MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

FACULTAD DE AGRONOMÍA. LABORATORIO DE INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA
PRÁCTICA 5. DETERMINACIÓN DE DENSIDAD, PESO ESPECÍFICO Y GRAVEDAD
ESPECÍFICA
1.1
1.1.1
FUNDAMENTO TEÓRICO
Densidad
La densidad es la masa de una sustancia por unidad de volumen. La densidad es una propiedad intensiva y no
depende de la cantidad de masa presente, por lo que la proporción de masa sobre volumen permanece sin
cambio para un material dado; en otras palabras el volumen aumenta conforme lo hace la masa. Usualmente la
densidad depende de la temperatura. La unidad derivada del Sistema Internacional para la densidad es el
kilogramo por metro cúbico (Kg/m3). Esta unidad resulta demasiado grande para muchas aplicaciones químicas;
en consecuencia, los gramos por centímetro cúbico (g/cm3) y su equivalente de gramos por mililitro (g/mL) se usa
de manera más frecuente para las densidades de sólidos y líquidos. La densidad de los gases tiende a ser muy
baja, de modo que se expresa en gramos por litro (g/L).
1 g/cm3 = 1 g/ mL = 1000 kg/m3
1 g/L = 0.001 g/mL
Para el cálculo de la densidad se utiliza la siguiente relación:
Densidad = ρ = masa/ volumen
La densidad de los materiales cambia, en mayor o menor grado, al variar las condiciones de presión y
temperatura, sobre todo en los gases. Una gran parte de las sustancias se expanden cuando se les calienta.
Como resultado la densidad de estas sustancias disminuye al aumentar la temperatura, hay algunos casos en
que la densidad aumenta cuando se eleva la temperatura un determinado intervalo. Es el caso del agua en el
intervalo de (0 - 4)°C.
1.1.2
Densidad del suelo
La densidad del suelo puede determinarse de dos formas, la densidad aparente y la densidad real. La densidad
aparente del sueloes la masa de un volumen de suelo en base seca tomando en cuenta su espacio poroso
(g/cm3). Esta dada por la expresión
Dap= Pss/Vt
Dap = Densidad aparente (gr/cm3) Pss = masa de suelo seco (g), Vt = Volumen total (cm3)
La densidad aparente es variable de un suelo debido principalmente a la diferencia textural. Los suelos arenosos,
poseen mayor densidad aparente que los arcillosos y limosos, debido al menor porcentaje de porosidad (del suelo
arenoso). Además la densidad aparente está afectada por la estructura del suelo, grado de compactación (uso y
manejo del suelo), expansión y contracción de las partículas (cambios de temperatura) y contenido de humedad.
Las operaciones de mecanización que dispersan el suelo disminuyen su densidad aparente, mientras que la
compactación la aumenta. Los procesos que favorecen la agregación bajan la disminuyen la densidad aparente,
pero al bajar la agregación la misma aumenta.
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La densidad real es la relación entre la unidad de masa y la unidad de volumen de la fase sólida del suelo, la
cual es más o menos constante, debido a que está determinado por la composición química y mineralógica de la
fase sólida. La densidad real (o de partículas) expresa la densidad de las partículas del suelo excluyendo el
espacio poroso. Este valor es de utilidad para calcular el espacio poroso del suelo.
La mayor parte de los componentes del suelo (aluminosilicatos, sílice) poseen una densidad oscilante entre 2.6 y
2.7 g/cm3, se toma un valor medio de 2,65 gr/cm3 (valor adoptado al realizar el análisis granulométrico).
El contenido de los distintos elementos constituyentes de los suelos es el que determina las variaciones de su
densidad real, por lo que la determinación de este parámetro permite por ejemplo estimar su composición
mineralógica. Si la densidad real es muy inferior a 2,65 gr/cm3, se puede suponer que el suelo posee un alto
contenido de yeso o de materia orgánica, si es significativamente superior a 2,65 gr/cm3 se puede inferir que
posee un elevado contenido de óxidos de hierro o minerales ferromagnésicos.
La porosidad del suelo es el porcentaje del volumen del suelo que es ocupado por el espacio poroso. El espacio
poroso total está formado por los poros existentes entre las partículas del suelo y los agregados, de aquí que la
textura y estructura del suelo son los principales factores que determinan el espacio poroso del suelo. La
porosidad es importante para el intercambio gaseoso del suelo con la atmósfera, crecimiento de raíces,
movimiento y almacenamiento de agua.
