fisicoquimica practica 1

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA CURSO: LABORATORIO DEFISICOQUIMICA I TEMA: DENSIDAD PROFESOR: Ing. Díaz Gutiérrez Albertina GRUPO: 91 G INTEGRANTES: Mallqui Rios Odalis 1226120405 Llerena Arroyo Jorge 1026120017 Sesión N° 1 FECHA: 27/08/15

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practica de laboratorio fisicoquimica 1

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Page 1: fisicoquimica practica 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

CURSO: LABORATORIO DEFISICOQUIMICA I

TEMA: DENSIDAD

PROFESOR: Ing. Díaz Gutiérrez Albertina

GRUPO: 91 G

INTEGRANTES:

Mallqui Rios Odalis 1226120405

Llerena Arroyo Jorge 1026120017

Sesión N° 1 FECHA: 27/08/15

SEMESTRE: 2015 – B

CALLAO – PERÚ

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

CONTENIDO

I. INTRODUCCION.....................................................................................................................................2

II. OBJETIVOS..............................................................................................................................................3

III. FUNDAMENTOS TEORICOS................................................................................................................4

ANTECEDENTES.............................................................................................................................................4

DEFINICION......................................................................................................................................................5

IV. METODOLOGIA.......................................................................................................................................9

REQUERIMIENTOS.......................................................................................................................................12

CALCULOS......................................................................................................................................................12

RECOLECCION DE DATOS.........................................................................................................................13

V. RESULTADOS.......................................................................................................................................14

VI. CONCLUSIONES...................................................................................................................................17

VII. RECOMENDACIONES.........................................................................................................................18

VIII. ANEXOS..................................................................................................................................................19

IX. BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................................22

Ing. Díaz Gutierrez Albertina1

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

INTRODUCCION

La historia tiene como antecedente de la densidad el cuestionamiento de Arquímedes, fundamento para el Principio de Arquímedes.

El universo esta constituido por materia cuyas propiedades principales son la masa y el volumen que ocupan; la relación de dichas propiedades es a la que comúnmente denominamos densidad, es la masa de un cuerpo por unidad de volumen, para medir la densidad de un líquido aplicaremos a nuestra experiencia el MÉTODO DEL PICNOMETRO; el picnómetro es muy sensible a los cambios de concentración de sales en el agua, por lo que se usa para determinar la salinidad del agua, la densidad de líquidos biológicos en laboratorios de análisis clínicos, entre otras aplicaciones.

El análisis experimental permitió determinarvalores de las masas a través de diferentes temperaturasde la muestra problema a analizar en este caso cloroformo.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina2

Page 4: fisicoquimica practica 1

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

OBJETIVOS

Objetivo General

Determinar la densidad de una sustancia liquida por el método del picnómetro.

Objetivo Especifico

Evaluar la variación de la densidad frente a la temperatura y diseñar la ecuación empírica.

Evaluar la variación de comportamiento de la densidad de sustancias polares y no polares frente a la temperatura.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina3

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

FUNDAMENTOS TEORICOS

ANTECEDENTES

Según una conocida anécdota, Arquímedes recibió el encargo de determinar si el orfebre

de Hierón II de Siracusa desfalcaba el orodurante la fabricación de una corona dedicada a los

dioses, sustituyéndolo por otro metal más barato (proceso conocido

como aleación).1Arquímedes sabía que la corona, de forma irregular, podría ser aplastada o

fundida en un cubo cuyo volumen se puede calcular fácilmente comparado con la masa. Pero

el rey no estaba de acuerdo con estos métodos, pues habrían supuesto la destrucción de la

corona.

Arquímedes se dio un relajante baño de inmersión, y observando la subida del agua caliente

cuando él entraba en ella, descubrió que podía calcular el volumen de la corona de oro

mediante el desplazamiento del agua. Hallado el volumen, se podía multiplicar por la

densidad del oro hallando el peso que debiera tener si fuera de oro puro (la densidad del oro

es muy alta, 19 300 kg/m³, y cualquier otro metal, aleado con él, la tiene menor), luego si el

peso no fuera el que correspondiera a si fuera de oro, la corona tendría aleación de otro

metal.

Supuestamente, al hacer este descubrimiento salió corriendo desnudo por las calles gritando:

"¡Eureka! ¡Eureka!" (Εύρηκα! en griego, que significa: "Lo encontré"). Como resultado, el

término "Eureka" entró en el lenguaje común, y se utiliza hoy para indicar un momento de

iluminación.

