PH:El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolucin.
El pH indica la concentracin de iones hidronio [H3O+] presentes en
determinadas sustancias.La sigla significa potencial hidrgeno,
potencial de hidrgeno o potencial de hidrogeniones (pondus
Hydrogenii o potentia Hydrogenii; del latn pondus, n. = peso;
potentia, f. = potencia; hydrogenium, n. = hidrgeno). Este trmino
fue acuado por el qumico dans S.P.L.Srensen (1868-1939), quien lo
defini como el opuesto del logaritmo en base10 (o el logaritmo del
inverso) de la actividad de los iones hidrgeno. Esto es:
Desde entonces, el trmino "pH" se ha utilizado universalmente
por lo prctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y
complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la
actividad del ion hidrgeno, se le puede aproximar empleando la
concentracin molar del ion hidrgeno.Por ejemplo, una concentracin
de [H3O+] = 1 107 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que:
pH = log[107] = 7La escala de pH tpicamente va de 0 a 14 en
disolucin acuosa, siendo cidas las disoluciones con pH menoresa7
(el valor del exponente de la concentracin es mayor, porque hay ms
iones en la disolucin) y alcalinas las que tienen pH mayores a 7.
El pH=7 indica la neutralidad de la disolucin (cuando el disolvente
es agua).En productos de aseo y limpieza se suele hacer uso del
trmino "pH neutro". En este caso la neutralidad hace referencia a
un nivel de pH 5,5. Debido a las caractersticas de la piel humana,
cuyo pH es 5,5, se indica neutralidad de pH en este tipo de
productos que estn destinados a entrar en contacto con nuestra piel
para destacar su no agresividad. Si se aplicaran productos de pH 7
a nuestra piel se producira una variacin del pH cutneo con posibles
consecuencias negativas
Definicin:El pH se define como el logaritmo negativo de base 10
de la actividad de los iones hidrgeno:
Se considera que p es un operador logartmico sobre la
concentracin de una solucin: p = log[...] , tambin se define el
pOH, que mide la concentracin de iones OH.Puesto que el agua est
adulterada en una pequea extensin en iones OH y H3O+, tenemos
que:K(constante) w ( water; agua) = [H3O+][OH]=1014 en donde [H3O+]
es la concentracin de iones hidronio, [OH] la de iones hidroxilo, y
Kw es una constante conocida como producto inico del agua, que vale
1014.Por lo tanto,log Kw = log [H3O+] + log [OH]14 = log [H3O+] +
log [OH]14 = log [H3O+] log [OH]pH + pOH = 14Por lo que se puede
relacionar directamente el valor del pH con el del pOH.En
disoluciones no acuosas, o fuera de condiciones normales de presin
y temperatura, un pH de 7 puede no ser el neutro. El pH al cual la
disolucin es neutra estar relacionado con la constante de
disociacin del disolvente en el que se trabaje. Medida del pH:
El valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un
potencimetro, tambin conocido como pH-metro (/pe achmetro/ o /pe
ache metro/), un instrumento que mide la diferencia de potencial
entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de
plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al
ion de hidrgeno. Tambin se puede medir de forma aproximada el pH de
una disolucin empleando indicadores, cidos o bases dbiles que
presentan diferente color segn el pH. Generalmente se emplea papel
indicador, que se trata de papel impregnado de una mezcla de
indicadores cualitativos para la determinacin del pH. El papel de
litmus o papel tornasol es el indicador mejor conocido. Otros
indicadores usuales son la fenolftalena y el naranja de metilo.A
pesar de que muchos potencimetros tienen escalas con valores que
van desde 1 hasta 14, los valores de pH tambin pueden ser an
menores que 1 o an mayores que 14. Por ejemplo el cido de batera de
automviles tiene valores cercanos de pH menores que uno, mientras
que el hidrxido de sodio 1M vara de 13,5 a 14.Un pH igual a 7 es
neutro, menor que 7 es cido y mayor que 7 es bsico a 25C. A
distintas temperaturas, el valor de pH neutro puede variar debido a
la constante de equilibrio del agua (kW).La determinacin del pH es
uno de los procedimientos analticos ms importantes y ms usados en
ciencias tales como qumica, bioqumica y la qumica de suelos. El pH
determina muchas caractersticas notables de la estructura y
actividad de las biomacromolculas y, por tanto, del comportamiento
de clulas y organismos.En 1909, el qumico dans Sorensen defini el
potencial hidrgeno (pH) como el logaritmo negativo de la
concentracin molar (ms exactamente de la actividad molar) de los
iones hidrgeno.
