¿Qué es el análisis dimensional en química? – Problemas de definición, método y práctica

Análisis dimensional en química

El análisis dimensional es una forma en que los químicos y otros científicos convierten unidades de medida. Podemos convertir cualquier unidad en otra unidad de la misma dimensión . Esto significa que podemos convertir una cantidad de segundos en otra unidad de tiempo, como minutos, porque sabemos que siempre hay 60 segundos en un minuto. O podemos convertir cierta cantidad de masa de gramos a kilogramos, sabiendo que siempre hay 1000 gramos en un kilogramo. O podemos convertir longitudes, digamos, de kilómetros a millas, aunque las unidades métricas se utilizan con mayor frecuencia en química. Con un factor de conversión conocido, a veces es posible convertir a una nueva dimensión. Por ejemplo, 1 kilogramo de agua pura es igual a 1 litro. Con ese conocimiento, podría convertir un volumen de agua en una masa de agua, o viceversa.

Unidades de medida

Las dimensiones comúnmente utilizadas en química incluyen tiempo, masa, longitud y volumen. Las unidades de medida estándar (las que se utilizan con más frecuencia para que puedan compartirse fácilmente con otros científicos) son las unidades SI , del Sistema Internacional de Unidades. La unidad de tiempo SI es segundos y su símbolo de unidad es s . La unidad de masa del SI es el kilogramo. Está escrito como kg , donde k es el prefijo métrico que significa kilo y g significa gramo, la unidad base de masa. La unidad SI de longitud es el metro, con el símbolo m . Los químicos también suelen utilizar lunares, una unidad SI que describe una cantidad de una sustancia. Un mol equivale aproximadamente a 6.022 x 10 ^ 23 partículas, como átomos o moléculas. Su símbolo es mol .

Factores de conversión y prefijos

Para convertir de una unidad a otra, necesitamos saber cómo se relacionan esas unidades. A veces hay un factor de conversión bien establecido que puede utilizar para convertir entre dimensiones, como por ejemplo, 1 kilogramo de agua pura equivale a 1 litro de agua pura. También puede medir (o buscar) factores de conversión entre unidades métricas e inglesas de la misma dimensión. Por ejemplo, 1 milla equivale aproximadamente a 1,6 kilómetros.

La mayoría de las veces en química, sus conversiones incluirán moles o unidades métricas. Para facilitar la vida de su análisis dimensional, es importante trabajar para memorizar tanto una aproximación de la constante de Avogadro , el número de partículas en un mol y los prefijos métricos. Igualmente importante es que tenga una idea de lo que significan estas unidades.

Hemos dicho antes que un mol es igual a aproximadamente 6.022 x 10 ^ 23 partículas (esto puede ser cualquier cosa, en realidad, aunque la mayoría de las veces serán átomos o moléculas). ¡Ese es un número realmente grande! La constante de Avogadro a veces asusta a los nuevos estudiantes de química, pero es solo un número.

Entonces, si le preguntara cuántas galletas hay en una docena, con suerte me diría que hay 12 galletas en una docena. Y si dijera que tenía un lunar de galletas, sabría que eso significa que tengo aproximadamente 6.022 x 10 ^ 23 galletas.

Volvamos a la química. Si tiene 1 mol de átomos de carbono, eso significaría que tiene aproximadamente 6.022 x 10 ^ 23 átomos de carbono. O, si tiene 1 mol de moléculas de agua, eso sería aproximadamente 6.022 x 10 ^ 23 moléculas de agua.

Nuestro último paso antes de comenzar a practicar el análisis dimensional es aprender sobre los prefijos métricos para que podamos hacer conversiones entre unidades base similares. Si necesitamos convertir 1 kg en g, por ejemplo, deberá recordar que g significa gramos, una unidad de peso, y que el prefijo k significa kilo o mil. Entonces, si tenemos 1 kg (o 1 kilogramo), eso significa que tenemos mil gramos y nuestra conversión está completa.

Es posible que ya reconozca algunos de los prefijos métricos más importantes de su experiencia con las computadoras, específicamente, k (kilo), M (mega), G (giga) y T (tera). De los prefijos menores que 1, puede reconocer deci, que significa un décimo, de la palabra decimal y darse cuenta de que centi, una centésima, tiene el mismo origen y significado que la palabra cent. Un centavo, o un centavo, es una centésima parte de un dólar.

Práctica de análisis dimensional

Es hora de poner en práctica nuestra comprensión de las unidades y los factores de conversión. Usaremos el análisis dimensional para configurar y resolver nuestros problemas de conversión de unidades con factores de conversión conocidos.

Problema de práctica n. ° 1

Convierta 25.0 mL en L.

Primero, escribe tus medidas iniciales. Aquí tenemos 25,0 mL. A veces, las unidades tendrán tanto un numerador como un denominador, como metros por segundo, pero si no es así, puedes poner tu medida sobre 1.

