DENSIDAD DE SOLUCIONES

1. OBJETIVOS.- Caracterización del concepto de densidad de las soluciones - Aplicación de diferentes métodos en la determinación experimental de la densidad de soluciones.- Verificar la variación de la densidad con la temperatura.- Comprobar la propiedad intensiva de la densidad.- Manejo adecuado de las tablas de densidad.- Construcción e interpretación de gráficas de la densidad versus concentración.

2. FUNDAMENTOS.

- Concepto de densidad.- En física, la densidad, simbolizada habitualmente por la letra griega y denominada en ocasiones masa específica, es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o relativos. En términos sencillos, un objeto pequeño y pesado, como una piedra o un trozo de plomo, es más denso que un objeto grande y liviano, como un corcho o un poco de espuma.

- Densidad de las soluciones. Unidades más frecuentes en la que se expresa la densidad.

Una solución es una mezcla homogénea de dos o más componentes. A aquél componente que se encuentra en mayor cantidad se conviene en llamarlo solvente y a los demás solutos. Cuando uno de los componentes es el agua, entonces la solución se denomina acuosa y el solvente es el agua. Cuando la solución tiene únicamente dos componentes se llama binaria. La densidad de la solución varia con respecto a la concentración de los líquidos o a la pureza del sólido con la cual se realiza.

- Propiedad extensiva de la masa y del volumen.- Son las cualidades que nos permiten reconocer a la materia, como la extensión, o la inercia. Son aditivas debido a que dependen de la cantidad de la muestra tomada. Para medirlas definimos magnitudes, como la masa, para medir la inercia, y el volumen, para medir la extensión (no es realmente una propiedad aditiva exacta de la materia en general, sino para cada sustancia en particular, porque si mezclamos por ejemplo 50 ml de agua con 50 ml de etanol obtenemos un volumen de disolución de 96 ml). Hay otras propiedades generales como la interacción, que se mide mediante la fuerza. Todo sistema material interacciona con otros en forma gravitatoria, electromagnética o nuclear. También es una propiedad general de la materia su estructura corpuscular, lo que justifica que la cantidad se mida para ciertos usos en moles.

- Propiedad intensiva de la densidad.- Son las cualidades de la materia independientes de la cantidad que se trate, es decir no dependen de la masa no son aditivas. y, por lo general, resultan de la composición de dos propiedades extensivas. El ejemplo perfecto lo proporciona la densidad, que relaciona la masa con el volumen. Es el caso también del

punto de fusión, del punto de ebullición, el coeficiente de solubilidad, el índice de refracción, el módulo de Young, etc.

- Densidad en función de la concentración.- Cuando hay más concentración la disolución se hace más densa y por esa razón existe un amento de su densidad. A menor concentración la solución se hace menos densa y la densidad comienza a disminuir

- Efecto de la temperatura en la densidad de solución.- El comportamiento de soluciones acuosas altamente diluidas presenta uno de los ejemplos más interesantes en la fisicoquímica de soluciones ya que se puede obtener información acerca de las interacciones soluto–solvente y sobre los cambios inducidos por los solutos sobre la estructura del agua. Adicionalmente, esta información es muy importante en el desarrollo de modelos termodinámicos semiempíricos para la predicción de propiedades en solución acuosa.

Las propiedades termodinámicas de las soluciones acuosas de alcoholes son de gran importancia ya que presentan un comportamiento complejo especialmente en la zona diluida, debido a la diferente naturaleza de las interacciones entre los grupos polares y apolares con el agua; y si bien se sabe que dicho comportamiento tiene origen en las características estructurales del agua, aún no ha sido claramente explicado.

La determinación de propiedades molares parciales a dilución infinita a partir de datos experimentales tiene una importancia fundamental, ya que en ese estado las interacciones soluto-soluto están ausentes. Puesto que el comportamiento complejo tiene origen en la naturaleza de las interacciones alcohol-agua y en el efecto del soluto sobre la estructura del solvente acuoso, el estudio del volumen molar parcial a dilución infinita de los alcoholes de cadena lineal provee información importante acerca de los procesos de hidratación hidrofóbica e hidratación hidrofílica.