1.1.3 Peso específico
El peso específico (también llamado densidad de peso), se define como el peso de la unidad de volumen de una
sustancia.
[
][
]
Donde
es el peso específico, W el peso de la sustancia, V volumen de la sustancia, Kgf es kilogramo
fuerza, N Newton, m3 metro cúbico.
Al tener en cuenta que el peso es igual a W = m.g, y en base a las ecuaciones anteriores se puede determinar
que la densidad y el peso específico están relacionados del siguiente modo:
( )
1.1.4
Densidad relativa o gravedad específica
La densidad relativa de una sustancia se define como la razón entre la densidad de la sustancia y la densidad del
agua a una temperatura determinada (generalmente a 4°C).
Donde δ (delta) es la gravedad específica, ρ es la densidad de la sustancia y ρH2O es la densidad del agua
Como la densidad y el peso específico están relacionados, la densidad relativa o gravedad específica también se
puede definir como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua a una
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temperatura determinada.
1.2




OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA
Determinar la densidad, peso específico y gravedad específica de fluidos.
Determinar la densidad de un tubérculo de papa.
Determinar la densidad aparente de una muestra de suelo
Determinar la densidad real de una muestra de suelo
1.3
MATERIALES Y EQUIPO
Materiales proporcionados por el laboratorio
Cristalería
Equipo
 2 probetas de 100 mL
 1 balanza monoplato
 2 probeta de 50 mL
 1 estufa
 1 probeta de 25 mL
 1 espátula
 1 beacker de 100 mL
 1 varilla de agitación
 1 termómetro
Reactivos
 Agua destilada
 Glicerina
Materiales proporcionados por el estudiante.
Por grupo de trabajo
 200 gramos de suelo seco al aire. Para tomar la muestra puede utilizar la metodología descrita en el numeral
1.4.1
 1 papa entre 150 a 200 gramos
 1 pelador de verdura
 1 cuchillo o navaja
 1 marcador permanente de color negro
1.4
1.4.1
METODOLOGÍA
Toma y preparación de la muestra de suelo
A continuación se describe la metodología para la toma y preparación de la muestra de suelo. Esta preparación
debe realizarse antes de realizar la práctica y debe correr por cuenta de cada grupo de laboratorio.
a. Antes de proceder a la toma de muestras, deben delimitarse las áreas que se considerarán como unidades
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b.
c.
d.
e.
f.
g.
de muestreo. Para esto se elabora un mapa o croquis de campo, y se divide en áreas tomando como
criterios la productividad del suelo, topografía, textura, estructura, drenaje, color, vegetación dominante,
manejo y cultivo anterior.
Si se tiene un suelo que sea uniforme, se procede a tomar una muestra la cual debe contener por lo menos
15 a 30 submuestras para un área máxima de 4 a 6 hectáreas, pero si hay mucha variabilidad el terreno se
divide de acuerdo a los criterios antes mencionados y se tomará una muestra compuesta por cada una de
estas subáreas.
La profundidad del muestreo varía de acuerdo al sistema radicular del cultivo a establecerse, en general, las
muestras se toman desde la superficie hasta el inferior de la capa arable, en la mayoría de los casos es de
0-30 cm.
Las submuestras se toman cada 15 a 20 pasos, siguiendo un Zig-zag y utilizando un barreno, tubo de
muestreo, pala, piocha o machete. Las secciones de suelo que se toman deben ser delgadas para no
formar muestras muy grandes las submuestras se deben colectar en una cubeta, bolsas de plástico u otro
recipiente. Se mezcla bien el suelo y se aparta de una a dos libras que se guardan en una bolsa de plástico
o polietileno debidamente identificadas y etiquetadas.
Llevar la o las muestras de suelo a un lugar donde pueda secarse y almacenarse. Este lugar debe ser bajo
techo y suficientemente ventilado.
Sacar el suelo de la bolsa y expandirla sobre hojas de papel periódico. Deje secar y cambiar el papel si es
necesario.
Tamizar el suelo.
1.4.2
Determinación de la densidad de un tubérculo de papa
Tome el tubérculo de papa y con un cuchillo o una navaja córtelo en 10 trozos o secciones
Seleccione 5 de las 10 secciones.
Tome un trozo de tubérculo de papa, de los 5 que seleccionó, y mida la masa. Anote el dato en el cuadro 1
Determine el volumen de este mismo trozo haciendo uso de una probeta y utilizando el principio de
Arquímedes: mida un volumen de agua en la probeta y sumerja en ésta la sección de tubérculo, la diferencia
de volumen de agua (volumen final – volumen inicial) o volumen de agua desplazado corresponde al
volumen de la sección. Anote el dato en el cuadro 1.
e. Repita esta misma operación para las secciones restantes y anote los resultados.
a.
b.
c.
d.
