Mediciones

Los químicos frecuentemente realizan mediciones que usan en cálculos para obtener otras cantidades relacionadas. Los diferentes instrumentos permiten medir las propiedades de una sustancia: con una cinta métrica se mide la longitud; con la bureta, pipeta, probeta graduada y matraz volumétrico, el volumen; con la balanza, la masa, y con el termómetro, la temperatura. Estos instrumentos proporcionan mediciones de propiedades macroscópicas que pueden determinarse directamente. 

Algunos dispositivos de medición frecuentes en los laboratorios de química. 

Las propiedades microscópicas, en la escala atómica o molecular, tienen que determinarse con un método indirecto.

Una cantidad medida suele describirse como un número con una unidad apropiada. Afirmar que la distancia en automóvil entre Nueva York y San Francisco por cierta carretera es de 5 166 no tiene sentido. Se requiere especificar que la distancia es de 5 166 km. Lo mismo es válido en química; las unidades son esenciales para expresar correctamente las mediciones.

Unidades del Sistema Internacional (SI)

Durante.muchos años, los científicos registraron las mediciones en unidades métricas que se relacionan de manera decimal, es decir, con base en potencias de diez. Sin embargo, en 1960 la Conferencia General de Pesos y Medidas, que es la autoridad internacional en cuanto a unidades, propuso un sistema métrico revisado, al que se llamó Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI, del francés Systeme Internacionale d'Unites). 

En la siguiente tabla se muestran las siete unidades básicas del SI. Todas las demás unidades de medición se derivan de ellas. Al igual que las unidades métricas, las del SI se modifican de manera decimal con prefijos.

Las mediciones que se utilizan frecuentemente en el estudio de la química son las de tiempo, masa, volumen, densidad y temperatura.

Masa y peso

Aunque los términos "masa" y "peso" suelen usarse indistintamente, en sentido estricto se trata de cantidades diferentes. Mientras que la masa es una medición de la cantidad de materia en un objeto, el peso, en sentido técnico, es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto. 

Una manzana que cae de un árbol es empujada hacia abajo por la gravedad de la Tierra.

La masa de la manzana es constante y no depende de su ubicación, en tanto que el peso sí. Por ejemplo, en la superficie de la Luna la manzana pesaría apenas una sexta parte que en la Tierra, ya que la gravedad lunar equivale a un sexto de la terrestre. 

La menor gravedad de la Luna permitió que los astronautas saltaran sin dificultad en su superficie, pese a los voluminosos trajes y equipo. Los químicos se interesan principalmente en la masa, que puede determinarse fácilmente con una balanza; el proceso de medir la masa se llama pesada.

La unidad básica de masa del SI es el kilogramo (kg). A diferencia de las unidades de longitud y tiempo, que se basan en procesos naturales que los científicos pueden repetir en cualquier momento, el kg se define en función de un objeto en particular. En química es más conveniente usar una unidad más pequeña, el gramo (g):

Volumen

La unidad de longitud del SI es el metro (m) y la unidad derivada del SI para volumen es el metro cúbico (rrr'). No obstante, los químicos suelen trabajar con volúmenes mucho más pequeños, como el centímetro cúbico (crrr') y el decímetro cúbico (dnr'):

Otra unidad de volumen muy usada es el litro (L). Un litro es el volumen que ocupa un decímetro cúbico. Un volumen de un litro es igual a 1 000 mili litros (rnL) o 1 000 crrr':

y un mililitro es igual a un centímetro cúbico:

En la siguiente figura  se comparan los tamaños relativos de dos volúmenes. Aunque el litro no es "una unidad del SI, los volúmenes suelen expresarse en litros y mililitros.

Densidad

La ecuación para la densidad es:

donde d, m y V denotan densidad, masa y volumen, respectivamente. La densidad es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa presente, por lo que la proporción de masa sobre volumen permanece sin cambio para un material dado; en otras palabras, V aumenta conforme lo hace m.

La unidad derivada del SI para la densidad es el kilogramo por metro cúbico (kg/rrr'). Esta unidad resulta demasiado grande para muchas aplicaciones químicas. En consecuencia, los gramos por centímetro cúbico (g/crrr') y su equivalente de gramos por mililitro (g/rnL) se usan más frecuentemente para las densidades de sólidos y líquidos. La densidad de los gases tiende a ser muy baja, de modo que se expresa en gramos por litro (g/L):

En la siguiente tabla se muestra la densidad de algunas sustancias.

ejemplos

Escalas de temperatura

Son tres las escalas de temperatura que están en uso actualmente. Sus unidades son  °F (grados Fahrenheit),  °C (grados Celsius) y K (kelvin). En la escala Fahrenheit, la más usada en Estados Unidos fuera de los laboratorios, se definen los puntos de congelación y ebullición normales del agua como 32°F y 212°F, respectivamente. 

La escala Celsius divide el intervalo entre los puntos de congelación (0°C) y ebullición (l00°C) del agua en 100 grados. Como se muestra, el kelvin es la unidad básica de temperatura del SI; se trata de una escala de temperatura absoluta. Por absoluta debe entenderse que el 0 de la escala Kelvin, denotado como 0 K, es la temperatura más baja que puede alcanzarse en teoría. Por otra parte, 0°F y 0°C se basan en el comportamiento de una sustancia elegida arbitrariamente, el agua. En una de las siguientes figuras se comparan las tres escalas de temperatura. La magnitud de un grado en la escala Fahrenheit es de apenas 100/180, o sea, 5/9, de un grado en la escala Celsius. A fin de convertir grados Fahrenheit a grados Celsius, se escribe:

La siguiente ecuación se utiliza para convertir grados Celsius a grados Fahrenheit

Comparación entre las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y escala absoluta (Kelvin). Observe que existen 100 divisiones o grados entre el punto de congelación y el de ebullición del agua en la escala Celsius, y 180 divisiones o grados entre los mismos puntos en la escala Fahrenheit. La escala Celsius' se llamó anteriormente escala centígrada.

Las escalas Celsius y Kelvin tienen unidades de la misma magnitud, es decir, un grado Celsius es equivalente a un kelvin. En estudios experimentales, se ha comprobado que el cero absoluto de la escala Kelvin equivale a - 273. 15°C. Así pues, es posible usar la ecuación siguiente para convertir grados Celsius a kelvin:

Con frecuencia es necesario hacer conversiones entre grados Celsius y grados Fahrenheit, y entre grados Celsius y kelvin.

Ejemplo