Segundo Informde De Fisico Quimica.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLÓGICA MINERA Y METALÚRGICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA “FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALÚRGICA”

SEGUNDA PRACTICA DE LABORATORIO ALUMNO:  Irribarren Retuerto Luis Fernando DOCENTES:  Arenas Ñiquin Jose Luis  Lobato Flores Arturo TEMA:  Equilibrio en las soluciones (Método colorimétrico) CURSO:  Físico Química (ME-211 R)

2017-II SEGUNDO INFORME DE FISICO QUIMICA

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ÍNDICE I. INTRODUCCION II. OBJETIVO III. FUNDAMENTO TEORICO IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL V. RESOLUCION DEL CUESTIONARIO VI. CONCLUSIONES VII. RECOMENDACIONES VIII. BIBLIOGRAFIA

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I.

INTRODUCCION

El método colorímetro es un método basado en la propiedad que tienen todos los cuerpos de absorber la radiación solar para lo cual previamente el alumno debe revisar algunos conceptos. Una sustancia en solución absorbe cierta cantidad de energía de la radiación electromagnética, esta varia directamente proporcional a la concentración de la sustancia; cuando esta absorción es en la región visible del espectro, el análisis se denomina colorímetro debido a esta absorción podemos saber que tan concentrada es una solución por medio de su coloración por supuesto con la ayuda de un espectrofotómetro.

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II. OBJETIVOS  Determinación del análisis cualitativo y cuantitativo de sustancias por medio de un método colorimétrico basado en una propiedad que poseen todas las sustancias al absorber la emisión de la luz.  Adiestramiento en el buen uso de un aparato de medición de intensidad de una sustancia estudiada, colorímetro.  Afianzar los conocimientos en el tema y el uso de materiales, equipos y sustancias químicas utilizadas en el laboratorio.  Adiestramiento en el uso de equipos de alta precisión.  Analizar la estabilidad del sistema a partir de los puntos de equilibrio.

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III. FUNDAMENTO TEÓRICO La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo. Fenómenos asociados a la radiación electromagnética Existen multitud de fenómenos físicos asociados con la radiación electromagnética que pueden ser estudiados de manera unificada, como la interacción de ondas electromagnéticas y partículas cargadas presentes en la materia. Entre estos fenómenos están por ejemplo la luz visible, el calor radiado, las ondas de radio y televisión o ciertos tipos de radioactividad por citar algunos de los fenómenos más destacados. Todos estos fenómenos consisten en la emisión de radiación electromagnética en diferentes rangos de frecuencias (o equivalentemente diferentes longitudes de onda), siendo el rango de frecuencia o longitud de onda el más usado para clasificar los diferentes tipos de radiación electromagnética Luz visible La luz visible está formada por radiación electromagnética cuyas longitudes de onda están comprendidas entre 400 y 700 nm. La luz es producida en la corteza atómica de los átomos, cuando un átomo por diversos motivos reciben energía puede que algunos de sus electrones pasen a capas electrónicas de mayor energía. Los electrones son inestables en capas altas de mayor energía si existen SEGUNDO INFORME DE FISICO QUIMICA

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niveles energéticos inferiores desocupados, por lo que tienden a caer hacia estos, pero al decaer hacia niveles inferiores la conservación de la energía requiere la emisión de fotones, cuyas frecuencias frecuentemente caen en el rango de frecuencias asociados a la luz visible. Calor radiado Cuando se someten a algún metal y otras substancias a fuentes de temperatura estas se calientan y llegan a emitir luz visible. Para un metal este fenómeno se denomina calentar "al rojo vivo", ya que la luz emitida inicialmente es rojiza-anaranjada, si la temperatura se eleva más blanca-amarillenta. Conviene señalar que antes que la luz emitida por metales y otras substancias sobrecalentadas sea visible estos mismos cuerpos radian calor en forma de radiación infrarroja que es un tipo de radiación electromagnética no visible directamente por el ojo humano. Penetración de la radiación electromagnética

En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo). Refracción

La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que:

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Siendo y la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente. En un medio material la permitividad eléctrica tiene un valor diferente a . Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c. Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refracción, es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular a partir de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética de la siguiente manera:

Radiación por partículas aceleradas

Una consecuencia importante de la electrodinámica clásica es que una partícula cargada en movimiento acelerado (rectilíneo, circular o de otro tipo) debe emitir ondas electromagnéticas siendo la potencia emitida proporcional al cuadrado de su aceleración, de hecho la fórmula de Larmor para la potencia emitida viene dada por:

Donde:

Es la carga eléctrica de la partícula. Es la aceleración de la partícula. La permitividad eléctrica del vacío. Es la velocidad de la luz.

