Introducción a la química
- Describir la relación entre densidad y volumen
Puntos clave
- El volumen de una sustancia está relacionado con la cantidad de la sustancia presente a una temperatura y presión definidas.
- El volumen de una sustancia puede medirse en material de vidrio volumétrico, como el matraz aforado y la probeta graduada.
- La densidad indica qué cantidad de una sustancia ocupa un volumen específico a una temperatura y presión definidas. La densidad de una sustancia puede usarse para definirla.
- El agua es inusual porque cuando el agua se congela, su forma sólida (hielo) es menos densa que el agua líquida, y por lo tanto flota sobre el agua líquida.
Términos
- DensidadMedida de la cantidad de materia contenida en un volumen determinado.
- VolumenUna unidad de medida tridimensional del espacio que comprende una longitud, una anchura y una altura. Se mide en unidades de centímetros cúbicos en el sistema métrico.
Volumen y Densidad
Las propiedades de un material pueden describirse de muchas maneras. Cualquier cantidad de cualquier sustancia tendrá un volumen. Si tienes dos recipientes de agua de diferente tamaño, cada uno de ellos contiene una cantidad diferente, o volumen, de agua. La unidad de volumen es una unidad derivada de la unidad de longitud del SI y no es una medida fundamental del SI.
Si dos muestras de agua tienen volúmenes diferentes, siguen compartiendo una medida común: la densidad. La densidad es otra medida derivada de las unidades básicas del SI. La densidad de un material se define como su masa por unidad de volumen. En este ejemplo, cada volumen de agua es diferente y, por tanto, tiene una masa específica y única. La masa del agua se expresa en gramos (g) o kilogramos (kg), y el volumen se mide en litros (L), centímetros cúbicos (cm3) o mililitros (mL). La densidad se calcula dividiendo la masa por el volumen, de modo que la densidad se mide en unidades de masa/volumen, a menudo g/mL. Si ambas muestras de agua están a la misma temperatura, sus densidades deberían ser idénticas, independientemente del volumen de las muestras.
Herramientas de medición
Si alguna vez has cocinado en una cocina, probablemente habrás visto algún tipo de vaso medidor, que permite al usuario medir los volúmenes de los líquidos con una precisión razonable. El vaso medidor expresa el volumen de líquido en las unidades estándar del SI de litros y mililitros. La mayoría de las tazas de medir americanas también miden el líquido en el sistema más antiguo de tazas y onzas.
Cristalería volumétrica
Los científicos que trabajan en un laboratorio deben estar familiarizados con la cristalería típica de laboratorio, a menudo llamada cristalería volumétrica. Estos pueden incluir vasos de precipitados, un matraz volumétrico, un matraz Erlenmeyer y un cilindro graduado. Cada uno de estos recipientes se utiliza en un entorno de laboratorio para medir volúmenes de líquidos con diferentes fines.
Densidad del agua
Diferentes sustancias tienen diferentes densidades, por lo que la densidad se utiliza a menudo como método para identificar un material. La comparación de las densidades de dos materiales también puede predecir cómo interactuarán las sustancias. El agua se utiliza como estándar común a las sustancias, y tiene una densidad de 1000 kg/m3 a temperatura y presión estándar (llamada STP).
Utilizando el agua como comparación de densidades
Cuando se coloca un objeto en el agua, la densidad relativa del objeto determina si flota o se hunde. Si el objeto tiene una densidad menor que la del agua, flotará en la parte superior del agua. Un objeto de mayor densidad se hundirá. Por ejemplo, el corcho tiene una densidad de 240 kg/m3, por lo que flotará. El aire tiene una densidad de aproximadamente 1,2 kg/m3, por lo que sube inmediatamente a la parte superior de la columna de agua. Los metales sodio (970 kg/m3) y potasio (860 kg/m3) flotan en el agua, mientras que el plomo (11.340 kg/m3) se hunde.
Los líquidos tienden a formar capas cuando se añaden al agua. El alcohol de azúcar glicerol (1.261 kg/m3) se hundirá en el agua y formará una capa separada hasta que se mezcle bien (el glicerol es soluble en agua). El aceite vegetal (aprox. 900 kg/m3) flotará en el agua y, por mucho que se mezcle, siempre volverá a formar una capa en la superficie del agua (el aceite no es soluble en el agua).
La densidad variable del agua
El agua en sí es una molécula complicada y única. Incluso si la presión es constante, la densidad del agua cambiará en función de la temperatura. Recordemos que las tres formas básicas de la materia son el sólido, el líquido y el gas (ignoremos el plasma por el momento). Como regla general, casi todos los materiales son más densos en su forma sólida o cristalina que en su forma líquida; coloca la forma sólida de casi cualquier material en la superficie de su forma líquida, y se hundirá. El agua, en cambio, hace algo muy especial: el hielo (la forma sólida del agua) flota sobre el agua líquida.
Observe con atención la relación entre la temperatura del agua y su densidad. A partir de los 100 °C, la densidad del agua aumenta constantemente, hasta los 4 °C. En ese punto, la tendencia de la densidad se invierte. A 0 °C, el agua se congela y flota.
Las implicaciones de este simple hecho son enormes: cuando un lago se congela, se forman costras de hielo en la superficie y se aísla el líquido que hay debajo para que no se congele, mientras que al mismo tiempo permite que el agua más fría (con una temperatura de aproximadamente 4 °C y una alta densidad) se hunda hasta el fondo. Si el hielo no flotara, se hundiría hasta el fondo, permitiendo que se forme más hielo y se hunda, ¡hasta que el lago se congele! Los buceadores y nadadores se encuentran a menudo con estos gradientes de temperatura del agua, e incluso pueden encontrar una capa de agua en el fondo de un lago con una temperatura de aproximadamente 4 °C. Eso es lo más frío que puede estar el lago en el fondo; en cuanto el agua se enfría, el agua líquida se vuelve menos densa y se eleva.
