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Investigación acerca de características generales de la balanza analítica....

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PRÁCTICA NO. 3 BALANZA ANALÍTICA

Grupo 3QM1

Alumno: Hidalgo Romero Tanya Paola Profesores: Anayeli Acatitla Velázquez Alaide Pérez Orozco Ulises Rubén Carrillo Medrano Escuela Nacional de Ciencias Biológicas | IPN

Práctica No. 3 balanza analítica

Índice INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 2 LA BALANZA ANALÍTICA DETERMINA ¿EL PESO O LA MASA DE UN OBJETO? ................ 2 ¿CÓMO REALIZA UNA BALANZA ANALÍTICA UNA PESADA? .......................................... 3 CLASIFICACIÓN DE LAS BALANZAS ................................................................................... 5 BALANZA GRANATARIA .................................................................................................... 5 Componentes ............................................................................................................................................. 6 Uso correcto ............................................................................................................................................... 7 ¿Para qué muestras se utiliza? ............................................................................................................... 7 RECOMENDACIONES Y CUIDADOS PARA EL USO DE LA BALANZA ANALÍTICA .............. 7 ¿CÓMO SE REALIZA UNA CORRECTA PESADA? ................................................................ 8 Diagrama de flujo: pesada por adición (directa) en balanza analítica ...................................... 8 Diagrama de flujo: pesada por diferencia en balanza analítica.................................................. 9 TIPOS DE PESADA ............................................................................................................... 9 ¿SE PUEDEN COMETER ERRORES? .................................................................................... 10 CARACTERÍSTICAS DE LA BALANZA ANALÍTICA ............................................................. 10 EJEMPLOS DE APLICACIÓN ............................................................................................... 11 Na2CO3 ................................................................................................................................................... 11 NaOH ...................................................................................................................................................... 11 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 11 REFERENCIAS .................................................................................................................... 12

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Práctica No. 3 balanza analítica

INTRODUCCIÓN La química analítica se encarga de analizar las características químicas de los materiales naturales y artificiales, define qué sustancias pueden estar presentes en una muestra (cualitativo) y determinar en qué proporción exacta se presenta la sustancia identificada (cuantitativo). Esta ciencia busca continuamente los mejores medios y técnicas para asegurar la confiabilidad de los resultados que se obtengan sobre la composición química de la materia y así sean confiables y de utilidad para distintas aplicaciones en la industria alimenticia, farmacéutica, ambiental, cosmética, en la medicina y en muchas otras áreas de aplicación. Estos análisis cualitativos y cuantitativos se pueden efectuar mediante reacciones químicas selectivas o con el uso de instrumentos como la balanza analítica, la cual es de las herramientas más comunes para la mayoría de los análisis. La balanza analítica es un instrumento que se usa para medir con exactitud la cantidad de muestra y /o reactivos que se utilizarán, son el dispositivo más útil y versátil en laboratorios químicos para medir cantidades de pocos gramos e incluso miligramos. Además de la balanza analítica existen otros tipos de balanzas como la balanza mecánica de un solo platillo la cual compara dos masas, una conocida y la otra desconocida; las semimicrobalanzas y microbalanzas que son sensibles alrededor de 0.01 mg y 0.001 mg respectivamente; o las balanzas de dos brazos en las que se colocaba en un platillo el reactivo a pesar y en el otro los pesos estándares para restaurar el equilibrio y obtener la medida. Actualmente las balanzas analíticas de un solo platillo están siendo reemplazadas por la balanza analítica electrónica gracias a su velocidad, exactitud y facilidad de uso. En este texto se reportarán las principales características de las balanzas analíticas y algunos aspectos relacionados a su uso adecuado para lograr los resultados más exactos posibles, además de entender su funcionamiento interno y fundamento.

LA BALANZA ANALÍTICA DETERMINA ¿EL PESO O LA MASA DE UN OBJETO? Para responder esta pregunta debemos saber la diferencia entre el peso y la masa; el peso de un objeto se puede definir como la fuerza ejercida sobre él cuya dimensión depende de la atracción gravitacional. Esta fuerza será diferente en distintos lugares de la tierra, por ejemplo, el peso de un objeto que se encuentra en un lugar con menos gravedad es menor que el peso del mismo objeto en un lugar con más gravedad o atracción gravitacional. Por lo tanto, el peso es la gravedad ejercida sobre un objeto multiplicado por su masa, siendo su unidad de medida el Newton. Mientras que la masa es la unidad de medida constante de la cantidad de materia que contiene algún objeto, la masa no cambia su valor sin importar donde se realice su

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medición. Se trata de la densidad de un objeto multiplicada por su volumen y su unidad de medida es el kilogramo o gramo. El valor que nos da la balanza analítica indica el peso del objeto en el campo de gravedad donde se encuentre al momento de la medición, esta medida es expresada en gramos, es decir la masa aparente. Es por esta razón que si las balanzas se cambian de sitio se deben volver a ajustar ya que la aceleración del peso varía según su ubicación geográfica. En resumen, se puede decir que la balanza mide la masa de un cuerpo o sustancia utilizando como medio de comparación la fuerza de la gravedad que actúa sobre el cuerpo.

