Introduzione alla chimica
Obiettivo di apprendimento
- Descrivere la relazione tra densità e volume
Punti chiave
- Il volume di una sostanza è legato alla quantità di sostanza presente ad una temperatura e pressione definite.
- Il volume di una sostanza può essere misurato in bicchieri volumetrici, come il pallone volumetrico e il cilindro graduato.
- La densità indica quanto di una sostanza occupa un volume specifico ad una temperatura e pressione definite. La densità di una sostanza può essere usata per definire la sostanza.
- L’acqua è insolita perché quando l’acqua si congela, la sua forma solida (ghiaccio) è meno densa dell’acqua liquida, e quindi galleggia sopra l’acqua liquida.
Termini
- densitàUna misura della quantità di materia contenuta in un dato volume.
- volumeUn’unità di misura tridimensionale dello spazio che comprende una lunghezza, una larghezza e un’altezza. Si misura in unità di centimetri cubi nel sistema metrico decimale.
Volume e densità
Le proprietà di un materiale possono essere descritte in molti modi. Qualsiasi quantità di qualsiasi sostanza avrà un volume. Se hai due contenitori d’acqua che sono di dimensioni diverse, ognuno contiene una quantità diversa, o volume, di acqua. L’unità per il volume è un’unità derivata dall’unità SI di lunghezza e non è una misura SI fondamentale.
Se due campioni d’acqua hanno volumi diversi, condividono comunque una misura comune: la densità. La densità è un’altra misura derivata dalle unità di base del SI. La densità di un materiale è definita come la sua massa per unità di volume. In questo esempio, ogni volume d’acqua è diverso e quindi ha una massa specifica e unica. La massa dell’acqua è espressa in grammi (g) o chilogrammi (kg), e il volume è misurato in litri (L), centimetri cubi (cm3), o millilitri (mL). La densità è calcolata dividendo la massa per il volume, così che la densità è misurata come unità di massa/volume, spesso g/mL. Se entrambi i campioni d’acqua sono alla stessa temperatura, le loro densità dovrebbero essere identiche, indipendentemente dal volume dei campioni.
Strumenti di misura
Se hai mai cucinato in una cucina, probabilmente hai visto una sorta di misurino, che permette all’utente di misurare i volumi dei liquidi con ragionevole precisione. Il misurino esprime il volume del liquido nelle unità SI standard di litri e millilitri. La maggior parte dei misurini americani misurano anche il liquido nel vecchio sistema di tazze e once.
Vetreria volumetrica
Gli scienziati che lavorano in un laboratorio devono avere familiarità con la tipica vetreria da laboratorio, spesso chiamata vetreria volumetrica. Questi possono includere becher, un pallone volumetrico, una beuta e un cilindro graduato. Ognuno di questi contenitori è utilizzato in un ambiente di laboratorio per misurare i volumi dei liquidi per scopi diversi.
Densità dell’acqua
Sostanze diverse hanno densità diverse, quindi la densità è spesso usata come metodo per identificare un materiale. Confrontando le densità di due materiali si può anche prevedere come le sostanze interagiranno. L’acqua è usata come standard comune per le sostanze, e ha una densità di 1000 kg/m3 a temperatura e pressione standard (chiamata STP).
Usare l’acqua come confronto di densità
Quando un oggetto è messo in acqua, la densità relativa dell’oggetto determina se galleggia o affonda. Se l’oggetto ha una densità inferiore a quella dell’acqua, galleggerà in cima all’acqua. Un oggetto con una densità più alta affonderà. Per esempio, il sughero ha una densità di 240 kg/m3, quindi galleggerà. L’aria ha una densità di circa 1,2 kg/m3, quindi sale immediatamente in cima alla colonna d’acqua. I metalli sodio (970 kg/m3) e potassio (860 kg/m3) galleggeranno entrambi sull’acqua, mentre il piombo (11.340 kg/m3) affonderà.
I liquidi tendono a formare strati quando vengono aggiunti all’acqua. Il glicerolo alcolico (1.261 kg/m3) affonderà nell’acqua e formerà uno strato separato fino a quando non sarà completamente mescolato (il glicerolo è solubile in acqua). L’olio vegetale (circa 900 kg/m3) galleggerà sull’acqua, e non importa quanto vigorosamente mescolato, tornerà sempre come strato sulla superficie dell’acqua (l’olio non è solubile in acqua).
La densità variabile dell’acqua
L’acqua stessa è una molecola complicata e unica. Anche se la pressione è costante, la densità dell’acqua cambia in base alla temperatura. Ricordiamo che le tre forme fondamentali della materia sono solido, liquido e gas (ignorare il plasma per il momento). Come regola generale, quasi tutti i materiali sono più densi nella loro forma solida o cristallina che nella loro forma liquida; metti la forma solida di quasi ogni materiale sulla superficie della sua forma liquida, e affonderà. L’acqua, d’altra parte, fa qualcosa di molto speciale: il ghiaccio (la forma solida dell’acqua) galleggia sull’acqua liquida.
Guarda attentamente la relazione tra la temperatura dell’acqua e la sua densità. A partire da 100 °C, la densità dell’acqua aumenta costantemente, fino a 4 °C. A quel punto, la tendenza alla densità si inverte. A 0 °C, l’acqua si congela in ghiaccio e galleggia.
Le implicazioni di questo semplice fatto sono enormi: quando un lago gela, il ghiaccio si crosta in superficie e isola il liquido sottostante dal congelamento, mentre allo stesso tempo permette all’acqua più fredda (con una temperatura di circa 4 °C e una densità elevata) di affondare sul fondo. Se il ghiaccio non galleggiasse, sprofonderebbe sul fondo, permettendo ad altro ghiaccio di formarsi e sprofondare, fino a quando il lago non si congelerà! I subacquei e i nuotatori incontrano spesso questi gradienti di temperatura dell’acqua, e potrebbero anche incontrare uno strato d’acqua sul fondo di un lago con una temperatura di circa 4 °C. Non appena l’acqua diventa più fredda, l’acqua liquida diventa meno densa e sale.
