CALCULOS UTILIZADOS EN QUIMICA ANALITICA
Cálculos utilizados en química analítica
1.
Objetivos.
Conocer algunos métodos u
tilizados para calcular los resultados de un análisis
cuantitativo.
Distinguir entre masa y
peso las unidades del sistema
internacional de unidades (SI).
Estudiar la medida de
la cantidad de una sustancia química (Mol).
Identificar las formas de expresar las concentraciones de
disolución.
Manejar la
estequiometria química como base de la química analítica.
2.
3.
Resumen:
Para
comprender los cálculos utilizados en química analítica debemos empezar
hablando de el numero de avogadro, es el número de partículas elementales (usualmente átomos o moléculas) en un mol de una sustancia cualquiera, donde el mol es una de las
siete unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI). Su dimensión es
el recíproco del mol y su valor es igual a 6,022 140 857(74) ×1023 mol−1.234.
La
constante de Avogadro es fundamental para entender la composición de las
moléculas y sus interacciones y combinaciones. Por ejemplo, ya que un átomo de
oxígeno se combinará con dos átomos de hidrógeno para crear una molécula de
agua (H2O), de igual forma un mol de oxígeno (6,022 × 1023 átomos
de O) se combinará con dos moles de hidrógeno
(2 × 6,022 × 1023 átomos de H) para crear
un mol de H2O.
el Sistema de unidades que se usa en todos los países del mundo, a
excepción de tres, Brimania, Estados Unidos y Liberia que
no lo han declarado prioritario o único. Es el heredero del antiguo sistema métrico decimal y por ello también se
conoce como sistema métrico.
Las unidades básicas del SI hicieron
necesario redefinir los conceptos de cantidad química, por lo que el número de
Avogadro y su definición fueron reemplazados por la constante de Avogadro y su
definición. Se ha propuesto que cambios en las unidades SI fijaran de manera
precisa el valor de la constante a exactamente 6,02214X×1023 al
expresarla en la unidad mol−1.
El Sistema Internacional de Unidades consta de
siete unidades básicas, que expresan magnitudes fisicas. A partir de estas se determinan
el resto de unidades (derivadas):
Magnitud física básica
(símbolo)
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Unidad básica (símbolo)
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Definición actual
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Propuesta de revisión2
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Longitud (l, h, r, x)
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metro (m)
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Longitud del trayecto recorrido por la luz en
el vacío en un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 segundos.
De aquí resulta que la velocidad de la luz en el vacío es exactamente 299 792 458
m/s.
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Masa (M)
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kilogramo(kg)nota 2
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Masa
del prototipo internacional del kilogramo, adoptado por la Conferencia General de Pesas y Medidas y depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, en Sèvres, Francia.
Este prototipo es un cilindro de 39 mm de altura y 39 mm de
diámetro de una aleación 90 % de platino y 10 % de iridio; tiene una densidad de 21 500 kg/m3.
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Propuesta
de redefinición a un valor relacionado con la constante de Planck (h).
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Tiempo (t)
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segundo (s)
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Duración
de 9 192 631 770 periodos de la radiacióncorrespondiente
a la transición entre los dos
niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.
De aquí resulta que la frecuencia de la
transición hiperfina del estado fundamental del átomo de cesio 133 es
exactamente 9 192 631 770 Hz.
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Corriente eléctrica(I)
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amperio (A)
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Intensidad
de una corriente constante que, mantenida en dos conductores paralelos rectilíneos de
longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno del otro, en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza
igual a 2 × 10−7 newton por metro de longitud.
De aquí resulta que la constante magnética, también conocida con el nombre de permeabilidad
del vacío, es exactamente 4π × 10-7 H/m.
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Propuesta
de redefinición a un valor relacionado con la carga eléctrica (e).
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Temperatura termodinámica (T)
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kelvin (K)
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Fracción
1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto tripledel agua.3
De aquí resulta que la temperatura termodinámica
del punto triple del agua es exactamente 273.16 K (0.01 °C).4
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Propuesta
de redefinición a un valor relacionado con la constante de Boltzmann (k)
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Cantidad de sustancia (n)
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mol (mol)
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Cantidad
de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales
como átomos hay en 0.012 kilogramos
de carbono 12. Cuando se emplea el mol, las
entidades elementales deben especificarse y pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o agrupaciones
específicas de tales partículas.
