Guía de Lectura: Conceptos de Masa, Peso, Volumen y Densidad para Estudiantes de enseñanza media.
Bienvenidos, estudiantes.
En esta guía, vamos a profundizar en los conceptos de masa, peso, volumen y densidad como propiedades características de la materia. Además, conoceremos los instrumentos de laboratorio más comunes para medir estas propiedades, así como las unidades de medida y sus conversiones. Esto los preparará para la próxima sesión práctica de laboratorio, por lo que ¡vamos a leer cuidadosamente!
1. Masa y Peso
¿Alguna vez te has preguntado qué significan realmente los términos "masa" y "peso" en el lenguaje químico? Aunque a menudo se utilizan como sinónimos, pero en verdad tienen significados diferentes.
Masa:
La masa es la cantidad de materia en un objeto. Se podría expresar como el número de átomos que posee un cuerpo.
Se mide en kilogramos (kg) en el Sistema Internacional de Unidades (SI).
A diferencia del peso, la masa permanece constante en cualquier lugar.
Peso:
El peso es la fuerza que la gravedad ejerce sobre un objeto.
Se mide en Newtons (N), ya que es una fuerza.
Varía según el lugar debido a las diferencias en la gravedad.
Ejemplo: una persona tiene la misma masa en la Tierra y la Luna, pero pesará menos en la Luna debido a la menor gravedad lunar.
Vamos a definir claramente los valores de masa y peso para una persona:
- En la Tierra:
- Masa: 75 kg
- Peso: Para calcular el peso, se multiplica la masa por la aceleración debida a la gravedad en la Tierra (aproximadamente 9.8 m/s²).
- Fórmula: Peso = Masa × Gravedad
- Resultado: 75 kg × 9.8 m/s² = 735 Newtons (N)
- En la Luna:
- Masa: 75 kg (la masa no cambia)
- Peso: La gravedad en la Luna es aproximadamente una sexta parte de la gravedad en la Tierra (1.6 m/s²).
- Fórmula: Peso = Masa × Gravedad
- Resultado: 75 kg × 1.6 m/s² = 120 Newtons (N)
En resumen, aunque la masa de la persona es constante (75 kg), su peso cambia de 735 N en la Tierra a 120 N en la Luna debido a la diferencia en la gravedad.
2. Instrumentos para medir masa y peso:
Balanza de laboratorio: utilizada para medir la masa de objetos o sustancias con precisión.
Una balanza generalmente mide el peso en unidades de masa, como kilogramos (kg) o libras (lb). Sin embargo, técnicamente, la balanza está midiendo el peso, que es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto. Por lo tanto, en la Tierra, una balanza calcula el peso usando la gravedad terrestre y lo presenta en una escala de masa como kilogramos o libras.
Es importante recordar que, aunque la balanza muestra el peso como una unidad de masa, ese valor cambiaría en la Luna debido a la diferencia en la gravedad.
Dinamómetro: mide el peso de un objeto en Newtons.
¿Cuál es la diferencia entre una balanza y un dinamómetro?
Una balanza y un dinamómetro son instrumentos que sirven para medir cantidades relacionadas con el peso, pero hay diferencias entre ellos:
Balanza:
Uso: Está diseñada para medir la masa de un objeto.
Unidades: Suele presentar la masa en unidades como kilogramos (kg) o libras (lb).
Funcionamiento: Compara el objeto a medir con una masa de referencia o usa un sensor para medir la fuerza que actúa sobre el objeto en función de la gravedad local. Aunque mide la fuerza gravitacional (peso), presenta el valor en términos de masa.
Dinamómetro:
Uso: Está diseñado para medir fuerzas.
Unidades: Suele mostrar el valor en unidades de fuerza como Newtons (N).
Funcionamiento: Utiliza un resorte u otro mecanismo sensible a la fuerza. Cuando se aplica una fuerza al dinamómetro, el resorte se deforma, lo que permite medir directamente la cantidad de fuerza aplicada, como el peso o la tensión.