¿CÓMO REALIZA UNA BALANZA ANALÍTICA UNA PESADA? Las balanzas analíticas usan el principio de compensación de fuerza electromagnética además del principio de comparación de un peso con otro ya que la balanza se calibra con un peso conocido; cuando se coloca la muestra en el platillo, su peso se compara electrónicamente con el conocido (auto calibración). Para entender mejor estos principios se analizarán las partes de la balanza analítica con ayuda de la figura 1.

Figura 1. Mecanismo interno de la balanza analítica electrónica

En este diagrama se observa el platillo que se posiciona sobre un cilindro metálico hueco que está rodeado por un espiral de alambre. Una corriente eléctrica en esta espiral produce un campo magnético que soporta o hace levitar el cilindro, el platillo, el brazo indicador y el material a medir. La corriente se ajusta de tal forma que el nivel del brazo indicador se encuentre en la posición de origen (libre de carga); cuando se coloca un objeto en el platillo provoca que este se desplace hacia abajo junto al brazo indicador, incrementando así la cantidad de luz que irradia la fotocelda del detector nulo. El aumento de la corriente en la fotocelda se amplifica y alimenta la espiral metálica, creando un campo magnético mayor el cual provoca que el platillo regrese a su posición inicial. Página 3

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Un servosistema es un dispositivo de este tipo en el que una señal de una baja corriente eléctrica causa que un sistema mecánico regrese a su posición cero. La corriente requerida para mantener el platillo en posición cero es directamente proporcional a la masa del objeto a pesar y es fácilmente medida, digitalizada y mostrada en la pantalla de la balanza. Para calibrarlas se pesa una masa estándar y se ajusta la corriente de tal manera que se muestre la masa exacta en la pantalla. Ya que se describieron los componentes del servosistema de la balanza analítica se nombrarán las partes externas de la balanza y sus funciones con ayuda de la figura 2.

1

2 3

7

6 4 5 8 Figura 2. Balanza analítica electrónica

1. Puerta de vidrio, su función es evitar la entrada de corrientes de aire al área de pesada. 2. Platillo de medición, es el lugar donde se coloca la masa que se pretende pesar. 3. Entrada de corriente que necesita la balanza para funcionar. 4. Botón para tarar, éste causa que la pantalla marque el cero con un contenedor para pesar sobre el platillo lo cual nos brinda gran exactitud en las mediciones a realizar. 5. Pies para ajustar el nivel y tener la balanza nivelada. 6. Display, éste nos indica el peso medido y otros datos que pueda brindar la balanza. 7. Nivel de burbuja, sirve para revisar que la balanza esta nivelada. 8. Botón de encendido y apagado.

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CLASIFICACIÓN DE LAS BALANZAS Tipos de balanzas en función de la capacidad de pesado Tipo

Capacidad de pesado

Macrobalanza

Entre 160 y 200 g, legible hasta 0.1 mg

Semimicrobalanza

De 10 a 30 g, legible hasta 0.01 mg

Microbalanza

De 1 a 3 g y con precisión de ±1 μg (0.001 mg)

Ultramicrobalanzas

Balanzas electroquímicas de cuarzo

Ejemplo

Sensibles a 0.1 μg o menos

Capacidad de 100 μg con sensibilidad de 1 ng (10-9 g)

BALANZA GRANATARIA Este tipo de balanzas aún se utilizan en algunos laboratorios, aunque su velocidad, comodidad y exactitud es superada por la balanza analítica electrónica. Sin embargo, la balanza granataria también presenta ventajas sobre la analítica, como su precio que es menos elevado, es duradera e implica menos cuidados por ser más rudimentaria. La

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balanza granataria puede tener una precisión de 0.1 hasta 0.01 g y una capacidad entre 2 a 2.5 kg.

