Overview
Fonte: Laboratorio del Dr. Michael Evans — Georgia Institute of Technology
Il rapporto tra la massa di una sostanza e il suo volume è noto come densità di massa o, semplicemente, densità della sostanza. La densità è espressa in unità di massa per volume, come g/mL o kg/m3. Poiché la densità di una sostanza non dipende dalla quantità di sostanza presente, la densità è una "proprietà intensiva".
Per misurare la densità di un campione di materiale, è necessario determinare sia la massa che il volume del campione. Sia per i solidi che per i liquidi, è possibile utilizzare una bilancia per misurare la massa; tuttavia, i metodi per determinare il volume sono diversi per solidi e liquidi. Poiché i liquidi possono fluire e assumere le forme dei loro contenitori, oggetti in vetro come un cilindro graduato o un pallone volumetrico possono essere utilizzati per misurare il volume di un liquido. Il volume di un solido di forma irregolare può essere misurato mediante immersione in un liquido - la differenza di volume causata dall'aggiunta del solido è uguale al volume del solido.
Questa dimostrazione illustra i metodi per misurare la densità di solidi e liquidi. Utilizzando un pallone volumetrico e una bilancia analitica, è possibile determinare la densità dell'etanolo. Utilizzando un cilindro graduato, una bilancia analitica e l'acqua come liquido spostato, è possibile determinare la densità del metallo zinco.
Principles
Per definizione, tutta la materia ha massa e occupa volume. La densità di una sostanza è il rapporto tra la sua massa e il suo volume. A temperatura e pressione costanti, la densità di una sostanza è costante.
La densità è una proprietà intensiva di una sostanza che non dipende dalla quantità di sostanza presente. Pertanto, la densità può essere utilizzata per identificare una sostanza pura sconosciuta se è disponibile un elenco di densità di riferimento e lo sperimentatore può scegliere una quantità conveniente di sostanza con cui lavorare quando misura la densità.
Per misurare la densità di un campione di una sostanza, è necessario misurarne la massa e il volume. La massa viene tipicamente misurata utilizzando una bilancia analitica, uno strumento preciso che si basa sulla forza esercitata dal campione a causa della gravità. Il contenitore per contenere il campione (utilizzato anche per misurare il volume) viene pesato e tarato, quindi solo la massa del campione appare sul display della bilancia quando il campione viene aggiunto al contenitore.
Per i liquidi, questo contenitore è in genere un pallone volumetrico, che ha una marcatura che corrisponde a un volume specifico. Il contenitore viene riempito fino alla linea con il campione liquido e pesato nuovamente dopo che il matraccio vuoto è stato tarato. La densità misurata è il rapporto tra la massa misurata e il volume indicato sul matraccio.
La maggior parte delle sostanze solide sono di forma irregolare, il che complica la determinazione del volume. È impreciso, ad esempio, determinare il volume di una polvere misurandone le dimensioni. Invece di misurare direttamente le dimensioni o utilizzare vetreria come un pallone volumetrico, è necessario utilizzare un metodo di spostamento del liquido per misurare il volume di un solido di forma irregolare. Un cilindro graduato contenente un volume noto di liquido (in cui il solido è insolubile) viene tarato. Il solido viene aggiunto al cilindro e la massa totale viene pesata di nuovo per determinare la massa del solido. L'aggiunta del solido provoca uno spostamento verso l'alto del liquido, con conseguente nuova lettura del volume. Il volume del solido è uguale alla variazione di volume dovuta allo spostamento del liquido(cioè, la differenza di volume del liquido prima e dopo l'aggiunta del solido).
Per quanto riguarda i liquidi, la densità misurata di un campione solido è il rapporto tra la massa misurata e il volume misurato.
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Procedure
1. Determinazione della densità dell'etanolo liquido
- Posizionare un matraccio volumetrico da 50 ml pulito e asciutto su una bilancia analitica.
- Premere il pulsante "Tare" o "Zero" sulla bilancia. La bilancia dovrebbe leggere 0,000 g.
- Utilizzare un imbuto buret per aggiungere 45 ml di etanolo liquido al pallone volumetrico.
- Utilizzare una pipetta Pasteur per aggiungere gli ultimi 5 ml di liquido, fino a quando il fondo del menisco del liquido tocca la marcatura sul pallone.
- Pesare nuovamente il pallone volumetrico e registrare la massa dell'etanolo.
- Per ottenere risultati ottimali, ripetere i passaggi da 1,1 a 1,5 due volte di più per ottenere due misurazioni di densità aggiuntive.
2. Determinazione della densità del metallo solido di zinco
- Aggiungere circa 40 ml di acqua a un cilindro graduato da 100 mL pulito e asciutto. Registrare il volume esatto dell'acqua.
