Introdução à Química
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Objectivo de Aprendizagem
- Descrever a relação entre densidade e volume
Key Points
- >ul>>>li> O volume de uma substância está relacionado com a quantidade da substância presente a uma temperatura e pressão definidas.
- O volume de uma substância pode ser medido em objectos de vidro volumétricos, tais como o frasco volumétrico e o cilindro graduado.
- Densidade indica a quantidade de uma substância que ocupa um volume específico a uma temperatura e pressão definidas. A densidade de uma substância pode ser utilizada para definir a substância.
- A água é invulgar porque quando a água congela, a sua forma sólida (gelo) é menos densa do que a água líquida, e assim flutua em cima da água líquida.
Termos
- densidadeUma medida da quantidade de matéria contida num determinado volume.
- volumeA unidade de medida tridimensional do espaço que compreende um comprimento, uma largura, e uma altura. É medida em unidades de centímetros cúbicos em métrica.
Volume e Densidade
As propriedades de um material podem ser descritas de muitas maneiras. Qualquer quantidade de qualquer substância terá um volume. Se tiver dois recipientes de água de tamanhos diferentes, cada um deles contém uma quantidade, ou volume, de água diferente. A unidade de volume é uma unidade derivada da unidade SI de comprimento e não é uma medida SI fundamental.
Se duas amostras de água tiverem volumes diferentes, ainda assim partilham uma medida comum: a densidade. A densidade é outra medida derivada das unidades básicas do SI. A densidade de um material é definida como a sua massa por unidade de volume. Neste exemplo, cada volume de água é diferente e, portanto, tem uma massa específica e única. A massa de água é expressa em gramas (g) ou quilogramas (kg), e o volume é medido em litros (L), centímetros cúbicos (cm3), ou mililitros (mL). A densidade é calculada pela divisão da massa pelo volume, de modo a que a densidade seja medida em unidades de massa/volume, muitas vezes g/mL. Se ambas as amostras de água estiverem à mesma temperatura, as suas densidades devem ser idênticas, independentemente do volume das amostras.
Ferramentas de medição
Se já cozinhou numa cozinha, provavelmente já viu algum tipo de copo de medição, o que permite ao utilizador medir volumes de líquidos com razoável precisão. O copo de medição expressa o volume de líquido nas unidades SI padrão de litros e mililitros. A maioria dos copos de medição americanos também medem líquido no sistema mais antigo de copos e onças.
Volumétricos
Cientistas que trabalham num laboratório devem estar familiarizados com os típicos objectos de vidro de laboratório, frequentemente chamados objectos de vidro volumétricos. Estes podem incluir copos, um frasco volumétrico, um frasco Erlenmeyer e um cilindro graduado. Cada um destes recipientes é usado num ambiente de laboratório para medir volumes líquidos para diferentes fins.
Densidade da Água
Diferentes substâncias têm densidades diferentes, pelo que a densidade é frequentemente utilizada como método para identificar um material. A comparação das densidades de dois materiais pode também prever a forma como as substâncias irão interagir. A água é utilizada como padrão comum às substâncias, e tem uma densidade de 1000 kg/m3 à Temperatura e Pressão Padrão (chamada STP).
Utilizar Água como Comparação de Densidade
Quando um objecto é colocado na água, a densidade relativa do objecto determina se este flutua ou se afunda. Se o objecto tiver uma densidade inferior à da água, flutuará até à parte superior da água. Um objecto com uma densidade mais alta afundar-se-á. Por exemplo, a cortiça tem uma densidade de 240 kg/m3, pelo que flutuará. O ar tem uma densidade de aproximadamente 1,2 kg/m3, pelo que sobe imediatamente para o topo de uma coluna de água. Os metais sódio (970 kg/m3) e potássio (860 kg/m3) flutuarão ambos na água, enquanto o chumbo (11.340 kg/m3) afundar-se-á.
Líquidos tendem a formar camadas quando adicionados à água. O glicerol de álcool de açúcar (1,261 kg/m3) afundar-se-á na água e formará uma camada separada até ser completamente misturado (o glicerol é solúvel na água). O óleo vegetal (aprox. 900 kg/m3) flutuará na água, e por muito vigorosamente misturado, voltará sempre como uma camada à superfície da água (o óleo não é solúvel na água).
A densidade variável da água
A própria água é uma molécula complicada e única. Mesmo que a pressão seja consistente, a densidade da água irá mudar com base na temperatura. Recordar que as três formas básicas de matéria são sólida, líquida e gasosa (ignorar, por enquanto, o plasma). Como regra geral, quase todos os materiais são mais densos na sua forma sólida ou cristalina do que na sua forma líquida; coloque a forma sólida de quase todos os materiais na superfície da sua forma líquida, e esta irá afundar-se. A água, por outro lado, faz algo muito especial: o gelo (a forma sólida da água) flutua sobre a água líquida.
Leve cuidadosamente a relação entre a temperatura da água e a sua densidade. A partir dos 100 °C, a densidade da água aumenta constantemente, até aos 4 °C. Nesse momento, a tendência da densidade inverte-se. A 0 °C, a água congela ao gelo e flutua.
As implicações deste simples facto são enormes: quando um lago congela, o gelo crista à superfície e isola o líquido abaixo de congelar, ao mesmo tempo que permite que a água mais fria (com uma temperatura de aproximadamente 4 °C e uma alta densidade) se afunde até ao fundo. Se o gelo não flutuasse, afundaria até ao fundo, permitindo que mais gelo se formasse e afundasse, até que o lago congele sólido! Mergulhadores e nadadores encontram frequentemente estes gradientes de temperatura da água, e podem até encontrar uma camada de água no próprio fundo de um lago com uma temperatura de aproximadamente 4 °C. Isto é quase tão frio como o lago vai ficar no fundo; assim que a água fica mais fria, a água líquida torna-se menos densa e sobe.
