de Precipitados de 250 a 500 ml se vierte agua hasta un 60% de su capacidad. Teniendo en cuenta las recomendaciones del docente en cuanto a la manera correcta de calentar un líquido y al manejo del termómetro, se va controlando de manera periódica la temperatura del agua. La temperatura de ebullición del agua correspondiente a la altura de La Paz, será la temperatura máxima invariable Temperatura de Fusión del Hielo En un vaso de precipitados de 250 ml colocar hielo granulado y agua hasta la mitad del vaso y esperar a que se establezca el equilibrio de fusión, medir la temperatura del hielo cuidando que el bulbo del termómetro quede cubierto por el hielo. La temperatura de fusión será la mínima invariable Volumen Se realizarán determinaciones de volumen de diferentes sustancias Sólidos granulares

7 Para la determinación del volumen, se utiliza una caja metálica, llenando la misma con el sólido regular y enrasando con la ayuda de una regla o espátula. El volumen del sólido será el resultante de la medida del volumen del recipiente Sólidos Regulares El volumen de sólidos de forma geométrica regular se determinará por la media de sus dimensiones características Sólidos Irregulares El volumen de sólidos de forma irregular se determina por el desplazamiento de un líquido en un recipiente graduado. Utilizaremos una probeta graduada conteniendo agua hasta cierto nivel, luego se sumergirá el sólido, la diferencia de niveles será el volumen del sólido Líquidos El volumen de líquidos se determinará con ayuda de instrumentos volumétricos. El objetivo del experimento es que el alumno practique el uso de la probeta, y matraz aforado. En el caso del matraz aforado se deberá pesar también su contenido Masa Se realizarán determinaciones de masa de las mismas sustancias utilizadas en el anterior inciso (sólidas y líquidas), con y sin recipiente que las contenga. Utilizando la balanza eléctrica Flujo volumétrico La determinación del flujo volumétrico de los grifos de laboratorio se realiza con ayuda de una probeta graduada y un cronómetro, ya sea anotando el tiempo necesario para un determinado volumen prefijado o para un tiempo fijado medir el volumen que se almacena en la probeta. Se recomienda tratar de tener un flujo constante del grifo. Realizar varias mediciones para sacar promedios Voltaje El objetivo principal es aprender el manejo del téster o multímetro, que se usa para mediciones de variables eléctricas. El docente realizará la explicación del manejo de este instrumento y luego los estudiantes efectuarán mediciones de voltaje de las tomas de laboratorio con una secuencia de media hora.

8 1.15 Densidad de Sólidos de Geometría Regular Se determinará el volumen del sólido por su forma geométrica, la masa se la obtiene por medio de la balanza eléctrica. Con estos datos se calculará su densidad promedio Densidad de Sólidos Amorfos Para determinar la densidad de sólidos amorfos se realiza por el método indirecto, es decir, se obtiene la masa del sólido por medio de la balanza, luego se vierte suficiente agua en una probeta graduada, se introduce el sólido en la probeta de tal manera que esté sumergido en el agua. Se registran los volúmenes inicial y final. Tener cuidado de que no existan burbujas de aire en el interior de la probeta, para que las lecturas de los meniscos sean correctas. Calcular la densidad promedio del sólido amorfo. También se puede determinar la densidad de un sólido amorfo utilizando el principio de Arquímedes. Medimos la masa del sólido en el aire utilizando la balanza eléctrica, luego se determina la masa del sólido sumergido en agua destilada utilizando la balanza de westphal. Para hallar la densidad del sólido por éste último método se utiliza la siguiente fórmula. ρ s m m ρ sólidoenelaire sólidoenelaire m líquido sólidoenellíquido Donde: m sólido en el aire = masa obtenida en una balanza y m sólido en el líquido = masa obtenida donde el sólido está sumergido en el líquido Densidad de Sólidos Granulares En un recipiente de volumen conocido, se coloca el sólido granular en rasándolo. Determinamos la masa del recipiente vacío y seco, y también cuando contiene al sólido granular, por diferencia se obtiene la masa del líquido, como el volumen es conocido se calcula su densidad. La densidad de un líquido también se puede calcular utilizando un densímetro. Para lo cual se vierte un líquido en una probeta, se sumerge en este densímetro, teniendo cuidado que se encuentre al centro del recipiente, haciendo girar el densímetro se espera que se estabiliza y se lee en su escala la densidad Densidad del ácido sulfúrico

