Analizador de aliento

Cada año, en Estados Unidos mueren aproximadamente 25.000 personas y mas de 50.000 resultan lesionadas a causa de conductores ebrios. A pesar de los esfuerzos realizados para educar al público acerca del peligro que representar manejar cuando se está intoxicado y de las sanciones que se imponen a los conductores ebrios, las autoridades aún tienen mucho por hacer para quitar de las carreteras de este país a los conductores ebrios.

La policía utiliza a menudo un dispositivo llamado analizador de aliento para examinar a los conductores que se sospecha están ebrios. El fundamento químico de este dispositivo es una reacción redox. Una muestra de aliento del conductor se introduce en el analizador de aliento, donde se trata con una disolución ácida de dicromato de potasio. El alcohol (etanol) en el aliento es convertido en ácido acético.

El etanol se oxida hasta ácido acético y el cromo(VI) del ion dicromato, de color amarillo anaranjado, se reduce a ion cromico(III), de color verde. El nivel de alcohol en la sangre del conductor se puede determinar fácilmente midiendo la magnitud de este cambio de color (el cual se lee en una escala calibrada del instrumento). El límite legal aceptado para el contenido de alcohol en la sangre en Estados Unidos es de 0.1% en masa. Cualquier valor que excede este límite se considera como intoxicación.

Determinación experimental de fórmulas empíricas

El hecho de que sea posible determinar la fórmula empírica de un compuesto conociendo su composición porcentual, permite identificar experimentalmente los compuestos. El procedimiento es el siguiente. Primero, el análisis químico indica el número de gramos de cada elemento presente en una determinada cantidad del compuesto. Después, las cantidades en gramos se convierten a números de moles. Por ultimo se determina la formula empírica como muestra el siguiente ejemplo.

Considere el compuesto etanol. Cuando el estanol se quema en un aparato se forma dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Debido a que el gas del aparato no contiene carbono ni hidrógeno, se concluye que tanto el carbono (C) como el hidrógeno (H) estaban presentes en el etanol y que también podría haber oxígeno (O). (El oxígeno molecular se agrego en el proceso de combustión, pero parte del oxígeno también puede provenir de la muestra original de etanol).

Las masas de CO2 y H2O producidas pueden determinarse midiendo el aumento en la masa de los abserbentes de CO2 y H2O, respectivamente.Suponga que en un experimento la combustión de 11,5 g de etanol produjo 20,0 g de CO2 y 13,5 g de H2O. Se puede calcular la masa de carbono e hidrógeno en la muestra original de 11,5 g de etanol como sigue:

 Masa de C = 22.0 g de CO2 x(1 mol de CO2/ 44,01 gCO2)x(1mol C/1mol CO2)x(12,01g C /1molC)
                   = 6,00 g C

Masa de H = 13,5 g de H2O x(1mol H2O/12,02g H2O)x(2mol H/1mol H2O)x(1,008g H/ 1mol H)
                  = 1,51 g H

Asi, 11,5 g de etanol contienen 6,00 g de carbono y 1,51 g de hidrógeno. El resto debe ser oxígeno, cuya masa es:

Masa de O = masa de la muestra - (masa de C + masa de H)
                  = 11,5 g - (6,00 g + 1,51 g)
                  = 4,0 g

El número de moles de cada uno de los elementos presentes en 11,5 g de etanol es

Moles de C = 6,00 g C  x (1molC/12,01g C) = 0,500 mol C

Moles de H = 1,51 g H x (1molH/1,008g H) = 1,05 mol H

Moles de O = 4,0 g O x (1molO/16,00g O) = 0,25 mol O

Por lo tanto, la fórmula empírica del etanol es C0,5H1,5O0,25 (el número de moles se redondea a dos cifras significativas). Debido a que el número de átomos debe ser un entero, los subíndices se dividen entre 0,25, que es menor de ellos, y se obtiene la fórmula empírica C2H6O.

Ahora se entiende mejor la palabra "empírica", que literalmente significa "basada solo en la observación de mediciones". La fórmula empírica del etanol se determina por el análisis del compuesto en función de los elementos que lo forman. No es necesario conocer como se encuentran unidos los átomos entre sí en el compuesto.

Densidad y gravedad específica

La densidad de una muestra de materia se define como la masa por unidad de volumen,

densidad =    masa                       o bien       D = M
                  volumen                                             V

La densidad se puede emplear para distinguir dos sustancias o para identificar determinada sustancia. Suele expresarse en g/cm3o g/ml, para líquidos y sólidos y en g/L para gases. Estas unidades también se pueden expresar como g · cm^-3,g · ml^-1, y g · L^-1, respectivamente.

Ejemplo:

Una muestra de 47.3 ml de alcohol etílico (etanol) tiene una masa de 37.22g. ¿Cuál es su densidad?

Solución

D = M / V = 37.32g / 47.3 ml = 0.789 g/ml

Si se requieren 103g de etanol para una reacción química, ¿Qué volumen de líquido se debe usar?

Solución.

La densidad del etanol es de 0.789g/ml

D = M / V por tanto,    V= 103g / 0.789 g/ml  = 130 ml

La gravedad específica (gr. esp.) de una sustancia es la relación entre su densidad y la densidad del agua, amboas a la misma temperatura. Las gravedades específicas son números adimensionales.

gr. esp. = D_sustancia / D_agua 

_{La densidad del agua es 1.000g/ml a 3.98ºC, la temperatura en la cual la densidad del agua es mayor. Sin embargo, las variaciones de densidad del agua son tan pequeñas que se puede emplear 1.00g/ml hasta 25ºC sin introducir errores significativos en los cálculos.}

_Ejemplo:

_{La densidad de la sal de mesa es 2.16 g/ml a 20ºC. ¿Cuál es su gravedad específica?.}

_Solución

 _{gr. esp. = Dsustancia / Dagua  = 2.16 g/ml  /  1.00 g/ml = 2.16}

_{Este ejemplo demuestra también que la densidad de una sustancia y su gravedad específica son numéricamente iguales, a temperatura cercana a la ambiental, y si la densidad se expresa en g/ml (g/cm3).}

_{Las etiquetas de soluciónes comerciales de ácidos y bases indican su gravedad específica y su porcentaje en masa de ácido o base presente en la solución. Con esta información se puede calcular la cantidad de ácido o base presente en un volumen dado de solución.}

_Ejemplo:

_{El ácido de un acumulador tiene 40% de ácido sulfúrico} H₂SO₄ y 60% de agua en masa. Su gravedad específica es de 1.31. Calcule la masa de ácido sulfúrico puro, H₂SO₄, _{en 100 ml de ácido del acumulador.}

_Solución

_{Se ha demostrado que la densidad y la gravedad específica son numéricamente iguales a 20ºC ya que la densidad del agua es 1.00g/ml. Por lo tanto,}

_{Densidad = 1.31 g/ml}

_{La solución es 40%} H₂SO₄ y 60% H₂O en masa. De esta información se puede formar el factor unitario deseado:

40.0 g H₂SO₄        porque 100.0g de solución

  100.g sol.             contiene 40.0 g de H₂SO₄ 

A continuación se resuelve el problema:

? g H₂SO₄= 100.0 ml sol. x  1.31 g sol.   x  40.0 g H₂SO₄  = 52.4g.H₂SO₄

                                                                  1 ml sol.         100.0g sol.

Se utilizó primero la densidad como factor unitario para convertir el volumen dado de solución a masa de solución. Después se uso el porcentaje en masa para convertir la masa de solución en masa de ácido.

Densidades de algunas sustancias comunes