http://avibert.blogspot.com

http://avibert.blogspot.com

Unidades de Medida y Concentraciones

El objetivo inmediato del anlisis cuantitativo es contestar a la pregunta" cuan-lO?". Por ejemplo, cunto vanadio se encuentra en cierto mineral? Cunto fos-fato est ligado a una enzima? Cuanto plaguicida se encuentra en un manto de agua subterrnea? Algunos de los principios y mtodos que permiten medir" cun-to?" son el tema de esta obra. El objetivo fundamental de la qumica analtica na slo es medir "cunto", sino tambin utilizar este conocimiento para un prop-sito ms amplio, que puede ser una investigacin cientfica , una decisin poltica, un anlisis de costo , una satisfaccin filosfica o una multitud de otras razones.

Empezaremos por una breve descripcin de las unidades de medida.

1-1 UNIDADES SI"

Loscientificos avanzan en la adopcin mundial de un sistema de unidades de medi-da conocido como Sisfema Internacional de Unidades (S I) (Systeme InternP(jonal d'Unils), cuyos estandares o patrones se denominan unidades SI. Las unidades fundamentales, de las cuales se derivan todas las dems, se presentan en la Tabla 11. Los estndares de longitud, masa y tiempo son las unidades mtricas bien conocidas metro (m), kilogramo (kg) y segundo (s). Las otras unidades fundamen-tales que ms interesan miden la corriente elctrica (el ampere, A), la temperatura (el kelvin, K) y la cantidad de sustancia (el mol, mol).

Todas las demas cantidades fsicas, como energa, fuerza y carga elctrica, pueden expresarse en trminos de las unidades fundamentales. Algunas de estas cantidades derivadas se muestran en la Tabla 1-2, junto con sus nombres y smbolos. Los factores de conversin que relacionan algunas de las unidades SI con las de otros sistemas se presentan en la Tabla 1-3.

La forma recomendada de escribir cantidades numricas es dejando un espacio despus de cada tercer dgito a cada lado del punto decimal. Un ejemplo es

1032.97135

No deben usarse comas como marcas de millar. En Europa, la marca decimal es habitualmente una coma, por lo que el numero anterior se escribira as:

I 032,971 35 (N. de R.) En esta versin se han unificado y actualizado los conceptos de las unidades SI y las

de otros sistemas, considerando las definiciones ms recientes del Bureau Intcrnational des Poids el Mesures (BIPM).

Las definiciones de muchcs trminos usados en este libro pueden consultarse en el Glosario. al final de! texto.

1

2 1. UNIDADES DE MEDIDA Y CONCENTRACIONES

Tabla 1-1 Unidades SI fundamentales

Cantidad Unidad Smbolo

Longitud metro m

Masa kilogramo k.

Tiempo segundo ,

Corriente elctrica ampere A

Temperatura ke!vin K

Intensidad luminosa candela ,d

Cantidad de sustancia mol mol

ngulo plano radin rad

ngulo slido CSlereorradian sr

Definicin

El metro es la distancia que la luz recorre en el vado durante 1/ 299 792 458 de segundo. Esta definicin fija la vdocidad de la luz en exactamente 299 792 458 mIs.

El kilogramo es la masa del Kilogramo Prototipo Internacional conservado en Sevres, Francia. Es la unic;1 unidad SI que no se define en terminas de constantes fsicas.

El segundo es la duracin de 9 192 63 I 170 ciclos de [a radiacin correspondiente a los dos niveles hiper finos de! estado fundamental del Illes.

El ampere es la intensidad de la corriente electrica conStante que produce una fuerza de 2 x 10-7 N/m (newtons por metro de longitud) cuando circula en dos conductores rectos paralelos de longitud infinita y seccin transversal despreciable. separados en el vacio una distancia de un meHO.

La tcmpcralUra termodinmica (o absoluta) se define de manera que el punto triple del agua (en el que sus fases slida , liquida y gaseosa estn en equilibrio) sea igual a 273.16 K, Y la temperatura del cero absoluto es entonces igual a O K.

La candela es la intensidad luminosa, en una direccin dada, de una fuente que emite radiacin monocromtica con freCuencia de 540 THz y que tiene intensidad radiante (energa) de 1/683 W/sr en esa direccin.

Un mol es una cantidad de entidades individuales (tomos, molculas, etc.) igual al numero de tomos de carbono que hay en exactamente 0.012 kg de I:C. Tal numero es aproximadamente 6.022 1367 x l()ll,

El radin es el ngulo central de una circunferencia que intercepta un arco de longitud igual al radio. Por tanto, a un circulo complelO corresponden 2'1' rad .

El estereorradin es el ngulo slido con centro en una esfera que intercepta en su superficie un rea igual al cuadrado del radio. Por tanto, a la e~fera completa corresponden 4'IT sr. "

Estas definicione5Sc adaptan, con autorizacin, d~ Losunidode$ SI y orOSSlSlemos, F. Paniagua (Apdo. 30-488, Mxico 0.1'.).

1-1 Unidades SI 3

I Tabla 1-2 Algunas unidades SI derivadas qu~ tienen nombres especiales

, Expresin en Expresin en

trminos de otras trminos de las Cantidad Unidades Sfmbolo unidades SI unidades SI bsicas

Frecuencia hertz H, 1/, Fuerza newton N m . kg/s1 Presin pascal p, N/ml Kg/(m . S1) Energa, trabajo,

, calor joule J N.m ml . kg/s1

Potencia, nujo de radiacin watt W JI, mI . kg/sJ

Cantidad de electricidad, carga

el~ctrica coulomb C , _ A Potencial elctrico,

fuerza electromotriz. tensin, voltaje Voh V W/ A mI . kg/ (Sl . A)

, Capacitancia farad F c/v 54 Al/{ml kg) Resistencia elctrica ohm O V/ A mI. kgl(s) . Al) Conductancia elctrica siemens S A/V s). Al/(ml . kg) Flujo magntico \\'eber Wb V .. mI. kg/ (Sl . A) Densidad de nujo magntico tesla , T W b/m1 kgt(s2 . A) Induclancia hcnry H Wb/ A m2 . \eg/ (Sl . Al) Flujo lumnico lumen 1m cd . sr I1uminancia lux

"

cd . sr /m2

Tabla '-3 Algunas equ ivalencias en S I de diversas unidades

Cantidad Unidad Smbolo Equivalencia

Volumen litro L .IO-J m J mililitro mL -10-6ml

I Longitud angstrom -lO- ID m ~ pulgada pi, -0.025 4 m

Masa libra lb -0.453 592 37 \eg

Fuerza dina din .1O~3 N

Presin atmsrera .. m -101 325 N/m1 IOTT mm Hg 133.322 N/m l libra/ plg! psi 6 894.76 N/ml

Energa ", , .10-1 J electrn-volt 'V 1.602 177 33 x 10-19 J calora (tcrmoqumiea) ", 4.184 J unidad trmica britnica B," 1 055.06 J

Potencia caballo de potencia 745.700 W

" No/u: El asterisco (O) indica que la equivalencia es exacta (por definicin).

4 1. UNIDADES DE MEDIDA Y CONCENTRACIONES

Tabla 1-4 PrefijOS para las unidades SI Prefijo Smbolo Factor

'" E 1018

",lO P I 01 S tera T I 01 ~

G 10' giga mega M 10' kilo k 10' heclo h 10' deca da 10' deci d 10- 1 ccnti , 10-2 mili m IO-J Illlcro , 1O~ nano

" lO-y

piCO P 10- I ~ femo r 10- 1' ",o O 10- 11

I IlL = 10- 3 mL = 10- 1> L

Molaridad (M) " -;;m::'=I~=i.dC'::"':'::"ii'O:: lilros de solucin milillloles de soluto

mililitros de solucin

EJEMPLO: Conversin de Unidades La unidad de presin ms comn es la atmsfera (alm). En el sistema SI, la unidad de presin es el pascal (Pa), equivalente a un newlon por meno cuadrado (N/m2). Qu presin en pascals corresponde a una presin de 0.268 alm?

La Tabla 1-3 indica que I alm es exaClamente 101 325 N/ml = 101 325 Pa . Podemos escribir enlon~s

{O.268 ;un1( IOI325 pa) => 27 200 Pa "''''

Las unidades deben escribirse siempre despus de cada cantidad numrica (si es dimensio-nal), y en la respuesta no deben omitirse las unidades.

En la Tabla 1-4 se presentan varios prefijos empleados para indicar fracciones o multiplos de unidades. Es muy incmodo escribir constantemente un numero como 3.2 x 10- 11 s; es preferible escribir en su lugar 32 ps. Un picosegundo (ps) es igual a 10- 11 s. Para expresar 3.2 x 10- 11 en picosegundos, efectuamos [a con-versin como sigue:

3.2xIO- II :t ="-""-:--" ~ 32 ps

10- 12 ~ ps

La unidad SI de volumen (que tiene la dimensin de longitud al cubo) es el metro cbico (m). La unidad com un de volumen es ellilro (l) , el cual se define como el volumen de un cubo de 0 .1 m de lado. El milililro (m l ; I mL = 10-) L) es exactamente 1 cm). En los lTabajos a pequea escala, en bioqumica particular-mente, los volumenes se expresa n a menudo en micro/i/ros (pL; 1 .L = IO-~ L).

1-2 EXPRESIONES DE LA CONCENTRACiN

La concenlracin especifica cunta sustancia seencuentra en un volu men o en una ma-sa determinados. En esta seccin se describen las principales formas de expresar las concentraciones. La normalidad y el titu lo, que no se usan en eSle libro. se definen en el Glosario. La normalidad se examina con mayor detalle en el Apndice E.

Molarldad

La unidad ms comun de concentracin es la molaridad (moles por li uo), y su abreviatura es M. La molaridad tambin puede expresarse como milimoles por mi-lilitro, do nde un milimol (mmol) es igual a 10-) mol. El mol se define como el numero de atamos de 12e presentes en exactamente 12 g de 12e. Tal nmero de tomos se denomina nmero de Avogadro. y actualmente su valor ms preciso es 6.022 1367 x l()ll . A veces se usa e[ trmino "lamo-gramo" para designar el nmero de Avogadro de tomos, reservando el trmino "mol" (o "molcula-gramo" ) para el numero de Avogadro de molculas. No haremos aqu tal distin-cin. Un mol es simplemente 6.022 1367 x 102) partculas de algo.

1-2 Expresiones de la Concentracin 5

La masa molecular o peso molecular (PM) de una sustancia es el nmero de Un mol es 6.022 1367 x lo

6 1 UNIDADES DE MEDIDA Y CONCENTRACIONES

En muchos 5Olvc.mes, el AtClJ liene la estructura que sigue:

el dettis de la pagma 1

CI ,.,eI , CI Al Al

el"" ....... el ...... el 1

d enrrent. de la ~Iin.

La densidad es masa/volumen -g/mL

El peso frmula (PF) de una sustancia es la masa de una unidad frmula de dicha sustancia. Por ejemplo, el peso frmula del AICI] es [26.982 + 3{35.453)] = 133.341. En numerosos solventes (o disolvenres) orgnicos no polares, el peso mo-lecular es el doble del peso frmula, debido a que [a molcula existe como dmero cuya composicin es AJ1C16 El peso frmula corresponde a las especies en la for-ma en que fueron escritas. Podramos hacer referencia al peso frmula del A11Cl" el cual es el doble del peso frmula del AICI).

Composicin Porcentual

El porcentaje de una sustancia en una solucin se expresa por lo general como porcentaje en peso , que se define como

Porcentaje en peso = masa de sustancia X 100 l'T'lQ,5CI total de la solucin

El porcentaje en peso se abrevia usualmente %(p/p). Una solucin de etanol acuo-so marcada "401110 (p/p)" contiene 40 g de etanol por cada 100 g (no 100 mL) de solucin. Se obtiene mezclando 40 g de etanol con 60 g de H10.

