PRÁCTICA N° 1

MEDICION DE MASA Y VOLUMEN

(Balanza Analítica y Materiales Volumétricos)

I. OBJETIVO GENERAL

Obtener destreza y habilidad en el manejo y uso de la balanza analítica, así como en la selección del instrumento volumétrico más adecuado, para obtener mediciones precisas expresadas en forma científica.

II. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Al finalizar la práctica el alumno será capaz de:

1.      Realizar el manejo adecuado de una balanza analítica para determinar la masa de un objeto o sustancia.

2.      Efectuar una medición y escribir la cantidad correspondiente con el número adecuado de cifras significativas.

3.      Determinar la apreciación y exactitud de diferentes aparatos volumétricos.

4.      Explicar las ventajas e inconvenientes de utilizar un aparato volumétrico en una situación previamente determinada.

5.      Distinguir entre exactitud y precisión.

6.      Reportar el resultado de un cálculo indicando los siguientes parámetros: cifras significativas, error relativo y error porcentual.

 

MARCO TEÓRICO

Los experimentos en el laboratorio involucran mediciones cuantitativas que a menudo se utilizan en cálculos para obtener otras cantidades relacionadas. Existen diferentes instrumentos que permiten medir las propiedades macroscópicas de una sustancia (es decir que puede ser determinadas directamente), en esta práctica se utilizará la balanza para medir masa; la bureta y el cilindro para medir volúmenes y el termómetro para las temperaturas.

Las propiedades de la materia que se pueden medir, pertenecen a una de dos categorías: propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor de una propiedad extensiva dependerá de la cantidad de materia, como por ejemplo el volumen y la masa, mientras que el valor de una propiedad intensiva no dependerá de cuanta materia se utilice, como podría ser el caso de la temperatura.

CONCEPTOS BÁSICOS

a.      Apreciación: se define como la mínima división observable directamente, sobre la escala de medición del instrumento. Este valor debe tomarse en cuenta al escribir el resultado de una medición o cálculo.

En la figura 8 se observa un termómetro, donde la menor división tiene un valor de 2 °C, esa será la apreciación para ese instrumento. La apreciación puede determinarse empleando dos valores de la escala del instrumento y el número de divisiones entre las dos lecturas, como se muestra en el siguiente ejemplo correspondiente a la figura 8.

              A= (L mayor – L menor )/ Nº de divisiones                          (1)

Donde:

L = Lectura

 

Sustituyendo

 

                             A= (100 – 90) ºC / 5

                             A= 2ºC

 

FIG.8. Apreciación del termómetro.

 

b.      Cifras significativas: es importante indicar el margen de error en las mediciones señalando correctamente el número de cifras significativas, que son los dígitos significativos en una cantidad medida o calculada. Hay que tener presente las cifras significativas en una medición para asegurar que los cálculos realizados con los datos reflejan la precisión de ese valor. Como regla general no se debe reportar mas cifras significativas que aquellas que la apreciación del instrumento lo permita.

 

Normas para utilizar las cifras significativas:

 

Ø         Cualquier digito diferente de cero es significativo.

Ø         Los ceros ubicados entre dígitos distintos de cero son significativos.

Ø         Los ceros a la izquierda del primer digito distinto de cero no son significativos.

Ø         Si un numero es mayor que 1, todos los ceros escritos a la derecha del punto decimal cuentan como cifras significativas.

Ø         En la adición y la sustracción, la respuesta debe tener el menor número de cifras significativas a la derecha del punto decimal que posean los números originales.

       Ejemplo:

 

                             59,254

                             +1,1      ¬   una cifra significativa después del punto decimal

                            60,354    ¬  se redondea a 60,4

 

Ø         En la multiplicación y en la división, el número de cifras significativas del producto o cociente resultante está determinado por el número original que tiene el menor número de cifras significativas. Los siguientes ejemplos ilustran la regla:

 

2,8 x 4,5039 = 12,61092  ¬    se redondea a 13

6,85 / 112,04  = 0,0611388789 ¬ se redondea a 0,0611

Ø         Al multiplicar y dividirse con números exactos, se coloca el resultado con el número de cifras significativa que corresponda a la medida o cálculo, siguiendo las reglas anteriores.

 

c.       Exactitud: indica que tan cerca esta el valor medido o calculado del valor real o teórico y se  describe en términos del error absoluto o relativo.

 

d.   Precisión: se refiere a cuanto concuerdan dos o más mediciones de una misma cantidad.

 

La exactitud y precisión dependerá de la naturaleza del instrumento de medición y de la habilidad con la que se le haya usado.

 

e. Error Absoluto: es la diferencia entre el valor verdadero y el valor obtenido experimentalmente (medido o calculado).

 

Error absoluto =  ½valor experimental- valor verdadero½                  (2)

 

 

f.  Error relativo porcentual: es la relación entre el error absoluto y el valor verdadero multiplicado por cien.