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Un ejemplo de este fenómeno de emisión de radiación por parte de partículas cargadas es la radiación de sincrotrón. Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético.

El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).

Luz Visible. Isaac Newton fue el primero en descomponer la luz visible

blanca del Sol en sus componentes mediante la utilización de un prisma. La luz blanca está constituida por la combinación de ondas que tienen energías semejantes sin que alguna predomine sobre las otras. La radiación visible va desde 384x1012 hasta 769x1012 Hz. Las frecuencias más bajas de la luz visible (longitud de onda larga) se SEGUNDO INFORME DE FISICO QUIMICA

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perciben como rojas y las de más alta frecuencia (longitud corta) aparecen violetas. Rayos infrarrojos. La radiación infrarroja fue descubierta por el

astrónomo William Herschel (1738-1822) en 1800, al medir una zona más caliente mas allá de la zona roja del espectro visible. La radiación infrarroja se localiza en el espectro entre 3x1011 Hz. hasta aproximadamente los 4x1014 Hz. La banda infrarroja se divide en tres secciones de acuerdo a su distancia a la zona visible: próxima (780 2500 nm), intermedia (2500 - 50000 nm) y lejana (50000 - 1mm). Toda molécula que tenga un temperatura superior al cero absoluto (-273º K) emite rayos infrarrojos y su cantidad esta directamente relacionada con la temperatura del objeto. Microondas. La región de las microondas se encuentra entre los 109

hasta aproximadamente 3x1011 Hz (con longitud de onda entre 30 cm a 1 mm). Ondas de Radio. Heinrich Hertz (1857-1894), en el año de 1887,

consiguió detectar ondas de radio que tenían una longitud del orden de un metro. La región de ondas de radio se extiende desde algunos Hertz hasta 109 Hz con longitudes de onda desde muchos kilómetros hasta menos de 30 cm. Rayos X. En 1895 Wilhelm Röntgen invento una máquina que producía

radiación electromagnética con una longitud de onda menor a 10 nm a los cuales debido a que no conocía su naturaleza las bautizó como X. Radiación Ultravioleta. Sus longitudes de onda se extienden entre 10 y

400 nm más cortas que las de la luz visible. Rayos Gamma. Se localizan en la parte del espectro que tiene las

longitudes de onda mas pequeñas entre 10 y 0.01 nm. En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del empleo al que están destinadas como se observa en la tabla, además se debe considerar un tipo especial llamado microondas, que se sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de

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entre 30 centímetros a 1 milímetro, que tienen la capacidad de atravesar la ionosfera terrestre, permitiendo la comunicación satelital.

Clasificación de las ondas en telecomunicaciones Sigla

Rango

Denominación

Empleo

VLF

10 kHz a 30 kHz

Muy baja frecuencia

Radio gran alcance

LF

30 kHz a 300 kHz

Baja frecuencia

Radio, navegación

MF

300 kHz a 3 MHz

Frecuencia media

Radio de onda media

HF

3 MHz a 30 MHz

Alta frecuencia

Radio de onda corta

VHF

30 MHz a 300 MHz

Muy alta frecuencia

TV, radio

UHF

300 MHz a 3 GHz

Ultra alta frecuencia

TV, radar, telefonía móvil

SHF

3 GHz a 30 GHz

Super alta frecuencia

Radar

EHF

30 GHz a 300 GHz

Extremadamente alta frecuencia

Radar

Ecuaciones de Maxwell

Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas Ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792.458 m/s), y su dirección de propagación

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(perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí). Dualidad onda-corpúsculo

Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un haz o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

Donde es la energía del fotón, frecuencia de la onda.

es la constante de Planck y

es la

Valor de la constante de Planck

Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda y la frecuencia de oscilación están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Planck).