9 La densidad del ácido sulfúrico se puede determinar en forma indirecta utilizando un densímetro que nos permite medir los grados Baumé (n), y a partir de las relaciones empíricas establecidas calcular la densidad del ácido sulfúrico Densidad del alcohol etílico La densidad del alcohol etílico se determina en forma indirecta utilizando un alcoholímetro, en el cual nos permite medir grados Gay Lussac, es decir, la composición centesimal en %V/V del alcohol, conociendo esta composición y la densidad del agua obtenida experimentalmente, se puede determinar la densidad del alcohol. Datos Experimentales 1.20 Medidas de Temperatura Termómetro de Mercurio Temperatura en ºC Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Temperatura Ambiente Temperatura de ebullición del agua Temperatura de fusión del hielo Termocupla Temperatura en ºC Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Temperatura Ambiente Temperatura de ebullición del agua Temperatura de fusión del hielo 1.21 Volumen Sólido Regular Dimensión característica (la que corresponda) Arista [cm] Longitud [cm] Ancho [cm] Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4

10 Altura [cm] Diámetro [cm] Sólido Irregular Volumen en la probeta Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Volumen líquido inicial [cm 3 ] Volumen líquido final [cm 3 ] Sólido Granular Dimensiones internas Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Longitud de la caja [cm] Altura de la caja [cm] Ancho de la caja [cm] Líquidos con matraz aforado Líquido Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Agua Alcohol 1.22 Masa Sólido Regular Masa del sólido regular [g] Sólido Irregular Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Masa del sólido irregular [g] Sólido Granular Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4

11 Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Masa de la caja vacia [g] Masa de la caja llena [g] Masa sólido granular [g] Líquidos Líquido Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Agua Matraz aforado vacio [g] Matraz aforado lleno [g] Alcohol Matraz aforado vacio [g] Matraz aforado lleno [g] 1.23 Flujo volumétrico Datos de flujo con probeta Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Volumen recibido [cm 3 ] Tiempo [s] 1.24 Voltaje Toma No Hora Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno Densidad Método Directo (con densímetro) Líquido Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 H 2 O [g/cm 3 ] C 2 H 5 OH [% vol] [ºGL] H 2 SO 4 [ºBe]

12 Aceite [g/cm 3 ] Kerosene [g/cm 3 ] Método de Arquímedes Peso del sólido en el aire [g] Peso del sólido en agua [g] Densidad del agua [g/cm 3 ] Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Cálculos En todos los casos se debe realizar el tratamiento estadístico de datos que incluye: Calculo del valor promedio como el más representativo Calculo del intervalo de confianza en base a: Donde t es el valor de t de Student con un grado de confianza determinado, S es la desviación estándar del conjunto de datos y n es el número de mediciones Calculo del error absoluto y relativo respecto del valor bibliográfico o de referencia cuando corresponda 1.26 Temperaturas Se debe expresar en base a los datos los valores de temperatura ambiente, temperatura de ebullición del agua y temperatura de fusión del hielo con sus respectivos errores si es que corresponde Volumen Se debe calcular el volumen de cada muestra proporcionada

