El espectrómetro de masas

El método más exacto y directo para determinar masas atómicas y moleculares es la espectrometría de masas. En un espectrómetro de masas se bombardea una muestra en estado gaseoso con un haz de electrones de alta energía. Las colisiones entre los electrones y los átomos (o moléculas) en estado gaseoso producen iones positivos al liberarse un electrón de cada átomo o molécula. Estos iones positivos (de masa m y carga e) se aceleran al pasar entre dos placas con cargas opuestas. Los iones acelerados son desviados, por un imán, en una trayectoria circular. El radio de la trayectoria depende de la relación entre la carga y la masa (es decir e/m). Los iones con menor relacion e/m describen una curva con mayor radio que los iones que tienen una relacion e/m mayor, de manera que se pueden separar los iones con cargas iguales pero distintas masas. La masa de cada ión (y por lo tanto del átomo o molécula original) se determina por la magnitud de su desviación. Por último, los iones llegan al detector, que registra una corriente para cada tipo de ión. La cantidad de corriente que se genera es directamente proporcional al número de iones, de modo que se puede determinar la abundancia relativa de los isótopos.

El primer espectrómetro de masas, desarrollado en la década de 1920 por el físico inglés F. W. Aston resulta muy rudimentario hoy día. Aún así demostró, sin lugar a dudas, la existencia de los isótopos neón-20 (masa atómica 19,9924 uma y abundancia natural 90,92%) y neón-22 (masa atómica 21,9914 uma y abundancia natural 8,82%). Con el desarrollo de espectrómetros de masas más sofisticados y más sensibles, los científicos lograron descubrir que el neón tiene un tercer isótopo estable con una masa atómica de 20,9940 uma y una abundancia natural de 0,257%. Esto demuestra la gran importancia de la exactitud experimental en una ciencia cuantitativa como la química. Los primeros experimentos no detectaron el isótopo neón-21 debido a que su abundancia natural es de sólo 0,257%. En otras palabras, de 10.000 átomos de Ne, sólo 26 son de neón-21. La masa de lás moléculas se pueden determinar de manera similar, por medio del espectrómetro de masas.

 

Glosario de términos importantes

Átomo: La particula más pequeña de un elemento.

Calor: Una forma de energía que fluye entre dos escpecimenes de materia debido a su diferencia de temperatura.

Calor específico: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia un grado celsius.

Caloría: Cantidad Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5º C a 15.5º C. 1 caloría = 4.184 joules.

Cambio físico: Aquel en el cual una sustancia pasa de un estado físico a otro, pero no se forman sustancias con diferente composición. 

Cambio químico: Aquel en el sual se forman una o más sustancias nuevas.

Capacidad calorífica: La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo (cualquier masa) un grado celsius.

Cifras significativas: Dígitos que indican la precisión de las mediciones; dígitos de una medición con incertidumbre sólo en el último dígito.

Compuesto: Una sustancia formada por dos o más elementos en proporción fija. Los compuestos se pueden descomponer en sus elementos constituyentes.

Densidad: Masa por unidad de volumen, D = M/V

Elemento: Sustancia que no puede descomponerse en otras más simples por métodos químicos.

Endotérmico. Describe procesos que absorben energía térmica.

Energía. Capacidad de realizar trabajo o transferir calor.

Energía cinética. Energia que posee la materia debido a su movimiento.

Energía potencial. Energía que posee la materia debido a su posición, condición o composición.

Exactitud. Concordancia entre el valor medido y el valor correcto.

Exotérmico. Describe procesos que liberan energía térmica.

Gravedad específica. Relación entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua.

Joule. Unidad de energá del sistema SI.

Exactitud y precisión

Al analizar mediciones y cifras significativas es útil distinguir dos términos: exactitud y precisión. La exactitud indica cuan cerca está una medición del valor real de la cantidad medida. La precisión se refiere a cuánto concuerdan dos o más mediciones de una misma cantidad. Supóngase que se pide a tres estudiantes que determinen la masa de una pieza de alambre de cobre cuya masa real es de 2.000 g. Los resultados de dos pesadas sucesicas hechas por cada estudiante son:.

