Volume en dichtheid

Leerdoel

Beschrijf de relatie tussen dichtheid en volume

Kernpunten

Het volume van een stof is gerelateerd aan de hoeveelheid van de stof die bij een bepaalde temperatuur en druk aanwezig is.
Het volume van een stof kan worden gemeten in volumetrisch glaswerk, zoals de maatkolf en de maatcilinder.
De dichtheid geeft aan hoeveel van een stof een bepaald volume bij een bepaalde temperatuur en druk inneemt. De dichtheid van een stof kan worden gebruikt om de stof te definiëren.
Water is ongewoon omdat wanneer water bevriest, zijn vaste vorm (ijs) minder dicht is dan vloeibaar water, en dus bovenop vloeibaar water drijft.

Termen

dichtheidEen maat voor de hoeveelheid materie die zich in een bepaald volume bevindt.
volumeEenheid van driedimensionale ruimtemaat die bestaat uit een lengte, een breedte en een hoogte. Het wordt gemeten in metrische eenheden van kubieke centimeters.

De eigenschappen van een materiaal kunnen op vele manieren worden beschreven. Elke hoeveelheid van een stof heeft een volume. Als je twee vaten water hebt van verschillende grootte, bevatten ze elk een verschillende hoeveelheid, of volume, water. De eenheid voor volume is een eenheid die is afgeleid van de SI-eenheid voor lengte en is geen fundamentele SI-maat.

Als twee watermonsters verschillende volumes hebben, hebben ze toch een gemeenschappelijke maat: de dichtheid. Dichtheid is een andere maat die is afgeleid van de SI-basiseenheden. De dichtheid van een materiaal wordt gedefinieerd als de massa per volume-eenheid. In dit voorbeeld is elk volume water verschillend en heeft het dus een specifieke en unieke massa. De massa van water wordt uitgedrukt in grammen (g) of kilogrammen (kg), en het volume in liters (L), kubieke centimeters (cm3) of milliliters (mL). De dichtheid wordt berekend door de massa te delen door het volume, zodat de dichtheid wordt gemeten als eenheden van massa/volume, vaak g/mL. Als beide watermonsters dezelfde temperatuur hebben, moet hun dichtheid identiek zijn, ongeacht het volume van de monsters.

Gereedschap voor metingen

De maatbekerDe maatbeker is een veelgebruikt huishoudelijk gebruiksvoorwerp voor het meten van de volumes van vloeistoffen.

Als u ooit in een keuken hebt gekookt, hebt u waarschijnlijk wel eens een soort maatbeker gezien, waarmee de gebruiker met redelijke nauwkeurigheid vloeistofvolumes kan afmeten. De maatbeker drukt het vloeistofvolume uit in de standaard SI-eenheden van liters en milliliters. De meeste Amerikaanse maatbekers meten vloeistof ook in het oudere systeem van cups en ounces.

Volumetrisch glaswerk

Wetenschappers die in een laboratorium werken, moeten bekend zijn met typisch laboratoriumglaswerk, dat vaak volumetrisch glaswerk wordt genoemd. Het kan gaan om bekers, een maatkolf, een Erlenmeyer en een maatcilinder. Elk van deze recipiënten wordt in een laboratoriumomgeving gebruikt om vloeistofvolumes te meten voor verschillende doeleinden.

Dichtheid van water

Verschillende stoffen hebben verschillende dichtheden, dus wordt dichtheid vaak gebruikt als een methode om een materiaal te identificeren. Door de dichtheid van twee materialen te vergelijken kan ook worden voorspeld hoe stoffen op elkaar zullen reageren. Water wordt gebruikt als de gemeenschappelijke standaard voor stoffen, en het heeft een dichtheid van 1000 kg/m3 bij standaard temperatuur en druk (STP genoemd).

Het gebruik van water als een dichtheidsvergelijking

Wanneer een voorwerp in water wordt geplaatst, bepaalt de relatieve dichtheid van het voorwerp of het blijft drijven of zinkt. Als het voorwerp een lagere dichtheid heeft dan water, zal het naar de bovenkant van het water drijven. Een voorwerp met een hogere dichtheid zal zinken. Kurk bijvoorbeeld heeft een dichtheid van 240 kg/m3, dus zal het blijven drijven. Lucht heeft een dichtheid van ongeveer 1,2 kg/m3, dus stijgt het onmiddellijk naar de top van een waterkolom. De metalen natrium (970 kg/m3) en kalium (860 kg/m3) zullen beide op water drijven, terwijl lood (11.340 kg/m3) zal zinken.