Instrumentos para medios PH:PH-METRO:El pH-metro (Figura de la
derecha) realiza la medida del pH por un mtodo potenciomtrico. Este
mtodo se basa en el hecho de que entre dos disoluciones con
distinta [H+] se establece una diferencia de potencial. Esta
diferencia de potencial determina que cuando las dos disoluciones
se ponen en contacto se produzca un flujo de H+, o en otras
palabras, una corriente elctrica. En la prctica, la medida del pH
es relativa, ya que no se determina directamente la concentracin de
H+, sino que se compara el pH de una muestra con el de una
disolucin patrn de pH conocido.Para ello se utiliza un electrodo de
pH (ver tabla inferior). Cuando el electrodo entra en contacto con
la disolucin se establece un potencial a travs de la membrana de
vidrio que recubre el electrodo. Este potencial vara segn el pH.
Para determinar el valor del pH se necesita un electrodo de
referencia, cuyo potencial no vara. El electrodo de referencia
puede ser externo o puede estar integrado en el electrodo de pH
(ver tabla inferior).Electrodo de pHElectrodo de referencia y
medida del pH
La diferencia de potencial (E) es proporcional a [H+], y viene
definida por la ecuacin de Nernst: E medido = E referencia + (2,3
RT/NF) pH donde E medido es el potencial (en voltios) detectado a
travs de la membrana de vidrio, E referencia es el potencial del
electrodo de referencia, y (2,3 RT/NF) es el factor de Nernst, que
depende de la constante de los gases (R), la constante de Faraday
(F), la carga del in (N), que para el pH vale 1, y la temperatura
en grados Kelvin (T). El comportamiento del electrodo depende de la
temperatura. Por eso es importante que a la hora de calibrar el
pH-metro siempre esperemos a que las disoluciones patrn sacadas de
la nevera se pongan a temperatura ambiente Como a 25C el factor de
Nernst vale aproximadamente 0,06 y el potencial de referencia se
considera igual a cero, la ecuacin de Nernst queda reducida a:E
medido = -0,06 pHEste mtodo ofrece numerosas ventajas respecto al
mtodo colorimtrico: Es ms preciso, ya que permite apreciar
diferencias de 0,005 unidades de pH mientras que el mtodo
colorimtrico slo aprecia diferencias de 0,1 unidades de pH No se ve
afectado por la coloracin que pueda presentar la muestra, como
ocurre con el mtodo colorimtrico
Indicadores:Los indicadores suelen ser cidos o bases dbiles que
se caracterizan porque su molcula neutra tiene un color diferente
al de la forma inica. Por lo general, este cambio de color obedece
a que la prdida o ganancia de un H+ por parte del indicador provoca
una reorganizacin interna de los enlaces. La fenolftalena, por
ejemplo, se comporta como un cido dbil que se disocia de la
siguiente forma:
En medio cido, el equilibrio est desplazado hacia la izquierda,
ya que el indicador capta los H+ en exceso, con lo cual predomina
la forma incolora. En medio alcalino, los OH- libres consumen los
H+ y el equilibrio se desplaza hacia la derecha con lo cual
aparecer la forma coloreada del indicador.Existe una gran variedad
de sustancias indicadoras, cuyo equilibrio disociacin es:
En todas ellas, el color de la disolucin depender de la relacin
entre las concentraciones de la formas disociada y sin disociar
(Figura de la derecha). En general, el cambio de color se produce
en un rango de 2 unidades de pH, y el pKa se sita aproximadamente
en la mitad de esa zona. En cada caso habr que utilizar aquella
sustancia indicadora cuyo pK se encuentre ms prximo al rango de pH
donde se pretenden monitorizar los cambios. (Ver figura
inferior).