De aquí resulta que la masa molar del carbono 12 es exactamente
12 g/mol.
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Propuesta
de redefinición a un valor relacionado con la constante de Avogadro (NA)
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Intensidad luminosa(lv)
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candela (cd)
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intensidad
luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación
monocromática de frecuencia 540 × 1012 hercios y
cuya intensidad energética en esa dirección es 1/683 vatios por estereorradián.
De aquí resulta que la eficacia luminosa espectral de una
radiación monocromática de frecuencia igual a 540 × 1012 Hz es
exactamente 683 lm/W.
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Las unidades pueden llevar prefijos del sistema internacional: múltiplos (ejemplo: kilo indica mil; 1 km =
1000 m), o submúltiplos (ejemplo: mili indica milésima; 1 mA =
0.001 A).
·
Múltiplos
(en mayúsculas a partir de Mega): deca (da), hecto (h), kilo (k), mega (M),
giga (G), tera (T), peta (P), exa (E), zetta (Z), yotta (Y).
·
Submúltiplos
(en minúsculas): deci (d), centi (c), mili (m), micro (μ), nano (n), pico (p), femto
(f), atto (a), zepto (z), yocto (y).
En el caso de la masa, la unidad
básica es el kilogramo en lugar del gramo, siendo esta la única unidad básica
que lleva un prefijo.
La expresión MOL es : 1 mol de alguna sustancia es equivalente a
6,02214129 (30) × 1023 unidades elementales. La masa de
un mol de sustancia, llamada masa molar, es equivalente a la
masa atómica o molecular (según se haya considerado un mol de
átomos o de moléculas) expresada en gramos.
La Distinción entre MASA y PESO obedece a q La masa y el peso son
diferentes propiedades, que se definen en el ámbito de la física. La masa es
una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo mientras que el peso es
una medida de la fuerza
que es causada sobre el cuerpo por el campo gravitatorio.
La masa de
una persona siempre será la misma, sin importar el lugar donde se ubica,
mientras que el peso del individuo varía de acuerdo a la fuerza de gravedad que
actúa sobre él.
Por
ejemplo: un individuo de 50kg en la luna, su masa seguirá siendo la misma, por
el contrario su peso varía ya que la fuerza de gravedad es 6 veces menor que la
de la tierra, y por ende, el peso de él es de 58.68 Newtons.
Masa (m)
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Peso (p)
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Es una magnitud escalar.
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Es una magnitud vectorial.
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Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo.
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Es la acción que ejerce la fuerza de gravedad.
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Su valor es constante.
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Su valor varía según la posición.
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Se mide con la balanza.
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Se mide con el dinamómetro.
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Unidad de medida: kilogramo (Kg) y gramo (g).
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Unidad de medida: Newton (N).
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Soluciones y sus concentraciones:
En Química una disolución es una mezcla homogénea , la cual a nivel molecular o
iónico de dos o más especies químicas no reaccionan entre sí; cuyos componentes
se encuentran en proporción que varía entre ciertos límites. Toda disolución
está formada por un soluto y un medio dispersante denominado disolvente.
También se define disolvente cómo la sustancia que existe en mayor cantidad que
el soluto en la disolución y en la cual se disuelve el soluto. Si ambos, soluto
y disolvente, existen en igual cantidad (como un 50% de etanol y 50%
de agua en
una disolución), la sustancia que es más frecuentemente utilizada como
disolvente es la que se designa como tal (en este caso, el agua). Una
disolución puede estar formada por uno o más solutos y uno o más disolventes.
Una disolución será una mezcla en la misma proporción en cualquier cantidad que
tomemos (por pequeña que sea la gota), y no se podrán separar por centrifugacion ni filtración.
Un ejemplo común podría ser un
sólido disuelto en un líquido, como la sal o el azúcar disuelto
en agua (o incluso el oro en mercurio, formando una amalgama).
Se distingue de una suspension que es una mezcla en la que el soluto no
está totalmente disgregado en el disolvente, sino dispersado en pequeñas
partículas. Así, diferentes gotas pueden tener diferente cantidad de una
sustancia en suspensión. Mientras una disolución es siempre transparente, una
suspensión presentará turbidez, será traslúcida u opaca. Una enmulsionserá
intermedia entre disolución y suspensión.
