martes, 9 de octubre de 2012

Calibración de material de Vidrio

MATERIAL VOLUMÉTRICO
El material volumétrico   tiene por finalidad la medición exacta de volúmenes y debeser controlado  antes  de  utilizarlo.    Para  ello  se  requiere  pesar  la  cantidad  de  agua pura (contenida  en los   matraces volumétricos) o transferida  ( por pipetas y buretas),  a una temperatura dada, y calcular el volumen obtenido a partir de la masa pesada.

Es importante que,   antes de utilizar cualquier material volumétrico,   se examine   si las paredes del recipiente de medida están engrasadas.  Para verificar esto se debe enjuagar el material con agua; cuando la superficie de vidrio está limpia y  libre de grasa, el agua se extiende y deja una película invisible cuando se deja correr sobre ella.  Si el agua no las humedece uniformemente, se debe limpiar.
 
LIMPIEZA DEL MATERIAL
Para la limpieza, muchas veces es suficiente una disolución de un detergente común. En caso de que no fuera suficiente, se puede utilizar mezcla crómica o   una disolución de hidróxido de potasio en alcohol ( esta última no debe dejarse mucho tiempo en contacto con el vidrio porque lo ataca lentamente) .

Siempre que se utilice una disolución de limpieza, el recipiente se lavará cuidadosamente, primero con agua corriente y después con agua destilada para verificar que las paredes queden uniformemente humedecidas.

El material aforado no debe ser secado en estufa ya que puede provocar distorsión del vidrio y causar un cambio en el volumen
 
CALIBRACIÓN
Para obtener el   volumen calibrado a partir de la masa de agua es importante tener en cuenta que :
 
(1) La densidad del agua varía con la temperatura
(2) El volumen del recipiente de vidrio varía con la temperatura
(3) El agua que llena el recipiente se pesa en aire
 
Cuando  se calibra material de vidrio se deben tomar en consideración estos factores para calcular el volumen contenido o vertido por el material a 20ºC. Si trabajamos a temperatura ambiente (cercana a los 20ºC) el segundo factor (el volumen del recipiente de vidrio varía con la temperatura) introduce correcciones muy pequeñas por lo que a efectos prácticos no lo consideraremos en el cálculo. La expresión que permite calcular el volumen calibrado se indica a continuación:
en donde Va    corresponde al volumen medido, γ corresponde al coeficiente de dilatación lineal del vidrio (que para el vidrio borosilicato que se emplea habitualmente en el laboratorio vale 10 5) y σaire y σagua corresponden a las densidades del aire y del agua, respectivamente.
En la tabla siguiente se muestra el factor necesario para calcular el volumen calibrado a diferentes temperaturas; en ella se han considerado las     correcciones debidas tanto el empuje del aire como el efecto de la temperatura en la densidad del agua y en la dilatación térmica del vidrio a diferentes temperaturas.
 


Ejemplo:
Se desea calibrar una pipeta de 25.0 mL El frasco vacío tiene una masa de 10.283 g y después de llenarlo con el agua contenida en la pipeta la masa fue de 35.225. Si la temperatura del laboratorio era de 23oC, encontrar el volumen vertido por la pipeta

Masa agua= 35.225-10.283= 24.942 g
Volumen de agua= (24.942g)(1.0035 ml/g) = 25.029 mL a 23OC)


La diferencia entre el volumen medido y el calibrado significa una incertidumbre en la medida del volumen que deberá ser incluido en el resultado final del mensurando.La medida del volumen calibrado deberá efectuarse varias veces de  manera que los valores obtenidos se van a distribuir según una curva de distribución gaussiana. El máximo de la curva corresponde con la media aritmética de los valores (µ)  y el término denominado desviación normal (s) es una medida útil de la dispersión de los datos debido a errores aleatorios. En una curva gaussiana, el 95.5% de los datos se encuentran dentro del intervalo µ ± 2s y el 99.7 en el intervalo µ ± 3s.