Densidad:En fsica y qumica, la densidad (smbolo ) es una
magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un
determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razn
entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.Si un cuerpo no
tiene una distribucin uniforme de la masa en todos sus puntos la
densidad alrededor de un punto puede diferir de la densidad media.
Si se considera una sucesin pequeos volmenes decrecientes
(convergiendo hacia un volumen muy pequeo) y estn centrados
alrededor de un punto, siendo la masa contenida en cada uno de los
volmenes anteriores, la densidad en el punto comn a todos esos
volmenes:
La unidad es kg/m3 en el SI.Como ejemplo, un objeto de plomo es
ms denso que otro de corcho, con independencia del tamao y masa.
HistoriaSegn una conocida ancdota, Arqumedes recibi el encargo de
determinar si el orfebre de Hiern II de Siracusa desfalcaba el oro
durante la fabricacin de una corona dedicada a los dioses,
sustituyndolo por otro metal ms barato (proceso conocido como
aleacin).1 Arqumedes saba que la corona, de forma irregular, podra
ser aplastada o fundida en un cubo cuyo volumen se puede calcular
fcilmente comparado con la masa. Pero el rey no estaba de acuerdo
con estos mtodos, pues habran supuesto la destruccin de la
corona.Desconcertado, Arqumedes se dio un relajante bao de
inmersin, y observando la subida del agua caliente cuando l entraba
en ella, descubri que poda calcular el volumen de la corona de oro
mediante el desplazamiento del agua. Supuestamente, al hacer este
descubrimiento sali corriendo desnudo por las calles gritando:
"Eureka! Eureka!" (! en griego, que significa: "Lo encontr"). Como
resultado, el trmino "Eureka" entr en el lenguaje comn, y se
utiliza hoy para indicar un momento de iluminacin. La historia
apareci por primera vez de forma escrita en De Architectura de
Marco Vitruvio, dos siglos despus de que supuestamente tuviese
lugar.2 Sin embargo, algunos estudiosos han dudado de la veracidad
de este relato, diciendo (entre otras cosas) que el mtodo habra
exigido medidas exactas que habran sido difciles de hacer en ese
momento.3 4La densidad es un concepto que naci entre los cientficos
en tiempos en que las unidades de medida eran distintas en cada
pas, de modo que asignaron a cada materia un nmero, adimensional,
que era la proporcin de la masa de esa materia comparada con un
volumen igual de agua pura, sustancia que se encontraba en
cualquier laboratorio (densidad relativa). Cuando se fij la unidad
de masa, el kilogramo, como un decmetro cbico (un litro), de agua
pura, la cifra empleada hasta entonces, coincidi con la densidad
absoluta (si se mide en kilogramos por litro, unidad de volumen en
el viejo Sistema mtrico decimal, y no en kilogramos por metro
cbico, que es la unidad de volumen en el SI)
Tipos de densidad:AbsolutaLa densidad o densidad absoluta es la
magnitud que expresa la relacin entre la masa y el volumen de una
sustancia. Su unidad en el Sistema Internacional es kilogramo por
metro cbico (kg/m3), aunque frecuentemente tambin es expresada en
g/cm3. La densidad es una magnitud intensiva.
Siendo, la densidad; m, la masa; y V, el volumen de la
sustancia.RelativaLa densidad relativa de una sustancia es la
relacin existente entre su densidad y la de otra sustancia de
referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin
unidades)
Donde es la densidad relativa, es la densidad de la sustancia, y
es la densidad de referencia o absoluta.Para los lquidos y los
slidos, la densidad de referencia habitual es la del agua lquida a
la presin de 1 atm y la temperatura de 4 C. En esas condiciones, la
densidad absoluta del agua destilada es de 1000kg/m3, es decir,
1kg/dm3.Para los gases, la densidad de referencia habitual es la
del aire a la presin de 1 atm y la temperatura de 0 C.
