Densidade

A massa volúmica ou massa volumétrica, define-se como a propriedade da matéria correspondente à massa contida por unidade de volume, ou seja, a proporção existente entre a massa de um corpo e seu volume. Desta forma pode-se dizer que a massa volúmica mede o grau de concentração de massa em determinado volume.
Densidade é a relação entre a massa volúmica da matéria em causa e a massa volúmica de matéria de referência (a água é geralmente tomada como referência). É uma grandeza adimensional, devido ao quociente. Quando se diz que um corpo tem uma densidade de 5, quer dizer que tem uma massa volúmica 5 vezes superior à da água (no caso dos sólidos e líquidos).
As designações de densidade absoluta e densidade relativa, por vezes utilizados na língua portuguesa como sinónimos de massa volúmica, devem ser evitadas, devido à confusão e ambiguidade que podem originar. Na língua inglesa, o nome "density" designa massa volúmica, pelo que não deve ser traduzido para "densidade".
A densidade da água à pressão normal e à temperatura de 25 ºC, é de 1,00 g/cm³, e a 4 ºC, onde se atinge sua densidade máxima, é de 1,03 g/cm³.
O gelo ou, água no estado sólido, possui uma massa volúmica inferior àquela apresentada pela água em seu estado líquido (0,97 g/cm³), propriedade rara nos líquidos, que se explica pela polaridade da molécula da água e pelo aumento da distância média entre partículas.
Para definir a densidade nos gases utiliza-se como massa volúmica de referência o ar, que nas condições normais de temperatura e pressão (PTN) (temperatura de 0 °C e pressão atmosférica 101 325 Pa) corresponde a 1,2928 kg/m3.
Quando se aumenta a temperatura de um determinado fragmento de matéria, tem-se um aumento do volume fixo desta, pois haverá a dilatação ocasionada pela separação dos átomos e moléculas. Ao contrário, ao se diminuir a temperatura, tem-se uma diminuição deste volume fixo. A quantidade de massa existente num dado volume é chamada de massa volúmica.
Quando a matéria se expande, sua massa volúmica diminui e quando a matéria se contrai, sua massa volúmica aumenta. Com este conceito tem-se uma unidade de medida, que pode ser dada em gramas (g) por centímetros cúbicos(cm3).
Por convenção:
1 centímetro cúbico de água, tem a massa de um grama, ou 1g/cm3.
No caso dos gases, sua massa volúmica difere dos líquidos, e, por conseqüência dos sólidos. Nos gases, suas moléculas estão separadas devido à temperatura que está acima da temperatura de ebulição do líquido correspondente. Microscopicamente, isto corresponde dizer que nos gases a atração entre as moléculas e/ou átomos que os compõem não são suficientemente intensas frente à energia cinética desses mesmos constituintes para mantê-los próximos. Nos líquidos e nos sólidos, contudo, as moléculas e átomos estão muitíssimo próximas.
Tomando-se como exemplo hidrogênio gasoso, comparado à água, nas condições normais de temperatura e pressão, tem-se uma massa volúmica de 9 × 10-5 g/cm3, e a água é 11000 vezes mais densa que o elemento. No espaço sideral, tem-se uma massa volúmica média aproximada de um átomo de hidrogênio por centímetro cúbico, ou 17 x 10-25 g/cm³.
A massa volúmica depende da massa dos átomos ou moléculas individuais e do volume efetivo ocupado pelas mesmas, seja no sólido, no líquido ou no gás. Se uma dada substância, em qualquer estado físico, apresenta massa molecular cinco vezes maior que outra nas mesmas condições de temperatura, pressão e outras coordenadas, a massa volúmica da primeira será cinco vezes maior que a da segunda.
A unidade mais conhecida é gramas por mililitro (g/mL, embora a densidade padrão pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) seja o quilograma por metro cúbico (kg/m3).
A densidade não é mais do que uma divisão da massa da substância em questão pelo volume da mesma.
Pode-se descobrir a densidade da água com o sal, açúcar, madeira, isopor, ferro, alumínio, chumbo, dividindo a massa pelo volume de cada elemento.

