FlippingLab: tus primeros pasos en el laboratorio de química

FlippingLab: tus primeros pasos en el laboratorio de química

Autores Carmen Gloria Parodi Fuentes , Bioquímico, MSc. en Nutrición y Magister en Educación Médica de la UC. Profesor Asistente de la Facultad de Medicina UC. Marco Antonio Soto Arriaza , Bioquímico, Doctor en Ciencias con mención en Química de la Ponti fi cia Universidad Católica de Valparaíso. Profesor Asociado de la Facultad de Química y de Farmacia, Departamento de Química Física UC. Claudia Bueno Ramírez , Químico, Doctor en Ciencias Exactas mención Química UC. Post Doctorado USACH. Profesor Asistente Planta Especial UC. Wendy Verónica Franco Melazzini , Ingeniero Industrial y en Alimento de la Universidad de Nuestra Señora de la Paz, Bolivia. PhD in Food Science North Carolina State University, USA. MSc in Food Science y Agribusiness University of Florida, USA. Profesor Asistente Facultad de Ingeniería UC. Nicolás Ignacio Poblete Parodi , Profesor de Biología y Ciencias Naturales UC.

Correspondencia: cgparodi@uc.cl Tel: 22354 1169 Diseño y diagramación: Carolina Iturriaga Videos y Fotografías: Daniel Monsalves y Manuel Monsalves Edición audiovisual: Daniel Monsalves y Oliver Núñez Editora: Alejandra González

Presentación E ntrar por primera vez a un laboratorio de química es como ingresar a otro mundo. Todo lo que hay ahí es desconocido: los nombres de los materiales y para qué sirven, los re- activos y cuándo se utilizan, ni que hablar de las distintas técnicas analíticas que se usan para “determinar cosas químicas”. Con el correr del tiempo cada material, reactivo o técnica se va incorporando en el quehacer diario, ya que muchas veces los laboratorios son complementos de las clases teóricas y una gran herramienta metodológica de aprendizaje. Para lograr esto las profesoras y profesores debemos facilitar la entrada al mundo de los laboratorios. El propósito de este FlippingLab, que consta de cuatro capítulos, es facilitar la entrada de los estudiantes al laboratorio. Por eso, los dos primeros capítulos abordan lo más básico, que es conocer los materiales más comúnmente usados y cómo preparar una solución, respectivamente. Los capítulos tres y cuatro abordan las dos técnicas más usadas en determinaciones químicas. Además, cada uno de los capítulos cuenta con material audiovisual que ayuda a entender mejor ciertos conceptos. El objetivo de este FlippingLab es ayudar a entrar a este mundo que a veces se hace muy árido. Para crear este libro digital, nos juntamos profesoras y profesores de las facultades de Medicina, Química e Ingeniería. Nuestra base común es que, como estudiantes, todas y todos tuvimos laboratorios y actualmente trabajamos en ellos. Entonces, en conjunto postulamos a Fondedoc 2021 (Fondo concursable de la Vicerrectoría Académica), nos los adjudicamos y con la ayuda del Centro de Desarrollo Docente (CDDoc) realizamos este trabajo teniendo en mente cómo nos hubiera facilitado la vida el haber contado con un ma- terial de estas características.

C E

N

I

D

Í

Capítulo 1

6

Materiales e Instrumental Básico de un Laboratorio Químico

Capítulo 2

38

Disoluciones y diluciones

Capítulo 3

54

Análisis Volumétrico

Capítulo 4

72

Espectrofotometría y curva de calibrado

Capítulo 1. Materiales e Instrumental Básico de un Laboratorio Químico

6

RESUMEN En este capítulo, se presentan los diferentes materiales y equipos básicos que comúnmente son utilizados en los laboratorios de química general, así como su uso y manipulación.

Hoja de ruta: 1.1 Introducción 1.2 Contenidos

Palabras claves:

M A T E R I A L D E V I D R I O

1.2.1 Material de vidrio 1.2.2 Otros materiales

Anexos 1 Mediciones

1.1 Errores en el análisis químico 1.2 Tipos de errores en los datos experimentales 1.3 Estandarización y calibración

MATERI L VOLUMÉTRICO

2 Material Volumétrico

2.1 Lectura de volúmenes en el material volumétrico

3 Balanzas

3.1 Cuidados operacionales básicos de una balanza 3.2 Factores que alteran la medida

4 Mechero Bunsen

EQU POS

4.1 Encendido y regulación

5 pH-metro

5.1 Funcionamiento del pH-metro 5.2 Calibración y Mantenimiento

6 Espectrofotómetro

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1.1 Introducción

P ara realizar cualquier experimento en el laboratorio de química, es necesario conocer los materiales e instrumentos básicos con los que se dispone, así también el uso y manejo de estos. Entre ellos se consideran desde el más básico, tubos de ensayo, hasta instrumentos de medición exacta como las micropipetas, balanzas, espectrofotómetros, entre otros. Es importante conocer el material para poder saber seleccionar el más apropiado para la preparación de soluciones de concentración exacta (patrones), así como para la preparación de soluciones cuyas concen- traciones no requieren una concentración muy exacta (NaOH, HCl), par- tiendo desde el material de vidrio, en el cual se prepararán, así también, como el tipo de balanza que se requiere para masar o material para medir volúmenes exactos.

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1.2 Contenidos

1.2.1 Material de vidrio

1.2.1.1 Tubos de ensayo Es un pequeño tubo de vidrio con una abertura en la zona superior, y en la zona inferior es cerrado y cóncavo. Fabricados de un vidrio especial que resiste altas temperaturas. Sin embargo, los cam- bios de temperatura muy radicales pueden provocar el rompimiento del tubo. En los laboratorios se utiliza para contener pequeñas muestras líquidas, y preparar soluciones. Para el calentamiento del tubo se deben utilizar pinzas de madera si se expone a altas temperaturas durante un largo tiempo, teniendo la precaución de no direccionar el tubo hacia nuestro rostro o cuerpo. Deben ser mantenidos en gradillas.