Otra versión de la historia dice que Arquímedes notó que experimentaba un empuje hacia

arriba al estar sumergido en el agua, y pensó que, pesando la corona, sumergida en agua, y

en el otro platillo de la balanza poniendo el mismo peso en oro, también sumergido, la

balanza estaría equilibrada si la corona era, efectivamente, de oro. Ciertamente, el empuje

hacia arriba del agua sería igual si en los dos platillos había objetos del mismo volumen y el

mismo peso. Con ello, la dificultad de conocer con exactitud el volumen del sólido de forma

irregular, en la época, se dejaba de lado. De esta otra versión nació la idea del Principio de

Arquímedes.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina4

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

DEFINICION

La densidad se puede definir en base a:a) Sistemas absolutosb) Sistemas gravitacionales

Densidad (ρ) es la relación de la masa con el volumen del cuerpo:

Peso específico (Pe) es la relación del peso del cuerpo con su volumen:

Otras magnitudes relacionadas con el concepto de densidad son las siguientes:

Densidad absoluta: A una temperatura determinada es la relación:

Densidad relativa: Relación de la densidad absoluta de la sustancia problema con respecto a la densidad absoluta de una sustancia patrón dando como resultado una cantidad adimensional, lo cual nos da la diferencia entre la densidad absoluta y la densidad relativa:

Para lograr la determinación de la densidad relativa se requiere que el volumen sea el mismo para las dos sustancias y que la determinación se realice a una temperatura dada.

Peso específico relativo: Es la relación del peso específico absoluto de una sustancia problema con respecto al peso específico absoluto de una sustancia patrón, en las mismas condiciones de temperatura y utilizando el mismo volumen; lo cual nos conduce nuevamente a una magnitud adimensional:

Ing. Díaz Gutierrez Albertina5

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

Donde g es la aceleración debida a la gravedad.

Masa específica: es la masa de la unidad de volumen, cuya definición equivale a la definición de Densidad absoluta:

MÉTODOS PARA DETERMINACIÓN DE DENSIDAD EN LÍQUIDOS

A). Método del picnómetro

Picnómetro

 Aparato que se utiliza para determinar las densidades de distintas sustancias. También se conoce como frasco de densidades. Consiste en un pequeño frasco de vidrio de cuello estrecho, cerrado con un tapón esmerilado, hueco y que termina por su parte superior enun tubo capilar con graduaciones. Para llenar el picnómetro se quita el tapón esmerilado, que está hueco o perforado, se añade la muestra con una probeta pequeña y se tapa. El líquido subirá por el interior del tapón hasta el capilar. Puede ocurrir que incluso rebose, en cuyo caso se secaría cuidadosamente por fuera procurando que el líquido llene totalmente el tapón o que el exceso se pueda medir con el capilar. Así se determina el volumen de líquido contenido en el recipiente. Algunos picnómetros, menos precisos, no tienen tapón, sino un cuello largo aforadoen este caso, el picnómetro se llenaría hasta el enrase marcado en el cuelloy de esta forma se conocería el volumen del líquido.

 

Ing. Díaz Gutierrez Albertina6

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

Ing. Díaz Gutierrez Albertina7

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

METODOLOGIA

4.1 DETERMINAR EL VOLUMEN DEL PICNOMETRO.

1. El picnómetro que utilizaremos debe ser lavado (para evitar impurezas) y posteriormente secado por la estufa electrónica ya que es necesario tener el material limpio y seco.

2. Luego se procede a pesar el picnómetro (vacío) en la balanza electrónica, la masa obtenida será M0(masa del picnómetro).

Ing. Díaz Gutierrez Albertina8

M0 = Masa del picnómetro

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

3. Al final de todo el proceso experimental se procede a añadir al picnómetro agua destilada para su posterior pesado, la masa será denominada M1 (masa del picnómetro + H2O (destilada)).

4. Posteriormente se procede a determinar el volumen del picnómetro al cual denominaremos (Vpicnómetro)relacionando los resultados anteriores y la densidad del H2O (destilada) (T= 20.5ºC).

Masa del picnómetro + H2O (destilada)- Masa del picnómetro = M1 - M0= 50.1276g-24.2654g= 25.8622g

Densidad del agua a 20.5°C: D = 0.99818g/cm3

Volumen del agua: V = Wh/D = 25.90935cm3= Volumen del picnómetro.

4.2 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA.

