PRÁCTICA DE LABORATORIO: Propiedades Mecánicas de Sólidos

 

Propiedades Mecánicas de Sólidos

1. Introducción

Los sólidos presentan propiedades mecánicas que permiten describir su comportamiento cuando son sometidos a fuerzas externas. Entre estas propiedades se encuentran la dureza, elasticidad, plasticidad, fragilidad, tenacidad y resistencia a la compresión. Estas características dependen de la estructura interna del material, del tipo de enlace químico, de las fuerzas intermoleculares y de la organización de sus partículas.

El estudio de las propiedades mecánicas de los sólidos es importante porque permite comprender por qué algunos materiales se rompen fácilmente, otros se deforman, algunos recuperan su forma original y otros resisten mejor la presión o el rayado. En esta práctica se analizarán diferentes sólidos disponibles en el laboratorio, tales como yeso, arena, gelatina, cloruro de sodio, sucrosa, azufre, alumbre, carbón activado y óxido de aluminio, con el propósito de comparar sus comportamientos mecánicos de forma sencilla y segura.

2. Objetivo general

Estudiar experimentalmente algunas propiedades mecánicas de sólidos mediante pruebas sencillas de dureza, fragilidad, compresión, deformación y elasticidad.

3. Objetivos específicos

• Identificar diferencias mecánicas entre distintos sólidos.
• Comparar la dureza relativa de materiales sólidos mediante pruebas de rayado.
• Observar la fragilidad de sólidos cristalinos y amorfos.
• Evaluar la capacidad de deformación de materiales como gelatina y yeso.
• Relacionar las propiedades mecánicas observadas con la estructura y naturaleza del sólido.
• Clasificar los sólidos estudiados según su comportamiento mecánico.

4. Fundamento teórico

4.1 Propiedades mecánicas de los sólidos

Las propiedades mecánicas son aquellas que describen la respuesta de un material cuando se le aplica una fuerza. Estas propiedades permiten explicar si un sólido se raya, se rompe, se deforma, resiste presión o recupera su forma después de una deformación.

4.2 Dureza

La dureza es la resistencia que presenta un sólido a ser rayado, penetrado o desgastado. Un material duro puede rayar a otro más blando. Por ejemplo, el óxido de aluminio presenta alta dureza en comparación con sustancias como el yeso o la sucrosa.

4.3 Fragilidad

La fragilidad es la tendencia de un sólido a romperse o fracturarse cuando se le aplica una fuerza, sin deformarse apreciablemente. Muchos sólidos cristalinos, como el cloruro de sodio y la sucrosa, pueden fragmentarse al ser comprimidos o golpeados suavemente.

4.4 Elasticidad

La elasticidad es la capacidad de un material para recuperar su forma original después de ser deformado. Algunos sólidos blandos, como la gelatina preparada, pueden mostrar cierto comportamiento elástico.

4.5 Plasticidad

La plasticidad es la capacidad de un material para deformarse permanentemente sin romperse. En esta práctica se observará si algunos materiales conservan la deformación después de aplicar presión.

4.6 Resistencia a la compresión

La resistencia a la compresión es la capacidad de un material para soportar fuerzas que tienden a reducir su volumen o modificar su forma. Materiales como el yeso endurecido pueden presentar cierta resistencia, mientras que otros se fragmentan con facilidad.

4.7 Relación entre estructura y propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas dependen de la organización interna de las partículas. Los sólidos cristalinos poseen un arreglo ordenado que puede favorecer fracturas definidas, mientras que los sólidos amorfos presentan una estructura más desordenada. Además, el tipo de enlace químico y las fuerzas entre partículas influyen directamente en la resistencia, dureza y deformación de cada material.

5. Materiales y reactivos

Materiales

• Tubos de ensayo.
• Vasos de precipitados.
• Vidrios de reloj o placas pequeñas.
• Espátulas.
• Varillas de agitación.
• Gotero o pipeta.
• Regla.
• Moneda metálica.
• Cucharilla o paleta.
• Papel absorbente.
• Marcador.
• Guantes.
• Bata de laboratorio.
• Gafas de seguridad.