Tubos de ensayo

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1.2.1.2 Vasos de precipitados Un vaso de precipitado tiene forma cilíndrica y posee un fondo plano. Se encuentran en varias capacidades que varían desde mililitros hasta litros. Se encuentran graduados, pero no calibrados, esto provoca que la gra- duación sea inexacta y son fabricados en base a boro-silicatos que permi- ten resistir altas temperaturas. Su objetivo principal es contener líquidos o sustancias químicas diversas de distinto tipo. Permite obtener precipita- dos a partir de la reacción de otras sustancias. Normalmente son utiliza- dos para transportar líquidos a otros recipientes y para calentar, disolver, o preparar reacciones químicas. Para calentar sustancias o líquidos contenidos en el vaso se utiliza una rejilla de asbesto, ya que entrega una temperatura uniforme. Si el vaso se encuentra caliente debe tomarse con guantes u otro material. Al preparar reacciones y soluciones, nunca debe dirigirse la abertura del vaso hacia nuestro rostro o cuerpo. Nunca se debe experimentar con cambios de temperatura muy bruscos.

1.2.1.3 Vidrio reloj Es un vidrio redondo convexo que permite contener sustancias para ma- sar en una balanza.

Vidrio reloj

1.2.1.4 Varilla de agitación o bagueta Es un fi no cilindro o varilla de vidrio macizo que se utiliza principalmente para mezclar o disolver sustancias con el fi n de homogenizar.

Bagueta

Vasos de precipitados

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1.2.1.5 Matraz erlenmeyer Matraz graduado que indica un determinado volumen. Se encuentran en distintas capacidades. Es más seguro que un vaso de precipitado, ya que la estructura del matraz evita perdidas de la sustancia o so- lución contenida (agitación o evaporación). Ideal para agitar soluciones, calentar líquidos y para realizar titulaciones.

Matraz erlenmeyer

1.2.1.6 Matraz kitasato Matraz graduado de diferente capacidad, que contiene un tubo lateral de vidrio, que permite su conexión a diferentes dispositivos a través de mangueras o tubos fl exibles. El uso más común es para realizar fi l- tración, donde a través de una manguera se acopla a una bomba de vacío.

Matraz kitasato

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1.2.1.7 Matraces redondos o balones Los balones o matraz de destilación poseen una base redonda, por lo que requiere de un soporte para mantenerlo fi rme. Permite calentar diferentes sustancias líquidas de manera uniforme, agitar y remover el contenido sin derramar fuera del envase.

1.2.1.9 Embudo de decantación Es un recipiente de vidrio con forma de pera invertida o cono invertido. Este presenta una válvula o llave de paso, que permite la salida de los líquidos que se pretenden separar en la zona inferior del recipiente. En la parte superior presenta una boca que puede sellarse con una tapa, la cual permite cargar su interior con los líquidos, que se utiliza principalmente para separar líquidos inmiscibles o de diferentes densidades.

Balón

1.2.1.8 Embudo analítico Es una pieza cónica de vidrio que se utiliza para el trasvasijado de produc- tos químicos desde un recipiente a otro. También es utilizado para realizar fi ltraciones.

Embudo de decantación

Embudo analítico

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1.2.1.10 Pipetas Aparatos volumétricos normalmente ajustados para verter (“EX”), un determinado volumen de líquido, además, pueden indicar el tiempo de vaciado, por ejemplo, una pipeta puede indicar (EX + 15 seg), lo que signi fi ca que, después del vaciado completo se debe esperar 15 seg para que el líquido remanente salga. Si sólo aparece una s , corresponde a vaciado rápido y no hay que esperar. Se distinguen generalmente dos tipos de pipetas: graduadas y aforadas, diseñadas para entregar volúmenes variables y fi jos, res- pectivamente. Las pipetas graduadas y aforadas calibradas por vertido, se evacuan en posición vertical completando el drenaje apoyando la punta de la pipeta en la pared del recipiente al cual se trans fi ere el líquido. 1.2.1.10.1 Pipetas graduadas

1.2.1.10.2 Pipetas aforadas La pipeta aforada o volumétrica esta diseñada para entregar un volumen determinado o exacto, el que esta dado por una o dos marcas en la pipeta. Si la pipeta contiene solo una marca, el líqui- do se debe dejar escurrir sin soplar, bajando solo por capilaridad esperando 15 segundos luego que cayó la última gota.

Calibradas para dispensar cualquier volumen, desde la línea de cero mililitros, ubicada en la parte superior, hasta la línea inferior de la escala graduada. Están calibradas en unidades convenien- tes para permitir la transferencia de cualquier volumen desde 0.1 a 25mL. La escala graduada permite tomar distintos volúmenes del líquido.

Pipetas aforadas

Pipetas graduadas

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1.2.1.11 Probetas graduadas Son aparatos volumétricos ajustados por contenido ‘In’, el cual indica el volumen contenido de manera exacta. La probeta es un instrumento vo- lumétrico, que permite medir volúmenes mayores y de forma más rápida que las pipetas, aunque con menor precisión. Permiten medir volúmenes de forma aproximada, trasvasijar y recoger líquidos. Se fabrican de dis- tintos tamaños siendo las capacidades más frecuentes 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500 y 1000mL.

1.2.1.12 Buretas Son aparatos volumétricos en vidrio ajustados por vertido 'Ex', que sirven para la valoración en el análisis de patrones. Permiten verter cantidades variables de líquidos con exactitud. Están graduadas, dependiendo del vo- lumen, en décimas de mililitro o menos. Su principal uso es en volumetría.

Buretas

1.2.1.13 Matraces aforados Son aparatos volumétricos ajustados por contenido ‘In’, empleados prin- cipalmente para preparar soluciones exactas de patrones o estándares y diluciones. Los matraces aforados están calibrados para contener el volu- men especi fi cado de líquido a una temperatura determinada.

Probetas graduadas

Matraces aforados

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1.2.2.2 Mortero Recipiente de cerámica que permite triturar o moler diferentes sólidos.

1.2.2 Otros materiales

1.2.2.1 Embudo büchner Embudo de porcelana utilizado para la fi ltración al vacío, permitiendo se- parar un producto sólido a partir de una mezcla sólido-líquido. La mezcla sólido-líquido se vierte sobre un papel fi ltro en el embudo. El sólido es atrapado por el papel fi ltro y el líquido es aspirado a través del embudo por un sistema a vacío, que luego cae en el matraz kitasato.

