Operaciones Básicas de Laboratorio UNIDAD DE TRABAJO Nº 4 MEDIDA DE MASAS, VOLÚMENES Y DENSIDADES 1. Masa y Peso. Unidades La masa de un cuerpo es una medida de la cantidad de materia que contiene. Tiene dos propiedades: • Inercia, debido a su masa: es más difícil poner en movimiento un coche vacío que un coche cargado debido a su inercia. • Atracción de las masas: se manifiesta en la tierra, por la atracción que su masa ejerce sobre los demás cuerpos. La fuerza con que la tierra atrae los cuerpos se denomina peso y se define como el producto de la masa por la aceleración de la gravedad : P = m ⋅ g 1.1 Unidades de masa La unidad de masa en el S.I. es el kilogramo, es la masa de un cilindro de platinoiridiado que se encuentra en París (Museo de pesas y medidas de Sèvres). Todos los estados contienen réplicas de esta unidad, son fundamentales para el calibrado de las balanzas. Para medir la masa de los cuerpos, se utilizan las balanzas que contienen un conjunto de masas que se denominan juego de pesas. Las pesas habituales son 50 g, 20 g, 10 g, 2g, 1g, 500 mg, 200 mg, 100 mg, 50 mg, 20 mg, 10 mg. 1.2 La Balanza. Fundamento mi Los análisis químicos siempre están basados en la masa, para evitar que los resultados dependan de la aceleración de la gravedad que varía de una localidad a otra. Ld Li escala md En el laboratorio, la masa se determina con una balanza, que es un dispositivo en el que el peso de un objeto se compara con el peso de una masa patrón. Debido a que la aceleración de la gravedad (g) es la misma, no existe influencia de ésta. Así, el fundamento de la balanza de dos brazos se basa en la regla de la palanca: Fuerza ⋅ brazo = Re sistencia ⋅ brazo Fi ⋅ Li = Fd ⋅ Ld m i ⋅ g ⋅ Li = m d ⋅ g ⋅ Ld Al ser los dos brazos iguales: Li = Ld mi = md 75 Operaciones Básicas de Laboratorio No obstante, la distinción entre masa y peso no se observa en términos estrictos ya que todavía se utilizan términos como pesas, pesada, etc. La balanza analítica es un instrumento de pesada con una precisión de 0,1 mg. 1.2.1 Tipos de Balanza Hay tres tipos de balanza, según sea su dispositivo de funcionamiento: • Mecánicas: son las balanzas cuyo funcionamiento es mecánico y pueden ser: Monoplato: esta balanza consta de un brazo que hace de palanca que gira sobre la arista de una cuchilla en forma de prisma. De dos platos: es una balanza de brazos iguales que consiste esencialmente en una cruz sustentada en su centro por un soporte o fulcro. De cada extremo de la cruz, en puntos equidistantes del punto de apoyo central penden los platillos donde se coloca el objeto (platillo izquierdo) y las pesas (platillo derecho). Los platillos de la balanza cuelgan de la cruz, por medio de unos dispositivos especiales llamados estribos. La posición de la cruz respecto a la horizontal está indicada por una aguja llamada fiel que se mueve sobre una escala graduada. reiter cruz tornillo de ajuste del cero contrapeso ajuste c.d.g. fiel escala platilllos amortiguadores cuchilla central mando control soporte de la cruz cuchillas laterales • Eléctricas: estas balanzas eran monoplato y conservaban el brazo y la cuchilla, pero empleaban un solenoide en lugar de las pesas para suplir la contrafuerza y volver la palanca a su posición original. La vida de estas balanzas fue breve, ya que aparecieron las balanzas electrónicas. • Electrónicas: las balanzas electrónicas no contienen ni brazo ni cuchilla, y su manejo es tan sencillo que apenas se necesitan instrucciones. En la balanza electrónica el platillo se sitúa sobre un cilindro metálico hueco rodeado por una bobina. 76 Operaciones Básicas de Laboratorio Con el platillo vacío la corriente se ajusta para que el nivel del brazo indicador esté en la posición cero. señal Cuando se coloca un objeto se produce un movimiento hacia abajo del platillo y del brazo indicador que hace que aumente la radiación de luz que incide sobre la célula fotoeléctrica del detector del cero. El aumento de corriente es amplificado e introducido en la bobina, creando un campo magnético mayor que devuelve el platillo a su posición original. detector de cero fuente de luz brazo indicador peso platillo S S N amplificador servomecanismo corriente corrección La corriente requerida para mantener el platillo y el objeto en la posición de cero es directamente proporcional al peso del objeto y se muestra como el peso del objeto en gramos. 1.2.2 Cualidades de una balanza Las cualidades que se exige a una balanza son que sea: • Exacta: para obtener datos fiables en la pesada la balanza debe dar siempre el mismo resultado al repetir la pesada varias veces. • Estable: la balanza debe recobrar su posición inicial al quitar el objeto. En las balanzas electrónicas deben recuperar el cero, para ello deben colocarse sobre una superficie dura y lisa, comprobando y ajustando el nivel de burbuja. En las mecánicas con dispositivo de amortiguación deben recuperar su posición original después de oscilar libremente. El operador debe determinar el tiempo mínimo necesario para recuperar esta posición. El periodo de oscilación puede variarse ajustando el centro de gravedad de todo el conjunto móvil. • Sensible: debe apreciar el mínimo peso, que en las balanzas analíticas es de 0,1 mg para cualquiera de las cargas, con un periodo de oscilación corto. 