Curso de Introducción al conocimiento científico experimental*

por Dra Celia E.Coto

 

Capítulo 5.  Unidades de uso común en las ciencias experimentales

                                                                        

Introducción

 

Es necesario conocer el significado de las unidades de medición para entender la importancia de los resultados de los experimentos y expresarlos además correctamente.

En este capítulo hemos realizado una selección de las unidades de uso común en química y biología sin pretender abarcar todo el espectro de unidades conocidas como se encuentra detalladamente en el diccionario de Russ Rowlett de la  Universidad de North Carolina de Chapel Hill, Estados Unidos y en la  Wikipedia de acceso libre por Internet. Debe quedar claro que si bien nuestro objetivo es brindar información útil y básica, no vamos a definir cada término utilizado ya que consideramos que todos aquellos interesados en asomarse a los principios de la investigación experimental han aprobado ya cursos elementales de Física y Química.

 

El sistema internacional de unidades (SI)

 

Se imaginan qué confusión habría en el mundo si no existiera un sistema único de unidades. A pesar que algunos países persisten en el uso de otro tipo de medidas, este acuerdo multinacional permite comparar resultados científicos pero también es fundamental para la vida diaria. Miles de personas tenemos internalizados en nuestro cerebro la noción de metro, de un kilogramo, de un kilómetro, etc., como si todos habláramos un idioma universal.  Si nos ponemos a reflexionar, conociendo las mediciones podemos conocer, por ejemplo, la gravedad de un hecho. Así un choque entre dos autos a 40 Km por hora no impresiona como otro a 150 Km por hora, porque no tiene las mismas consecuencias. A poco que pensemos un rato encontraremos decenas de ejemplos. En la ciencia pasa lo mismo una vez que nos familiarizamos con las unidades de medida más comprendemos algunos fenómenos.

Todos los sistemas de medidas se interrelacionan mediante una red de acuerdos internacionales conocida como International System of Units, este sistema internacional se denomina SI porque usa las dos primeras iniciales del nombre francés Système International d'Unités, este tratado fundamental se firmó en Paris, Francia, el 20 de mayo de 1875. Han adherido al mismo 48 naciones incluidas las naciones más industrializadas.

 El Buró Internacional de Pesas y medidas se ocupa de mantener al día el SI mediante las conferencias internacionales que se realizan regularmente a las que asisten representantes industriales de todos los países miembros, científicos e ingenieros. La próxima reunión tendrá lugar en el año 2007. Los interesados pueden consultar el sitio web de BIPM, for Bureau International des Poids et Mesures)

 

Definiciones

 

La dimensión es una cualidad abstracta de medida sin escala (por ejemplo la longitud).

 

Una unidad es un número que especifica una escala acordada previa (por ejemplo: metros).

 

Hay cuatro dimensiones fundamentales:

longitud   / tiempo  / masa  / carga eléctrica

El sistema internacional de unidades (1960) se basa en siete unidades principales que se definen en forma absoluta es decir: sin referencia a las otras. Estas unidades se presentan en el cuadro 1.

 

Cuadro 1.

 

Categoría

Nombre

Abreviatura

Definición

 

Longitud

 

metro

 

m

La distancia que viaja la luz en el vacío en una fracción de  1/299792458 segundo

 

Masa

 

kilogramo

 

kg

La masa de un prototipo internacional con forma de cilindro formado de platino e iridio que se mantiene en Sevrès, Francia.

 

Tiempo

 

segundo

 

s

El tiempo en que transcurren 9192631770 períodos de vibración del átomo de cesio Cs 133.

 

Corriente eléctrica

 

 

ampère

 

 

A

Es la corriente que produce una fuerza específica entre dos alambres paralelos que están a 1 metro de distancia en vacío. 

 

Temperatura

 

kelvin

 

K

Es 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

 

Cantidad de sustancia

 

molécula

 

 

mol

La cantidad de una sustancia que contiene tantas unidades elementales como átomos hay en  0,012 kg de C12

 

 

Intensidad de la luminosidad

 

 

 

candela

 

 

 

cd

   La intensidad de una fuente de luz de una dada frecuencia que da una cantidad específica de potencia en determinada dirección.

 

 

 

Sistema de longitud.

 

El metro es la unidad de longitud del Sistema Métrico Decimal.

 

Un metro se define como la distancia que viaja la luz en el vacío en 1/299.792.458 segundos. Esta norma fue adoptada en 1983 cuando la velocidad de la luz en el vacío fue definida exactamente como 299.792.458 m/s.

[

Múltiplos del metro:

 

*          Exámetro (Em): 1018 metros.

*          Pentámetro (Pm): 1015 metros.

*          Terámetro (Tm): 1012 metros.

*          Gigámetro (Gm): 109 metros.

*          Megámetro (Mm): 106 metros.

*          Kilómetro (km): 103 metros.

*          Hectómetro(hm): 102 metros.

