Densidade

Já parou para pensar por que um parafuso afunda quando colocado dentro de um copo d’água? A resposta é bem óbvia: o parafuso é mais pesado e afunda. Entretanto, e se colocarmos um cubo de gelo dentro deste copo, por que ele boia? É aí que entra a densidade, uma grandeza muito útil na identificação de compostos.

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O que é densidade?

A densidade, também chamada de massa volumétrica, de uma substância é equivalente à sua massa por unidade de volume. Isto é, trata-se da razão entre a massa da substância pelo espaço que ela ocupa. É simbolizada pela letra grega ρ (RO), ou simplesmente por D e é medida, no Sistema Internacional de Unidades (SI), em kg/m³. Ela pode ser facilmente calculada pela equação:

Em que,

• ρ: densidade, em kg/m³;
• m: massa da substância, em kg;
• V: volume da substância, em m³.

Apesar de ser expressa em kg/m³, de acordo com o SI, a densidade é comumente representada pela unidade de g/cm³ para os líquidos e sólidos (1 cm³ é equivalente a 1 mL). Já para os gases, a unidade mais comum é a de g/L.

Como pode ser visto pela equação, a densidade é diretamente proporcional à massa da substância, ou seja, quanto maior a massa de um composto, maior é sua densidade. A grandeza também é inversamente proporcional ao volume, indicando que quanto maior for o volume de um composto, menor é sua densidade. É por isso que o gelo bóia na água.

O gelo é a água solidificada. Ao passar pelo processo de fusão, ou seja, do estado líquido para o sólido, a água se expande significativamente (é o único líquido que se expande ao solidificar; os demais líquidos se contraem em condições semelhantes). Esta expansão é suficiente para aumentar o volume do cubo de gelo em relação à mesma quantidade (em massa) no estado líquido. Como volume e densidade são grandezas inversamente proporcionais, o maior volume do cubo de gelo faz com que ele tenha menor densidade que a água líquida e, por isso, ele flutua no copo.

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Fatores que afetam

• Temperatura: com exceção da água, quando uma substância – seja esta sólida ou líquida – é aquecida, ela sofre uma dilatação volumétrica. Sendo assim, sua densidade varia, se tornando menor do que quando o mesmo material está em uma temperatura menor.
• Pressão: quando gases sofrem alteração de pressão, seu volume é facilmente alterado. Portanto, além de depender da temperatura, a densidade dos gases depende também da pressão a quais estão submetidos.

Como vimos, toda variação de temperatura e pressão é suficiente para alterar a densidade de determinada substância. Por conta disso, uma maneira que os cientistas encontraram para “padronizar” estes valores, transformando-os em constantes que são utilizadas na identificação das substâncias. Assim, estabeleceu-se o valor exato da densidade em condições normais de temperatura e pressão (CNTP), ou seja, à 25ºC de temperatura e sob pressão de 1 atm.

Desta maneira, tendo dois copos com o exatamente o mesmo volume em ambos e nas CNTP, um de água e outro de álcool, é possível diferenciar um do outro pela diferença de densidade. O que for menos denso corresponde ao copo com álcool.

Densidade absoluta X Densidade relativa

Densidade absoluta é justamente o que vimos até agora, ou seja, a relação entre massa e volume dada pela letra grega ρ. Ela é intrínseca a uma substância. Já a densidade relativa é a razão entre a densidade absoluta de uma substância e a densidade absoluta de outra tomada como padrão.

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Geralmente, a água à 4°C é escolhida por conta de sua densidade ser exatamente 1 kg/m³. Portanto, a densidade relativa é adimensional devido ao quociente. Quando se diz que um material tem densidade relativa de 3, queremos dizer que ele é 3 vezes mais denso que a água.

Densidade de materiais

Como vimos, podemos caracterizar as substâncias de acordo com o valor de suas densidades em condições de temperatura e pressão determinadas. A título de curiosidade, vamos ver a densidade de alguns compostos, em g/cm³, na tabela:

Percebemos, então, que o gelo realmente flutua na água por ter menor densidade, assim como o óleo. Já o mercúrio, metal que é líquido à temperatura ambiente, é muito mais denso que a água (quase 14 vezes mais denso) e o cobre, fazendo com que o cobre flutue no mercúrio.

Vídeos sobre densidade

Vamos conferir agora alguns vídeos sobre a matéria para entendermos melhor sobre os conceitos envolvidos.

Experiência da ampulheta líquida

Este vídeo mostra uma maneira divertida de apresentar a diferença de densidade entre água e óleo com uma experiência fácil de fazer em casa.

Aulão para entender de vez o que é a densidade

Neste vídeo, há a aula mais completa sobre o tema com experimentos para facilitar no entendimento do conteúdo.

Exercícios de densidade

Neste vídeo, temos a resolução de alguns exercícios que envolvem a densidade.

O conceito de densidade é muito importante no cotidiano. Como no caso do controle de qualidade de combustíveis onde, por meio da densidade do etanol, é possível checar se houve alguma adulteração no produto pela adição de água. Não pare seus estudos por aqui, veja também um pouco mais sobre solubilidade para complementar seu conhecimento.

Referências