Determinando a densidade de um sólido e um líquido

Fonte: Laboratório do Dr. Michael Evans — Instituto de Tecnologia da Geórgia

A razão da massa de uma substância para seu volume é conhecida como a densidade de massa ou, simplesmente, a densidade da substância. A densidade é expressa em unidades de massa por volume, tais como g/mL ou kg/m³. Como a densidade de uma substância não depende da quantidade de substância presente, a densidade é uma "propriedade intensiva".

Para medir a densidade de uma amostra de material, tanto a massa quanto o volume da amostra devem ser determinados. Tanto para sólidos quanto líquidos, um equilíbrio pode ser usado para medir a massa; no entanto, os métodos para determinar o volume são diferentes para sólidos e líquidos. Como os líquidos podem fluir e tomar as formas de seus recipientes, vidros como um cilindro graduado ou frasco volumoso podem ser usados para medir o volume de um líquido. O volume de um sólido de forma irregular pode ser medido por submersão em um líquido — a diferença de volume causada pela adição do sólido é igual ao volume do sólido.

Esta demonstração ilustra os métodos para medir a densidade de sólidos e líquidos. Utilizando um frasco volumoso e um equilíbrio analítico, a densidade do etanol pode ser determinada. Utilizando um cilindro graduado, equilíbrio analítico e água como líquido deslocado, a densidade do metal de zinco pode ser determinada.

Por definição, toda matéria tem massa e ocupa volume. A densidade de uma substância é a razão de sua massa com seu volume. A temperatura e pressão constantes, a densidade de uma substância é constante.

A densidade é uma propriedade intensiva de uma substância que não depende da quantidade de substância presente. Assim, a densidade pode ser usada para identificar uma substância pura desconhecida se uma lista de densidades de referência estiver disponível, e o experimentador pode escolher uma quantidade conveniente de substância para trabalhar ao medir a densidade.

Para medir a densidade de uma amostra de uma substância, é necessário medir sua massa e volume. A massa é tipicamente medida usando um equilíbrio analítico, um instrumento preciso que se baseia na força exercida pela amostra devido à gravidade. O recipiente para conter a amostra (também usado para medir o volume) é pesado e pichado, de modo que apenas a massa amostral aparece no mostrador de equilíbrio quando a amostra é adicionada ao recipiente.

Para líquidos, este recipiente é tipicamente um frasco volumoso, que tem uma marca que corresponde a um volume específico. O recipiente é preenchido para a linha com a amostra líquida e pesado novamente depois que o frasco vazio foi pichado. A densidade medida é a razão da massa medida com o volume indicado no frasco.

A maioria das substâncias sólidas são de forma irregular, o que complica a determinação do volume. É impreciso, por exemplo, determinar o volume de um pó medindo suas dimensões. Em vez de medir diretamente as dimensões ou usar vidros como um frasco volumoso, é necessário fazer uso de um método de deslocamento líquido para medir o volume de um sólido de forma irregular. Um cilindro graduado contendo um volume conhecido de líquido (no qual o sólido é insolúvel) é pichado. O sólido é adicionado ao cilindro, e a massa total é pesada novamente para determinar a massa do sólido. A adição do sólido causa um deslocamento ascendente do líquido, resultando em uma nova leitura de volume. O volume do sólido é igual à variação do volume devido ao deslocamento líquido (ou seja,a diferença no volume líquido antes e depois de adicionar sólido).

Quanto aos líquidos, a densidade medida de uma amostra sólida é a razão da massa medida com o volume medido.

1. Determinação da Densidade do Etanol Líquido

1. Coloque um frasco volumoso de 50 mL limpo e seco em um equilíbrio analítico.
2. Pressione o botão "Tare" ou "Zero" no balance. O saldo deve ser de 0,000 g.
3. Use um funil de arroto para adicionar 45 mL de etanol líquido ao frasco volumoso.
4. Use uma pipeta Pasteur para adicionar os 5 mL finais de líquido, apenas até que a parte inferior do menisco do líquido toque a marcação no frasco.
5. Pesar o frasco volumoso novamente e registrar a massa do etanol.
6. Para obter melhores resultados, repita as etapas 1.1 – 1,5 mais duas vezes para obter duas medidas adicionais de densidade.

2. Determinação da Densidade do Metal de Zinco Sólido

1. Adicione aproximadamente 40 mL de água a um cilindro graduado de 100 mL limpo e seco. Regisso volume exato da água.
2. Coloque o cilindro e a água em um equilíbrio analítico. Pressione o botão "Tare" ou "Zero" no balance. O saldo deve ser de 0,000 g.
3. Adicione aproximadamente 10 pelotas de zinco ao cilindro graduado. Registo o novo volume da água mais pelotas de zinco utilizando o nível líquido após a adição do zinco (Figura 1).
   
   Figura 1. O zinco adicionado ao cilindro à direita faz com que o nível da água seja deslocado para cima.
4. Pesar o cilindro, a água e as pelotas de zinco na balança. Grave a massa das pelotas de zinco.
5. Para obter melhores resultados, repita as etapas 2.1 – 2,4 mais duas vezes para obter duas medidas adicionais de densidade.

A Tabela 1 lista os resultados para a determinação da densidade do etanol utilizando um frasco volumoso de 50 mL. As densidades foram calculadas dividindo a massa medida em 50,0 mL. A densidade média medida foi de 0,789 ± 0,001 g/mL. A Tabela 2 lista os resultados para a determinação da densidade de uma amostra de metal de zinco utilizando um cilindro graduado de 100 mL e o método de deslocamento líquido. Observe que as densidades medidas são constantes (dentro de erro experimental) para ambas as substâncias. A Tabela 2,em particular, demonstra que a densidade é independente da quantidade de substância estudada.

Mesa 1. Resultados para a determinação da densidade do etanol utilizando um frasco volumoso de 50 mL.

Mesa 2. Resultados para a determinação da densidade de uma amostra de metal de zinco utilizando um cilindro graduado de 100 mL e o método de deslocamento líquido.

A densidade é uma propriedade intensiva característica de uma substância. Assim, medidas de densidade podem ser usadas para identificar uma substância pura desconhecida se uma lista de possíveis densidades de referência estiver disponível. Por exemplo, a densidade pode ser usada para distinguir entre metais semelhantes na aparência externa(Figura 2).

Em contextos onde a massa muito baixa ou muito alta é desejável, a densidade é uma propriedade material crítica. Os engenheiros de materiais consideram cuidadosamente a densidade de materiais para construção nesses contextos. Por exemplo, os corpos de alguns computadores portáteis leves são feitos de alumínio, um dos metais menos densos. Raquetes de tênis leves contêm titânio, outro metal de baixa densidade.

Figura 2: Massas equivalentes de alumínio (Al) e zinco (Zn). O metal de zinco ocupa um volume muito menor devido à sua maior densidade.