Media y puntualPara un sistema homogneo, la expresin
masa/volumen puede aplicarse en cualquier regin del sistema
obteniendo siempre el mismo resultado.Sin embargo, un sistema
heterogneo no presenta la misma densidad en partes diferentes. En
este caso, hay que medir la "densidad media", dividiendo la masa
del objeto por su volumen o la "densidad puntual" que ser distinta
en cada punto, posicin o porcin "infinitesimal" del sistema, y que
vendr definida por:
Sin embargo debe tenerse que las hiptesis de la mecnica de
medios continuos slo son vlidas hasta escalas de , ya que a escalas
atmicas la densidad no est bien definida. Por ejemplo el ncleo
atmico es cerca de superior a la de la materia ordinaria.Aparente y
realLa densidad aparente es una magnitud aplicada en materiales
porosos como el suelo, los cuales forman cuerpos heterogneos con
intersticios de aire u otra sustancia normalmente ms ligera, de
forma que la densidad total del cuerpo es menor que la densidad del
material poroso si se compactase.En el caso de un material mezclado
con aire se tiene:
La densidad aparente de un material no es una propiedad
intrnseca del material y depende de su compactacin.La densidad
aparente del suelo (Da) se obtiene secando una muestra de suelo de
un volumen conocido a 105C hasta peso constante.
Dnde:WSS: Peso de suelo secado a 105C hasta peso constante.VS:
Volumen original de la muestra de suelo.Se debe considerar que para
muestras de suelo que varen su volumen al momento del secado, como
suelos con alta concentracin de arcillas 2:1, se debe expresar el
contenido de agua que posea la muestra al momento de tomar el
volumen. Cambios de densidadEn general, la densidad de una
sustancia vara cuando cambia la presin o la temperatura, y en los
cambios de estado.Cuando aumenta la presin, la densidad de
cualquier material estable tambin aumenta.Como regla general, al
aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presin
permanece constante). Sin embargo, existen notables excepciones a
esta regla. Por ejemplo, la densidad del agua crece entre el punto
de fusin (a 0C) y los 4C; algo similar ocurre con el silicio a
bajas temperaturas.[citarequerida]El efecto de la temperatura y la
presin en los slidos y lquidos es muy pequeo, por lo que tpicamente
la compresibilidad de un lquido o slido es de 106bar1 (1bar=0,1MPa)
y el coeficiente de dilatacin trmica es de 105K1.Por otro lado, la
densidad de los gases es fuertemente afectada por la presin y la
temperatura. La ley de los gases ideales describe matemticamente la
relacin entre estas tres magnitudes:
Donde es la constante universal de los gases ideales, es la
presin del gas, su masa molar y la temperatura absoluta.Eso
significa que un gas ideal a 300K (27C) y 1atm duplicar su densidad
si se aumenta la presin a 2atm manteniendo la temperatura constante
o, alternativamente, se reduce su temperatura a 150K manteniendo la
presin constante.
Medicin: La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de
forma directa. Para la obtencin indirecta de la densidad, se miden
la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la
densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras
que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y
midiendo las dimensiones apropiadas o mediante el desplazamiento de
un lquido, entre otros mtodos. Los instrumentos ms comunes para
medir la densidad son: El densmetro, que permite la medida directa
de la densidad de un lquido. El picnmetro, que permite la medida
precisa de la densidad de slidos, lquidos y gases (picnmetro de
gas). La balanza hidrosttica, que permite calcular densidades de
slidos. La balanza de Mohr (variante de balanza hidrosttica), que
permite la medida precisa de la densidad de lquidos.Otra
posibilidad para determinar las densidades de lquidos y gases es
utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en
U oscilante. Cuyo frecuencia de resonancia est determinada por los
