Determinación de la densidad de un sólido y líquido

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.

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.

1. determinación de la densidad del etanol líquido

1. Coloque un matraz aforado de la 50 mL limpio y seco en una balanza analítica.
2. Presione la "Tara" o "Cero" botón en el equilibrio. El equilibrio debe leer 0.000 g.
3. Utilice un embudo para bureta para agregar 45 mL de etanol líquido en el matraz volumétrico.
4. 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.
5. Pesar nuevamente el matraz aforado y registre la masa del etanol.
6. 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

1. Añadir aproximadamente 40 mL de agua a una probeta graduada 100 mL de limpia y seca. Registrar el volumen exacto de agua.
2. 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.
3. 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.
4. Pesar el cilindro, agua y pastillas de zinc en el equilibrio. Registrar la masa de las pastillas de zinc.
5. Para mejores resultados, repita los pasos 2.1 – 2.4 dos veces más para obtener dos medidas de la densidad adicional.

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.

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

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.

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.