Introduction à la chimie

Objectif d’apprentissage

• Décrire la relation entre la densité et le volume

Termes

• densitéMesure de la quantité de matière contenue dans un volume donné.
• volumeUnité de mesure tridimensionnelle de l’espace qui comprend une longueur, une largeur et une hauteur. Il est mesuré en unités de centimètres cubes dans le système métrique.

Volume et densité

Les propriétés d’une matière peuvent être décrites de nombreuses façons. Toute quantité de n’importe quelle substance aura un volume. Si vous avez deux récipients d’eau de tailles différentes, ils contiennent chacun une quantité différente, ou volume, d’eau. L’unité de volume est une unité dérivée de l’unité SI de longueur et n’est pas une mesure fondamentale du SI.

Si deux échantillons d’eau ont des volumes différents, ils partagent néanmoins une mesure commune : la densité. La densité est une autre mesure dérivée des unités fondamentales du SI. La densité d’un matériau est définie comme sa masse par unité de volume. Dans cet exemple, chaque volume d’eau est différent et a donc une masse spécifique et unique. La masse de l’eau est exprimée en grammes (g) ou en kilogrammes (kg), et le volume est mesuré en litres (L), en centimètres cubes (cm3) ou en millilitres (mL). La densité est calculée en divisant la masse par le volume, de sorte que la densité est mesurée en unités de masse/volume, souvent g/mL. Si les deux échantillons d’eau sont à la même température, leurs densités devraient être identiques, quel que soit le volume des échantillons.

Outils de mesure

Si vous avez déjà cuisiné dans une cuisine, vous avez probablement vu une sorte de gobelet doseur, qui permet à l’utilisateur de mesurer les volumes de liquides avec une précision raisonnable. Le gobelet doseur exprime le volume du liquide dans les unités SI standard que sont les litres et les millilitres. La plupart des tasses à mesurer américaines mesurent également le liquide dans l’ancien système des tasses et des onces.

Verrerie volumétrique

Les scientifiques qui travaillent dans un laboratoire doivent être familiers avec la verrerie de laboratoire typique, souvent appelée verrerie volumétrique. Il peut s’agir de béchers, d’une fiole volumétrique, d’une fiole d’Erlenmeyer et d’une éprouvette graduée. Chacun de ces récipients est utilisé en laboratoire pour mesurer des volumes de liquide à différentes fins.

Densité de l’eau

Les différentes substances ont des densités différentes, la densité est donc souvent utilisée comme méthode pour identifier un matériau. La comparaison des densités de deux matériaux peut également prédire comment les substances vont interagir. L’eau est utilisée comme étalon commun aux substances, et elle a une densité de 1000 kg/m3 à température et pression standard (appelée STP).

Utiliser l’eau comme comparaison de densité

Lorsqu’un objet est placé dans l’eau, la densité relative de l’objet détermine s’il flotte ou coule. Si l’objet a une densité inférieure à celle de l’eau, il flottera à la surface de l’eau. Un objet dont la densité est plus élevée coulera. Par exemple, le liège a une densité de 240 kg/m3, il flotte donc. L’air a une densité d’environ 1,2 kg/m3, il s’élève donc immédiatement au sommet d’une colonne d’eau. Les métaux sodium (970 kg/m3) et potassium (860 kg/m3) vont tous deux flotter sur l’eau, tandis que le plomb (11 340 kg/m3) va couler.

Les liquides ont tendance à former des couches lorsqu’on les ajoute à l’eau. L’alcool de sucre glycérol (1 261 kg/m3) va s’enfoncer dans l’eau et former une couche séparée jusqu’à ce qu’il soit bien mélangé (le glycérol est soluble dans l’eau). L’huile végétale (environ 900 kg/m3) flottera sur l’eau et, quelle que soit la vigueur du mélange, reviendra toujours sous forme de couche à la surface de l’eau (l’huile n’est pas soluble dans l’eau).

La densité variable de l’eau

L’eau elle-même est une molécule compliquée et unique. Même si la pression est constante, la densité de l’eau varie en fonction de la température. Rappelez-vous que les trois formes de base de la matière sont les solides, les liquides et les gaz (ignorez le plasma pour l’instant). En règle générale, presque tous les matériaux sont plus denses sous leur forme solide ou cristalline que sous leur forme liquide ; placez la forme solide de presque tous les matériaux à la surface de leur forme liquide et ils couleront. L’eau, en revanche, fait quelque chose de très spécial : la glace (la forme solide de l’eau) flotte sur l’eau liquide.

Regardez attentivement la relation entre la température de l’eau et sa densité. À partir de 100 °C, la densité de l’eau augmente régulièrement, jusqu’à 4 °C. À ce stade, la tendance de la densité s’inverse. À 0 °C, l’eau gèle en glace et flotte.

Les implications de ce simple fait sont énormes : lorsqu’un lac gèle, la glace forme une croûte à la surface et isole le liquide situé en dessous du gel, tout en permettant à l’eau plus froide (dont la température est d’environ 4 °C et la densité élevée) de couler au fond. Si la glace ne flottait pas, elle coulerait au fond, permettant à davantage de glace de se former et de couler, jusqu’à ce que le lac gèle complètement ! Les plongeurs sous-marins et les nageurs rencontrent souvent ces gradients de température de l’eau, et il se peut même qu’ils rencontrent une couche d’eau au fond d’un lac dont la température est d’environ 4 °C. C’est à peu près le plus froid que le lac pourra atteindre au fond ; dès que l’eau devient plus froide, l’eau liquide devient moins dense et monte.