1.4.3
Determinación de densidad aparente de suelo
a. Tome una probeta de 100 mL seca y limpia. Mida la masa de la probeta.
b. Agregue suelo previamente seco al aire y tamizado en la probeta hasta alcanzar un volumen de 50 cm3. No
vierta todo el volumen del suelo sino que agregue primero unos cuantos cms 3 (5 cm3 por ejemplo) y
compáctelo. Para compactar el suelo golpee con precaución el fondo de la probeta sobre un material suave
(hule, libros, por ejemplo) varias veces. Luego repita la operación hasta completar el volumen indicado (50
cm3).
c. Anote el volumen que ocupa el suelo en el cuadro 2.
d. Mida la masa de la probeta con el suelo; luego por diferencia determine la masa del suelo seco al aire.
e. Este suelo puede contener humedad por lo que se le puede llamar suelo húmedo y recuerde que los cálculos
de densidad y de la mayoría de parámetros de suelo se hacen sobre la base de masa seca. Para determinar
esta humedad realice lo siguiente:
f. Mida la masa de un beacker de 100 mL limpio y seco y anótelo en el cuadro 2.
3
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g. Agregue 25 cm3 de suelo seco al aire. Puede tomarlos de los 50 cm3 que utilizó en el inciso b. Mida la masa
del sistema beacker + suelo. Anote el valor en el cuadro 2.
h. Seque el suelo en la estufa y al finalizar determine nuevamente la masa de suelo. A esta masa se le dará el
nombre de masa de suelo seco a la estufa. Anote el valor. Este dato se utilizará para calcular la relación
suelo seco a la estufa / suelo seco al aire. Por ejemplo si esta relación es de 0.75, esto quiere decir que por
cada gramo de muestra seca al aire utilizada (incluye aún agua) realmente se tiene 0.75 gramos de suelo
seco. Los 0.25 gramos restantes es humedad.
1.4.4
Determinación de la densidad real del Suelo
a. Tome una probeta de 100 mL seca y limpia y agregue 50 mL de agua destilada.
b. Mida 50 g de suelo seco al aire y agréguelos lentamente en la probeta. Agite la probeta para eliminar
burbujas de aire. Deje en reposo la muestra durante 5 minutos.
c. Anote el volumen final de la mezcla de agua y suelo.
d. Determine por diferencia el volumen de agua desplazada por el suelo agregado (volumen de sólidos de
suelo). Anote los datos en el cuadro 2.
1.4.5
Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
Mida la masa de una probeta de 50 mL limpia y seca. Anote este valor
Agregar un volumen de agua destilada de 30 mL. Anotar este valor en el cuadro 3.
Tomar la temperatura del líquido. Anote el valor en el cuadro 3.
Medir la masa de la probeta + agua destilada.
Por diferencia determine la masa del agua y anótela en el cuadro 3.
Tome una probeta de 25 mL limpia y seca y determine la masa. Anote el valor.
Agregar un volumen de 15 mL y repita los pasos del inciso c al e.
Realizar el mismo procedimiento para la glicerina. Anotar los valores en el cuadro 4.
1.5
CUESTIONAMIENTOS Y OBSERVACIONES PARA INCLUIR EN EL INFORME
Determinación de la densidad de un tubérculo de papa
a. Complete la información que se le solicita en el cuadro 1. Determinar la densidad de cada sección con la
relación: Densidad = masa/volumen
b. Elabore otro cuadro que reporte las mediciones expresadas en unidades del Sistema Internacional.
c. Discuta la variación de la masa, el volumen y densidad obtenidas (utilice las medidas estadísticas que calculó
en el cuadro). Si es necesario consulte un texto de estadística general para determinarlas. Si considera
necesario puede calcular otro tipo de medidas de tendencia central o de dispersión para el análisis de los
datos.
d. Según los resultados obtenidos ¿la densidad es una propiedad intensiva o extensiva? ¿Por qué?
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Cuadro 1. Masa, volumen y densidad de 5 secciones de tubérculo de papa.