La densidad del Cloroformo se determinó para cada variante de la temperatura (8, 12, 16, 20, 24 y 28 °C) de la siguiente manera:

1. El hielo es añadido a un vaso precipitado para disminuir la temperatura del líquido a 8ºC y así sucesivamente.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina9

M1 = Masa del picnómetro + H2O (destilada) (T= 20.5ºC)

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

2. Luego se procede inmediatamente a pesar la materia en análisis.

DENSIDAD DEL CLOROFORMO (TnºC)= M picnómetro / V picnómetro =Wcloroformo - Wpicnómetro +cloroformo c/u TºC – Wvacío (g)

Observación:

La tara (limite) en el picnómetro es indispensable determinarla ya que será nuestra referencia en volumen de cloroformo; además si al bajar la temperatura el líquido no se encuentra en la tara es necesario agregar más cantidad de líquido.

4.3 EVALUAR EL COMPORTAMIENTO DE LA DENSIDAD EN SUSTANCIAS POLARES Y NO POLARES.

Repetir el procedimiento anterior con un solvente polar.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina10

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

REQUERIMIENTOS

Picnómetro

Balanza electrónica

Estufa electrónica

2 Vasos precipitados

Pipeta

Pizeta

Pinza

CALCULOS

Muestra apolar: Cloroformo

Peso del picnómetro vacío: Wv = 24.2654g

Pesos de la muestra a diferentes temperaturas:

Temperatura (°C)

Peso con picnómetro Wp

(g)Peso neto Wn = Wp – Wv

(g)Densidad (g/cm3)

8 52.9244 28.659 1.1061257812 52.7947 28.5293 1.1011198716 52.6593 28.3939 1.0958939520 52.545 28.2796 1.0914824224 52.416 28.1506 1.0865035228 52.2933 28.0279 1.08176778

Peso del picnómetro con agua: 50.1276g a 20.5°C

Peso neto del agua a 20.5°C: Wh = 25.8622g Densidad del agua a 20.5°C: D = 0.99818g/cm3

Volumen del agua: V = Wh/D = 25.90935cm3 = Volumen del picnómetro.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina11

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

Muestra polar: Acetato de metilo

Peso del picnómetro vacio: Wv = 25.798g

Pesos de la muestra a diferentes temperaturas:

Temperatura °CPeso con picnómetro

Wp (g)Peso neto Wn = Wp – Wv

(g)Densidad (g/cm3)

8 35.4689 9.6709 1.0082634512 35.4389 9.6409 1.0051357216 35.4355 9.6375 1.0047812520 35.3676 9.5696 0.9977021724 35.3799 9.5819 0.9989845328 35.3549 9.5569 0.9963781

Peso del picnómetro con agua: 35.3295g a 36°C

Peso neto del agua a 36°C: Wh = 9.5315g Densidad del agua a 36°C: D = 0.99373g/cm3

Volumen del agua: V = Wh/D = 9.5916cm3 = Volumen del picnómetro.

RECOLECCION DE DATOS

Ing. Díaz Gutierrez Albertina12

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

RESULTADOS

Muestra apolar: Cloroformo

Los resultados de la variación de densidad con respecto a temperatura están de acuerdo a los conocimientos teóricos, el gráfico nos muestra una curva muy similar a una recta decreciente que indica que la densidad disminuye a medida que la temperatura aumenta. Esto también se comprueba por el coeficiente negativo de la ecuación de regresión lineal, el cual es -0.0003323.

Sin embargo los valores obtenidos de la densidad del cloroformo no están de acuerdo al valor teórico. Esta experiencia muestra valores entre 1.08 a 1.10 g/cm3 para un intervalo de temperaturas entre 8 y 28°C. El valor de la densidad del cloroformo a 25°C es 1.49 g/cm3. Esta notoria diferencia podría explicarse posiblemente como consecuencia de que la solución de cloroformo usada estaba a una concentración baja por lo que estos valores están cerca a la densidad del agua (0.99 g/cm3).

8 12 16 20 24 281.065

1.07

1.075

1.08

1.085

1.09

1.095

1.1

1.105

1.11

Temperatura °C

Den

sid

ad g

/cm

3

Para hallar la relación matemática entre densidad y temperatura hacemos uso de la regresión lineal:

y=ax+b; donde “y” es la densidad (g/cm3) y “x” es la temperatura (°C).

Ing. Díaz Gutierrez Albertina13

Page 15: fisicoquimica practica 1

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

Usando las formulas:

Donde “n” es el número de datos. En este caso n = 6

Obtenemos: a = -0.0003323 b = 1.0998095

Por lo tanto la ecuación queda:

Donde: “y” en g/cm3 y “x” en °C

Muestra polar: Acetato de metilo

De manera similar al caso anterior, los resultados de la variación de densidad con respecto a temperatura están de acuerdo a los conocimientos teóricos, el gráfico nos muestra una figura decreciente que indica que la densidad disminuye a medida que la temperatura aumenta. Esto también se comprueba por el coeficiente negativo de la ecuación de regresión lineal, el cual es -0.0001663. La curva en para esta muestra no es una recta exacta, posiblemente debido a errores de medición.

