Conocimiento en las Ciencias Naturales Bienvenidos y ... Web_General/QUIM3003/1_Introduc… · transformación de una sustancia en otra,sin ... evite poner el recipiente a la altura

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Bienvenidos y Bienvenidas

Laboratorio de Química General I

Ileana Nieves Martínez

MétodosQuímico Físicos

Conocimiento en las Ciencias Naturales

Física

Química

Biología

Medicina

Matemática

INTRODUCCIÓN

Química es la ciencia experimental queestudia:◦ la composición,◦ la estructura◦ las propiedades de la materia: transformación de una sustancia en otra, sin alterar los

elementos que la integran. su relación con la energía.

◦ del árabe: kēme (kem, que significa "tierra")

Materiales de LaboratorioCristalería y Equipos

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vaso

matraz

probeta

condensador

mortero

condensador

mortero

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Balanza

Cent-O-Gram

Analítica

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IntroducciónReglas de Seguridad

Resumen Use: ◦ gafas de seguridad en todo momento.◦ bata cerrada.◦ Zapatos cerrados◦ Patalones o faldas largas.

Conozca la localización de los extintoresde incendio, las mantas, las duchas y lasfuentes de lavado de ojos.

LEA las etiquetas de los reactivos y los MSDS de éstos.

Sea cuidadoso(a), limpio(a), ordenado(a) y manténgase alerta.

Resumen (continuación) Manipule los objetos calientes con pinzas o

guantes de aminato. Manténgase de pie siempre mientras está

trabajando en el experimento. Use la técnica correcta para mojar los tubos de

cristal o los termómetros antes de insertarlosen un tapón de goma.

Uso de materiales o reactivos:◦ No ponga los tapones sobre la mesa, ni los

intercambie.◦ Saque o utilice la cantidad de solución necesaria.

NUNCA devuelva a la botella original los sobrantes.

Resumen NO:◦ use un equipo ya montado sin el visto bueno

del(la) instructor(a).◦ encienda equipos sin autorización.◦ ingiera alimentos dentro del laboratorio.◦ fume.◦ trabaje sin supervisión.◦ caliente líquidos en envases cerrados, ni apunte

la boca de los tubos de ensayo hacia usted o suscompañeros.◦ reciba visitas, hable por teléfono, ni haga

bromas pesadas en el laboratorio.

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Símbolos en las etiquetas de los reactivos Protección de sus ojos

Use gafas de seguridad en todomomento. Se pueden usar sobre los lentes recetados.

Cuando mida ácidos y bases concentradas, evite poner el recipiente a la altura de susojos. Deje el recipiente sobre la mesa y sitúeses a la altura

de la marca.

Fuegos Ubique y aprenda a usar las duchas y extintores. En caso de que se incendie la ropa: ◦ evitar correr para prevenir que el aire aumente las

llamas.◦ meterse debajo de una ducha ◦ envolverse en una manta preferiblemente de amianto.

Los disolventes orgánicos son flamables por lo tanto NUNCA:◦ fume en el laboratorio.◦ encienda fósforos sin autorización.◦ caliente una solución de disolvente directamente.

Fuegos (continuación) Si un disolvente orgánico (alcohol, éter,

acetona, benceno, gasolina o aceite) se incendia evite el pánico y proceda comosigue:◦ Cierre las llaves de gas y desconecte la corriente.◦ No eche agua, ya que algunos son inmiscibles en

agua.◦ Use extintor◦ Si el fuego está localizado dentro un recipiente,

tápelo privandolo de oxígeno para así consumir la llama.

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Manipulación de reactivos

Manipule los reactivos volátiles, corrosivos o técnicos en el extractor prendido.

Evite contacto con la piel. Limpie inmediatamente se produzca

cualquier salpicadura en la mesa.◦ Si derrama: ácido, lave primero con base diluida y luego con agua. Base, lave primero con ácido diluido y luego con agua.

Manipulación de reactivos (cont.) Pesadas:◦ Sólidos – en balanza Cent-O-Gram menos de 5 g

use un cristal de reloj o papel encerado al que le haya doblado hacia arriba los bortes.◦ Líquidos – es mejor medirlos por volumen

(densidad) usando: Probeta Pipeta usando aspirador de goma, NO aspire con la

boca.

Seque todas las salpicaduras y mantengatapados los frascos.

Manipulación de reactivos (cont.) Desperdicios◦ No se vierten a la basura.◦ Los materiales no corrosivos se vierten en el

fregadero con el agua corriendo.◦ Los ácidos y bases se diluyen primero con agua:

ácido o base sobre agua lentamente, y luego se vierten al fregadero con el agua corriendo.◦ Para los materiales tóxicos siga las instrucciones

del(la) instructor(a). ◦ Otros sólidos al zafacón.

