Unidades de Medición SI y Datos Experimentales

Sistemas de Unidades y Evaluación de Datos Experimentales

• El desarrollo de la química está intrínsecamente ligado a mediciones exactas.
• Las mediciones de sustancias reactivas y productos químicos han ayudado a explicar la química.
• Las mediciones exactas son esenciales en la química, mejoradas por instrumentos.
• En general la química implica mediciones básicas.

Unidades de Medición SI

• Es necesario utilizar varios sistemas de unidades en química.
• El Sistema Internacional de Unidades (SI) es el sistema más sistemático.
• Las unidades SI están basadas en el sistema métrico.
• En 1960, la Conferencia General de Pesos y Medidas recomendó el sistema SI.
• El sistema SI busca simplificar y estandarizar las unidades en ciencia e ingeniería.
• Las siete unidades base del SI son la base de todas las demás.
• Longitud: metro (m), la distancia que recorre la luz en el vacío en 1/299,792,458 segundos.
• Masa: kilogramo (kg), la masa de un bloque de platino-iridio guardado en Francia.
• Tiempo: segundo (s), equivalente a 9,192,631,770 periodos de radiación del isótopo de Cs-133.
• Temperatura: Kelvin (K), que representan 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
• Cantidad de sustancia: mol (molécula-gramo), la cantidad de sustancia con tantas entidades como átomos en 0,012 kg de carbono-12.
• Corriente eléctrica: ampere (A).
• Intensidad luminosa: candela (cd).
• Fuerza: newton (N), la fuerza necesaria para acelerar 1 kg a 1 m/s².
• Energía: joule (J), el trabajo realizado por 1 newton a lo largo de 1 metro.
• Presión: pascal (Pa), la fuerza de 1 newton actuando sobre 1 metro cuadrado.

Múltiplos de Unidades

• Las cantidades en ciencia varían ampliamente en magnitud.
• Un mol de nitrógeno molecular tiene 6.02×10^23 moléculas.
• Algunas partículas en la atmósfera miden solo 1×10^-6 metros de diámetro.
• Los prefijos denotan múltiplos de unidades.
• Cada prefijo tiene un nombre y una abreviatura.
• Mega (M): multiplica la unidad básica por 1,000,000 (10^6).
• Kilo (k): multiplica la unidad básica por 1,000 (10^3).
• Hecto (h): multiplica la unidad básica por 100 (10^2).
• Deca (da): multiplica la unidad básica por 10 (10).
• Deci (d): multiplica la unidad básica por 0.1 (10^-1).
• Centi (c): multiplica la unidad básica por 0.01 (10^-2).
• Milli (m): multiplica la unidad básica por 0.001 (10^-3).
• Micro (µ): multiplica la unidad básica por 0.000001 (10^-6).
• Nano (n): multiplica la unidad básica por 0.000000001 (10^-9).
• Pico (p): multiplica la unidad básica por 0.000000000001 (10^-12).

Unidades de Masa

• La masa mide la resistencia de un objeto al cambio de movimiento.
• El peso es la fuerza gravitacional sobre un objeto.
• Un objeto pesa menos en la luna, pero su masa permanece constante.
• Es importante diferenciar entre masa y peso en actividades diarias.
• Tonelada métrica (ton): 10^6 gramos.
• Kilogramo (kg): 10^3 gramos.
• Gramo (g): 1 gramo.
• Miligramo (mg): 10^-3 gramos.
• Microgramo (µg): 10^-6 gramos.
• El gramo (g) es la unidad base de masa en el sistema métrico, equivalente a 1/1000 kg SI.
• Los múltiplos del gramo son habituales para expresar masa.
• Los prefijos se añaden al gramo para formar estas unidades.
• Conversiones comunes: 1 lb = 453.6 g, 1 onza = 28.35 g, 1 kg = 2.2046 lb.

Unidades de Longitud

• La longitud se mide en metros (m) en el sistema métrico.
• Kilómetro (km): 10^3 m = 1000 m.
• Metro (m): 1 m.
• Decímetro (dm): 10^-1 m = 0.1 m.
• Centímetro (cm): 10^-2 m = 0.01 m.
• Milímetro (mm): 10^-3 m = 0.001 m.
• Micrómetro (µm): 10^-6 m = 0.000001 m.
• Nanómetro (nm): 10^-9 m = 0.000000001 m.
• Conversiones comunes: 1 m = 39.70 pulgadas = 1.0936 yardas, 1 pulgada = 2.54 cm, 1 pie = 12 plg = 0.3048 m.

Unidades de Volumen

• El litro es la unidad métrica base de volumen.
• Un litro es el volumen de un decímetro cúbico.
• Metro cúbico (m³): 1000 L.
• Decímetro cúbico (dm³): 1 L.
• Litro (L): 1 L.
• Mililitro (mL): 10^-3 L.
• Centímetro cúbico (cm³): 10^-3 L.
• Microlitro (µL): 10^-6 L.
• Conversiones: 1 litro = 0.26 galones americanos, 1 galón americano = 3.79 L, 1 pie³ = 0.028 m³ = 1728 plg³.