En este caso los valores obtenidos de la densidad del acetato de metilo están más de acuerdo al valor teórico. Esta experiencia muestra valores entre 0.99 a 1.00 g/cm3 para un intervalo de temperaturas entre 8 y 28°C. El valor de la densidad del acetato de metilo a 20°C es 0.93 g/cm3. La ligera diferencia también podría explicarse por diferencias de concentración o errores de medición.

En ambos casos la variación de densidad con respecto a temperatura es muy pequeña y casi imperceptible, pues ambos valores de los coeficientes de las ecuaciones de regresión lineal son del orden de 10-4.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina14

y = -0.0003323x + 1. 0998095

Page 16: fisicoquimica practica 1

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

8 12 16 20 24 280.99

0.992

0.994

0.996

0.998

1

1.002

1.004

1.006

1.008

1.01

Temperatura °C

Dens

idad

g/m

l

Igual que con el cloroformo, para hallar la relación matemática entre densidad y temperatura hacemos uso de la regresión lineal:

y=ax+b , donde “y” es la densidad (g/cm3) y “x” es la temperatura (°C)

Obtenemos: a = -0.0001663 b = 1.0048688

Por lo tanto la ecuación queda:

Donde: “y” en g/cm3 y “x” en °C

Ing. Díaz Gutierrez Albertina15

y = -0.0001663x + 1.0048688

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

CONCLUSIONES

La densidad de líquidos (apolar: cloroformo y polar: acetato de metilo) Se pudo determinar por el método del picnómetro, para lo cual nos fue necesario los valores de las masas y la densidad.

La dependencia lineal que existe entre la densidad y la temperatura en nuestra prueba, ha sido establecida.

Existe una diferencia en la medida como varía la densidad entre sustancias polares y apolares, con la muestra polar se obtiene una pendiente menor (-0.0001663) que con la muestra apolar (-0.0003323) lo que nos indica que las sustancias apolares disminuyen su densidad más rápidamente que las polares cuando aumenta la temperatura.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina16

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

RECOMENDACIONES

Lavar bien los materiales y tener una mesa de trabajo limpia y ordenada para evitar accidentes y ruptura de materiales.

Es importante en esta práctica saber utilizar los instrumentos para la experiencia pues se podría malograr o al realizar un mal uso interferir en el resultado que esperamos

Verificar los instrumentos a utilizar antes de cualquier experiencia

Para poder realizar los cálculos adecuados es recomendable realizar la experiencia más de una vez así nos garantiza un porcentaje mínimo de error.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina17

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

ANEXOS

PROBLEMAS

1. Una vasija contiene 8.450 g de agua a 0°C y el resto de la misma se llena con parafina. Cuando el agua se congela a 0°C, se expulsan 0.620g de parafina. La densidad de la parafina a 20°C es 0.800 g/cm3 y su coeficiente de dilatación 9.0x10-4K-1. Calcúlese la densidad del hielo. Considérese la densidad del agua igual a 1g/cm3.

SOLUCIÓN:

Integramos la ecuación diferencial del coeficiente de dilatación lineal de la parafina:

(1 /V )(∂V/ ∂T)ρ = β → ln V = βT + f(p)

→ V (T ) = f( p)·eβT

A partir de la expresión de la densidad:ρ =m/V= m/ f( p)·eβT

Pensemos que al ser un proceso isobárico entonces f (p) ≡ cte, y que la masa de la parafina es también constante, por tanto la expresión de la densidad de la parafina es:ρ (T) = ke− β T .

Conociendo a 20 °C = 293 K la densidad de la parafina, averiguamos el valor de la constante k:

ρ(293) = ke−9.10^(-4.293) = 0.8 → k = 1.041 kg/L.

La densidad de la parafina a 273 K es: ρ (273) = 1.041e−9·10^ (−4 · 273) = 0.814 g/cm3. El volumen de parafina desalojado es: V = 0.620/0.814 = 0.763 cm3. La vasija a 0 °C tenía inicialmente agua líquida y parafina, pero a 0 °C el agua se congela y cambia su densidad cambiando por tanto su volumen, el volumen de parafina expulsado de la vasija es equivalente a la ganancia de volumen del agua al convertirse en hielo. Por tanto el volumen del hielo será:

V H 2O (s) = V H 2O (l)+ V = 8.450 + 0.763 = 9.212 cm3.