Otras expresiones comunes de composicin porcentual son el porcentaje en volu-men, %(v/v), y el porcentaje en peso por volumen, "/o(p/v):

Porcentaje en volumen = volumen de sustancia x 100 volumen total de la solucin

Porcentaje en peso por volumen = masa de sustancia (en gramos) x 100 volumen total de la solucin (en mililitros)

Si bien las unidades de peso O de volumen siempre deben especificarse, el smbolo p/p suele quedar sobreentendido cuando no se indican las unidades.

EJEMPLO: Concentracin 8 Partir de Porcentaje en Peso El cido clorhidrico (Hel) concentrado comercial se espeeil'ica como 37.01JlG, lo cual puede suponerse que signif'ica porcentaje en peso. Su densidad (masa por unidad de volumen) es de 1. 18 g/mL. Calcular (a) la molaridad del Hel; (b). La masa de solucin que contiene 0.100 mol de Hel: y (c) el volumen de solucin que contiene 0.100 mol de He!. (a) Una solucin al 37.01J,10 contiene 37.0 g de Hel en 100 g de solucin. La masa de un

litro de sol ucin es

(1 OOO.m1:J(1.18 .!):= I 180 g La masa de Hel en 1 180 g de solucin es

(0.370 g Hel ) (1 180 g solucin) "" 437 g Hel

g solucin

Puesto que el peso molecular del Hel es 36.461,la molaridad de esta sustancia es

437,g1L = 12.0 mol "" 12.0 M 36.461..g1mol L

IN. del R.l El cocicme de la densidad de una sustancia y la densidad de Olra que se loma como referencia se denomina densidad relaliya. Suele emplearse errneameme el nombre de "graYedad espe-cfica" para nla canlidad .

'-2 Expresiones de la Concentracin 7

(b) Dado queO.IOO mol de HCI es igual a 3.65 g,la masa de solucin que contieneO.lOO mol es

3.65..& Hel- 985 1 '6 ... . gsoucl n

0.J70...a H et/g solucin

(e) El volumen de solucin que contiene 0.100 mol de HCL es 9.85 8 solm.:in

.. 8.35 mL l . 18 i sobtdn/rnL

Partes por Milln y Expresiones Afines

A menudo, la composicin se expresa como partes por milln (ppm), partes por mil millones (ppb) o partes por mil (ppt). Por ejemplo, la expresin una parte por milln indica que un gramo de la sustancia de imers esta presente por cada milln de gramos del total de solucin O de mezcla. Para una solucin acuosa cuya densidad es cercana a 1.00 g/mL, se tiene que I ppm corresponde a I /Ag/mL, o bien a 1 mg/L.-

EJEMPLO: Concentracin a Partir de Partes por Milln Una muestra de agua salada con densidad de 1.02 g/mL contiene 17.8 ppm de nitrato, NO). Calcular la molaridad del nitratO en el agua.

La molaridad se expresa en mol por litro, )' 17.8 ppm significa que el agua contiene 17.8 liS de NO; por gramo de solucin. Un litro de solucin pesa

Masa de solucin :; volumen (mL) x densidad (g/mL) = 1 000 x 1.02 = 1020 g Por tanto. un litro contiene

17.8x10 6 gNO l Gramos de NO; = x I 020 i sol"~i" G solllei6

la molaridad del nitrato es entonces

0.0182 g NO)

mol NO; = O.OI82g-N8J(62.065g..Nej /mol) = 2.9] x 10-4 M L solucin L solucin

La unidad partes por milln es muy popular, y se utiliza ampliamente en los medios de comunicacin. Cuando se dice que el agua potable contiene 0.01 ppm de tricloroetileno, elJo significa que hay 0.1 .tg de tridoroetileno por gramo de agua. Algunas veces la unidad ppm se emplea de manera ambigua. El enunciado "el aire conliene 6 ppm de ozono" probablemente se refiere a volumen (6.tL de ozono por litro de aire), no a masa (6 .t8 de ozono por gramo de aire). Si existe la probabilidad de confusin, es necesario ser explicito al usar las unidades ppt, ppm y ppb.

Otras Unidades de Concentracin

Molalldad

La molalidad , m, que se define como el nmero de moles de soluto por kilogramo de solvente, es ti l para mediciones fsicas precisas. La razn es que la molalidad

(N. de R.) En estc libro se conservan los simbolos del inglh ppt (de por/s per Ihollsand), ppm (de por/s per million) y ppb (de par/S per billion), por no e.xiuir equivalencias aceptadas universalmente en la nomenclatura en espalloJ. Sin embargo, los nombres en casldJano de tales conCC'PtOS son los corra:lOS.

pp' ... g de Sllstancia X 10l 8 de muestra

& de sustancia 10' ppm _ x i de muestra

b g de Justancia I~ pp "'- XU' g de muestra

Molalidad

moles de soluto (m) ~ :-::-===='-kilogramos de solvente

\

8 1 UNIDADES DE MEDIDA Y CONCENTRACIONES

Osmolaridad = moles de particu[as litros de solucin

Puesto que M . V ... (moles/L)(L) ,. moles, la ecuacin 1-1 simplemente establece que en ambas soluciones la cantidad de moles de rotulo es la misma. Hay diludn porque el volumen ha cambiado.

no depende de la temperatura, mientras que la molaridad s depende de ella. Una solucin acuosa diluida se dilata aproximadamente 0.020/0 por grado Celsius cuan-do se calienta en la vecindad de los 20C. Por tafilO, los moles de soluto por litro (molaridad) disminuyen en el mismo porcentaje.

Osmolaridad

La osmolaridad, Que se emplea en las publicaciones tcnicas de bioqumica y medi-cina, se define como el nmero 100al de partculas disueltas por litro de solucin. Para los no electrlitos como la glucosa, la osmolaridad es igual a la molaridad. Para el electrlito fuerte CaClz. la osmolaridad es igual a tres veces la molaridad, puesto que cada peso frmula de CaClz suministra tres moles de iones en solu-cin (Ca l + + 2Cn. El plasma sanguneo es 0.308 osmolar.

1-3 PREPARACiN DE SOLUCIONES

Cuando debe usarse un reactivo slido o lquido para preparar una solucin de molaridad dada, simplemente se pesa la ca ntidad apropiada de reactivo, se le di suelve con el solvente y se diluye la solucin hasta el volumen final deseado. La dilucin se realiza habitualmente en un matraz volumtrico, como se describe en el siguiente captulo. Para preparar una solucin 1.00 M de NaCl, no debe pesarse 1.00 mol de NaCI y mezclarse con J.OO L de agua, pues el volumen lotal de la mezcla no sera igual a 1.00 L.

EJEMPLO: Preparacin de una Solucin Qu cantidad de H;CZ0 4 2H20 (cido oxlico dihidralado) debe ulilizarse para oblener 250 mL de una solucin acuosa 0.150 M de cido oxlico?

El peso frmula del cido oxlico dihidralado (C;H60J es de 126.01 . Si se desea prepa-rar 250 mL de cido oxlico 0 .1 5 M se necesitar

( 250.ml: ) ( mOl) lOOQ.mi:/.t. 0.150 T = 0.0315 mol Esto es equivalente a

(0.031 5 mol cido oxlico) ( 126.01 g de HZC20 4 2HzO ) mol cido oxlico

4.13 g

Por tanto, deben disolverse en agua 4.13 g de cido oxlico dihidratado y diluirse hasta 250 mL.

Frecuentemente es necesario preparar una solucin diluida de un reactivo a partir de una solucin ms concentrada. Una ecuacin til para calcular el volumen re-Querido de reactivo concentrado es

Mm"e V ecne = Md,j V dil (1-1 )

donde el subindice "conc" designa la solucin concentrada, y el subfndice "dil". la solucin diluida.

, EJEMPLO: Clculo de una Dilucin

Una solucin de amoniaco en agua tambin se denomina "hidrxido de amonio" debido al equilibrio

NH) + HlO ~ NH4' + OH Amoniaco Amonio Hidrxido

La densidad del hidrxido de amonio concentrado. el cual contiene 28.0'1. (p/p) de NHJ es de 0.&99 g/mL. Qu volumen de este reactivo debe diluirse a 500 ml para tener NHJ 0.100 M?

Se comienza calculando la molaridad del reactivo concentrado. Puesto que cada mililitro de la solucin pesa 0.899 g Y se encuentran 0.280 g de NHJ por gramo de solucin (28.0'1. p/p). podemos escribir

( 899g SOJUCin)(0.280 ~ )

L g solucIn Molaridad del NHJ = .g..NHJ -= 14.8 M

17.03 mol N~J A nn de oblener el volumen dc NH 1 14.8 t.l requerido para preparar 500 mL de NH 1

0.100 M. puede aplicarse la ecuacin 1-1 :

( mOl) (0.01) 14.8 T V,Qn.(l) = 0.100 L (0.500 LI ( 1.21 V""n .. = ),]8 )( 10' J L = ].]8 ml

Obsrvese que en la ecuacin 1-2 ambos volmenes podran ex presarse en mililitros en vez de litros.

Resumen

Resumen 9

Las unidades SI bsicas o fundamenta les son: metro (m). kilogramo (kgl, segundo (s), ampere (A), kelvin (K), candela (cd) y mol (mol). Cantidades como fuerza, presin y energa se miden en unidades derivadas de las unidades bsicas. En los clculos. el smbolo de la unidad de medida debe acompa-nar siempre a la expresin numrica. Prefijos como kilo y mili se uti lizan en el SI para expresa r los mltiplos y $ubml-

tiplos de las unidades. Las expresiones usuales de la concen-tracin son molaridad (moles de 50luto por litro de solucin), formalidad (unidades rrmula por litro), molalidad (moles de $Olulo por ki logramo de solvente), composicin porcen-tual y panes por milln. El lector debe poder calcular las cantidades de reactivo necesarias para preparar unasolucin dada, y la igualdad M.,.".. V Cn< = Mdil Vdd es til para este fin.

Terminologa

concentracin (concentrarian) concentracin analtica (analytical roncen/rarian) concentracin formal (formal cancen/rarjon) densidad (densily) densidad relativa (specific gravity) electrlito Mbil (wi'ak electrolyte) electrlito fuerte (strong electrolyte) mol (mole) molalidad (molalily) molaridad (molarity)

osmolaridad (osmolarity) partes por' mil (ppt) (puf/S per rhousand) partes por mil millones (ppb) (parts per billion) partes por milln (ppm) (par/s per million) peso f rmula (formula weighl) peso (masa) molecular (molecular weigh/) porcentaje en peso (weigh/ percent) porcentaje en volumen (valume percen/) unidades SI (SI Uf/S)

10 1. UNIDADES DE MEDIDA Y CONCENTRACIONES

Ejercicios t 1- . Una solucin con volumen final de SOO ml seprepa-

r disolviendo 25.00 rnl de metanol (CHPH, den-sidad '" 0.791 4 g/ ml) en cloroformo. (a) Calcule la molaridaddel metanol en la solucin. (b) Si la solucin tiene densidad de 1.454 g/mL, ob-

tenga la molafidad del metano!. I-B. Una solucin al 4807. (p/p) de HBr en agua tiene den-

sidad de 1.50 a/OlL (a) Cul es la concentracin formal (moll l) de la

sol ucin?

Problemas ot.

AI-I.

AI-2.

AI-3.

A 1-4.

'\ Al-S.

AI-6.

Enuncie las camidades rsicas fundamentales y sus unidades en el SI. Proponga un ejemplo de cantidad fisiea derivada. Escriba el nombre y el valor equivalente representa-do por cada smbolo. Por ejemplo. para kW debe escribirse kW = kilowatt := 10l W (watts). (a) mW (b) pm (c) KO (d) pF (e) TJ (r) ns (g) rg (h) dPa Escriba cada cantidad fisica utilizando un prefijo apropiado. Por ejemplo, 1.01 x OS Pa se escribe 101 kPa. (a) JO - u J (e) 2.9979 x W" Hz (e) 2.1 )( 10J3 W

(b) 4.31728)( 10 8 H (d) lO - 10 m (r) 48.3)( 10 . 10 mol

Cuntos joules por segundo (J /s) utiliza un equipo que requiere 5.00 x 101 unidades termicas britni-cas por hora (Btu/ h)? Cuntos watts (W) utiliza el equipo? Cul es la concentracin formal (mol/L) de NaCI cuando se disuelven en agua 32.0 g Y se diluyen hasta O.SOO l? Cuntos gramos de cido perclrico, HCID4 , se en-cuentran en 37.6 g de solucin acuosa de HCI04 al 70.5 11/0 (p/p)? Cuntos gramos de agua se encucn-tran en la misma solucin?