1.2.3 Normas para el manejo y cuidado de las balanzas Las normas más elementales para el manejo y cuidado de las balanzas son: 1) No pesar, ni añadir objetos o pesas sin antes frenar la balanza. Cuando se añaden pesas u objetos, la balanza debe estar en posición de reposo. 2) Centrar la carga en el platillo 3) Proteger la balanza de la corrosión. No colocar objetos directamente sobre el platillo. Para pesar objetos o sustancias utilizar pesa sustancias o vidrios de reloj. 4) No pesar objetos calientes. Pesar los objetos a temperatura ambiente. 5) No tocar los objetos secos directamente con las manos húmedas; usar pinzas para evitar depósitos de humedad. 77 Operaciones Básicas de Laboratorio 6) Mantener la balanza y su caja escrupulosamente limpias. Para eliminar posibles derrames usar un pincel de pelo blando. 7) Dejar la balanza tal como se encontró, sin pesas en los platillos o tara y descargada. 1.2.4 Métodos de pesada Los métodos de pesada utilizados en la balanza de dos platillos son: • Método de Borda o método de sustitución: Es un método que se utiliza para eliminar la posible desigualdad de los brazos en la balanza mecánica, y consiste en colocar el objeto en el platillo izquierdo y calibrar la balanza con una tara, que pueden ser de perdigones o arena, en la derecha. A continuación se quita el objeto y se equilibra con pesas la tara según: 1ª pesada: X ⋅ Li = T ⋅ Ld ; donde X = peso del objeto y T = peso de la tara. 2ª pesada: Pi ⋅ Li = T ⋅ Ld ; donde Pi = peso de la tara ; Li = longitud del brazo izquierdo y Ld = longitud del brazo derecho. Despejando T e igualando queda: X ⋅ Li L = Pi ⋅ i Ld Ld X = Pi Observar que el simplificar la longitud de los brazos en la expresión anterior indica que no intervienen en la pesada. • Método de doble pesada o de Gauss: Se pesa primero el objeto de peso X colocándolo sobre el platillo izquierdo y las pesas Pd sobre el platillo derecho. Se vuelve a pesar el objeto cambiándolo de platillo para lo cual se colocan las pesas Pi sobre el platillo izquierdo: 1ª pesada: X ⋅ Li = Pd ⋅ Ld 2ª pesada: Pi ⋅ Li = X ⋅ Ld Despejando Ld y sustituyendo queda: Pi ⋅ Li = X ⋅ X ⋅ y despejando X queda: X = Pd ⋅ Pi pesadas. Li Pd que resulta ser la media geométrica de dos Cuando no existían las calculadoras de hoy en día, se sustituía la media geométrica por la media aritmética como aproximación X = (Pd + Pi ) 2 FICHA DE TRABAJO Nº 14 DETERMINACIÓN DEL PESO DE UN OBJETO POR PESADA DIRECTA, DOBLE PESADA Y PESADA POR SUSTITUCIÓN, 1. INTRODUCCIÓN La pesada de un objeto en los granatarios mecánicos, hace que el alumno empiece a iniciarse en los métodos de pesada con precisión. Es evidente, que hoy día con las balanzas electrónicas la pesada es una operación muy fácil, pero es importante también que el alumno vaya adquiriendo habilidades para un posterior trabajo más preciso. 78 Operaciones Básicas de Laboratorio 2. FUNDAMENTO En la pesada directa se pesa el objeto directamente. En la doble pesada se pesa el objeto primeramente en el platillo izquierdo y posteriormente en el platillo derecho. De esta doble pesada se determina el peso medio como X = Pd ⋅ Pi En la pesada por sustitución se tara un objeto con granos de arena, y a continuación se pesa la tara. 3. MATERIALES-REACTIVOS REACTIVOS MATERIALES Objeto sólido Arena fina Perdigones plomo Vaso de plástico 25 ml Granatario con juego de pesas (se puede realizar también en una balanza analítica mecánica de precisión ) Pinzas metálicas 4. MODO DE OPERAR 1) Se coloca el objeto en el platillo izquierdo y se equilibra con pesas en el platillo derecho (Pd). 2) Se coloca el objeto en el platillo derecho y se equilibra con pesas en el platillo izquierdo (Pi) 3) Se coloca el objeto en el platillo izquierdo y se equilibra con granos de arena o perdigones de plomo en el platillo derecho (T). 4) Se quita el objeto y se equilibra la tara con pesas. (Pi) Notas: 1. Si el sólido es voluminoso no es necesario cogerlo con pinzas, pero ¡las pesas sí! 2. Para pesar ir añadiendo las pesas de mayor a menor peso. Así si 10 g se pasa, se coloca la pesa de 5 g y si 5 g es poco se añaden 2 g más y así sucesivamente. ¡Siempre que se añadan o quiten pesas, la balanza debe estar en posición de reposo! 3. Para tarar utilizar un vaso de plástico con arena. 5. EXPRESIÓN DE LOS RESULTADOS Los resultados se expresan como: 1. Pesada directa Peso del objeto (Pd) g 2. Doble Pesada Peso del objeto platillo izquierdo (Pd) g Peso del objeto platillo derecho (Pi) g Peso del objeto X = g ( Pd ⋅ Pi ) 3. Pesada por sustitución Peso de la Tara (Pi) g Peso del objeto (X= Pi) g Nota: 1. Una vez equilibrada la balanza, se anota el peso de la siguiente manera: se comienzan a retirar las pesas de mayor a menor y se va anotando en gramos cada pesa que se retira. Así un objeto que pese 9,850 la anotación sería: 5 2 2 0,500 0,200 0,100 0,050 9,850 g 79