Universidad de Costa Rica

5a. Estudio de la densidad


Guía de experimentos de Química General

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Objetivos


Determinar la densidad de sólidos insolubles y más densos que el agua.

Determinar la densidad de un líquido y un gas.

Demostrar la utilidad que tiene la densidad en la identificación de sustancias.

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Introducción


 

La relación que existe entre la masa y el volumen se conoce como la densidad de una sustancia, y matemáticamente puede expresarse como:

$\rho = \frac{m}{V}$, en donde $\rho$ es la densidad, $m$ corresponde a la masa y $V$ al volumen.

Por ejemplo, el oro es más denso que el aluminio y el corcho, pues si se toma el mismo volumen de cada uno, la masa del oro es mayor que cualquiera de las otras dos.

La densidad es una propiedad física intensiva característica de cada sustancia, por lo que ayuda a identificarla o a describirla. En el sistema internacional de unidades (SI), la densidad es la relación de la masa expresada en gramos y el volumen expresado en centímetros cúbicos (g/cm3) o mililitros (g/mL).

Por su parte, la densidad de los gases se determina a temperatura y presión normal, TPN (25 °C y a 1 atm de presión), dado que los gases son muy sensibles a las variaciones de presión y temperatura. Por ser un valor muy pequeño, generalmente, se expresa en gramos por litro, así la densidad del aire es 1,293 g/L y la del oxígeno es 1,429 g/L a TPN.

La densidad de un líquido también varía con la temperatura, pero esa variación es mucho menor que en los gases; de igual forma, es necesario especificar la temperatura a la cual se midió la densidad de un líquido, mientras que el valor de la presión no constituye un dato de importancia. La densidad del alcohol etílico a 0 °C es de 0,81 g/mL, a 39 °C es 0,77 g/mL; la del agua es a 4 °C de 1,00 g/mL, y a 38 °C es 0,99 g/mL.

Por otra parte, la densidad de los sólidos es menos sensible a un cambio de temperatura, pero no debe omitirse mencionar este dato cuando se mide su densidad.

Procedimiento


Materiales

Cobre, zinc, hierro, aluminio, un objeto pequeño que el estudiante traerá a la práctica, hidrógeno carbonato de sodio (NaHCO3), ácido sulfúrico H2SO4 0,1 mol/L. Traer una tableta de Alka-Seltzer en su empaque.

Equipo

Buretas, prensas para buretas, tubos de ensayo, baño neumático, probetas, balanzas, termómetro y prensas universales.


A) Datos provenientes de la bibliografía química

Busque el valor de la densidad para las siguientes sustancias: cobre (Cu), zinc, (Zn), hierro (Fe), aluminio (Al) y otra sustancia de su elección.

Resultados

Antes de venir al laboratorio complete los siguientes datos:

Sustancia Densidad
Cobre  
Zinc  
Hierro  
Aluminio  
Sustancia:  

B) Determinación de la densidad

Además del objeto extra que usted trajo (clavos, balines, canicas, entre otros), escoja dos más de la lista anterior, mida la densidad de cada uno con el siguiente procedimiento. El objeto que debe traer al laboratorio no puede flotar en el agua, debe ser insoluble, compacto y no mayor de los 0,5 cm de diámetro.

Agregue agua a una bureta de 50,00 mL hasta aproximadamente la marca de 25,00 mL; pese el objeto y anote la masa. Registre la lectura de la bureta con dos decimales (lectura inicial) y agregue cuidadosamente el objeto dentro de la bureta, con cuidado de no romperla, de manera que el objeto quede cubierto completamente por el agua. Anote la nueva lectura (lectura final). Vacíe el agua de la bureta en un beaker y saque el objeto con cuidado de no romper la cristalería. Mida y escriba en su cuaderno la temperatura del agua en el beaker.

Repita el procedimiento para las otras dos sustancias. Registre los resultados en su cuaderno de laboratorio usando un esquema como el siguiente.

Temperatura del agua: ___________ °C.

Datos Sustancia 1 ________________ Sustancia 2 ________________ Sustancia 3 ________________
Masa (g)      
Lectura inicial (mL)      
Lectura final (mL)      
Volumen (mL)      
Densidad (g/mL)      

 

Compare el valor experimental con el que obtuvo en la parte A, y si difieren explique las posibles causas de esta diferencia.

Con base en los resultados obtenidos en las partes A y B explique si la densidad se puede utilizar para distinguir una sustancia de otra.

C) Examine dos muestras de líquidos designados solamente con las letras A y B

Mida con una bureta 10,00 mL de la sustancia A y viértala en un beaker, previamente pesado, y a continuación pese de nuevo el beaker con su contenido; anote la masa y calcule la densidad.

Repita el procedimiento con el líquido B. Anote en su libreta de laboratorio los datos usando el siguiente cuadro.

Datos Líquido A Líquido B
Masa del beaker + muestra (g)    
Masa del beaker vacío (g)    
Masa de muestra líquida (g)    
Volumen líquido de muestra (mL)    
Densidad del líquido (g/mL)    

D) Determinación de la densidad de un gas

Es más difícil medir la densidad de un gas que la de un líquido o un sólido. Los gases son difíciles de manejar y la mayor parte de ellos no tiene color.

Si se coloca hidrógeno carbonato de sodio (NaHCO3) en una disolución de ácido sulfúrico reacciona produciendo dióxido de carbono (un gas insoluble en agua), el cual sale de la disolución:

$NaHCO_{3(s)}+H_{2}SO_{4(ac)}\rightarrow H_{2}O_{(l)}+CO_{2(g)}$ (gas desprendido)

Arme el equipo como se muestra en la figura 5.1.

Equipo para recolectar CO2 gaseoso

Figura 5.1. Equipo para recolectar CO2 gaseoso.

Equipo para recolectar CO2 gaseoso

Figura 5.2. Equipo para recolectar CO2 gaseoso.

La probeta debe estar completamente llena de agua. Agregue 15 mL de agua en el tubo de ensayo grande y péselo, colóquelo de nuevo en la prensa universal. Asegúrese de que el tapón cierre herméticamente al colocarlo en el tubo de ensayo. Con el equipo ya armado, proceda a abrir el sobre de la tableta de Alka-Seltzer, pártala por la mitad, pese una de las partes, destape el tubo de ensayo y añada la media tableta recién pesada e inmediatamente después coloque el tapón en el tubo, proceda a recoger el gas en la probeta por desplazamiento del agua. Terminada la evolución del gas, lea el volumen de agua desplazada y determine la cantidad de CO2 desprendido. Pese de nuevo el tubo de ensayo y su contenido. Anote en su libreta de laboratorio los datos de acuerdo con el cuadro que se ofrece a continuación. Con los datos obtenidos, calcule la densidad del gas.

(A) Masa del tubo de ensayo + 15 mL agua (g)
(B) Masa de la media tableta de Alka-Seltzer (g)  
(C) Masa de A + B (g)  
(D) Masa del tubo de ensayo después de ocurrida la reacción (g)  
Masa del gas desprendido (C-D)  
Volumen del gas (mL)  

Cuestionario

1. ¿Se podría usar el procedimiento de la parte B para sólidos insolubles más livianos que el agua? Explique.

2. ¿Por qué la Alka-Seltzer desprende CO2 al ponerla en agua mientras que el NaHCO3 requiere ácido?

Bibliografía


Chaverri, G. Química General. Manual de Laboratorio. San José: Editorial Universidad de Costa Rica, 1983.