Déterminer la densité d'un solide et d'un liquide

Source : Laboratoire du Dr Michael Evans, Georgia Institute of Technology

Le rapport de la masse d’une substance à son volume est connu comme la masse volumique ou, simplement, la densité de la matière. La densité est exprimée en unités de masse par volume, par exemple g/mL ou kg/m³. Parce que la densité d’une substance ne dépend pas de la quantité de substance présente, la densité est une « propriété intensive ».

Pour mesurer la densité d’un échantillon de matière, la masse et le volume de l’échantillon doivent être déterminées. Pour les solides et liquides, un équilibre peut être utilisé pour mesurer la masse ; Cependant, les méthodes permettant de déterminer le volume sont différents pour les solides et liquides. Comme les liquides peuvent circuler et prendre la forme de leurs contenants, verrerie tel qu’un cylindre gradué ou fiole jaugée peut être utilisé pour mesurer le volume d’un liquide. Le volume d’un solide de forme irrégulière peut être mesuré par immersion dans un liquide, la différence de volume causée par l’ajout du solide est égale au volume du solide.

Cette démonstration illustre les méthodes pour mesurer la densité des solides et des liquides. À l’aide d’une fiole jaugée et une balance analytique, la densité de l’éthanol peut être déterminée. Utilisant un cylindre gradué, balance d’analyse et d’eau comme le liquide déplacé, la masse volumique du zinc métallique peut être déterminée.

Par définition, toute matière masse et occupe le volume. La densité d’une substance est le rapport entre sa masse et son volume. À température et pression constantes, la densité d’une substance est constante.

La densité est une propriété intensive d’une substance qui ne dépend de la quantité de substance présente. Ainsi, la densité peut être utilisée pour identifier une substance pure inconnue si une liste des densités de référence est disponible, et l’expérimentateur peut choisir une commode quantité de matière à travailler avec lors de la mesure de densité.

Pour mesurer la densité d’un échantillon d’une substance, il est nécessaire de mesurer sa masse et volume. Masse est généralement mesurée à l’aide d’une balance de précision, un instrument précis qui s’appuie sur la force exercée par l’échantillon en raison de la gravité. Le récipient pour contenir l’échantillon (également utilisé pour mesurer le volume) est pesé et taré, alors que l’échantillon masse apparaît sur l’écran d’équilibre lorsque l’échantillon est ajouté au conteneur.

Pour les liquides, ce conteneur est typiquement une fiole jaugée, qui a une marque qui correspond à un volume spécifique. Le réservoir est rempli jusqu'à la ligne de l’échantillon liquide et pesé de nouveau après que la fiole vide a été tarée. La densité mesurée est le rapport entre la masse mesurée au volume indiqué sur le flacon.

Des matières plus solides sont de forme irrégulière, qui complique la détermination du volume. Il est inexact, par exemple, pour déterminer le volume de poudre par la mesure de ses dimensions. Au lieu de mesurer directement les dimensions ou à l’aide de verres comme un ballon jaugé, il est nécessaire de faire usage d’une méthode de déplacement liquide pour mesurer le volume d’un solide de forme irrégulière. Une éprouvette graduée contenant un volume connu de liquide (dans lequel le solide est insoluble) est tarée. Le solide est ajouté à la bouteille, et la masse totale est pesée à nouveau pour déterminer la masse du solide. L’addition du solide provoque un déplacement vers le haut du liquide, ce qui entraîne une nouvelle lecture de volume. Le volume du solide est égal à la variation en volume en raison du déplacement de liquide (par exemple, la différence de volume de liquides avant et après l’ajout de solide).

En ce qui concerne les liquides, la densité mesurée d’un échantillon solide est le rapport entre la masse mesurée pour le volume mesuré.

1. détermination de la densité de l’éthanol liquide

1. Placez une fiole jaugée de 50 mL propre et sèche sur une balance analytique.
2. Appuyez sur la « Tare » ou « Zéro » sur la balance. L’équilibre doit se lire 0,000 g.
3. Utilisez un entonnoir buret pour ajouter 45 mL d’éthanol liquide dans la fiole jaugée.
4. Utiliser une pipette Pasteur d’ajouter les derniers 5 mL de liquide, jusqu'à ce que la partie inférieure du ménisque du liquide touche le marquage sur le ballon.
5. Peser la fiole jaugée à nouveau et notez la masse de l’éthanol.
6. Pour de meilleurs résultats, répétez les étapes deux fois plus de 1,1 à 1,5 pour obtenir deux mesures de densité supplémentaire.

2. détermination de la densité du solide de zinc

1. Ajouter environ 40 mL d’eau à une éprouvette graduée de 100 mL propre et sec. Noter le volume exact de l’eau.
2. Placez la bouteille et l’eau sur une balance analytique. Appuyez sur la « Tare » ou « Zéro » sur la balance. L’équilibre doit se lire 0,000 g.
3. Ajouter environ 10 pastilles de zinc à l’éprouvette graduée. Enregistrer le nouveau volume des pastilles eau plus de zinc à l’aide du niveau de liquide après l’addition du zinc (Figure 1).
   
   Figure 1. Zinc ajouté à la bouteille sur la droite provoque le niveau d’eau de se déplacer vers le haut.
4. Peser le cylindre, l’eau et les pastilles de zinc sur la balance. Noter la masse de zinc pastilles.
5. Pour de meilleurs résultats, répétez les étapes deux fois plus de 2,1 à 2,4 pour obtenir deux mesures de densité supplémentaire.

Le tableau 1 répertorie les résultats pour la détermination de la densité de l’éthanol en utilisant un ballon jaugé de 50 mL. Les densités ont été calculées en divisant la masse mesurée par 50,0 mL. La densité moyenne mesurée était de 0,789 ± 0,001 g/mL. Tableau 2 résultats de listes pour la détermination de la densité d’un échantillon de zinc métal à l’aide d’un 100 mL gradué cylindre et la méthode du liquide. Notez que les densités mesurées sont constantes (intérieur des erreurs expérimentales) pour les deux substances. Tableau 2, en particulier, montre que la densité est indépendante de la quantité de la substance étudiée.

Table 1. Résultats pour la détermination de la densité de l’éthanol en utilisant un ballon jaugé de 50 mL.

Le tableau 2. Résultats pour la détermination de la densité d’un échantillon de zinc métal à l’aide d’un 100 mL gradué cylindre et la méthode de déplacement liquide.

La densité est une propriété intensive caractéristique d’une substance. Ainsi, des mesures de densité peuvent servir à identifier une substance pure inconnue s’il existe une liste des densités de référence possible. Par exemple, la densité peut servir à distinguer les métaux semblables dans l’aspect extérieur (Figure 2).

Dans des contextes où la masse très basse ou très élevée est souhaitable, la densité est une propriété matérielle critique. Ingénieurs de matériaux d’examiner attentivement la masse volumique des matériaux pour la construction dans ces contextes. Par exemple, les corps de certains ordinateurs portables légers sont faits d’aluminium, un des métaux moins denses. Raquettes de tennis légères contiennent titane, un autre métal de faible densité.

Figure 2 : Masses équivalentes d’aluminium (Al) et zinc (Zn) Metal. Le zinc métal occupe un volume beaucoup plus petit en raison de sa densité plus élevée.