UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

LABORATORIO DE QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL I

Práctica N°: 1 Fecha de entrega: Viernes 31 de octubre 2014

TEMA: DENSIMETRÍA

OBJETIVOS: Familiarizarse con diversos métodos densimétricos para el análisis cuantitativo de diversas

sustancias. Conocer cómo se debe trabajar con un picnómetro. Conocer el uso de la balanza de Westphal Conocer el uso de los densímetros, alcoholímetros, aerómetros etc. Determinar la densidad de varias soluciones Determinar la concentración de una muestra en solución, midiendo la densidad relativa por

varios métodos:a) Picnométrico. b) Balanza de Westphal.c) Densímetrosd) Balanza hidrostática

Integrantes: Martínez Jonathan Grupo: 5Torres Yessenia Día: viernesVega Ismael Hora: 9h00-12h00

1. REPORTE DE DATOS:1.1. Datos experimentales:

Tabla 1.1. Determinación del peso del picnómetro con agua, al vacío y con las diferentes soluciones.

Wpic. (g)Wpic. + Agua

(g)Wpic. + Sol. 2%

(g)Wpic. + Sol. 4%

(g)Wpic. + Sol. 8%

(g)Wpic. + Sol. 12%

(g)Wpic. +

Muestra (g)

A±0,0001 A±0,0001 A±0,0001 A±0,0001 A±0,0001 A±0,0001 A±0,0001

1 11,9367 24,1316 24,3098 24,4658 24,7971 25,1338 24,5516

2 11,9367 24,1547 24,3085 24,4466 24,8012 25,1384 24,5514

3 11,9367 24,1332 24,3020 24,4480 24,7958 25,1391 24,5504

4 11,9367 24,1327 24,3028 24,4466 24,7948 25,1319 24,5541

x 11,9367 24,1381 24,3058 24,4518 24,7972 25,1358 24,5519Elaborado por: Vega y otros.

Tabla 1.2. Densidad de las diferentes soluciones con los densímetros.

Solución

LecturaAgua 2,00% 4,00% 8,00% 12,00% Muestra

A±0,0005 A±0,0005 A±0,0005 A±0,0005 A±0,001 A±0,0005

1 0,9995 1,0140 1,0265 1,0530 1,078 1,0345

2 0,9995 1,0140 1,0265 1,0535 1,079 1,0340

3 0,9995 1,0140 1,0265 1,0535 1,078 1,0340

4 0,9995 1,0140 1,0265 1,0530 1,078 1,0340

x 0,9995 1,0140 1,0265 1,0535 1,078 1,0340

Elaborado por: Torres y otros.

2. CÁLCULOS Y RESULTADOS:2.1. Cálculos modelo:

2.1.1.Cálculo de la densidad relativa y absoluta por el método del picnómetro:

En la solución del 2.00%:

Dt 2

t 1=W 3−W 1

W 2−W 1

=W 3−W 1

W

Dt 2

t 1=24,3098 g−11,9367 g24,1316 g−11,9367 g

Dt 2

t 1=1,0146

DENSIDAD RELATIVA

  Sol. 2% Sol.4% Sol.8% Sol.12 Muestra

1 1,0146 1,0274 1,0546 1,0822 1,0344

2 1,0126 1,0239 1,0529 1,0805 1,0325

3 1,0138 1,0258 1,0543 1,0825 1,0342

4 1,0139 1,0257 1,0543 1,0819 1,0346

ρt1=D t2

t1 . ρH2O

t1

ρt1=1 ,0146 x 0 ,99876 [g /ml ]ρt1=1 ,0124 [ g/ml ]

DENSIDAD ABSOLUTA

  Sol. 2% Sol.4% Sol.8% Sol.12 Muestra

1 1,0124 1,0252 1,0523 1,0799 1,0322

2 1,0104 1,0217 1,0507 1,0782 1,0303

3 1,0117 1,0236 1,0521 1,0802 1,0320

4 1,0118 1,0235 1,0520 1,0796 1,0323 x 1,0116 1,0235 1,0518 1,0795 1,0317

Densidad del agua a 22°C: 0,99786[g/ml]

2.1.2.Cálculo de la densidad absoluta con los densímetros: En la solución del 2.00%:

