Relatório da densidade e densidade relativa

Densidade e Densidade Relativa

Física e Química A

Professora: Teresa Ferreira

Relatório elaborado por: Andreia Nunes, n.º 7

Fogueteiro, 21 de Janeiro de 2006

Densidade e densidade relativa – Física e Química A

p.  Objectivos ............................................................................................................................ 2  Introdução Teórica ........................................................................................................... 2  Parte Experimental:  Material ..................................................................................................................... 6  Procedimento (Parte I) .........................................................................................7  Tratamento de Resíduos (Parte I) ..................................................................... 8  Procedimento (Parte II) ........................................................................................8  Tratamento de Resíduos (Parte II) ................................................................. 8  Registo e Tratamento de Resultados (Parte I) ...........................................................9  Registo e Tratamento de Resultados (Parte II) .........................................................11  Conclusão e Crítica .............................................................................................................13  Bibliografia ........................................................................................................................ 14  Avaliação ........................................................................................................................... 15

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A

Com esta actividade prático-laboratorial, desejamos aplicar os conhecimentos teóricos que adquirimos nas aulas referentes à densidade e à densidade relativa. Temos, ainda, como propósito aperfeiçoar a nossa capacidade de lidar com problemas experimentalmente, neste caso concreto, pretendemos estudar os procedimentos através dos quais é possível determinar a massa volúmica e a densidade relativa do chumbo e do álcool etílico. Como último objectivo, queremos contactar com novo material de laboratório, como é o caso do picnómetro, conhecer as regras para seu correcto manuseamento e constatar a sua utilidade.

À medida que os elementos químicos iam sendo descobertos, verificou-se a existência de determinadas semelhanças no que toca às suas propriedades, tanto físicas como químicas, o que obrigou a comunidade científica a tentar organizá-los consoante essas semelhanças. O resultado dessa organização é a Tabela Periódica actual (Imagem 1). Na actual tabela periódica, os elementos encontram-se organizados em 18 grupos (colunas), que nos fornecem indicações acerca do número de electrões de valência, e 7 períodos (linhas), que nos informam acerca do número de níveis de energia do elemento. As propriedades físicas e o comportamento químico dos elementos são idênticos num mesmo grupo, por exemplo: todos os elementos pertencentes ao grupo dos metais alcalinos (grupo 1) têm propriedades semelhantes.

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A

Imagem 1 – Aspecto da Tabela Periódica actual. A amarelo encontram-se representados os metais, a verde os semimetais, a rosa os não-metais e a azul os gases nobres.

Para além da periodicidade de propriedades físicas e químicas ao longo dos grupos e períodos, existe, tambémm periodicidade no que toca ao raio atómico, ao raio iónico e à energia de ionização. Podemos ainda referir a variação da densidade (Imagem 2), do ponto de fusão e do ponto de ebulição (Imagem 3) ao longo da tabela periódica, embora esta variação não seja tão linear como as propriedades anteriores.

Densidade

Imagem 2 – Variação da densidade ao longo da tabela periódica. Os elementos de maior densidade estão situados na parte central e inferior da tabela

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Variação do PF e PE. Imagem 3 – Variação do ponto de fusão e do ponto de ebulição. Nos grupos 1, 2, 12, 13 e 14 o ponto de fusão e de ebulição diminui ao longo do grupo, nos restantes aumenta. Nos períodos, aumenta das extremidades para o centro.

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A O ponto de fusão, o ponto de ebulição e a densidade são constantes físicas que podem ser determinadas através de ensaios químicos específicos, permitindo-nos identificar a substância em causa assim como o seu grau de pureza, comparando os valores obtidos com valores tabelados, já obtidos pela comunidade científica para vários materiais, pois estas são grandezas físicas características de cada substância. A densidade ou massa volúmica,  , é uma grandeza física que se define como sendo a propriedade da matéria que nos permite conhecer a quantidade de massa existente num dado volume (Ex:  Alumínio  2,7 g / cm3 , isto é, cada cm3 de alumínio tem 2,7g de massa) sendo, portanto, determinada através do quociente entre a massa, m, e o volume, v, do objecto considerado, como sugere a seguinte fórmula: [1]  