Para no cambiar nuestra medida inicial de 25.0 mL sino solo cambiar las unidades, queremos encontrar una manera de multiplicarlo por un valor de 1. Necesitaremos encontrar un factor de conversión que cancele las unidades mL que ya tenemos. ya que nos estamos alejando de esas unidades, y una que introducirá Litros, las unidades finales hacia las que nos estamos moviendo. Ya sabemos que mL significa mililitros y que el prefijo mili significa milésima. Eso significa que tendríamos que tener 1000 ml para igualar 1 L. Conectaremos ese factor de conversión.

Mirando nuestra nueva configuración de análisis dimensional, podemos cancelar las unidades en ml porque tenemos una en el numerador y otra en el denominador. Las únicas unidades que quedan son L, que es nuestro destino final en esta conversión de unidades. Finalmente, todo lo que tenemos que hacer es continuar con la multiplicación de los números y obtenemos 0.025 L.

Problema de práctica n. ° 2

Convertir 5.0 kg a cg.

En este problema, estaremos convirtiendo de kg (kilogramos o mil gramos) a mg (miligramos o milésimas de gramo). Antes de comenzar el análisis dimensional, es útil considerar qué significan los tamaños relativos de las unidades. Pasaremos de una unidad de masa relativamente grande a unidades mucho más pequeñas. Esto significa que deberíamos terminar con un número mucho mayor al final.

Puede ser útil pensar primero en unidades inventadas que ya comprendemos, así que supongamos que los gramos son dólares. Fingiremos que estamos convirtiendo de kilodólares, o miles de dólares, a centidólares o centavos. Si llevara una cantidad de miles de dólares al banco y solicitara cambiarla por centavos, volvería a casa con muchas, muchas más monedas de un centavo que la cantidad de billetes de mil dólares que cambió.

Volvamos al problema. Comenzamos con 5.0 kg (kilogramos o mil gramos) y convertimos esa misma medida a unidades de cg (centigramos o centésimas de gramos). Primero, escriba la medida inicial de 5.0 kg y colóquela sobre 1. El 1 mantiene exactamente la misma medida y unidades, y puede ser útil para realizar un seguimiento de nuestras unidades en algunos de los problemas de análisis dimensional más largos. Luego, encuentre un factor de conversión que nos lleve a las unidades base de g. Necesitaremos cancelar las unidades de kg, por lo que usaremos 1000 g equivalentes a 1 kg. Hasta ahora, todavía no tenemos nuestras unidades finales, por lo que necesitaremos una conversión más para cancelar las unidades de gy introducir cg.

Sabemos que 100 cg equivalen a 1 g. También sabemos que, para cancelar nuestras unidades de g, necesitaremos poner la g en el denominador y, para introducir las unidades finales de cg, esas unidades irán en el numerador. Verifique que sus unidades se hayan cancelado para que termine solo con las unidades finales solicitadas en el problema.

Aquí, las unidades de kg y g se cancelaron adecuadamente y terminamos con 500,000 cg o 5.0 x 10 ^ 5 cg.

Problema de práctica n. ° 3

Convierta 12.0 pulgadas a cm, dado que 1 pulgada es aproximadamente igual a 2.54 cm.

Al convertir entre sistemas de medición, seguimos configurando nuestro problema de análisis dimensional de la misma manera. La medida inicial de 12,0 pulgadas se conecta primero. Multiplicamos esa medida por 2,54 cm sobre 1 pulgada, una fracción que es igual a 1 pero que nos permite convertir unidades. Las unidades de en se cancelan y nos quedan solo unidades de cm. Multiplicando, obtenemos que 12.0 pulg. Es igual a 30.5 cm.

Resumen de la lección

El análisis dimensional es una forma en que los químicos y otros científicos convierten la unidad de medida. Podemos convertir cualquier unidad a otra unidad de la misma dimensión que puede incluir cosas como tiempo, masa, longitud y volumen. Sin embargo, en términos generales, los químicos suelen utilizar moles, que es una unidad SI que describe la cantidad de una sustancia. Además, los químicos deben estar bien versados ​​en prefijos métricos, algunos de los cuales probablemente le resulten familiares. Como k (kilo), M (mega), G (giga) y T (tera), así como cuántos de cada prefijo forman otro prefijo. Una vez que esté familiarizado con todo esto, debería estar listo para abordar sus propios análisis dimensionales.

Términos clave del análisis dimensional

• Análisis dimensional : una forma en que los químicos y otros científicos convierten unidades de medida
• Dimensión : elementos dentro del mismo campo de unidades, como segundos, minutos y horas
• Unidades métricas : se utilizan en química.
• Factor de conversión : se utiliza para encontrar una nueva dimensión, como convertir un volumen de agua pura en una masa de agua.
• Constante de Avogadro : el número de partículas en un mol, aproximadamente igual a: 6.022 x 10 ^ 23 partículas
• Moles : unidad del SI que describe la cantidad de una sustancia.

Los resultados del aprendizaje

Cuando termine esta lección, los estudiantes deberían poder:

• Definir análisis dimensional
• Convertir unidades de medida mediante análisis dimensional
• Enumere las unidades base del SI
• Identificar el propósito de las unidades métricas
• Recuerde cómo utilizar un factor de conversión en el análisis dimensional

Rodrigo Ricardo Editor y fundador