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Determinando a densidade de um sólido e líquido
 
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Determinando a densidade de um sólido e líquido

Overview

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.

Principles

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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.

Equation 1

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).

Equation 2

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

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Procedure

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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).
    Figure 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 densidade, definida como massa por unidade de uma substância, é uma importante propriedade física para caracterizar um material ou sistema químico.

Matematicamente, a densidade é calculada como massa de uma substância pelo volume que ocupa. O símbolo grego "ρ" é normalmente usado para denotar densidade nas ciências físicas. Para obter a densidade de uma substância, sua massa e volume são determinados por medição.

Este vídeo introduzirá os princípios de determinação da densidade, os procedimentos para calcular a densidade de substâncias sólidas e líquidas e algumas aplicações de densidade na pesquisa científica.

Toda matéria tem massa, e essa massa ocupa um volume específico.

No entanto, o volume de espaço ocupado pela mesma massa é diferente para diferentes substâncias, dependendo de sua respectiva densidade. Por exemplo, uma tonelada de tijolos tem a mesma massa que uma tonelada de penas, mas ocupa consideravelmente menos volume. A densidade é obtida dividindo massa por volume. . A massa pode ser medida com balanças ou saldos, e é expressa em gramas ou quilogramas.

Por convenção, o volume de líquidos e gases é frequentemente expresso em unidades de litros ou mililitros, medidos com vidros. As dimensões dos sólidos de forma regular podem ser medidas diretamente com réguas ou pinças, que possuem unidades lineares, dando volumes em unidades como centímetros cúbicos. Um mililitro equivale a um centímetro cúbico.

As dimensões das amostras sólidas de forma irregular não podem ser facilmente medidas. Em vez disso, seus volumes podem ser determinados submergindo o sólido em um líquido. O volume do sólido submerso é igual ao volume de líquido deslocado.

Agora que você entende o conceito de densidade, vamos dar uma olhada em dois protocolos para determinar com precisão a densidade de um líquido e um sólido.

Para iniciar este procedimento, coloque um frasco volumoso de 50 mL limpo e seco em um equilíbrio analítico. Depois que a medição se estabilizar, acerize o equilíbrio. O saldo deve ser zero. Use um funil para adicionar aproximadamente 45 mL de líquido ao frasco. Não preencha a marca de calibração. Use uma pipeta Pasteur para adicionar cuidadosamente os 5 mL finais de líquido, apenas até que a parte inferior do menisco do líquido toque a linha no frasco. Pese o frasco novamente e grave a massa do líquido. Repita as medições pelo menos duas vezes para obter valores adicionais para calcular uma densidade média. Os resultados são mostrados nesta tabela. A densidade média medida foi de 0,789 g/mL, correspondendo ao valor da literatura para o etanol.

Para determinar a densidade de um sólido irregular em forma de pelota, adicione aproximadamente 40 mL de água a um cilindro graduado de 100 mL limpo e seco. Regisso volume exato. Coloque o cilindro em um equilíbrio analítico e tare. Adicione aproximadamente 10 pelotas e grave o novo volume após a adição. Pesar o cilindro, a água e as pelotas. A massa é apenas as pelotas, como o resto foram pichados. Faça pelo menos dois conjuntos adicionais de medições de massa e volume para calcular um valor médio da densidade. A densidade do zinco foi medida para três amostras diferentes. Foi encontrado 6,3 g/mL. Note que, uma vez que as medidas foram feitas em um cilindro graduado, que é menos preciso do que um frasco volumosco, a densidade tem menor grau de precisão.

Vamos agora olhar para várias aplicações diferentes de densidade para diferentes campos de pesquisa científica.

A densidade é útil para identificar ou validar materiais puros, como elementos ou outras espécies de pureza conhecida. Por exemplo, como o ouro tem uma densidade maior do que muitos outros metais mais baratos, calcular a densidade de uma moeda de ouro é uma maneira rápida e barata de testar sua pureza. Se a densidade não corresponde à do ouro, a moeda não é pura. Aqui, verificou-se que uma moeda de ouro tem uma massa de 27,55 g e um volume de 1,84 cm3, dando uma densidade de 14,97 g/cm3, o que é significativamente menor que a densidade do ouro de 19,3 g/cm3,indicando que a moeda não é feita de ouro puro.

Medidas de densidade também podem ser usadas para identificar uma substância desconhecida se uma lista de possíveis densidades de referência está disponível, e podem ser usadas para distinguir entre metais semelhantes na aparência. Neste exemplo, o cientista está tentando identificar duas amostras de metal prateado brilhante, que podem ser de alumínio ou zinco. Enquanto as duas amostras têm a mesma massa, seus volumes são consideravelmente diferentes. As densidades foram determinadas como 2,7 e 7,1 g/cm3, respectivamente, confirmando suas identidades como alumínio e zinco.

Finalmente, as diferenças de densidade são úteis para separar componentes de uma mistura complexa. Em um método chamado centrifugação gradiente de densidade, concentrações decrescentes de sacarose ou polímeros são em camadas para criar um gradiente. A amostra é então adicionada em cima. Essa mistura é então submetida à centrifugação — a fiação da mistura em alta velocidade para gerar uma "força centrífuga" que levará à formação de um gradiente de concentração da molécula. Os componentes da mistura migrarão para um ponto ao longo deste gradiente com o qual sua densidade é comparável.

Neste exemplo, um tipo específico de gotículas lipídicas, ou pequenas gotas de moléculas de gordura, foi isolado das células. Uma mistura homogeneizada foi obtida pela primeira vez pela quebra das células abertas. Ao centrifugar a mistura em um gradiente de densidade de sacarose, as gotículas foram separadas com sucesso de outros componentes celulares que são feitos de lipídios, como as membranas das células.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE a determinação da densidade de um líquido e um sólido. Agora você deve entender massa, volume e densidade, além de ter uma boa ideia de como medir essas quantidades.

Obrigado por assistir!

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Results

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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.

Julgamento Massa de Etanol (g) Volume de Etanol (mL) Densidade (g/mL)
1 39.448 50.0 0.789
2 39.392 50.0 0.788
3 39.489 50.0 0.790

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

Julgamento Massa de Zinco (g) Volume de Zinco (mL) Densidade (g/mL)
1 5.6133 0.9 6.2
2 7.6491 1.2 6.3
3 8.2164 1.3 6.3

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.

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Applications and Summary

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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.

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

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Transcript

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