Espectrofotometría de Absorción Para que la concentración de una sustancia pueda ser determinada con base en su propiedad de absorber energía radiante, debe existir una correspondencia lineal entre su concentración y la magnitud de su absorción, en alguna región del espectro electromagnético. Este requisito se expresa también diciendo que la sustancia debe cumplir la ley de Lambert-Beer, ecuación que expresa la relación matemática entre la concentración de una substancia y la

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magnitud de su absorción de energía, Figura 2. De acuerdo con esta ley, -Ln IE / IO =

kbc =

- Ln T

=

kbc

En donde T es la “Transmitancia” o cociente entre la intensidad de la luz emergente, IE y la intensidad de la luz incidente, IO. T = IE / IO. Figura 2.- Radiación que Atraviesa un Medio Absorbente

A su vez, “b” es el camino óptico o ancho de celda y “k”, la “absortividad” del medio, una constante de proporcionalidad. El Término “- Ln T” se conoce como la “Absorbancia” y así, --Ln IE / IO =

kbc =

A

Ley de Lambert-Beer

O bien, en términos de logaritmos decimales, A

=

2,303 kbc

Nótese que si el “camino óptico, b” se mantiene constante para un conjunto de mediciones, entonces la “Absorbancia” dependerá solo de la concentración de la sustancia absorbente, A = kc. En los inicios de esta técnica, las mediciones se efectuaban construyendo primero una curva de calibración de Absorbancia “vs” Concentración para la especie en estudio y luego se interpolaba en ella, las absorbancias de las muestras.

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En la actualidad, los espectrofotómetros disponibles en el mercado, almacenan en su memoria un gran número de curvas de calibración, para el análisis de diversas especies, en diversas escalas de concentración, de tal suerte, que el procedimiento de medida generalmente se limita a la selección del método en el instrumento y a la lectura de las muestras. Cuando un haz de radiación monocromática, con intensidad Io, incide sobre una cubeta conteniendo una solución, varios fenómenos pueden ocurrir. El efecto más significativo ocurre cuando parte de la radiación es absorbida por el medio que está siendo analizado. Sin embargo, este no es el único efecto que puede ser observado El termino espectrofotometría se refiere al uso de la luz para medir las concentraciones de sustancias químicas, en este informe consideraremos los principios fundamentales de la absorción y la emisión de la luz. Sabemos que una sustancia en solución absorbe cierta cantidad de energía de radiación electromagnética, esta varía directamente proporcional a la concentración de las sustancias.

LEY DE BEER-LAMBERT La ley de Beer-Lambert se verifica muy bien si C es menor o igual que 0.01 M. Falla en soluciones con concentraciones más altas, y la gráfica de absorbancia en función de la concentración deja de ser una línea recta. El coeficiente de absorción molar es la propiedad característica de las sustancias que indica cuánta luz se absorbe a una longitud de onda dada. De hecho, tanto los valores de la absorbancia como los del coeficiente de absorción molar dependen de la longitud de onda de la luz. El funcionamiento del espectrofotómetro es el que sigue: la luz de una fuente continua pasa a través de un monocromador, que selecciona una banda estrecha de longitudes de onda del haz incidente.

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IV. PARTE EXPERIMENTAL 1. Determinación de la curva de trabajo A partir de la solución patrón necesitamos preparar soluciones con las siguientes concentraciones dadas:

Grupo

Cpatrón(mg/l)

Vpatrón(ml)

Cfinal(mg/l)

Vfinal(ml)

1

1000

2.5

50

50

2

1000

5.0

100

50

3

1000

15

300

50

4

1000

22.5

450

50

5

1000

30

600

50

6

1000

40

800

50

A

T(%) =

I I0

x100

A = log⁡(

100 %T

)

C

En nuestro caso nos toco preparar la solución del “Grupo 3” la cual contenía una Cfinal de 300 mg/l siendo posible al disolverlo.

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Para cada medición se debe calibrar el instrumento (debido al grado de sensibilidad que posee) de la siguiente manera:

 Se regula a cero el indicador de transmitancia  Se coloca el selector de longitud de onda en 625 nm.  Se limpia el tubo de la grasa que puede tener por el contacto con la piel.  Se introduce el tubo con agua destilada y se pone el indicador en 100%.  Se retira el tubo y ya se encuentra calibrado el equipo para medir el % de transmitancia de las soluciones.

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Luego de obtener todas las concentraciones pedidas procedemos a calcular el porcentaje de transmitancia de cada muestra.