Morteros

1.2.2.3 Espátula La espátula es una lámina plana angosta que se encuentra adherida a un mango. Es utilizada principalmente para tomar pequeñas cantidades de compuestos o sustancias sólidas.

Embudo büchner

Espátulas

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1.2.2.4 Piseta Es un recipiente cilíndrico sellado con tapa rosca, el cual posee un peque- ño tubo con una abertura capaz de entregar agua o cualquier líquido que se encuentre contenido en su interior. Fabricado en plástico y su principal función es el de contener un líquido.

Pisetas

1.2.3 Equipamiento básico

1.2.3.1 Mechero bunsen Es utilizado en laboratorios para calentar muestras y sustancias químicas. El uso efectivo del mechero durante una práctica de laboratorio implica el encendido y su regulación de manera tal de obtener una llama que indi- que una reacción de combustión completa (anexo 4.1).

Mechero bunsen

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1.2.3.2 Densímetro El densímetro es un instrumento de medición que permite determinar la densidad relativa de un líquido. Por lo general, esta fabricado en vidrio y consta de un tallo cilíndrico y una bombilla que contiene mercurio o per- digones de plomo que le permiten fl otar en posición vertical en líquidos.

1.2.3.3 Desecador Es un recipiente de vidrio con tapa que se adapta ajustadamente. El borde de vidrio es esmerilado y su tapa permite que el recipiente este hermética- mente cerrado. El propósito de un desecador es eliminar la humedad de una sustancia, o proteger la sustancia de la humedad. La cámara principal de un desecador está vacía, lo que permite colocar cualquier sustancia en su interior. En la cámara secundaria, se coloca la sustancia desecante, la cual se encarga de absorber la humedad del re- cipiente.

Densímetro

Desecador

Densímetro

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1.2.3.4 Micropipetas Son instrumentos utilizados para medir y transferir pequeños volúmenes de líquidos en forma exacta. Se fabrican en plástico, por lo cual se reco- mienda su uso sólo para soluciones acuosas. Las micropipetas tienen 2 topes, el primero es para succionar el volu- men deseado y el segundo tope es para liberarlo. Para tomar los líquidos se utilizan puntas diseñadas de distinto tamaño y color dependiendo de la capacidad de éstas. Las puntas azules son para las micropipetas de 1000 μ L, las puntas amarillas para 200 μ L o 20 μ L y las puntas blancas para 10 μ L o 2 μ L. Todas las micropipetas tiene un volumen máximo y mínimo el cual está indicado en la micropipeta. Nunca sobrepase esos límites. El volumen de la micropipeta se ajusta girando la parte superior de ésta. Siempre ajúste- la al volumen que requiere. Mantenga siempre la punta de la micropipeta dentro de la solución que quiere tomar hasta que suelte completamente el dedo del émbolo. Si usted saca antes la punta de la micropipeta de la solución, aspirará aire lo que impulsará el líquido dentro de la pipeta dañándola.

Puntas para micropipetas

Preparación Aspiración

Estabilización Dispensado

Purga

Micropipetas

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1.2.3.5 Balanzas Las balanzas son instrumentos de laboratorio diseñados para determinar la masa de una sustancia. Se- gún su tecnología se clasi fi can en dos grandes grupos: balanzas mecánicas (granataria) y electrónicas, mientras que en función de su sensibilidad se clasi fi can en balanzas de precisión y balanzas analíticas.

1.2.3.5.1 Balanza granataria Una balanza granataria es un tipo de balanza de precisión que suele alcanzar una sensibilidad de 0,01 gramos. Existen diversos tipos de balanza dentro de esta categoría, ya que las hay más o menos sensibles y con mayor o menor capacidad de masada. Una balanza de este tipo suele tener capacidades de 2Kg o 2,5Kg con la sensibilidad anteriormente mencionada, pero existen ba- lanzas granatarias capaces de masar hasta 25 kilogramos con una sensibilidad de 0,05 gramos.

1.2.3.5.2 Balanza de precisión Son aquellas balanzas cuya sensibilidad está comprendida en- tre 0,1 y 0,001 gramos.

Balanza de precisión

Balanza granataria

1.2.3.5.3 Balanza analítica Son aquellas balanzas cuya sensibilidad es igual o inferior a 0,0001 gramos.

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1.2.3.6 Baño termostatizado Es un equipo de laboratorio el cual está conformado como un recipiente para contener agua. Se utiliza para incubar muestras a una temperatura constante durante un largo período de tiempo. Todos los baños de agua tienen una interfaz digital o analógica que permite a los usuarios estable- cer la temperatura deseada. Se utilizan diferentes tipos de baños dependiendo de la aplicación. Para todos los baños de agua, se puede utilizar hasta 99.9°C. Cuando la tem- peratura está por encima de 100°C, se pueden utilizar métodos alternati- vos tales como baño de aceite, baño de glicerina o baño de arena.

1.2.3.7 Centrífuga La centrífuga es un equipo de laboratorio que a través de movimientos de rotación, permite la separación por sedimentación de los componentes sólidos presentes en una solución. La de uso más común es la que pre- senta movimientos de rotación entre los 1000 y 6000rpm.

Centrífuga

Baño termostatizado

Centrífuga

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1.2.3.8 Medidor de pH o pHmetro Un pHmetro mide la actividad del ión hidrógeno en soluciones acuosas, indicando su grado de acidez o alcalinidad o el pH de la solución.

pHmetro

1.2.3.9 Espectrofotómetro UV-Visible Es un instrumento que permite determinar la cantidad de energía que absorbe una molécula presente en una solución, a través de la relación entre la energía radiante incidente y la transmitida. El espectrofotó- metro UV-visible esta formado por cinco componentes: Una fuente de energía radiante, un selector de longitud de onda, un contenedor de muestra, un detector de radiación, una unidad de procesamiento y lectura de la señal.

