Massa volumica acqua

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Massa volumica acqua

Densità di acqua, etanolo e loro soluzioni

Parte teorica:
La densità è una grandezza che indica la massa dell’unità di volume di un corpo:
d = m/v
ed è una grandezza intrinseca, cioè caratteristica, per cui può essere inserita tra quelle che fanno parte delle specificità di una sostanza.
E’ molto importante distinguere la massa dal peso. Infatti mentre il peso è una forza, e precisamente la forza con cui un corpo è attratto da un centro di gravità, che varia quindi in relazione alla sua distanza da tale centro e alla intensità di questo, la massa è una grandezza invariabile che indica la resistenza che un corpo oppone alla variazione del suo stato cinematico ( accelerazione ) provocata da una forza agente su di esso: F = m·a (II legge della dinamica o di Newton)
Quindi è come una costante rispetto a cui le altre due grandezze, forza e accelerazione, sono direttamente proporzionali:
m = F/a
In definitiva, più alta è la massa di un corpo e più piccola è l’accelerazione a questo impressa da una certa forza. Di qui la definizione di massa come di una resistenza o, come sarebbe meglio dire, dell’inerzia di un corpo, tant’è che la legge soprascritta in due sue forme viene anche detta, appunto, legge d’inerzia.
Per meglio sottolineare la differenza tra massa e peso, possiamo indicare la diversità negli strumenti che occorrono per misurarle ( la bilancia per la massa e il dinamometro per il peso ) e nelle unità di misura ( rispettivamente il chilogrammo: Kg ; il newton: N).
Se ci spostiamo su una montagna alta 8.000 metri, rispetto al livello del mare, dunque, la massa rimane la stessa, mentre il peso diminuisce; e analogamente se ci spostiamo sulla luna, rispetto alla terra, la massa rimane invariata, mentre il peso diminuisce perché la forza gravitazionale della luna è più piccola di quella della terra.

Non bisogna quindi confondere il concetto di densità ( d=m/a ) con quello di peso specifico ( psp = p/v ). Riassumiamo quanto finora esposto nel seguente quadro:

Concetto

Strumento

Unità di misura

Altro

Massa

Inerzia………

Bilancia

Invariabile

Peso

Forza………..

Dinamometro

Variabile

Se il nostro corpo è costituito da una sostanza pura, la sua densità dipenderà dal tipo di particella che la caratterizza ( cioè dalla sua massa atomica o molecolare ) e dal compattamento a cui questa particella che si ripete innumerevoli volte da luogo, e cioè dallo stato di aggregazione e dalle forze di coesione (legami) interparticellari
Ecco spiegato l’uso del termine densità.
Con la nostra esercitazione osserveremo e registreremo la diversità di valore della densità in due sostanze diverse: acqua ed alcol etilico ( o etanolo ). Successivamente prepareremo miscele omogenee di queste due sostanze in svariate proporzioni, e vedremo che la densità di queste non sarà mai uguale, ma varierà in relazione alla presenza più o meno consistente della sostanza a densità più alta ( acqua: d ~ 1,00 g/mL ) o di quella a densità più bassa ( etanolo : d ~ 0,78 g/mL ).
Delle stesse due sostanze avevamo visto la diversità nella temperatura di ebollizione e la variabilità di questa nelle varie loro miscele in funzione della concentrazione.

In questa esperienza osserveremo meglio questa variabilità perché siamo noi a formare miscele a concentrazioni ben precise prima di andare a misurarne la densità.

Materiale occorrente:
Dovendo misurare le due grandezze massa e volume occorreranno strumenti appositi.
Per la massa la bilancia.
Per il volume la buretta graduata.
Sono due le tipologie di bilancia più comuni in un laboratorio di chimica, fra loro distinguentisi per la sensibilità:

bilancia tecnica : sensibilità ± 0,01g
bilancia analitica: sensibilità ± 0,0001g

Per le misurazioni con la bilancia analitica, considerata l’altissima sensibilità, è necessario:

prima di pesare un corpo, deumidificarlo dell’acqua igroscopica, cioè quella piccola quantità che aderisce superficialmente, ponendolo in stufa a bassa temperatura per il tempo occorrente ( 1-4 ore );
trasportarlo dalla stufa alla bilancia in maniera protetta, dentro un essiccatore chiuso che impedisca la rideposizione dell’acqua igroscopica;
effettuare la misurazione con la bilancia chiusa e posta su un tavolo ammortizzato per le oscillazioni e le vibrazioni.

L’uso della bilancia tecnica, invece, non comporta tutte queste precauzioni, anche se la sua sensibilità è pur sempre alta rispetto a bilance di tipo comune. Sarà sufficiente asciugare accuratamente il recipiente che useremo per contenere le miscele ( una capsula di porcellana o un piccolo becher di vetro ) fino a massa costante.
La buretta graduata è un recipiente cilindrico di piccolo diametro con un rubinetto in basso, dalla sensibilità di 0,05 mL e divisioni minime di 0,10 mL. Lo sfondo bianco con riga blu permette di leggere adeguatamente i livelli dei liquidi, mentre in

mancanza di questa occorre leggere nel punto in cui c’è coincidenza tra la scala
graduata e il menisco (punto di contatto) inferiore della concavità superficiale del liquido.
La lettura va effettuata dall’alto verso il basso e ponendosi con gli occhi sulla stessa linea orizzontale del punto di lettura, per evitare errori di parallasse.
La buretta deve essere preparata accuratamente secondo le seguenti fasi:

Lavaggio con abbondante acqua di acquedotto ( nel caso di incrostazioni o sporcizie consistenti è necessario un prelavaggio drastico ):

Tenendo il rubinetto della buretta aperto si versa l’acqua da un becher pieno di
medie dimensioni (150-250 mL).
2) Lavaggio con acqua deionizzata:
si chiude il rubinetto, si introducono dall’alto 5-10 mL di acqua deionizzata con la spruzzetta e piegando e ruotando la buretta se ne fa uscire parte dall’alto e la rimanente dal beccuccio inferiore. Questa operazione va ripetuta tre volte.