*          Decámetro (dam): 101 metros.

 

Recordemos que al número 10 hay que agregarle tantos ceros como indica el número de la potencia para darnos una idea de la magnitud de estas unidades.

 

De todos modos hay que señalar que estas unidades mayores al metro no se utilizan en las ciencias biológicas experimentales.

 

Unidad básica:

 

*          metro

 

Submúltiplos del metro:

 

*          decímetro (dm): 10-1 metros.            0,1 m

*          centímetro (cm): 10-2 metros.           0,01m

*          milímetro (mm): 10-3 metros.            0,001 m

*          micrómetro (µm): 10-6 metros.          0,000001 m

*          nanómetro (nm): 10-9 metros.           0,000000001 m

*          angstrom (Å): 10-10 metros.              0,0000000001 m

*          picómetro (pm): 10-12 metros.

*          femtómetro o fermi (fm): 10-15 metros.

*          attómetro (am): 10-18 metros.

*          zeptómetro (zm):10-21 metros.

*          yoctómetro (ym):10-24 metros.

 

 

A nosotros nos interesan los submúltiplos del metro porque los elementos conque trabajan las ciencias biológicas experimentales tienen dimensiones por debajo del metro. Para darnos una idea veamos en forma comparativa el tamaño de las células, las bacterias, los virus y las moléculas.

 

 

 

 

De todos los submúltiplos del metro los más usados son: el milímetro (10-3 metros),  el micrómetro (10-6 metros), el nanómetro (10-9 metros) y el Ärmstrong (10-10 metros).

En todos los casos nos estamos refiriendo a entidades microscópicas o submicroscópicas. Es decir que no son observables a simple vista. Como se muestra en el dibujo, las células de los animales superiores tienen diámetros en el orden de decenas de micrones, en el caso de las plantas hay células cuyo tamaño es de 100 µm o más.  Los tamaños de las células del organismo son variables, así por ejemplo, los glóbulos rojos o hematíes miden 7 µm,

los hepatocitos  20 µm, los espermatozoides 53 µm y los óvulos 150 µm. En las células vegetales los granos de polen pueden llegar a medir de 200 a 300 µm  y algunos huevos de aves pueden alcanzar entre 1 (codorniz) y 7 centímetros (avestruz) de diámetro. No olvidemos que los huevos son también unicelulares. Entre las células del hombre hay excepciones, las células nerviosas pueden tener filamentos de hasta ¡1 m de longitud!

Las bacterias que pueden tener formas de esferas o bastones miden entre 1 a 2 µm.

  

El nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro, se introdujo en 1951 y reemplazó al milimicrón. Es utlizada comúnmente para medir la longitud de onda de la radiación ultravioleta, radiación infrarroja y la luz. En el campo de la biología los virus tienen tamaños variables entre 24nm como el virus de la fiebre aftosa hasta 300 nm como el virus de la viruela. Los ribosomas que son corpúsculos subcelulares miden 32 nm.

 

El Ärmstrong es una medida muy pequeña (o,ooooooooo1 m) que permite expresar las distancias que hay entre las distintas partes de una molécula compleja cuando se muestra su estructura tridimensional. El alcance del microscopio electrónico va de 0,1 Ä a 100 mm. Sabemos que 10Ä es 1 mm, por eso no es raro encontrar en un libro que los tamaños de algunos virus aparecen en Ä por ejemplo un virus cuya cápside (o cuerpo) mida 50 mm puede aparecer como que mide 500 Ä.

 

Una unidad de información genética  kilobase (kb) es igual a la información provista por 1000 pares de bases en la doble hélice del ADN. El tamaño de los genomas (moléculas de ácido nucleico) se expresa en número de pares de bases. Así el kilobase se usa también como unidad de distancia relativa igual al largo de una cadena de ADN conteniendo 1000 pares de bases.

  

Tiempo

 

La unidad de tiempo es el segundo que se abrevia s. Según la definición del Sistema Internacional de Unidades, un segundo es igual a 9.192.631.770 períodos de radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio (133Cs) a cero grados Kelvin. Es la sexagésima parte de un minuto.

 

Las  Unidades de tiempo más breves que el segundo son:

 

femtosegundo | picosegundo | nanosegundo | microsegundo | milisegundo |

 

segundo

 

Las unidades de tiempo mayores que un segundo son:

 

minuto | hora | día | semana | mes | año | lustro | década | siglo | milenio | cron | eón

 

En el trabajo experimental se utilizan con mayor frecuencia los segundos, minutos, las horas y a veces los días. Los segundos y minutos suelen medirse con un cronómetro.

 

 Masa

 

La Unidad de masa es el kilogramo (kg)

 

Un kilogramo se define como la masa que tiene un cilindro compuesto de una aleación de platino-iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sèvres, cerca de París. Al igual que para las medidas de longitud, nos interesan los submúltiplos del kilogramo cuyos nombres y relaciones con éste son similares a lo que ocurre con el metro.