Reactivos y muestras sólidas

• Yeso.
• Arena.
• Gelatina sin sabor.
• Cloruro de sodio.
• Sucrosa.
• Azufre.
• Alumbre en polvo.
• Carbón activado.
• Óxido de aluminio.
• Sulfato cúprico pentahidratado.
• Parafina líquida.
• Agua.
• Aceite de oliva.

 

6. Procedimiento experimental

Parte A: Preparación de muestras para observación mecánica

1. Rotule varias placas o vidrios de reloj con los nombres de las sustancias a evaluar.
2. Coloque pequeñas cantidades de cada sólido:
• Yeso.
• Arena.
• Cloruro de sodio.
• Sucrosa.
• Azufre.
• Alumbre en polvo.
• Carbón activado.
• Óxido de aluminio.
• Sulfato cúprico pentahidratado.
3. Observe el aspecto físico de cada muestra.
4. Registre si el sólido se presenta en forma de polvo, cristales, gránulos o fragmentos.
5. Describa color, textura y apariencia general.

Parte B: Prueba de dureza relativa por rayado

1. Coloque una pequeña cantidad de cada sólido sobre una placa o vidrio de reloj.
2. Intente rayar suavemente cada muestra con una moneda metálica o espátula.
3. Observe si el material se raya, se pulveriza o no muestra cambios visibles.
4. Compare la resistencia al rayado entre las sustancias.
5. Ordene las muestras de menor a mayor dureza relativa.

Sustancias sugeridas para comparar:

• Yeso.
• Sucrosa.
• Cloruro de sodio.
• Azufre.
• Óxido de aluminio.
• Arena.

Parte C: Prueba de fragilidad

1. Coloque una pequeña cantidad de cada sólido en papel absorbente o sobre una superficie segura.
2. Aplique presión suave con una espátula o la parte plana de una cucharilla.
3. Observe si el sólido se rompe, se pulveriza o conserva su forma.
4. Registre el comportamiento de cada material.

Sustancias sugeridas:

• Cloruro de sodio.
• Sucrosa.
• Sulfato cúprico pentahidratado.
• Alumbre.
• Yeso.
• Carbón activado.

Parte D: Preparación y evaluación de gelatina

1. Prepare una pequeña porción de gelatina sin sabor con agua caliente, siguiendo una proporción sencilla indicada por el docente.
2. Deje enfriar hasta que solidifique.
3. Presione suavemente la gelatina con una espátula limpia o con el dedo protegido con guante.
4. Observe si se deforma y si recupera su forma original.
5. Registre si presenta comportamiento elástico, plástico o frágil.

Parte E: Comparación de deformación entre yeso y gelatina

1. Prepare una pequeña mezcla de yeso con agua hasta formar una pasta.
2. Coloque la pasta en un recipiente pequeño y deje endurecer.
3. Compare el yeso endurecido con la gelatina solidificada.
4. Aplique presión suave a ambas muestras.
5. Observe cuál se deforma, cuál se rompe y cuál recupera parcialmente su forma.
6. Registre las diferencias.

Parte F: Efecto de líquidos sobre el comportamiento de sólidos

1. Coloque pequeñas cantidades de yeso, cloruro de sodio y sucrosa en tubos o placas separadas.
2. Agregue unas gotas de agua a cada muestra.
3. Observe si el sólido se disuelve, se aglomera, se endurece o cambia su textura.
4. Repita el procedimiento con unas gotas de aceite de oliva o parafina líquida.
5. Compare el efecto del agua y del aceite sobre los sólidos.
6. Relacione los resultados con la naturaleza química de cada material.