En resumen, las balanzas están calibradas para medir masa, mientras que los dinamómetros están diseñados para medir fuerzas, incluyendo el peso como una forma de fuerza.
3. Volumen
¿Alguna vez has tenido que usar el concepto 'volumen' fuera de la clase de química?
Probablemente te suene el volumen de la música, pero recuerda, en química, las palabras tienen un significado muy preciso y único:
Volumen:
Es el espacio que ocupa un objeto.
En química, trabajamos con volúmenes como el centímetro cúbico (cm³) y el litro (L).
1 litro es igual a 1 decímetro cúbico (dm³) y equivale a 1000 mililitros (mL).
4. Instrumentos para medir volumen:
Probeta o cilindro graduado: mide el volumen de líquidos con precisión.
Pipeta: para medir y transferir volúmenes pequeños.
Matraz aforado: mide volúmenes exactos.
5. Densidad
Si combinamos las dos propiedades anteriores, masa y volumen, obtenemos una tercera propiedad, muy útil para describir a las diferentes sustancias químicas.
Densidad:
La densidad es una propiedad que relaciona la masa con el volumen de un objeto.
Su fórmula es Densidad = Masa / Volumen.
Es una propiedad intensiva, lo que significa que no cambia con la cantidad de materia.
Se expresa en g/cm³ o g/mL para sólidos y líquidos, y en g/L para gases.
Cálculo de densidad
6. Instrumentos para medir densidad:
Picnómetro: utilizado para medir la densidad de líquidos.
Hidrómetro: mide la densidad relativa de los líquidos.
El picnómetro y el hidrómetro son instrumentos utilizados para medir la densidad de los líquidos. Cada uno funciona de manera diferente:
Picnómetro:
Descripción: Es un pequeño frasco de vidrio con un volumen fijo y un tapón ajustado con precisión. A menudo, el tapón tiene un orificio para permitir la salida del exceso de líquido.
Funcionamiento: Se llena con el líquido cuya densidad se quiere medir, y luego se pesa el picnómetro lleno y vacío para determinar la masa del líquido.
Cálculo: La densidad se calcula dividiendo la masa del líquido entre el volumen del picnómetro, que es conocido. De esta manera, el picnómetro proporciona una medida precisa de la densidad del líquido.
Hidrómetro:
Descripción: Es un dispositivo flotante en forma de cilindro con un lastre en el fondo para que se mantenga erguido. Tiene una escala graduada en su tallo.
Funcionamiento: Se sumerge en el líquido cuya densidad se quiere medir. La profundidad a la que se hunde depende de la densidad del líquido. La escala graduada en el tallo del hidrómetro indica directamente la densidad o gravedad específica.
Principio: Funciona basándose en el principio de Arquímedes, que establece que un objeto sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del fluido desplazado.
En resumen, el picnómetro proporciona una medición precisa utilizando la masa y el volumen, mientras que el hidrómetro proporciona una lectura directa basada en el principio de flotación.
7. Relación entre masa, peso, volumen y densidad.
La masa nos indica la cantidad de materia en un objeto, el peso es la fuerza gravitacional que actúa sobre él. El volumen nos habla del espacio que ocupa un objeto, mientras que la densidad nos da una idea de cuán compacta o dispersa está la materia. Estos conceptos son fundamentales en química y nos ayudan a comprender mejor las propiedades de las sustancias que nos rodean.
8. Revisión Histórica de los conceptos Masa, Peso, Volumen y Densidad
La comprensión de los conceptos de masa, peso, volumen y densidad ha evolucionado a lo largo del tiempo, con el aporte de diferentes científicos.
Masa y Peso:
- Isaac Newton (1643-1727): desarrolló la ley de gravitación universal, la cual formalizó el concepto de peso como una fuerza resultante de la atracción gravitatoria entre dos cuerpos.