A 1-7. Toda solucin acuosa diluida tiene densidad cercana a 1.00 g/ mL. Si la solucin contiene 1 ppm desolulo, exprese la concentracin de ble en g/L. IIg/L.II&/mL y mg/L.

Al -S. La densidad del cido perclrico acuoso al 70.so/~ (p/p) es de 1.67 g/mL. Recurdese que "gramos"

(b) Qu masa de solucin contiene 36.0 g de HBr? (e) Que volumen (ml) de solucin contiene 233

mmol de HBr? (d) Cunta solucin ~ uquiere para prepararO.2S0

l de HBr 0.160 M? l-e. Una solucin contiene 12.6 ppt de MgCll disuello

(el cual se encuentra de hecho disociado en Mgl. + 2Cl~). Cul es la concentracin de cloruro en part~ por mil?

se refiere a gramos de solucin ( '" g HCIO 4 + g HlO). (a) Cuntos gramos de solucin se encuentran en

1.00 l ? (b) Cuntos gramos de HCID, hay en 1.00 L? (c) Cuntos moles de HCIO, hay en 1.00 l ?

A 1-9. Qu concentracin formal de cido actico se tiene cuando 2.67 g se disuelven en butanol para producir 0.100 L de solucin? La frmula del cido actico puede encontrarse en el Apndice G.

A 1-10. Determine la molaridad de la piridina, C, HsN, cuan-do 5.00 g se disuelven en agua a un volumen total 'de 457 mL.

A 1-11. Se recomienda que el agua potable Contenga 1.6 ppm de fluoruro, r, para prevenir la cariesdemal. Cun-tos gramos de fluoruro habr en 1.00 X 1()6 kg de agua? Cuntos gramos de NaF contienen esta can-tidad de fluoruro?

A I-12. Cuntos gramos de metanol , CHJOH. se encuen-tran en 0.100 L de metanol acuoso 1.71 M (esto es,

, 1.71 mol de CHPH/ L de solucin)'! A l-D. Que volumen mximo de una solucin 0.025 M de

hipoclorito de sodio. NaOCl (blanqueador para ro-pa), puede prepararse por dilucin de 1.00 Lde NaDCI 0.8 M?

1-14. La segunda ley de Newton establece que fuerza = masa X aceleracin. Tambiensabemosqueenergia = fuerza x distancia. y que presin '" fuerza/ rea. De estas relaciones, obtenga las equivalencias del new-ton, el joule y el pascal en tnninos de las unidades SI bsicas de la Tabla 1-1.

! L. r~wlu~in IlclaUada "" pr~l':n' a en la parr~ Solu~io"es a lo- ;~rclcio at final del tibro. * Tamoi!'n al final dd libro se. ple.

1-16.

Si 0.250 l de una solucin acuosa cuya densidad es de 1.00 g/ml contienen 13.7 $tg de plaguicida. expre-se [a concentracin de est a sustancia en (a) partes por milln y (b) partes por mil millones. Un frasco de cido sulfrico acuoso concentrado cu-ya etiqueta dice "H;;O~ 98.0%1 (P/p)" tiene concen-tracin 18.0 M. (a) Cuntos mili litros de reactivo deben diluirse

a 1.00 L para obtener H 2SO. 1.00 M? (b) Calcule la densidad del H1SO. al 9811Jo.

117 .

I - 18.

I I 9.

Problemas 11

Encuentre la osmolaridad de 1.00 l de solucin Que c;.ontiene 3. 15 g de CaCI2 O. I 53 g de KCI, 1.57 g de KZS04 y 0.994 g de sacarosa (el azuear coml'm, C11HnOII ' que es un compuesto no inico). Una solucin acuosa de K1 al 20.0/0 (p/p) tiene den-sidad de 1.168 g/mL Obrenga la mo1alidad (no la molaridad) del KI. Cul es la densidad de una solucin acuosa de NaOH al 53 .4010 (p/p). si 16 .7 mL de la solucin producen NaO H 0.169 M cuando se diluyen a 2.00 L?

http://avibert.blogspot.com

Instrumentos de Laboratorio

Gran parte de este libro trata de los procedimientos fundamentaleS de va "hume-da"; sin embargo, en los ltimos capiLUlos se examinan tcnicas instrumentales elaboradas . Los principios desarrollados en los primeros capitulos son indispensa-bles para la comprensin de tcnicas complicadas. En eSlc captu lo se describen algunos equipos bsicos de laboratorio, as como las manipulaciones relacionadas con las mediciones qumicas.

2-1 CUADERNO DE NOTAS DE LABORATORIO

Las funciones precisas del cuaderno de nOlas de laboratorio son regist rar lo que se hizo y lo que se observ. El pri ncipal rallo incluso de cientficos experimentados es que sus cuadernos de notas no son comprensibles. Au nque parezca increble, despus de algunos aos el propio autor de una anotacin puede no entender bien sus apuntes. De o rdinario el problema no es de legibilidad, sino ms bien de regis-tros mal clasi ficados y descripciones incomplctas. Habituarse a escribir frases com-plelas cs una excelente manera de evitar descripciones incompletas.

Los estudiantes que se inician a menudo prefieren escribir descripciones muy completas de un experimento, con prrafos que presenten fo rmalmente el objetivo, los procedim ientos, los resultados y las conclusiones. Una forma excelente de dis-ponerse a realizar un experi mento consiste en preparar el cuaderno para recibir datos numricos antes de emrar al laboratorio.

La medida de una "verdad" cientfica es el grado en que diferentes personas pueden reproducir un experimento. A veces dos cientficos en diferentes laborato-rios no pueden reproducir el trabajo realizado por uno y otro, y ninguno de los dos tiene apuntes suficientemente completos para comprender por qu no lo lo-gran. Los pormenores que parecian insignificantes el dia del experimento pueden resullar de gran importancia algunos meses o anos ms ta rde. Un buen cuaderno de notas de laborato rio debe especificar todo lo que se haya realizado, y permitir que la misma personaocualq uierotra reproduzca el experimento en forma estricta-mente idlll ica en cualquier fec ha posterior a la de su realizacin.

Un buen cuaderno de notas de laboratorio tam bin debe inclui r ladas las obser-vaciones realizadas. Mucho tiempo despus de haber o lvidado los detalles, uno debe poder confiar en sus apullles para expresar lo q ue ocurri; qu iz una observa-cin proporcione la clave para interpretar un experimento. Es posible que no se entiendan las observaciones realizadas durant e un experimelllo , aunque tiempo despUl!s nuevos conocimientos pueden permitir interpretarlas.

El cU3derno de labor31Orio debe: 1. Espedficar lo quc se hilO, 2. Del:ll1ar lo que se observ. J . Ser compren5ible para

cualquier persona.

E\ probable que el leclor de eSte libro llegue a hacer 31gun import31ltc dc~cubrimiemo en el futuro e imenlC patentarlo. El cuaderno de nOla5 de labor310rio e5 el regiSlro legal de todo descubrimiemo. Para ese fin, todas 135 paginas de dicho cuaderno deben ~lar firmad35 y rech3das. Adems, lodas las 3nolacone5 polencialmente importamcs deben eslar firmadas y fech3dlls por una 5CgLlnda persolla.

13

14 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

Figura 21 ViSla en secciones dc una balanza analilica Meuler. Observese la pro-Yel:c in de la parualla plica desde el e.~lremo poslcrior de la cruz de la ba lan7..a hasta el r reme del inslrllmen-10. (1) Cruz de la balanJ:a. (2) juego de pesas, (3) conlrapesa fija, (4) pe-sa de aju51ea cero. {51 pesa deajusle de sensibilidad. (6) placa 1 ransparcn-le con escala graduada, P) eSlribo de suspensin, (8) cuchillas, (9) ma-lrazcon mueSlra por pesar, (10) me-canismo levantador de las l)esas, ( 11 ) mandos o perillas de corurol de !as ~as. (12) lampara elctrica (trayec-10 de la luz), (1 J) espejos. (14) pan-wlla de lectura. ( 15) amortiguador de ~ire . (16) nivd d .. burbuja. (17) soporte de nivelacin ajustablc . ICortesa de Mettler Instru lllcn! Corp .. HightS10wn, N. 1.]

Es recomendable escribir una ecuacin quimica balanceada para cada una de las reacciones que se usen. Eso ayuda a entender lo q ue se hace, y puede poner en evidencia lo que no se entendi.

2-2 BALANZA ANAlTICA

La balanza analtica ms comn es la de tipo semi-micro de un solo platillo, cuya capacidad es de 100 a 200 g Y su sensibilidad es de 0 .01 a 0.1 mg. Una balanza tipica se presenta en la Fig. 2-1.

La forma habitual de efectuar una pesada consiste en pesar primero un trozo de papel satinado o un recipiente en el platillo de la balanza. A continuacin, la sustancia que se va a pesar se vierte en el papel o el recipiente y se efecta una segunda lectura. La diferencia entre las dos masas corresponde a la masa de la sustancia agregada. La masa del recipiente vaco se denomina tara. Diversos mode~ los de balanzas permilen incluir en la tara al recipiente. Para ello, con el recipiellle colocado sobre el platillo la escala se ajusta de manera que la lectura sea igual a cero. Entonces se aade la sustancia por pesar y la lectura de la masa se efecta de modo directo. Ninguna sustancia qumica debe colocarse directamente sobre el platillo de [a balanza. De este modo la balanza queda protegida contra acciones corrosivas, y es posible recuperar la totalidad de la sustancia que se pesa.

De manera alternativa, a veces es conveniente pesar "por diferencia". Primero se pesa un pequeo frasco que contiene al reactivo. Luego se transfiere una parte de ste a un recipiente, y el frasco se pesa de nuevo. La diferencia entre las dos masas es igual a la masa del reactivo transferido. Pesar por diferencia es particular-mellle til en el caso de reactivos higrosc picos (aquellos que absorben rpidamen-te la humedad atmosfrica), puestO que el frasco que se pesa puede mantenerse cerrado durante las operaciones de pesar.

75 7.

26, 7325 9 72

14 7 1

,

En la Fig. 2-1 se ilustra el principio de operacin de la mayora de las balanzas. La muestra se suspe,lde de uno de los extremos de [a cruz, y una pesa se suspende del otro extremo. Los dos cuerpos estarn en equilibrio cuando

(2-1)

donde m I y m 1 son las masas colocadas en cada extremo; '1 y ' 1 son las distancias de las cuchillas de [os extremos de la cruz respeCto al rulcro (o cuchilla celllral). De ordinario ' 1 = '2' Y m 1 es una masa conocida.

En la Fig. 2-2, cuando una masa es mayor que la otra la balan7.a se inclina hacia ella. Lasensibilidud de la balanza es la desviacin del fiel dividida enl re la diferencia de masa ent re m I y ni r A mayor sensibilidad, mayor desviacin para una dire-rencia de masa dada. Los puntos de equilibrio y el fulcro suelen ser prismas de gata en comacto con placas tambin de agata. A medida que las cuchillas de este mineral se desgastan con el uso (y con el manejo descuidado), la sensibilidad de la balanza disminuye. Colocar los dos puntos de equilibrio y el fulcro en el mismo plano horizontal permite que la sensibilidad de la balanza permanezca constante con cargas variables.

En la Fig. 2-3, el esquema de una balanza de un solo platillo muestra el platillo vacio y un juego de pesas removibles suspendido de la cuchilla sit uada a la izquierda del fulcro. La contrapesa (o contrapeso) colocada a la derecha equilibra exacta-mente el platillo vacio y las pesas. Cuando una muestra se coloca sobre el platillo, el lado izquierdo se vuelve ms pesado. Los mandos situados en el frente de la balanza se utilizan emonces para retiruralgunas de las pesas suspendidas del platillo de la balanza, hasta que los dos lados esten de nuevo aproximadamente en equili-brio. La desviacin remancnte de la cruz de la balanza con respecto a la posicin horizontal se mide por leclura en una escala ptica, situada en la parte posterior de la balanza, que se proyecta hacia el frente del instrumento como 10 indica la Fig. 2-1. La suma de las pesas retiradas y la lectura de la escala ptica es igual a la masa de la mueSlra.