Características generales
1.-Son Mezclas homogéneas
2.- Al disolver una sustancia, el volumen final es menor que la suma de los volúmenes del disolvente y el soluto
2.- Al disolver una sustancia, el volumen final es menor que la suma de los volúmenes del disolvente y el soluto
3.- La cantidad de soluto y la
cantidad de solvente se encuentran en proporciones que varían entre ciertos
límites. Normalmente el disolvente se encuentra en mayor proporción que el
soluto, aunque no siempre es así. La proporción en que tengamos el soluto en el
seno del disolvente depende del tipo de interacción que se produzca entre
ellos. Esta interacción está relacionada con la solubilidad del soluto en el
disolvente.
4.- Sus propiedades físicas
dependen de su concentración:
·
Disolución HCl (ácido clorhídrico) 12 mol/L Densidad = 1,18 g/cm3
·
Disolución HCl (ácido clorhídrico) 6 mol/L Densidad = 1,10 g/cm3
5.- Sus componentes se separan por cambios de fases, como la
fusión, evaporación, condensación, etc.
6.- Tienen ausencia de sedimentación, es decir al someter una disolución a un proceso de
centrifugación las partículas del soluto no sedimentan debido a que el tamaño
de las mismas son inferiores a 10 Angstrom ( Å ).
7.- Sus componentes se unen y se
genera el solvente mediante el proceso denominado decontriacion.
Soluto y Disolvente
Las sustancias que están presente en la mayor cantidad se
denomina disolvente, que se define como la sustancia en la cual se disuelve
otra. Ésta última, que es la que disuelve en la primera, se denomina soluto.
Soluto + Disolvente = Solución
Dilusion de Soluciones
Para diluir una solución es preciso agregar más % de
disolvente a dicha solución y éste procedimiento nos
da por resultado la dilución de la solución, y por lo tanto el volumen y
concentración cambian, aunque el soluto no.
Solubilidad
La solubilidad de un soluto en un disolvente es la
concentración que presenta una disolución saturada, o sea, que está en equilibrio con
el soluto sin disolver porque siempre habrá algunas moléculas o iones que pasen
a la disolución. Las sustancias se clasifican en:
Solubles: si su
solubilidad es 0,1 M o >.
Poco Solubles: si
su solubilidad se sitúa entre 0,1 M y 0,001 M
Insolubles: si su
solubilidad no llega a 0,001 M
Factores que afectan a la solubilidad
Análisis Volumétrico
-Generalidades sobre Volumétrica
En el análisis volumétrico se aprovechan reacciones
cuantitativas que se verifican entre la sustancia por determinar y un reactivo
cuya concentración se conoce exactamente; del volumen empleado de este último
para la realización de la reacción precisamente hasta su punto final, se
calcula la cantidad de la sustancia que se pretende valorar. Las reacciones que
se aplican al análisis volumétrico deben ser conocidas con exactitud, Para
asi poder relacionar
el peso de las substancias reaccionantes con el peso de los productosde la
reacción, pues aun cuando en este tipo de de análisis lo inmediato es la medición de
volúmenes, directamente están relacionados éstos con el peso de substancias a
que son equivalentes.
Conceptos Análisis Volumétrico
La valoración o titulación es un metodocorriente
de análisis químico cuantitativo en el laboratorio, que se
utiliza para determinar la concentración desconocida de un reactivo conocido.
Debido a que las medidas de volumen juegan un papel fundamental en las
titulaciones, se le conoce también como análisis volumétrico. Un reactivo
llamado "valorante" o "titulador", de volumen y
concentración conocida (una solución estándar o solución patrón)
Este sistema analítico, debido a que sus cálculos se basan
en los volúmenes de soluciones requeridos en cada reacción, recibe el nombre de
Análisis Volumétrico o Volumetría, y su importancia, tanto desde el punto de
vista puramente científico como de sus aplicaciones, sobrepasa a la de los
otros capítulos del análisis.
La exactitud de estos métodos, cuando son
aplicados inteligentemente y conducidos con destreza, es comparable a la de los
mejores.
Limitaciones de los métodos volumétricos
La reacción debe ser definida y siempre la misma dentro de
las variaciones normales de las condiciones analíticas. Otra de las
limitaciones que tiene el desarrollode
los métodos volumétricos esta en el conocimiento exacto
del final de las reacciones; para ello se emplea en la mayor parte de los casos
substancias especiales llamadas indicador,
cuya misiones
"advertir" cuando la reacción ha llegado a ser completa; sin embargo,
no siempre es posible emplear estos indicadores, bien sea porque no se conozca
el apropiado, o bien porque las condiciones del problema no permiten su empleo normal;
en estos casos se recurre a métodos fisicoquímicos en sustitución de los
indicadores químicos, pero el uso de aquellos no deja de constituir una
limitación en las aplicaciones volumétricas comunes, por su alto costo y por
emplearse aparatos delicados en su manejo.
procedimiento para el analisis volumetrico.