- Marie Curie (1867-1934): descubrió la radioactividad natural. Sus experimentos con elementos radioactivos generaron conocimientos sobre la relación entre la masa y la energía, influyendo en el desarrollo de la física nuclear.
Volumen:
- Arquímedes (287-212 a.C.): enunció el principio que lleva su nombre, el cual establece que un objeto sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje igual al peso del fluido desplazado, lo que permitió estimar el volumen de los sólidos irregulares.
- Emilie du Châtelet (1706-1749): una filósofa y matemática que tradujo al francés las obras de Newton. Realizó experimentos que ayudaron a refinar la comprensión de la conservación de la energía en relación con la masa y el volumen.
Densidad:
- Robert Boyle (1627-1691): desarrolló la ley de Boyle, que describe la relación inversa entre presión y volumen en los gases, sentando las bases para comprender la densidad de los gases.
- Lise Meitner (1878-1968): contribuyó al descubrimiento de la fisión nuclear y la energía nuclear. Esto amplió la comprensión sobre la densidad de elementos pesados.
Estos científicos, entre muchos otros, sentaron las bases para comprender cómo las propiedades de la masa, el peso, el volumen y la densidad interactúan entre sí, y cómo afectan el comportamiento de la materia en diferentes condiciones.
9. Resumen
- La masa indica la cantidad de materia en un objeto, y el peso es la fuerza gravitacional que actúa sobre él.
- El volumen mide el espacio que ocupa un objeto, mientras que la densidad refleja cuán compacta o dispersa está la materia.
- Estos conceptos han sido desarrollados y perfeccionados por distintos científicos, cuyo trabajo sigue siendo esencial en la comprensión de las propiedades de la materia.
10. Referencias
Chang, R., & Goldsby, K. (2017). Química (12.ª ed.). México: McGraw-Hill.
Gillispie, C. C. (2008). The Montgolfier Brothers and the Invention of Aviation 1783-1784 (Vol. 1). Princeton University Press.
Hargittai, I., & Hargittai, M. (2015). Women Scientists: Reflections, Challenges, and Breaking Boundaries. Oxford University Press.
(Incluye información sobre Marie Curie y Lise Meitner)
Smith, G. E. (2014). Isaac Newton: Natural Philosopher. Cambridge University Press.
(Contiene detalles sobre las contribuciones de Isaac Newton al concepto de peso)
van Wyhe, J. (2008). Archimedes to Hawking: Laws of Science and the Great Minds Behind Them. Oxford University Press.
(Se incluye información sobre el principio de Arquímedes)
Zeidman-Karpinski, A., & Flanagan, C. (2004). Émilie du Châtelet: the genius that time forgot. Resource Sharing and Information Networks, 17(1-2), 89-105.
(Detalles sobre los aportes de Émilie du Châtelet)
11. Figuras
Figura 1.9.
El kilogramo prototipo está hecho de una aleación de platino e iridio. Se conserva en un depósito de seguridad en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas que se encuentra en Sévres, Francia. ¡En 2007 se descubrió que la aleación ha perdido en forma misteriosa aproximadamente 50 mg! (Chang, 2017)
(Chang & Goldsby, 2017)
Figura 1.10
Comparación de dos volúmenes, 1 mL y 1 000 mL.
(Chang & Goldsby, 2017)
12. Ejercicios en el cuaderno
En su cuaderno, desarrolle los siguientes ejercicios:
Una pieza de platino metálico con densidad de 21.5 g/cm3 tiene un volumen de 4.49 cm3 . ¿Cuál es su masa?
La densidad del ácido sulfúrico en cierto acumulador de automóvil es de 1.41 g/mL. Calcule la masa de 242 mL del líquido.
13. Ejercicios digitales
Masa, Peso, Volumen y Densidad 1
Masa, Peso, Volumen y Densidad 2
Masa, Peso, Volumen y Densidad 3