Determinación de la densidad de un sólido y líquido

Determining the Density of a Solid and Liquid

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Determining the Density of a Solid and Liquid

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June 15, 2015

Overview

Fuente: Laboratorio del Dr. Michael Evans, Georgia Institute of Technology

La relación entre la masa de una sustancia a su volumen se conoce como la densidad de masa o, simplemente, la densidad de la sustancia. Densidad se expresa en unidades de masa por volumen, tales como g/mL o kg/m³. Porque la densidad de una sustancia depende de la cantidad de sustancia presente, la densidad es una propiedad de”intensivo”.

Para medir la densidad de una muestra de material, se determinará la masa y el volumen de la muestra. Para sólidos y líquidos, puede utilizarse una balanza para medir masa; sin embargo, métodos de determinación de volumen son diferentes para sólidos y líquidos. Líquidos pueden fluir y tomar las formas de sus envases, cristalería como un cilindro graduado o un matraz aforado puede utilizarse para medir el volumen de un líquido. El volumen de un sólido de forma irregular puede ser medido por inmersión en un líquido, la diferencia de volumen causada por la adición del sólido es igual al volumen del sólido.

Esta demostración ilustra los métodos de medición de la densidad de sólidos y líquidos. Utilizando un matraz volumétrico y una balanza analítica, se puede determinar la densidad del etanol. Utilizando una probeta graduada, balanza analítica y el agua como el líquido desplazado, se puede determinar la densidad del metal zinc.

Principles

Por definición, toda la materia tiene masa y ocupa volumen. La densidad de una sustancia es el cociente de su masa a su volumen. A temperatura constante y a presión, la densidad de una sustancia es constante.

La densidad es una propiedad intensiva de una sustancia que no depende de la cantidad de sustancia presente. Por lo tanto, la densidad puede utilizarse para identificar una sustancia pura desconocida si hay disponible una lista de las densidades de referencia, y el experimentador puede elegir una cantidad conveniente de sustancia para trabajar con la medición de densidad.

Para medir la densidad de una muestra de una sustancia, es necesario medir su masa y volumen. Masa se mide típicamente usando una balanza analítica, un instrumento de precisión que se basa en la fuerza ejercida por la muestra debido a la gravedad. El recipiente para la muestra (también utilizada para medir volumen) es pesado y tarado, tan sólo la muestra masa aparece en la pantalla de balance cuando la muestra se añade al contenedor.

Para líquidos, este contenedor es típicamente un matraz aforado, que tiene una marca que corresponde a un volumen específico. El contenedor se llena hasta la línea de la muestra líquida y pesó otra vez después de que el frasco vacío ha sido tarado. La medida de la densidad es el cociente de la masa medida al volumen indicado en el frasco.

Las sustancias más sólidas son de forma irregular, que complica la determinación del volumen. Es inexacto, por ejemplo, para determinar el volumen de polvo mediante la medición de sus dimensiones. En vez de medir directamente las dimensiones o utilizar cristalería como un matraz aforado, es necesario hacer uso de un método de desplazamiento de líquido para medir el volumen de un sólido de forma irregular. Un cilindro graduado que contiene un volumen conocido de líquido (en la que el sólido es insoluble) es tarado. El sólido se agrega al cilindro, y la masa total se pesaron nuevamente para determinar la masa del sólido. Además del sólido provoca un desplazamiento hacia arriba del líquido, dando lugar a una nueva lectura de volumen. El volumen del sólido es igual al cambio en volumen debido al desplazamiento de líquido (es decir, la diferencia en volumen líquido antes y después de agregar el sólido).

En cuanto a líquidos, la densidad medida de una muestra sólida es la relación de la masa medida del volumen medido.

Procedure

1. determinación de la densidad del etanol líquido

Coloque un matraz aforado de la 50 mL limpio y seco en una balanza analítica.
Presione la “Tara” o “Cero” botón en el equilibrio. El equilibrio debe leer 0.000 g.
Utilice un embudo para bureta para agregar 45 mL de etanol líquido en el matraz volumétrico.
Utilice una pipeta Pasteur para agregar el final 5 mL de líquido, hasta que la parte inferior del menisco del líquido toque la marca en el frasco.
Pesar nuevamente el matraz aforado y registre la masa del etanol.
Para mejores resultados, repita los pasos 1.1 – 1.5 dos veces más para obtener dos medidas de la densidad adicional.