Unidades de Temperatura, Calor y Energía

• La temperatura se mide comúnmente en grados Celsius (°C).
• El agua se congela a 0°C y hierve a 100°C en la escala Celsius.
• La escala Fahrenheit se utiliza en EE.UU., con el agua congelándose a 32°F y hirviendo a 212°F.
• La escala Kelvin es la escala absoluta, donde 0 K es la temperatura más baja posible.
• La temperatura Kelvin se denota con K, no °K.
• El cero absoluto en la escala Kelvin es -273.15°C.
• La temperatura en Kelvin es siempre 273.15 más alta que en Celsius.
• Conversión de Fahrenheit a Celsius: °C = 5/9 (°F – 32).
• Conversión de Celsius a Fahrenheit: °F = 9/5 * °C + 32.
• Conversión de Celsius a Kelvin: K = °C + 273.15.
• Sumar 273.15 a una temperatura Celsius para convertirla a Kelvin.
• Cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que alcanzan la misma temperatura.
• El Joule (J) es la unidad SI de calor.
• 1 kilojoule (kJ) = 1000 J.
• La caloría (cal) es la unidad métrica de energía.
• 1 cal = 4.184 J, 1 kcal = 4.184 kJ = 4184 J.
• La presión se define como la fuerza por unidad de área.
• El pascal (Pa) es la unidad SI de presión, equivalente a 1 newton (N) por metro cuadrado (m²).
• Una atmósfera (atm) es la presión media del aire al nivel del mar.
• 1 atm = 101.3 kPa = 14.7 lb/in² = 760 mm Hg.

Evaluación de Datos Experimentales

• Todo experimentador debe ser consciente de la incertidumbre en las mediciones.
• Los datos de los instrumentos no son "verdaderos" y solo se aproximan al valor real.
• Un conjunto específico de objetos o personas puede medirse con exactitud perfecta.
• La exactitud de una medición depende del tiempo y esfuerzo dedicado.
• Es importante equilibrar la exactitud con el esfuerzo en la investigación.

Conceptos Fundamentales

• Las mediciones repetidas pueden variar incluso con precauciones.
• Los químicos suelen hacer mediciones replicadas.
• Es importante determinar el valor más representativo de una serie de mediciones.
• La media aritmética (X̄) y la mediana (M) son útiles para este propósito.
• La media aritmética es el promedio de los valores.
• La mediana es el valor central de la serie ordenada.

Precisión

• La precisión describe la reproducibilidad de una medida.
• Se define como la concordancia entre valores numéricos obtenidos en condiciones idénticas.
• La precisión se expresa en términos de desviación: absoluta y relativa.

Desviación Absoluta

• Es la diferencia entre un valor experimental y el valor más representativo (X̄ o M).
• Para informar un resultado con una serie de datos, se debe indicar la desviación absoluta media.

Desviación Relativa

• Expresa la precisión como porcentaje de desviación absoluta individual o como porcentaje de desviación absoluta media.
• La desviación absoluta puede ser individual o media.

Exactitud

• Establece la proximidad entre el valor experimental y el valor verdadero.
• El valor verdadero rara vez se conoce debido a limitaciones de instrumentos e individuos.
• El "valor verdadero" es el valor que se juzga como el más cierto.
• La exactitud se expresa en términos de errores: absolutos o relativos.

Error Absoluto (EA)

• Es la diferencia absoluta entre un valor experimental y el valor verdadero.

Error Relativo (ER)

• Se expresa en porcentaje.
• Se define un error relativo individual y un error relativo promedio.

Tipos de Errores Experimentales

• Errores determinados: tienen causa asignable y pueden eliminarse o minimizarse.
• Errores indeterminados: tienen causas desconocidas y siguen leyes estadísticas.

Fuentes de Errores Determinados

• Personales: errores de experimentadores inexpertos o descuidados.
• Instrumentales: limitaciones de instrumentos debido a su estado o calibración.
• Metodológicos: limitaciones del método utilizado.

Cifras Significativas

• Al informar un resultado, incluya el mejor valor medio y su precisión.
• La precisión debe expresarse en términos de desviación absoluta o relativa.
• Informe todas las cifras conocidas y la primera cifra incierta.

Criterios de Aproximación

• Para aproximar a n cifras significativas, descarte las cifras a la derecha del n-ésimo lugar.
• Aumente en una unidad el valor de la cifra n-ésima si la cifra siguiente es mayor que 5.
• Deje inalterada la cifra n-ésima si la siguiente es menor que 5.
• Si la cifra n+1 es exactamente 5, ajuste la cifra n-ésima al número par más cercano.

Criterios para Elegir el Lugar de la Última Cifra Significativa

• En toda cifra se asume que el último dígito informado es incierto.
• Si no se dan antecedentes sobre la incerteza, se asume la menor desviación posible.

Suma y Resta

• Al sumar o restar cantidades, el resultado final debe tener el mismo número de cifras significativas que la cantidad que tenga menor precisión.

Multiplicación y División

• Al multiplicar o dividir, el resultado debe tener tantas cifras significativas como el factor con menos precisión.