instrumentos de uso habitual2

FISICOQUÍMICA
INSTRUMENTOS DE USO
HABITUAL
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FISICOQUÍMICA
TERMÓMETRO BECKMANN
El termómetro Beckmann se utiliza para la medida de cambios de temperatura cuando
se requiere una gran precisión.
Se caracteriza por poseer un gran depósito de mercurio (Figura 1), un
capilar de diámetro muy pequeño y un depósito de mercurio suplementario
en la parte superior. El depósito superior facilita el ajuste de la cantidad de
mercurio contenida en el depósito inferior, o bulbo. Como el capilar tiene
un diámetro extremadamente pequeño, la escala termométrica cubre un
intervalo de temperatura de sólo unos cinco o seis grados. La escala está
graduada en intervalos de 0,01º ó 0,02º y con ayuda de una lupa se puede
leer hasta ±0,002º. El hecho de poder tomar o quitar mercurio del depósito
inferior hace posible, por una puesta a punto apropiada, el uso del
termómetro en distintos intervalos de temperatura. Algunos tipos de
termómetro Beckmann tienen una escala auxiliar que simplifica la puesta a
punto.
EN TÉRMINOS GENERALES EL PROCEDIMIENTO PARA LA
PUESTA A PUNTO DEL TERMÓMETRO ES EL SIGUIENTE:
Supongamos que deseamos usar el termómetro para la determinación del
peso molecular de un soluto no volátil, disuelto en acetona, por medio de la
elevación del punto de ebullición. El punto de ebullición normal de la
acetona es 56,0ºC y el de la disolución un poco mayor. El termómetro ha de
colocarse por tanto, de modo que la columna de mercurio dé una lectura
sobre la escala para las dos temperaturas: la temperatura de ebullición de
Figura1
la acetona pura y la temperatura de ebullición de la solución. La diferencia
entre las dos lecturas es la elevación del punto de ebullición
buscada.
Cuando la columna de mercurio está por debajo de la escala al
sumergir el termómetro en la acetona en ebullición, se necesita
añadir mercurio al bulbo. Para ello se invierte el termómetro y se
golpea suavemente con objeto de llevar al capilar el mercurio del
depósito superior. A continuación se endereza cuidadosamente el
termómetro y se calienta el bulbo en agua caliente, hasta que la
columna de mercurio llega a estar en contacto con la columna
superior.
Se enfría el bulbo y el mercurio del capilar llevará adherido
consigo algo del mercurio del depósito superior. Con un golpe
suave se corta la columna de mercurio, y se invierte para que el
exceso vuelva al depósito superior. Si la cantidad de mercurio no
es suficiente, lo que se comprueba porque la columna de mercurio
está por debajo del fondo de la escala cuando se sumerge de nuevo
en acetona en ebullición, se repite el proceso de adición de
mercurio.
Consideremos ahora el procedimiento cuando la columna de
mercurio está por encima de la escala, o demasiado alta en ella,
Figura 2
cuando el bulbo del termómetro se sumerge en la acetona en
ebullición. El mercurio formará entonces una gotita en la parte
106
FISICOQUÍMICA
superior del termómetro al final de la columna capilar. Se invierte el termómetro
hasta que el mercurio superior se junte a la gotita y se golpea suavemente el
termómetro. Al introducir el termómetro en el baño de acetona en ebullición se
obtendrá una lectura más baja que la anterior. Si se ha separado una cantidad
apropiada de mercurio se obtendrá una lectura satisfactoria. De otro modo, habrá que
repetir el proceso.
MEDICIÓN DE DENSIDAD
Las densidades de los líquidos se miden generalmente pesando un volumen definido
de líquido en un picnómetro o determinando el efecto del empuje en un flotador
sumergido en el líquido (Principio de Arquímides).
Cuando se dispone de suficiente cantidad de líquido la densidad se puede determinar
mediante los densímetos o mediante la balanza de Westphal.
PICNÓMETROS
Una manera de determinar la densidad de un líquido es midiendo la masa necesaria
para llenar un recipiente de volumen definido (generalmente de alrededor de 5-15 ml).
Este recipiente se conoce con el nombre de picnómetro y se calibra con agua destilada.
La precisión de las densidades determinadas por este método es de ±0,0001 lo que es
suficiente para los trabajos comunes.
Uso del picnómetro:
Se pesa primeramente el picnómetro (figura 3) vacío, limpio y seco, luego se llena
con agua destilada y se sumerge en un termostato en el que la temperatura se mantenga
constante dentro de 0,1°. Aproximadamente a los 15 minutos cuando se haya alcanzado
el equilibrio térmico se ajusta la cantidad de agua, se saca el picnómetro del baño y se
seca. Si se determina la densidad a una temperatura menor que la ambiente se debe
cuidar que por dilatación no salga agua del picnómetro. Luego se pesa. Posteriormente
se repite esta secuencia de operaciones con el líquido problema.
Cálculo de densidad:
En el cálculo de densidad se debe efectuar una corrección teniendo
en cuenta el empuje del aire.
Figura 3
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FISICOQUÍMICA
1 /
D
/
Wv = peso del agua en el vacío.
W'v = peso del líquido problema en el vacío.
W'= peso aparente del líquido problema.
W = peso aparente del agua.
d = densidad media del aire (0,001184 a 750 mmHg y 25°C ; 0,001199 a 770 mmHg y
25°C).
D= densidad del agua a 25°C (0,9971 g/mL)
MEDICIÓN DE VISCOSIDAD
La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño
es una indicación de su viscosidad. La viscosidad es una propiedad físico-química de los
fluidos y representa la resistencia que presentan los fluidos al fluir. Los fluidos reales
muestran una amplia diversificación de resistencia a los esfuerzos cortantes. Las
unidades de viscosidades en el SI son Ns/m2 = Pa s, aunque se suele utilizar, la
dina/cm2, llamada poise, en honor al físico francés Poiseuille.
VISCOSÍMETRO
Un viscosímetro (denominado también viscómetro) es un instrumento para medir la
viscosidad y algunos otros parámetros de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en
sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos. En 1884 Poiseuille mejoró
la técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías.