Unidades estándares de medidao

Sistema Internacional de medidas (SI)

Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

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Tro: Chemistry: A Molecular Approach 24

Unidades estándard Unidades SI◦ Système International = Sistema Internacional


Cantidad Unidad Símbolo

Largo Metro m

Masa Kilogramo kg

Tiempo Segundo s

Temperatura Kelvin K

25

Relación entre las unidades en el SI Se relacionan por potencias de 10◦ Establecida por un prefijo◦ Depende de el tamaño de lo que se mide


Copyright 2011 Pearson Education, Inc.26

Prefijos Comunes en el sitema SI


Prefijo SímboloEquivalente

DecimalPotencia de 10

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Largo Metro = unidad SI◦ la distancia que recorre la luz en un periodo de

tiempo específico Es 3.37 pulgadas más que una yarda

Relación con los centímetros (cm)◦ 1 m = 100 cm◦ 1 cm = 0.01 m = 10 mm◦ 1 pulgada (inch) = 2.54 cm (exáctamente)


yarda

metro

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Masa Medida de la cantidad de masa en un objeto◦ El peso mide la fuerza de gravedad sobre el objeto, se

relaciona con la cantidad de masa

kilogramo (kg) = Unidad SI◦ Aproximadamente 2 lbs. 3 oz.

Relación con gramos (g) o miligramos (mg)◦ 1 kg = 2.2046 libras, 1lb. = 453.59 g◦ 1 kg = 1000 g = 103 g ◦ 1 g = 1000 mg = 103 mg◦ 1 g = 0.001 kg = 10−3 kg◦ 1 mg = 0.001 g = 10−3 g



Tiempo

Mide la duración de un evento

Segundo(s) = Unidad SI◦ periodo de tiempo que toma un número

específico de eventos de radiación de una transición específica de Cesio 133.


Tro: Chemistry: A Molecular Approach

Temperatura

Medida de de la cantidad de energía cinética causada por el movimiento de partículas

Escalas:◦ Farenheit

◦ Celsius

◦ Kelvin

30Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

F 1.8 C 32

( F 32)C

1.8K C 273.15

Relación entre escalas de temperaturaAgua hierve

Agua se congela

Cero absoluto

01 de agosto de 2014 31

100 Kelvin

100 GradosCelsius

180 GradosFahrenheit

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Relación entre las Escalas de Temperatura

Fahrenheit, °F◦ Se usa en EU

Celsius, °C◦ Se usa en los otros países

Kelvin, K◦ Escala absoluta no tiene números negativos

◦ directamente proporcional a la energía cinética promedio

◦ 0 K = cero absoluto


Agua hierve

Se congela

Cero absoluto

180 grados Fahrenheit

100 grados Celsius

100 grados Kelvin


Volumen

Unidad Derivada◦ Largo al cubo

Medida de la cantidad de espacio ocupado Unidad SI = metro cúbico (m3)

Sólidos - (cm3)◦ 1 m3 = 106 cm3

◦ 1 cm3 = 10−6 m3 = 0.000001 m3


Un cubo de 10-cm contiene 1000 cubos de 1-cm

Líquidos mililitros (mL)◦ 1 L es un poco más que 1 quarto◦ 1 L = 1 dm3 = 1000 mL = 103 mL ◦ 1 mL = 0.001 L = 10−3 L◦ 1 mL = 1 cm3


Unidades Comunes y sus equivalencias

Largo

1 kilómetro (km) = 0.6214 milla (mi)

1 metro (m) = 39.37 pulgada (in.)

1 metro (m) = 1.094 yardas (yd)

1 pie (ft) = 30.48 centímetros (cm)

1 pulgada (in.) = 2.54 centímetros (cm)

Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e Tro: Chemistry: A Molecular Approach 35

Volumen

1 litro (L) = 1000 mililitros (mL)

1 litro (L) = 1000 centímetros cúbicos (cm3)

1 litro (L) = 1.057 quarto (qt)

1 U.S. galón (gal) = 3.785 litros (L)

Masa

1 kilogramo (km) = 2.205 libra (lb)

1 libra (lb) = 453.59 gramos (g)

1 onza (oz) = 28.35 gramos (g)


Unidades Comunes y sus equivalencias

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a) kilómetro

b) metro

c) centímetro

d) micrómetro

e) megametros


Práctica — ¿cuál de las unidades a continuación será mejor para medir una peseta?

a) kilómetro

b) metro

c) centímetro

d) micrómetro

e) megametros


Medidas y cifras significativas


Menisco


¿Qué es una medida? Observación cuantitativa Comparación de un

estándard conocido La medida tiene el

número y su unidadcorrespondiente


4.5?