1---1,---+----1,.----1

m,

Muestra

Placas de sostn para las cuchillas

balanza

Fulcro

Fiel

,."'~o de masa dal sistema balanza-fiel

Escala

p,,,

'".!~ " equilibrio

2-2 Balanza Anal/tica 15

Figura 2-2 Principio de f uncionarnl1.'1l10 de una balanza de dos pl:iliI1o~.

16 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

Figura 2-3 Principio de funeion:ulllenlO de una

balan~a de un platillo. 1Cortcsia de Mtlller ln~lrumenlS Corp., Highu-10"11. N. J.1

Punto de

Pesas removibles

'=====" Platillo

Efecto del Empuje Aerosttico

Escala

Para los trabajos que requieren gran exactitud, el efecto del empuje del aire desalo-jado debe tomarse en cuenta. Cuando una muestra se coloca sobre el platillo de una balanza, sta desplaza cierta cantidad de aire. Debido a ello el objeto parece ser ms ligero de lo que es en realidad, puesto que el ajuste a cero se realiz con el aire sobre el platillo. Un efecto similar se produce en el caso de las pesas de la balanza. Siempre que la densidad del objeto por pesar difiera de la de las pesas estndares utilizadas, existir un efecto neto de empuje aerosttico, la masa real del objeto est dada por I

donde m

m'

d,

,( d. ) m 1--d. m = --'----;-'--

". 1 - -d

masa real del objeto en el vacio masa leda en la balanza

densidad del aire (0.001 2 g/ml a aprox. I atm y 25"C) d .. = densidad de las pesas (por lo general de 8.0 g/m L) d = densidad del objeto por pesar

(2-2)

Para trabajos de precisin, es necesario utilizar el valor correspondiente de la densi-dad del aire en las condiciones particulares de presin y humedad.1

La importancia del efecto de empuje aerosttico se demuestra mediante algunos ejemplos, Supongamos que la densidad del aire es de 0.001 2 g/ mL y la de las

I R. Bauing '1 A, G . William50n, J. Chem. Ed., 61. SI (19&4); J. E. Lewis 'l L. A. Woolf, J . Chem. &1., 43,639 (1971); F. F. C"n1well, B. Kralcxhvil '1 W. E. Harris, Anof. Chem., se, 1010 (1978). La nOlaei6n J. Chem. Ed., 61 . 51 (1984) significa Joumaf ofChemicaf EduCOIiofl, volumen 61, pgina SI, publicado en el ai'\o \984.

: La densidad del aire (gIL) esl dada por la frmula d = 0.464 68(8 - 0.378 J V)/T, donde 8 es la presin baTom~trica (en lorr). Ves la presin de vapor (en 10rT) del agua en el aire, y T es la temperatura del aire (en kelvins).

pesas es de 8.0 g/mL. Si se pesa agua, cuya densidad es de 1.00 g/ml, la masa real es de 1.000 O g. En este caso, el error es de 0.110/0. Para NaCl, cuya densidad es de 2.16 g/ml, el error seria del 0.04%. Y para AgNOl , cuya densidad es de 4.35 g/ml, el error es de solamente 0.01%.

Errores en las Operaciones de Pesada

Deben tomarse precauciones para minimizar los errores de pesada. Durante sta no debe tocarse el recipiente con las manos descubiertas, puesto que las huellas digitales modifican su masa. Una muestra siempre debe estar a la temperatura am-biente antes de pesarla, para evitar los errores causados por las corrientes de con-veccin del aire. Para enfriar una muestra secada en un horno, generalmente se requiere que permanezca media hora en un desecador a la temperatura ambiente. El platillo de [a balanza debe estar en posicin de bloqueo cuando en l se coloca una carga, y en posicin de semibloquco cuando se hacen los ajustes de pesada. De esta forma se protegen las cuchillas (Fig. 2-3) contra el desgaste causado por esfuerzos bruscos. Las puertas de vidrio de la balanza analitica deben estar cerradas durante las operaciones de lectura, a fin de evitar osci laciones producidas por las corrientes de aire. las balanzas abiertas que se cargan por arriba deben estar provis-tas de una proteccin eficaz alrededor del platillo, para minimizar los efectos de dichas corrientes. las balanzas sensibles se montan r recuentemente sobre una base pesada (como una plancha de mrmol) para reducir los efectos de las vibraciones sobre las lecturas. Una balanza se nivela mediante los soport es ajustables, y hacien-do uso del nivel de burbuja.

Balanza Electrnica ~

El instrumentode la Fig. 2-1 es una balanza mecnica, aunque tenga una luzelctri-ca para iluminar la escala de lecturas. La pesada se realiza retirando pesas incorpo-radas, en caOlidad equivalente al peso del cuerpo por pesar. La cruz se vuelve a una posicin cercana a la original, y la desviacin residual se Ice en una escala iluminada.

la balanza electrnica, que reemplaza rpidamente a la balanza mecnica, no tiene pesas incorporadas. En elJa se utiliza una accin electromagntica para volver la cruz. a su posicin original. la corriente elctrica necesaria para generar dicha accin es proporcional a la masa del objeto que se pesa.

El principio se entiende mejor observando el sistema electromagntico de la Fig. 2-4. Cuando se coloca una masa sobre e[ platillo. el detector de equilibrio capta el desplazamiento y enva una seal de error al circuito, que produce la corriente correctiva. Al circular la corriente se crea un campo magntico en la bobina o sole-noide fijos en la base del platillo de la balanz.a. El campo magntico del solenoide es atrado o repelido por el imn permanente silUado bajo el platillo. A medida que la desviacin disminuye. la seal de error del detector de equilibrio decrece. La corriente correctiva que se requiere para restablecer el sistema a su posicin original es proporcional a la masa del objeto colocado sobre la balanza. El instru-mento est calibrado o graduado para permitir la toma de lecturas en unidades de masa.

, R. M. Schoono~cr. Anul. Che/II .. 54. 973A (t982); B. B Johnson 'J J . 1). Wclls. J. Chem. Ed .. 63. 86 (1986).

2-2 Balanza Analtica 17

18 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

FIgura 2-4 I'rincipio de un servosi~tema electro-magntico. [R. M . Schoonover. Ano/. Chem., 54. 97JA (1982).1

Figura 2-5 Vi5ta en SC"CCin transversal de una balanza electrnica. IR . M. Schoo-nover. Anal. Chem . 54. 973,-\ (1982).[

Seal de error

Circuito de control

Corriente correctiva

Un tipo comun de balanza electrnica de carga por arriba (tambin llamada granalaria) se presenta en seccin transversal en [a Fig. 2-5. Su caracterstica ms notable es la ausencia de la cruz y las cuch illas propias de la balanza mecnica (Fig. 2-3). El platillo se encuentra firmemente fijo a un sistema con forma de parale-logramo rgido, Que sujeta la carga. Todo el sistema se flexiona cuando se coloca una masa en el platillo. El acoplador transmite el movimiento a la cruz, situada en el centro. Un detector de equilibrio y un servomotor semejante al de la Fig. 2-4 restituyen el sistema a su posicin original mediante la aplicacin de una co-rriente elctrica. La se~al de salida del detector de equilibrio acciona el servomotor. Cuando el detector capta Que se restab.lecila posicin original, el motor suspende su accin correctiva.

La balanza electrnica tiene errores potenciales que no se observan en las balan-zas mecnicas. Por ejemplo. pueden producirse errores al pesar materiales magn-ticos. Es posible comprobar la existencia de este factor moviendo el objeto magntico cerca del platillo vacio y observando si hay fluctuaciones en la lectura de cero. No debe penetrar polvo en el espacio situado entre la bobina y el imn permanente del servomotor.

Platillo

Fulcro -1--

Pantalla digital ~

Varilla de control del cero y la tara

Servomotor ""10 de tlexin

equilibrio

d. de la carga

Quiz la limitacin ms importante de las balanzascJectrnicas radica en el hecho de que la calibracin se realiza con masas patrn en la fbr ica, donde la fuerza de la gravedad es diferente de la que existe en el laboratorio donde se u tilizar el instrumento. La aceleracin de la gravedad vara en un intervalo a proximado de 0. 1 % entre diferentes sitios de Estados Unidos. En consecuencia, es primordial calibrar la balanza con una masa patrn en el laboratorio donde se emplee. En las pesadas subsecuentes, la correccin por empuje aerosttico se efecuJa con la ecuacin 2-2, donde d ... es la densidad de la ntasa patrn. Para la calibracin, el fabricante utiliza una masa patrn con d = 8.0 g/mL. Las to lerancias de las masas patrn que pueden utilizarse para calibrar balanzas se presentan en la Tabla 2-1.

23 BU RETAS

Una bureta es un tubo de vidrio con graduacin que permite medir el volumen de liquido vertido por l. EsIO se realiza leyendo el nivel antes y despus de verlir lquido. La bureta lipica que se muestra en la Fig. 2-6a tiene llave de tenn. Una lapa superior holgadamente adaptada evita la enlrada de polvo y vapores. Se garan-tiza que las buretas de C lase A satisfacen las tolerancias de la Tabla 2-2.

Tabla 2-2 Tolerancias de las buretas Clase A

Graduacin Capacidad minima

(mL) (mL) l 0.01

10 0.05 o 0.02 2l O. I lO 0.1

100 0.2

11--- Llave

(.)

Tolerancia (rnl) O.O I O.02 O.OJ O.OS O. IO

Perllla _ alimentadora

Contador digital-

Carlucho de ---reactivo I

T,Oo---alimentador

(b)

2-3 Buretas 19

Tabla 2-1 Tolerancias de las pesas para balanzas de laboratorio

Designacin

200 100 50 Ji)

'" 10 5 J 2 )

Miligramos

500 JOO 200 100 50 JO

'" 10 l J 2 (

Clase S $.1 P

0.50 2.0 '.0 0.25 1.0 2.0 0.12 0.60 1.2 0.074 O.4S 0.90 0.074 OJS 0.70 0.074 0.25 0.50 0.054 O.! 8 0.36 0.0S4 0.15 O.JO 0.0s. o.n O." O.'" 0.10 O.'"

0.025 O,OSO 0.16 0.025 0.070 0.14 0.025 0.060 0.12 0.025 O.OSO 0.10 0.014 0.042 0.085 0.014 O.03B 0.075 0.014 0.035 0.070 0.014 0.030 0.060 0.014 0.028 0.055 0.014 0.026 0.052 0.014 0.025 O.OSO 0.014 0.025 O.OSO

Nota: Todas 1" tolerancias estn en miligramo.

Figura 2-6 (a) Sureta de vidrio. ICortesia de A. H. Thomas Ca .. Filadelfia. Pa.l (bl Tilulador digital con cartucho de plstico que contiene solucin de reactivo. [Corttsia de Hach Co., Lo-"eland, Co.

20 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

Recuadro 21 DETECTORES DE CRISTAL PIE20ELCTRICO Uno de los detectores ms sensibles a los cambios de masa es un cristal de cuarzo vibratorio. t Cuando se aplica presin al cristal, se produce una tensin o diferencia de potencial elctrico entre algunas de sus caras. Ello se denomina e/eelo piezoefclrico. Recfprocamente, una diferencia de potencial aplicada al cristal produce una deformacin en l. Un reloj de pulsera y una microcomputadora Ulilizan una tensin sinusoidal para impartir a un cristal de cuarzo oscilaciones definidas con precisin, y cuyo periodo se utiliza como cronmetro en estos equipos.