materiales contenidos, como la masa del diapasn es determinante
para la altura del sonido5 Unidades:Las unidades de medida ms
usadas son:En el Sistema Internacional de Unidades (SI):kilogramo
por metro cbico (kg/m3).gramo por centmetro cbico (g/cm3).kilogramo
por litro (kg/L) o kilogramo por decmetro cbico. La densidad del
agua es aproximadamente 1kg/L (1000 g/dm3 = 1 g/cm3 = 1 g/mL).gramo
por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm3).Para los gases suele
usarse el gramo por decmetro cbico (g/dm3) o gramo por litro (g/L),
con la finalidad de simplificar con la constante universal de los
gases ideales:
En el Sistema anglosajn de unidades:onza por pulgada cbica
(oz/in3)libra por pulgada cbica (lb/in3)libra por pie cbico
(lb/ft3)libra por yarda cbica (lb/yd3)libra por galn (lb/gal)libra
por bushel americano (lb/bu)slug por pie cbico. Instrumentos de
medicin:Densmetro:Un densmetro, es un instrumento de medicin que
sirve para determinar la densidad relativa de los lquidos sin
necesidad de calcular antes su masa y volumen. Normalmente, est
hecho de vidrio y consiste en un cilindro hueco con un bulbo pesado
en su extremo para que pueda flotar en posicin vertical. El trmino
utilizado en ingls es hydrometer; sin embargo, en espaol, un
hidrmetro es un instrumento muy diferente que sirve para medir el
caudal, la velocidad o la presin de un lquido en movimiento.Se
considera a Hipatia de Alejandra como su inventora. Posibilidad
para determinar las densidades de lquidos y gases es utilizar un
instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante,
cuya frecuencia de resonancia est determinada por los materiales
contenidos, como la masa del diapasn es determinante para la altura
del sonidoModo de empleo:El densmetro se introduce vertical y
cuidadosamente en el lquido hasta que flote libre y verticalmente.
A continuacin, se observa en la escala graduada en el vstago del
densmetro su nivel de hundimiento en el lquido; esa es la lectura
de la medida de densidad relativa del lquido. En lquidos ligeros
(v.g., queroseno, gasolina, alcohol,...) el densmetro se hundir ms
que en lquidos ms densos (como agua salada, leche,...). De hecho,
es usual tener dos instrumentos distintos: uno para los lquidos en
general y otro para los lquidos poco densos, teniendo como
diferencia la posicin de las marcas medidas.
El densmetro se utiliza tambin en la enologa para determinar el
momento de fermentacin en que se encuentra el vino. Para medir la
graduacin alcohlica se se utiliza el alcoholmetro de Gay-Lussac,
con el que se mide directamente la graduacin en grados
Gay-Lussac.Tipos de densmetro:Forma ms conocida de densmetro es la
que se usa para medir la densidad de la leche, llamado lactmetro,
que sirve para conocer la calidad de la leche. La densidad
especfica de la leche de vaca vara entre 1,027 y 1,035. Como la
leche contiene otras sustancias, aparte de agua (87%), tambin se
puede saber la densidad de albmina, azcar, sal, y otras sustancias
ms ligeras que el agua.Para comprobar el estado de carga de una
batera elctrica se utiliza una variedad de densmetro que est
constituido por una probeta de cristal, con una prolongacin
abierta, para introducir por ella el lquido a medir, el cual se
absorbe por el vaco que crea una pera de goma situada en la parte
superior de la probeta. En el interior de la misma va situada una
ampolla de vidrio, cerrada y llena de aire, equilibrada con un peso
a base de perdigones de plomo. La ampolla va graduada en unidades
densimtricas, de 1 a 1,30. Lactmetro - Para medir la densidad y
calidad de la leche. Sacarmetro - Para medir la cantidad de azcar
de una melaza. Salmetro - Para medir la densidad de las sales.
Aremetro Baum - Para medir concentraciones de disoluciones.La
escala Baum se basa en considerar el valor de 0B al agua destilada.
Existen frmulas de conversin de B en densidades: Para lquidos ms
densos que el agua: d = 146'3/(136'3+n) Para lquidos menos densos
que el agua: d = 146'3/(136'3-n).