108
FISICOQUÍMICA
VISCOSÍMETRO DE OSTWALD
En esencial, el Viscosímetro Ostwald (figura 4) consta de un tubo capilar T unido
por su parte inferior a un tubo más ancho curvado en forma de U, y por la
parte superior a una ampolla o ensanchamiento limitada por dos señales (a y
b) que encierran un volumen V.
La viscosidad de un líquido se calcula midiendo el tiempo que tarda en atravesar el
tubo capilar, que como su nombre indica es lo suficientemente estrecho como para
apreciar una dificultad notable en el paso del líquido.
Figura 4
El viscosímetro debe estar completamente seco y en
posición vertical se coloca una cantidad conocida del
fluido al depósito A aproximadamente 7 ml, después se
procede a colocar el viscosímetro en un baño maría. Con
ayuda de una manguera se succiona la muestra líquida
hasta un punto a; desde ahí se mide el tiempo hasta que
baje al punto b, bajo una diferencia medida y constante
de presiones. Están gobernados por la ecuación de Hagen
–Poiseuille:
Δ 8
Siendo η la viscosidad cinemática. Si el líquido fluye
únicamente por acción de la gravedad en un tubo situado verticalmente, ∆p =ρgh;
reemplazando este valor en la ecuación de Hagen-Poiseuille; siendo ρla densidad del
fluido y h la altura de la columna.
8
Todas las constantes de la ecuación anterior se pueden combinar en la constante B del
viscosímetro:
8
Donde: V es el volumen del líquido que fluye a través de un capilar de radio r bajo la
influencia de la gravedad g. La altura promedio de la columna del líquido en el
viscosímetro durante la medición se denota como h, y L es la longitud del tubo capilar.
Reemplazando el valor de B en la ecuación: η
η=Β ρ t
[Pa* s]
Donde:
B: Constante del viscosímetro o constante viscosimétrica (m2/s2)
t: Tiempo en que el fluido cae de la marca superior a la inferior (de a hasta b), (s)
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FISICOQUÍMICA
La ecuación anterior permite determinar experimentalmente la viscosidad cinemática de
un líquido para los viscosímetros de tubo capilar. El valor de B (constante del
viscosímetro), depende por lo tanto de la geometría de cada viscosímetro en concreto y
suele darlo el constructor. También puede determinarse utilizando un líquido de
viscosidad conocida. Normalmente se determinan las viscosidades relativas referidas al
agua.
El funcionamiento del viscosímetro de Ostwald se basa en la ley de Poiseuille.
Partiendo de la ley de Pouseille se puede obtener la viscosidad de un líquido
conociendo la viscosidad del otro y la densidad de ambos, según:
η′ η
ρ′ t′
ρ t
Basta con medir el tiempo que tardan ambos en atravesar el mismo viscosímetro,
dado que el resto de magnitudes (volumen de líquido considerado, longitud y radio
del capilar, pérdida de carga) se mantienen constantes .
MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD
CONSIDERACIONES GENERALES
En los conductores electrolíticos p. ej. soluciones de electrolitos fuertes y débiles,
sales fundidas y algunas sales sólidas como el NaCl y AgNO3 los iones son los
responsables del flujo de corriente.
Cuando se trata de conductores electrolíticos es costumbre hablar de conductancia en
lugar de hablar de resistencia eléctrica.
Sabemos que la resistencia de un conductor es directamente proporcional a su
longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal, esto es:
R= ρ. l/A
donde R es la resistencia en "Ω ", "l" la longitud en cm, "A" el área en cm2 y "ρ" la
resistividad cuyo valor depende de las características y naturaleza del conductor.
La conductancia es el recíproco de la resistencia y por lo tanto se deduce que:
G=1/R = 1/ρ (A/l)
G= κ (A/l)
donde κ es la conductividad específica del conductor.
Resultando que:
κ= G . K
Donde "K" se denomina constante de la celda y se determina experimentalmente por
el procedimiento que más adelante se describirá.
110
FISICOQUÍMICA
En la medición de conductividad se utiliza corriente alterna pues los cambios de
concentración del electrolito y la formación de productos de electrólisis en los
electrodos cambia la conductividad de la solución.
La celda conductimétrica tiene electrodos de platino recubiertos con negro de platino
coloidal. El platino coloidal adsorbe los gases producidos durante cada medio ciclo de
corriente alterna.
CORRESPONDENCIA ENTRE LAS UNIDADES MÁS USUALES.
La conductividad específica se expresa en S/cm (Siemens/cm) ó Ω-1/cm siendo
ambas unidades equivalentes.
Son usuales las medidas un millón de veces menores que éstas y para fines prácticos
se utiliza µS/cm.
Dado que la conductividad varía con la temperatura las lecturas deben ser referidas a
una temperatura determinada (normalmente 20°C).
CONDUCTÍMETRO ANTARES III
DESCRIPCIÓN
Permite determinar las conductividades en el rango 0,1 a 200.000 µS/cm en cuatro
pasos, x1, x10, x100, x1000 con indicación directa sobre display digital.
En su frente se disponen los controles para operación del equipo y la presentación
digital (ver Figura 5).
En su parte trasera se encuentran los conectores de celdas, registrador y las
conexiones de línea y tierra (ver Figura 6).
Exactitud típica 0,5%, máxima ±2% y en extremos de rango 3%.
La celda conductimétrica es de inmersión y está construida en vidrio Pyrex, con
electrodos de platino platinizado.
La constante de la celda es 1 cm-1.
OPERACIÓN
1.- El equipo se debe ubicar sobre la mesa de trabajo evitando zonas húmedas, vapores
ácidos, temperaturas no mayores a 45°C y exento de vibraciones.
2.- Insertar la barra soporte de celdas (5) en el lateral derecho del equipo, deslizar la
pinza portaceldas (8) en la barra soporte y colocar la celda en la pinza soporte.
3.- Insertar la celda (9) en el conector (10) ubicado en el panel trasero del equipo.
PUESTA EN MARCHA
1.- Conectar el equipo a la red de alimentación de 220 VCA.
2.- Colocarlo a tierra.
3.- Disponer la llave de rangos (3) en la posición "cero".
4.- Con la llave (15) del panel trasero encender el equipo apreciando este efecto en el
display (1).