Espectrofotómetro UV-Visible

Espectrofotómetro UV-Visible

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1.2.4.0 Campana de extracción Es una cabina cuya fi nalidad es atrapar vapores tóxicos, in fl amables que se desprenden de diferentes sustancias, principalmente líquidas y que resultan ser peligrosas para la salud. También se llevan a cabo reacciones química en su interior, que pueden resultar peligrosas para el operador.

Campana de extracción

22

E

A N

X

O

23

1. Mediciones

1.1 Errores en el análisis químico El llevar a cabo un análisis cuantitativo de una muestra, involucra tener en consideración la naturaleza de los errores que se presentan, ya que son determinantes en los resultados fi nales del análisis químico. Respecto a la con fi abilidad de las mediciones experimentales, es nece- sario describir conceptos que son importantes en una determinación: la precisión y la exactitud de los resultados obtenidos . (Figura 1.1) Precisión: describe la reproducibilidad de los valores obtenidos para una medición en un análisis. Esto se re fi ere, a determinar las veces que se repite un resultado, cuando la medición se lleva a cabo en dos o más oportunidades, bajo las mismas condiciones experimentales. Exactitud: indica qué tan cercano está el valor medido al valor aceptado como real. Este parámetro es difícil de determinar dado que generalmen- te, el valor real es desconocido. La exactitud se mide en términos del error absoluto o error relativo.

a.

b.

c.

d.

Figura 1.1. Representación esquemática de la distribución de datos considerando la precisión ( a: alta y b: baja ) y exactitud ( c: alta y d: baja).

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1.1.2 Parámetros estadísticos que describen la precisión Tres parámetros pueden describir la precisión de un conjunto de datos, respecto a su reproducibilidad: la desviación estándar , la varianza y el coe fi ciente de variación , los cuales muestran una medida de cuán lejano están los resultados individuales ( x i ) obtenidos, con respecto al promedio o media aritmética ( x ). En análisis químico, debido al relativamente bajo número de muestras, se utiliza la desviación están- dar como parámetro estadístico para medir la precisión. Desviación estándar (s) : es una medida de la variación de los valores respecto a la media aritmética o promedio. Generalmente, es positivo y es igual a cero cuando todos los valores de los datos son el mis- mo número. Nunca es negativa. Se calcula de acuerdo a la ecuación 1.1 y posee las mismas unidades de las mediciones individuales. (Figura 1.2) La precisión de una medición se determina al comparar los datos de experimentos replicados cuidadosa- mente, bajo las mismas condiciones. ∑ N i =1 (x i - x) 2 N - 1 S= (ecuación 1.1) Donde x i representa el valor individual, ( x ) corresponde al promedio y N es el número de mediciones o datos.

X 4

X 1

X 6

Número de datos = 6 Promedio = X promedio Dato individual = X i = X 3 - X promedio

X

X 5

X 3

X 2

Figura 1.2. Representación del valor promedio y datos individuales de una medición.

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1.1.3

Parámetros estadísticos que describen la exactitud

Los errores sistemáticos son de tres tipos: instrumentales, personales o de método.

La exactitud se mide en términos del error absoluto o error relativo. Error absoluto: está dado por la diferencia entre el valor medido ( x i ) y el valor real ( x real ). El signo de este resultado indica si el valor medido está por encima (positivo) o por debajo (negativo) del valor real. Error absoluto = x i - x real (ecuación 1.2) Error relativo: es una cantidad mucho más útil que el error absoluto y se expresa en porcentaje. Se calcula de acuerdo a la ecuación: Error relativo = X i - X real X real ∙ 100% (ecuación 1.3) 1.2 Tipos de errores en los datos experimentales El análisis químico puede ser afectado al menos por dos tipos de errores: los aleatorios y los sistemáticos. Errores aleatorios o indeterminados: son causados por variables difí- ciles de controlar y por tanto, difíciles de eliminar. Son la mayor fuente de incertidumbre en una medición. Este tipo de error provoca que los datos se distribuyan de manera más o menos simétrica a través de la media. Se re fl ejan en la precisión del análisis. Errores sistemáticos o determinados: tienen un valor de fi nido y una causa asignable y son de la misma magnitud para mediciones repetidas realizadas de igual forma. Este tipo de error provoca que la media, en un conjunto de datos, adquiera un valor diferente del valor aceptado, cau- sando que todos los resultados sean demasiado altos o demasiado bajos.

Errores Instrumentales: son originados por el mal funcionamiento de los instrumentos, calibraciones incorrectas o por uso en condiciones in- apropiadas. Errores Personales: son una consecuencia del criterio y experiencia del analista en mediciones de volúmenes, visualización de los colores de las muestras, masada de sólidos, preparación de soluciones, etc. Errores de método: son una consecuencia del comportamiento químico o físico, no ideal de reactantes y productos en los que se basa el análi- sis. Las posibles fuentes que causan este tipo de error son: pérdidas por volatilización, adsorción de agua o gases por las muestras, inestabilidad de los reactivos, reacciones lentas e incompletas, contaminantes e inter- ferencias químicas.

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1.1.3

Método de los mínimos cuadrados

1.3 Estandarización y calibración Es importante considerar los procesos de calibración y estandarización durante el análisis cuantitativo de una muestra. La calibración determina la relación entre la respuesta que entrega un equipo que mide una propiedad y la concentración de la especie que se está analizando. Se pueden utilizar métodos estadísticos para determinar, en forma objetiva, si existe alguna relación entre estas dos variables. Si esta relación existe ¿cómo se describe y qué métodos son los más importantes para hacer inferencias sobre una relación o correlación entre dos variables? Existe una correlación entre dos variables cuando una de ellas está re- lacionada de alguna manera con la otra. La relación entre dos variables puede ser encontrada al construir un diagrama de dispersión. Al analizarlo debemos estudiar el patrón general de los puntos gra fi cados. Si hay un patrón, es necesario observar su dirección. Si los datos van hacia arriba, esto sugiere que si una variable aumenta también aumenta la otra. Si los datos van hacia abajo, esto sugiere que cuando una variable aumenta la otra disminuye. Los métodos estadísticos, como el de los mínimos cuadrados, es utiliza- do para encontrar la ecuación matemática que describe una función de calibración. La ordenada (eje y ) es la variable dependiente, mientras que la abscisa (eje x ) es la variable independiente. Se debe establecer o ajustar la mejor línea recta entre los datos. El análisis de regresión proporciona los medios para obtener este tipo de relaciones lineales y también para especi fi car las incertidumbres asociadas con su uso.