A densidade nos informa se a substância de que é feito um corpo é mais, ou menos compacta: os corpos que possuem muita massa em pequeno volume, como os de ouro e de platina, apresentam grande densidade. Corpos que possuem pequena massa em grande volume, como os de isopor, cortiça e os gasosos em geral, apresentam pequena densidade.Se colocarmos em uma balança um litro de sangue e depois um litro de água, eles apresentarão a mesma massa? Se fizermos a experiência iremos verificar que há mais massa em um litro de sangue do que em um litro de água. Isso significa que a matéria está mais concentrada no sangue do que na água, tanto que, em um litro, cabe mais sangue do que água. Embora o volume do sangue e de água seja o mesmo, a densidade do sangue é maior que a da água.Por definição, a densidade de um corpo é o quociente de sua massa pelo volume delimitado por sua superfície externa.
O que ‘pesa’ mais: um quilograma de chumbo ou de penas de galinha? A pergunta refere-se a uma pegadinha popular. Tanto o chumbo como as penas têm o mesmo peso ou, cientificamente falando, a mesma massa.
Então, por que será que esta pegadinha engana ainda muita gente? Para esclarecer a dúvida é preciso entender bem o conceito de densidade.

A densidade é a razão da massa pelo volume de um corpo. Trata-se de uma propriedade física que permite a identificação de uma substância ou material.
Tanto a massa como o volume são duas grandezas extensivas. Isto significa que seu valor depende do tamanho do corpo. Por exemplo, um litro de água irá ter a massa e o volume bem menores que toda a água de uma piscina olímpica. Contudo, a razão entre estas duas propriedades extensivas, massa e volume, resulta em uma propriedade intensiva, ou seja, que independe do tamanho da amostra. Considerando o mesmo exemplo da água, tanto a presente em um litro como a da piscina, nas mesmas condições de temperatura, terão densidades equivalentes.
A unidade da densidade é composta por uma unidade de massa dividida por uma de volume. Assim, podemos representá-la, por exemplo, por g/cm³ (leia-se: grama por centímetro cúbico), g/L (leia-se: grama por litro), kg/L (leia-se: quilograma por litro), etc.
A densidade de um corpo depende de vários fatores. O primeiro, e o mais importante, é de qual ou quais elementos o corpo é constituído. Dos elementos conhecidos na tabela periódica, o ósmio é o mais denso, com um valor de 22,6 g/cm³ (leia-se: vinte e dois virgula seis gramas por centímetro cúbico). Já o menos denso é o hidrogênio, o qual possui valor igual a 0,08 g/cm³ (leia-se: zero vírgulazero oito grama por centímetro cúbico).
Na Tabela periódica dos elementos, a densidade cresce nas famílias de cima para baixo.Já nos períodos ela cresce das extremidades para o centro da tabela.
Outro fator que afeta a densidade é a temperatura. Um aquecimento, por exemplo, provoca, na maioria dos materiais, um aumento de volume e isto interfere no valor da densidade. Para os gases, além da temperatura, consideramos também influência da pressão.
Mudanças de estado físico também provocam alterações no valor de densidade de uma substância. A água, por exemplo, no estado líquido, a uma temperatura de 4 °C (leia-se quatro graus Celsius) tem densidade de aproximadamente 1 g/cm³ (leia-se: um grama por centímetro cúbico).
Já no estado sólido, abaixo da temperatura de congelamento, ela assume densidade de aproximadamente 0,92 g/cm³ (leia-se: zero vírgula noventa e dois grama por centímetro cúbico). Isto permite, por exemplo, que o gelo flutue na água. O mesmo não acontece com a parafina, que no estado sólido é mais densa que em seu estado líquido.
Você pode fazer um experimento em sua própria casa que te ajudará a entender este conceito tão importante para os vestibulares e para a sua vida: a relação da densidade com a flutuação. Pegue um copo, de preferência transparente, e coloque água até preencher sua metade.
Então, coloque uma rolha de cortiça e um pedaço de chumbo, de tamanhos semelhantes, no copo. Após isto, você observará que a rolha flutua, enquanto o pedaço de chumbo afunda. Isto acontece porque a cortiça é menos densa que a água e, então, flutua. Já o chumbo, mais denso, permanece no fundo do copo.
No mar morto, por exemplo, ao contrário da maioria das águas do mundo, nós podemos boiar sem esforço. Isto é possível devido à concentração de sal na água, cerca de 10 vezes mais do que normalmente se encontra nas águas salgadas dos oceanos.
Imagine-se na seguinte situação. Você é desafiado a determinar do que é feito um parafuso. Sabe-se, de antemão, que ele é feito de apenas um tipo de metal. Você dispõe de um balança, uma calculadora, uma tabela de densidade de metais e uma proveta de 100 mL (leia-se: cem mililitros), que nada mais é que um cilindro de vidro com graduação de volume. O que você faria para responder ao desafio?
Como vimos, uma das formas de identificar um tipo de substância é por meio da densidade. Para se ter a densidade, precisamos da massa e do volume do corpo a ser analisado.
Com a balança, obtemos a massa do parafuso. Recomenda-se um com massa superior a cem gramas. Mas e o volume? Basta adicionar água à proveta até a metade de sua capacidade. Observa-se o nível de água e o respectivo volume. Coloca-se o parafuso e se observa a diferença que a adição causa no volume. A diferença entre o volume inicial e final será o volume do parafuso.
Tendo-se a massa e o volume do parafuso, obtém-se a densidade e, com ela, procura-se na tabela de densidades de metais e associase ao valor mais próximo. Digamos que a massa do parafuso seja 157,5 g e que o volume do parafuso seja de 20 mL. Calculandose a razão entre a massa e o volume, teríamos a densidade de 7,87 g/mL, a qual corresponde ao metal ferro.