- Posizionare il cilindro e l'acqua su una bilancia analitica. Premere il pulsante "Tare" o "Zero" sulla bilancia. La bilancia dovrebbe leggere 0,000 g.
- Aggiungere circa 10 pellet di zinco al cilindro graduato. Registrare il nuovo volume dell'acqua più pellet di zinco utilizzando il livello del liquido dopo l'aggiunta dello zinco (Figura 1).
Figura 1. Lo zinco aggiunto al cilindro a destra provoca lo spostamento del livello dell'acqua verso l'alto. - Pesare il cilindro, l'acqua e i pellet di zinco sulla bilancia. Registrare la massa dei pellet di zinco.
- Per ottenere risultati ottimali, ripetere i passaggi da 2,1 a 2,4 due volte di più per ottenere due misurazioni di densità aggiuntive.
La densità, definita come massa di una sostanza per unità di volume, è un'importante proprietà fisica per caratterizzare un materiale o un sistema chimico.
Matematicamente, la densità è calcolata come massa di una sostanza per il volume che occupa. Il simbolo greco "ρ" è normalmente usato per indicare la densità nelle scienze fisiche. Per ottenere la densità di una sostanza, la sua massa e il suo volume sono determinati dalla misurazione.
Questo video introdurrà i principi della determinazione della densità, le procedure per il calcolo della densità di sostanze sia solide che liquide e alcune applicazioni della densità nella ricerca scientifica.
Tutta la materia ha massa, e quella massa occupa un volume specifico.
Tuttavia, il volume di spazio occupato dalla stessa massa è diverso per sostanze diverse, a seconda della rispettiva densità. Ad esempio, una tonnellata di mattoni ha la stessa massa di una tonnellata di piume, ma occupa molto meno volume. La densità si ottiene dividendo la massa per il volume. . La massa può essere misurata con scale o bilance ed è espressa in grammi o chilogrammi.
Per convenzione, il volume di liquidi e gas è spesso espresso in unità di litri o millilitri, misurati con bicchieri. Le dimensioni dei solidi di forma regolare possono essere misurate direttamente con righelli o pinze, che hanno unità lineari, dando volumi in unità come centimetri cubici. Un millilitro equivale a un centimetro cubo.
Le dimensioni dei campioni solidi di forma irregolare non possono essere facilmente misurate. Invece, i loro volumi possono essere determinati immergendo il solido in un liquido. Il volume del solido sommerso è uguale al volume di liquido spostato.
Ora che hai capito il concetto di densità, diamo un'occhiata a due protocolli per determinare con precisione la densità di un liquido e di un solido.
Per iniziare questa procedura, posizionare un matraccio volumetrico da 50 ml pulito e asciutto su una bilancia analitica. Dopo che la misurazione si è stabilizzata, tarare il saldo. Il saldo dovrebbe essere pari a zero. Utilizzare un imbuto per aggiungere circa 45 ml di liquido al pallone. Non riempire fino al segno di calibrazione. Utilizzare una pipetta Pasteur per aggiungere con cura gli ultimi 5 ml di liquido, fino a quando il fondo del menisco del liquido tocca la linea sul pallone. Pesare nuovamente il pallone e registrare la massa del liquido. Ripetere le misurazioni almeno due volte per ottenere valori aggiuntivi per calcolare una densità media. I risultati sono mostrati in questa tabella. La densità media misurata è stata di 0,789 g/ml, corrispondente al valore di letteratura per l'etanolo.
Per determinare la densità di un solido irregolare in forma di pellet, aggiungere circa 40 ml di acqua a un cilindro graduato da 100 ml pulito e asciutto. Registrare il volume esatto. Posizionare il cilindro su una bilancia analitica e tarare. Aggiungere circa 10 pellet e registrare il nuovo volume dopo l'aggiunta. Pesare il cilindro, l'acqua e il pellet. La massa è solo il pellet, poiché il resto è stato tarato. Effettuare almeno due serie aggiuntive di misurazioni di massa e volume per calcolare un valore medio della densità. La densità dello zinco è stata misurata per tre diversi campioni. È risultato essere 6,3 g / mL. Si noti che, poiché le misurazioni sono state effettuate in un cilindro graduato, che è meno preciso di un pallone volumetrico, la densità ha un grado di precisione inferiore.
Diamo ora un'occhiata a diverse applicazioni della densità a diversi campi della ricerca scientifica.