13 1.28 Masa Se debe calcular la masa de cada muestra proporcionada Flujo volumétrico Se debe calcular el flujo volumétrico del grifo Voltaje Se debe calcular el voltaje de la toma de corriente especificada para cada hora y el error respecto del valor proporcionado por la empresa de energía Densidad Se debe calcular la densidad de: o Sólido regular o Sólido irregular o Sólido granular o Líquidos (agua y alcohol) En base a masa y volumen Se debe expresar la densidad de los diferentes líquidos en base a los datos obtenidos con el densímetro Se debe calcular la densidad del sólido irregular en base a la formula de Arquímedes Calcular el error absoluto y relativo en cada caso tomando como referencia los valores bibliográficos. Cuestionario 1. En un recipiente están mezclados los líquidos (A, B y agua), sabiendo que la masa de agua es igual al doble de la masa de (B); el volumen de (A) es igual a la quinta parte del volumen de agua y la densidad de (A) igual al triple de la densidad de (B). Si la mezcla tiene 150ml de volumen. Hallar el volumen de(a).

14 2. Una mezcla de dos sustancias esta formada por 1450 gramos de una sustancia A y 1580 gramos de una sustancia B. el volumen total de la mezcla es igual a un volumen de 500 gramos de leche cuya densidad es de 1.1 g/cm3, a) calcular la densidad de la mezcla. b) Cuál es su densidad relativa?.c) si la sustancia A tiene una densidad de 0.85g/cc Cuál es la densidad de la sustancia B? 3. Una probeta tiene una masa de 45 g, si esta se llena con agua hasta la tercera parte pesara 70g. si la misma probeta ahora se llena totalmente con un líquido desconocido pesara 120g. Cuál es la densidad del líquido desconocido? 4. Una moneda de un cuarto de dólar americano tiene una masa de 5.67 g y aproximadamente 1.55mm de espesor. El monumento de Washington tiene 575 pies de altura. a) cuantas monedas de cuarto de dólar debería apilarse para igualar dicha altura. b) cuanto pesaría este apilamiento en monedas c) cuanto dinero se utilizaría? 5. Definir los siguientes conceptos: a) densidad; b)masa; c) peso ; d) densidad relativa; e) peso especifico; f) volumen 6. Definir los siguientes conceptos e indicar la diferencia: a) precisión; b) exactitud. 7. Hallar la densidad de un liquido X que forma una solución liquida con el agua, sabiendo que la densidad relativa de la solución es de 1.6 y que la mezcla liquido x y agua esta en una proporción en volumen de 1:4 respectivamente. 8. La densidad de una mezcla de aceite y alcohol es de 0.86 g/cc, si la masa de ambos en la mezcla son iguales. Cual es la densidad del aceite, si el volumen del alcohol es % del total. 9. Al realizar la medición de un cuerpo cilíndrico se obtienen los siguientes datos: Masa (g) Altura (pulg) Radio (cm) Determinar si el cuerpo se sumerge o no en agua (considere análisis estadístico para determinar la densidad del cuerpo). 10.Al realizar la medición de un cuerpo esférico se obtienen los siguientes datos: Masa (g) Diámetro (cm)

15 Determinar la densidad del cuerpo esférico y la incertidumbre de su densidad. 11.Un termómetro está graduado en una escala arbitraria x en la que la temperatura del hielo fundente corresponde a 20 ºx y la del vapor de agua a 180 ºx. Determinar el valor del cero absoluto en esta escala arbitraria 12.Usted tiene una joya de oro que pesa g. Su volumen es cm3. Suponga que el metal es una aleación de oro y plata, con densidades relativas de 19.3 y 10.5 respectivamente. También suponga que no hay cambio de volumen cuando se mezclan los metales puros. a) Calcule el porcentaje de oro (por masa) en la aleación, b) La cantidad relativa de oro se mide en quilates; establezca la proporción de oro contenido en la joya, en quilates. Bibliografía Alvarez, Alfredo Valenzuela Julio Yujra Federico. Prácticas de Química General. Babor, Joseph Ibarz, José. Química General Moderna. Sava Editorial Marin 1977 Gray, Harry Haight, Gilbert. Principios Básicos de Química. Editorial Reverté Montecinos Edgar Montecinos José. Química General. Prácticas de Laboratorio.