Picnmetro:El picnmetro (del griego , pykns, densidad), o botella
de gravedad especfica, es un frasco con un cierre sellado de vidrio
que dispone de un tapn provisto de un finsimo capilar, de tal
manera que puede obtenerse un volumen con gran precisin. Esto
permite medir la densidad de un fluido, en referencia a la de un
fluido de densidad conocida como el agua o el mercurio.Normalmente,
para la determinacin de la densidad de algunos productos especiales
como las pinturas, se utilizan picnmetros metlicos.Si el frasco se
pesa vaco, luego lleno de agua, y luego lleno del lquido problema,
la densidad de ste puede calcularse sencillamente.La densidad de
partculas de un rido (polvo, por ejemplo), que no puede
determinarse con el simple mtodo de pesar, puede obtenerse con el
picnmetro. El polvo se pone en el picnmetro, que se pesar, dando el
peso de la muestra de polvo. A continuacin, se completa el llenado
del picnmetro con un lquido, de densidad conocida, en el que el
polvo sea completamente insoluble. El peso del lquido desplazado
podr luego determinarse, y as hallar la gravedad especfica del
polvo.Ejemplo:Teniendo en cuenta que el volumen es siempre el
mismo;
y que a partir de la definicin de densidad;
se sigue que, con el mismo volumen, la de densidad es
proporcional a la masa, la densidad de la muestra viene dada
por:
Siendo:: Masa de muestra contenido en el picnmetro;: Densidad de
la muestra contenido en el picnmetro;: Masa de agua (o lquido de
densidad conocida) contenido en el picnmetro;: Densidad del agua (o
lquido de densidad conocida) contenido en el picnmetro.Balanza
hidrostticaBalanza hidrosttica es un mecanismo experimental
destinado al estudio de la fuerza de impulso ejercida por fluidos
sobre los cuerpos en ellos inmersos. Fue inventada por Galileo
Galilei el 17 de diciembre de 1585. Su funcionamiento se basa en el
principio de Arqumedes y est especialmente concebida para la
determinacin de densidades de slidos y lquidos.Una variante de
balanza hidrosttica es la Balanza de Mohr-Westphal que la sustituy
rpidamente tras su invencin al ser ms precisa y sencilla de
usar.Hoy en da estas dos balanzas casi no se utilizan en
laboratorios. En su lugar se emplea el picnmetro o medidores
digitales, que son mucho ms precisos.Funcionamiento:La balanza
hidrosttica consta comnmente de dos brazos, de los que cuelgan dos
platillos. De uno de ellos se cuelga el objeto del cual queremos
determinar su volumen y en el otro las pesas calibradas para
determinar su masa. Una vez determinada se sumerge al objeto en
agua destilada y se calcula de nuevo la masa del objeto.Una vez
conocida esta diferencia de masas aplicamos el principio de
Arqumedes (todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una
impulso vertical y hacia arriba equivalente al peso del volumen de
fluido desalojado). Como la densidad del fluido es 1 g/cc (agua
destilada) simplemente aplicamos la frmula de la densidad:
Como se observa a simple vista, la precisin de este mtodo es
cuestionable ya que el error absoluto y relativo es cuantioso. Aun
as fue un importante avance para el Siglo XVII.Balanza de
Mohr-WestphalLa balanza de Mohr-Westphal es una balanza de brazos
desiguales que se utiliza para la determinacin de densidades de
lquidos. En esencia, consta de un armazn o montura ajustable en
altura sobre el que se apoya una varilla segmentada en dos brazos.