PIPETA
Procedimiento

Llenar  la pipeta de 5 mL con agua destilada a temperatura ambiente, aspirando el agua(con la propipeta o pera de succión) hasta que el menisco se encuentre por encima de la marca de calibrado de fábrica. Colocar   el dedo índice sobre el extremo superior de la pipeta para mantener  el agua en su lugar; eliminar cuidadosamente las gotas de agua que estén adheridas al exterior de la pipeta secándolas con un papel suave. Sostener verticalmente la pipeta sobre un recipiente y enrasar el nivel del menisco moviendo el dedo índice hasta que coincida con la marca de calibrado. Transferir el agua a un matraz aforado de 20  mL, limpio y previamente pesado, procurando que la punta de la pipeta esté dentro del matraz para evitar pérdidas por salpicaduras; para ello aflojar el dedo índice y  dejar que el agua de la pipeta escurra libremente por 10 segundos. No debe  soplarse  para que salga la pequeña porción de agua que queda en la punta de la pipeta ya que  ésta  ha sido tomada en cuenta en el calibrado original de la misma.  Tapar  el matraz rápidamente para evitar  pérdidas  por  evaporación  y  pesar    su  contenido.  Calcular  la  masa  de  agua transferida mediante la diferencia entre este valor y el del matraz vacio. Calcular el valor del verdadero volumen transferido con ayuda de la tabla anexa.1 y comparar este  volumen con el volumen nominal leído. Repetir este procedimiento tres veces.
 
Calcular la diferencia entre el volumen medido y el corregido y la desviación estándar de los valores obtenidos en la repeticiones efectuadas.

A continuación se muestra, a  título de ejemplo, los resultados obtenidos para  una pipeta clase B de 10 mL calibrada a 20oC. La tolerancia marcada por el fabricante es de 0.10 mL

 
mL de agua medidos
masa de agua
Volumen corregido a 20o C(Factor=
1.0028)
Diferencia entre los volúmenes (medido y corregido)
10
9.9763
10.0042
-0.0042
10
9.8430
9.8706
0.1294
10
9.8300
9.8575
0.1425
 
s=0.0812

 
El valor de la desviación estándar se toma como la incertidumbre absoluta 2 En este caso la incertidumbre de la pipeta de 10 mL es de 0.0812mL.

  La fórmula para calcular la incertidumbre relativa (Urel) y expresarla en % es:
 
Por lo que la incertidumbre relativa en la medida del volumen con esa pipeta es de 0.812 %

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1 Cabe mencionar que en esta corrección ya está considerado tanto el empuje del aire como el efecto de la temperatura en la densidad del agua y en la dilatación  térmica del vidrio

2       En  este  caso    se  toma  la  desviación  estándar  sólo  como  una  primera  aproximación  de  la
incertidumbre absoluta, ya que hay otros factores relacionados con la incertidumbre que están fuera de los objetivos  de este curso.


CALIBRACION DE LA BURETA
Para la calibración de la bureta se requiere seguir un  procedimiento similar al de la pipeta pero,    en  este caso, deberán      extraerse volúmenes diferentes de  acuerdo al siguiente procedimiento.

Llenar   la bureta con agua destilada a temperatura ambiente   evitando   que queden
atrapadas burbujas de aire en la punta; para eliminarlas se deja que el  agua escurra por la
bureta con la llave abierta. Además, comprobar que no escape agua por la llave para lo cual debe   observarse que no varíe el menisco el cual   deberá quedar en la marca de
0.00mL.