Dichtheid: Een verhaal over Archimedes en de gouden kroonIs de kroon van puur goud? Een Griekse koning uit de oudheid wil weten of hij door een goudsmid is bedrogen. Hij roept Archimedes, die besluit de dichtheid te gebruiken om het metaal te bepalen. Maar hoe kan hij het volume van de kroon bepalen?

Liquids hebben de neiging laagjes te vormen wanneer ze aan water worden toegevoegd. De suikeralcohol glycerol (1.261 kg/m3) zal in het water zinken en een aparte laag vormen totdat het goed gemengd is (glycerol is oplosbaar in water). Plantaardige olie (ca. 900 kg/m3) zal op water drijven, en hoe krachtig ook gemengd, altijd als een laag op het wateroppervlak terugkeren (olie is niet oplosbaar in water).

De veranderlijke dichtheid van water

Water zelf is een gecompliceerd en uniek molecuul. Zelfs als de druk constant is, zal de dichtheid van water veranderen op basis van de temperatuur. Bedenk dat de drie basisvormen van materie vast, vloeibaar en gas zijn (plasma voorlopig buiten beschouwing gelaten). Als vuistregel geldt dat bijna alle materialen een grotere dichtheid hebben in vaste of kristallijne vorm dan in vloeibare vorm; plaats de vaste vorm van bijna elk materiaal op het oppervlak van zijn vloeibare vorm, en het zal zinken. Water, daarentegen, doet iets heel bijzonders: ijs (de vaste vorm van water) drijft op vloeibaar water.

Kijk eens goed naar het verband tussen de temperatuur van water en de dichtheid ervan. Beginnend bij 100 °C, neemt de dichtheid van water gestaag toe, tot 4 °C. Op dat punt keert de dichtheidstrend om. Bij 0 °C bevriest water tot ijs en drijft het.

De dichtheid van water bij constante drukIn deze tabel staan de dichtheden van water bij verschillende temperaturen en constante druk.

De implicaties van dit eenvoudige feit zijn enorm: wanneer een meer bevriest, vormt zich aan de oppervlakte een ijskorst die de vloeistof eronder isoleert tegen bevriezing, terwijl tegelijkertijd het koudere water (met een temperatuur van ca. 4 °C en een hoge dichtheid) naar de bodem kan zinken. Als het ijs niet zou drijven, zou het naar de bodem zinken, waardoor zich meer ijs zou vormen en zinken, totdat het meer vast zou vriezen! Duikers en zwemmers komen deze temperatuurgradiënten vaak tegen, en kunnen zelfs op de bodem van een meer een waterlaag tegenkomen met een temperatuur van ongeveer 4 °C. Dat is ongeveer zo koud als het meer op de bodem kan worden; zodra het water kouder wordt, wordt het vloeibare water minder dicht en stijgt het.

Lagen water in een winters meerTijdens de wintermaanden van seizoensgebonden klimaten is het warmste water in de meeste meren en rivieren slechts 4°C. Dit water van 4°C heeft de hoogste dichtheid en zinkt naar de bodem van het meer. Naarmate het water kouder wordt (<4°C), wordt het minder dicht en stijgt het op om ijs te vormen aan het oppervlak van het meer. Daardoor is er in de wintermaanden altijd vloeibaar water in meren en rivieren. Deze unieke eigenschap van water stelt dieren en planten in staat om onder het bevroren meer of in de winter te overleven, en zorgt ervoor dat niet alle zoetwaterleven elke winter uitsterft.

Bronnen tonen

“volume.”

http://en.wiktionary.org/wiki/volume
Wiktionary
CC BY-SA 3.0.

“Laboratoriumglaswerk.”

http://en.wikipedia.org/wiki/Laboratory_glassware
Wikipedia
CC BY-SA 3.0.

“Pycnometer.”

http://en.wikipedia.org/wiki/Pycnometer%23Pycnometer
Wikipedia
CC BY-SA 3.0.

“Volume.”

http://en.wikipedia.org/wiki/Volume
Wikipedia
CC BY-SA 3.0.

“Dichtheid.”

http://en.wikipedia.org/wiki/Density
Wikipedia
CC BY-SA 3.0.

“Anomale uitzetting van water Zomer Winter.”

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Anomalous_expansion_of_water_Summer_Winter.svg
Wikimedia
CC BY-SA 4.0.

“Eenvoudige maatbeker.”

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Simple_Measuring_Cup.jpg
Wikipedia
CC BY-SA.

“Labglaswerk.”

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lab_glassware.jpg
Wikipedia
CC BY-SA.

Leerdoel

Kernpunten

Termen