- Caracterización de los instrumentales para medir la densidad; densímetros (hidrómetros), alcoholímetros, picnómetros.-

Densímetros: Un densímetro (Fig.1), es un instrumento que sirve para determinar la densidad relativa de los líquidos sin necesidad de calcular antes su masa y volumen. Normalmente, está hecho de vidrio y consiste en un cilindro hueco con un bulbo pesado en su extremo para que pueda flotar en posición vertical.

El densímetro se introduce gradualmente en el líquido para que flote libremente. A continuación se observa en la escala el punto en el que la superficie del líquido toca el cilindro del hidrómetro. Los hidrómetros generalmente contienen una escala de papel dentro de ellos para que se pueda leer directamente la densidad específica, en gramos por centímetro cúbico.

En líquidos ligeros, como queroseno, gasolina, y alcohol, el densímetro se debe hundir más para disponer el peso del líquido que en líquidos densos como agua salada, leche, y ácidos. De hecho, es usual tener dos instrumentos distintos: uno para los líquidos en general y otro para los líquidos poco densos, teniendo como diferencia la posición de las marcas medidas.

El densímetro se utiliza también en la enología para saber en qué momento de maceración se encuentra el vino.

Densímetro (Fig. 1)

Tipos de densímetro

La forma más conocida de densímetro es la que se usa para medir la densidad de leche, llamado lactómetro, que sirve para conocer la calidad de la leche. La densidad específica de la leche de vaca varía de 1,027 hasta 1,035. Como la leche contiene otras sustancias, aparte de agua (87%), también se puede saber la densidad específica de albúmina, azúcar, sal, y otras sustancias más ligeras que el agua.

Para comprobar el estado de carga de una batería se utiliza variedad de densímetro. Está constituido por una probeta de cristal, con una prolongación abierta, para introducir por ella el líquido a medir, el cual se absorbe por el vacío interno que crea una pera de goma situada en la parte superior de la probeta. En el interior de la misma va situada una ampolla de vidrio, cerrada y llena de aire, equilibrada con un peso a base de perdigones de plomo. La ampolla va graduada en unidades densimétricas, de 1 a 1,30.

Lactómetro - Para medir la densidad específica y calidad de la leche. Sacarómetro - Para medir la cantidad de azúcar de una melaza. Salímetro - Para medir la densidad específica de las sales. Aerómetro Baumé - Para medir concentraciones de disoluciones.

La escala Baumé se basa en considerar el valor de 10ºBé al agua destilada. Existen fórmulas de conversión de ºBé en densidades:

Para líquidos menos densos que el agua: d = 146'3/(136'3+n) Para líquidos menos densos que el agua: d = 146'3/(136'3-n)

Alcoholimetro: El alcoholímetro es un tipo especial de hidrómetro usado para determinar el nivel de alcohol presente en un líquido o gas. Puede por tanto ser usado para medir el porcentaje de alcohol en una bebida alcohólica o para determinar la presencia de alcohol en la sangre.

Un alcoholímetro digital, basado en un sensor de gas, indica al soplar sobre él, el tanto por ciento de alcohol en sangre y puede servir a una persona para saber si se está en condiciones de conducir. Conocer el nivel de alcohol en la sangre es muy importante para la seguridad en las calles y carreteras.

Son los instrumentos usados por las policías encargadas de la seguridad del tráfico para la detección de la presencia de alcohol en el conductor de un vehículo. Esto se hará mediante alcohólimetros digitales de mano o mediante etilómetros (alcoholímetros de precisión, necesarios para hacer la pertinente denuncia1 ), en caso de superar la tasa máxima permitida.

Para un uso efectivo de estos aparatos se establece un control petrológico de los mismos mediante la Orden 27 de Julio de 1994, que indica la tolerancia máxima de errores dentro de los límites de las normas de la UNE. Las mediciones las realizarán el Instituto Nacional de Metrología o los órganos competentes de las Comunidades Autónomas.