m . Tendo esta definição em conta, posso inferir que um corpo é v

mais denso do que outro se ocupar menor volume e tiver igual massa e, de uma forma análoga, um corpo é mais denso se ocupar o mesmo volume e tiver maior massa. A unidade em que é expressa a massa volúmica segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI) é o kg/m3, apesar de se utilizar também o g/cm3 para sólidos e líquidos e o g/dm3 para gases. A densidade relativa, d, é uma constante física que estabelece uma comparação entre a densidade de um determinado elemento com a densidade de outro, como sugere a seguinte equação: [2]

d

X . O resultado é apresentado Y

sem qualquer unidade, já que a densidade relativa é uma grandeza adimensional. Nos sólidos e nos líquidos, é comum utilizar a água destilada a 4ºC como padrão para determinar a densidade relativa destes, uma vez que a densidade da água a esta temperatura é 1g/cm3, logo a densidade relativa e a massa volúmica são expressas pelo mesmo valor numérico. No entanto, para determinar a densidade relativa de gases, toma-se como padrão a densidade do ar atmosférico ou do hidrogénio, quando estes se encontram à temperatura de 0ºC e à pressão de 1 atm. Podemos

d

comprovar

o

que

foi

dito

através

do

seguinte

exemplo:

 Ferro 7,8 g / cm3 d  d  7,8 , ou seja, o ferro é 7,8 vezes mais denso do que  Água 1g / cm3

a água.

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A Aquando das determinações laboratoriais da massa volúmica e da densidade relativa há que ter em consideração as condições ambientais, nomeadamente a pressão atmosférica e a temperatura, pois se essas não forem iguais àquelas em que foram determinados os valores que hoje se encontram tabelados, vão existir diferenças. Para determinar a essas grandezas físicas existem diversos materiais de laboratório como provetas, densímetros, balanças e picnómetros. Na nossa aula experimental, utilizámos a balança de precisão juntamente com o picnómetro de sólidos e de líquidos, pelo que vou incidir um pouco sobre estes instrumentos. As balanças são utilizadas para medir a massa de um corpo, sendo essa medição expressa em kg segundo a unidade de massa do SI. Numa balança de precisão deve obter-se sempre o mesmo valor para a massa do objecto, quando se repete a operação, no entanto essas medições estão sujeitas a erros resultantes dos mais variados factores. Os picnómetros (Imagem 4), por sua vez, são materiais de vidro de grande precisão, utilizados para determinar a densidade relativa de um líquido ou de um sólido.

Imagem 4 – Picnómetro de líquidos à esquerda e picnómetro de sólidos à direita.

As medições efectuadas pelos picnómetros e pelas balanças são depois utilizadas para calcular a densidade relativa através do quociente entre a massa, m, de um dado objecto e a massa, m’, da água que tenha o mesmo volume desse objecto: [3]

d

m , em que [4] m'  M  M ' , sendo M a massa do picnómetro com m'

água e o objecto, e M’ a massa do picnómetro com água e o objecto no seu interior. As fórmulas [3] e [4] são apenas utilizadas para determinar a densidade relativa de materiais sólidos, pois para determinar a densidade relativa de líquidos há que dividir

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A a densidade,  , do líquido pela densidade,  ' , da água à temperatura de 4ºC: [5]

d

 , onde [6] '



M m , sendo M a massa do picnómetro cheio de líquido, m v

a massa do picnómetro vazio e v a capacidade do picnómetro. Na aula experimental determinámos a densidade relativa do chumbo e do álcool etílico. O chumbo é um elemento de símbolo químico Pb, número atómico 82, massa atómica 207,2 e densidade 11,34 g/cm3. Pertence ao grupo 14 e ao 6º período. É um metal tóxico, pesado, macio, maleável, mau condutor eléctrico e sólido á temperatura ambiente. O álcool etílico (C2H5OH) é um derivado do etano, é bastante inflamável, evapora-se facilmente, tem um grande poder bactericida e solubilizante e encontra-se líquido à temperatura ambiente. A sua densidade varia entre os 0,79 e os 0,82 g/cm3 dependendo da pureza do álcool.

