Aplicación de procesos químicos industriales

Química. Densidad. Sustancias. Longitud. Volumen. Masa. Unidades de medición

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

Aplicación de procesos químicos industriales

APLICACION DE PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES

PRACTICA 1

OBTENCIÓN DEL PESO DE UNA SUSTANCIA Y SU DENSIDAD

INDICE

  • Objetivos (3)

  • Resumen (4)

  • Introducción (5)

  • Marco teórico (6-12)

    • Introducción

    • Unidades

    • Determinación de longitud, volumen y masa

    • Densidad

    • Incertidumbre en la medición

    • Cifras significativas

  • Material y sustancias (14)

  • Observaciones (14)

  • Datos teóricos y experimentales (15)

    • Cuestionario

  • Resultados (16-17)

  • Conclusiones (18)

  • Bibliografía (19)

Práctica 1 “Obtención del peso de una sustancia y su densidad”

Objetivos

-El alumno determinará el peso y densidad de una sustancia por medio de la aplicación de fórmulas y del método experimental.

Resumen

En este experimento el objetivo primordial fue la obtención del peso de una sustancia y su densidad. Tomando en consideración los métodos particulares de cada muestra en este caso una piedra, un anillo, agua y ácido sulfúrico.

El peso de cada muestra fue obtenido de una manera diferente. En el caso de anillo se peso directamente en ambas balanzas (granataria y electrónica); La piedra se colocó en un vidrio de reloj y por diferencia de pesos se obtuvo el de la misma, este método se tuvo que efectuar porque de la muestra podrían desprenderse partes diminutas de la misma provocando resultado erróneo. Los dos líquidos se pesaron de la misma forma que la anterior pero en vez de vidrio de reloj se utilizó un vaso de precipitado.

El volumen se obtuvo directamente en los líquidos por medio de una probeta graduada. Los sólidos se sumergieron en una probeta por separado con el objeto de obtener su volumen por medio del desplazamiento del líquido en este caso el agua, en pocas palabras por diferencia de volumen.

Para obtener la densidad de cada sustancia se llevo a cabo la relación de masa entre volumen. Cada sustancia tiene una densidad diferente, por lo mismo es muy útil conocer la densidad de las sustancias así si en algún momento de desconoce el elemento, su volumen, o su masa, con el sólo hecho de tener dos de estas variables para la fórmula se podrán obtener esos valores.

Se generó un cierto grado de incertidumbre en las mediciones, porque como se sabe, el error humano al igual que el del equipo utilizado es latente, pero debe de intentarse el que los resultados sean precisos para que los resultados no sean erróneos.

También se expresaron las cantidades obtenidas, de peso, volumen y densidad en diferentes Sistemas de unidades, con el objeto de marcar la importancia que tiene una estandarización en este aspecto, para que todas estas unidades medibles sean interpretadas en cualquier parte del mundo.

A lo largo del reporte se muestran algunos ejemplos y utilidades de estas mediciones, quizá los conceptos estén algo mecanizados, pero es importante conocerlos y saber interpretarlos para futuras aplicaciones.

Introducción

El siguiente informe es con respecto a la práctica “Obtención del peso de una sustancia y su densidad”, cuyo objetivo fue, la determinación de las propiedades, antes mencionadas, por medio de fórmulas y del método experimental.

Se cuenta con un marco teórico, que responde a algunas de las interrogantes con respecto a lo que es el peso y la densidad de una sustancia, sus métodos de obtención experimental y teóricamente. En la mayoría de los casos, la gente confunde la masa con el peso. Decimos que algo tiene mucha materia si es muy pesado, pero la masa es algo más fundamental que el peso: la masa mide la cantidad de materia que contiene un objeto mientras que el peso es una medida de la fuerza gravitacional que actúa sobre dicha materia, y sólo depende de la ubicación del objeto. Por lo tanto la masa es la misma en cualquier lugar. También se tomó en cuenta sus unidades de medida en los diferentes sistemas utilizados con mayor frecuencia, por su alto estándar. Existen diferentes aparatos para comparar masas y medir el peso de distintos cuerpos. En el caso de este experimento se utilizó la balanza granataria y la electrónica cuyo funcionamiento se mencionara a lo largo del reporte.