                         Estudiante A              Estudiante B             Estudiante C
                           1.964 g                        1.972 g                       2.000 g
                           1.978 g                        1.968 g                       2.002 g
Valor Promedio   1.971 g                        1.970 g                       2.001 g

Los resultados del estudiante B son más precisos que los del estudiante A (1.972 g y 1.968 g se devían menos de 1.970 g que 1.964 g y 1.978 g de 1.971 g). Sin embargo, ninguno de estos conjuntos de resultados es muy exacto. Los resultados del estudiante C no sólo son precisos sino también son los más exáctos, dado que el valor promedio es el más cercano al real. Las medidas muy exactas suelen ser precisas también. Por otro lado, mediciones muy precisas no necesariamente garantizan resultados exactos. Por ejemplo, una regla de madera mal calibrada o una balanza defectuosa pueden dar por resultado lecturas muy precisas pero erróneas.

Cifras significativas

Hay dos clases de números: los exactos que pueden ser contados o definidos; se sabe que son absolutamentes exactos, por ejemplo, al contar el número preciso de personas en una habitación cerrada no se tiene duda de cuántas personas hay. Una docena de huevos se define exactamente 12 huevos, ni más, ni menos. Los números se obtienen al efectuar mediciones no son exactos. En cada medicion se hace una estimación; supóngase que se desea medir una hoja con aproximación de 0.1 mm, ¿cómo se procede? Las divisiones menores (líneas de calibración) de la regla de 1 metro están separadas por 1 mm, y cualquier intento para medir 0.1 mm requiere de una estimación. Si tres personas distintas miden la longuitud de la hoja con aproximación de 0.1 mm, ¿obtendrán la misma respuesta? Problemente no. Para resolver este problema se utilizan cifras significativas.

Las cifras significativas son dígitos que la persona que hace la medición considera como correctos. Las cifras significativas indican la incertidumbre en las mediciones. Supóngase que la persona es capaz de utilizar el dispositivo de medición; mide una distancia con una regla de 1 metro, y reporta 343.5 mm. ¿Qué significa este número?  Ella considera que la distancia es mayor de 343.4 mm, pero menor de 343.6 y lo mas aproximado es 343.5 mm. El número 343.5 contiene 4 cifras significativas, el último dígito 5 es el más aproximado y por lo tanto, es dudoso, pero se considera como cifra sifnificativa. Existe cierto grado de incertidumbre en cualquier medición.

Al expresar los números que se obtienen de mediciones sólo debe reportarse un dígito estimado. Como la persona que efectúa la medición no tiene la certeza de que la cigra sea correcta, no tiene significado expresar la distancia como 343.53 mm.

Para ver en forma más clara el papel que desempeñan las cifras sigificativas al reportar el resultado de las mediciones. Las probetas graduadas se emplean para medir volúmenes de líquidos cuando no es necesario un alto grado de exactitud. Las líneas de calibración en una probeta de 50 ml, representan incrementos de 1 ml. Es posible estimar el volumen de un líquido en una probeta de 50 ml hasta 0.2 ml (1/5 de los incrementos de la calibración) con certeza razonable. Se puede medir el volumen de un líquido en eta probeta y reportarlo como 39.4 ml, es decir, con tres cifras significativas.

Las buretas se emplean para medir volúmenes de líquidos cuando se requiere un alto grado de exactitud. Las líneas de calibración en una bureta de 50 ml representan incrementos de 0.1 ml, permitiendo hacer estimaciones de hasta 0.02 ml (1/5 de los incrementos de calibración) con una certeza razonbale. Las personas experimentadas estiman volúmenes de buretas de 50 ml hasta de 0.01 ml con reproducibilidad muy buena. Por ejemplo, utilizando una bureta de 50 ml se pueden medir 36.95 ml (cuatro cifras significativas) con bastante exactitud.