,

Contactos elctricos

;-.-- Cristal

Electrodos metUcos

Tasa de variacin de: la fruenca de: un oscilador de cuarzo con re:vtStimienlO de: polibutadieno, cuando se expone a un Oujo de aire de: I L/ min. que eoruiene: 010no. Datos provenientes de II.M. Fog y B. Rietz., Aflul. Chem., 51,2634 (1985)1

Cuando una capa delgada con masa m se deposita sobre un rea A de la superficie del cuarzo, la frecuencia de oscilacin, F, disminuye en una cantidad

!J.F"" 2.3 x lO-la Fl ~ donde t:.F Y F se expresan en hertz. m en gramos y A en m2 Un cristal para 10 MHz recubierto en I cm2 de su superficie con I ~g de material, cambia su frecuencia de vibracin en t:.F '" 230 Hz. lo quees perfectamente medible.

1 J. Hlavay y G. G. Ouilbault. Anal. Chem., 49, 1890 (1971). La formacin anificial de estos cristales a panir dc solu-cin acuosa sobrccalentada (lo cual se denomina sntesis hid1Olirmica) se describe de manera fascinantc en R. A. LaudiK. Chem. Eng. N~ws, 28 sep. 1987. pg. lO. En otro sensiblc detector qulmico a base de cristales piczoeltctricos se utilizan ondas acsticas de super/kic. Puede consultarse ms sobre tlilC tema en 0.5. Ballamine, Jr. y H. Wohltjen, Anol. Chem., 61, 704A (1989).

Cuando se lee la altura del lquido en una bureta, es preciso que el ojo se situe al mismo nivel que la superficie libre del lquido. Ello minimiza el error de paralaje en la lectu ra del nivel. Cuando el ojo se encuentra por encima de CS1e nivel, el liquido parece estar arriba de su nivel real. Cuando el ojo se encuentra demasiado bajo. parece que hay menos liquido.

La superficie de la mayora de los liquidas rorma un menisco cncavo, como se muestra en la Fig. 2-7. Es prctico utilizar una lira de cinta negra, adherida a una tarjeta blanca como rondo, para localizar la posicin precisa del menisco.

-23 Buretas 21

Un cristal piezoelctrico recubierto con una sustancia higroscpica fue enviado al planeta Marte en la sonda espacial Viking para medir la concentracin de vapor de agua en la atmsfera marciana. Otra aplicacin de los deleclores piezoelklricos es la medicin del nivel de ozono (Ol) en el aire alrededor de las soldadoras de arco. Un exceso de ozono en un r~into de trabajo mal venl ilado constituye un peligro para la salud. A fin de delectar el ozono, un crislal de cuarzo se recubre con polibuladieno, que reacciona irreversiblememe con el 0l' incrementando la masa del recubrimiento. Sobre el cristal se hace pasar aire que contiene ozono. y la frecuencia de vibracin decrece a velocidad constante a medida que ocurre la reaccin. La siguiente figura indica que cuanlO mayor sea la cantidad de ozono en la atmsfera, tanLO mayor ser el cambio en la frecuencia de oscilacin. Tal dispositivo se ha utilizado como sensor en el lnstiluto Dans de Soldadura.

30

o 100 200 300 400. 500 Concentracin da 0 , (ppb)

Losanticuerpos son protelnas producidas por los organismos las cuales se unen a molculas y clulasextraftas y las marcan para su destruccin. Son uno de los medios defensivos primarios por los cuaJes los seres vivos se prOtegen de las infecciones. La molcula o clula unida por un anticuerpo se denomina anllg~no. Debido a que une qulmicamente anticuerpos a un disposilivo piezoelctrico, el cristal de cuarzo es un detector sensible para antlgenos biQlgicos como enzimas (prolelnas que catalizan reacciones bioquimicas) e incluso microorga-nismos enleros. "

I R. C. Ebersole y M. D. Ward. J .'1m. Chmr. Soc., 11',8623 (1988); S. 801lSlall. AtrGl. O.:Jh., 59. 1161A (1987); H. Muramalsu. K. Kajiwara. E. Tamiya e l. Karube. Anlu. ChUrro Acta, lA, 2.57 (1986).

A fin de utilizar eSla tarjeta, se alinea la parte superior de [a einta negra con el fondo del menisco y se lee la posicin sobre la bureta. Algunas soluciones. en pani-cular [as que eSln fuertement e coloreadas, parecen tener dos men iscos. En tales casos, cualqu iera de los dos puede ser ul ilizado. Lo que importa es realizar las lecLUras en forma reproducible.

Las marcas de las graduaciones lienen normalmenle un espersor Que no es desprecia-ble en relacin con la dislancia que las separa . E n una bureta de 50 mL, el grueso de las marcas corresponde aproximadamcmea 0.02 mL. Para ulilizar con la mayor

Sugerencias para IttT una bureta: l. L~r por el fondo del menisco

cncavo. 2. EI'i1ar la paralaje. 3. Tomar en cuen1a el I:$ptSor de

la, marcas.

22 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

~ -

-

-

-

-

--, -

-

-

-

-

-

-

-

, --

Figura 2-7

Nivel del menisco

Parle de una bureta que indica el ni-vel del meni~co en 9.68 mL. Siem-pre debe estimarse la lectura de cualquier e~cala lIasta un dcimo de la menor divisin. Esto correspon de a 0.01 mL para la bureta de la figura.

~_ Llquido

c~ l- Llave Burbuja v de aire

~~Llquido

Figura 2-8 La burbuja de aire que frecuen-temente queda atrapada bajo la llave de la burcta debe ser expul-sada antes de utilizar el ins trumento.

Es buena prActica lavar con solucin nueva cualquier utensilio de vidrio.

exact itud posible una bUTeta, es necesario seleccionar la parte de una marca que se toma como cero. Por ejemplo, se considera que el nivel del Hquido se encuentra en la marca cuando el fondo del men isco coincide con lapartesuperiorde la marca. Cuando el fondo del menisco coincide con la parle inferior de la marca, la lectura es 0.02 mL mayor.

En la vecindad del punto final de una titulacin o valoracin, es necesario vertir con la bureta menos de una gota a la vez. Ello permite la localizacin ms precisa del punto fina l puesto que el volumen de una gota es aproximadamente de 0.05 ml (en una bureta de 50 mL). A fin de verti r una fraccin de gota, se abre con cuidado la llave hasta que una fraccin de gala penda de la punla de la bureta. (Tambin puede vertirse una fraccin de gota haciendo girar rpidamente la llave, pasando por la posicin de aperlura.) Entonces se hace que la punta de la bureta toque la pared interna del recipiente de vidrio, para transferir el liquido a dicha pared. El recipiente se inclina con cu idado despus para que el liquido que contiene arrastre al que se acaba de agregar, y ste se mezcle con el resto del contenido.

Cerca del final de una tilulacin, el recipiente debe inclinarse y hacerse girar de manera que las gotas de reactivo adheridas a la pared y que no reaccionaron se mezclen con el resto del liquido . En la pared de la bureta, el lquido debe escurrir de manera uniforme. Si no lo hace, la bureta debe limpiarse con detergente y un escobilln para buretas. Si esto resulta insuficiente, hay que dejar durante un tiem-po la bureta llena con solucin de cido su lfrico y peroxidisulfato. t El material volumtrico de vidrio nunca debe dejarse en contacto con sol uciones detergentes alcalinas. puesto que el vidrio sufre un ataque lenlo por [as bases. La tendencia de los liquidas a adherirse a la pared inlerna de una bu reta puede reducirse mediante un vaciado lento. El vaciar con lentitud una bureta tambin contribuye a la repro-ducibilidad de los resultados. Se recomienda que la rapidez de vaciado no exceda de 20 mL/min.

Uno de los errores ms comunes al usar una bureta consiste en no expulsar la burbuja de aire que se forma con frecuencia bajo la llave (Fig. 2-8). Cuando tal burbuja se encuentra preseme al inicio de una titulacin o valoracin, puede esca-par mientras se vierte reactivo y provocar un error en la lectura del volumen de lquido vertido de la bureta. Suele ser posible expulsar la burbuja abriendo comple-tamente la llave durante uno O dos segundos. A veces, una burbuja muy adherente puede eliminarse agitando la bureta con cuidado mientras se vaca el lquido en un sumidero.

Cuando se llena una bureta con una solucin nueva, es recomendable enjuagarla varias veces con esa solucin, eliminando cada enjuague. No se requiere llenar por completo la bureta con la solucin de lavado. Simplemente se inclina el aparalo de manera que toda la superficie interna entre en contact o con un pequeo volumen del liqu ido. La misma tcnica de lavado o enj uague puede aplicarse a cualquier recipienle (como una cubeta de espectrofol metro o una pipeta) que debe utilizarse de nuevo sin que se tenga la oportun idad de seearlo.

, La s.olucin para limpiar 5e prepara disol~endo 36 g de pero.;idisulfato de amonio. (NH.)Sp en 2.2 L (un fra5to de "un galn") de cido sulflirico al 9807,. Para manlener la capacidad O)lidante de la solucin. si se considera nesario cada cierlO numero de semanas se atiade ms pero)lidisulralQ. Esta mezcla es un o.;idante muy polente que ataca tanto a ropa y personas como la suciedad y la grasa. Es preciso guardarla y Ulilizarla dentro de una vilrina de extraccin (campana). La solucin de limpieza a base de peroxidisulfato rtXmplaza al4cido crmico. el cual es carcingeno. IH . M. Slahr, W. H)'dc y L Siglcr. Anal. Chem . 54, t45M (1982).1

2-4 Matraces Volumtricos 23

El tilUlador digilal de la Fig. 26b es porttil y ms fcil de emplear , pero tambin es menos exacto que la usual bu reta de vidrio de la Fig. 26a. El ti lulador digital esespecialmenle til para realizar mediciones en e l campo , en el mismo lugar donde se colectan las muestras. El contador indica cunto reactivo del cartucho desecha-ble se ha consumido por rotacin de la perilla alimentadora. Existen en el mercado reactivos preempacados, y tambin es posible que el usuario llene cartuchos vacos con su propia solucin. La exactitud, de 1111" es unas 10 veces menor que la de una bureta de vidrio, pero muchas operaciones de control de calidad o en el campo no requieren exacti tudes mayores.

2-4 MATRACES VOLUMTRICOS

Un matraz volumtrico secalibra o gradua para que contenga un volumen definido de agua a 20C cuando el fondo del menisco se ajusta en el cenlro de la marca de aforo, situada en el cuello del frasco (Fig. 29, Tabla 23). La mayora de los matraces llevan la indicacin' 'TC 20C" , la cual significa q ue han sido calibrados para contener (lo cOllloin) el volumen indicado a 20C. (Otro tipo de malerial volumtrico puede calibrarse para venir el volumen indicado, y lleva entonces las letras' 'TD" , de (Q deliver.) La indicacin de la temperatura es importante porq ue tanto el lquido como el vidrio se dilatan cuando se calientan.

Para ajustar el nivel del lquido al centro de la marca de aforo de un matraz volumtrico (o de una pipeta, la cual se calibra de la misma manera), la marca se observa desde arriba o desde abajo del nivel que ocupa. De esta manera, el frente y la parle posterior de la marca no se encuent ran alineados y definen una elipse. Se hace escurrir liquido hasta que el fondo del menisco se encuentre en el centro de la elipse (Fig. 2-10). As, el fondo del menisco se si ta exactamente en el centro de la marca de calibracin cuando la observacin se hace al nivel de ~ta ltima.

Figura 2-9

- Marca de aforo de 500 ml

-A

Matraz ~olumClrico de SOO mL [Comsia de A. H. Thomas Co., Fi ladelna. Pa .1

Manisco,--

Figura 2-10

Pane lrasera da la marca

Parte delantera de la marca

Po~icin correcta del menisco: su fondo debe coincidir con el ceRITO de la el ipse' visual formada por los bordes delantero y t rasero de la mar-ca de aforocuandose' mira por arri-ba o abajodcl nivel de la marca. Los matraces volumetricos y las pipetas secalibran o aforan en esla posicin.

En la Secc. 9-3 se' des

24 2. INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

No debe e~pulsarse la hima gOla de una pipela mediante soplo.