La densità è utile per identificare o convalidare materiali puri, come elementi o altre specie di purezza nota. Ad esempio, poiché l'oro ha una densità più elevata rispetto a molti altri metalli più economici, calcolare la densità di una moneta d'oro è un modo rapido ed economico per testarne la purezza. Se la densità non corrisponde a quella dell'oro, la moneta non è pura. Qui, una moneta d'oro è stata trovata per avere una massa di 27,55 g e un volume di 1,84 cm3, dando una densità di 14,97 g / cm3, che è significativamente inferiore alla densità dell'oro di 19,3 g / cm3, indicando che la moneta non è fatta di oro puro.
Le misure di densità possono anche essere utilizzate per identificare una sostanza sconosciuta se è disponibile un elenco di possibili densità di riferimento e possono essere utilizzate per distinguere tra metalli simili nell'aspetto. In questo esempio, lo scienziato sta cercando di identificare due campioni di metallo argento lucido, che potrebbero essere alluminio o zinco. Mentre i due campioni hanno la stessa massa, i loro volumi sono considerevolmente diversi. Le densità sono state determinate rispettivamente a 2,7 e 7,1 g / cm3, confermando la loro identità come alluminio e zinco.
Infine, le differenze di densità sono utili per separare i componenti di una miscela complessa. In un metodo chiamato centrifugazione a gradiente di densità, le concentrazioni decrescenti di saccarosio o polimeri vengono stratificate per creare un gradiente. L'esempio viene quindi aggiunto in cima. Questa miscela viene quindi sottoposta a centrifugazione - la rotazione della miscela ad alta velocità per generare una "forza centrifuga" che porterà alla formazione di un gradiente di concentrazione della molecola. I componenti della miscela migreranno in un punto lungo questo gradiente con cui la sua densità è paragonabile.
In questo esempio, un tipo specifico di goccioline lipidiche, o piccole gocce di molecole di grasso, è stato isolato dalle cellule. Una miscela omogeneizzata è stata ottenuta per la prima volta rompendo le cellule aperte. Centrifugando la miscela in un gradiente di densità di saccarosio, le goccioline sono state separate con successo da altri componenti cellulari che sono fatti di lipidi, come le membrane delle cellule.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE sulla determinazione della densità di un liquido e di un solido. Ora dovresti capire massa, volume e densità, oltre ad avere una buona idea di come misurare queste quantità.
Grazie per l'attenzione!
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Results
La tabella 1 elenca i risultati per la determinazione della densità dell'etanolo utilizzando un matraccio volumetrico da 50 ml. Le densità sono state calcolate dividendo la massa misurata per 50,0 ml. La densità media misurata era di 0,789 ± 0,001 g/ml. La tabella 2 elenca i risultati per la determinazione della densità di un campione di zinco metallico utilizzando un cilindro graduato da 100 ml e il metodo dello spostamento del liquido. Si noti che le densità misurate sono costanti (entro errore sperimentale) per entrambe le sostanze. La tabella 2, in particolare, dimostra che la densità è indipendente dalla quantità di sostanza studiata.
| Prova | Massa di etanolo (g) | Volume di etanolo (mL) | Densità (g/mL) |
| 1 | 39.448 | 50.0 | 0.789 |
| 2 | 39.392 | 50.0 | 0.788 |
| 3 | 39.489 | 50.0 | 0.790 |
Tabella 1. Risultati per la determinazione della densità dell'etanolo utilizzando un matraccio volumetrico da 50 ml.
| Prova | Massa di zinco (g) | Volume di zinco (mL) | Densità (g/mL) |
| 1 | 5.6133 | 0.9 | 6.2 |
| 2 | 7.6491 | 1.2 | 6.3 |
| 3 | 8.2164 | 1.3 | 6.3 |
Tabella 2. Risultati per la determinazione della densità di un campione di zinco metallico utilizzando un cilindro graduato da 100 ml e il metodo dello spostamento del liquido.
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Applications and Summary
La densità è una caratteristica proprietà intensiva di una sostanza. Pertanto, le misurazioni della densità possono essere utilizzate per identificare una sostanza pura sconosciuta se è disponibile un elenco di possibili densità di riferimento. Ad esempio, la densità può essere utilizzata per distinguere tra metalli simili nell'aspetto esteriore (Figura 2).
In contesti in cui è auspicabile una massa molto bassa o molto elevata, la densità è una proprietà critica del materiale. Gli ingegneri dei materiali considerano attentamente la densità dei materiali per la costruzione in questi contesti. Ad esempio, i corpi di alcuni computer portatili leggeri sono realizzati in alluminio, uno dei metalli meno densi. Le racchette da tennis leggere contengono titanio, un altro metallo a bassa densità.
Figura 2: Masse equivalenti di alluminio (Al) e zinco (Zn) metallico. Lo zinco metallico occupa un volume molto più piccolo a causa della sua maggiore densità.
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