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FISICOQUÍMICA
MEDICIÓN
1.- Determinar mediante un termómetro la temperatura de la muestra y fijarla en (2) en
el valor correspondiente en °C.
2.- Sumergir la celda en la muestra hasta cubrir con la misma los orificios superiores
tratando de que no apoye en el fondo del recipiente utilizado.
3.- Agitar suavemente.
4.-Pasar la llave de rangos a la posición en la cual la lectura sea la de mayor cantidad de
dígitos enteros posibles.
Ejemplo: en el rango x 103 se obtiene una lectura de 1,0 µS/cm; en el rango x102 se lee
10,2 µS/cm y en el rango x10 se obtiene una lectura de 102,6 µS/cm. Se tomará como
válida esta última. En este rango se comete el menor error dado que la lectura no
pertenece a los extremos de la misma como ocurre con las otras dos.
5.-Luego se debe operar la llave de frecuencia (4) de modo que si las lecturas obtenidas
son menores o iguales a 2.000 µS/cm la medida se efectuará con 300 c/s y si son
superiores a 2.000 µS/cm se operará con 3.000 c/s.
Esto puede provocar un cambio en la medición, pero se tomará como verdadera la
conductividad obtenida según se indicó.
6.-Si al seleccionar los rangos se obtiene en uno de ellos la lectura 1 en el dígito
extremo izquierdo indica sobrerrango o sea que la conductividad de la muestra supera la
escala posible en dicho rango. Se deberá proceder a pasar la llave de rangos al
inmediato superior.
7.-La lectura obtenida según se indicó multiplicada por el factor que indique la llave de
rangos dará el valor de la conductividad de la muestra en µS/cm a 20°C.
Esto será así si la celda empleada es la de constante 1 cm-1. De utilizarse otra celda se
deberá corregir el valor leído.
E.-CONSIDERACIONES SOBRE LA TEMPERATURA.
1.-El equipo se provee con el corrector manual de temperatura referido a la curva del
NaCl de 2,3 %/°C.
2.-El punto de la curva para el cuál fue calibrado este corrector es el de 20°C.
3.-Si se determinan muestras que poseen temperaturas distintas a este valor y se
posiciona el control °C en cada una de estas temperaturas, las lecturas serán referidas a
20°C.
4.-Si se desea saber el valor de la conductividad de la muestra a la temperatura de la
misma se deberá posicionar el control °C en el punto correspondiente a 20°C.
F.-LIMPIEZA Y CONSERVACIÓN
La celda (figura 7) posee electrodos de platino con una delgada capa de negro de
platino. Esta capa es sumamente delicada y no admite la limpieza con elementos
mecánicos factibles de deteriorarla.
112
FISICOQUÍMICA
Si se nota un deterioro
ioro de la superficie de negro de platino se procederá a replatinizar
los electrodos de la celda.
Figura 5
Figura 6
Figura 7
BALANZAS
Habitualmente en los laboratorios es necesario obtener medidas de masa. Para ello se
utiliza la balanza, que no es sólo
s lo un instrumento básico sino también el más preciso.
Pueden ser de diferentes tipos y modelos pero todas están constituidas básicamente por
una palanca de primer género que se encarga de comparar la masa de dos cuerpos
valiéndose de sus pesos. En el laboratorio clínico las balanzas pueden
pueden ser de dos tipos;
granatarias y analíticas. Enn general las balanzas granatarias
granatarias poseen una sensibilidad
sensib
de
113
FISICOQUÍMICA
0,1 g, carga máxima de 2610 g y son menos sensibles que las analíticas. Pueden ser
mecánicas (uno o dos platillos) ó electrónicas (un platillo). Algunos perfeccionamientos
recientes han permitido hacer más fácil y más rápido el empleo de las balanzas, pero no
se ha modificado los principios de su funcionamiento.
PRINCIPIO Y METODOLOGÍA DE LA DETERMINACIÓN
En las balanzas la operación de pesar, consiste en comparar una masa estándar (pesas)
con la masa del objeto. El proceso se basa en la ecuación de Newton que establece: P =
m. g. Este último valor, varía en los diferentes lugares de la superficie de la tierra, por lo
tanto el producto m. g también variará. En la igualdad anterior m se mantiene constante.
Al comparar el peso desconocido con los estándares conocidos de las pesas, se tiene
que: P estándar = m estándar . g; P objeto = m objeto . g
En estado de equilibrio g, actúa con el mismo valor tanto sobre las pesas como sobre el
objeto, de donde resulta: m estándar = m objeto y P estándar = P objeto
Por consiguiente cuando la masa de los dos cuerpos son iguales sus pesos también lo
son. Generalmente no se usa la expresión masa al emplear la balanza, sino la expresión
peso, y a su determinación se le denomina pesada. Para llevar a cabo la pesada se
utilizan recipientes adecuados (vidrios de reloj, cápsulas de porcelana, etc) aunque
también es posible emplear papel de filtro. En cualquier caso, lo primero que se debe
hacer es tarar el instrumento, posteriormente se adiciona la cantidad de sólido deseada,
se apaga y por último se limpia. Se debe instalar la balanza en un lugar libre de
vibraciones, flujo de aire y lejos de la radiación solar, siguiendo las instrucciones de
instalación del manual de usuario. Es importante seguir una serie de reglas para obtener
pesos exactos.
Seguir las indicaciones para pesar muestras en la balanza granataria (figura 8):
1. Nivelar la balanza usando los
tornillos niveladores verificando que
la burbuja de nivel esté al centro.
2. Conectar el equipo a un
tomacorriente estándar de 220 V.
3. Presionar una sola vez la tecla de
encendido/apagado ON/OFF para
prender el equipo.
4. Esperar que el equipo haga las
Figura 8
verificaciones de calibración automática
esto dura aproximadamente 20 segundos, durante ese tiempo no tocar el equipo.
5. Colocar sobre el plato de pesaje el papel o recipiente para pesar la muestra.
6. Presionar la tecla central para llevar a cero (tarar) el equipo
7. Agregar poco a poco la muestra a ser pesada sobre el papel o recipiente, utilizando
una espátula apropiada hasta alcanzar el peso requerido. Evitar en lo posible derramar la
muestra fuera del papel o soporte colocado sobre el plato de pesaje.
