Densidade

A densidade é uma grandeza física que pode ser obtida por meio do quociente da massa de uma substância pelo seu volume ocupado. As misturas também podem ter sua densidade determinada, mas, para tal, exige-se uma média ponderada das densidades de cada substância participante da mistura.

A densidade é uma grandeza que pode ser afetada pela pressão (apenas para gases), temperatura e composição química. Em geral, percebe-se que os gases são menos densos que os líquidos, os quais são menos densos que os sólidos. A densidade também apresenta um comportamento periódico na Tabela, aumentando conforme se aumenta o período, além de apresentar incremento das extremidades para o centro da Tabela Periódica.

Leia também: Quais são as propriedades da matéria?

Resumo sobre densidade

• A densidade é uma grandeza física caracterizada pela massa de uma amostra (ou corpo) dividida pelo seu volume.
• A densidade de uma mistura pode ser determinada pela média ponderada das densidades das substâncias puras, sendo o teor presente o peso dessa média.
• A densidade, no caso de gases, pode ser afetada pela pressão, temperatura e composição química da mistura.
• Já no caso de sólidos e líquidos, apenas a temperatura e a composição química afetam a densidade.
• Em geral, sólidos são mais densos que líquidos, os quais são mais densos que gases.
• Na Tabela Periódica, a densidade, de forma geral, aumenta com o aumento do período e das extremidades para o centro.

O que é densidade?

A densidade é uma grandeza física que pode ser entendida como a massa de uma amostra, ou de um corpo, dividida pelo seu volume. Ou seja, corpos mais densos concentram mais massa por unidade de volume, enquanto corpos menos densos concentram menos massa por unidade de volume.

Exemplos de densidade

Cálculo da densidade

A densidade pode ser calculada de maneira muito simples, pois a sua relação se dá apenas pela divisão entre a massa da amostra pelo seu volume. Assim sendo:

\(densidade= \frac {massa}{volume}\)

Durante o cálculo da densidade, apenas se deve atentar às unidades possíveis. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade para massa é o quilograma (kg), enquanto para volume é o metro cúbico (m³), que equivale a 1000 L. Assim sendo, a unidade de densidade no SI é kg.m⁻³. Contudo, é comum a representação da densidade em g.mL⁻¹ (ou g.cm⁻³) ou até mesmo em g.L⁻¹, quando se trata de substâncias muito pouco densas.

No caso de misturas de duas ou mais substâncias, a densidade pode ser obtida por meio de uma média ponderada, em que os pesos são a concentração percentual de cada participante na mistura. Por exemplo, para uma liga bronze (com, por exemplo, 67% de cobre e 33% de estanho), a densidade da liga pode ser calculada como:

\(d_{\text{bronze}} = \frac{(d_{\text{Cu}} \cdot \ 67\%) \ + \ (d_{\text{Sn}} \cdot \ 33\%)}{100\%}\)

Quais fatores afetam a densidade?

Ao se observar a forma de cálculo da densidade, percebemos que sua alteração só é possível com aquilo que pode interferir no seu resultado final. Nesse caso, alterações de volume da amostra afetam o valor final da densidade, uma vez que a massa é um valor que não sofre alterações mediante alterações de condições físicas.

No caso de gases, uma forma de avaliar grandezas capazes de alterar sua densidade é por meio da equação de Clapeyron:

\(P \cdot V = n \cdot R \cdot T \)

Onde P é a pressão, V é o volume, n é o número de mols, R é a constante dos gases ideais e T é a temperatura. Podemos reorganizar a expressão da seguinte forma:

\(\frac{n}{V} = \frac{P}{R \ \cdot \ T} \)

Se multiplicarmos ambos os lados da equação pela massa molar da substância, é possível transformar o número de mols em massa:

\(\frac{MM \ \cdot \ n}{V} = \frac{MM \ \cdot \ P}{R \ \cdot \ T} \)

Assim, temos que:

\(\frac{m}{V} = d = \frac{MM\ \cdot \ P}{R \ \cdot \ T} \)

Como a massa molar da substância é constante, assim como o valor de R, é possível perceber que a densidade dos gases é diretamente proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura.

Isso é facilmente perceptível pelo fato de, quanto maior a pressão, maior a aproximação entre as partículas gasosas, ou seja, fazendo-as ocupar um espaço menor e, por conseguinte, concentrando a massa em um menor volume, assim aumentando a sua densidade. Do contrário, a queda da pressão permite a expansão do gás e, por conseguinte, a massa se espalha em um volume menor, fazendo cair a densidade.