Curvas de aquecimento

Um levantamento de dados muito útil na química é a chamada curva de aquecimento. Pega-se uma amostra no estado sólido a uma determinada temperatura e submete-se a mesma a um aquecimento constante. A amostra sólida vai aquecendo até que começa a fundir. Transformada em líquido continua aquecendo até entrar em ebulição. Mesmo depois de transformada em gás, pode continuar sendo aquecida. Tomando nota das temperaturas de tempos em tempos, podemos construir o seguinte gráfico:--------->
É importante notarmos dois patamares de temperatura: um corresponde ao ponto de fusão e o outro ao de ebulição. Lembre-se de que durante o processo de solidificação ou liquefação, assim como no de condensação ou vaporização, a temperatura permanece constante.Outra coisa a ser lembrada: em temperaturas inferiores ao ponto de fusão a amostra é sólida; em temperatura entre o ponto de fusão e o de ebulição é líquida; em temperaturas acima do ponto de ebulição a amostra á gasosa. Exatamente no ponto de fusão coexistem as fases sólida e líquida e, exatamente no ponto de ebulição coexistem as fases líquida e gasosa.Perceba que, se eu pedir a você um copo com água exatamente a 0oC e você não dispuser de um termômetro, pode fazer o seguinte: coloque bastante gelo em um copo e complete com água. Após alguns instantes (para que o equilíbrio térmico seja atingido) se existir ao mesmo tempo água líquida e gelo, você saberá que a temperatura é exatamente o ponto de fusão, ou seja, 0°C!

Misturas

O levantamento da curva de aquecimento também nos dá outra informação importante. Ela nos diz se nossa amostra é uma substância pura ou uma mistura. Como? Pela análise dos patamares que se formam no PF (ponto de fusão) e PE (ponto de ebulição).Se ambos - PF e PE - apresentarem temperatura constante, como no gráfico anterior, podemos afirmar que a amostra é uma substância pura. Se um deles ou os dois apresentarem variação, trata-se de uma mistura.