8. Si se excediera el peso que se requiere, retirar el papel o recipiente con la muestra,
sacar el exceso de muestra y volver a poner todo nuevamente sobre la balanza para
verificar el peso.
9. Retirar la muestra pesada, cuidadosamente y sin derramar.
10. Apagar la balanza presionando la tecla de encendido/apagado ON/OFF
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FISICOQUÍMICA
BALANZAS ANALÍTICAS
1.- INTRODUCCIÓN
La balanza analítica más común es la de un solo platillo cuya capacidad es de 100 a 200
g y su sensibilidad de 0,01 a 0,1 mg. Existen varios tipos de balanzas entre las más
frecuentes se tienen a las: mecánicas y electrónicas. Las pesas forman parte integrante
del instrumento, encontrándose suspendidas en la misma cuchilla que el platillo. A
diferencia de la balanza analítica manual los brazos de la cruz son de diferente longitud,
el corto soporta al platillo y a las pesas y el largo a un contrapeso. El movimiento de las
pesas se realiza haciendo girar botones que se encuentran fuera de la caja del
instrumento. Por su parte, las electrónicas poseen un solo platillo pero no contienen
pesas integradas y funcionan en base a campos electromagnéticos. Esta última balanza
tiene errores potenciales que no se observan en las mecánicas.
2.- PRINCIPIO Y METODOLOGÍA DE LA DETERMINACIÓN
En las balanzas analíticas mecánicas la pesada se
realiza quitando pesas incorporadas al
instrumento, en cantidad equivalente al peso del
cuerpo por pesar (métodos de pesadas por
sustitución). La cruz se vuelve a una posición
cercana a la original, y la desviación residual se
lee en la escala iluminada. En la balanza
electrónica
se
utiliza
una
acción
electromagnética para volver la cruz a su
posición original. La corriente eléctrica necesaria
para generar dicha acción es proporcional a la
masa del objeto que se pesa.
Manejo de la balanza analítica eléctrica
Sartorius (Figura 9)
1. Al efectuar las pesadas asegurarse que la
balanza este nivelada y el platillo limpio.
2. Desbloquear la balanza, espere a que la escala
proyectada este en reposo. Verificar que las
escalas que aparecen en la pantalla luminosa
marquen cero. Hacer coincidir el cero de la
escala iluminada (00) con el (0) del vernier
usando para ello la perilla lateral (1). Asegurarse
que la balanza esté descargada y sus dos puertas
Figura 9
de vidrio estén cerradas.
3. Girar la perilla (2) hacia delante. Se encenderá una luz en el panel de la balanza; y en
la escala se verá un valor, el cual se denomina prepesada y que corresponde al peso
aproximado del objeto.
4. Volver la perilla (2) al centro (posición de bloqueo)
5. Colocar dicho peso con los botones giratorios (3) destinados para las pesas, luego
proceder a mover la perilla (2) hacia atrás; en posición de pesada. Si la escala no
aparece mover los botones disminuyendo la masa.
115
FISICOQUÍMICA
6. Apagar la balanza y sacar el objeto pesado, colocar los botones en su posición
original (cero).
Nota
Con la balanza Sartorius las posiciones de la perilla para liberar el platillo (2) son las
siguientes: adelante (prepesada); centro (posición de bloqueo); y atrás (pesada). No
desbloquear la balanza en pesada si antes no se conoce el peso aproximado del objeto o
sustancia a pesar. No se añadirán o quitarán objetos a la balanza mientras se encuentre
desbloqueada.
Instrucciones para el uso de la balanza Cobos (Figura 10)
1. Asegurarse que la balanza este nivelada y el platillo limpio. La balanza dispone de un
nivel de burbuja en la parte superior. Para nivelar la balanza utilice los pies niveladores
(9).
2. Desbloquear la balanza, espere a
que la escala proyectada este en
reposo. Verificar que las escalas que
aparecen en la pantalla luminosa
marquen cero. Hacer coincidir el cero
de la escala iluminada (00) con el (0)
del vernier usando para ello la perilla
debajo de la base de la balanza en la
parte frontal (8). Asegurarse que la
balanza esté descargada y sus dos
puertas de vidrio estén cerradas.
3. Colocar cuidadosamente el objeto a
pesar en el plato utilizando una pinza
y cerrar las ventanas.
4. Llevar la perilla (7) a la posición
prepesada, de modo que en el visor
aparezca la micro-escala sobre fondo
verde.
5. Girar el mando (1) avanzando hasta
que los números de la micro-escala se
desplacen o desaparezcan, cuando
esto ocurra situar el mando en el
número anterior si la escala tiende a
bajar o en el posterior si tiende a
subir.
6. Continuar esta operación con los
Figura 10
mandos (2) y (3). Si en algún caso la
micro-escala no se desplazara, ponga el mando correspondiente en la posición 9 y
continúe la operación con el otro mando.
7. Cuando tenga los tres mandos colocados gire el mando (7) a la posición pesada y
espere a que se estabilice.
8. Cuando el objeto a pesar supere los 100 g accione el mando (4).
9. Para leer el resultado de la pesada actúe de la siguiente forma:
- Tome los dos números blancos de los mandos 1 y 2 situados frente a la flecha
- Coloque una coma decimal
- Tome el número de mando en rojo
116
FISICOQUÍMICA
- A continuación tome los dos números de la micro-escala móvil situados justo frente a
la raya que marca el 0 de la escala impresa en el visor.
- Por último tome el número de la escala impresa en el visor cuyo guión coincida sobre
el de la micro-escala móvil.
10. Pasar la perilla (7) a la posición bloqueo.
11. Descargar la balanza llevando todos los botones a cero.
Figura 11
Nota: Es conveniente bloquear la balanza para accionar los mandos (1) y (2).
PRECAUCIONES GENERALES PARA EL USO DE LAS BALANZAS:
Recuerde siempre:
− Después de haber pesado en la balanza debe dejarla descargada, cerrada, limpia y con
su cubierta de protección.
− Si una sustancia se derrama sobre el platillo o piso de la balanza, se debe limpiar
inmediatamente con mucho cuidado con un trapo ligeramente húmedo, sin detergentes
abrasivos.
- Los objetos a pesar deben estar a temperatura ambiente.
− Si en la balanza aparece que algo anda mal solicite la ayuda del profesor.