Transferir lentamente 10 mL de agua al matraz aforado de 50 mL, previamente pesado, y
tapar rápidamente para evitar pérdidas por evaporación. Pesar el matraz y su contenido; la
diferencia entre esta masa y el valor   del matraz vacío proporciona la masa del agua transferida. Se repite el procedimiento extrayendo otros dos  volúmenes de agua (hasta un volumen total de 20 y 30 mL)3  y se corrige el peso medido. Para cada juego de datos se corrige el peso observado utilizando la tabla anexa  Para fines prácticos la corrección de volumen que ha de aplicarse  a cada lectura de la bureta es la diferencia entre el volumen real (obtenido después de la corrección)  y el volumen leído en las marcas de la bureta. La calibración  por  duplicado  debe  concordar  dentro  de  ±0.02mL  A  título  de  ejemplo,  a continuación se muestran los resultados obtenidos en la verificación4    de una bureta de 50.00  mL de clase  A realizada a una temperatura de  20o Co5. La tolerancia marcada por el fabricante es de 0.05 mL

 

Medidas efectuadas con diferencias de volumen de 1 mL

mL de agua medidos
masa de agua
Volumen  corregido  a  20o   C (Factor= 1.0028)
Diferencia entre los volúmenes ( medido y corregido)
1
0.9240
0.9266
-0.0734
2
1.9203
1.9257
-0.0743
3
2.9884
2.9978
-0.0022
4
3.9315
3.9425
-0.0575
5
4.9395
4.9533
-0.0467
6
6.0295
6.0464
0.0464
7
7.0202
7.0399
0.0399
8
7.9470
7.9693
-0.0307

9
8.9844
9.0096
0.0096
10
9.9484
9.9763
-0.0237
11
10.9775
11.0082
0.0082
 
s= 0.0579

Medidas efectuadas con diferencias de volumen de 5 mL

mL de agua medidos
masa de agua
Volumen corregido a 20o
C(Factor= 1.0028)
Diferencia entre los volúmenes (medido y corregido)
5
5.0237
5.0378
0.0378
10
10.0525
10.0806
0.0806
15
15.0831
15.1253
0.1253
20
20.0610
20.1172
0.1172
25
25.0303
25.1004
0.1004
30
29.9633
30.0472
0.0472
35
35.0129
35.1109
0.1109
40
39.9313
40.0431
0.0431
45
44.9508
45.0767
0.0767
50
50.0204
50.1605
0.1605
 
 
s=0.0502

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3 Este procedimiento ha sido simplificado por razones de tiempo ya que la calibración de la bureta requiere hacer extracciones de un mero mayor de volúmenes
4 Realización experimental por la profa. Adelina Pasos

Una vez obtenido los volúmenes corregidos se calcula la desviación estándar en el intervalo de trabajo verificado y ese valor se toma como la incertidumbre. En este caso la incertidumbre en el intervalo de 1 a 10 mL es de 0.0579mL y en el de 5 a 50mL es de 0.0502mL; para calcular la incertidumbre relativa se divide este valor entre el volumen medido correspondiente.

Por ejemplo, si se usara un volumen de 1 mL en una titulación, la incertidumbre relativa seria de 0.0579mL, si se gastara un volumen de 10 mL la incertidumbre relativa seria de 0.0058mL, si se gastaran 45mL la incertidumbre relativa seria de 0.0011. Al representar gráficamente la incertidumbre relativa con los resultados obtenidos, se obtiene la siguiente gráfica:

La gráfica nos muestra que a mayor volumen utilizado en una titulación, la incertidumbre relativa es menor, quiere decir que si gastamos un volumen entre 1 y 15 mL la incertidumbre relativa es mucho mayor que si se gasta un volumen de 30mL, por eso a manera de buenas prácticas de laboratorio es recomendable gastar las ¾ partes de la bureta (aprox.37.5 mL), en la que se observa que la incertidumbre relativa es muy pequeña.
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Cabe mencionar que en este ejemplo se calibró la bureta en todo el intervalo de medición; sin embargo,  en métodos de rutina en la que ya se tienen los protocolos de trabajo establecidos en los laboratorios de ensayo, sólo se verifican 3 ó 4 puntos de tal manera que quede en medio el volumen que siempre se espera gastar.

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