Picnómetros: El picnómetro (del griego πυκνός (pyknós), "densidad"), o botella de gravedad específica (Fig. 2) , es un frasco con un cierre sellado de vidrio con un tapón con un finísimo capilar, de tal manera que un volumen puede obtenerse con gran precisión. Esto permite determinar la densidad de un fluido, en referencia a un fluido de densidad conocida como el agua o el mercurio, usando el principio de Arquímedes. Sirve para medir la densidad de líquidos no viscosos.

Actualmente, para la determinación de la densidad de algunos productos especiales como las pinturas, se utilizan picnómetros metálicos.

Si el frasco se pesa vacío, luego lleno de agua, y luego lleno del líquido en cuestión que se desea medir su gravedad específica, la densidad específica del líquido ya puede calcularse sencillamente.

La densidad de partículas de un árido (polvo, por ejemplo), no puede determinarse con el simple método de pesar, puede obtenerse con el picnómetro. El polvo se pone en el picnómetro, que se pesará, dando el peso de la muestra de polvo. Luego el picnómetro es terminado de llenar con un líquido de densidad conocida, donde el polvo sea completamente insoluble. El peso del líquido desplazado podrá luego determinarse, y así hallar la gravedad específica del polvo.

Picnómetro (Figura 2)

Ejemplo;

d = m / v v(agua) = v(muestra)

m1: masa de MUESTRA dentro del picnómetro

m2: masa de AGUA (o líquido de densidad conocida) dentro del picnómetro

d1: densidad de la MUESTRA dentro del picnómetro

d2: densidad del AGUA (o líquido de densidad conocida) dentro del picnómetro

Luego la densidad de la muestra es:

ASTM: El picnómetro usa el estándar: ASTM D-854.milkaz the best

- Peso especifico.- El peso cualquiera de una sustancia se define como su peso por unidad de volumen. Se calcula al dividir el peso de la sustancia entre el volumen que ésta ocupa. En el sistema técnico, se mide en kilopondios por metro cúbico (kp/m³). En el Sistema Internacional de Unidades, en newton por metro cúbico (N/m³).

ó

Donde:

= peso especifico = es el peso de la sustancia = es el volumen que la sustancia ocupa = es la densidad de la sustancia = es la aceleración de la gravedad

Es una propiedad física de la materia, aplicable en general a cualquier sustancia, y su uso es muy amplio dentro de la Física.

Como bajo la gravedad de la Tierra el kilopondio equivale, aproximadamente, al peso de un kilogramo, esta magnitud tiene el mismo valor numérico que la densidad expresada en (kg/m&sup).

3. PRACTICA DEL EXPERIMENTO.

3.1. Material o equipos.

Balanza de triple brazo y balanza de cuatro bazos Vidrio de reloj pequeño

Agitador magnético

Espátula

Probetas 250ml , 25ml

Pipeta

Baso de precipitados

3.1. Reactivos.

Sal común (cloruro de sodio) Agua potable

Alcohol potable al 98ªGl

3.2. Procedimiento experimental.

3.2.1. Preparación de una solución de Cloruro de Sodio.

Preparar 250 ml de una solución de cloruro de sodio al 9%p de concentración, a partir de la sal comercial que contiene 98.7 %p de pureza del NaCl.

3.2.2. Determinación de la densidad con hidrómetros.

En la probeta, tarada de 250 ml en que se midió el volumen de la solución preparada, introducir con las precauciones necesarias y despacio un hidrómetro con termómetro adecuado para la solución y observar la medida y registrar los datos de densidad y temperatura. Si el densímetro no tiene termómetro, la temperatura medir por separado con un termómetro.

3.2.3. Determinación de la densidad por métodos empíricos.

En una probeta tarada de 25 ml colocar unos 5.0 ml de la solución preparada y pesar el conjunto, observar la medida del volumen y de la masa y registrar los datos. No olvidarse de medir la temperatura.

Proceder de la misma forma con unos 15.0 ml y con unos 25.0 ml de solución preparada.

3.2.4. Determinación de la densidad del alcohol potable.

Proceder como en el punto 3.2.3; pero esta vez haciendo uso de alcohol potable comercial de 98º GL.