− Al pesar, mantenga siempre cerradas las puertas de vidrio para evitar que el material
absorba humedad y/o que el aire perturbe el equilibrio del platillo
CONFIABILIDAD ANALÍTICA
Siempre que sea posible, la habitación en donde se coloque la balanza debe tener sólo
un acceso, para que no pueda usarse como habitación de paso. Como puesto de trabajo
son particularmente idóneos los rincones de una habitación.
No colocar la balanza muy cerca de ventanas, pues existe el peligro de que los rayos
solares directos la calienten irregularmente. Lo mismo ocurre con los radiadores
próximos que, además de la radiación térmica directa, suelen producir corrientes de aire
bastante fuertes.
La mesa donde se coloque la balanza debe ser rígida de manera que no ceda o se incline
durante las operaciones de medida ó transmita un mínimo de vibraciones posible. Ser
antimagnética (no contener metales o acero) y protegida de cargas electrostáticas
La balanza no debe montarse cerca de acondicionadores de aire ni de ventiladores, los
cuales producen turbulencias del aire demasiado fuertes.
117
FISICOQUÍMICA
Lo más conveniente es una iluminación artificial, una habitación sin ventanas. Los
aparatos de iluminación deben estar instalados a suficiente distancia de la mesa de
pesar. Para evitar radiación térmica perturbadora, no deben instalarse lámparas de gran
potencia. Son recomendables los tubos fluorescentes
ESPECTROFOTÓMETRO
INTRODUCCIÓN
La espectrofotometría UV-visible es una técnica analítica ampliamente utilizada en los
laboratorios para el análisis cuantitativo de numerosos compuestos, debido
principalmente a su sencillez operativa y a la rapidez en el análisis. Permite determinar
la concentración de un compuesto en solución a partir de la cantidad de luz absorbida
por una muestra, en el rango del espectro del ultravioleta (UV) y visible (Vis) aplicando
la ley de Lambert-Beer. Se basa en que las moléculas absorben las radiaciones
electromagnéticas y a su vez que la cantidad de luz absorbida depende de forma lineal
de la concentración. Para hacer este tipo de medidas se emplea un espectrofotómetro, en
el que se puede seleccionar la longitud de onda de la luz que pasa por una solución y
medir la cantidad de luz absorbida por la misma.
Por ello, para generar datos confiables es de gran importancia la verificación previa del
funcionamiento del espectrofotómetro. Los principales parámetros a controlar en estos
equipos son: la exactitud de la longitud de onda, la exactitud y precisión fotométrica, la
linealidad fotométrica y la verificación de la luz difusa o parásita.
Si un haz de luz monocromático paralelo (I0) atraviesa una cubeta de b cm de paso
óptico, conteniendo una solución con una concentración (c) de una especie absorbente.
A causa de la interacción de la luz y de las partículas absorbentes la intensidad del haz
se atenúa de I0 a I.
La transmitancia (T) de la solución es entonces la fracción de la radiación incidente
transmitida por la solución:
"
!
"#
También puede expresarse en forma porcentual:
"
! % % 100
"#
A fin de obtener ecuaciones de ajuste lineal se utiliza su transformada logarítmica
conocida como absorbancia (A) de una solución y definida por la ecuación
"#
' log ! log
"
La absorbancia de una solución aumenta cuanto mayor es la atenuación del haz de luz,
ocurriendo lo inverso en la transmitancia. La absorbancia es directamente proporcional
a la longitud b de la trayectoria a través de la solución, y a la concentración c de la
especie absorbente. Estas relaciones se expresan en la ley de Lambert-Beer como:
'+,-
ε = absortividad molar expresada en L mol-1 cm-1
b = distancia recorrida a través de la solución (paso óptico) expresada en cm
c = concentración de la solución expresada en mol L-1
118
FISICOQUÍMICA
FUNDAMENTOS
Equipamiento
La mayoría de los instrumentos espectroscópicos, como el espectrofotómetro, están
constituidos por cinco componentes: lámpara o fuente luminosa, selector de longitud de
onda, celda para alojar la muestra, detector de radiación, y amplificador de señal con
medidor o registrador.
Los espectrofotómetros de la línea Metrolab, modelos RC 325 (Figura 12) son equipos
de lectura directa, simple haz con óptica a red de difracción y combinan un amplio
rango de aplicaciones con gran sencillez de operación.
Poseen un rango espectral de 330-990 nm, utilizando un sistema automático de
introducción de filtros antiluz espurea.
Figura 12
Manejo del espectrofotómetro Digital
1. Encender el instrumento y dejarlo calentar (no menos de 15 minutos)
2. Seleccionar la longitud de onda (1), se lee en la perilla (2).
3. Llevar el selector (5) a %T o A en función de lo que se desea determinar
3. Verificar el cero de %T. Colocar el cuerpo negro de tal forma que tape el haz de luz
(camino óptico) y fijarse que la señal luminosa coincida con el cero de la izquierda de la
escala, en caso de no coincidir mover el botón de cero (3) hasta que quede calibrado.
4. Calibrar a cero de absorbancia, 100% de transmitancía. En una celda colocar el
solvente, introducirla al porta celdas, tapar y ver que la señal coincida con el cero, si no
está calibrado mover el botón (4).
5. Una vez calibrado el instrumento colocar la muestra problema en una celda y hacer la
lectura en la escala seleccionada (%T o A).
Mantenimiento preventivo y cuidado
-
Debe limpiarse cualquier líquido volcado para evitar acción corrosiva de cetonas
sobre pinturas, perillas, panel de instrumentación, etc.
Cubra con la funda el equipo cuando no se halle en uso permanente, si no se usa
durante varios días, desconectarlo de la línea.
Nunca limpie las superficies ópticas reflectantes con paños, solventes.
Únicamente eche aire con una perita.
Coloque el equipo en lugares ventilados, libre de vapores corrosivos.
Evite la instalación cerca de estufas.
Colocar en mesas antivibraciones.
119
FISICOQUÍMICA
Protección de cubetas
-
-
Proteja las cubetas de rayaduras, nunca permita que se raspen entre sí, o contra
una superficie áspera
Evite aceites limpiadores que contengan elementos corrosivos, abrasivos o que
produzcan manchas. Asegúrese que las caras expuestas al haz luminoso estén
perfectamente limpias.
