Práctica 1 Densidad de sólidos 1.1 Objetivos • Determinar la

Práctica
Densidad de sólidos
1
1.1 Objetivos
• Determinar la densidad de algunos sólidos utilizando tres métodos diferentes.
• Discutir, a partir de los resultados experimentales, cuál de los métodos es el más exacto para
medir la densidad de sólidos.
• Analizar si la densidad se puede utilizar como criterio para establecer la pureza de un sólido.
1.2 Marco teórico
1.2.1 Propiedades de las sustancias
Denominamos materia a todo aquello que podemos percibir con nuestros sentidos, es decir, todo lo
que podemos ver, oler, tocar, oír o saborear es materia. El compañero que se sienta al lado
nuestro está constituido por materia, lo mismo que la silla, la mesa que usa para escribir y las hojas
de papel que emplea para tomar apuntes. Reciben el nombre de cuerpos una porción de materia,
delimitada por unas fronteras definidas, como un folio, el lápiz o un borrador; varios cuerpos
constituyen un sistema material.
Aunque todos los cuerpos están formados por materia, la materia que los forma no es igual, ya que
hay distintas clases de materia: la materia que forma el papel es distinta de la que forma el agua
que bebemos o de la que constituye el vaso que contiene el agua. La materia que forma el asiento
de la silla es distinta de la que forma sus patas o de la que forma el suelo en el que se apoya.
Cada una de las distintas formas de materia que constituyen los cuerpos recibe el nombre de
sustancia. El agua, el vidrio, la madera, la pintura son distintos tipos de sustancias.”
La composición se refiere a las partes o componentes de una sustancia y a sus proporciones
relativas.
Las propiedades son las cualidades y atributos que se pueden utilizar para distinguir una muestra
de sustancia de otra. En algunos casos pueden establecerse mediante los sentidos y se
denominan organolépticas: olor, color, sabor, dureza, textura.
Las propiedades de la materia se agrupan generalmente en dos amplias categorías: propiedades
físicas y propiedades químicas.
1.2.2 Propiedades y transformaciones físicas
Una propiedad física se puede medir y observar sin que la sustancia cambie su identidad o
composición. Por ejemplo: la densidad, el punto de fusión y de ebullición, la dureza, la
maleabilidad.
Algunas veces una muestra cambia de estado físico, es decir, experimenta una transformación
física. En un cambio de estado pueden modificarse algunas de las propiedades físicas de la
muestra pero su composición permanece inalterada. Cuando el agua líquida se congela
formándose agua sólida (hielo), sin duda el agua parece diferente en muchos sentidos. Sin
embargo permanece inalterada la composición en masa del agua de 11.9% de hidrógeno y 88.81%
de oxígeno. ¿Puedes demostrarlo matemáticamente?
1.2.3 Propiedades y transformaciones químicas
En una transformación o reacción química, una o más sustancias se convierten en sustancias
nuevas con composiciones y estructura diferentes. La combustión del gas propano en el laboratorio
para producir dióxido de carbono y agua es un buen ejemplo de un cambio químico. La clave para
identificar una transformación química es observar si hay formación de otras sustancias.
1.2.4 Propiedades extensivas e intensivas
Las propiedades físicas de las sustancias pueden ser clasificadas como propiedades extensivas e
intensivas. Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de muestra examinada. El
volumen y la masa de una muestra son propiedades extensivas debido a que son directamente
proporcionales a la cantidad de materia.
Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de material examinado. El color y el punto
de fusión de una sustancia, por ejemplo, son las mismas para una muestra pequeña o para una
muestra grande.
Puesto que dos sustancias no tienen propiedades físicas y químicas idénticas a las mismas
condiciones, es posible utilizar las propiedades para identificar y distinguir entre sustancias
diferentes.
1.2.4.1 Densidad
La densidad es una propiedad general de todas las sustancias. No obstante su valor es específico
para cada sustancia, lo cual permite identificarla o diferenciarla de otras.
La densidad es una propiedad intensiva y su valor depende de la temperatura y de la presión. Se
define como la masa de una sustancia presente en la unidad de volumen:
d=m/V
(1.1)
Se acostumbra a expresar la densidad de los líquidos y sólidos en g/mL o g/cm 3 y la densidad de
los gases en g/L.
1.2.4.2 Gravedad específica
La gravedad específica de una sustancia se define como la relación entre la densidad de una
sustancia y la densidad del agua, medida esta última a 4 °C. Por ejemplo: la densidad del mercurio
es 13.6 g/mL y la densidad del agua es 1.00 g/mL. La gravedad específica del mercurio será:
gr. esp. =
(1.2)
La gravedad específica no tiene unidades, sirve para denotar cuántas veces es mas pesada o más
densa una sustancia con respecto al agua.
1.2.5 Principio de Arquímedes
Arquímedes (287-212 A. C.) se inmortalizó con el principio que lleva su nombre, cuya forma más
común de expresarlo es:
“Todo sólido de volumen V sumergido en un fluido, experimenta un empuje hacia arriba igual al
peso del fluido desalojado”.
Se cuenta que Arquímedes descubrió el principio tratando de determinar si el oro de una corona
que había encargado Hierón, rey de Siracusa había sido parcialmente reemplazado por cobre o
plata, metales más baratos.
Dice la leyenda que el principio le vino a la mente mientras se bañaba, lo que le produjo tal
exaltación que, sin ponerse la ropa, corrió por las calles gritando EUREKA. Probablemente
Arquímedes pensó que si la corona y otro lingote de oro puro de peso idéntico se arrojaban al agua
deberían desplazar el mismo volumen de líquido. Sin embargo, durante la investigación encontró
que aunque el lingote de oro y la corona pesaban lo mismo en el aire, al sumergirlos en agua la
corona pesaba menos que el lingote y por consiguiente la corona era menos densa y ocupaba más
volumen. La corona no era de oro puro!