4.57 0.02mLTro: Chemistry: A Molecular

Approach 39

Medida

La unidad relaciona al estándar comparado El número indica:

1. el múltiplo del estándar de lo que mide2. la incertidumbre de la medida

Las medidas tienen todos los dígitos ciertos y el último incierto


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Dígito estimado Instrumentalmente◦ Escala – se estima entre las marcas

Marcas cada 1 gLectura estimada 1.2 g

Marcas cada 0.1 gLectura estimada 1.27 g

Estimar el peso

Dígito estimado Instrumentalmente◦ Escala – se estima entre las marcas

Marcas cada 1 gLectura estimada 1.2 g

Marcas cada 0.1 gLectura estimada 1.27 g

Estimar el peso


Cifras Significativas12.3 cm

Cifras significativas:3

Intervalo:12.2 a 12.4 cm

12.30 cmCifras significativas:

4

Intervalo12.29 a12.31 cm



Determinación de las Cifras Significativas

1. Todos los dígitos son significativos◦ 1.5 tiene 2 cifras significativas (cs)

2. Todos los ceros internos son significativos◦ 1.05 tiene 3 cifras significativas

3. Ceros a la izquierda NO son significativos◦ 0.001050 tiene 4 cifras significativas 1.050 x 10−3


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4. Ceros al final del dígito:a) Después del punto decimal son significativos

1.050 tiene 4 cifras significativas

b) Antes del punto decimal son significativos si se escribe el punto decimal 150.0 tiene 4 cifras significativas

c) Al final del dígito sin el punto decimal son ambiguos y se deben evitar usando notación científica si 150 tiene 2 cifras significativas entonces se ecribe

1.5 x 102

Si 150 tiene 3 cifras significativas entonces se debe escribir 1.50 x 102


Determinación de las Cifras Significativas


Cifras Significativas y números exactos

• Número infinito de cifras significativas•

• g – aceleración de la gravedad



Ejemplo: Determinar el número de Cifras Significativas

¿Cuántas cifras significativas hay en los siguientes números?

0.04450 m

5.0003 km

10 dm = 1 m

1.000 × 105 s

0.00002 mm

10,000 m

4 cifras sig.; (4’s y 5, y 0 al final)

5 cifras sig.; (5 y 3, y los 0’s internos)

infinito, número exacto

4 cifras sig.; (1, y 0’s al final)

1 cifras sig.; (2, y los 0’s izda. no cuentan)

Ambiguo y se asume 1 cifras sig.



Reglas para suma y resta

El resultado tendrá el número de sitios decimales del que menos sitios decimales tenga en la operación

41.5

5214.55799.2

70.0543.2

7.5976.5122.2

9.5


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Reglas para Multiplicación y División

Resultado tiene el número de cifras significativas del menor en la operación

5.02 × 89.665 × 0.10 = 45.0118 = 453 CS 5 CS 2 CS 2 CS

5.892 ÷ 6.10 = 0.96590 = 0.9664 CS 3 CS 3 CS



Redondeo

Si el número despúes del dígito significativo es:

a) 0 a 4, se deja igual

b) 5 a 9, aumenta por uno



Redondeo

2 CS◦ 2.34 2.3

◦ 2.37 2.4

◦ 2.349865 2.3



Redondeo

2 CS◦ 0.0234 0.023 o 2.3 × 10−2

◦ 0.0237 0.024 o 2.4 × 10−2

◦ 0.02349865 0.023 o 2.3 × 10−2


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Redondeo

2 CS◦ 234 230 o 2.3 × 102

◦ 237 240 o 2.4 × 102

◦ 234.9865 230 o 2.3 × 102


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Tro: Chemistry: A Molecular Approach 56Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

Ejemplo: Calcule usando el número correcto de cifras significativas

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Logaritmo de un número se mantiene en elresultado el número de dígitos a la derecha delpunto decimal igual al número de cifrassignificativas del número original.

Antilogaritmo de un número se mantiene en el resultado el número de dígitos que sean iguales a los dígitos a la derecha del punto decimal del número original.

57

Otras operaciones matemáticas

log . .9 57 10 4 9814x

anti xlog .12 5 3 1012

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Precisióny Exactitud


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Cálculos e interpretación de resultados

Equipo utilizado para obtener datos:◦ buretas ◦ Pipetas◦ Balanzas tienen cierto error o incertidumbre. hacer análisis de todos los posibles errores. determinar el grado de precisión que afecta el

resultado numérico.