Introducción

El siguiente informe contiene una explicación sobre algunos métodos de medición para la obtención del peso de una sustancia y su densidad.

Práctica 1 “Obtención del peso de una sustancia y su densidad”

Introducción:

La masa de una sustancia es una medida de la cantidad de materia que ésta contiene.

Los términos masa y peso son diferentes es común que ambos se usen indistintamente .La operación para determinar la masa de un objeto se conoce como una pesada L

La densidad se define como masa que contiene un cuerpo por unidad de volumen.

d = m /v

Si un cierto bloque de metal tiene un peso a y un volumen b. Para determinar su densidad se tiene que :

d = a / b

Si cortamos ½ del bloque (suponiendo que la composición es uniforme en todo el bloque) el peso de este bloque será 1/2 a y el volumen 1/2b.

1/2a

d = -------------------

1/2 b

esto quiere decir que es igual al de la totalidad del bloque ,lo cual demuestra el carácter intensivo de la densidad.

Unidades

La unidad de una medición indica que estándar se emplea para representar los resultados de la misma. La necesidad de estandarizar las unidades surge entre los científicos que miden cantidades como masa, longitud, tiempo y temperatura. Desafortunadamente, aunque se cuenta con sistemas estándares de unidades, se han adoptado distintos sistemas en las diversas partes del mundo. Los dos más empleados son el inglés en Estados Unidos y el métrico en la mayor parte restante del mundo industrializado. El sistema métrico se prefiere desde hace mucho tiempo para trabajo científico. En 1960 mediante un convenio internacional, se decidió usar un sistema completo de unidades llamado Sistema internacional SI. Las unidades del sistema SI se basan en el sistema métrico y en unidades derivadas de él. En la tabla 1 se citan las unidades fundamentales mas importantes del sistema SI.

Como las unidades fundamentales no siempre son del tamaño conveniente, en el SI se emplean prefijos para cambiar el tamaño.

Cantidad Física

Nombre de la unidad

Abreviatura

masa

kilogramo

kg

longitud

metro

m

tiempo

segundo

s

temperatura

kelvin

K

Tabla 1. Algunas unidades fundamentales del SI.

Los prefijos más empleados se citan en la tabla 2. Así, aunque la unidad fundamental de longitud es el metro (m), también se puede usar el decímetro(dm), que representa la décima parte del metro (0.1); el centímetro (cm), que representa una centésima parte del metro (0.01); y así sucesivamente . Porque es mejor la interpretación de esa manera.

Prefijo

Símbolo

Significado

Potencia de 10 en notación científica

mega

M

1 000 000

106

kilo

k

1 000

103

deci

d

0.1

10-1

centi

c

0.01

10-2

mili

m

0 .001

10-3

micro



0.000001

10-6

nano

n

0.000000001

10-9

Tabla 2. Prefijos más empleados en el sistema métrico.

Determinación de longitud, volumen y masa

La unidad de longitud fundamental del SI en el metro, que es poco más largo que una yarda (1 metro = 39.37 pulgadas). En el sistema métrico, el metro se descompone en partes basándose en potencias de 10 como en la tabla 3.

1 pulgada = 2.54 centímetros

Unidad

Símbolo

Equivalente métrico

kilómetro

km

1000 m

metro

m

1 m

decímetro

dm

0.1 m

centímetro

cm

0.01 m

milímetro

mm

0.001 m

micrómetro

m

0.000001 m

nanómetro

nm

0.000000001 m

Tabla 3. Unidades de longitud del sistema métrico.

Volumen

El volumen es la cantidad de espacio tridimensional que ocupa una sustancia. La unidad fundamental de volumen en el sistema SI se basa en el volumen de un cubo que mide un metro en cada una de las tres direcciones. Es decir, cada arista del cubo tiene un metro de longitud. El volumen de este cubo es:

1 m X 1 m X 1 m = (1m)3 = 1 m3

o, en otras palabras un metro cúbico.

En la siguiente figura se observa que este cubo está dividido en 1000 cubos más pequeños. El volumen de cada uno de estos pequeños cubos es de un dm3 (1 litro) puede a su vez descomponerse en 1000 cubos más pequeños cada uno con un volumen de 1 cm3. Esto significa que cada litro contiene 1000 cm3. Un centímetro cúbico se llama mililitro (se abrevia mL), unidad de volumen muy empleada en Química.