Transmitancia Una vez hecho las medidas de la transmitancia se obtienen los siguientes datos, los cuales son organizados en una tabla:

N° Muestra

Concentración Transmitancia

1

50

96.5

2

100

90.0

3

300

82.0

4

450

70.5

5

600

58.0

6

800

45.0

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Para poder analizar el comportamiento de estas dos medidas realizamos una gráfica TRANSMITANCIA VS CONCENTRACION TRANSMITANCIA

100 90 80 70 60 50 40 0

100

200

300

400

500

600

700

800

CONCENTRACION

Absorbancia Con la definición dada en el fundamento teórico podemos proceder a calcular cada una de las absorbancias a diferentes concentraciones:

A = log(

100 ) T%

los datos obtenidos los organizamos en una tabla, para su mejor entendimiento

N° Muestra Concentración Transmitancia Absorbancia 1

50

96.5

0.01547269

2

100

90.0

0.04575749

3

300

82.0

0.08618615

4

450

70.5

0.15181088

5

600

58.0

0.23657201

6

800

45.0

0.34678749

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Para poder analizar el comportamiento de estas dos medidas realizamos una gráfica

ABSORBANCIA VS TRANSMITANCIA 0.4

ABSORBANCIA

0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 40

50

60

70

80

TRANSMITANCIA

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90

100

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V.

CUESTIONARIO:

1. Describa en forma básica las partes de un fotómetro y como funciona.

Podemos dividir los fotómetros en dos en función del método que utiliza para medir la luz:  De luz reflejada: Mide la luz que se refleja en las superficies. Haciendo un retrato con este método apuntaríamos con el fotómetro hacia la cara del sujeto y mediríamos la luz reflejada en ésta.  De luz incidente: Mide la luz que incide sobre el fotómetro. Haciendo un retrato con este método pondríamos el fotómetro al lado de la cara del sujeto y apuntaríamos hacia el lado opuesto para medir la luz que incide en su cara.

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2. Una solución X que contiene de 1.54x10-4M tiene una transmitancia de 0.0874 cuando se mide en una celda de 2 cm. ¿Qué concentración de X permitirá tener una transmitancia 3 veces mayor si se utiliza una celda de 1cm? De la ecuación: 𝐈 𝐥𝐧 ( ) = −𝐤. 𝐜. 𝐝 𝐈𝟎 Donde k=coeficiente de absorción molecular c= concentración molecular de la disolución d=espesor de la capa absorbente o distancia recorrida por el rayo de luz. 𝐈 𝐈𝟎

= transmitancia  Para la transmitancia de 0.0874: 𝐈 𝐥𝐧 ( ) = −𝐤. 𝐜. 𝐝 𝐈𝟎 ln(0.0874) = −k(1,54 ∗ 10−4 )(2)⁡ k = 7913.18  Para la transmitancia 3 veces mayor : ln(3 ∗ 0.0874) = −7913.18(X)(1)⁡ 𝐗 = 𝟏. 𝟔𝟗 ∗ 𝟏𝟎−𝟒

3. Trate sobre la importancia de las soluciones coloreadas para un químico analítico.

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Para un químico analítico, la importancia de las soluciones coloreadas descansa en el hecho de que la radiación absorbida es característica del material que efectúa la absorción. Una solución que contenga iones cúpricos hidratados absorberá el ámbar y será transparente al azul, de modo que el cobre podrá determinarse midiendo el grado de absorción de la luz amarilla bajo condiciones previamente uniformadas.

4. Defina los siguiente términos: Transmitancia, Absorbancia, Absotividad y Absotividad Molar.  TRANSMITANCIA: La transmitancia o transmitencia es una magnitud que expresa la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en la unidad de tiempo (potencia). Su expresión matemática es: T=

I I0

Donde I0 es la intensidad del rayo incidente, e I es la intensidad de la luz que viene de la muestra.  ABSORBANCIA: En espectroscopia, la absorbancia es definida como: 𝐈𝟎 𝐀 = 𝐥𝐨𝐠 ( ) 𝐈

La medida de absorbancia se usa con frecuencia en química analítica y en bioquímica, ya que la absorbancia es proporcional al camino óptico de la muestra y a la concentración de la sustancia en ésta, en contraste con la transmitancia I / I0, que varía exponencialmente con el grosor y con la concentración.  ABSORTIVIDAD: Se denomina absortividad a la medida de la cantidad de luz absorbida por una solución, definida como la unidad de absorbancia por unidad de concentración por unidad de longitud de la trayectoria de luz. De acuerdo con la Ley de

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Beer-Lambert, la absortividad es proporcional a la conductividad del soluto absorbente.  ABSORTIVIDAD MOLAR (E): a la absortividad definida en términos de concentraciones expresadas en moles por litro. Antes conocida como coeficiente molar de extinción.