Classificando as misturas

Uma vez identificada que a amostra é uma mistura, analisando a curva de aquecimento podemos ainda classificá-la como simples, eutética ou azeotrópica. Quando a mistura apresenta variação nos dois patamares, PF e PE, a mistura é simples. Quando a variação é em apenas um patamar, ou seja, apenas o PE ou o PF variam, a classificação é a seguinte:
PF constante - mistura eutética;
PE constante - mistura azeotrópica.O exemplo mais comum de mistura eutética é a solda utilizada em eletrônica (37% chumbo e 63% estanho) e o de mistura azeotrópica é a mistura água e álcool (4% água e 96% álcool - álcool 96 GL).

Ebulição

O fenômeno da ebulição ocorre quando uma substância passa do estado líquido para o estado gasoso, e é constante para uma mesma substância, nas mesmas condições de pressão. O ponto de ebulição da água no nível do mar é de 100,0°C. Quando um soluto não volátil é dissolvido em água, observa-se que a temperatura de ebulição da solução formada é superior ao valor da temperatura de ebulição da água pura. Este fenômeno é denominado efeito ebulioscópico. Informações sobre a elevação do ponto de ebulição de soluções são fundamentais para o projeto e resolução de equações de balanço de diversos tipos de equipamentos da indústria química, em particular evaporadores de múltiplo efeito. Algumas equações podem ser encontradas na literatura para predição deste parâmetro, porém sua validade é restrita a soluções diluídas ou soluções ideais. Tais hipóteses não podem ser aceitas na grande maioria dos processos de interesse industrial. No caso de evaporadores, deseja-se aumentar o teor de sólidos de um determinado licor até valores onde uma solução nunca poderia ser considera diluída. Além disto, cita-se o exemplo da concentração de soluções de sais, que não podem ser admitidas como soluções ideais. Desta forma, torna-se necessário o uso de dados experimentais da elevação do ponto de ebulição, em função da concentração de sólidos e pressão.
A Lei de Raoult estabelece que em soluções ideais, a pressão parcial de um componente numa solução é dada pelo produto de sua fração molar e sua pressão de vapor na temperatura da solução. Assim, quanto maior for a concentração de um determinado soluto dissolvido em água, menor será a fração molar da água na solução e, consequentemente, menor será o valor da pressão parcial da água. Admitindo que o soluto seja não-volátil, a solução entrará em ebulição quando a pressão parcial da água se igualar com a pressão do sistema. Para que isto ocorra, é necessário que a solução seja aquecida até uma temperatura superior à temperatura de ebulição da água pura.
Informações sobre a elevação do ponto de ebulição de soluções aquosas são fundamentais no estudo de diversas operações unitárias da indústria química. Nota-se entretanto que estes dados não são encontrados facilmente na literatura. Entretanto, dados de pressão parcial da água sobre soluções aquosas são encontrados com maior facilidade nos livros usualmente consultados por estudantes de engenharia química. Este trabalho apresenta um procedimento, baseado em princípios de termodinâmica, para calcular a elevação do ponto de ebulição de soluções a partir de dados de pressão parcial da água.
O ponto de ebulição ou temperatura de ebulição é a temperatura em que uma substância passa do estado líquido ao estado gasoso.
No ponto de ebulição, a pressão do vapor saturado de um líquido é igual à pressão ambiente (do sistema), a qual pode ser considerada a pressão atmosférica (760 mmHg), caso o sistema esteja comunicante com a atmosfera terrestre e ao nível do mar. Neste último caso, deve-se levar em conta que o ponto de ebulição varia com a altitude, já que a pressão atmosférica varia com a mesma. As ligações químicas que juntam os átomos se "quebram", deixando os átomos muito mais livres (característica do estado gasoso).
Quanto mais baixa for a pressão do sistema, menor será o ponto de ebulição e vice-versa. O ponto de ebulição da água em condições de atmosfera padrão é de 100 °C. Vale citar, como exemplo que, a água, em pressões muito baixas, ferve à temperaturas bem inferiores à 100 °C.