La determinación de la densidad de sólidos por el principio de Arquímedes consiste en determinar
el empuje (E), el cual se halla realizando la diferencia entre el peso del sólido en el aire (ws) y el
peso aparente del sólido sumergido en el líquido (wa). El volumen del líquido desalojado
corresponde al volumen del sólido sumergido.
E = wdes = ws - wa = VdL
(1.3)
donde wdes es el peso de líquido desalojado, V el volumen del sólido y dL la densidad del líquido.
Para la determinación de la densidad pueden emplearse instrumentos basados en el principio de
Arquímedes como la balanza de Westphal y los aerómetros.
1.3 Materiales y equipo
• Metales: Fe, Cu, Al, Pb, bronce
• Balanza
• Probeta
• Regla graduada
• Calibrador o Vernier
1.4 Procedimiento
1.4.1 Determinación de la densidad por el método geométrico
Consiste en pesar el sólido (ws) y medir sus dimensiones (si tiene una forma geomética regular). Si
se trata de un paralelipípedo, el volumen corresponde al producto:
V=axbxc
(1.4)
Donde a, b, c corresponden a las dimensiones.
Si el objeto es cilíndrico V = p r2h, siendo r el radio y h la altura o V = 4/3 p r3 si el objeto es
esférico.
Utilizar la regla y el Vernier para tomar los datos de las dimensiones de cada sólido. Con los datos
obtenidos se puede calcular la densidad.
Tabla 1.1 Datos para determinar la densidad por el método geométrico
Sólido
Fe
Cu
Al
Pb
Bronce
ws (g)
Dimensiones
cilindro
paralelipípedo
r (cm) h (cm) a (cm) b (cm) c (cm)
V (cm3)
1.4.2 Determinación de la densidad por el método de la probeta
El sólido se sumerge con cuidado y completamente en una probeta que contiene un volumen
exacto de agua (Vo ). Luego se lee cuidadosamente el volumen final (Vf ). El volumen del sólido
corresponde a la diferencia:
V=
V = Vf - Vo
(1.5)
con los datos obtenidos se puede determinar la densidad (figura 1.1).
Figura 1.1 Método de la probeta
Tabla 1.2 Datos para determinar la densidad por el método de la probeta
Sólido
Fe
Cu
Al
Pb
Bronce
Vo(cm3)
Vf (cm3)
V=
V (cm3)
1.4.3 Determinación de la densidad por el principio de Arquímedes
Se pesa un vaso de precipitados (en su lugar puede usarse un recipiente plástico) parcialmente
lleno de agua (wb). Luego se ata el sólido con un hilo delgado y se suspende en el anillo con agua
tal como se ilustra en la figura 2.2. Asegurarse de que el sólido no toque las paredes del vaso. Se
obtiene el peso del sistema y se anota su peso como wT.
Figura 1.2 Principio de Arquímedes
La cuerda sostiene el peso del sólido pero no anula el empuje, de tal manera que w T es igual al
peso del recipiente con agua más el empuje (peso del agua desalojada por el sólido, wdes).
Análogamente a la ecuación 1.3:
E = wdes = wT - wb = VdL
(1.6)
Teniendo en cuenta la ecuación 2.6, la densidad se puede calcular a partir de la expresión:
(1.7)
donde, si el líquido es agua, dL corresponde a 1.00 g/mL.
Tabla 1.3 Datos para determinar la densidad por el principio de Arquímedes
Sólido
Fe
Cu
Al
Pb
Bronce
wT (g)
wb (g)
E = wT – wb (g)
1.5 Cálculos y resultados
Con base en los datos obtenidos, preparar la tabla 1.4.
Tabla 1.4 Densidades obtenidas por los diferentes métodos
Sólido
d reportada
(g/cm3)
Fe
Cu
Pb
Bronce
d geometría
(g/cm3)
d probeta
(g/cm3)
d
Arquímedes
(g/cm3)
------
1.6 Discusión y conclusiones
• Comparar los resultados obtenidos en cada método con el valor de la densidad reportada. ¿Cuál
de los métodos utilizados dio resultados más exactos? Establecer las posibles causas de los
errores y cómo éstos influyen para que un método sea más recomendable que otro.
1.7 Preguntas
• ¿Si el volumen ( V) desplazado por el sólido en la probeta es muy pequeño, ¿recomendaría este
método para medir la densidad del sólido?
• ¿Por qué debe suspenderse el sólido de una cuerda para determinar su densidad mediante el
método de Arquímedes?
• ¿Se afecta apreciablemente la densidad de un sólido si se modifica la presión atmosférica? ¿La
temperatura?
• ¿Qué es el bronce?.
2.9 Lecturas recomendadas
Asimov, Isaac. Se dice que 1 cm 3 de una estrella de neutrones pesa miles de millones de
toneladas. ¿Cómo es posible? En: Cien Preguntas Básicas sobre la Ciencia. Alianza Editorial,
Madrid, 1981. pp. 37
Asimov, Isaac. Tamaño justo. En: El electrón es Zurdo y Otros Ensayos Científicos. Alianza
Editorial, Madrid, 1982. pp. 26
2.10 Glosario
Discutir y anotar el significado de los siguientes términos: cuerpo, densidad, empuje, gravedad
específica, materia, principio de Arquímedes, propiedad, propiedad física, propiedad química,
sustancia.