2. determinación de la densidad del sólido Zinc Metal

Añadir aproximadamente 40 mL de agua a una probeta graduada 100 mL de limpia y seca. Registrar el volumen exacto de agua.
Coloque el cilindro y el agua sobre una balanza analítica. Presione la “Tara” o “Cero” botón en el equilibrio. El equilibrio debe leer 0.000 g.
Añadir aproximadamente 10 pastillas de cinc para el cilindro graduado. Grabar el nuevo volumen de los pellets de agua más cinc usando el nivel del líquido después de la adición de zinc (figura 1).

Figura 1. Zinc añadido al cilindro de la derecha hace que el nivel del agua ser desplazado hacia arriba.
Pesar el cilindro, agua y pastillas de zinc en el equilibrio. Registrar la masa de las pastillas de zinc.
Para mejores resultados, repita los pasos 2.1 – 2.4 dos veces más para obtener dos medidas de la densidad adicional.

Densidad, definida como la masa de una sustancia por unidad de volumen es una propiedad física importante para caracterizar un material o sistema químico.

Matemáticamente, la densidad se calcula como la masa de una sustancia por el volumen que ocupa. El símbolo griego “ρ” normalmente se utiliza para denotar la densidad en las ciencias físicas. Para obtener la densidad de una sustancia, su masa y volumen se determinan por la medida.

Este video presenta los principios de la determinación de la densidad, los procedimientos para el cálculo de la densidad de sustancias sólidas y líquidas tanto y algunas aplicaciones de densidad en la investigación científica.

Toda la materia tiene masa, y que la masa ocupa un volumen determinado.

Sin embargo, el volumen de espacio ocupado por la misma masa es diferente para diferentes sustancias, dependiendo de su densidad respectiva. Por ejemplo, una tonelada de ladrillos tiene la misma masa que una tonelada de plumas, pero ocupa mucho menos volumen. Densidad se obtiene dividiendo la masa por volumen. . Masa se puede medir con escalas o saldos y se expresa en gramos o kilogramos.

Por Convención, el volumen de líquidos y gases a menudo se expresa en unidades de litros o mililitros, medidos con cristalería. Las dimensiones de los sólidos regularmente en forma pueden medirse directamente con reglas o calibradores, que tienen unidades lineales, dando volúmenes en unidades como centímetros cúbicos. Un mililitro equivale a un centímetro cúbico.

Las dimensiones de muestras sólidas de forma irregular no puede medirse fácilmente. En cambio, se pueden determinar sus volúmenes por sumergir el sólido en un líquido. El volumen del sólido sumergido es igual al volumen de líquido desplazado.

Ahora que usted entiende el concepto de densidad, echemos un vistazo a dos protocolos para determinar con precisión la densidad de un líquido y un sólido.

Para comenzar este procedimiento, poner un limpio y seco matraz aforado de 50 mL en una balanza analítica. Después de la medición se ha estabilizado, Tarar la balanza. El equilibrio debe leer cero. Utilice un embudo para añadir aproximadamente 45 mL de líquido en el matraz. No lo llene hasta la marca de calibración. Utilice una pipeta Pasteur con cuidado agregar el final 5 mL de líquido, hasta que la parte inferior del menisco del líquido toca la línea en el matraz. Pesar nuevamente el matraz y registre la masa del líquido. Repita las mediciones por lo menos dos veces para obtener los valores adicionales para calcular una densidad media. Los resultados se muestran en esta tabla. La densidad promedio medida fue 0,789 g/mL, emparejar el valor de la literatura para el etanol.

Para determinar la densidad de un sólido irregular en forma de pellets, agregar aproximadamente 40 mL de agua a una probeta graduada 100 mL de limpia y seca. Registrar el volumen exacto. Coloque el cilindro en una balanza analítica y de Tara. Añadir aproximadamente 10 pastillas y registrar el nuevo volumen después de la adición. Pese el cilindro, agua y pastillas. La masa es sólo de las pelotillas, como el resto han sido tarada. Hacer al menos dos juegos adicionales de las mediciones de masa y volumen para calcular un valor promedio de la densidad. Se midió la densidad de zinc para tres muestras diferentes. Fue encontrado para ser 6,3 g/mL. Tenga en cuenta que, puesto que las mediciones se realizaron en un cilindro graduado, que es menos preciso que un matraz volumétrico, la densidad tiene menor grado de precisión.

Ahora veamos varias aplicaciones diferentes de la densidad a diferentes campo de la investigación científica.