Análisis estadísticos de resultados

FUENTES DE ERROR Y CLASIFICACIÓN DE LOS ERRORES

Comparación entre exactitud yprecisión

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62

Incertidumbre de medidas experimentales Provienen de las limitaciones de los instrumentos.

Precisión indica cuán cercanas estánuna serie de medidas repetidas(reproducibilidad).

Expresión de confiabilidad

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Precisión Errores indeterminados◦ fluctuaciones◦ No tienen causa específica y no se pueden

corregir◦ son inherentes en la observación◦ no se puede predecir su origen ni su magnitud◦ tienen signo algebraico positivo o negativo

(ambos con igual probabilidad)

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Precisión reproducibilidad que reside en un resultado

numérico. medida del grado de incertidumbre debido a

errores indeterminados. se puede mejorar tomando un número

grande de medidas y haciendo análisisestadístico.

se expresa como el error mismo (absoluto)o como función de la magnitud de la medida(relativa)

5.0 0.10.1 1

0.025.0 50

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Ejemplo

Incertidumbre = 0.5 metros.◦ Incertidumbre absoluta 0.5 metros

◦ Incertidumbre relativa

como % resulta en un 5%.

10.0 metros

0.50.05

10.0

0.5100 5%

10.0x

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Copyright 2011 Pearson Education, Inc.

0.510

10.0nx

n Unidad

2 %

3 ppmil (ppt)

6 ppm

9 ppb

Unidades relativas para la precisión

6666

Exactitud indica cuán cercana es la medida del valor real (verdadero).

◦ E = X? - XV

Debido a que el valor verdadero (real) no seconoce, usaremos el promedio aritméticode una serie de determinaciones como elvalor verdadero.

Otra expresión de confiabilidad

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Exactitud Errores sitemáticos

◦ Limitaciones instrumentales o del diseñoexperimental e inclusive error personal

◦ Se pueden reducir usando instrumentos o diseños experimentales más sofisticados

Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e agosto de 2014

Ejemplos de los errores

Determinados Indeterminadosfricción entre partes del instrumento

condiciones ambientales (humedad,temperatura)

Humanos: paralaje, lectura errónea de una escala, reflejos lentos, uso incorrecto de cierta técnica

Instrumentales: falta de calibración;cambio en línea base; escape de gas enlínea de vacío, no nivelar las balanzas

Cambios en voltaje, humedad, presiónatmosférica, temperatura (Ej: Siaumenta la temperatura, el brazo de labalanza se expande)

Humanos: se puede leer una escala unpoco más arriba o abajo de loverdadero sin que incluya paralaje,menisco, reflejos

Instrumentales - límite deconfiabilidad del instrumento (no hayinstrumento perfecto)

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Características

Determinados IndeterminadosSe deben a desperfectos del instrumento o la técnica

Se pueden eliminar usando correcciones

No aparecen como fluctuaciones en la medida

Se pueden identificar al cambiar la técnica experimental

Se pueden identificar en fluctuaciones al azar en las medidas experimentales sucesivas, afectan reproducibilidad.

Se pueden reducir y obedecen a la función de distribución de probabilidad de Gauss. Se usan métodos estadísticos e interpretación probabilística

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Comparación entre exactitud y precisión

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Datos comparando Exactitud vs. Precisión Suponga que tres estudiantes tienen que determinar

la masa de un objeto cuyo valor conocido es 10.00g Los resultados reportados son:

72Tro: Chemistry: A Molecular

ApproachTro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

Peso, g

Estudiante A Estudiante B Estudiante C

10.49 9.78 10.03

9.79 9.82 9.99

9.92 9.75 10.03

10.31 9.80 9.98

Promedio = 10.13 Promedio = 9.79 Promedio = 10.01

Datos comparando Exactitud vs. Precisión

73Tro: Chemistry: A Molecular

ApproachTro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

No exacto, no preciso No exacto, si preciso exacto, preciso

Número de medidaEstudiante A

Número de medidaEstudiante B

Número de medidaEstudiante C

Promedio 10.13 g Promedio 9.79 g Promedio 10.01 g

ÍNDICES DE PRECISIÓNY CONFIABILIDAD

Definiciones de los índices de precisión y confiabilidad

Ejemplo:

Datos

10.03

9.99

10.06

9.98

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Promedio:

Mediana - el valor central (del medio) Colocar los datos en orden ascendente o

descendente

xN

xii

Ni

1

1

= 10.02

xmed

9.98

9.99

10.03

10.06

9.99 10.0310.01

2medianax

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||= ± 0.01

= ± 0.03

= ± 0.04

= ± 0.04

Definiciones de los índices de precisión y confiabilidadEjemplo (continuación):

Medidas de exactitud y precisión◦ Desviación o residuo, d = i ix x

|| = (xi – xprom)

10.03-10.02

9.99-10.02

10.06-10.02

9.98-10.02

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Datos

10.03

9.99

10.06

9.98

x = 10.02

Definiciones de los índices de precisión y confiabilidadEjemplo (continuación): Desviación promedio

Desviación estándard

Intervalo o alcance

d pN i

i

N

. .1

1

sN

i

2

1

w x xmayor menor

||±0.01

±0.03

±0.04

±0.04

= ± 0.03

()2

0.0001

0.0009

0.0016

0.0016

0.00420.037

4 1

w

9.98

9.99

10.03

10.06

= 0.08

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10.06 − 9.98 = 0.08

Límite de confiabilidad y distribución de errores

x

y f xdn

Ndxei

i

x xi

( )/

1

21 2

2

2

2

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Tratamiento estadístico y evaluación de los datos

Un inocente convicto vs un culpable libre. El análisis estadístico◦ Agudiza el juicio sobre los datos experimentales.◦ estima la probabilidad de que la diferencia entre

dos valores experimentales sea real o solo elresultado de errores al azar.◦ determina si un dato se rechaza con gran

probabilidad.

Prueba Q para datos sospechosos Aceptar o rechazar un resultado anómalo (outlier)◦ Se producen por errores o fallos en la metodología.

◦ Método Se ordenan los datos en forma ascendente y se calcula Q

Qcalculado > Qtabulado

El dato se descarta

? vecino

entre dato sopechosos y su vecino más cercanoQ

entre el dato de mayor valor y el menor valor

desviaciónQ

alcancex x

Qw

Tabla estadísitica para la prueba Q

Si Qcalculado > Qtabulado se rechaza

Ejemplo: Al efectuar una serie de experimentos para

determinar la concentración del ión sulfato enuna muestra de agua para riego se obtienen lossiguientes resultados. Determine si hay algunamedida es dudosa.

Muestra Medida

1 5.0

2 5.2

3 5.5

4 5.6

5 6.0

1. Se ordenan los datos en orden descendiente (para facilitar el cálculo)

6.0, 5.6, 5.5, 5.2, 5.02. Se calcula Q

Q= (x? – xvecino)/w = (6.0-5.6)/ (6.0-5.0) =0.40

3. Se compara Qcalculado con Qtabulado para 5medidas y un nivel de confianza del 90%.(Qtab=0.64)

0.40 < 0.64, por lo tanto el valor 6.0 NO se rechaza

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Método para ajustar datos experimentales en una ecuación

Cuadrado mínimo: y = mx + bx

y

Cuadrado mínimoy = mx + b

Intercepto en y = b

Pendiente, m

Representación de los ErroresPosición de un caracol moviéndose en linea recta

Propagación de errores

Cantidades físicas medidas indirectamente◦ Incertidumbre o error en el resultado final

dependerá de la precisión y exactitud de lasmedidas experimentales afectando opropagándose en el resultado del valorcalculado.

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Ejemplo Determinación del área de un círculo:

r

A = r2

•

2

2

dA r dr

A r r

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El error en A se representa como A)

A

r0

+r-r

A0-

+A

r

20 0 02A A r r r 2

0r ya que

agosto de 2014 89

2

0 0

220 0 02

A A r r

A A r r r r

20 0 02A A r r r

≈0

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Fórmulas generales de Propagación

Tipo de operación matemática

Ejemplo* EMPP

Suma o resta

Multiplicación o división

Exponenciales

Logaritmos

Antilogaritmos

y a b c

y a bc

y a x

y a log

y anti a log

y a b c 2 2 2

yy

aa

bb

cc

2 2 2

yy

aax

y aa 0 434.

yy a 2 303.

* a, b y c son variables experimentales y a, b y c son los errores en esas variables (instrumentales o desviaciones estándard).

Ejemplo: Densidad Datos experimentales para determinar la densidad◦ m = 0.2852 g m = 0.0001 g◦ V = 10.0 cm3 V = 0.1 cm3

Para determinar el error propagado de una división en términos del error relativo usamos:

El error abosoluto es:

33

0.2852 0.00010.02852

10.0 0.1g

cm

gm m

V V cm

2 2 2 20.0001 0.1

0.10000.2852 10.0

m V

m V

0.1000 0.02852 0.002852 0.003x

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