Variable
Masa de la
sección (g)
1
2
Datos
3
4
5
̅
Estadística
Moda
CV
Volumen de la
sección (cm3)
Densidad
Determinación de la densidad aparente y real del suelo
a. Complete la información que se le solicita en el cuadro 2.
b. En el cuadro 2 también se incluye el cálculo de % de porosidad utilizando la densidad aparente. Utilice el
método de análisis dimensional y factor unitario para calcular este porcentaje.
c. De acuerdo a sus resultados obtenidos. Realice los siguientes cálculos ¿A cuántos kg equivale una hectárea
de terreno a una profundidad de 30 cm? ¿A cuántas toneladas equivale una manzana de terreno a una
profundidad de 25 cm? ¿Qué volumen total es ocupado por los poros del suelo en cada caso?
d. Investigue y escriba valores de densidad real, aparente y porosidad reportados para los suelos. No olvide
citar las fuentes bibliográficas.
e. Investigue y escriba ejemplos de la utilidad que tiene el conocer la densidad real y aparente de un suelo.
Cuadro 2. Determinación de densidad aparente de suelo
Información general
1 Masa de la probeta vacía
2 Volumen de suelo seco al aire (suelo húmedo)
3 Masa de la probeta + suelo seco al aire
Determinación de humedad de la muestra
4 Masa de beacker vacío
5 Masa de beacker + suelo seco al aire (suelo húmedo)
6 Masa de suelo seco al aire (suelo húmedo)
7 Masa de suelo seco a la estufa (suelo seco)
8 Masa de agua contenida en la muestra
9 Relación suelo seco a la estufa / suelo seco al aire
Determinación de densidad aparente
10 Masa del suelo seco al aire (suelo húmedo). Este valor se determina
por la diferencia entre los datos de los numerales 3 y 1.
11 Masa de suelo seco. Utilice la masa de suelo seco al aire (suelo
húmedo) multiplicado por el factor unitario de masa seca a la estufa,
por lo que debe relacionar el dato del numeral 9 y del 10.
12 Densidad aparente = Masa suelo base seca / Volumen suelo.
Relacione el numeral 11 y el 2
Determinación de densidad real
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13
14
15
16
17
Volumen inicial de agua destilada en la probeta
Volumen de la mezcla de suelo y agua
Volumen de agua desplazada (volumen de sólidos de suelo)
Masa de suelo seco al aire (suelo húmedo) utilizada
Masa de suelo seco
Densidad real = Peso suelo base seca / volumen de agua
desplazada
Determinación de porcentaje de porosidad
18 % Porosidad = (1 - (Densidad aparente / Densidad real) * 100%
Determinación de porcentaje de humedad
19 % Humedad = ((masa de suelo húmedo – masa de suelo
seco)*100%) / masa de suelo húmedo
O bien % Humedad = (masa de agua contenida en la muestra /
masa húmeda de suelo) * 100%
Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica del agua.
a. Anote los datos de temperatura, masa y volumen de los líquidos en los siguientes cuadros. Con esta
información determine la densidad, peso específico y gravedad específica para cada líquido.
Cuadro 3. Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica del agua.
Temperatura
(°C)
Masa de
líquido (g)
Volumen del
líquido (cm3)
Densidad
(g/cm3)
Densidad
(kg/m3))
Peso
específico
(_________)
Gravedad
específica
(_________)
Repetición 1
(V = 30 cm3)
Repetición 2
(V = 15 cm3)
Agregar la dimensionales donde sea necesario
Cuadro 4. Cuadro 3. Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica de la glicerina
Temperatura
(°C)
Masa de
líquido (g)
Volumen del
líquido (cm3)
Densidad
(g/cm3)
Densidad
(kg/m3))
Peso
específico
(_________)
Gravedad
específica
(_________)
Repetición 1
(V = 30 cm3)
Repetición 2
(V = 15 cm3)
Agregar la dimensionales donde sea necesario
b. Discuta los resultados obtenidos. ¿Existen variabilidad de la densidad al variar la masa y el volumen?
c. Escriba la importancia de reportar la temperatura en los cálculos de densidad.
d. Investigue la aplicación de conocer el peso específico y la gravedad específica de líquidos en hidráulica y en
el diseño de sistemas de riego y drenajes agrícolas.
6
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1.6
BIBLIOGRAFÍA
 Hernández Huéramo, D. Sf. Manual de prácticas de Hidráulica básica. Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo. México. 8 p.
 Forsythe, F. 1974. Manual de laboratorio de Física de suelos. Instituto Interamericano de Ciencias
Agrícolas de la OEA. Turrialba. Costa Rica. 212 p.
 Sin autor. 2013. Prácticas de Laboratorio de Edafología 1. Facultad de Agronomía. Universidad de San
Carlos de Guatemala. 47 p.
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