Temperatura é outro fator que afeta a densidade. No caso da temperatura, devemos entender que ela mede o grau de agitação das partículas. A maior temperatura faz com que as partículas tenham mais velocidade e, assim, afastem-se mais. Isso faz com que a substância tenha uma queda de densidade, pois sua massa estará difusa em um espaço maior. Já a queda da temperatura permite que as partículas se aproximem mais, uma vez que terão menor agitação. Por conseguinte, concentrarão sua massa em um volume menor, fazendo aumentar a densidade.

Devemos lembrar que as mudanças de estado físico são regidas por maior ou menor interação entre as moléculas constituintes da substância. Ou seja, no estado sólido as interações são mais intensas, dada a maior aproximação entre as moléculas, sendo esse um estado mais denso, algo que é diametralmente oposto no estado gasoso, no qual há um baixo índice de interações intermoleculares e, por conseguinte, um maior espaçamento e menor densidade.

Assim sendo, é esperado que, quanto menor a temperatura, maior a densidade no caso de líquidos e sólidos, pois, dessa forma, as moléculas perdem energia cinética e aproximam-se mais, aumentando a densidade.

Uma substância que não obedece a esse princípio é a água. A água líquida atinge seu valor máximo de densidade, 1 g.mL⁻¹, na temperatura de 4 °C. A partir daí, seu resfriamento faz sua densidade diminuir, ao invés de aumentar, fazendo com que ela se apresente no momento de congelamento menos densa (a densidade do gelo, a 0 °C, é de 0,917 g.mL⁻¹). Isso ocorre porque a água, ao congelar, adota um arranjo hexagonal, que acaba aumentando o seu volume, impactando assim na queda da densidade.

Outro ponto que afeta a densidade é a composição das misturas. A densidade de uma mistura é resultado da média ponderada entre as densidades das substâncias participantes, sendo que o peso dos valores é, justamente, a concentração percentual de cada substância. Assim sendo, o valor final será mais próximo da substância que apresentar maior participação.

A adição de sal de cozinha à água faz a densidade da água aumentar. Isso pode ser percebido por meio de um ovo, que em água pura afunda, dada menor a densidade da água. Ao passo que quando é colocado sal, a densidade do líquido aumenta, fazendo o ovo flutuar.

Por exemplo, pensemos no caso de três misturas entre água (assumimos densidade igual a 1,00 g.mL−1) e etanol (densidade igual a 0,79 g.mL⁻¹, aproximadamente):

• 25% água e 75% etanol: a densidade dessa mistura será igual a 0,84 g.mL−1, aproximadamente. Ou seja, como o etanol participa com maior concentração, o valor final da densidade é mais próximo da densidade do etanol puro do que da água pura.
• 75% água e 25% etanol: a densidade dessa mistura será igual a 0,95 g.mL⁻¹, aproximadamente. Agora, como a água apresenta maior participação na mistura, o valor final dessa densidade é mais próximo da densidade da água pura do que do etanol puro.

É por conta disso que postos de gasolina precisam dispor de densímetros para atestar a regularidade do etanol utilizado para abastecimento. O etanol combustível vendido em postos de gasolina devem ter de 4% a 4,9% de água. Assim sendo, a densidade permitida para o etanol combustível varia de 0,798 g.mL⁻¹ a 0,800 g.mL⁻¹. Caso o combustível se apresente de forma mais densa, então é sinal de que há mais água do que o permitido, pois o maior teor de água faz a densidade da mistura se aproximar do seu valor puro de densidade, que é de 1 g.mL⁻¹.

Densidade absoluta, densidade relativa e massa específica

É comum, em alguns livros didáticos, vermos o termo “massa específica” para se referir à densidade. De fato, cada vez mais, tais termos têm sido tratados como sinônimos, como é o caso do Compêndio de Terminologia Química da União Internacional de Química Pura e Aplicada, a Iupac. Dessa forma, podemos entender a densidade absoluta, ou massa específica, como o simples quociente entre a massa e o volume da substância.

Já a densidade relativa, também entendida como gravidade específica, é a razão entre a massa específica (densidade absoluta) de uma substância pela massa específica de uma outra substância de referência e, desse modo, é uma grandeza adimensional.