ρt 1=δ t2

t1 (experimental ) . ρH 2Ot1

ρ22 °C=1,0140¿¿ρ22 °C=1,0118 ¿¿

DENSIDAD ABSOLUTA

  Agua Sol.2% Sol.4% Sol.8% Sol.12% Muestra

1 0,9974 1,0118 1,0243 1,0507 1,0757 1,0323

2 0,9974 1,0118 1,0243 1,0512 1,0767 1,0318

3 0,9974 1,0118 1,0243 1,0512 1,0757 1,0318

4 0,9974 1,0118 1,0243 1,0507 1,0757 1,0318

x  0,9974 1,0118 1,0243 1,0510 1,0759 1,0319

2.1.3.Cálculo de la concentración de la muestra con el método del picnómetro:A partir de la ecuación:

ρ22=0,00685 % P/V +0,997 1

%P /V= ρ22−0,997 10,00685

%P /V=1,0317−0,997 10,00685

=5,0511 %

%P /P=%P /V ×1

ρ solución

%P /P=5,0511×1

1,0317=4,8959 %

Densidad de NaCl: 2,165g/ml

%V /V=%P /P× ρsolución×1

ρ soluto

%V /V=4,8959×1,0317×1

2,1650=2,3331 %

2.1.4 Cálculo de la concentración de la muestra con los densímetros:A partir de la ecuación:

ρ22=0,006525 % P/V +0,9981

%P /V= ρ22−0,99810,006525

%P /V=1,0319−0,99810,006525

=5,1801 %

%P /P=%P /V ×1

ρ solución

%P /P=5,1801×1

1,0319=5,0199 %

Densidad de NaCl: 2,165g/ml

%V /V=%P /P× ρsolución×1

ρ soluto

%V /V=5,0199×1,0319×1

2,1650=2,3926 %

2.1.4.Cálculo estadístico:2.1.4.1. Método del picnómetro

ρ=∑ Xi

n=1,0317 g/ml

Sρ=±√∑ ( X i−X )2

n−1=9,4163×10−4g /ml

%=∑ Xi

n=5,0511%

ρ=(1,0317±9,4163×10−4)g /ml%P /V=5,0511%

2.1.4.2. Método de los densímetros

ρ=∑ Xi

n=1,0319 g/ml

Sρ=±√∑ ( X i−X )2

n−1=2,500×10−4 g/ml

%=∑ Xi

n=5,0199 %

ρ=(1,0319±2,500×10−4) g/ml%P /V=5,0199 %

2.1.4.3. Cálculo de la sensibilidad y el límite de detección.

Método del picnómetro:

KS=dρdC

=0,00685

LD=3SblK S

=3(9,4163×10−4)

0,00685=0,4120

Método del picnómetro:

KS=dρdC

=0,006525

LD=3SblK S

=3(2,500×10−4)

0,006525=0,1149

2.1.4.4. Ajuste de los datos experimentales a una recta del tipo δ=δ 0+K sC

ρ22=0,00685 % P/V +0,9971ρ22=0,00685 (2,0 )+0,9971=1,0108ρ22=0,006525 % P/V +0,9981

ρ22=0,006525 (2,0 )+0,9981=1,01122.2. Presentación de Resultados:

Tabla 1.3 Datos calculados de densidades para los estándares y la muestra, obtenidos con el método del picnómetro.

Solución δ 22 ρ22 , g /ml %P/V %P/P %V/V

2% 1,0137 1,0116 2,1168 2,0925 0,9777

4% 1,0257 1,0235 3,8540 3,7655 1,7801

8% 1,054 1,0518 7,9854 7,5921 3,6884

12% 1,0818 1,0795 12,0292 11,1433 5,5562

MUESTRA 1,0339 1,0317 5,0511 4,8959 2,3331

Tabla 1.4. Datos calculados de densidades para las soluciones de NaCl y concentración de la muestra por densímetros:

Estándar δ 22 ρ22 , g /ml %P/V %P/P %V/V

2% 1,0140 1,0118 2,0996 2,0751 0,9698

4% 1,0265 1,0243 4,0153 3,9201 1,8547

8% 1,0533 1,0510 8,1073 7,7139 3,7447

12% 1,0783 1,0759 11,9234 11,0822 5,5073

MUESTRA 1,0341 1,0319 5,1801 5,0199 2,3926

Tabla 1.5. Cálculos de los valores ajustados de la densidad para todos los métodos.

%P/P δ 22¿ δ 22¿

Picnómetro Densímetro Picnómetro Densímetro

0,0 0 0,9995 0 0

2,0 1,0116 1,0118 1,0108 1,0112

4,0 1,0235 1,0243 1,0245 1,0242

8,0 1,0518 1,0510 1,0519 1,0503

12,0 1,0795 1,0759 1,0793 1,0764

3. CURVA DE CALIBRACIÓN:

3.1. Densidad relativa vs concentración por el método de picnómetros:

0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14%00.960

00.980

01.000

01.020

01.040

01.060

01.080

01.100

f(x) = 0.684745762711863 x + 0.997091525423729R² = 0.999390505030936

Densidad Absoluta, g/ml

3.2. Densidad relativa vs concentración por densímetros:

0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14%00.940

00.960

00.980

01.000

01.020

01.040

01.060

01.080

01.100

f(x) = 0.652910120689655 x + 0.998135271724138R² = 0.999571641402908

Densidad Absoluta, g/ml

4. DISCUSIÓN:- Al realizar la comparación entre ambos métodos, se puede inferir en que el método del densímetro es

más sensible que el método del picnómetro, ya que éste posee un límite de detección de 0,4120 lo cual brindara una mejor apreciación al momento de establecer la densidad de una solución.

- Una de las fuentes principales de error en el presente experimento es la temperatura variable del sistema ya que esta afectara de manera directa a los resultados obtenidos, pese a esto la variación respecto a los valores teóricos de la densidad del agua(TABLA ANEXADA "DENSIDAD DEL AGUA A VARIAS TEMPERATURAS") no difieren en gran medida.

- El picnómetro usado en esta experimentación no fue estandarizado a la temperatura a la cual su volumen contenido era exacto lo cual sugiere una fuente de error aleatorio que se minimiza al usar en todas las determinaciones el mismo picnómetro.

5. CONCLUSIONES:- Se conoció el uso de los densímetros y el picnómetro para medir la densidad de las soluciones.- Se determinó las siguientes densidades: en la solución de concentración del 2% fue 1,0116; de

4%:1,0235, de 8%:1,0518, de 12%:1,0795 por el método del picnómetro.- Se determinó las siguientes densidades: en la solución de concentración del 2% fue 1,0118; de

4%:1,0243, de 8%:1,0510, de 12%:1,0759 por el uso del densímetro.- La concentración de la muestra desconocida determinada por el método del picnómetro es 5,0511% y

por los densímetros es 5,0199%, por lo que se aprendió a determinar la densidad de la misma

obteniéndose un valor de (1,0317±9,4163×10−4)g /ml y 10−4 ¿g /ml respectivamente.

6. CONSULTA:6.1. Definiciones:- Densidad absoluta: Aquella que expresa la masa por unidad de volumen, es una propiedad intensiva

de la materia producto de dos propiedades extensivas e intensivas.

Unidades: d=mv [ g

cm3,kg

m3,lb

ft3 ]- Densidad relativa: Es una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad de otra que

se toma como referencia. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades.

6.2. Principio de Arquímedes:

Arquímedes buscando descubrir una forma de medir la densidad de los cuerpos descubrió el siguiente principio: “Todo cuerpo sumergido en el seno de un fluido, sufre una fuerza ascendente (empuje) cuyo valor es igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo.” Podremos determinar que entonces el cuerpo reaccionará sobre el agua con idéntica fuerza y sentido contrario. Si colocamos el vaso de agua sobre una balanza, podremos medir el mE -exceso de masa que la balanza registra, cuando se introduce el cuerpo en el agua. El método de Arquímedes está vinculado al cálculo de la densidad de diversos objetos que se encuentran en la naturaleza. La densidad se define como la masa por unidad de volumen y es una propiedad intensiva de los cuerpos, a saber, que no depende de la cantidad de materia de los mismos. Cada elemento de la naturaleza tiene una densidad que le es característica y única.

Métodos para determinar la densidad: densímetro y método de la probeta.

6.3. Relación entre densidad-concentración y temperatura para mezclas binarias.

Relación entre densidad y concentración:Al agregarle más soluto a un disolvente cambiará la composición de las partículas en un volumen dado de solución. Esto resulta en un cambio de la masa por unidad de volumen de la solución (densidad).Mantienen una relación lineal, es decir:

Densidad= b + a (concentración)Relación entre densidad y temperatura:La densidad de sustancias sólidas y liquidas varia en cantidades muy pequeñas con la temperatura, por lo cual generalmente se considera constante en un rango de temperatura de 0°C a 30°C. En cálculos muy precisos se debe considerar que la densidad disminuye al aumentar la temperatura, esto se debe a la dilatación o aumento de volumen que experimentan las sustancias al ser calentadas.

6.4. Conversiones:

El porcentaje peso en peso (p/p o m/m) indica la masa de soluto por masa de solución. Así, una solución 15% m/m tendrá 15 gramos (o kilos, etc.) de soluto en cada 100 gramos (o kilos, etc.) de solución. Si se desea convertir los gramos de solución a ml, se deberá conocer la densidad de la solución esto para obtener una solución % P/V y se deberá conocer la densidad del soluto para convertirlo en volumen y obtener %V/V. (Figura 1)

Figura 1. Esquema de conversión. Fuente: (Mati, 2013)

6.5. Diseño y funcionamiento de los instrumentos:6.5.1. Picnómetro

DISEÑO: frasco con un cierre sellado de vidrio que dispone de un tapón provisto de un finísimo capilar, de tal manera que puede obtenerse un volumen con gran precisión.FUNCIONAMIENTO: El picnómetro de volumen conocido (Vp), se pesa vacío (wp), luego se llena completamente (incluido el capilar) con el líquido cuya densidad se desea determinar y finalmente se pesa (wpl). Con estos datos se puede calcular la densidad del líquido:

PRECAUCIONES: - los picnómetros no deben calentarse por que causa modificaciones permanentes de su volumen - Una vez limpio el picnómetro no tocarlo con los dedos. - No deben quedarse burbujas visibles en el picnómetro. - el líquido desconocido debe estar a la temperatura ambiente.

6.5.2. Balanza de Westphal DISEÑO: consta de un armazón o montura ajustable en altura sobre el que se apoya una varilla segmentada en dos brazos. El brazo más corto termina en una pesa compacta fija, provista de una aguja que debe

enfrentarse con otra aguja fijada al armazón para obtener el equilibrio. Del extremo del brazo largo pende, mediante un hilo delgado y ligero, un inmersor de vidrio que suele llevar incorporado un termómetro para medir la temperatura del líquido cuya densidad se desea medir. En el brazo largo hay marcadas diez muescas, numeradas del 1 al 10. La balanza dispone de un juego de cinco jinetillos o reiters, dos grandes que, aunque diferentes en forma y

función, tienen el mismo peso, y otros tres más pequeños, cuyos pesos son la décima, la centésima y la milésima de aquellos, respectivamente.FUNCIONAMIENTO:1.- Una vez montada la balanza, cuelgue el inmersor, limpio y seco, del gancho que hay en el extremo del brazo largo. La balanza debe quedar equilibrada. Si no es así, actúe con los tornillos A y B hasta conseguir que las dos agujas queden a la misma altura.2.- Llene la probeta con agua destilada y, elevando la parte móvil de la balanza (tornillo T) si fuera preciso, coloque el inmersor dentro del agua destilada, de modo que quede completamente sumergido, sin tocar el fondo ni las paredes. Si quedasen burbujas de aire adheridas al inmersor, éste debe sacudirse ligeramente para que se desprendan.3.- La balanza se habrá desequilibrado. Para restablecer el equilibrio, vaya colocando los reiters, sirviéndose de las pinzas, empezando por los mayores y ensayando cada uno de ellos en las distintas muescas, empezando en la diez y en sentido decreciente. Si al ensayar con un reiter, su peso resulta excesivo en una división y deficiente en la contigua, déjese en esta última y comience a ensayar con el reiter siguiente. Proceda de esta forma hasta conseguir equilibrar la balanza. Anote entonces el valor de ρa’ así obtenida.4.- Lea la temperatura que marca el termómetro del inmersor y anótela. Consultando una tabla de densidades del agua pura a distintas temperaturas, anote la densidad del agua ρa a esa temperatura. El cociente f = ρa/ρa’ es el factor de corrección instrumental de la balanza. Calcúlelo, junto con su error.5.- Descargue la balanza y saque el inmersor del agua. Límpielo y séquelo con cuidado y vuelva a colgarlo de nuevo.6.- Vacíe, limpie y seque cuidadosamente la probeta y llénela con uno de los líquidos problema.7.- Sumerja el inmersor en el líquido problema y proceda, como antes, a determinar su densidad. Sea ρ’ el resultado obtenido. Anótelo.8.- Aplique el factor de corrección instrumental f, obtenido en el punto 4, de modo que la verdadera densidad determinada del líquido problema es ρ = f ρ’. Anote el resultado.PRECAUCIONES: - Procurar no dejar burbujas en el inmersor – Procurar que el inmersor no toque las paredes de la probeta – Debido a que la tensión superficial influye en la medida tratar de sumergir al inmersor de la misma manera en todas las mediciones – Observar la temperatura a la que se calibra el instrumento con agua.