7. Registro de datos

Experimento	Sustancia evaluada	Observaciones	Propiedad mecánica observada	Resultado
A	Yeso		Textura / apariencia
A	Arena		Textura / apariencia
A	Cloruro de sodio		Cristalinidad
B	Sucrosa		Dureza relativa
B	Óxido de aluminio		Dureza relativa
B	Azufre		Dureza relativa
C	Alumbre		Fragilidad
C	Sulfato cúprico pentahidratado		Fragilidad
C	Carbón activado		Fragilidad
D	Gelatina		Elasticidad / deformación
E	Yeso endurecido		Resistencia a compresión
F	Sucrosa + agua		Cambio físico
F	Yeso + agua		Cambio físico
F	Cloruro de sodio + aceite		Cambio físico

 

8. Resultados y análisis

El estudiante deberá:

• Identificar cuáles sólidos presentan mayor dureza relativa.
• Determinar cuáles materiales se fragmentan con facilidad.
• Comparar el comportamiento de sólidos cristalinos, amorfos y poliméricos.
• Explicar por qué algunos sólidos se pulverizan al aplicar presión.
• Describir la diferencia entre elasticidad, plasticidad y fragilidad.
• Relacionar la estructura del sólido con su comportamiento mecánico.
• Explicar el efecto del agua sobre sustancias solubles, aglomerantes o insolubles.
• Comparar el comportamiento del yeso endurecido con el de la gelatina.

9. Conclusiones

Redacte conclusiones sobre:

• La importancia de las propiedades mecánicas en la caracterización de sólidos.
• La diferencia entre dureza, fragilidad, elasticidad y plasticidad.
• La relación entre estructura interna y comportamiento mecánico.
• El comportamiento del yeso, la gelatina, la sucrosa y el cloruro de sodio frente a fuerzas externas.
• La utilidad de pruebas sencillas para comparar propiedades de materiales sólidos.

10. Cuestionario

1. ¿Qué son las propiedades mecánicas de los sólidos?
2. Defina dureza y explique cómo se evaluó en esta práctica.
3. ¿Qué diferencia existe entre un sólido frágil y uno elástico?
4. ¿Cuál de las sustancias evaluadas presentó mayor resistencia al rayado?
5. ¿Por qué algunos sólidos cristalinos se fragmentan fácilmente?
6. ¿Qué comportamiento presentó la gelatina al ser presionada?
7. ¿Qué diferencia observó entre el yeso endurecido y la gelatina?
8. ¿Cómo afectó el agua al cloruro de sodio y a la sucrosa?
9. ¿Qué propiedad mecánica se relaciona con la capacidad de recuperar la forma original?
10. Explique por qué el estudio de las propiedades mecánicas es importante en química y en la vida cotidiana.

11. Normas de seguridad

• Utilizar bata, guantes y gafas de seguridad durante toda la práctica.
• No ingerir ni oler directamente ninguna sustancia.
• Evitar el contacto directo con sales metálicas como el sulfato cúprico.
• No manipular sustancias peligrosas no indicadas por el docente.
• No utilizar mercurio en esta práctica.
• Evitar levantar polvo de carbón activado, óxido de aluminio, azufre o yeso.
• Trabajar en un área limpia y ventilada.
• Lavar las manos al finalizar la práctica.
• Desechar los residuos sólidos en los recipientes indicados por el docente.
• Limpiar adecuadamente las superficies de trabajo.

12. Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2018). Química: La ciencia central (13.ª ed.). Pearson.

Chang, R., & Goldsby, K. (2016). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill Education.

Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). Química general: Principios y aplicaciones modernas (11.ª ed.). Pearson.

Smith, W. F., Hashemi, J., & Presuel-Moreno, F. (2019). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales (5.ª ed.). McGraw-Hill Education.

Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2020). Ciencia e ingeniería de materiales (10.ª ed.). Wiley.

 

Práctica de Laboratorio: Determinación de iones Ca²⁺ y Mg²⁺ por volumetría de formación de complejos

 Determinación de iones Ca²⁺ y Mg²⁺ por volumetría de formación de complejos

 

Objetivo general

Determinar la concentración total de los iones calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺) en una muestra acuosa mediante una titulación complejométrica con EDTA.

 

Objetivos específicos

• Aplicar el método de formación de complejos con EDTA para determinar iones metálicos.
• Utilizar un indicador selectivo de metales como el negro de eriocromo T para detectar el punto final.
• Ajustar el pH de la solución para favorecer la formación del complejo metal-EDTA.
• Calcular la concentración total de cationes divalentes presentes en la muestra.