Figura 1. El cubo más grande tiene lados de 1 m de longitud y volumen de 1 m3. El cubo de tamaño intermedio tiene lados de 1 dm de longitud y volumen de 1 dm3 o 1 L. El cubo más pequeño tiene lados de un cm de longitud y un volumen de 1 cm3, o un mL.

La probeta graduada que se emplea con frecuencia en los laboratorios parta medir el volumen de líquidos se encuentra dividida en unidades convenientes (por lo general mililitros). Esta probeta se llena hasta el volumen deseado con líquido, que después se transfiere a otro recipiente.

Figura 2. Probeta graduada de 1000 mL.

En la tabla 4 se muestra las relaciones principales para el volumen.

Unidad

Símbolo

Equivalencia

litro

L

1L = 1000 mL

mililitro

mL

10-3 L = 1 mL

Tabla 4

Formas para determinar el volumen

Existen varios métodos muy comunes para determinar el volumen.

  • Si la sustancia es un sólido regular , se pueden medir sus dimensiones para calcular su volumen en case a formulas. Por ejemplo , si es un cilindro(trozo)el volumen se calcula a partir del diámetro D y la longitud L

  • V = 3.1416 (D/2)2 L

  • Si la sustancia es un liquido ,su volumen se mide en un recipiente graduado, el mas común para este propósito es una probeta graduada. Las pipetas graduadas no permiten gran exactitud para la determinación de densidades. Su calibración es poco aproximada: esto se debe a que tiene una abertura muy ancha que permite una rápida evaporación del líquido y su diámetro ,bastante considerable, hace imposible leer el volumen con suficiente precisión.

  • Para materiales granulares o sólidos irregulares (arena),el método más conveniente para medir el volumen consiste en añadir la sustancia a un líquido (en el cual no se disuelva )en una probeta graduada.

  • Al medir el volumen del líquido antes y después de añadir el sólido , la diferencia corresponde al volumen del líquido desplazado por el sólido.

    Determinación de la masa

    Otra cantidad medible de importancia es la masa, que es la cantidad de materia presente en un objeto. La unidad fundamental de la masa es el kilogramo. Como en el sistema métrico que se empleaba antes del SI se usaba el gramo como unidad fundamental, las cantidades se basan en el. Como en la tabla 5.

    Unidad

    Símbolo

    Equivalente gramo

    kilogramo

    kg

    1000 g

    gramo

    g

    1 g

    miligramo

    mg

    0.001 g

    En el laboratorio se determina la masa de un objeto mediante una balanza. Ésta compara la masa del objeto con un conjunto de masas estándares (“pesas”).

    Si el material que se va a pesar es un sólido (polvo),líquido o un gas , es obvio que el peso del recipiente que lo contiene menos el peso del recipiente vacío, es igual al peso de la

    muestra.

    Recomendaciones:

  • Los sólidos (polvos o granulares ) nunca deben pesarse directamente sobre el platillo de una bascula o balanza debido a que:

  • Los residuos que queden aceleran la corrosión.

  • Estos mismos residuos producen errores

  • Se puede contaminar el material con residuos anteriores.

  • b)Los sólidos deben pesarse sobre:

    a)Un papel terso, limpio y resistente

    b)Un vidrio de reloj

    c)Un vaso o recipiente de vidrio

    Peso del frasco o vidrio de reloj solo------------------------------------------------------------------

    Peso del vidrio de reloj con muestra-------------------------------------------------------------------

    Peso de la muestra----------------------------------------------------------------------------------------

    Densidad

    La densidad se define como la cantidad de materia presente en un volumen dado de sustancia. Es decir la densidad es la masa por la unidad de volumen, la proporción entre la masa de un objeto y su volumen:

    Densidad = masa / volumen

    El volumen de un objeto sólido suele determinarse de manera indirecta sumergiéndolo en agua y midiendo que volumen desplaza. De hecho, este método es el más preciso para determinar la grasa porcentual del cuerpo de una persona. Se sumerge a dicha momentáneamente en un tanque de agua y se mide el aumento de volumen. Como en la figura 3. Se puede calcula la densidad del cuerpo usando el peso de la persona (masa) y el volumen del cuerpo de la persona determinado por inmersión. La grasa, el músculo y el hueso tienen densidades diferentes (la grasa es menos densa que el tejido muscular, por ejemplo) de manera que se puede calcular qué fracción del cuerpo corresponde a grasa. Mientras más músculo tenga una persona y menos grasa tenga mayor será su densidad corporal. Esta es una medida del estado físico de una persona.