Marca

" calibracin (aloro)

10

o , ,

-,

,

-

-

-

-

-

" \/ , ,

! ,

,

(a) (b ) (e) Id)

Un matraz volumtrico sirve para preparar una solucin de volumen conocido. Habitualmente, el reactivo se pesa en el matraz volumtrico, se disuelve y se diluye hasta la marca de aforo. De esta forma se conocen tanto la masa de reactivo como el volumen final de solucin. El slido debe disolverse primero en una cantidad de solvente menor que la capacidad nominal del matraz. Entonces se aade ms solvente y la solucin se homogeniza de nuevo. El ajuste final hasta la marca de aforo debe realizarse una vez que se tiene el mayor volumen posible de solucin homogenizada en el matraz. Ello reduce al mnimo el cambio de volumen al mezclar un lquido puro con una solucin contenida en el matraz. Con el fin de tener un mejor control, las ltimas gotas de lquido deben aadirse con una pipeta y no con un rrasco lavador o pizeta. Despus de aj ustar la solucin a su volumen final se coloca el tapn, y manteniendo ste firmemente en su lugar se invierte el matraz por lo menos 20 veces , con objeto de asegurar una perfecta homogenizacin.

2-5 PIPETAS Y JERINGAS

las pipetas se utilizan para vertir volmenes conocidos de lquido. En la Fig. 2-11 se presentan cuat ro modelos comunes. La pipeta volumtrica o aforada, que es la ms exacta, se calibra o grada para transferir un volumen invariable. La ltima gala de lquido no escurre fuera de la pipeta, y debe dejarse en sta. No se le debe expulsar soplando. la pipeta graduada se calibra para vertir un volumen variable que corresponde a la diferencia entre los volmenes ledos antes y despus de la entrega. Por ejemplo, la pipeta graduada de la Fig. 2-1 1 puede utilizarse para entre-gar un volumen de 5.6 ml, iniciando la transferencia en la marca que corresponde al ml y terminndola en la de 6.6 mL. La pipeta de Ostwald-Folin es semejante a una pipeta volumt rica, con la diferencia de que la ltima gota debe expulsarse soplando. Cuando hay duda de si la pipeta debe usarse soplando o no, es preciso co nsultar el catlogo del fab ricante. las pipetas serolgicas tienen graduaciones hasta la punta. La pi peta serolgica de la Fig. 2- 11 transfiere JO ml cuando la lti ma gota se expulsa sopl ando.

En general, las pipetas volumtricas son ms exactas que las graduadas. Las tolerancias para las pipetas volumtricas Clase A se presentan en la Tabla 2-4 . A fin de venir el volumen nominal, se lleva el fondo del menisco hasta el centro de la marca de aforo, como se muestra en la Fig. 2-10.

Figura 2-11 A IglJnas pipetas com lJ nes. (a) VollJ-mtrica o a rorada, (b) graduada (de Mohr). (el de OSlwald-Folin (la l lima gota se expulsa soplando). Id) serolgica (la llima gOla se explJlsa soplando). ICortesa de A. H . Tho-mas Co .. Filadelfia, Pa.l

Tabla 2-4 Tolerancias de las pipetas volumtricas Clase A

Capacidad Tolerancia (mL) (m L)

0.5 O.0Q6 I O.OO6 2 O.0Q6 3 O.OI 4 O.OI 5 O.OI

10 O.O2 15 O.O3 20 O.O3 25 O.O3 50 O.O5

100 O.O8

Uso de una Pipeta Volumtrica

Mediante una pera de goma se aspira liquido hasta un nivel situado por encima de la marca de aforo; no debe aspirarse con la boca. Se coloca rpidamenle el dedo ndice sobre el ext remo superior de la pipeta en el lugar de la pera. En ese momento , el nivel del lquido dete estar todava por arriba de la marca. Cuando se retira la pera , si se oprime la pipeta contra el fondo del recipiente se evita la descarga del lquido mientras se coloca el dedo en el extremo de la pera. ' Con un trozo de papel absorbent e (ti su) limpio se quila el exceso de liquido adherido a la pared externa de la pipeta . Se pone en COlllaClO la pUnla de sra con la pared interna de UII vaso de precipitados. y se vierte el liquido hasta que el fondo del menisco se encuentre en el centro de la marca de aforo . La pipeta debe tocar el vaso durante el vaciado, de modo que no quede lquido per.dienlede la punta cuan-do el menisco alcance la marca. Todo e l lquido que salga de la pipeta pasar a la pared interna del vaso de precipitados. Luego se lleva la pipeta al recipiente deseado y se vierte su comenido mienlras la pllnla se mantiene en contaclo COII la pared interna de la vasija. C uando termina el vaciado de la pipeta, sta se mant ie-ne en contacto co n la pared algunos segundos ms para asegurarse de que haya salido todo el contenido. La ti/rima gola no debe expulsarse soplando. Hay que colocar la pipeta en posicin aproximadamente vertical a fin de estar segu ro de que se vierta la cantidad correcta de lquido. Cuando term ina de utiliza rse una pipeta, debe enjuagarse con agua destilada o remojarse en un reci pieme lavador hasta que quede limpia. Nunca debe permitirse q ue las soluciones se sequen en el interior de las pipetas, pues luego resulta muy difcil elimi nar los depsitos.

Entrega de Volmenes Pequeos

Las micropipetas de plslico , como la que se mueSlra en la Fig. 2-12, se utilizan para vertir o enlregar volmenes del orden del microlitro (1 p.L "" IO~~ L). Todo el lquidocsl contenido en una pu nta desechable de plstico. Existen en el mercado pipetas que cubren el intervalo de 1 a 1000 ",L, en volmenes fijos o variables. La exactitud es de t a 20'/0, y la precisin, de 0.50/0. La exactitud se refiere a la proximidad del volume n vertido a l volu men deseado, y la precisin indica la repro-ducibilidad de entregas repetidas.

Para entregar volumenes variables muy pequeos de lquido resulla excelente utilizar una microjeringa (Fig. 2- 13). Se dispone de jeringas de este tipo en una gran variedad de volmenes, con exactitud y precisin cercanas al 1010.

Figura 2-13

"'-.. o; '. ':' .. ,St ':"., .... JI _l.\ , , -, -= ......---""

ltringa de Hamilron COll capacidad IOta! de I " L Y diviSIOnes JI. 0.01 I' L El cilindro c~ de vidrio. ytaaguja. de acero inoxidable. En esta jeringa en particul3r .la 10lalidad de 1:\ muestra se encuen-tra en la aguja. En las jeringas de mayor upacidad. cllIquido se aloja en el Cilindro. ICorH:sia de A . H. Thomas Co., Filadelfia. Pa.

G. Deckey Ji. Che"'. Ed .. 51. S26 (1980)1 describe una forma de utilizar una pera de goma y una punta de pipeta Eppendorf para aspirar en una pipeta cuyo dimetro ex terno es ms pequeo que el orificio de la pera de goma.

2-5 Pipetas y Jeringas 25

La muestra de Punta l iqUido est desecha~te comelllda en l/ de pohellleno la punta "

)

Figura 2-12 ;0,,1 icroplpcta de Eppcndorf de \'olu men fijo. [Concsia dc A. H. Tho-ma, Ca .. Filadelfia, l'a.1

Para lograr \lua mxil11a exactitud. un operador indi,'idual puede calibrar una pipela ind" Idual C0l110 lo describen 8 . Kr3lo.:h,il y N. MOI~o\ky, AI/ul. Chem., 59. 1064 (1987).

La compo~icil1 del rccipicmc (vidrio, plstico. acero, elC) es importanlc cuando se maucjan

~olumcnes pequeos. Incluso muy poca~ impurezas IOm3da~ de las paredes ~rectan signiricatlvamcme la eOlllpo~lcin de 1 Jl I dc solucin.

26 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

Disco de vidrio poroso

Figura 214

-

Crhoi de GOd1 para fi hradn ,'on disco de vidrio ~ illlcrit.ado. ICone

~ia dc A , H . Thomas Co ., Filadel-fi a. Pa .l

; ,

_ _ Adaptador de goma

"

A la trompa de agua

Figura 2-15

2-6 FILTRACiN

En el anlisis gravimlrico se determina la masa de producto de ulla reaccin a fin de conocer [a cantidad de sustancia problema inicialmente presente. Los preci-pitados para el anlisis gravimtrico se recogen por filtracin, se lavan y luego se secan. Cuando no es necesario calcinar el precipitado, es preferible recogerlo en un embudo de filtracin con vidrio sinterizado como el que se ve en la Fig. 2-14. Tal embudo tiene un disco de vidrio poroso que deja pasar el lquido pero detiene las particulas slidas. En el anlisis gravimt rico, el crisol filtrante se seca y pesa antes de recoger el precipitado, Despus de que el producto se ha recogido y secado en el crisol, ste y su conten ido se pesan juntos para conocer la masa del precipitado. El crisol filtrante suele emplearse con aspiracin mediante una trompa de agua, como se observa en la Fig. 2-15. El lquido a partir del cual precipi-ta O cristaliza una sustancia se llama solucin madre . El liquido que atraviesa el filtro se denomina fillrado.

En algunas tecnicas gravimtricas se requiere separar el precipitado y luego calci-narlo a temperatura elevada, a fi n de transformarlo en un producto bien definido de composicin conocida. Por ejemplo, el FeJ " se precipita en la [arma hidrata-da mal definida Fe(OH' y se calcina para obtener FelO) antes de pesarlo. Cuan-do hay que calcinar un precipitado gravimetrico, ste se recoge en un papel filt ro sin cenizas, que deja poco residuo cuando se oxida a alta temperatura. El papel filtro se pliega dos veces, se le recorta una esquina y se coloca luego en un embudo cnico de vidrio (Fig . 2-16). El papel debe adaptarse firmemente y asentarse con un poco de agua destilada en la cavidad del filtro. Cuando se vien.e lquido en el embudo, el vstago de ste debe quedar lleno de una vena ininterrumpida de lquido. El peso del lquido en dicho vstago contribuye a acelerar la filtracin .

t A la atmsfera

C:=O Matraz de 11 aspiracin

Trampa

, , , ,

------ -

l' ,

" , 'di

Figura 2-16 Forma en que se plicg3 el p3pcl fiI

. Iro para col()l;arlo en un cll1budoc nico. (a) Se dobla el papel por la milad: (b) St' dobta de nue,'o por ta mitad: (e) St' le corta una esqina : (d) St' abredelladoque no ha)'a sido rOlO para imroducirlo en el embudo,

Dispositivo para filtracin con un crisol de Goch. La funcin de la Irampa es impedir el pm ible retorno de agua del grifo desde la !rompa de agua hacia el frasco de aspiracin (de KitasalO).

En la Fig. 2-17 se muestra el procedimiento correcto para filt rar. El liquido que contiene el precipitado en suspensin se vierte en el fillro guiado por una varilla de vidrio. El uso de esta varilla evita salpicaduras y derrames en el exterior del vaso de precipitados. Las partculas que se adhieren en el vaso o la varilla pueden ser desalojadas con un gendarme O "arilla pOlica (una barra de vidrio cuyo extremo se in!roduce en un trozo de goma acabado en forma de esptula) y transferidas con un pcqueochorro de lquido de un frasco lavador que contenga agua destilada o una solucin de lavado apropiada. Las partculas que permanecen en el vaso pueden ser retiradas con un pequeo trozo de papel mtro humedecido, el cual se coloca en el mtro para calcinarlo con el rest o del precipitado.

2-7 SECADO

Los reactivos y precipi tados, asi como el material de vidrio, pueden secarse fcil-mente en una estufa u hornillo elctricos cuya temperatura se mantiene aproxima-damente a 110C (cienos reactivos o precipitados requieren Otras temperalUras de secado). Cuando un crisol para filtracin debe llevarse a peso constante antes del anlisis gravimtrico, hay que secarlo durante una hora o ms, y luego enfriarlo en un desecador. El crisol se pesa y se caliema de nuevo durante unos 30 minutos. Cuando dos pesadas sucesivas no difieren en ms de 0.3 mg, se considera que el filtro ha sido secado y llevado a peso constante. El secado en estufa de los reacti vos slidos o de crisoles para filtracin debe efecluarse utilizando un vaso de precipita-dos y un vidrio (o cubierta) de reloj (Fig. 2-18), a fin de evitar la caida de polvo en el reactivo.