En este método estadístico se hacen dos suposiciones:

1. Existencia de una relación li- neal entre la respuesta medida (variable dependiente: y ) y la concentración del compuesto (variable independiente: x ).

2. Se supone que cualquier desviación de la recta de los puntos individuales, se deben a errores en las me- diciones.

La recta de regresión o recta de mínimos cuadrados, es la que se ajusta a los puntos muestrales, y se de fi ne como: y = mx + n (ecuación 1.4) Donde n es la ordenada en el origen, es decir el valor que toma y cuando x toma el valor 0 y m es la pendiente de la recta. Podemos utilizar la ecuación de regresión, para hacer predicciones sólo si existe una correlación lineal. Si es así, el mejor valor predicho de y se cal- cula sustituyendo el valor de x en la ecuación de regresión. Sin embargo, un valor de y predicho, no necesariamente será exacto porque, además de x , existen otros factores que afectan a y , tales como la variación alea- toria, entre otros. La línea recta generada por el método de los mínimos cuadrados es aque- lla que proporciona el mejor ajuste entre los datos experimentales y una recta. Como el examen visual es muy subjetivo al experimentalista, se requiere de medidas más precisas y objetivas para determinar la relación entre las variables. Para ello se requiere determinar el Coe fi ciente de Correla- ción Lineal o coe fi ciente de Pearson .

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El Coe fi ciente de Correlación Lineal R , mide la magnitud de la relación lineal entre los valores de una variable independiente ( x ) y una variable dependiente ( y ) en una medición. El valor de R siempre debe estar entre -1 y +1. Si R se acerca a 0, concluimos que no existe correlación lineal entre las variables x e y . Si se concluye que existe una correlación lineal entre las variables x e y , se obtiene una ecuación lineal que expresa y en términos de x , pudiendo emplear la ecuación para predecir valores de y a partir de valores dados de x . No se deben hacer predicciones con valores que estén por sobre o bajo los datos medidos, es decir evitar hacer extrapolaciones. El valor Coe fi ciente de Determinación Lineal o R 2 , es la proporción de la variación de y que está explicada por la relación lineal entre x e y . Cuanto más cercano a la unidad esté el valor de R 2 , nos indica que el modelo lineal explica la depen- dencia entre ambas variables. Excel entrega el valor de R 2 y no el R . (Figura 1.3)

a.

Relación lineal entre X e Y

b.

Relación no lineal entre X e Y

40000

0,18 1,16 0,14 0,12 0,1

y = 2,5819 x 18219 R 2 = 0,992

y = 67,741 x 0,0592 R 2 = 0,6254

35000

30000

25000

20000

0,08 0,06 0,04 0,02 0 0 0,002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,001 0,0014 0,0016 0,0018

15000

10000

5000

0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Figura 1.3. Representación gráfica de una relación lineal ( a ) y no lineal ( b ) entre dos variables x e y, considerando el valor de R 2 .

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2. Material volumétrico

2.1 Lectura de volúmenes en el material volumétrico Un pre-requisito para la medición exacta de volúmenes utilizando material de vidrio, es el ajuste exacto del menisco. El término “menisco” se utiliza para describir la curvatura que adopta la super fi cie del líqui- do, que puede ser de forma convexa o cóncava. La formación de la curvatura resulta de la relación de fuerzas entre adhesión y cohesión. Si las moléculas del líquido experimentan mayor atracción hacia la pared de vidrio (fuerza de adherencia) que entre si mis- mas (fuerza de cohesión), el menisco adoptará forma cóncava. Esto ocurre en el caso de las soluciones acuosas. Si la fuerza de cohesión entre las moléculas del líquido es mayor que la fuerza de adherencia que ejercen las moléculas de la pared de vidrio sobre las moléculas del líquido, el menisco adoptará forma convexa. Esto ocurre en el caso del mercurio.

Agua

Mercurio

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Para leer el menisco sin error de paralaje, el aparato volumétrico debe estar en posición vertical y los ojos del operador deben encontrarse a la altura del menisco. En esta posición, el aforo se visualiza como una línea.

En el caso de un menisco cóncavo, la lectura del volumen se realiza a la altura del punto más bajo de la super fi cie del líquido. El punto más bajo del menisco debe tocar el borde superior de la división de la escala. En el caso de un menisco convexo, la lectura del volumen se realiza a la altura del punto más alto de la super fi cie del líquido. El punto más alto del menisco debe tocar el borde inferior de la división de la escala.

Mecanismo cóncavo

Mecanismo convexo

Incorrecta

Correcta

Correcta

Incorrecta

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3. Balanzas

3.1 Cuidados operacionales básicos de una balanza Veri fi car siempre la nivelación de la balanza. Dejar siempre la balanza conectada a la toma y prendida para mante- ner el equilibrio térmico de los circuitos electrónicos. Dejar siempre la balanza en el modo “standby”, evitando la necesidad de nuevo tiempo de calentamiento (“warm up”). Evitar la medida cerca de aparatos que utilicen ventiladores (ej: aire acondicionado, ordenadores, etc.) o cerca de la puerta Usar siempre el recipiente mas liviano para agregar la sustancia a pe- sar. Usar pinzas o almohadillas para los dedos con el fi n de evitar que los objetos secos se humedezcan Poner el frasco siempre en el centro del plato de medida. Nunca pesar muestras retiradas directamente de estufas, mu fl as o re- frigeradores. Dejar siempre que la muestra alcance la misma temperatura del labo- ratorio o de la cámara de medida. Veri fi car si el mostrador indica exactamente cero al empezar la opera- ción. Tare la balanza, si es necesario. Leer el resultado de la operación luego que el detector automático de estabilidad desaparezca del mostrador.

3.2 Factores que alteran la medida Cuando el mostrador varía su lectura constantemente. Si se observa au- mento de masa en forma continua es debido a una muestra higroscópica (aumento de humedad). Si la masa disminuye indica que la muestra pierde agua por evaporación de agua o de substancias volátiles.