Densidad es útil para identificar o validar los materiales puros, como elementos u otras especies de pureza conocida. Por ejemplo, porque el oro tiene una densidad más alta que muchos otros metales más baratos, calcular que la densidad de una moneda de oro es una forma rápida y barata para probar su pureza. Si la densidad no coincide con la de oro, la moneda no es pura. Aquí, una moneda de oro fue encontrada para tener una masa de 27,55 g y un volumen de 1,84 cm³, lo que da una densidad de 14,97 g/cm³, que es significativamente menor que la densidad del oro 19,3 g/cm³, que indica que la moneda no está hecha de oro puro.

Medidas de la densidad pueden utilizarse también para identificar una sustancia desconocida si una lista de las densidades de referencia posible y puede utilizarse para distinguir entre metales similares en apariencia. En este ejemplo, el científico trata de identificar dos muestras de metal plateado brillante, que puede ser aluminio o zinc. Mientras que las dos muestras tienen la misma masa, sus volúmenes son considerablemente diferentes. Las densidades se determinaron a 2.7 y 7,1 g/cm³ respectivamente, confirmando su identidad como aluminio y cinc.

Por último, las diferencias en densidad son útiles para separar componentes de una mezcla compleja. En un método llamado centrifugación gradiente de densidad, disminuyendo las concentraciones de sacarosa o polímeros son capas para crear un degradado. La muestra se añade luego en la parte superior. Después, esta mezcla es sometida a centrifugación, el hilado de la mezcla a alta velocidad para generar una “fuerza centrífuga” que conducirá a la formación de un gradiente de concentración de la molécula. Componentes de la mezcla se migrarán a un punto a lo largo de este gradiente con el cual su densidad es comparable.

En este ejemplo, un tipo específico de gotas lipídicas, o pequeñas gotas de las moléculas de grasa, fue aisladas de las células. Primero se obtuvo una mezcla homogeneizada rompiendo las células. Por centrifugación de la mezcla en un gradiente de densidad de sacarosa, las gotitas se separaron con éxito de otros componentes celulares que están hechas de lípidos, como las membranas de las células.

Sólo ha visto introducción de Zeus la determinación de la densidad de un líquido y un sólido. Ahora debería entender masa, volumen y densidad, así como tener una buena idea de cómo medir estas cantidades.

¡Gracias por ver!

Results

La tabla 1 enumera resultados para la determinación de la densidad del etanol utilizando un matraz aforado de 50 mL. Densidades se calcularon dividiendo la masa medida por 50,0 mL. La densidad promedio medida fue de 0.789 ± 0,001 g/mL. Tabla 2 resultados de listas para la determinación de la densidad de una muestra de metal de zinc usando un 100 mL graduada cilindro y el método de desplazamiento de líquido. Tenga en cuenta que la densidad medida es constante (dentro de error experimental) para ambas sustancias. Tabla 2, en particular, demuestra que la densidad es independiente de la cantidad de la sustancia estudiada.

Ensayo	Masa de etanol (g)	Volumen de etanol (mL)	Densidad (g/mL)
1	39.448	50.0	0.789
2	39.392	50.0	0.788
3	39.489	50.0	0.790

Tabla 1. Resultados para la determinación de la densidad del etanol utilizando un matraz aforado de 50 mL.

Ensayo	Masa de Zinc (g)	Volumen de Zinc (mL)	Densidad (g/mL)
1	5.6133	0,9	6.2
2	7.6491	1.2	6.3
3	8.2164	1.3	6.3

Tabla 2. Resultados para la determinación de la densidad de una muestra de metal de zinc usando un 100 mL graduaron cilindro y el método de desplazamiento líquido.

Applications and Summary

La densidad es una propiedad intensiva característica de una sustancia. Por lo tanto, las mediciones de la densidad pueden utilizarse para identificar una sustancia pura desconocida si se dispone de una lista de las densidades de referencia posible. Por ejemplo, la densidad puede utilizarse para distinguir entre metales similares en apariencia externa (figura 2).

En contextos donde está deseable la masa muy baja o muy alta, la densidad es una propiedad material crítico. Ingenieros de materiales consideran cuidadosamente la densidad de los materiales para la construcción en estos contextos. Por ejemplo, los cuerpos de algunos ordenadores portátiles ligeros están hechos de aluminio, uno de los metales menos densos. Raquetas de tenis ligero contienen titanio, otro metal de baja densidad.