    Figura 3

    Incertidumbre en la medición

    Siempre que se efectúa una medición se requiere de una estimación. Esto puede ejemplificarse midiendo un alfiler que se muestra en la figura 3 a). Puede verse que el alfiler mide poco mas de de 2.8 y poco menos de 2.9. Entonces se establece una división imaginaria de 1º entre estas dos cantidades y de esta forma se pudo observar que el alfiler mide 2.85 cm. Pero esta estimación fue visual así que si la repitiera otra persona obtendría una cantidad diferente, como 2.86 ó 2.84.

    Es importante observas que los dos primeros dígitos de cada medición son iguales sin importar quién la efectúe; éstos se llaman números ciertos de la medición. Cuando se registra una medición se suelen tomar los dos primeros números ciertos y el primer número incierto.

    Es importante darse cuenta que la medición siempre tiene cierto grado de incertidumbre. Ésta depende del dispositivo que se emplee para medir. Los números que se registran en una medición se llaman cifras significativas. El número de cifras significativas para determinada medición depende de la incertidumbre inherente al dispositivo que se emplee para efectuarla.

    Cifras significativas

    Se ha visto que para efectuar cualquier medición hay que hacer una estimación, y por tanto hay un cierto grado de incertidumbre en ella. El grado de certidumbre depende del número de cifras significativas que se obtengan.

    Reglas para contar las cifras significativas

  • Enteros diferentes de cero. Los enteros diferentes de cero siempre cuentan como cifras significativas.

  • Ceros. Hay tres clases de ceros:

  • Ceros a la izquierda, que preceden a todos los dígitos diferentes de cero. Nunca cuentan como cifras significativas.

  • Los ceros cautivos, se encuentran entre los dígitos diferentes de cero. Siempre cuentan como cifra significativa.

  • Los ceros a la derecha, se encuentran al a derecha del número. Sólo son significativos si el número contiene un punto decimal después de los ceros.

  • Números exactos. Con frecuencia en los cálculos hay números que no se obtienen por medición, sino por conteo. 10 experimentos, tres manzanas, 8 moléculas. Estos se llaman números exactos.

  • Material y substancias

    • Líquidos

    H2O, alcohol, glicerina, etc.

    • 1 Trozo de metal

    • 1 Piedra irregular

    • Equipo

    • Balanza granataria y electrónica

    • Probeta de 100 mL

    • Pipeta de 10 mL

    • Bureta de 50 mL

    • Vaso de precipitado 500,100 y 50 mL

    • Vidrio de reloj

    • Desarrollo

      Procedimiento:

    • Pese objetos de masa conocida, suministrados por el profesor.

    • Registre los pesos en una libreta u hojas teórica

    • Determine la sensibilidad de la balanza

    • Compárense las sensibilidades de varias balanzas del laboratorio

    • Pésese cada objeto tan exactamente como sea posible y determínese las incertidumbres.

    • Observaciones

      Material problema

      De los líquidos problema mídanse su densidad tan cuidadosamente como sea posible usando el método B.

      Estímese la incertidumbre de la densidad obtenida; de los sólidos obténgase la densidad de las mismas, utilizándose el método Ay C.