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4. Mechero Bunsen

4.1 Encendido y regulación El uso efectivo del mechero durante una práctica de laboratorio, implica el encendido y su regulación de manera tal de obtener una llama que indique una reacción de combustión completa. Para ello realice los siguientes pasos: Conectar un extremo del tubo de goma a la boca de toma de gas con la llave cerrada y el otro extremo

del mismo a la entrada de gas ubicada en la base del mechero. Veri fi car que la entrada de aire del mechero se encuentre cerrada. Encender un fósforo teniendo la precaución de hacerlo alejado del cuerpo.

Acercar el fósforo encendido a unos 5 cm por encima de la boca del mechero y en simultáneo abrir la llave de salida de gas, en ese momento se forma una llama de color amarillo. Una llama de estas características nunca debe ser usada para calentar. Permitir el ingreso de aire por medio de la apertura de los ori fi cios o del giro de la roldana. A medida que ingresa más oxígeno la llama se vuelve azulada, difícil de ver, con un cono interior coloreado y se oye un sonido grave (llama “sonora”). Cualquiera de las dos situaciones mencionadas representa una llama útil para calentar. Cuando se usa una llama de tipo “sonora” tener presente que la temperatura más alta de la misma se encuentra en el vértice superior del cono interno coloreado. Si la llama del mechero se entrecorta o “sopla” es indicio de un exceso de oxígeno durante la com- bustión; en tal caso se deberá cerrar el ingreso de aire hasta una posición tal que permita obtener una llama de las características indicadas en el párrafo anterior

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5. pH-metro

5.1 Funcionamiento del pH-metro Los medidores de pH potenciométricos miden el voltaje entre dos electrodos y muestran el resultado convertido en el valor de pH correspondiente. Se compone de un simple ampli fi cador electrónico y un par de electrodos, o alternativamente un electrodo de combinación, y algún tipo de pantalla calibrada en unidades de pH. Por lo general, tiene un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia, o un electrodo de combinación. Los electrodos, o sondas, se insertan en la solución a ensayar. 5.2 Calibración y mantenimiento Las mediciones de pH requieren que el equipo se calibre una vez al día. La calibración es necesaria por- que el electrodo de vidrio no proporciona potenciales electrostáticos reproducibles durante períodos de tiempos de uso prolongados. La calibración se realiza con al menos dos soluciones tampón estándar que abarcan el rango de valores de pH a medir. Para fi nes generales, son apropiados tampones a pH 4,00 y pH 10,00. El medidor de pH tiene un control de calibración para establecer la lectura del medidor igual al valor del primer amortigua- dor estándar y un segundo control que se usa para ajustar la lectura del medidor al valor del segundo amortiguador. Un tercer control permite ajustar la temperatura. Mediciones más precisas a veces requie- ren calibración a tres valores de pH diferentes. Las buenas prácticas de laboratorio dicta que después de cada medición se debe enjuagar el electrodo con agua destilada para eliminar cualquier traza de la solución que se mida, se seca para absorber el agua restante que podría diluir la muestra y alterar así la lectura.

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6. Espectrofotómetro

Fuente

Selector de longitud de onda

Muestra

Detector

Procesador

Fuente de radiación: Debe generar un haz de radiación potente y estable por períodos razonables de tiempo y entregar radiación continua, cuya intensidad cambie lentamente en función de la longitud de onda. Lámpara de Deuterio: emite radiación con longitudes de onda en el rango del ultravioleta (160-380 nm). Lámpara de Tungsteno: emite radiación en un amplio rango de longitudes de onda (320-2500 nm). Selector de longitud de onda: dispositivos (monocromadores, fi ltros) que pueden restringir el tipo de radiación en una banda angosta que se está midiendo y es absorbida o emitida por un compuesto. Estos dispositivos incrementan la selectividad y la sensibilidad de un instrumento. Bandas estrechas de radiación disminuyen la posibilidad de observar desviaciones en la ley de Beer debido a la radiación policromática.

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La calidad de los datos obtenidos depende de la forma en que se utilizan las celdas. Las huellas de los dedos, grasa y otros depósitos en las pa- redes pueden alterar signi fi cativamente las características de transmisión de la radiación por parte de la celda. Es importante limpiar las cubetas profundamente antes y después de usarlas. No deben secarse en horno porque pueden dañarse y alterar la longitud de la trayectoria del paso óptico.

Monocromadores: dispositivo que contiene una apertura de entrada y de salida. Esta última se utiliza para aislar una banda de una determinada longitud de onda (LDO).

Filtros: su función es bloquear o absorber toda la radiación, a excepción de una banda restringida.

Contenedor de muestra: denominados celdas o cubetas, deben tener ventanas transparentes en la región espectral de interés. Deben estar fa- bricadas de cuarzo para medir en la región del UV (LDO menores a 350 nm). También pueden ser utilizadas para medir a longitudes de onda su- periores a 350 nm. Sin embargo, para medir en la región del visible (LDO mayores a 375), el material es vidrio por su bajo costo en comparación con el cuarzo. Las celdas de plástico también se utilizan en la región del visible.

Detector: Dispositivo que identi fi ca y registra un cambio en la radiación electromagnética.

Procesador de señal y registro de lectura: es un dispositivo eléctrico que ampli fi ca la señal eléctrica que proviene del detector. Puede remo- ver, componentes de la señal que sean indeseadas. Puede llevar a cabo operaciones matemáticas en la señal como: diferenciación, integración o conversiones a logaritmos. Los dispositivos que registran la lectura pue- den ser medidores digitales y monitores de computadores. Los espectrofotómetros para la región del UV-visible, pueden estar con fi - gurados para un solo haz o doble haz, referido a si el haz de luz pasa por una celda o por dos celdas en forma paralela. Instrumento de un solo Haz: en este caso el haz de luz proveniente de la lámpara se guía directamente a través de la cubeta de muestra hasta el detector, previa medida de la referencia. Instrumento de doble Haz ; el haz de luz proveniente de la lámpara se divide en dos haces de intensidades iguales: un haz de referencia y un haz de muestra. Cada haz pasa por una cubeta diferente, la de referencia, que contiene el solvente, y por la cubeta que contiene la muestra de interés, en forma simultánea.