5. ¿Qué principio general trata la ley de Beer? En óptica, la ley de Beer-Lambert, también conocida como ley de Beer o ley de Beer-Lambert-Bouguer es una relación empírica que relaciona la absorción de luz con las propiedades del material atravesado. Dentro de un fotómetro de optek, se utiliza un haz de luz enfocado de manera precisa para penetrar el elemento del procesado. Una célula fotoeléctrica de silicio mide la intensidad resultante de luz. La alteración de la intensidad de la luz, causada por la absorción y/o difusión. La Ley Lambert Beer es un medio matemático de expresar cómo la materia absorbe la luz. Esta ley afirma que la cantidad de luz que sale de una muestra es disminuida por tres fenómenos físicos: La cantidad de material de absorción en su trayectoria (concentración) La distancia que la luz debe atravesar a través de la muestra (distancia de la trayectoria óptica) La probabilidad de que el fotón de esa amplitud particular de onda sea absorbido por el material (absorbencia o coeficiente de extinción) Esta relación puede ser expresada como:

𝐀⁡ = ⁡𝛆𝐝𝐜 SEGUNDO INFORME DE FISICO QUIMICA

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Donde: A⁡ = Absorbencia ε⁡ = coeficiente molar de extinción d⁡ = distancia en cm c⁡ = concentración molar

6. En cuanto al equipo usado ¿qué controles son los más importantes?(calorímetro usado: spectonic-20 Bausch and Lom)

Los controles más importantes son: Portador de muestra (5). Control de lectura de porcentaje de transmitancia (4). Control calibrador de la lectura de transmitancia (6).

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VI. CONCLUSIONES  Para cada medida se debe llevar el espectrofotómetro al 100% usando la solución incolora de agua destilada debido a que el colorímetro es muy sensible a las variaciones en temperatura y en la corriente eléctrica.  Para un químico analítico, la importancia de las soluciones coloreadas descansa en el hecho de que la radiación absorbida es característica del material que efectúa la absorción.  Un colorímetro es cualquier herramienta que identifica el color y el matiz para una medida más objetiva del color.  Cuando usemos el espectrómetro de haz simple, el control de 100% de transmitancia debe reajustarse cada vez que se modifica la longitud de onda debido a la respuesta del detector que puede obtenerse a cada longitud de onda, las lecturas posteriores se escalan a la lectura del 100%.  La exactitud de los datos espectroscópicos depende sustancialmente del cuidado que se tenga del uso y mantenimiento de las celdas , las huellas, la grasa u otras manchas que pueden afectar los cálculos o afectar la transmisión de una celda por tanto es imprescindible que las celdas se limpien perfectamente antes como después de usarlas.

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VII. RECOMENDACIONES

 Trabaje con el debido orden y limpieza. Cada miembro del grupo debe tener previamente designada su función durante el desarrollo de la práctica.  Siga todos los pasos estipulados en el buen manejo del equipo de la facultad  La exactitud de los datos espectroscópicos depende sustancialmente del cuidado que se tenga del uso y mantenimiento de las celdas, las huellas, la grasa u otras manchas que pueden afectar los cálculos o afectar la transmisión de una celda por tanto es imprescindible que las celdas se limpien perfectamente antes como después de usarlas  Al devolver el equipo cerciórese de que se encuentra en las mismas condiciones en las que se le fue entregado y asi no se genere un problema al momento de entregarlo.

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VIII. BIBLIOGRAFIA

 Sydney H. Avner  Introducción a la Metalurgia Física Cap.VI  Adamson  Química Física Gilbert W. Castellan  Físico-Química  Gilbert H. Ayres, análisis cuantitativo-segunda edición.  R. A. Day. J y A. L. Underwood, química analítica cuantitativaquinta edición.

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