Despus de que un reactivo o un crisol se han secado a temperatura elevada, se dejan enfriar hasta la temperatura ambiente en un desecador, el cual es una cmara cerrada que conlene una sustancia secadora o dcscuntc. La superficie de contacto entre la tapa y el cuerpo del desecador se engrasa, con el fin de lener un sellado hermtico. Dos tipos comunes de desecadores se muestran en la Fig. 2-19. El desecante se coloca bajo un disco con perforaciones situado cerca del fondo

de ,,drio

2-7 Secado 27

1:1 polvo

28 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

l' ,

l' ) Figura 2-19 Dcs.ecadorcs . (a) COI!1 n. (b) De va-cio. El aire se eli mina por aspi racin a lraves del cond UCIO laleral sil uado en 1;1 parle superior. y luego ~e sella haciendo girar la junta que tiene di -cho eonduclo. El 5e.:ado a presin

redu~ldn es ms rficn~. ICortesia de A. H . ThomasCo., Filadelfin, r~.l

La finalidad de la calcinacin es convenir el Fr{OH), hmedo en Fe,O, puro)' seco.

1 Se dobla en cuatro el papel

2 Se pliegan las esquinas

Tabla 2-5 Eficacia de algunos agentes desecadores o desecantes

Agua remanente en Agente Frmula la atmsfera (ug HP/L)

Perclorato de magnesio anhidro Anhidrona

Mg(Cl04h 0.2 Mg(CIO~h' J-I.5H20 1.5 xido de bario

Almina Pentxido de fsforo Perclorato de litio anhidro Cloruro de calcio (desecado a Sulfato de calcio (drierita) Gel de slice Ascarita H idrxido de sodio Perclorato de bario xido de calcio Oxido de magnesio Hidrxido de pOlasio

BaO 2.8 AIPl P40O

LiC10~ 127 cC)CaCl2

CaS04 sial

NaOH sobre' asbestos NaOH

Ba(C104)~ C,O M,O KOH

2.9 3.6

IJ 67 67 70 93

5IJ 599 656 75J 939

No/a: Se hizo pasar nitrgeno hmedo por cada dcsecanLc. y el agua remanel11e en el gas se conden~ y pes.

FU ENTE: A .1. Voget, A Te.w/Jook 01 Qual/ I iWI ive In(Jr,ulI ic A I1IJlysis. 3a. ed. (Nueva York: Wiley. 196!), pg. 178.

de la cmara. En la Tabla 2-5 se presenta informacin sobre la eficacia de distintos desecantes usuales. Adems de los que ahi se mencionan, el cido su lfrico al 98070 tambin es un desecante com n y eficaz. Despus de colocar un objeto caliente en un desecador, se deja la tapa entreabierta durante un minuto o dos hasta que e! objeto se haya enfriado un poco . Ello evita que la tapa salte cuando el aire interior se dilata debido al calor de! objeto. Antes de ser pesado, un objeto debe dejarse enfriar durante unos 30 minutos para alcanzar la temperatura del ambiente. La manera correcta de abrir un desecador consiste en hacer deslizar la tapa sobre la superficie que separa las dos partes hasta que aqulla pueda retirarse. El cierre con grasa impide que la tapa pueda quitarse tirando de ella directamente hacia arriba.

2-8 CALCINACiN Para calcinar un precipitado como el Fe(O H). primero se colecta en papel fil t ro sin cenizas, como se indica en la Secc. 2-6, Entonces se permite que se seque por completo - de preferencia lada una noche-, protegindolo del polvo con un vi-

3 Se doblan hacia fuera los lados redondos

4 Se empuja hacia dentro al vrtice Inferior y se coloca dantro de un crisol

Figura 2-20 Forma 1'11 que se pliega d papel fiI-Ira ys.e le ~oloca delllro de uncrbol rara la caici nacin. Puede s.er nece-sario plegar varias veces el papel a fi 11 de que el paq uele ~omplc!O ti lle-pa en el foudo del m~ol. Dehe t-nerse cuidado de no perforar d p;1f}1!l.

2-9 Calibracin de Vidrieria Volumtrica 29

drio de reloj. Con cuidado se retira el papel del embudo, se p liega como en la Fig. 2-20, Y se uans fiere a un crisol de porcelana que se ha llevado a peso constante por medio de varios ciclos de calentamiento. en rriamiento en un desecador, y medi-cin del peso. J unto con el crisol se debe calentar, enfriar y pesar su tapa. El papel filtro y el precipitado se introducen en el crisol y se secan cuidadosamente con una llama pequei'la, como se muestra en la Fg. 2-21. La llama debe dirigirse a la parle superior del crisol, que estani destapado. Es necesario evitar el chisporro-leo. Una vez que el papel filtro est seco, se calcina incrementando la temperatura de la llama. En el caso de precipitados como Fe(OH)l' el entorno del crisol debe contar con aire irrestricto, y es necesario evitar la reduccin del producto por el carbn del papel mIro. La tapa del crisol se mantiene a la mano a fin de sofocar las llamas si el papel se innama. Para manipular el crisol y su tapa se emplean pinzas, no las manos. Cualquier residuo de carbn que quede en el crisolo su tapa debe quemarse dirigiendo contra l la llama del mechero. La calci nacin se completa calentando el fondo del crisol a la mxima lemperaturade la llama (llama azul) durante 15 minutos.

Despus de la calcinacin, el crisol y su tapa se enfran brevemente a l aire y despus en un desecador durante 30 minutos. Junto con su contenido, se llevan a peso constante por medio de calentamientos repetidos.

2-9 CALIBRACiN DE VIDRIERIA VOlUMETRICA Cuando se desea la mxima exactitud posible, es necesario calibrar la vidriera volumtrica que se emplea. Esto suele hacerse midiendo la masa de agua vertida por el recipiente o con tenida en el, y utilizando la densidad de ese liquido para convertir masa en volumen . De esta forma es posible determinar, por ejemplo, que una pipeta en particular vierte 10.016 mL y no 10.000 mL.

En la Tabla 2-6 se observa que el agua pura se expande aproximadamente 0.02'10 por grado en la vecindad de los 2QC. Este cambio tiene implicaciones practicas para la calibracin de vidriera y para la dependencia respecto a la temperatura de las concentraciones de reactivos.

EJEMPLO: Efecto de la Temperatura en la Concentracin de una Solucin Una solucin acuosa diluida con molaridad de 0.031 46 M se prepar en el invierno, un diaen que la temperatura en cllaboratorio era de 17C. Cual ser la molaridad de la solu-dn en un clido dla de primavera con temperatura de 25C'?

Se supone que la dilatacin trmica de la solucin es similar a la del agua pura. Dado que la concentracin de una solucin es proporcional a su densidad , es posible expresar

-=- (2-3) " d

donde e' y d' son respectivamente la concent racin y la densidad a la temperatura T', Y e y d lo son para la temperatura T. Empleando las densidades de la columna 2 de la Tabla 2-6, es posible escribir

0.031 46 " a 25 ~

0.99705 0.998 78 ==- c ... O.0314IM

La concentracin disminuy en 0.16O~.

-

Anillo

-

" ,

O- Mechero Tringulo de alambre

Figura 2-21 Colocacin de un crisol ~obre un mechero.

En el caso de redpicllle~ pcquei'los o de forma irregular. pucd~ emplearsc mncurio en ~e-l. de agua. El m~rcurio c

30 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

En la columna 3 de la T~bla 2-6 st" indu>'c el efeclO del empuje aerosttico.

Tabla 26 Densidad del agua

Tem~ratura Densidad del agua ("e) (g/cm))

O 0.9998425 4 975 O 5 966 S

10 7026 11 6084 12 5004 13 380 I 14 2474 15 1026 16 0.9989460 17 7779 18 5986 19 4082 20 207 1 21 0.9979955 22 7735 2J 541 5 24 2995 25 0479 26 0.9967867 27 5162 28 2365 29 0.9959478 JO 6502 ' 35 0.9940349 J7 0.9933316 40 0.9922187

100 0.9583665

Volumen de 1 g de agua (cm J) A la temperatura Corregido a

indicada! 20"C I

-

1.00 I 4 1.001 5 1.001 5 1.001 6 1.001 6 1.001 7 1.00 1 7 1.001 8 1.001 8 1.001 9 1.002 O 1.002 O 1.002 1 1.002 I 1.0023 1.0023 1.002 5 1.0025 1.0027 1.0027 1.0029 1 .002 9 1.003 I 1.003 1 1.0033 1.0033 1.003 5 1.003 5 1.0038 1.003 8 1.004 O 1.004 O 1.004 3 1.004 2 1.004 6 1.004 5 1.004 8 1.004 7 1.005 1 1.005 O 1.005 4 1.0053

-

, Corregido ~ra considerar el tmpujt aerosttico ron la ecuacin 22. empleando densidad del aire = 0.001 2 g/mL y densidad de las pesas = 8.0 g/mL.

, Corregido para considerar la dilatacin del vidrio de borosilicalo (0.001 0% por grado Ce!sius).

El vidrio mismo se expande cuando se calienta. El vidrio Pyrex y Otros a base de borosilicato, que son los tipos ms comunes, se dilatan aproximadameme 1.0 X IO-J OJ, por grado Celsius a una temperatura cercana a la ambiente. Esto significa que si la temperatura de un recipiente de vidrio se eleva en 10C, su volumen aumen tar alrededor de (1 0)(0.00 I OOJo) = 0.0 I OJo. Excepto para trabajos en extremo exac tos, esta dilatacin es insignificante. Los vidrios blandos se expanden alrededor de dos o tres veces ms que los de borosi licato. '

Supongamos que se desea calibrar una pipeta de 25 rn L. Es necesario primero medir la masa de un frasco de pesar como el de la Fig. 2-18. Entonces se llena cuidadosamente la pipeta con agua destilada hasta la marca de 25 mL. Se vaca la pipeta en el frasco de pesar y se coloca la tapa para evitar la evaporacin en el vaso de precipitados. Se pesa ste una vez ms para determinar la masa del agua vertida por la pipeta. Se emplea la Tabla 2-6 para convertir la masa del agua en volumen de este lquido.

2-9 Calibracin de Vidrieria Volumtrica 31

Recuadro 2-2 ELIMINACiN DE DeSECHOS QUIMICOS

Muchas de las sustancias qumicas de uso comn en el laboratorio pueden danar a plantas, animales y personas si se desechan de manera descuidada_ Si bien muchas soluciones pueden simplemente verlirse en el drenaje sin mayor peligro, otras constituiran agentes txicos en ros y mantos rreticos_ Para cada experimento que se reali~ en el laboratorio. el instructor debe determinar de amemano la forma en que se eliminarn las sustan-cias qumica .. producidas o sobrantes. Las opciones son (1) vertir las soluciones en la atarjea y diluirlas con agua corriente, (2) conservarlas para su posterior eliminacin adecuada en un relleno sanitario (tiradero) legal-mente rstableeido, (3) tralar qumicamente el desecho a fin de hacerlo menos peligroso. y entonces vertirlo en la atarjea o guardarlo para su eliminacin en un tiradero apropiado, o (4) reciclar la sustancia de modo que se genere poco desecho. Es de vital importancia que no se combinen ent re si residuos qumicamente incom-patibles, y que cada redpienre con desecho se etiquete de manera correcta a fin de idemijicar e/lipo y la cOnlidad aproximada de desecho. En el libro Prudent Pracrices for Disposal 01 Chemicals from Laboratories (Washington: National Aeadcmy, 1983) se presentan algunos mtodos prcticos para manejar diferentes desechos.