Material 1. Picnómetro de Sólidos (25ml,  2,5 ml); 2. Picnómetro de Líquidos (25ml,  2,5 ml); 3. Vidro de Relógio; 4. Termómetro; 5. Barómetro; 6. Esguicho; 7. Balança (  0,00g); 8. Papel Absorvente; 9. Água destilada; 10. Esferas de Chumbo;

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A 11. Álcool Etílico (96º volume, 0,25l. Constituição: etanol 96% v/V parcialmente desnaturado com Cetrimida 0,27g. Regras e Segurança: facilmente inflamável – R11, manter fora do alcance das crianças – S2, manter o recipiente bem fechado – S7, manter afastado de qualquer fonte de ignição – S16, não fumar.)

Procedimento (Parte I) Picnómetro de sólidos + água destilada até ao traço de referência

+

Esferas de Chumbo

Determinar massa m

Determinar a densidade relativa, d, do chumbo

Determinar massa M

Introduzir

Determinar massa M’

Nota: Este diagrama de blocos está organizado por ordem de execução de tarefas, logo as primeiras tarefas encontram-se na zona superior e as últimas na zona inferior. As setas roxas representam as variáveis que são utilizadas para calcular a densidade relativa.

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Tratamento de Resíduos (Parte I) A água destilada foi despejada na rede de esgotos domésticos, os papéis absorventes foram descartados para o lixo comum e o chumbo foi colocado dentro do seu recipiente, tendo sido posteriormente armazenado.

Procedimento (Parte II) Picnómetro de Líquidos

Medir a massa, m, e registar a capacidade, v

Álcool Etílico

+

Determina-se a massa M

Determinar a densidade do Álcool Etílico

Água destilada a 4ºC

Em relação à

Determinar a densidade, d, do Álcool Etílico

Tratamento de Resíduos (Parte II) O álcool etílico foi despejado na rede de esgotos domésticos e os papéis absorventes foram descartados para o lixo comum.

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A

(Parte I) RESULTADOS DA DETERMANIÇÃO DA DENSIDADE DO CHUMBO UTILIZANDO UM PICNÓMETRO DE SÓLIDOS

MASSA DO VIDRO DE RELÓGIO: 20,18g MASSA DO CONJUNTO PICNÓMETRO COM ÁGUA E ESFERAS DE CHUMBO: Massa M (g) 52,11 52,11 52,11 52,11

Ensaio 1 2 3 Valor médio

Desvio em relação ao valor médio |52,11 -52,11| =0,00 |52,11 -52,11| =0,00 |52,11 -52,11| =0,00 Incerteza Absoluta = 0,00

Tabela 1

Margem de Erro: 52,11 g  0,00 g Incerteza Relativa =

0,00  100  0% 51,03

Na determinação da massa do conjunto picnómetro com água e esferas de chumbo cometemos um erro de 0,00g, ou seja, 0%, correspondendo este erro ao erro da balança. Podemos considerar a medição precisa uma vez que as medições são bastante próximas.

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A MASSA DO VIDRO DE RELÓGIO: 20,18g MASSA DAS ESFERAS DE CHUMBO: Massa m (g) 0,85 0,85 0,86 0,85

Ensaio 1 2 3 Valor médio

Desvio em relação ao valor médio |0,85 – 0,85| = 0,00 |0,85 – 0,85| = 0,00 |0,85 – 0,86| = 0,01 Incerteza Absoluta = 0,01g

Tabela 2

Margem de Erro: 0,85g  0,01 g Incerteza Relativa =

0 ,01  100  1, 18  1% 0 , 85

Na determinação da massa das esferas de chumbo cometemos um erro de 0,01g, ou seja, 1%. Esta medição é considerada uma medição precisa, visto que as medições são bastante próximas, no entanto, ocorreu um erro acidental, pois são estes erros que influenciam a precisão de uma medição, tendo este erro sido provocado, provavelmente, por uma corrente de ar ou por um estremecimento da mesa de trabalho. MASSA DO PICNÓMETRO COM ÁGUA E AS ESFERAS DE CHUMBO NO SEU INTERIOR: Massa M’ (g) 52,04 52,04 52,04 52,04

Ensaio 1 2 3 Valor médio

Desvio em relação ao valor médio |52,04 – 52,04| = 0,00 |52,04 – 52,04| = 0,00 |52,04 – 52,04| = 0,00 Incerteza Absoluta = 0,00

Tabela 3

Margem de Erro: 52,04 g  0,00 g Incerteza Relativa =

0,00  100  0% 52,04

Na determinação da massa do picnómetro com água e esferas de chumbo no seu interior cometemos um erro de 0,00g, ou seja, 0%, correspondendo este erro ao erro da balança. Podemos considerar a medição precisa uma vez que as medições são bastante próximas.

