sábado, 21 de noviembre de 2015

1.5 Medición, el SI y la química

1.5.1.1 Presentación de clase


1.5.1.2 El Sistema Internacional

El estudio de la química depende fundamentalmente de la medición. Por ejemplo, los químicos emplean las medidas para comparar las propiedades de diferentes sustancias y poder colaborar los cambios resultantes durante un experimento.

Varios instrumentos simples nos ayudan a medir las propiedades de diferentes sustancias, por ejemplo: el metro para medir las medidas de longitud; la bureta, la pipeta, el vaso de precipitado, los balones aforados todos para medir el volumen con diferentes grados de presión; la balanza para medir la masa; los termómetros para medir la temperatura entre otros.

Estos instrumentos proveen medidas de propiedades macroscópicas, las cuales pueden ser determinadas directamente. 

Existen otras propiedades que no pueden ser determinadas directamente, y se denominan propiedades microscópicas las cuales se manifiestan a una escala atómica o molecular y deben ser determinadas por métodos indirectos. Dichos métodos fueron de importancia fundamental para el desarrollo de la química y la física moderna es, especialmente durante los siglos XIX y XX.

Independientemente de si las propiedades macroscópicas o microscópica, el proceso de medición involucra una serie de problemas matemáticos que deben ser solucionados. Por ejemplo, decir que la distancia entre Bogotá y Medellín es de 418 carece completamente significado. Es necesario adicionarle al valor numérico una unidad dimensional de distancia, por ejemplo el kilómetro, de esta manera podemos decir que entre Bogotá y Medellín hay una distancia de 418 kilómetros aproximadamente.

En ciencias por lo tanto las unidades de medida son fundamentales. Por otra parte nuestro ejemplo de la distancia entre Bogotá y Medellín también posee otro problema matemático, el Valor de 418 km es una aproximación, si buscas la distancia entre Bogotá y Medellín en google te darás cuenta que la distancia que arrojó a es de 418,2 kilómetros. 

En el marco de referencia de kilómetros podemos redondear 0,2 kilómetros, pero si la unidad de medida fuera metros ese 0,2 kilómetros se transforma en 200 metros, lo cual ya es una distancia es significativa. 

A ese problema de redondear lo denominamos cifras significativas, y es otra los problemas fundamentales de la medición. Finalmente hay un tercer problema, y es el de los valores que son extremadamente grandes o extremadamente pequeños, por ejemplo como poder expresar fácilmente el siguiente número: 602.200´´´000.000´´000.000´000.000. En ciencia es común manejar valores que son muy grandes y muy pequeños, y para ello se emplea una tercera herramienta denominada notación científica.

Cuando intentamos medir algo, siempre lo vamos a realizar con respecto a un patrón o unidad estándar. Las unidades estándar a lo largo de la historia han dependido del acuerdo de una cantidad suficiente de personas, y por lo tanto siempre han estado vinculados a los gobiernos y a los gobernantes literalmente. Por ejemplo, las medidas del codo y del pie estaban relacionadas a las distancias de los reales codos y reales pies de los herejes gobernantes de diferentes pueblos.

Como es de esperarse, cada vez que un rey moría hubiera sucedido, las medidas cambiaban, y esto es muy malo para las ciencias ya que estás al determinar valores universales a lo largo de grandes periodos de tiempo.

Evidentemente cada país poseía sus propios patrones, los cuales sólo servían para los intercambios comerciales como científicos al interior de sus propias fronteras. Lo cual provocaba conflictos entre individuos de diferentes países. 

Algunos intentaron solucionar esto a la fuerza, instaurando imperios universales, como el Imperio Romano en Europa o imperio de Quin en Asia. A pesar de que los imperios se derrumbaban, sus patrones de medida permanecían, sin embargo esta solución no era universal.

La solución real requería un acuerdo, especialmente uno que no estuviera involucrado con los reales cuerpos de los gobernantes. Los primeros pasos para este tipo de acuerdos los llevaron a cabo los franceses durante su revolución.

No sólo pasaron por la guillotina a sus gobernantes, también intentaron desconectar todos los patrones de medición de los reales cuerpos que las personas que habían asesinado. De esa forma desarrollaron el sistema métrico decimal. A pesar de lo anterior, el acuerdo sólo funcionó al interior de Francia y sus países aliados, mientras que los países británicos permanecieron con su sistema de medición denominado sistema Inglés.

El sistema métrico fue desarrollado por los científicos franceses, y por tal razón estaba elaborado con criterios altamente racionales por lo que los científicos de otras naciones lo aceptaron, a pesar de que su incursión a nivel comercial se demoró más tiempo.

Por muchos años y los científicos de todo el mundo recopilaron sus mediciones en el sistema métrico, el cual estaba organizado decimalmente en potencias de diez. Sin embargo en 1960 durante la conferencia General de pesos y medidas se propuso realizar el sistema métrico, se realizaron una serie de cambios menores pero el fundamento básico continuó siendo el mismo, es decir un sistema organizado decimalmente en potencias de diez. A esta nueva versión del sistema decimal se lo conoce como el Sistema Internacional de Unidades, el cual se suele de abrevar como SI.