Componentes La balanza granataria o mecánica de un solo platillo se basa en la comparación de dos masas, una conocida y la otra desconocida; además es una aplicación de la palanca de primer género formada por una barra rígida con un punto de apoyo o fulcro intermedio entre dos fuerzas.

Figura 3. Ejemplo de la palanca de primer género

En base a la figura 4 se analizarán los componentes de la balanza granataria junto a sus funciones. 7 8 5 1 6

4

2

9 3

Figura 4. Balanza granataria

1. Plato o platillo, sobre el se colocará la muestra cuya masa se quiera determinar. 2. Sistema de amortiguación, este acelera el pesaje haciendo que el brazo llegue al reposo en menor tiempo. 3. Soporte, sostiene el instrumento por completo y evita que se incline por el peso del objeto que se coloque en él. 4. Tornillo nivelador, con este tornillo se calibra la balanza antes de realizar las mediciones; la balanza sin objetos en ella debe estar en equilibrio. 5. Fiel, es una marca fija que se encuentra en el extremo opuesto al plato de la balanza, el puntero debe apuntar a ella para realizar las mediciones. 6. Puntero, continuación del brazo; cuando el fiel y el puntero se alinean la balanza está en equilibrio y se puede tomar la medida.

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7. Brazos de escala, en estos brazos (comúnmente 3) están las medidas como una regla por las que los pesos van avanzando. 8. Pesas o caballetes, estas tienen un peso determinado dependiendo del brazo donde se encuentren y se van recorriendo hacia la derecha hasta ajustar el puntero hacia el 0 del fiel. 9. Pesas de calibración, como su nombre lo dice, sirven para calibrar el instrumento y asegurar que las medidas que se están tomando son exactas; tienen un peso marcado que debe ser igual al que marque la balanza.

Uso correcto La balanza debe mantenerse limpia, sin rastros de polvo o sustancias que se utilizaron anteriormente, debe de estar en una superficie estable, sin corrientes de aire y nivelada, después de asegurarse que esta calibrada (el puntero coincide con el fiel) y que todas las pesas están en 0, se debe colocar la sustancia a pesar en el centro del platillo usando un recipiente para contenerla, nunca pesar el material directamente en el platillo, para agregar la sustancia al recipiente no se deben utilizar las manos, si no una cucharilla o espátula. El método de pesado dependerá de el tipo de pesada que se desee realizar; por adición o por diferencia, estos métodos serán detallados más adelante. Las pesas se deberán mover de izquierda a derecha empezando por la más pesada, si esta excede el peso de la sustancia se regresa al 0 y se continua con las pesas intermedia sin exceder el peso y finalmente se recorre la pesa mas pequeña hasta ajustar a la perfección el puntero con el fiel de la balanza, en este momento se debe registrar el peso marcado y realizar los cálculos necesarios para obtener la masa de la sustancia.

¿Para qué muestras se utiliza? Para muestras que pudieran dañar las balanzas analíticas como demasiado corrosivas o que liberen gases tóxicos; para productos que se generaron en cantidades considerables, ya que la balanza granataria tiene mayor capacidad que la analítica conservando una buena precisión. Se pueden medir muestras sólidas y líquidas; si el recipiente es pesado antes de la rección que se lleve a cabo se puede medir el precipitado o el producto de una reacción.

RECOMENDACIONES Y CUIDADOS PARA EL USO DE LA BALANZA ANALÍTICA • •

Nunca manipular con los dedos los materiales a pesar. Se debe utilizar un trozo de papel, pinzas, espátulas o cucharillas. Pesar a temperatura del laboratorio para evitar corrientes de aire de convección.

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Nunca colocar las sustancias químicas directamente en el plato; se deben de pesar en un recipiente como pesafiltros, papel, vidrios de reloj o algún otro recipiente de cristal o porcelana. Si alguna sustancia se derrama retirarla de inmediato con una escobilla suave sin ejercer mucha presión. Cerrar las ventanas de la balanza para tarar y para registrar las pesadas ya que las corrientes de aire desestabilizan la balanza. Centrar la carga en el platillo. Revisar que la balanza este calibrada y nivelada antes de utilizarla. Ubicar la balanza en un lugar estable, no húmedo y sin corrientes de aire. Mantener la balanza y su cubierta limpias, cubrirla con una funda cuando no se esté utilizando. No pesar objetos calientes en ella. Evitar la transferencia de humedad hacia el material a pesar. Contar con una buena fuente de energía eléctrica que no arriesgue el equipo.