Siempre seque las caras ópticas con un trapo seco y libre de polvo (papel tissue)
Evite las pelusas e impresiones digitales. Tome siempre la cubeta del extremo
superior no expuesto al haz luminoso.
Asegúrese que no haya burbujas en las paredes interiores de la cubeta,
particularmente en soluciones frías.
Para mayor precisión y reproducibilidad use siempre cubetas de un mismo tipo.
Coloque las cubetas siempre en la misma posición respecto del
espectrofotómetro.
POLARÍMETRO
La polarimetría es una Técnica Analítica que tiene su fundamento en la interacción de
las radiaciones electromagnéticas con la materia, y puede definirse como el estudio de la
rotación de la luz polarizada por sustancias ópticamente activas y transparentes. La
actividad óptica rotatoria de una sustancia, tiene su origen en la asimetría estructural de
las moléculas. Luz polarizada es aquella que consta de radiaciones que vibran en un
solo plano.
Cuando un rayo polarizado atraviesa sustancias ópticamente activas, ocurre una
interacción entre las radiaciones y las moléculas de la sustancia ocasionando un giro del
rayo fuera de su plano de oscilación original ver (Figura 13). Sustancias ópticamente
activas son las que hacen girar el plano de vibración de la luz polarizada. Se dice que la
sustancia es dextrógira (o positiva, +) si el giro ocurre en el sentido de las agujas del
reloj para un observador que mira hacia la fuente de luz, y levógira (-) si el giro ocurre
en sentido contrario
Figura 13
El polarímetro es un instrumento que sirve para medir la rotación óptica producida
por un líquido o una solución.
120
FISICOQUÍMICA
PRINCIPIO DE MEDICIÓN.
El principio de medición puede explicarse observando la Figura 14.
Un haz de luz monocromático (generalmente se utiliza la línea amarilla del sodio
de λ= 5890 Å - 5896 Å ó para trabajos de mayor precisión se puede usar la línea verde
de mercurio de λ=5461 Å) es polarizado linealmente.
La luz polarizada pasa a través de la solución, si ésta contiene una sustancia
ópticamente activa produce la rotación del plano de vibración de la luz polarizada.
Luego el haz de luz atraviesa un segundo polarizador llamado analizador y finalmente
llega al ocular.
Figura 14
La rotación del plano de vibración de la luz polarizada producida por una sustancia
ópticamente activa se determina por aquel ángulo que hace falta girar el analizador
hasta obtener un campo visual de aspecto uniforme, lo mismo que antes de interponer la
sustancia rotatoria.
Si el analizador se mueve en el sentido de las agujas del reloj la sustancia es
dextrógira y sino levógira.
La posición cero del analizador es aquella en la que los dos polarizadores están
formando un ángulo de 90° y no pasa la luz.
Si se coloca entre ellos una sustancia ópticamente inactiva el campo aparece oscuro y
si la sustancia presenta actividad óptica la luz es transmitida.
El brillo máximo en el ocular se observa cuando la dirección de paso relativo de los
dos polarizadores es paralela.
Normalmente se trabaja con brillo mínimo de manera que un pequeño cambio en la
intensidad luminosa produce un gran cambio relativo.
Las sustancias ópticamente activas producen rotación del plano de polarización y por
lo tanto si entre los dos prismas se coloca una sustancia que hace girar el rayo
polarizado un ángulo B, el prisma analizador se deberá girar B grados más para que
nuevamente refleje totalmente el rayo, o sea que si el observador está frente al prisma
analizador, deberá girarlo hasta que no vea nada de luz, y luego leer el ángulo girado.
Como el ojo humano es mejor para igualar intensidades de luz, que para definir cuando
hay oscuridad total, se usan los llamados dispositivos de media sombra para facilitar la
medición. Estos son de diferentes tipos y funcionan polarizando la mitad del haz
121
FISICOQUÍMICA
luminoso en determinado plano y la otra mitad en un plano ligeramente diferente. Luego
si el observador gira el prisma analizador para que refleje totalmente la mitad del haz,
pasará algo de la otra mitad, verá la mitad del campo óptico oscura, y la otra un poco
iluminada, girando muy poco más, reflejará la segunda y pasará algo de la primera.
Devolviéndolo muy lentamente encontrará un punto intermedio en el que el campo
óptico esta uniforme y débilmente iluminado
CARACTERISTICAS DEL POLARÍMETRO DE CÍRCULO CARL ZEISS
JENA.
Construcción óptica
La construcción óptica del polarímetro de círculo se muestra en la Figura 15.
Figura 15
La luz que parte de la lámpara espectral de sodio (1) llega a la lente de iluminación
(2) y después de atravesar el filtro de cristal de color (3) se polariza por el filtro
polarizador (4) de tal modo que la luz saliente de la placa de Laurent (5) forme con su
dirección de polarización un ángulo de penumbra de unos .
La muestra a medir se encuentra en un tubo polarimétrico (6). El filtro analizador (7)
está fijamente unido con el plano del círculo graduado y de los nonios (11) y puede
girarse con el accionamiento (12). El ángulo de rotación se lee a través de las lupas (10),
sin necesidad de mover la cabeza, sino solamente el ojo observador.
El campo visual se observa con un anteojo cuyo objetivo (8) y ocular (9) dan un
aumento de unas dos veces.
Entre polarizador y analizador no existe ninguna óptica refractiva que pudiera variar
el estado de polarización.
Desde luego las ventanillas de los tubos polarimétricos tienen que estar colocadas
libres de tensión por el peligro de producirse birrefringencia perturbadoras, puesto que
el campo visual se observa a través del tubo polarimétrico, entonces llega a variarse la
nitidez (antes enfocada con ayuda del ocular), al interponerse un tubo polarimétrico, por
la influencia del índice de refracción de la sustancia a examinar.
122
FISICOQUÍMICA
Campo visual tripartido
Al mirar a través del ocular, teniendo encendida la lámpara de sodio se verá un
campo luminoso circular dividido en tres sectores, de color rojo amarillento.
Al girar el analizador los dos sectores exteriores llegan a oscurecerse y aclararse
siempre al mismo tiempo y uniformemente, mientras que la parte del medio muestra una
variación de claridad contraria (Figura 16).
