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

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El helio primordial y la teoría del Big Bang

De dónde venimos? ¿Cómo se originó el universo? Los seres humanos nos hemos hecho estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La búsqueda de respuestas constituye un ejemplo del método científico.

En el decenio de 1940, el físico ruso-estadounidense George Gamow planteó la hipótesis de que el universo se inició miles de millones de años atrás con una explosión gigantesca, el Big Bang.

En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen diminuto y su temperatura era más alta de lo imaginable. 

Esta brillante bola de fuego de radiación mezclada con partículas microscópicas de materia se enfrió gradualmente, hasta que se formaron los átomos. 

Por la influencia de la fuerza de gravedad, estos átomos se agruparon para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Vía Láctea.

El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo está en expansión, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento explosivo del universo. 

Al imaginar tal expansión en retroceso, como cuando se rebobina una película, los astrónomos han deducido que el universo se inició hace unos 13 000 millones de años.

La segunda observación que sustenta la hipótesis de Gamow es la detección de radiación cósmica de fondo. A lo largo de miles de millones de años, ¡el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, -270°C)! A esta temperatura, gran parte de la energía corresponde a la región de microondas. Puesto que el Big Bang habría ocurrido simultáneamente en todo el diminuto volumen del universo en formación, la radiación que generó debe haber llenado todo el universo. Así pues, la radiación debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las señales de microondas que registran los astrónomos son independientes de la dirección.

El tercer dato que sustenta la hipótesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordiaL Los científicos piensan que el helio y el hidrógeno (los elementos más ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolución cósmica. (Se cree que otros elementos más pesados, como el carbono, nitrógeno y oxígeno, se formaron más adelante por reacciones nucleares en las que participaron el hidrógeno y el helio, en el centro de las estrellas.) 

De ser así, un gas difuso formado por hidrógeno y helio se habría diseminado por todo el universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los astrónomos que analizaron la luz ultravioleta proveniente de un lejano quasar (poderosa fuente de luz y de señales de radio que se considera como una galaxia en explosión en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los átomos de helio en su trayecto a la Tierra. 

Puesto que el quasar en cuestión dista de nuestro planeta más de 10 000 millones de años luz (un año luz es la distancia que recorre la luz en un año), la luz que llega a la Tierra corresponde a fenómenos que ocurrieron hace más de 10 000 millones de años. ¿Por qué el hidrógeno no fue el elemento más abundante que se detectó? El átomo de hidrógeno tiene un solo electrón, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionización. 

Los átomos de hidrógeno ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el átomo de helio tiene dos electrones. 

La radiación puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos.

Los átomos de helio ionizados todavía absorben luz y, por lo tanto, son detectables.

Los defensores de la explicación de Gamow se regocijaron ante la detección de helio en los confines distantes del universo.

En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los científicos ahora se refieren a la hipótesis de Gamow como teoría del Big Bang.

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