 

 

Error relativo porcentual = ½Error Absoluto½    x 100                           (3)

                                                                                Valor verdadero

 

 

Ejemplo: El punto de fusión teórico del ácido benzoico es de 121,5° C y en la práctica un alumno obtuvo un valor de 120°C. Determine el error absoluto y relativo porcentual

 

En tal caso el error absoluto y relativo de la medición será:

 

Error Abs = ½121,5°C – 120°C ½= 1,5°C;

 

Error relativo =  1,5°C / 121,5°C x 100 = 1,2 %

 

Nota: Ver anexo 1 para mayor información.

 

 

 

 

BALANZA.

La balanza analítica (Figura 9) es uno de los instrumentos de medida más utilizados en laboratorio y del cual dependen básicamente todos los resultados analíticos. Proporcionan valores de precisión de 1 a 0,1 mg (sensibilidad o apreciación). Sin embargo, estos instrumentos pueden presentar  interacciones con el ambiente, causando efectos físicos indeseables sobre la operación, la tabla 4 muestra algunos de los efectos más comunes que se observan en las balanzas.

1.      Cubierta protectora.

2.      Burbuja niveladora.

3.      Platillo de pesada.

4.      Pantalla.

 
 
                                                         

FIG.9. Balanza analítica.

 

TABLA 4.  Efectos Físicos causados por temperatura, variación de masa o magnetismo.

Efecto Observado

Causa probable

Acciones correctivas

 

 

 

La pantalla varía constantemente en una dirección.

La existencia de una diferencia de temperatura entre la muestra y el ambiente de la cámara de medida, causa corrientes de aire. Esas corrientes de aire generan fuerzas sobre el plato de medida, esto hace que un objeto más frío parezca más pesado, o un objeto más caliente parezca más liviano. Este efecto solo desaparece cuando el equilibrio térmico es establecido.

·        Nunca pese muestras retiradas directamente de estufas, muflas o refrigeradores.

·        Siempre dejar que la muestra alcance la misma temperatura del laboratorio o de la cámara de medida.

·        Siempre tratar de manipular los frascos de medida o las muestras con pinzas, si no es posible, utilizar una banda de papel.

·        Usar recipientes de medida con la menor área posible.

 

 

La pantalla indica lecturas que aumentan o disminuyen, continua y lentamente.

 

Aumento de masa debido a una muestra higroscópica (aumento de humedad atmosférica) o pérdida de masa por evaporación de agua o de substancias volátiles.

·        Usar frascos limpios y secos y mantener el plato de medida siempre libre de polvo, contaminantes o gotas de líquidos.

·         Usar frascos de medida con cuello estrecho.

·        Usar tapas o corchos en los frascos de medida.

 

 

Baja reproducibilidad. El resultado de la medida del peso de una muestra metálica depende de su posición sobre el plato de la balanza.

 

Si el material es magnético (hierro, acero, níquel, etc.) puede estar ocurriendo atracción mutua con el plato de la balanza, y pueden estar siendo creadas fuerzas que originen una medida falsa.

·        Si  es posible, desmagnetizar las muestras ferromagnéticas.

·        Como las fuerzas magnéticas disminuyen con la distancia, separar la muestra del plato usando un soporte no-magnético (ej: un beaker bocabajo o un soporte de aluminio).

·        Usar el gancho superior del plato de la balanza, si lo tiene.

 Entre los puntos más importantes a considerar en las operaciones de medida del peso, tenemos:

Función básica “Pesar”

 


·        Para encender y apagar la  balanza: pulsar tecla  

·        Verificar si la pantalla señala exactamente cero al empezar la operación. Si es necesario volver a poner a cero la pantalla, pulse unos instantes  la tecla Tara (situada a los lados del panel frontal).

·        Coloque sobre el platillo el material  que desea pesar y lea el resultado de la operación en la pantalla. El indicador de estabilidad (*) aparece cuando la lectura es estable.

Cuidados básicos

·        Verificar siempre la nivelación de la balanza (burbuja niveladora).

·        Dejar siempre la balanza conectada a la toma y prendida para mantener el equilibrio térmico de los circuitos electrónicos.

·        Dejar siempre la balanza en el modo “stand by”, evitando la necesidad de nuevo tiempo de calentamiento.

·        Utilizar recipientes con tapas, a fin de evitar derrames accidentales dentro de la balanza.

·        Colocar el recipiente siempre en el centro del platillo de pesada.

Mantenimiento

·        Mantener siempre la cámara de pesada y el platillo limpios.

·        Usar siempre recipientes de medida limpios y secos.

MATERIAL VOLUMÉTRICO

Para lograr medidas precisas de volúmenes de líquidos, se emplean instrumentos calibrados que proporcionan la mayor exactitud en relación al volumen que desea medir, estos instrumentos se conocen como materiales volumétricos graduados (buretas, cilindros y pipetas), ya que tienen una escala de graduación, es decir que se pueden determinar diferentes volúmenes.

La superficie de los líquidos en este tipo de instrumento es curva, y recibe el nombre de menisco. Cuando el líquido moja el tubo el menisco es cóncavo, si el líquido no moja el tubo se observa un menisco convexo (ejm: el mercurio). Habitualmente trabajamos con líquidos que mojan el tubo, por consiguiente, los meniscos que observaremos serán cóncavos.