Teniendo en cuenta que toda la masa de agua líquida se convierte en hielo, la densidad del hielo es por tanto:

ρH 2O(s )= MH 2O/V H 2O (s) = 8.450/9.212 = 0.917 g/cm3

Ing. Díaz Gutierrez Albertina18

Page 20: fisicoquimica practica 1

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

2. Encuentre el orden de la magnitud de la densidad del núcleo de un átomo. Suponga que neutrones y protones se encuentran apretados unos con otros y poseen la misma masa de 1.67x10-27 kg y un radio de aproximadamente 10-15m.

SOLUCIÓN:

R = 10-15m Si el núcleo se considera como una esfera:

V = πR3(4/3) = 4.188x10-45m3

ρ = n (m/V) = n (1.67x10-27 kg/4.188x10-45m3) ρ = n 0.3986x1018kg/m3

Donde “n” es la cantidad de protones y neutrones en el núcleo.

3. Un frasco de 200 mL está lleno a 4°C.Cuando el frasco se calienta a 80°C se derraman 6 gramos de agua. ¿Cuál es la densidad del agua a 80°C? (suponer que la dilatación del frasco es despreciable).

SOLUCIÓN:

Densidad del agua a 80°C: ρ’ = m’/V, donde V = 200mL es el volumen del frasco y m’ es la masa que queda en el frasco luego de derramarse 6g.

Primero hallamos la masa original de agua a 4°C. Usamos ρ = 1g/cm3

Masa: m = 200g

Con esta masa inicial calculamos la masa luego del derrame: m’ = 200 – 6 = 194g

La densidad a 80°C: ρ’ = m’/V = 194g/200mL = 0.97g/cm3.

4. Dos fluidos se mezclan en forma inhomogénea quedando burbujas en la suspensión. La mezcla con las burbujas ocupa un volumen total de 1.2 lit. Si las densidades y masas de cada fluido songr/cm3, m1 = 600 gr, 0.8 gr/cm3

y m2 = 400 gr, considerando despreciable la masa del aire en las burbujas, calcule:a. El volumen total de las burbujasb. La densidad de la mezcla

SOLUCIÓN:

a) El volumen de la mezcla está dado por la suma de los volúmenes individuales de los fluidos 1, 2 y de las burbujas, B.

Ing. Díaz Gutierrez Albertina19

Page 21: fisicoquimica practica 1

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

V 1+V 2+V B=VM Despejando VB, obtenemos V B=V M−V 1−V 2(¿)

VM = 1200 cm3, el volumen de la mezcla es dato; y los volúmenes de los fluidos 1 y 2 se obtienen de los datos del problema de la siguiente forma:

V1 =m1gr/1cm3 = 600 cm3; V2 = m2/400gr/0.8gr/cm3= 500 cm3

Sustituyendo los valores anteriores en (*), obtenemos:

V B=1200cm3−600cm3−500 cm3=100cm3

b) La densidad de la mezcla está dada por la masa de la mezcla entre el volumen de la misma.

ρM=mMVM

=m1+m2+mB

V M

=600 gr+400gr+01200 cm3 =0.83gr /cm3

5. Se mezclan homogéneamente tres fluidos, cuyas fracciones de volumen y densidades son X1= 0.435, 1 = 1.2 gr/cm3; X2 = 0.46, 2= 0.85 gr/cm3 y X3 = 0.105, 3= 1 gr/cm3, respectivamente. Si el volumen de la mezcla es VM = 766.27 cm3, calcular la densidad de la mezcla.

SOLUCIÓN:

La densidad de la mezcla está dada por:

ρM=mMVM

=m1+m2+m3

V M

Sustituyendo m =V, se obtieneρM=V 1ρ1

V M

+V 2ρ2

V M

+V 3 ρ3

VM=X1 ρ1+X2 ρ2+X3 ρ3

ρM=0.435¿

Ing. Díaz Gutierrez Albertina20

Page 22: fisicoquimica practica 1

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

BIBLIOGRAFÍA

FISICOQUIMICA- CASTELLAN G.WEDITORIAL FONDO EDUCATIVO LATINOAMERICANO11. VA EDICION MEXICO D.F

FISICOQUIMICA LEVIVINE IRA.NEDITORIAL MC.GRAW HILL 2 REIMPRESION MEXICO D.F

Ing. Díaz Gutierrez Albertina21