Una titulación o valoración comienza con un vaso de
precipitados o matraz Erlenmeyer conteniendo un volumen preciso del reactivo a
analizar y una pequeña cantidad de indicador, colocado debajo de una bureta que
contiene la disolución estándar. Controlando cuidadosamente la cantidad
añadida, es posible detectar el punto en el que el indicador cambia de color.
Si el indicador ha sido elegido correctamente, este debería ser también el
punto de neutralización de los dos reactivos. Leyendo en la escala de la
bureta sabremos con precisión el volumen de disolución añadida. Como la
concentración de la disolución estándar y el volumen añadido son conocidos,
podemos calcular el número de moles de esa sustancia (ya que Molaridad = moles
/ volumen). Luego, a partir de la ecuación química que representa el proceso que
tiene lugar, podremos calcular el número de moles de la sustancia a analizar
presentes en la muestra. Finalmente, dividiendo el número de moles de reactivo
por su volumen, conoceremos la concentración buscada.
Se debe tener en cuenta
respecto a la DENSIDAD que:
1. Los valores de densidad de
las sustancias dependen de la presión y temperatura a
la cual se encuentre, pero no dependen de la gravedad; por lo tanto, la densidad de un cuerpo en la tierra es igual que en la luna,
a la misma presión y temperatura.
2. Estando a la misma presión y temperatura es posible
diferenciar a dos sustancias químicamente puras por sus valores de densidad,
debido a que es una propiedad intensiva y característica de cada sustancia.
3. Para una sustancia química,
generalmente se cumple: Dsolido > Dliquido > Dgas
4. La densidad de
sustancias solidas 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.
Existen varios tipos de fórmulas químicas:
Fórmula empírica
La fórmula empírica es una expresión que representa la proporción más
simple en la que están presentes los átomos que forman un compuesto químico. Es
por tanto la representación mas sencilla de un compuesto. Por ello, a veces, se
le llama fórmula mínima.
En compuestos covalentes, se obtiene simplificando los subíndices de la
fórmula, si ello es posible, dividiéndolos por un factor común. Así, la fórmula
empírica de la glucosa (C6H12O6) es CH2O,
lo cual indica que por cada átomo de C, hay dos átomos de H y un átomo de O.
Los subíndices siempre son números enteros y si son iguales a 1, no se
escriben.En compuestos iónicos la fórmula empírica es la única que podemos
conocer, e indica la proporción entre el número de iones de cada clase en la
red iónica. En el hidruro de magnesio, hay dos iones hidruro por cada ión
magnesio, luego su fórmula empírica es MgH2.
En compuestos no-estequiométricos, como ciertos minerales, los
subíndices pueden ser números decimales. Así, el óxido de hierro (II) tiene una
fórmula empírica que varía entre Fe0,84O y Fe0,95O,lo que
indica la presencia de huecos, impurezas y defectos en la red.
Fórmula molecular
La fórmula molecular, indica el tipo de átomos presentes en un compuesto
molecular, y el número de átomos de cada clase. Sólo tiene sentido hablar de
fórmula molecular en compuestos covalentes. Así la fórmula molecular de la
glucosa es C6H12O6, lo cual indica que cada
molécula está formada por 6 átomos de C, 12 átomos de H y 6 átomos de O, unidos
siempre de una determinada manera.
MAPA CONCEPTUAL:
MAPA CONCEPTUAL:
BIBLIOGRAFIA
Química Analítica. Skoog, West, Holler y Crouch
8 Ed. Mc Graw Hill, 2005
Química Analítica
Moderna. D. Harvey.
Mc Graw Hill, 2002
Análisis Químico Cuantitativo. Daniel C.
Harris
2ª Ed. Reverté, 2001
Estadística y
Quimiometría para Química Analítica. James N. Miller y Jane C. Miller. 4ª Ed. Prentice
Hall, 2002.
Garantía de calidad en
los laboratorios analíticos. R. Compañó y A. Ríos. Editorial Síntesis, 2002.
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