3.2.5. Determinación del peso específico de soluciones.

- En un recipiente de vidrio cilíndrico hacer una marca muy próximo a la parte abierta con un marcador indeleble.

- Llenar con agua destilada y desionizada hasta la marca pesar el conjunto. Vaciar el agua y secar el recipiente.

- Llenar luego con la solución de cloruro de sodio preparada hasta la marca y pesar el conjunto. De ser posible el agua y la solución colocar a la misma temperatura.

- Registrar los datos de las pesadas y de la temperatura.

- De la misma manera proceder con el alcohol potable.

4. CALCULOS.

4.1. Datos y Resultados.

4.1.1. Preparación de una solución de Cloruro de Sodio.

Masa de la sal comercial.: 22.79g

Volumen de la solución.: 250 ml

Tara de la probeta de 250 ml.: 227.34g

Masa de la solución.: 266.66g

Temperatura de la solución: 21ºC

4.1.2. Determinación de la densidad con hidrómetros.

Densidad de la solución calculada a partir de los datos del punto 4.1.1. : 1.067 g/ml

Lectura de la densidad con hidrómetro: 1.063 g/ml

4.1.3. Determinación de la densidad por métodos empíricos.

- Tara de la probeta de 25 ml: 26.30 g

- Temperatura de la solución: 20ºC

Lectura Masa de solución, g Volumen de solución, ml Densidad, g/ml

1 3.79 5 0.758

2 15.85 15 1.057

3 25.25 24 1.052

4.1.4. Determinación de la densidad del alcohol potable.

- Tara de la probeta de 25 ml: 26.30 g

- Temperatura del alcohol potable: 22 ªC

Lectura Masa del alcohol, g Volumen del alcohol , ml Densidad, g/ml

1 3.71 5 0.742

2 11.8 15 0.787

3 18.9 24 0.788

4.1.5. Determinación del peso específico de soluciones.

Lectura Masa del agua Masa del liquido Peso especifico Densidad g/ml

Alcohol 19.015 17.005 0.895 0.895

Solución 19.015 19.25 1.001 1.001

Peso especifico Densidad

4.1.6. Evaluación del error de la solución de cloruro de sodio.

Datos Datos,g/ml,Exp. Densidad,g/ml,teórica Error absoluto Error relativo

4.1.2. 1.063 1.067 0.34%

4.1.3.1.063

0.758 0.283 26.34%

4.1.3.1.063

1.057 0.56%

4.1.3.1.063

1.052 0.011 1.03%

4.1.5.1.063

1.001 0.062 6.19%

4.1.7. Evaluación de la solución del alcohol.

Datos Datos,g/ml,Exp. Densidad,g/ml,teórica Error absoluto Error relativo

4.1.4. 0.772 0.742 0.03 4.04

4.1.4. 0.772 0.787 0.015 1.91

4.1.4. 0.772 0.788 0.016 2.03

4.1.5. 0.772 0.895 0.123 13.7

5. CONCLUSIONES

Se pudo observar la variación de la densidad de cada una de la sustancias, el alcohol resulto ser menos denso que la solución del cloruro de sodio

Comparado con tablas el alcohol es menos denso que el agua, y la solución resulto tener una mayor densidad que la del agua

Observamos que la densidad tiene una variación con respecto a la temperatura, a mayor temperatura menor densidad y a menor temperatura mayor densidad

En cálculos nos dimos cuenta que el mayor error se cometió al tomar los datos de la solución ya que esta se encontraba con impurezas

En algunos casos se puedo observar errores mayores estos se pudieron deber a errores de medición al realizar el experimento lo cual influye en el resultado

El experimento nosotros creemos que cumplió con las expectativas ya que se puede observar q los errores no son muy grandes solo en algunos casos donde se puede atribuir el error al medir o al utilizar los instrumentos

6. BIBLIOGRAFIA.

Manual del ingeniero químico- Perry

http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Materia#Propiedades_extensivas_o_generales

http://www.scielo.org.co/scielo.php