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Bibliografía

Trabajar con aparatos de laboratorio – una guía. First class Brand. Información sobre la medición de Volúmenes.

F.James Holler/ Stanley R. Crouch: Skoog/ West Fundamentos de Química Analítica , novena edición. Cengage Learning.

D.A. Skoog, F. James Holler, Stanley R. Crouch Principios de Análisis Instrumental . Sexta edición. Cengage Learning.

Mario F. Triola Estadística . Décima edición. Pearson . Addison Wesley.

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Capítulo 2. Disoluciones y Diluciones

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RESUMEN En este capítulo se presentan las características y ejemplos de las mezclas homogéneas y heterogéneas. Se enfoca principalmente en las disoluciones y en cómo se debe realizar su preparación. Se revisa también el concepto de dilución, de cuando se utiliza y la importancia que tiene.

Hoja de ruta: 2.1 Introducción 2.2 Contenidos

Palabras claves:

D

SOLUCIÓN

2.2.1 Mezclas heterogéneas 2.2.2 Disoluciones 2.2.3 Propiedades de las soluciones 2.2.4 Procedimiento para preparar soluciones 2.2.5 Diluciones 2.2.6 Diluciones seriadas

L U C I Ó N

ME Z C A O L

U B I L I D A D

2.3 Grandes ideas 2.4 Bibliografía

CONCENTRAC ÓN

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2.1 Introducción

Q uizás hayas escuchado hablar que en el laboratorio uno trabaja con soluciones químicas, pero ¿es éste el único lugar donde podemos encontrar soluciones? En nuestro día a día interactuamos constan- temente con soluciones, por ejemplo, cuando te preparas un café en la mañana para enfrentar el día o para preparar jugo abres un sobre y su contenido lo disuelves en agua. En este capítulo aprenderás todo sobre las soluciones, desde qué son, cuáles son sus propiedades y cómo estas son utilizadas en el laboratorio.

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2.2 Contenidos

2.2.1 Mezclas heterogéneas En la naturaleza podemos encontrar sustancias puras y mezclas. Las sustancias puras son aque- llas que están formadas únicamente por un tipo de elemento o molécula. Por ejemplo, el agua desti- lada sólo contiene H 2 O, o un tanque de oxígeno que contiene sólo O 2 . Sin embargo, es más común que nos encontremos frente a mezclas . Una mezcla corresponde al conjunto de dos o más sustancias químicamente diferentes y que no reaccionan entre sí, por lo tanto, ninguna de ellas pierde sus propiedades. Este es el caso del agua potable o de la llave, que además de agua, contiene diferentes tipos de sales o el aire que respiras, que es una mezcla de gases siendo los principales el nitrógeno (N 2 ), oxígeno (O 2 ), argón (Ar), entre otros. Dentro de las mezclas podemos encontrar las heterogéneas y las homogéneas. Una mezcla hete- rogénea es aquella en que las fases o componentes de ésta se pueden distinguir fácilmente. Las fases reciben el nombre de fase dispersa y fase dispersante o continua (Figura 1) y es esta última la que contiene a la fase dispersa. Tanto la fase dispersa como la fase dispersante pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso.

Fase continua o dispersante

Fase dispersa

Figura 1. Fases de una mezcla heterogénea.

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Dependiendo de las características de las partículas de la fase dispersa, podemos hablar de coloides y dispersión gruesa . Cuando las partícu- las de la fase dispersa son muy fi nas (10 -9 a 10 -5 m) estamos en presencia de un coloide, mientras que en las dispersiones gruesas las partículas de la fase dispersa tienen un tamaño mayor. En algunas mezclas heterogéneas, al dejarlas en reposo, la fase dispersa comienza a sedimentar, acumulándose en el fondo del recipiente. Estas mezclas se llaman suspensiones . También existen otros tipos de mez- clas heterogéneas tales como las emulsiones , que corresponden a mez- clas de líquidos que son inmiscibles , es decir, que requieren de mucha energía para lograr mezclarse, como ocurre con el agua y el aceite. En la tabla 1 encontrarás algunos ejemplos de mezclas heterogéneas que podemos ver en nuestra vida diaria.

Proteínas se encuentran dispersas en agua en suspensión, y grasa se encuentra emulsionada en agua.

Leche

Diferentes componentes sólidos, como células y plaquetas, se en- cuentran suspendidos en el plasma líquido.

Sangre

Emulsión entre agua y aceite.

Dispersión coloidal, donde gotas de agua líquida se encuentran disper- sas en el aire.

Mayonesa

Niebla

Dispersión coloidal de agua en me- dio sólido.

Dispersión coloidal donde partículas sólidas se encuentran dispersas en el aire.

Gelatina

Humo

Dispersión coloidal de aire en roca sólida.

Suspensión coloidal donde el aire se encuentra disperso en sólido.

Piedra Pómez

Espuma de afeitar

Tabla 1. Ejemplos de mezclas heterogéneas

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2.2.2 Soluciones En las mezclas homogéneas en cambio, uno no puede distinguir las fa- ses o componentes de ésta (Figura 2) . Volvamos al ejemplo del aire, uno no puede distinguir los gases que lo componen. Otro ejemplo es alcohol en agua, donde no se puede diferenciar el alcohol del agua, se ven como “una sola cosa”.

lares van a disolver solo a sustancias apolares, mientras que sustancias polares disuelven a sustancias polares. Es decir, lo similar disuelve a lo similar . Es por esto que el agua (polar) y el aceite (apolar) no pueden mezclarse con facilidad. El agua, por su estructura molecular, tiene la capacidad de formar dipolos, lo que le permite rodear a las moléculas de soluto sin que haya interac- ciones químicas entre estas moléculas, sino que solo físicas como inte- racciones electrostáticas. Cuando disuelves sal de mesa (NaCl) el agua rodea a cada uno de los iones que la forman (Figura 3) .