Unos cuantos ejemplos ilust rarn algunos de tales mtodos.' El residuo de dicromato (Cr20~) se reduce primero a Cr(lI l) con bisulfito de sodio (Na HSOJ), se precipita con hidrxido para formar Cr(OH)' insolu-ble, y se evapora hasta tener un pcquei'lo volumen de desecho slido, que puede depositarse en un relleno sanitario. Las soluciones cidas de desecho pueden mezclarse con residuos de base hasta alcanzar un pH aproxi-madamente neutro (determinado con papel indicador), y entonces se vierten en la atarjea. Las soluciones de desecho de yodalo (101) pueden tratarse con NaHSOJ para reducir el 10 1 a l . Esto genera cido, el cual debe neutraliz.arse con base. Entonces la solucin completa puede venirse sin peligro en la atarjea. Las solucio-nes residuales de Pbl. se tratan con solucin de metasilicato de sodio (NalSiOl ) a fin de precipitar el PbSiOl , insoluble, que puede empacarse para depositarlo en un relleno sanitario. Los desechos de compuestos de plata y oro tambi~n deben tratarse qufmicamente para recuperar esos valiosos metales. Un gas txico util iz.ado en una campana de humos debe hacerse burbujear en una trampa para evilar que escape de la campana. Algunos gases lxicos pueden hacerse pasar por un mechero para convertirlos en productos inofensivos.

, M. A. Armour, J. Chem. Ed., 1tS. A64 (1988); w. A. Wahon. J. Cllem. Ed., 64, A69 (t987, .

EJEMPLO: Calibracin de una Pipeta

El frasco de pesar vacio tiene masa de 10.283 g. DespuS de llenarlo con el contenido de una pipeta de 25 mL, la masa fue de 35.225 g. Si la temperatura del laboratorio era de 23C, encontrar el volumen de agua vertido de la pipet a. Cmi.! seria el volumen vertido si la temperatura fuera de 20C1

La masa del agua en la pipeta es de 35.225 - 10.283 = 24.942 g. Con base en la columna 3 de la Tabla 2-6, el volumen de agua es (24.942 g)( I.003 5 mLlg) = 25.029 mL a 23C. Este es el volumen vertido de la pipeta a dicha temperatura. Si la pipeta y el agua estuvieran a20Cy no a 23C. la pipeta se contraeria un poco y contendria menos agua. Sin embargo, las columnas 3 y 4 de la Tabla 2-6 indican que la correccin de 23 a 20"C no es significativa a cuatro lugares decimales. El volumen vertido a 20C seguirla siendo de 25.029 mL.

En los trabajos de gran exactitud es necesario considerar la dilatacin y la COIII rac-cin trmicas de soluciones y vidriera. Por tanto, debe conocerse la temperatura del laboratorio en el momento en Que se hacen las soluciones y cuando se les emplea.

32 2 . INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

Resumen

El anlisis qulmico por .... a "hmedl" requiere el uso de equi -pos '1 tccnicas con los que hay que estar familiarizado. La balana analtica debe tratarse como un equipo delicado, '1 en los trabajos que requieren gran exact itud deben aplicarse las correcciones por empuje aerosttico. Hay que leer las bu-retas de maneTa reproducible. y su contenido debe .... ertirse lentamente con el fin de obtener los mejores resul tados. Es necesario interpolar siempre las leC! uras enl re las graduacio-

ne~, con el ObjetO de obtener exattit ud de una ci fra decimal ms a ll de las graduaciones. Los matraces volumtricos o aforados se utilizan para preparar soluciones con un volu-men conocido. Las pipetas \'olumelricas o aforadas sir .... en pllra IICrtir volumenes fijos de liquida. mientras que las pipe-las grad uadas, las cuales son menos exact as, se emplean para

Terminologia

anlisis grnvimtrico (gravimetric analysis) balanza e lectrnica (eleclronic balance) balanza mecnica (mechanicul balance) bureta (buret) calcinacin (ignition) desecador (disiccalor) desecante (disecean/ ) empuje aerosttico (bou)'oncy) filtrado (fillrote) gendarme o varilla polica (rubber policeman) higroscpico (hygroscopic)

Ejercicios t 2-A. Cul es la masa real de una muestra de agua cuya

masa medida en la atmsfera es de 5.]97 4 g1 Al in-.... estigar [a densidad del agua, suponga que la tempe-ratura en el laboratorio es de (a) 15C y (b) 25 C. Suponga que la densidad del aire es de 0.001 2 g/mL a ambas temperaturas y que la densidad de las pesas de la balanza es de 8.0 g/mL.

vcrlir volmenes variables. A fin de filtrar soluciones o rl'eo ger precipitados se requieren tcnicas apropiadas, as como para el secado en estufas y desecadores de react ivos. de precio pitados y de material de vidrio, La calcinacin 51.' realiza con el objeto de dar a un precipitado gravimtrieo una composi-cin estabk conocida cuyo peso sea litil medir. En el trabajo de gran exactitud, las ccncentraciones de solucin y los volu-menes contenidos en instrumental de vidrio o .... ertidos de el deben corregi rse considerando los cambios de temperatura. Nunca sera demasiada la importancia que se de a l empleo de un cuadcrno de nOtas de laboratorio con anotaciones com-pletas. ex;ctas 'J comprensibles, Los residuos qumiCOS de-ben eliminarse de una manera preestablecida, segura y legal.

jeringa (syringe) matraz .... olumtrico (volumetric flask) menisco (meniscus) papel filtro sin cenizas (ushfess fUler paper) paralaje (paroflox) peso (o masa) constante (constant mass) pipeta (pipet) solucin madre (morher liquar) tara (tare)

2-8 . La densidad del xido frrico, Fe10 l , es de 5.24 g/mL. Una muestra obtenida por calcinacin de un precipitado gravimtrico pes 0.2% 1 g en la atms-fera. Cual es la masa real en el vacio?

2-e. Por itulacin, se determin que una solucin de per-manganalo de potasio (KMn04) tenia moJaridad de 0.05 1 38 M a 24C en un da clido. Cul fue la

Si el Ie

molaridad de esa misma solucin por la noche, cuan-do la temperatura descendi a 16C?

2-0. Se extrajo agua de una bureta entre las marcas de O. 12mL y 15.78 ml. El volumen extrado aparente

Problemas

A21. Enuncie Ires caractersticas esenciales de un cuader-no de notas de laboratorio.

A2-2. Cul es la masa real de una muestra de benceno (d ::: 0.88 g/ml) pesada en un matraz si la balanza indica una lectura de 9.947 g? Suponga que la densi-dad del aire es d .". 0.001 2 g/m l , y que las masas de referencia en la balanza tienen densidad d - 8.0 g/ mL.

A2-]. Qu significan las indicaciones " TD" y "TC" en ,

material volumtrico? A24. Describa el procedimiento adecuado para preparar

250.0 ml de K2S04 0.150 O M con un matraz volu-mtrico.

Al-S. Describa el procedimiento correcto para transferir oon una pipeta volumtrica 5.00 ml de un reactivo liquido.

A2-6. Cul de las dos pipetas es la ms exacta: la volum-trica o la graduada?

A2-7. Qu se haria en forma diferente si se viniera 1.00 mL de liquido con una pipeta serolgiea de 1 ml y con una graduada de la misma capacidad?

A2-S. Cul desecante es ms eficaz: la drierita o el pent-xido de fs foro?

A2-9. Cul es la finalidad de la trampa en la Fig. 2-15? Y del vidrio de reloj en la Fig. 2-18?

A2 10. Cul es el objetivo de calcinar un precipitado gravi-mtrico? Enumere los pasos de la calcinacin:

A2-11. En qu porcentaje se expande una solucin acuosa diluida cuando se calienta de 15 a 25C? Si una solu-cin 0.500 O M se prepara a 15C, cul ser su mo-laridad a 25 C?

A2-12. Un matraz volumtrico de 10 ml vacio pesa 10.263 4 g. Cuandose llena hasta el aforo con agua destilada y se pesa entonces en el aire a 20C, la masa es de 20.2144 g. Cul esel volumen real del matraz a 20C?

2- 13 . El volumen real de cierto matraz volumuico de 50 mL es de 50.037 mL a 20C. Qu masa del agua medida en el vacio a 20C estar contenida en el ma-traz? Y qu masa del agua medida en el aire a 20C1

Problemas 33

fue de 15.78-0.12 = 15.66ml. Medida en el aire a 22C, la masa del agua vertida fue de 15.569 g. Cul es el volumen real vertido de la bureta?

2. 14 Sedesea preparar 500.0 mlde una solucin que con-tenga KNOl exactamente 1.000 M a 20C. pero en ese momento la temperatura del laboratorio (y del agua) es de 24"C. Cuntos gramos de KNO) deben disolverse en un volumen de 500.0 mL a 24C de mo-do que la concentracin sea 1.000 M a 200 C1 La den-sidad del KNO} es de 2.109 g/ mL Qu~ masa aparente de KN01 medida en el aire se requiere?

2- 15. Trace una grfica que represente la correccin por empuje aerosttico (expresada como porcemaje del peso muestra!) en funcin de la densidad de la mues-Ira. Suponiendo que d. = 0.001 2 g/ml y d", = 8.0 g/mL, calcule los factores de corre

34 2 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

Llegaron los resultados del laboratorio: El seor Juan Prez est embarazado

Conesia de 3M Company. Sto Paul. Minn.!

http://avibert.blogspot.com

Error experimental

No lodos los errores en el laboratorio son tan monumentales como el que se ilustra en la figu ra anterior. Sin embargo, existen errores asociados con cualquier tipo de medicin. No hay forma alguna de medir el "valor verdadero" de algo. Lo mejor que puede hacerse en un anlisis Quimico es aplicar una tcnica la cual por experiencia se sepa Que es digna de confianza. Tambin es posible medir una canti-dad de diferentes maneras medianle metodos variados, para observar si las medi-ciones concuerdan entre s. Uno siempre debe tener conciencia de la incertidumbre asociada a un resultado y, portantc, saber qu tan confiable es ese resultado. Este captulo trata sobre las relaciones existentes entre las inco!rtidumbres de mediciones individuales realizadas en el transcurso de un experimento y tambin sobre la con-fiabilidad del resultado final.

31 CIFRAS SIGNIFICATIVAS

El nmero de cirras significativas es el nmero mnimo de dgitos que se necesitan Definicin de cifras si,nincacjvas. para expresar cientficamente un valor sin que se pierda exactitud. El nmero 142.7 tiene cuatro cifras significativas puesto que puede escribirse en la forma 1.427 X ](r, y las cuatro cifras se requieren para expresar totalmente el valor. Si se escri-biera 1.427 O x lot, esto significaria que se conoce el valor del dgito situado des-pus del 7, lo cual no es el caso para el nmero 142.7. Por tanto, el nmero I .427 O x 1()2 tiene cinco cifras significativas.

El nmero 6.302 x 10~ tiene cuatro cifras significativas, puesto que los cuatro dgitos son necesarios. El mismo nmero podra escribirse 0.000 006 302 y tambin tendra solamente cuatro cifras significativas. Los ceros a la izquierda del 6 simple-mente ocupan posiciones decimales. Dado que 0.000 006 302 tambin puede escri-birse en la forma 6.302 x 10-6 , slo cuatro cifras son necesarias, y se dice que slo cuatro de ellas son significativas. El nmero 92 500 es ambiguo en lo que se refiere a cifras significativas. Este puede expresar cualquiera de los casos si~uientes:

9.25 x 10"

9.250 x 10"

9.250 O x 10"

tres cifras significativas cualTo cifras sign ificativas cinco cifras significativas

En lugar de 92 500. es preferible escribir una de las tres expresiones anteriores para indicar cuntas cifras significativas se conocen realmente.

35

36 3 ERADA EXPERIMENTAL

En los siguientes IUJmer05, los ceros signifkalivos se indican oon ntgritas:

106 0.01 06 0.106 0.1060

Toda Ir:crura debe estimarse siempre hasta el dcimo ms r.:ercano de la distancia mininta entre las graduaciones o divisiones de la estala.

Transmilancia (%> 80 90 100

Figura 31

05 04 03 02 01 005 O ESCila de un espectrorotmetro Spr:ctronir.:20dc Bausch and Lomb. El porcentaje de lransmitancia se lee en una escala lineal, y la absorban-da, en una escala loaritmica. AbSOfbancla

Los ceros son significati vos cuando se localizan (1) en medio de un numero O (2) al final de un numero y a la derecha del punto decimal.

La ltima cifra significativa en una ca ntidad medida tiene siempre una inceni dumbre asociada . La incertidumbre mnima sera I en la ltima ci fra. En la Fig. 31 se presenta la escala de lectura de un espect ro fotmet r