Avvinamento:

Si effettua un’operazione del tutto simile alla precedente, ma con la sostanza o la soluzione che dobbiamo introdurre nella buretta, allo scopo di sostituire le gocce di acqua deionizzata con gocce di questa. Sempre per tre volte.

Riempimento:

Si chiude il rubinetto e si riempie la buretta fino a qualche mL oltre lo zero. Si piega la buretta sul lavandino e si fa fuoriuscire un po’ di liquido, riempiendo il beccuccio sotto il rubinetto e facendo attenzione a eliminare eventuali bolle d’aria. Si pone la buretta sul suo particolare supporto, che ne permette la scorrevolezza, e si sgocciola lentamente fino allo zero.
Per l’esercitazione ogni gruppo di lavoro dovrà prelevare come materiale due burette, due aste metalliche con due sostegni appositi e una capsula di porcellana (oppure un piccolo becher di vetro).

I operazione:
Ognuno dei due componenti dovrà preparare una buretta e riempirla di una delle due sostanze ( o acqua o etanolo ).
II operazione:
Ad una bilancia tecnica ben azzerata si misura la massa del recipiente scelto ben pulito e asciutto. Si ripete questa operazione fino ad avere due valori consecutivi uguali e si segna tale valore in una pagina degli appunti di laboratorio.
III operazione:
Si prelevano dalla buretta nel recipiente 10,00 mL esatti di acqua deionizzata e si misura la massa alla stessa bilancia di prima, sempre segnando il valore sugli appunti. Successivamente si sottrarrà a tale valore quello del recipiente vuoto trovando così il valore della massa dei 10,00 mL di acqua pura, da inserire nella tabella tracciata in un’altra pagina degli appunti.
IV operazione:
Si getta il contenuto del recipiente e si asciuga bene con la carta controllando alla bilancia che la sua massa vuota sia tornata la stessa di quella iniziale.
Si prelevano 9,00 mL di acqua e 1,00 mL di etanolo formando la prima miscela (soluzione idroalcolica).
Si misura il valore il valore della massa risultante segnandola sugli appunti, e successivamente, dalla detrazione a questa della massa della capsula vuota, si ottiene la massa di questa miscela da segnare poi in tabella.
Adesso si ripetono tutte le operazioni precedenti prelevando:
8,00 mL di acqua più 2,00 mL di etanolo
7,00 “            “          3,00   “           “
6,00   “           “          4,00   “           “
5,00   “           “          5,00   “           “
4,00   “           “          6,00   “           “

3,00   “           “          7,00   “           “
2,00   “           “          8,00   “           “
1,00   “           “          9,00   “           “
0,00   “           “         10,00 “           “

Per effettuare questa esercitazione adoperiamo come sostanze l’acqua ( H2O ) e l’etanolo ( C2H5OH ), ma mentre l’acqua deionizzata si può considerare acqua al 100%, l’etanolo che adoperiamo è in realtà una soluzione acquosa contenente il 90% della nostra sostanza. Infatti noi adoperiamo l’”alcol denaturato”, contenente il 90% di etanolo puro e il 10% di acqua, per evitare di adoperare l’”alcol assoluto” ( al 100% ) a causa degli alti costi di quest’ultimo dovuti alla serie di distillazioni frazionate occorrenti per ottenerlo.

Un esempio di calcolo delle percentuali:
Se prendiamo la miscela ottenuta con 5,00 mL di acqua e 5,00 mL di alcol denaturato, in questa la quantità di etanolo puro non sarà 5,00 mL ma
(90:100)×5,00 = 4,50 mL perché 0,50 mL saranno di acqua, che in totale arriverà a 5,50 mL.
Pertanto la % di etanolo sarà (4,50:10,00)x100 = 45%
E quindi la % di acqua sarà 100 - 45 = 55%.

Nota: l’alcol denaturato si chiama così perché alla soluzione idroalcolica al 90% vengono aggiunte tracce di sostanze dall’odore e sapore sgradevoli, al fine di impedirne l’uso alimentare, considerato il costo ridotto di tale soluzione.

La percentuale: è un sistema per esprimere la concentrazione delle soluzioni che può configurarsi in tre modi diversi:

massa su volume ( % m/V ). Indica i grammi di soluto presenti in 100 grammi di soluzione.
massa su massa ( % m/m ). Indica i grammi di soluto presenti in 100 grammi di soluzione.
volume su volume ( % V/V ). Indica i mL di soluto presenti in 100 mL di soluzione.

Il modo da noi adoperato in questa esercitazione è quest’ultimo. Ben presto incontreremo il sistema principe della chimica: la Molarità.
Al termine di tutte le misurazioni e dopo aver effettuato le opportune operazioni di calcolo, con i dati rilevati e ottenuti si riempie una apposita tabella.
Successivamente i dati della due colonne % v/v e della colonna densità verranno relazionati in due grafici distinti dai quali si potrà visionare immediatamente il variare della densità in funzione della concentrazione nelle soluzioni idroalcoliche così come ci eravamo proposti.
Tutto ciò ad ulteriore dimostrazione che nelle miscele idroalcoliche di più sostanze le grandezze sono variabili, e non costanti come per le sostanze pure.

Massa volumica acqua