+

=

O H δ + δ + δ -

Tierra

Agua

Mezcla heterogénea

O δ - H δ + H δ + O δ - H δ + H δ + CI -

H

+

=

O H H δ + δ + O δ - H δ + H δ + Na +

Azúcar

Agua

Mezcla homogénea

O δ - H δ + H δ + δ -

H δ + H δ +

H δ + H δ +

H δ + H δ +

O δ -

O δ -

Figura 2. Diferencias entre mezclas homogéneas y heterogéneas.

O δ -

Las disoluciones son las principales representantes de las mezclas ho- mogéneas, en las cuales se puede tener uno o más solutos contenidos en un solvente . El agua es considerada la disolvente universal gracias a su gran capacidad de disolver sustancias en ella. Sin embargo, no puede disolver todas las sustancias. La capacidad de una sustancia de disolver a otra depende de la polaridad 1 de cada una de ellas. Sustancias apo-

a. Hidratación del ion sodio

b. Hidratación del ion cloro

Figura 3. Interacciones electrostáticas entre las moléculas de agua y los iones sodio y cloro.

1 La polaridad corresponde a si en las moléculas de la sustancia se forman polos eléctricos o no, siendo polares o apolares respectiva- mente.

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Cada solvente puede disolver una cantidad fi nita de solvente. Cuánto so- luto puede ser disuelto en un solvente depende de la solubilidad de este. Cuando el solvente no puede disolver más soluto, se dice que la solución está saturada, esto quiere decir que se llegó a la cantidad máxima de soluto que puede contener el solvente. Si se agrega más soluto, no se disolverá y precipitará, es decir se acumulará como sólido en el fondo del matraz. La solubilidad de una solución (cuánto soluto puede disolverse) depende de su temperatura. Mientras mayor sea la temperatura, más soluto podrá contener el solvente. Si se tiene una solución saturada a alta temperatura y se deja enfriar, se obtiene que el solvente tiene disuelto en sí más soluto

que lo que podría contener de acuerdo a la teoría. Estas son las solucio- nes sobresaturadas y son profundamente inestables, pues perturbacio- nes provocarán que el exceso de soluto disuelto precipite (Figura 4) .

20ºC

100ºC

20ºC

Se calienta

Dejar enfriar

Sobresaturada

Saturada + Soluto

Figura 4. Proceso de preparación de una solución sobresaturada.

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2.2.3 Propiedades de las soluciones En una solución se encuentra el soluto disuelto en un solvente. La cantidad de soluto y de solvente es variable, y normalmente se considera a la sustancia que está en mayor cantidad como solvente. Las propiedades químicas del soluto y del solvente son iguales a las propiedades que poseerían en esta- do puro, más las propiedades físicas no. El solvente, al contener cualquier soluto, aumenta su punto de ebullición y disminuye su punto de congelación, por ejemplo. Dentro de las propiedades cuantitativas de una solución, podemos encontrar el volumen y la concentra- ción. El volumen es la cantidad de espacio que ocupa la solución y comúnmente se mide en litros (L) o mililitros (mL). Cuando se requiere que el valor de este volumen sea medido con exactitud se deben usar matraces aforados . Por otra parte, la cantidad de soluto es la masa de soluto que se añade a la solu- ción. La relación entre la cantidad de soluto y el volumen de la solución, o la cantidad de soluto disuelto en un determinado volumen de solvente, es lo que se denomina concentración. Existen diferentes formas cuantitativas de expresar la concentración. Puede ser formulada como por- centaje, donde se relaciona directamente la cantidad de masa de soluto con el volumen de la solución (%m/v). Suele medirse en gramos por mililitros (g/mL) y se puede calcular usando la siguiente fórmula: %m/v = masa del soluto (g) volumen de solución (ml) x 100 Otra forma de medir la concentración es la molaridad . Esta indica la cantidad de moles 2 de soluto por cada litro de disolución. Su unidad de medida es mol por litro, o molar. Para calcularlo se utiliza la siguiente fórmula. Molaridad (M) = cantidad de moles (n) volumen de solución (L) = masa de soluto(n) masa molar del soluto (g/mol) x volumen de solución (L)

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Cuando el soluto se disocia en solución, como los ácidos y las bases, es común utilizar la normalidad para medir concentración. La normalidad mide la cantidad de equivalentes que posee un litro de solución. Para ácidos monopróticos, la normalidad y molaridad son equivalentes, pero para ácidos que liberan 2 o más protones, la normalidad se calcula de la siguiente manera N = M x H + donde N es normalidad, M es molaridad y H + es la cantidad de protones que libera al disociarse. La concentración es una propiedad intensiva 3 , por lo que determinando la concentración en una alícuota de la muestra se determina automática- mente la concentración de la muestra completa, es decir, si se toma una alícuota de una solución, la concentración de esta alícuota es igual a la concentración de la solución completa (Figura 5) .

Forma de medir

Descripción

Fórmula

masa del soluto (g) masa de solución (g) x 100 volumen del soluto (ml) volumen de solución (ml) x 100

Relaciona la masa de soluto con la masa total de la solución Relaciona el volumen del soluto con el vo- lumen total de la so- lución Cantidad de unida- des de soluto que hay en un millón de uni- dades de solución. Por ejemplo, cuántos gramos de soluto hay en un millón de gra- mos de solución Cantidad de moles que contiene 1 kg de solución

Porcentaje masa/masa

Porcentaje volumen/volumen

masa del soluto (g) masa de solución (g) x 10 6

Partes por millón

masa del soluto (g) masa de solvente (kg)

Molalidad

La tabla 2. Diferentes formas de expresar la concentración.

Matraces aforados

2 El mol es una cantidad. Un mol de hidrógeno corresponde a 6,02 x 10 23 átomos de hidrógeno. Un mol de agua corresponde a 6,02 x 10 23 moléculas de agua. 6,02 x 10 23 se conoce como el número de Avogadro . 3 Propiedad intensiva son las características de un sistema que no están relacionadas con su tamaño o con la cantidad existente de la materia en cuestión. De este modo, sus valores no se modi fi can cuan- do se divide el sistema. Temperatura, presión, densidad son ejemplos de propiedad intensiva.

Figura 5. Matraces aforados de volúmenes distintos pero con igual concentración.

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