El brazo ms corto termina en una pesa compacta fija, provista de
una aguja que debe enfrentarse con otra aguja fijada al armazn 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 termmetro para medir la temperatura del lquido 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 (del alemn, jinetes): dos grandes que,
aunque diferentes en forma y funcin, tienen el mismo peso, y otros
tres ms pequeos, cuyos pesos son la dcima, la centsima y la milsima
de aquellos, respectivamente.Fue desarrollada por el farmacutico
alemn Karl Friedrich Mohr (1806-1879). Fundamento:La balanza de
Mohr-Westphal, al igual que otras balanzas hidrostticas, tiene su
fundamento en el principio de Arqumedes. Este principio establece
que todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido
experimenta una fuerza vertical hacia arriba, llamada empuje
hidrosttico o de Arqumedes o, simplemente, empuje, cuyo valor es
igual al peso del fluido desalojado y cuya lnea de accin pasa por
el centro de gravedad del fluido desalojado. As, cuando un cuerpo
de volumen V se sumerge totalmente en un lquido de densidad , el
empuje que experimenta el cuerpo es(1) Por tanto, si un mismo
cuerpo se sumerge sucesivamente en dos fluidos distintos, de
densidades 1 y 2, experimentar empujes que se encontrarn en la
relacin(2) De modo que, a partir de una medida del cociente,
podemos determinar la densidad relativa del segundo fluido con
respecto al primero, esto es.Cuando el inmersor est colgado en el
aire, su peso queda equilibrado por el contrapeso (la balanza est
equilibrada). Cuando el inmersor se sumerge en un lquido, el empuje
desequilibra la balanza, de tal forma que, si queremos restablecer
el equilibrio, deberemos colocar algunos reiters, cabalgando sobre
el brazo graduado, hasta compensar exactamente el empuje
hidrosttico.Como en la expresin (2) slo aparece el cociente entre
dos empujes, no tenemos que preocuparemos de cul sea la unidad para
medir stos. As, el reiter unidad (1/1) se ha elegido de modo que,
colocado en la divisin 10, equilibre exactamente el empuje que
experimenta el inmersor cuando est sumergido en agua pura (exenta
de aire) a 4C. Este reiter representa por tanto la unidad de empuje
cuando est colocado en la divisin 10. Los dems reiters tienen,
respectivamente una masa de 1/10, 1/100 de la del reiter unidad, de
tal modo que colocados en la divisin 10 de la balanza, representan
1/10 y 1/100 de la unidad de empuje. Cada reiter colocado en
cualquier otra divisin, representa tantas dcimas de su valor (por
ejemplo 0.1 en el caso del reiter unidad) como indica el nmero de
la muesca sobre la que se ha situado. As, por ejemplo, los reiter
1/1, 1/10 y 1/100 situados, respectivamente, en las muescas 7,6 y
5, representan un empuje de 0.765 unidades. Puesto que la unidad de
empuje corresponde al agua y la densidad de sta es bien conocida
(1g/cm3 a 4C), la balanza de Mohr-Westphal permitir conocer la
densidad de un lquido problema a partir de la simple lectura de la
posicin de los reiters necesarios para equilibrar la balanza cuando
el inmersor est completamente sumergido en un lquido cuya densidad
queremos medir.No obstante, normalmente hay que proceder a efectuar
la correccin instrumental de la balanza. Para ello se realiza una
medida de densidad con un lquido bien conocido (v.g., agua
destilada) y despus con el lquido o lquidos problemas.Existen
factores que pueden afectar al resultado, pero su toma en
consideracin depende de la exactitud que le exijamos. Revisemos
algunos de ellos. Temperatura: a diferencia de los slidos, la
variacin de la densidad de los lquidos con la temperatura es del
orden de magnitud de 1 por mil por cada grado centgrado, por lo que
el resultado de la medida estar referido a la temperatura a la que
se encuentre el lquido. Empuje del aire: la densidad del aire es de
un orden de magnitud de 10-3 g/cm3. As pues, cualquier cuerpo
sumergido en el aire, experimenta un empuje del orden de 10-3 del
que experimenta en el seno del agua. Este efecto puede despreciarse
en la determinacin de la densidad de un slido, pero, si se
requiriera una gran precisin, sera necesario tenerlo en cuenta;
siendo entonces la densidad verdadera mayor en 0.001 g/cm3 que la
calculada, aproximadamente. Profundidad de inmersin del inmersor:
el hilo del que est suspendido el inmersor experimenta un empuje
que depende de la porcin de l que se sumerja. Para minimizar el
error introducido por este motivo, el inmersor debe suspenderse del
estribo de igual forma en las dos operaciones de pesadas necesarias
para la determinacin de la densidad de un slido. Tensin superficial
del lquido: los fenmenos de tensin superficial tambin pueden
afectar las medidas realizadas durante la prctica. Para minimizar
su influencia, se sumergir el portaobjetos de igual forma en las
dos operaciones de pesada. Burbujas de aire: la adherencia de
burbujas de aire al inmersor influye sobre el resultado,
produciendo un empuje adicional, por lo que debe evitarse la
presencia de las burbujas. Para ello se sacudir ligeramente el
inmersor en la primera inmersin en el lquido, antes de suspenderlo
del estribo, para desprender las posibles burbujas de aire
adheridas.