\(d_{\text{relativa}} = \frac{d}{d_{\text{ref}}}\)

Em geral, a água é tomada como referência, mas, no caso de alguns gases, o oxigênio também pode ser utilizado. Contudo, não há um padrão para a substância de referência, podendo ela ser qualquer uma a depender do sistema de trabalho.

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Densidade na Tabela Periódica

Dentro da Tabela Periódica a densidade também pode ser vista como uma propriedade periódica. Em geral, percebe-se que a densidade aumenta conforme se aumenta o período. Por exemplo, no caso dos metais alcalinos:

Já quando falamos de períodos, percebemos que a densidade aumenta, em geral, das pontas em direção ao centro.

Vejamos o caso de alguns elementos do mesmo período (no caso, o 3º período da Tabela):

Não à toa, os elementos mais densos da Tabela Periódica conhecidos até então estão bem no centro da Tabela, no 6º período: o ósmio, com densidade igual a 22,587 g.mL⁻¹, e o irídio, com densidade igual a 22,562 g.mL⁻¹.

Exercícios resolvidos sobre densidade

Questão 1

(Facisb) A tabela apresenta os tipos de gás e seus respectivos volumes contidos em quatro balões de festa que se encontram à mesma temperatura e pressão.

Nessas condições, a relação entre as densidades dos conteúdos dos balões é

A) d₁ < d₂ < d₃ < d₄

B) d₃ < d₁ = d₂ = d₄

C) d₁ < d₂ = d₃ < d₄

D) d₁ = d₃ < d₂ < d₄

E) d₁ = d₂ = d₃ = d₄

Resolução:

Alternativa C.

Como os gases estão à mesma temperatura e pressão, é possível afirmar que os balões 2 e 3, que pertencem ao mesmo elemento, possuem também a mesma densidade. Logo, d₂ = d₃.

Para avaliação, podemos fazer uma avaliação da densidade através da equação derivada da equação de Clapeyron:

\(d = \frac{MM \ \cdot \ P}{R \ \cdot \ T}\)

Ou seja, como P, R e T são constantes, o que irá ser determinante para densidade é a massa molar. Como O₂ possui a maior massa molar, ele também será o mais denso, seguido de hélio e, por fim, o H₂, o gás de menor massa molar. Assim, d₁ < d₂ = d₃ < d₄.

Questão 2

(Enem)

O consumo exagerado de refrigerantes é preocupante, pois contribui para o aumento de casos de obesidade e diabetes. Considere dois refrigerantes enlatados, um comum e um diet, e que ambos possuem a mesma quantidade de aditivos, exceto pela presença de açúcar. O refrigerante comum contém basicamente água carbonatada e grande quantidade de açúcar; já o refrigerante diet tem água carbonatada e adoçantes, cujas massas são muito pequenas.

CAVAGIS A D M. PEREIRA E. A. OLIVEIRA, L. C. Um método simples para avaliar o teor de sacarose e CO, em refrigerantes. Química Nova na Escola, n. 3. ago. 2014 (adaptado).

Entre as duas versões apresentadas, o refrigerante comum possui

A) maior densidade.

B) menor viscosidade.

C) maior volume de gás dissolvido.

D) menor massa de solutos dissolvidos.

E) maior temperatura de congelamento.

Resolução:

Alternativa A.

A única diferença entre os dois refrigerantes, em termos de composição química, está no açúcar e nos adoçantes. Ambos possuem o mesmo volume. Assim, como a massa do açúcar é maior que a dos adoçantes, o refrigerante comum possui maior massa em um mesmo volume, sendo mais denso que o refrigerante diet.

Fontes

CANTO, Eduardo Leite do. Química na abordagem do cotidiano. 1. ed – São Paulo: Saraiva, 2015

GCHEM – UNIVERSITY OF TEXAS. Density for Some Select Substances. Disponível em: https://gchem.cm.utexas.edu/data/section2.php?target=densities.php.

HAYNES, W. M. (ed.) CRC Handbook of Chemistry and Physics. 95^a ed. CRC Press: 2014.

IMBELLONI, L. E.; GOUVEIA, M. A.; NUNES, R. R. Densidade relativa de uma solução: desmistificando conceitos – Carta ao Editor. Revista Brasileira de Anestesiologia, v. 57, n. 3, p. 331-332, 2007.

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk