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1.2: Revisión de Química y Matemáticas

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    Objetivos de aprendizaje

    • Revisar las habilidades básicas de química y matemáticas que se utilizarán a lo largo del semestre.

    La ciencia del suelo, como con cualquier ciencia, implica la recolección e interpretación de datos. Para poder registrar e interpretar adecuadamente los datos en este curso, los estudiantes deben tener una comprensión fundamental de las conversiones unitarias y la química. Este laboratorio revisará algunos de los principales conceptos que son esenciales para el éxito en Suelos.

    Materiales

    • Conjunto de problemas de química y matemáticas para científicos de suelos

    Lectura Recomendada

    Revise los conceptos de química relevantes en un libro de texto de química de su elección.

    Asignación Prelab

    Utilizando un libro de texto de química, y los factores de conversión y fórmulas proporcionados en este manual de laboratorio, considere las siguientes preguntas.

    1. Definir análisis dimensional. Describa cómo puede ser útil para la conversión de unidades y cómo se puede usar para verificar la precisión de los cálculos.
    2. Define la molaridad y dé varios ejemplos de cómo se puede expresar (etiquetas o unidades).
    3. Describir, en términos generales, el proceso de una titulación ácido-base.
    4. Tenga en cuenta si alguna de las unidades enumeradas en Factores de conversión y fórmulas no le resulta familiar. Si es así, busca esa unidad y descríbala en términos de unidades con las que esté familiarizado.
    5. ¿Las unidades “Mg” y “mg” son iguales? Si no, ¿cuál es más grande?
    6. ¿Cuántas dimensiones hay en las siguientes unidades? Etiquete cada unidad como longitud, área o volumen.
      • m:
      • m 2:
      • m 3:

    Introducción

    Análisis Dimensional

    Muy a menudo, nuestras medidas no están en las mismas unidades en las que deseamos expresar nuestros resultados. Sin embargo, convertir de una medida a otra no es difícil con los factores de conversión correctos. La clave es apreciar que se pueden utilizar diferentes unidades para expresar la misma cantidad. Llamar a un sofá por otro nombre como sofá no cambia nada de ese mueble, ni expresar la altura de una persona en lugar de pies los hace más altos o más cortos. Entonces al cambiar unidades, no cambiamos la cantidad, solo el nombre que usamos para expresar esa cantidad.

    Esto se basa en el principio de que si multiplicamos cualquier número por uno, no cambia el número. Por ejemplo, sabemos que una hora es igual a 60 minutos, y que un minuto es igual a 60 segundos. Considera la siguiente fracción:

    \[\frac{60\text{ minutes}}{60\text{ minutes}}\nonumber \]

    Sabemos que esta fracción se reduce a uno porque la parte superior (el numerador) es igual a la inferior (el denominador). No obstante, sabemos que 60 minutos equivale a una hora. Entonces podríamos escribir la fracción:

    \[\frac{60\text{ minutes}}{1\text{ hour}}\nonumber \]

    Si bien el valor numérico de esta fracción es 60, la cantidad de tiempo representada tanto en el numerador como en el denominador son iguales, y esta fracción es, en cierto sentido, igual a uno. Utilizamos este concepto, muy probablemente sin pensarlo, cuando convertimos ciertas cantidades en nuestra cabeza. Si se nos dice que algo va a tomar alrededor de dos horas, podemos convertir de inmediato esto en nuestra cabeza a 120 minutos. O si necesitamos estar en algún lugar en media hora, podemos convertir esto a 30 minutos en nuestra cabeza sin mucho esfuerzo. Si lo pensamos, sin embargo, reconoceríamos que el método utilizado para realizar esta conversión puede ser utilizado para completar conversiones más complicadas que no podemos realizar en nuestra cabeza. Estas conversiones que realizamos en nuestra cabeza utilizaron el factor de conversión 1 hora = 60 minutos y se pueden escribir de la siguiente manera:

    \[\frac{2\text{ hours}}{1}\times\frac{60\text{ minutes}}{1\text{ hour}} = 120\text{ minutes}\nonumber \]

    En este caso, cuando lo escribimos, la diferencia es que volteamos el factor de conversión para que 1 hora esté en el numerador y 60 minutos esté en el denominador. El análisis dimensional de aspecto más importante es realizar un seguimiento siempre de sus unidades. Al hacer un seguimiento de sus unidades, se asegura de que las unidades se cancelen correctamente. En el ejemplo anterior, el factor de conversión tiene minutos en el denominador para cancelar los minutos en el valor inicial; las horas están en el numerador para tomar el lugar de los minutos.

    \[\frac{120\text{ minutes}}{1}\times\frac{1\text{ hour}}{60\text{ minutes}}=2\text{ hours}\nonumber \]

    Si esto se configura incorrectamente, la conversión produciría:

    \[\frac{120\text{ minutes}}{1}\times\frac{60\text{ minutes}}{1\text{ hour}}=\frac{7,200\text{ minutes}^2}{\text{hour}}\nonumber \]

    Esta respuesta no sólo es incorrecta, sino que tiene muy poco sentido.

    Titulaciones Químicas

    Las reacciones en solución acuosa se utilizan comúnmente para determinar la concentración desconocida de una sustancia disuelta. La valoración es la técnica utilizada:

    • Se agrega cuantitativamente una solución de concentración conocida (solución estándar) a un volumen conocido de la solución de concentración desconocida. Por ejemplo, se usa una bureta para agregar lentamente una solución con una concentración conocida de HCl a un volumen específico de una solución con una concentración desconocida de NaOH.
    • El HCl y el NaOH reaccionan para formar NaCl y H 2 O. El punto en la titulación en el que el último de los NaOH reacciona con el HCl agregado se denomina punto de equivalencia. Este punto se detecta comúnmente usando un indicador que cambia de color en el punto de equivalencia. Así, sabes dejar de valorar cuando cambia el color.
    • Conocer la concentración y volumen de la solución de HCl añadida y el volumen original de la solución de NaOH nos permite calcular la concentración de NaOH en la solución original.
      • Podemos calcular el número de moles de HCl en la solución usando lo siguiente:

    \[\text{Moles HCl}=(\text{volume HCl added})\times(\text{molarity of HCl})\nonumber \]

      • Sabemos que cuando HCl y NaOH reaccionan, las ecuaciones son: HCl + NaOH → NaCl + H 2 O. Así, un mol de HCl reacciona con un mol de NaOH. Entonces, si conocemos el número de moles de HCl requeridos para la reacción, podemos calcular el número de moles de NaOH que reaccionaron.
    • Nota: Una aplicación práctica de la titulación es en la determinación del contenido de alcohol en sangre. El plasma sanguíneo se titula con dicromato de potasio, que oxida el alcohol. La cantidad de dicromato de potasio requerida para ello se utiliza para calcular la cantidad de alcohol presente.

    Trabajemos un ejemplo:

    Nos gustaría determinar la molaridad de una solución de NaOH de concentración desconocida. De esta solución, se valoran 50 mL con solución de HCl 0.01 molar. De la solución de HCl, se requieren 20 mL para alcanzar el punto de equivalencia (en algún momento llamado punto final).

    1. Calcular los moles de HCl utilizados en la titulación:

    \[\text{Moles of HCl}=\frac{20\text{ mL HCl}}{1}\times\frac{0.01\text{ moles HCl}}{1\text{ L HCl}}\times\frac{1\text{ L HCl}}{1000\text{ mL HCl}}=2\times10^{-4}\text{ moles HCl}\nonumber \]

    2. Calcular los moles de NaOH presentes:

    Ya que sabemos que un mol de NaOH reacciona con un mol de HCl, sabemos que 2 x 10 -4 moles de NaOH están presentes en la solución.

    \[\text{Moles of NaOH}=\frac{2\times10^{-4}\text{ moles HCl}}{1}\times\frac{1\text{ mole NaOH}}{1\text{ mole HCl}}=2\times10^{-4}\text{ moles NaOH}\nonumber \]

    3. Calcular la molaridad del NaOH:

    El volumen original de la solución de NaOH fue de 50 mL. Por lo que 50 mL de solución contiene 2 x 10 -4 moles de NaOH. Por lo tanto, la molaridad del NaOH es:

    \[\frac{2\times10^{-4}\text{ moles NaOH}}{50\text{ mL NaOH}}\times\frac{1000\text{ mL NaOH}}{1\text{ L NaOH}}=\frac{0.004\text{ moles NaOH}}{\text{L}}\text{ or }0.004\text{ M NaOH}\nonumber \]

    Trabajemos otro ejemplo:

    Nos gustaría determinar la molaridad de una solución de Ca (OH) 2 de concentración desconocida. De esta solución, se valoran 80 mL con solución de HCl 0.01 molar. De la solución de HCl, se requieren 35 mL para alcanzar el punto de equivalencia. Primero, escribamos la ecuación para esta reacción:

    \[\ce{2HCl + Ca(OH)2 -> CaCl2 + 2H2O}\]

    1. Calcular los moles de HCl utilizados en la titulación.

    \[\text{Moles of HCl}=\frac{35\text{ mL HCl}}{1}\times\frac{0.01\text{ moles HCl}}{1\text{ L HCl}}\times\frac{1\text{ L HCl}}{1000\text{ mL HCl}}=3.5\times10^{-4}\text{ moles HCl}\nonumber \]

    2. Calcular los moles de Ca (OH) 2 presentes:

    En contraste con la reacción entre HCl y NaOH, vemos que se requieren dos moles de HCl para reaccionar con un mol de Ca (OH) 2. Por lo tanto, los moles de Ca (OH) 2 en solución son:

    \[\frac{3.5\times10^{-4}\text{ moles HCl}}{1}\times\frac{1\text{ mole Ca(OH)}_2}{2\text{ moles HCl}}=1.75\times10^{-4}\text{ moles Ca(OH)}_2\nonumber \]

    • Calcular molaridad del Ca (OH) 2

    El volumen original de la solución de Ca (OH) 2 fue de 80 mL. Así 80 mL de solución contiene 1.75 x 10-4 moles de Ca (OH) 2. Por lo tanto, la molaridad es

    \[\frac{1.75\times10^{-4}\text{ moles Ca(OH)}_2}{80\text{ mL Ca(OH)}_2}\times\frac{1000\text{ mL Ca(OH)}_2}{1\text{ L Ca(OH)}_2}=\frac{2.19\times10^{-3}\text{ moles Ca(OH)}_2}{\text{L}}\text{ or }2.19\times10^{-3}\text{ M Ca(OH)}_2\nonumber \]

    Actividad 1 y tarea: conjunto de problemas

    Se le proporcionará un conjunto de problemas al comienzo del laboratorio. Trabajarás en el conjunto de problemas durante el periodo de laboratorio, y lo entregarás según las instrucciones.

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