En el menisco cóncavo podemos considerar una curva inferior y una curva superior, para la medición de líquidos claros, se lee la graduación tangente a la curva inferior del menisco (ver Figura 10), en el caso de líquidos oscuros, se lee la graduación tangente a la curva superior, el instrumento debe colocarse o sostenerse en posición vertical y el nivel de observación debe ser horizontal y al mismo nivel de la curva del menisco.

FIG. 10. Observación de la curva del menisco cóncavo en materiales volumétricos.

Como ya se había mencionado, la exactitud y precisión, en la medida de un volumen dependen fundamentalmente del instrumento utilizado, pero los resultados también están condicionados por la habilidad del operador. Teniendo en cuenta que la densidad del cuerpo se determina al dividir su masa entre el volumen que ocupa, se puede calcular el volumen de un líquido, determinando su masa en la balanza analítica y utilizando una tabla de densidades (Tabla 5).

 

 

PROCEDIMIENTO  EXPERIMENTAL (Figura 11).

·  Determinación de la exactitud del cilindro y la bureta.

1.      Pese en una balanza analítica, tres recipientes limpios y secos con tapas. Anote los valores de las pesadas realizadas.

2.      Mida 50 ml de agua destilada con uno de los instrumentos volumétricos cuya exactitud deba determinar (bureta 50 ml y cilindro de 100 ml).

3.      Vierta dentro de cada recipiente 50 ml de agua (cuidando no salpicar), tápelos, pese y anote los valores de nuevo.

4.      Repita el procedimiento utilizando el otro instrumento volumétrico.

5.      Anote la temperatura del agua destilada utilizada en la experiencia.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FIG.11. Procedimiento experimental.

 

 

TABLA 5.  Densidad del agua a diferentes temperaturas

Temperatura (°C)

Densidad  (g/mL)

Temperatura (°C)

Densidad  (g/mL)

20

0,9982

26

0,9968

21

0,9980

27

0,9965

22

0,9978

28

0,9963

23

0,9976

29

0,9960

24

0,9973

30

0,9956

25

0,9971

 

 

DATOS EXPERIMENTALES

 

 

TABLA 6. Apreciación de los Instrumentos.

Apreciación de la bureta

  

mL

Apreciación del cilindro graduado

 

mL

Apreciación del termómetro

 

ºC

Apreciación de la balanza

 

g

 

TABLA 7.  Medidas con la Bureta

Recipiente

Volumen medido de agua      ( mL)

Peso del recipiente vacío  (g)

Peso del recipiente + agua (g)

 1

 

 

 

 2

 

 

 

 3

 

 

 

 

TABLA 8.  Medidas con el Cilindro graduado

Recipiente

Volumen medido de agua      ( mL)

Peso del recipiente vacío (g)

Peso del recipiente + agua (g)

 1

 

 

 

 2

 

 

 

 3

 

 

 

 

TABLA 9. Temperatura y densidad del agua destilada

 

Temperatura (ºC)

Densidad (g/ml)

Bureta

 

 

Cilindro

 

 

 

CALCULOS

 

  1. Determinar la masa de agua en cada uno de los recipientes.
  2. Calcular el volumen de agua  a partir de V = m / d (tabla 5).
  3. Calcular el error porcentual teórico para la bureta y el cilindro:

 

Error porcentual teórico = (Apreciación / V total) x 100                                            (4)

 

  1. Calcular el error absoluto y relativo porcentual para cada una de las medidas realizadas.
  2. Calcular el  error  relativo porcentual promedio para cada instrumento.(Ec 2)

RESULTADOS

 

TABLA 10. Bureta

Recipiente

Masa de agua (g)

Volumen calculado de agua           ( mL)

Error Absoluto

Error porcentual

(%)

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

TABLA 11. Cilindro graduado

Recipiente

Masa de agua  (g)

Volumen calculado de agua     ( mL)

Error Absoluto

Error porcentual (%)

 1

 

 

 

 

 2

 

 

 

 

 3

 

 

 

 

 

TABLA 12. Error porcentual

Instrumento

Error porcentual Teórico (%)

Error porcentual Promedio (%)

 Bureta

 

 

 Cilindro

 

 

 

CUESTIONARIO

1.      ¿Por qué  no se debe pesar objetos calientes en una balanza?

2.      ¿Cuál es la diferencia entre exactitud y precisión?

3.      ¿Qué es la apreciación y como se determina?

BIBLIOGRAFÍA

1.       CHANG, R y COLLEGE, W. Química. Séptima edición. McGraw-Hill, México, 2002.

2.       DAUB, W y SEESE, W. Química. Séptima edición. Prentice Hall, México, 1996.

3.       PRETRUCCI, HARWOOD, y HERRING, G. Química General. Octava edición. Prentice Hall , Madrid, 2003.

4.       MOORE, KOTZ, STANITSKI, JOESTEN y WOOD. El Mundo de la Química. Segunda edición, Addison Wesley Longman, México, 2000.

5.       http://www.chemkeys.com

6.       http://www.quimica.urv.es/quicio (anexo 1).