Dos líneas nítidas separan la parte del medio de los dos sectores exteriores.
Esta tripartición permite un enfoque fácil del ángulo de rotación. Hay dos posiciones del
analizador separadas 90° entre sí en las cuales aparecerá la parte del medio con la
misma claridad que los dos sectores exteriores. En una de las dos posiciones (la más
clara) la sensibilidad de enfoque es muy reducida y en la otra (la más oscura) la
densidad luminosa de las partes del campo visual cambia rápidamente en sentido
contrario, de modo que en este caso el enfoque a igual densidad luminosa puede
efectuarse con mucha exactitud. En esta "posición de penumbra sensible” se trabaja con
el polarímetro. Por giro del analizador, las mitades del campo visual se igualan de tal
manera que las líneas de separación desaparezcan casi completamente.
1- Posición no balanceada
(parte central oscura)
2- Posición
Balanceada
(igual iluminación en todo
el campo)
3- Posición no balanceada
(partes laterales oscuras)
Figura 16
Construcción mecánica y accesorios de observación.
El círculo graduado va provisto de una graduación angular de dos veces 180°.
Un nonio dividido en 20 partes permite la lectura de la graduación angular del
intervalo de 1° con una precisión de 0,05 (Figura 17). La lectura de la graduación
angular se hace con ayuda de dos lupas que están fijadas en el cabezal ocular por ambos
lados del ocular de observación. De este modo es posible hacer inmediatamente la
lectura del valor de medición después de haber efectuado el enfoque. Por lo general es
recomendable tomar como valor de medición siempre el promedio de las lecturas
efectuadas en ambas mitades del círculo graduado (a la izquierda y a la derecha), a pesar
de que los errores del círculo graduado son inferiores a la precisión de lectura.
Puesto que una temperatura de 20°C ha de considerarse como temperatura normal
del cuarto, a la cual han de referirse los valores de rotación, y como a esa temperatura la
dependencia de la rotación con la temperatura es muy pequeña (inferior a 0,005 (T-20),
se puede prescindir de una termorregulación particular del aparato.
Los tubos polarimétricos son tubos cilíndricos de porcelana que están ensanchados
en sus extremos para recoger burbujas de aire eventualmente existentes.
El tubo está cerrado por medio de ventanillas de cristal plano paralelas que se fijan
con anillos roscados, un anillo de goma entre ventanilla y anillo roscado sirve para
amortiguar la presión.
123
FISICOQUÍMICA
Figura 17
Instrucciones para el uso
Enfoque nítido del campo visual
Para mediciones exactas es importante efectuar la determinación del ángulo de
rotación solamente con líneas divisorias visibles con nitidez. A tal efecto el manguito
ocular moleteado se gira hasta que las líneas aparezcan con nitidez.
Enfoque del analizador y lectura del valor de medición.
El campo visual tripartido se enfoca a igual densidad luminosa por giro del disco de
accionamiento del analizador. Para el enfoque se retrogira siempre a la misma claridad,
hasta haber logrado la posición más sensible, lo que se reconoce en su sombreado y en
el cambio rápido de las claridades durante los giros más pequeños del analizador.
La lectura del enfoque del analizador se hace en la escala graduada con ayuda de los
nonios I y II (ver Figura 17).
Enfoque y lectura se efectúan con el tubo polarimétrico lleno con agua destilada y
luego lleno con la sustancia ópticamente activa. Se hace la lectura de los grados enteros,
detrás de los cuales se encuentra el trazo cero del nonio y se agrega el número de los
décimos y medios grados determinando a tal objeto, qué trazo del nonio coincide con un
trazo de la graduación.
Ejemplo para la posición del nonio I (Figura 18)
Figura 18
El trazo cero del nonio se halla entre los trazos 3 y 4 de la graduación, el trazo del
nonio indicador de 0,65 coincide con un trazo de la graduación, por consiguiente se
hace la lectura + 3,65°.
124
FISICOQUÍMICA
Al tratarse de rotaciones pequeñas es suficiente usar el nonio I. El nonio II sirve para
eliminar una excentricidad eventualmente existente en los círculos y para reducir el
error de medición fotométrica. El nonio II se utiliza para rotaciones grandes, tomando el
promedio de las dos lecturas efectuadas en los nonios I y II.
Es recomendable repetir varias veces los enfoques y lecturas para formar del
resultado el promedio correspondiente, con lo cual se logra una precisión de medición
de error de 0,05°.
Al tener sustancias muy coloreadas y poco transparentes debe efectuarse la medición
en el cuarto oscurecido. Si esta medida no da resultado hace falta usar un tubo más corto
o diluir la solución, siempre que esto sea posible sin variar las propiedades.
Definición y relación de las magnitudes de medición
El ángulo de rotación medido depende de la naturaleza de la sustancia atravesada por
los rayos, del espesor y la temperatura, así como de la longitud de onda de la luz
utilizada. En disoluciones depende además de la concentración.
Instrucciones de manejo:
a. Se conecta el estabilizador
a la línea. (cerciorarse que el
voltaje es el adecuado 220 V).
b. Se prende la lámpara
colocando el interruptor en la
posición de encendido, la
lámpara espectral de sodio se
debe iluminar débilmente. Se
deja calentar durante 15
minutos.
c. Se llena el tubo de
observación
con
agua
destilada, (el tubo tiene una
ventana de vidrio en cada
extremo y dentro de él se
coloca la solución a analizar.
Figura 19
con las siguientes precauciones:
- Se quita cuidadosamente la tapa de uno de los extremos, ya que el vidrio que posee
viene generalmente suelto y puede caerse.
- Se llena completamente el tubo, colocando un poco más de líquido hasta que rebalse.
- Se tapa deslizando el vidrio sobre el extremo del tubo lentamente, para que salga el
aire retenido. Se ajusta la tapa pero sin hacerle mucho esfuerzo.
- No deben quedar burbujas de aire en el tubo. Se seca externamente el tubo con un
papel suave, que no deje motas, antes de llevarlo al instrumento.
d. Se ubica el tubo de observación en el instrumento y se cierra la tapa del
compartimiento.
e. Se debe verificar que la lámpara de sodio este bien enfocada hacia el Polarímetro.
f. Mirando por el ocular y ajustando el anteojo se enfoca el campo óptico hasta verlo
nítido.