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A PRESSÃO ATMOSFÉRICA: 772 ml de mercúrio TEMPERATURA DA ÁGUA: 15ºC Utilizando a fórmula [4] temos:

m'  M  M'  m'  52,11g  52,04g  m'  0,07 g Utilizando a fórmula [3] obtemos a seguinte igualdade:

d

m 0,85 d  d  12 ,14  12 , logo as esferas de chumbo são 12 vezes mais m' 0,07

densas do que a água. O valor obtido é diferente do valor tabelado para a densidade do chumbo que é 11,34g/cm3, devendo-se esta diferença à diferente pressão atmosférica e temperatura em que foi realizada a determinação da densidade do chumbo que se encontra tabelada e a que se fazia sentir aquando da realização da nossa determinação experimental.

(Parte II) RESULTADOS DA DETERMANIÇÃO DA DENSIDADE DO ÁLCOOL ETÍLICO UTILIZANDO UM PICNÓMETRO DE LÍQUIDOS

CAPACIDADE DO PICNÓMETRO (v): 25ml = 0,025l = 0,025 dm3 = 25cm3 MASSA DO PICNÓMETRO VAZIO: Massa m (g) 13,57 13,57 13,57 13,57

Ensaio 1 2 3 Valor médio

Desvio em relação ao valor médio |13,57 – 13,57| = 0,00 |13,57 – 13,57| = 0,00 |13,57 – 13,57| = 0,00 Incerteza Absoluta = 0,00

Tabela 4

Margem de Erro: 13,57 g  0,00 g Incerteza Relativa =

0,00  100  0% 13 , 57

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A Na determinação da massa do picnómetro de líquidos vazio cometemos um erro de 0,00g, ou seja, 0%, correspondendo este erro ao erro da balança. Podemos considerar a medição precisa uma vez que as medições são bastante próximas. MASSA DO PICNÓMETRO CHEIO DE ÁLCOOL ETÍLICO: Massa M (g) 34,85 34,85 34,85 34,85

Ensaio 1 2 3 Valor médio

Desvio em relação ao valor médio |34,85 – 34,85| = 0,00 |34,85 – 34,85| = 0,00 |34,85 – 34,85| = 0,00 Incerteza Absoluta = 0,00

Tabela 5

Margem de Erro: 34,85 g  0,00 g Incerteza Relativa =

0,00  100  0% 34 , 85

Na determinação da massa do picnómetro cheio de álcool etílico cometemos um erro correspondente ao erro da balança, isto é, 0,00g ou 0%. Podemos considerar esta medição precisa uma vez que todas as medições efectuadas apresentam o mesmo valor. PRESSÃO ATMOSFÉRICA: 772 ml de mercúrio TEMPERATURA DA ÁGUA: 15ºC ’= Água (4ºC): 1g/cm3 Utilizando a fórmula [6] temos:



Mm 34 , 85g  13 , 57g 21, 28g      0 , 8512  0 ,9g / cm3 3 v 25cm 25cm3

Utilizando a fórmula [5] obtemos a seguinte igualdade:

d

 0,9g / cm3 d  d  0,9 , logo o álcool etílico é 0,9 vezes mais denso do ' 1g / cm3

que a água. O valor obtido é diferente do valor tabelado para a densidade do álcool etílico que varia entre os 0,79 e os 0,82 g/cm3 dependendo da pureza do álcool, devendo-se esta diferença à diferente pressão atmosférica e temperatura em que foi realizada a determinação da densidade do álcool etílico que se encontra tabelada e a que se fazia sentir aquando da realização da nossa determinação experimental.