Figura 2: Masas equivalentes de aluminio (Al) y zinc (Zn) metal El metal zinc ocupa un volumen mucho más pequeño debido a su mayor densidad.

Transcript

Density, defined as a substance’s mass per unit volume, is an important physical property for characterizing a material or chemical system.

Mathematically, density is calculated as a substance’s mass per the volume it occupies. The Greek symbol “ρ” is normally used to denote density in the physical sciences. To obtain the density of a substance, its mass and volume are determined by measurement.

This video will introduce the principles of density determination, the procedures for calculating the density of both solid and liquid substances, and some applications of density in scientific research.

All matter has mass, and that mass occupies a specific volume.

However, the volume of space occupied by the same mass is different for different substances, depending on their respective density. For example, a ton of bricks has the same mass as a ton of feathers, but occupies considerably less volume. Density is obtained by dividing mass by volume. . Mass can be measured with scales or balances, and is expressed in grams or kilograms.

By convention, the volume of liquids and gases is often expressed in units of liters or milliliters, measured with glassware. The dimensions of regularly shaped solids can be measured directly with rulers or calipers, which have linear units, giving volumes in units such as cubic centimeters. One milliliter is equivalent to one cubic centimeter.

The dimensions of irregularly shaped solid samples cannot be easily measured. Instead, their volumes can be determined by submerging the solid in a liquid. The volume of the submerged solid is equal to the volume of liquid displaced.

Now that you understand the concept of density, let’s take a look at two protocols for accurately determining the density of a liquid and a solid.

To begin this procedure, place a clean and dry 50-mL volumetric flask on an analytical balance. After the measurement has stabilized, tare the balance. The balance should read zero. Use a funnel to add approximately 45 mL of liquid to the flask. Do not fill to the calibration mark. Use a Pasteur pipette to carefully add the final 5 mL of liquid, just until the bottom of the liquid’s meniscus touches the line on the flask. Weigh the flask again and record the mass of the liquid. Repeat the measurements at least twice to obtain additional values to calculate an average density. The results are shown in this table. The average measured density was 0.789 g/mL, matching the literature value for ethanol.

To determine the density of an irregular solid in pellet form, add approximately 40 mL of water to a clean and dry 100-mL graduated cylinder. Record the exact volume. Place the cylinder on an analytical balance and tare. Add approximately 10 pellets, and record the new volume after the addition. Weigh the cylinder, water, and pellets. The mass is only the pellets, as the rest have been tared. Make at least two additional sets of mass and volume measurements to calculate an average value of the density. The density for zinc was measured for three different samples. It was found to be 6.3 g/mL. Note that, since the measurements were made in a graduated cylinder, which is less precise than a volumetric flask, the density has lower degree of precision.

Let’s now look at several different applications of density to different field of scientific research.

Density is useful for identifying or validating pure materials, such as elements or other species of known purity. For example, because gold has a higher density than many other cheaper metals, calculating the density of a gold coin is a quick and inexpensive way to test for its purity. If the density does not match that of gold, the coin is not pure. Here, a gold coin was found to have a mass of 27.55 g and a volume of 1.84 cm3, giving a density of 14.97 g/cm3, which is significantly less than gold’s density of 19.3 g/cm3, indicating that the coin is not made of pure gold.

Density measurements can also be used to identify an unknown substance if a list of possible reference densities is available, and can be used to distinguish between metals similar in appearance. In this example, the scientist is trying to identify two samples of shiny silver metal, which could be either aluminum or zinc. While the two samples have the same mass, their volumes are considerably different. The densities were determined to be 2.7 and 7.1 g/cm3 respectively, confirming their identities as aluminum and zinc.

Finally, differences in density are useful for separating components of a complex mixture. In a method called density gradient centrifugation, decreasing concentrations of sucrose or polymers are layered to create a gradient. The sample is then added on top. This mixture is then subjected to centrifugation — the spinning of the mixture at high speed to generate a “centrifugal force” that will lead to the formation of a concentration gradient of the molecule. Components of the mixture will migrate to a point along this gradient with which its density is comparable.

In this example, a specific type of lipid droplets, or small drops of fat molecules, was isolated from cells. A homogenized mixture was first obtained by breaking the cells open. By centrifuging the mixture in a sucrose density gradient, the droplets were successfully separated from other cellular components that are made of lipids, such as the cells’ membranes.

You’ve just watched JoVE’s introduction the determination of the density of a liquid and a solid. You should now understand mass, volume, and density, as well as having a good idea of how to measure these quantities.

Thanks for watching!

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