125
FISICOQUÍMICA
g. Se gira la perilla de medición localizando el punto alrededor del cual ocurren los
cambios que se indican en la figura 16
h. Con el control de enfoque (12 figura 15), se ajusta el anteojo para ver nítido el campo
y con la perilla de medición se ubica el punto de balance del campo óptico.
i. Se lee el ángulo de giro Β, en el Círculo de graduación. Las décimas de grado las lee
en el nonio, buscando la línea del nonio que coincide con una línea del círculo de
graduación (figura 17). Para facilitar la lectura se hace uso de las pequeñas lupas (10
figura 15) dispuestas a lado y lado del ocular.
REFRACTÓMETRO
PRINCIPIO Y METODOLOGÍA DE LA DETERMINACIÓN
Cuando un rayo de luz pasa oblicuamente de un medio a otro de
densidad diferente, su dirección, cambia al atravesar la superficie
que los separa (Figura 20a). A esto se le llama refracción. El
índice de refracción que se simboliza por la letra (n) es igual a la
relación de la velocidad de la radiación en el vacío (C), con
relación a la velocidad de la radiación en el medio i, (Vi) valor
que es constante a una longitud de onda (λ) y a una temperatura
dada, . /
01
234# 536 á4896# 53 :4/:534/:; <=
234# 536 á4896# 53 >3?>;//:ó4 <A . Si el ángulo
incidencia se aumenta a un valor para el que la refracción sea de
90°, el haz de luz ya no pasará del primer medio al segundo, sino
que viajará a través del primer medio y entonces pasará a lo largo
de dicha superficie, formando así un ángulo de 90° con la
perpendicular a la superficie. Este se llama rayo crítico (Figura
20b) y proporciona la base para la línea de referencia empleada
en la lectura de varios refractómetros.
DESCRIPCIÓN DEL REFRACTÓMETRO
Figura 20
El refractómetro es un aparato que permite medir de un modo
sencillo y directo, sin necesidad de ningún tipo de cálculo, el índice de refracción de un
fluido. Consiste básicamente de dos prismas para refractar la luz, un juego de lentes, un
ocular y una escala (Figura 21).
El campo del ocular del refractómetro, está dividido en dos partes, siendo una de ellas
iluminada y la otra sin iluminación. La separación que hay entre dichas partes
corresponde al rayo crítico. El refractómetro está compuesto por 2 prismas (P1 y P2). La
luz pasa a través de la muestra (de 0,1mm de grosor) de la que queremos hallar el índice
de refracción, y entra en el prisma de refracción P2. El prisma P1 sirve para que pase la
mayor cantidad de luz posible por la muestra. La radiación que únicamente roza la
superficie del prisma P2 difícilmente penetra en el prisma, y cuando entra, forma un
ángulo_ con la línea perpendicular a su superficie. Dicho ángulo se denomina ángulo
crítico (o límite). Todos los rayos de luz que penetran en el prisma P2, forman un
ángulo mayor con la superficie que el rayo crítico, y por lo tanto iluminarán la zona de
la derecha en el ocular. La zona de la izquierda permanece oscura debido a que no
existen rayos que se refracten con un ángulo superior al del rayo crítico. De esta forma
el refractómetro mide el índice de refracción de la solución. En la actualidad algunos
126
FISICOQUÍMICA
estudios han permitido establecer la relación entre el índice de refracción y otras
medidas, de tal manera, que algunos refractómetros tienen otros tipos de escalas.
Ejemplos de ellos son los que pueden determinar densidad (orinas y otros líquido),
proteínas totales, sólidos totales etc. de tal manera que los refractómetros tienen una
amplia aplicación tanto en la industria (farmacéutica, alimenticia, lubricantes,
manufactura de líquidos, petroquímica, solventes químicamente puros, plásticos,
biología marina) como en la medicina.
Figura 21
DATOS TÉCNICOS DEL REFRACTÓMETRO ABBÉ
Rango de medición: 1,3 a 1,7
Índice de refracción para rango 1,3 a 1,42 = 0,0004
Índice de refracción para rango 1,42 a 1,7 = 0,002
Graduación de la escala = 0,001
Constantes del refractómetro: w = 61º41’
ND = 1,75496
MEDICIONES
1- Se limpia la superficie de los prismas con un trapo limpio embebido en alcohol
puro.
2- Con una varilla de vidrio se coloca de 2 a 3 gotas de solución en el centro de la
superficie del prisma
3- Bajar cuidadosamente el prisma secundario y apretarloo sobre la superficie de
medición
4- Observar por el ocular, dirigir la ventanilla de iluminación hacia una fuente de
luz.
5- Se gira la perilla de compensación de color hasta que aparezca una línea
l
clara y
definida en el campo de visión
6- Gira la perilla de medición
ión alineando la
línea
nea delimitadora con las líneas
l
de
intersección (Figura 22)
7- Leer en la escala superior el índice
í
de
refracción
Figura 22
Cuidados:
1- Limpiar la muestra del prisma con un pedazo de papel o algodón limpio y
mojado.
127
FISICOQUÍMICA
2- Líquidos de fuerte absorción (oscuros) se deben probar con luz reflejada. Con
ese fin a la ventanilla del prisma de cobertura se cubre con una tapa y el espejo
se mueve para que ilumine la parte inferior del prisma refractor.
3- De ser necesario llevar a cabo mediciones a temperatura constante se debe
emplear un termostato.
4- Cubrir el prisma con la tapa con cuidado.
BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA EN LA ELABORACIÓN DE LA GUÍA PARA EL
TRABAJO EXPERIMENTAL.
-QUÍMICA FÍSICA PRÁCTICA DE FINDLAY, B. P. Levitt. Ed. Reverté, España
(1979)
-EXPERIMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY, Shoemaker, Garland and Nibler. Ed.
Mc. Graw Hill (1996)
- CURSO DE FISICOQUÍMICA EXPERIMENTAL, F. Daniels. Ed. Mc. Graw Hill,
Columbia (1980)
-L. Nicholson, J. Chem. Educ., 66 (9) 725 (1989)
128