 

Las más usadas en el laboratorio son el gramo (gr) 10-3 de Kg; el miligramo (mgr) 10-6  de Kg o 10-3 de gr ambas unidades se usan para expresar el peso de las sustancias que se usan en el laboratorio o los pesos de los animales (ratones) en experiementos realizados con seres vivos. 

El microgramo es la unidad de masa del SI que equivale la milmillonésima parte de un kilogramo y también equivale a la millonésima de un gramo. El microgramo se emplea en los análisis químicos cuantitativos para medir la pequeñisima cantidad de componentes que tiene una pequeña muestra. El aparato encargado de medir los microgramos es el espectrofotómetro. Se abrevia µg.

 

1 µg = 0,000 000 001 kg = 10-9 kg         1 µg = 0,000 001 g = 10-6 g

 

Picogramo

Es la unidad de masa del SI, equivalente a la billonésima parte de un gramo. Se representa con el símbolo pg:

 

1 pg = 0,000000000001 g = 10-12 g          1 pg = 10-9 mg = 10-15 Kg

 

Unidad de masa atómica

 

Unidad de masa utilizada fundamentalmente para expresar la masa de átomos y moléculas.

 

Una Unidad de masa atómica o uma, o Dalton nombrada en honor del químico John Dalton, es la más pequeña unidad de masa usada para expresar masas atómicas y masas moleculares . Equivale a una doceava parte de la masa del núcleo del isótopo más abundante del carbono: el 12C. Se corresponde aproximadamente con la masa de un protón (o un átomo de hidrógeno). Se abrevia como uma, aunque también puede encontrarse por su acrónimo inglés: amu (Atomic Mass Unit).

Las masas atómicas de los elementos químicos dadas en esta unidad suelen ser calculadas con la media ponderada de las masas de los distintos isótopos de cada elemento, lo que explica la aparente no correspondencia entre la masa atomica de un elemento y el número de nucleones que alberga su núcleo.

1 uma = 1.67 x10-27 kg  Û 1 g ~ 6 x 1023 uma

Por ejemplo, la masa atómica del Silicio es de 28,1 uma. Numéricamente es igual a la masa atómica expresada en g/mol (gramos por mol), es decir, igual a la masa de NA átomos o moléculas de una sustancia expresada en gramos.

 

En bioquímica, la unidad de masa atómica se denomina dalton (Da o D ).

que el nombre alternativo de la unidad de masa atómica. El dalton se usa en microbiología y bioquímica para

The dalton is often used in microbiology and bioquímica para referirse a las masas de las moléculas orgánicas grandes. estas mediciones se expresan en kilodalton (kDa) (mil dalton).

 

Cantidad de sustancia

 

Unidad: mol (mol)

 

El mol o molécula gramo es la unidad básica del Sistema Internacional de Unidades que mide la cantidad de sustancia (no es su masa ni su peso)  se representa con el símbolo mol.

 

Los moles miden el número de átomos o moléculas que existen en realidad en un objeto. El nombre alternativo molécula gramo se debe a que un mol de un compuesto químico es el mismo número en gramos que el peso molecular del compuesto medido en unidades de masa atómica. La unidad de masa atómica en gr se calcula dividiendo 1 por el número de Avogadro cuyo valor aceptado es 6.022 141 99 x 1023 . La definición oficial adoptada por el sistema SI en 1971 es que un mol de una sustancia contienen tantos cuerpos elementales (átomos, moléculas, iones, u otras clases de  partículas)  como átomos  hay en 12 grams de carbono-12 (12C  es la forma atómica más común del carbón. Son átomos que tienen 6 protones and 6 neutrones). El número real de entidades elementales presentes en un mol es el número de Avogadro ( repasar el capítulo 4).

En una definición menos formal, al igual que una docena de partículas son doce de estas partículas, un mol de partículas son 6,022 x 1023 (el número de Avogadro) de estas partículas.  El mol se usa como contador de unidades, como la docena (12) o el millar (1000). Se dice que 12 gramos de carbono, o un gramo de hidrógeno, o 56 gramos de hierro, contienen aproximadamente un mol de átomos.

 

Micromol (µmol)

 

Es una unidad de cantidad de sustancia igual a la millonésima parte de un mol( 10-6 de mol)    Esta unidad se usa corrientemente en bioquímica puesto que un mol de una sustancia orgánica es una cantidad muy grande.

 

Nanomol (nmol)

 

Es una unidad de cantidad de sustancia igual a 10-9 mol. de uso común en bioquímica.

 

 

* Este curso es una contribución de Química Viva educativa  (e-Lab) a la propagación del conocimiento científico entre los estudiantes de la escuela secundaria. Departamento de Química Biológica. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires.

 

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ISSN 1666-7948
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Revista QuímicaViva
Revista Electrónica del Depto. de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Argentina. 
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