La exactitud indica el grado de correlación entre el valor medido y el valor correcto. El número exacto se considera como aquél que contiene un número infinito de cifras significativas. La precisión se refiere a la correlación de las mediciones individuales entre sí. Idealmente, todas las mediciones deben ser exactas y precisas. En realidad, las mediciones pueden ser bastante precisas pero muy inexactas, debido al error sistemático, que es un error que se repite en cada medicion. (Por ejemplo, una balanza defectuosa puede producir un error sistemático.) Las mediciones muy exactas casi nunca son precisas.

Las mediciones se deben repetir para mejorar su exactitud y precisión. Los valores promedios resultantes de varias mediciones son más confiables que mediciones individuales. Las cifras significativas indican la exactitud con que se efectúan las mediciones (considerando que la persona que la realiza es capaz).

Medición en Química

Medida:  Es una aproximación, mejor o peor del verdadero valor de la cantidad medida. Esta debe no solo contener el valor numérico estimado, sino también la incertidumbre asociada y la unidad respectiva cuando se cuenta con ella. La medida es el resultado de la medición.

Medición: Es una operación que compara el valor de una magnitud dada con la respectiva unidad estándar. Esta puede ser directa o indirecta. Las medidas pueden ser por ejemplo de amplitud, masa o tiempo, estas son directas porque comparamos directamente el valor de la magnitud con la unidad estándar.

Incertidumbre Relativa: Se llama incertidumbre relativa al valor del cociente entre la incertidumbre absoluta y el valor más probable de la medida. La incertidumbre relativa se expresa a veces en términos de porcentaje y se define entonces el llamado porcentaje de error, o incertidumbre porcentual.

Incertidumbre Absoluta: Existen dos tipos, la incertidumbre absoluta de lectura y la de observación. Denominamos incertidumbre de lectura al error máximo razonable que podemos cometer al efectuar una lectura. Normalmente se adoptan ciertas reglas para cada tipo de aparato sea analógico o digital. Se toma como incertidumbre absoluta de observación el módulo de los desvíos calculados, o sea el desvío absoluto máximo.

En suma, se denomina incertidumbre absoluta, al valor máximo de los módulos de los desvíos de las medidas en relación al promedio.

Errores Experimentales: Es imposible efectuar una medida que provea el valor verdadero, por más sofisticado que fuese el aparato o la técnica. Los errores experimentales dependen normalmente del aparato utilizado, del operador o de las condiciones experimentales. Estos pueden ser errores experimentales sistemáticos o accidentales.

Errores Sistemáticos: Perturbaciones que influyen todas las mediciones de la misma cantidad en el mismo sentido, por exceso o por defecto. Pueden ser corregidas si la causa fuese descubierta y eliminada. Algunos ejemplos pueden ser la incorrecta calibración o regulación del aparato de medida, posición inadecuada o manipulación equivocada del operador durante la medición, simplificando en el modelo matemático, en mediciones indirectas entre otras.

Errores Accidentales: Se derivan de factores variables y ocasionales que no pueden ser controlados. No tienen cualquier regularidad, o sea, varían en magnitud y sentido de forma aleatoria. No pueden ser eliminados, solo podrán ser amenizados si aumentamos el número de mediciones. Algunos de ellos:

Exactitud:  Indica la proximidad entre los valores de medida y el valor verdadero, es una medida muy exacta si estuviese próxima del valor verdadero, pero, raramente se puede hablar de exactitud de una medida, apenas podemos hacerlo cuando existe un valor estandarizado por tablas.

La exactitud de las medidas está relacionada con los errores sistemáticos, estos hacen desplazar los valores de las medidas en el mismo sentido.

Precisión: Se designa la concordancia entre los diversos valores medidos para la misma magnitud en las mismas condiciones, o sea, la repetitividad de la medida. Si tuviéramos varias medidas, existe una gran precisión cuando solo existe una pequeña dispersión de valores y la más precisa es aquella cuyo desvío es menor (la que está más próxima del valor medio).

La precisión de las medidas está relacionada con los errores accidentales (cuanto mayor fuese la dispersión de las medidas, más errores accidentales fueron cometidos).

Alcance: Nos brinda el valor máximo que un aparato de medida permite medir.

Sensibilidad: Es el valor de la menor división de la escala.

Fuente: http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/medicion-en-quimica