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Densidade e densidade relativa – Física e Química A

Com a realização desta actividade prático-laboratorial, cumprimos os nossos objectivos iniciais, tais como a aplicação dos conceitos aprendidos referentes à massa volúmica e à densidade relativa, contactámos de perto com materiais até aí desconhecidos, como o picnómetro, e ficámos a conhecer as formas de determinar a densidade e a densidade relativa utilizando materiais de laboratório e fórmulas. Para além disso, com este trabalho prático, pudemos constatar a veracidade das várias informações adquiridas nas aulas. Ao longo da realização desta experiência, pudemos verificar que a densidade relativa e a densidade são constantes físicas características das diferentes substâncias e que os seus valores se encontram nas tabelas periódicas. Constatámos que estas constantes físicas são determinadas utilizando diferentes materiais de laboratório consoante o seu estado físico, por exemplo, a densidade do álcool foi determinada utilizando o picnómetro de líquidos, enquanto que a massa volúmica do chumbo foi medida utilizando o picnómetro de sólidos. Através dos resultados obtidos, podemos concluir que o chumbo é mais denso do que a água e do que o álcool etílico, enquanto que o álcool etílico é 0,9 vezes mais denso do que a água, isto, porque para o mesmo volume existe uma maior quantidade de massa. Contudo, estes resultados são diferentes dos valores tabelados, o que sugere que tenham sido cometidos erros, o que é muito provável, no entanto, existem outros factores para essas diferenças, remetendo-nos esses factores para a nossa última conclusão. A nossa conclusão final foi que as condições de pressão e de temperatura influenciam a massa volúmica e a densidade relativa, devido a esse facto é que os valores obtidos são diferentes dos valores tabelados, embora próximos. Durante a actividade prática deparámo-nos com algumas dificuldades na determinação da densidade do chumbo, mas isso apenas se verificou quando utilizámos as esferas pequenas, o que nos leva a crer que o material daquelas esferas não fosse chumbo. Tirando esses imprevistos, tudo correu de forma normal e conforme o planeado.

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MACIEL, Noémia et alli, Eu e a Química Física e Química A

Química 10.ºano, s.l.,

Porto Editora, 2003, 287pp. RODRIGUES, M. Margarida et alli, «1.3 Propriedades físicas e químicas dos materiais – Massa volúmica de uma substância» in Ciências na Nossa Vida

Transformação Ciências Físicas e Naturais

Terra em

CIÊNCIAS FÍSICO-QUÍMICAS

3.º Ciclo, 1.ª Edição, s.l., Porto Editora, 2002, 1.ª Tiragem – 15000 exemplares, pp. 39-42. http://www.icb.ufmg.br/cecologia/aula_ex.htm, 15/01/06 http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_vol%C3%BAmica, 15/01/06 http://quimica-na-web.planetaclix.pt/curricul/plano2/densidade.pdf, 15/01/06 http://form.ccems.pt/cfq/Eureka!/Eureka!.html, 15/01/06 http://esdjccg.prof2000.pt/a/052/10_Ano_TLQ/Relat%C3%B3rio%20sobre%20 massa,%20volume%20e%20densidade.doc, 15/01/06 http://www.rossetti.eti.br/dicuser/detalhe.asp?vini=16&vfim=16&offset=50&vcod igo=512, 15/01/06 http://pt.wikipedia.org/wiki/Chumbo, 15/01/06 http://www.angelfire.com/al/Geografia/glossario.html, 15/01/06 http://www.chemkeys.com/bra/md/eddns_2/adddds_3/proexp_2/proexp_2.htm , 15/01/06 http://fisica.cdcc.sc.usp.br/olimpiadas/97/97_3.htm, 15/01/06 www.furg.br/furg/projet/embalagens/quatro/bebidas.html, 15/01/06 http://www.rossetti.eti.br/dicuser/detalhe.asp?vini=4&vfim=4&vcodigo=136, 18/01/06 http://www.esec-tomas-cabreira.rcts.pt/tabelaperiodica/, 18/01/06 http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/periodicidade_quimica.htm, 18/01/06 http://www.geocities.com/Area51/Hollow/9495/propried.htm, 18/01/05

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NOTA PROCESSUAL: _______________

OBSERVAÇÕES: _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________.

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