 

Introducción

La volumetría de formación de complejos es un método analítico basado en la reacción de un agente quelante, como el EDTA (ácido etilendiaminotetraacético), con iones metálicos para formar complejos estables y solubles. Este método es especialmente útil para la determinación de cationes divalentes como Ca²⁺ y Mg²⁺, presentes frecuentemente en aguas naturales y en productos farmacéuticos.

Figura 1.- Estructura química del ácido etilendiamintetraacético (EDTA).

El EDTA forma complejos 1:1 con la mayoría de los iones metálicos. En esta práctica se utilizará una solución estándar de EDTA para titular una muestra que contiene iones Ca²⁺ y Mg²⁺, en presencia de un tampón de pH ≈ 10. El indicador negro de eriocromo T (NET) se une inicialmente a los iones metálicos formando un complejo de color vino, el cual cambia a azul al completarse la titulación con EDTA, indicando el punto final.

Figura 2.- Estructura química del Negro de eriocromo T.

Este tipo de análisis es común en el control de calidad del agua potable, ya que la suma de los iones calcio y magnesio determina la dureza total del agua.

Fundamentos teóricos

La reacción general entre EDTA y un ion metálico divalente M²⁺ es:

Figura 3.- Complejo [M-EDTA]^2-.

 

Dado que tanto el calcio como el magnesio forman complejos 1:1 con EDTA, la reacción es estequiométricamente sencilla. Para controlar el pH, se emplea un tampón amoniaco-amonio que mantiene el medio ligeramente básico (pH ≈ 10), lo cual es ideal para la estabilidad de los complejos y para el buen funcionamiento del indicador.

La reacción del indicador es:

 

Durante la titulación, el EDTA desplaza al NET del complejo:

 

Parte experimental

Materiales y reactivos

Materiales:

• Bureta (25 mL)
• Pipeta volumétrica (25 mL)
• Erlenmeyer (125 mL)
• Vaso de precipitado (100 mL)
• Matraz aforado (100 mL)
• Soporte y pinza para bureta
• Frasco lavador
• Pera de succión

Reactivos:

• Solución estándar de EDTA ≈ 0.01 M
• Solución tampón amoniaco-amonio (pH 10)
• Indicador Negro de eriocromo T (en etanol o como mezcla con NaCl)
• Muestra con iones Ca²⁺ y Mg²⁺ (agua de grifo o solución simulada)
• Agua destilada

Procedimiento

1. Enjuagar la bureta con EDTA e instalarla en el soporte.
2. Pipetear 25.00 mL de la muestra y verterla en un erlenmeyer.
3. Agregar 1-2 mL del tampón amoniaco-amonio para ajustar el pH a 10.
4. Añadir 1-2 gotas del indicador Eriochrome Black T.
5. Titular con la solución de EDTA hasta que el color pase de vino a azul puro.
6. Registrar el volumen de EDTA consumido.
7. Repetir la titulación al menos tres veces y obtener un valor promedio.
8. Calcular la concentración total de Ca²⁺ y Mg²⁺ como equivalentes de dureza total (en mol/L o en mg/L de CaCO₃ si se desea).

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Tabla de datos y resultados

Ensayo	Volumen de la muestra (mL)	Volumen de EDTA (mL) gastado	Moles de EDTA	Moles de Ca²⁺ + Mg²⁺	[Ca²⁺ + Mg²⁺] (mol/L)
1
2
3

 

 

Cuestionario

1. ¿Cuál es la función del tampón amoniaco-amonio en esta titulación?
2. ¿Qué indica el cambio de color del indicador Eriochrome Black T?
3. ¿Por qué se dice que esta titulación es una técnica complejométrica?
4. ¿Qué efecto tendría un pH menor a 8 sobre la estabilidad del complejo EDTA-metal?
5. ¿Cómo podrías distinguir entre el contenido de Ca²⁺ y Mg²⁺ si solo se obtiene la suma total?

 

Referencias bibliográficas

Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2014). Fundamentos de Química Analítica (9.ª ed.). Cengage Learning.

Harris, D. C. (2016). Análisis Químico Cuantitativo (9.ª ed.). McGraw-Hill Education.

Doménech, J. (2011). Prácticas de laboratorio de química analítica (2.ª ed.). Universidad de Valencia.