¿CÓMO SE REALIZA UNA CORRECTA PESADA? Diagrama de flujo: pesada por adición (directa) en balanza analític a

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Diagrama de flujo: pesada por diferencia en balanza analítica

TIPOS DE PESADA

Pesada por adición Se coloca el recipiente vacío en la balanza y se lleva al punto de equilibrio. Los pesos se ajustan para que la balanza marque el valor del recipiente vacío mas la cantidad de sustancia que se desea pesar. Una vez con el total establecido en la balanza, se adiciona la sustancia al recipiente hasta alcanzar el equilibrio. 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑣𝑎𝑐í𝑜 + 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑙𝑎𝑛𝑧𝑎

Se usa cuando ya se sabe exactamente que cantitdad de sustancia se quiere medir.

Pesada por diferencia Se registra el peso del recipiente vacío para los cálculos posteriores. Despúes de agregar la sustancia en el recipiente, se registra este valor para los calculos. El peso de la sustancia se obtiene restando al peso del peso del recipiente con la sustancia, el peso del recipiente vacío. 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 − 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑣𝑎𝑐í𝑜 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎

Se puede usar cuando ya se sabe que cantidad de sustancia se desea medir o para pesar productos que se desconoce su masa.

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¿SE PUEDEN COMETER ERRORES? ERROR

SOLUCIÓN

La lectura de la balanza es inestable

Colocar la balanza sobre una superficie estable para evitar vibraciones y cerrar sus ventanas para efectuar la medición sin interferencias por corrientes de aire

La balanza no enciende o se prende Revisar la conexión y ajustar el cable conector si y apaga es necesario, verificar la alimentación eléctrica La lectura del peso es incorrecta

Colocar en 0 la balanza antes de comenzar la medición, calibrar y nivelarla de acuerdo con las instrucciones del fabricante

Errores causados por corrientes de Antes de pesar objetos calientes esperar a que convección dentro de la vitrina estos disminuyan su temperatura hasta tener la del ambiente. Error de flotabilidad

Calcular la masa corregida de la sustancia con la ecuación:

Errores por incremento de humedad Colocar la balanza en un lugar sin humedad y en la sustancia evitar utilizar instrumentos húmedos sobre todo si la sustancia es higroscópica Errores por cambios de latitud

Si la balanza es cambiada de posición volver a calibrarla ya que la latitud es un factor que afecta al peso

CARACTERÍSTICAS DE LA BALANZA ANALÍTICA Precisión: Es la proximidad de una serie de mediciones independientes y puede ser válida incluso si el valor medio se desvía del valor real. En una balanza se ve reflejado si se pesa varias veces el mismo objeto y siempre da valores muy cercanos o iguales. Exactitud: Es la proximidad entre el resultado obtenido y el valor de referencia aceptado. Se expresa como la suma de dos términos: la precisión (que tiene en cuenta la variabilidad de los resultados) y la veracidad (que los errores no tengan un error sistemático). Sensibilidad: Es el cambio en la variable de salida de un instrumento de medición dividido por el cambio asociado en la variable de entrada. Se trata de una de las Página 10

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especificaciones mas importantes de una balanza. Esta característica permite que una carga de un peso muy pequeña sea registrada en las mediciones. Sensitividad: Se refiere a la capacidad de percibir variaciones mínimas con facilidad, esta característica le hace posible a la balanza percibir cambios de peso mínimos en las sustancias.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN Na 2 CO 3 El carbonato de sodio es una sal relativamente estable por lo que puede ser pesada en una balanza granataria, sin embargo, si se busca una mejor precisión y exactitud en los resultados lo mas adecuado es usar la balanza analítica. Como ya se sabe la masa que se requiere pesar el tipo de pesada a utilizar sería por adición en la balanza analítica; y si se usa la balanza granataria se pueden realizar cualquiera de los dos tipos de pesada.

NaOH Se debe pesar en la balanza analítica ya que ésta sustancia absorbe con mucha facilidad la humedad del ambiente, por lo que el pesado debe realizarse lo más rápido posible para evitar errores en el resultado. Como el hidróxido de sodio es un solido corrosivo debe pesarse en un vidrio de reloj. Como la medición requiere llevarse a cabo rápido lo mejor sería utilizar el procedimiento de pesada por adición, además que este tipo de pesada es la más usada si ya se conoce la masa que se quiere pesar.

CONCLUSIONES Las balanzas probablemente el instrumento más usado en los laboratorios de química analítica por lo que es importante conocer su uso adecuado para obtener resultados precisos y exactos. Dependiendo de la exactitud que requiera el experimento y de las sustancias a pesar...