      Compárese la incertidumbre de los dos métodos, obténgase otra muestra de un sólido granular o un liquido y determínese su densidad con el método que se crea más conveniente

      Datos teóricos y experimentales

      Datos obtenidos

      Nombre

      Masa obtenida

      con la balanza

      granataria (g)

      Masa obtenida

      con la balanza

      electrónica (g)

      Incertidumbre

      Vidrio de reloj

      24.65

      24.67

      24.66+ 0.01

      Vaso de precipitado

      50.75

      50.77

      50.76+0.01

      Piedra

      1.53

      1.55

      1.54+0.01

      Anillo

      3.91

      3.93

      3.92+0.01

      Agua

      19.99

      20.03

      20.01+0.02

      Ácido Sulfúrico

      34.39

      34.37

      34.38+0.01

      Nombre

      Volumen (mL)

      Densidad (g/mL)

      Piedra

      4

      0.385

      Anillo

      1

      3.92

      Agua

      20

      1.01

      Ácido sulfúrico

      20

      1.71

      Cuestionario

    • Obtenga las masa de las masas de las diferentes muestras en los sistemas SI, MKS, FPS

    • Obtenga el porcentaje de desviación en las mediciones de la masa en las balanzas electrónica y granataria.

    • Nota tome como base la balanza electrónica.

    • Dé el volumen de las muestras obtenidas el los sistemas SI, FPS, MKS y CGS.

    • Obtenga el porcentaje de desviación del las mediciones del volumen en la probeta bureta ,vaso de precipitados graduados.

    • Nota. Tome como base la bureta.

    • Obtenga la densidad de las muestras en los sistemas SI, MKS, FPS y CGS.

    • Resultados

      (solución del cuestionario)

      1.Masa

      g

      kg

      slug

      u

      oz

      lb

      ton

      piedra

      1.54

      1.54-03

      1.0552-04

      9.2423

      0.0543

      3.3457-03

      1.5708-06

      anillo

      3.92

      3.92-03

      2.68-04

      2.3624

      0.138

      8.6436-03

      4.3198-06

      Agua

      20

      0.02

      1.3704-03

      1.200425

      0.7054

      0.0441

      2.204-05

      Ácido sulfúrico

      34.38

      0.03438

      2.3557-03

      2.07025

      1.2125

      0.075

      3.788-05

      Equivalencia en gramos (g)

      1 gramo

      1

      1 Kilogramo (km)

      0.001

      1 slug

      1.459 X 104

      1 unidad de masa atómica unificada (u)

      1.661 X 10-24

      1 onza

      28.35

      1 libra

      453.6

      1 ton

      9.072 X 105

      2. Con la sumatoria de los grados de incertidumbre entre el número de muestras por 100.

      La desviación es de 0.106% entre ambas balanzas.

      3. Volumen

      metro cúbico

      m3

      centímetro cúbico cm3 ó mL

      litro L

      pie cúbico

      ft3

      pulgada cúbica in3

      Piedra

      4-06

      4

      4-03

      1.4125-04

      0.24408

      Anillo

      1-06

      1

      1-03

      3.531-05

      6.102-02

      Agua

      2-04

      20

      0.02

      7.062-04

      1.2204

      Ácido sulfúrico

      2-04

      20

      0.02

      7.062-04

      1.2204

    • El porcentaje de desviación entre los instrumentos es de 0.01%.

    • Densidad

    • slug/ft3

      kg/m3

      g/cm3

      lb/ft3

      lb/in3

      piedra

      7.469-04

      385

      0.385

      24.035

      1.391-05

      anillo

      7.6048

      3920

      3.92

      244.725

      1.416-04

      agua

      1.9594

      1010

      1.01

      63.05

      0.036

      ácido

      3.3174

      1710

      1.71

      106.7553

      0.061

      Conclusiones

      Efectivamente se llego al objetivo de medir las diferentes substancias y objetos presentados en este experimento.

      Los métodos para determinar el volumen y el peso en este experimento son los más precisos y el grado de incertidumbre se puede reducir con una buena calibración en los equipos y haciendo hincapié en el error de paralaje y algunos otros posibles errores.

      De las unidades referenciadas se obtuvieron sus equivalencias en otros sistemas de unidades, cabe hacer referencia de que el Sistema Internacional de unidades es el más utilizado en los experimentos cinéticos y en otras actividades cotidianas, por su fácil entendimiento y su amplia estandarización.

      BIBLIOGRAFÍA

      • MASTERTON-SLOWINKI; Química General; Interamericana.

      • MILLER AGUSTINE; Química Básica; Harla.

      • RESNICK/ HALLIDAY/ KRANE; Física; CECSA; Cuarta edición, volumen1, México 2001.

      • G. A. OCAMPO. Fundamentos de química; Cultural; quinta edición; México 1999.

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