Viscosidad:La viscosidad es la oposicin de un fluido a las
deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se
llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos
presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula
una aproximacin bastante buena para ciertas aplicaciones. La
viscosidad slo se manifiesta en lquidos en movimiento.
Explicacin de la viscosidad:Imaginemos un bloque slido (no
fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de
borrar sobre la que se sita la palma de la mano que empuja en
direccin paralela a la mesa.) En este caso (a), el material slido
opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b),
tanto ms cuanto menor sea su rigidez.Si imaginamos que la goma de
borrar est formada por delgadas capas unas sobre otras, el
resultado de la deformacin es el desplazamiento relativo de unas
capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura
(c).
Deformacin de un slido por la aplicacin de una fuerza
tangencial.En los lquidos, el pequeo rozamiento existente entre
capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequea magnitud la
que le confiere al fluido sus peculiares caractersticas; as, por
ejemplo, si arrastramos la superficie de un lquido con la palma de
la mano como hacamos con la goma de borrar, las capas inferiores no
se movern o lo harn mucho ms lentamente que la superficie ya que
son arrastradas por efecto de la pequea resistencia tangencial,
mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente
si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el
que hemos depositado pequeos trozos de corcho, observaremos que al
revolver en el centro tambin se mueve la periferia y al revolver en
la periferia tambin dan vueltas los trocitos de corcho del centro;
de nuevo, las capas cilndricas de agua se mueven por efecto de la
viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de
la cuchara.Cabe sealar que la viscosidad slo se manifiesta en
fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido est en reposo adopta
una forma tal en la que no actan las fuerzas tangenciales que no
puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un
lquido, la superficie del mismo permanece plana, es decir,
perpendicular a la nica fuerza que acta en ese momento, la
gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.Si la
viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes
lo sera tambin, lo que significa que stas no podran moverse unas
respecto de otras o lo haran muy poco, es decir, estaramos ante un
slido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaramos ante
un superfluido que presenta propiedades notables como escapar de
los recipientes aunque no estn llenos (vase Helio-II).La viscosidad
es caracterstica de todos los fluidos, tanto lquidos como gases, si
bien, en este ltimo caso su efecto suele ser despreciable, estn ms
cerca de ser fluidos ideales.
Expresiones cuantitativas:Existen diversos modelos de viscosidad
aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de
diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso ms sencillo de
caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal
(entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales)
pero tambin existen modelos no lineales con adelgazamiento o
espesamiento por cortante o como los plsticos de Bingham.Fluido
newtoniano
Esquema que permite entender la resistencia al avance de una
placa horizontal sobre la superficie de un fluido newtoniano.En un
fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una
placa que se mueve, a velocidad constante por la superficie de un
fluido viene dada por:
Dnde:FR = fuerza cortante (paralela a la velocidad)A = area
superficial del solido en contacto con el fluido, coeficiente de
viscosidad dinmica., altura del nivel de fluido o distancia entre
la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al
fluido.Esta expresin se puede reescribir en trminos de tensiones
tangenciales sobre la placa como:
Donde es la velocidad del fluido. Unidades:La viscosidad de un
fluido puede medirse por un parmetro dependiente de la temperatura
llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad:
Coeficiente de viscosidad dinmico, designado como o . En unidades
en el SI: [] = [Pas] = [kgm-1s-1]; otras unidades:1 poise = 1 [P] =
10-1 [Pas] = [10-1 kgs-1m-1] Coeficiente de viscosidad cinemtico,
designado como , y que resulta ser igual al cociente entre el
coeficiente de viscosidad dinmica y la densidad del fluido. = /.
(En unidades en el SI: [] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el
stokes (St).Gas (a 0 C):Viscosidad dinmica [Pas]
Hidrgeno8,4
Aire17,4
Xenn21,2
Agua (20C)1002