En la actualidad se considera que existen siete dimensiones básicas de medición relacionadas a siete unidades básicas, todas las demás unidades se obtienen como una combinación de las siete unidades básicas.

1.5.1.3 Modificadores decimales

Los modificadores decimales en una serie de prefijos que permiten organizar las unidades básicas en potencias de diez. 

Cada prefijo indica que la cantidad que se posee en es diez veces más grande o diez veces más pequeña en comparación con sus unidades inmediatamente vecinas. Sin embargo su uso será estudiado a profundidad en lecciones posteriores.

A continuación describiremos algunas comunidades, básicas y derivadas que son de uso común en la química. 

1.5.1.4 Algunas unidades del SI relevantes en química


1.5.1.4.1 Masa

La masa es uno de los dos valores dimensional es que mide la cantidad de materia de un objeto, el segundo valor dimensional que hace esto mismo es el mol. La unidad del sistema internacional que se encarga de medir la masa es el kilogramo, y su símbolo diez “kg”. 

La masa también es un  valor peculiar por dos razones, la primera es que no puede ser medido directamente y la segunda es que la única unidad básica del sistema internacional que se expresan en términos de un modificador decimal, en este caso el kilo.

Las balanzas en el planeta tierra no miden directamente la masa, lo que miden es la fuerza generada por la aceleración gravitacional sobre una masa, a esta fuerza la denominamos peso. Las algunas de las balanzas, o su lector, convierten un valor expresado en fuerza a un palo expresado en masa tomando en cuenta la aceleración gravitacional del planeta.

El peso cambia dependiendo de la aceleración gravitacional, por ejemplo nuestro peso es inferior en la luna ya que está posee una calidad inferior, pero nuestra masad continua siendo una constante.
Por otra parte la unidad estándar de la masa es un cilindro hecho de una aleación de platino e iridio, que se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, cerca de París (Francia). Originalmente el nombre de la unidad básica de la masa no deba ser kg, su nombre original era la grava, pero su masa era demasiado grande para los intercambios comerciales comunes. 

Por lo tanto se decidió dividir a la grava en mil unidades, y cada una de estas unidades fue denominada gramo. Con el desencadenamiento de la revolución francesa el nombre grava fue asociado a la nobleza, y por lo tanto se buscó un nombre para reemplazarlo, y lo más simple fue cambiar el nombre de que gramo al kilogramo.

1.5.1.4.2 Mol

El mol es la segunda unidad que se encarga de medir la cantidad de sustancia que se encuentra en un cuerpo, sin embargo a diferencia es kilogramo que pueden medir la cantidad de materia sin importar la especie química que estamos tratando, incluyendo si estamos tratando con mezclas homogéneas o heterogéneas; el mol se enfocará exclusivamente en especies químicas puras, es decir en elementos y en compuestos. 

El mol también ayuda a relacionar los elementos y compuestos con entidades que por mucho tiempo fueron teóricas, es decir los átomos y las moléculas de respectivamente. El mol es una unidad intermediaria entre gramo y la cantidad de átomos y moléculas que contienen cuerpo con una cantidad de materia igual a un mol.

De esta manera el mol tiene dos definiciones:
Si relacionamos el mol con la cantidad de átomos y moléculas se dice que en 1 mol hay 6,022 X 1023 átomos o moléculas.

Si relacionamos el mol con los gramos, décimos que un more es igual a la masa atómica del elemento o a la suma de las masas atómicas de los elementos que conforman a un compuesto, dichas masas atómica se encuentran consignadas en la tabla periódica con la expresión masa atómica o peso atómico “la segunda expresión es incorrecta pero es muy común”. 

Estas masas atómica se encuentran consignadas en unidades de masa atómica o uma. En la relación de mol a gramos, simplemente reemplazamos la unidad uma por la unidad gramos. Ese tipo de cálculos era muy común en capítulos posteriores. 

1.5.1.4.3 Volumen

El volumen se define como la cantidad de espacio tridimensional que pueden cerrarse. 

La unidad fundamental en el sistema internacional para el volumen es el metro cúbico, simbolizado como m³. Sin embargo es común emplear otra unidad denominada L. 

Ambas unidades se relacionan fácilmente por sus expresiones en millonésimas. De este modo, un cm³ es igual a un ml. Sin embargo, un L no es igual a un m³.

1.5.1.4.4 Densidad

La densidad se define como la cantidad de materia distribuida en una cantidad de espacio. Matemáticamente se obtiene al dividir la masa entre el volumen.

1.5.1.4.5 Escalas de temperatura

La temperatura se puede definir como la vibración de las moléculas o átomos que componen a un cuerpo, y el sistema internacional se emplea la unidad Kelvin. 

Sin embargo también son comunes la unidad Celsius también conocida como grados centígrados, y la unidad Farenjeidt.

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