6.5.3. Densímetros DISEÑO: está hecho de vidrio y consiste en un cilindro hueco con un bulbo pesado en su extremo para que pueda flotar en posición vertical.FUNCIONAMIENTO: Él densímetro se introduce vertical y cuidadosamente en el líquido hasta que flote libre y verticalmente. A continuación, se observa en la escala graduada en el vástago del densímetro su nivel de hundimiento en el líquido; esa es la lectura de la medida de densidad relativa del líquido.PRECAUCIONES: - Se debe tener cuidado con los líquidos menos densos porque el densímetro de hundirá totalmente pudiendo llegar al fondo del recipiente del líquido y llegar a romperse.

6.6. Hidrómetro y balanza hidrostática:

Hidrómetros.- Su funcionamiento se basa en el principio hidrostático del matemático e inventor griego Arquímedes, que establece que cualquier cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje hacia arriba igual a la masa del líquido desalojado. El densímetro tiene una parte inferior en forma de ampolla llena de plomo o mercurio y flota por sí mismo en la disolución a medir. Cuando está sumergido, la varilla graduada se eleva verticalmente para dar una lectura de la escala. Los densímetros deben calibrarse según el tipo de líquido que hay que analizar, y a una temperatura tipo, normalmente 4 °C o 20 °C.Balanza hidrostática.- En cuanto al sistema de operación de la balanza hidrostática, cuenta con una cruz que puede ser elevada a partir del uso de una horquilla y de una cremallera que va a estar mandada por un tornillo. Sus platillos, por otra parte, terminan de manera inferior en un gancho. De uno de ellos puede suspenderse un

cilindro hueco elaborado en metal y, seguido a este, otro de igual volumen que la capacidad del anterior, aunque de estructura maciza.

6.7. Ecuaciones de empuje en líquidos:

El principio de Arquímedes se formula así:E=mg=ρ f gV E=−mg=− ρf gV

Donde E es el empuje, ρf es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa, de este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar.

6.8. Clasificación de los hidrómetros o aerómetros:

6.9. Relación entre densidad específica y concentración:

En ocasiones se estima la concentración de un líquido directamente medido con un densímetro, por ejemplo los alcoholímetros están graduados en grados Baumé que significa el %V/V del alcohol, esto, significa que tiene una relación directa entre su concentración y su densidad específica, esto gracias que de grados Baumé se convierte en densidad solo con una ecuación.

6.10. Ecuaciones para calcular la densidad específica según la balanza hidrostática:

La balanza hidrostática se basa en el Principio de Arquímedes. Primeramente se calcula la masa del cuerpo, M, depositándolo sobre el platillo de la balanza. A continuación se suspende el cuerpo de un soporte y se introduce en un vaso o probeta lleno de agua sumergiéndole totalmente, y viendo el empuje que experimenta, E. Peso del cuerpo =M.gEmpuje = Peso del volumen de agua desalojada por el cuerpo sumergido = d.g.V, siendo d la densidad del agua = 1 g/cm3

D=MV

=M .gV . g

=ME

7. BIBLIOGRAFÍA:

Mati, J. (11 de septiembre de 2013). Scribd. Recuperado el 29 de octubre de 2014, de Densimetría: https://es.scribd.com/doc/167477430/informe1-densimetria#download