Corpo do Relatório 02 - Densidade de Líquidos

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Experimento 02: Determinação da Densidade de Líquidos 
Autores: Iranilza Costa da Silva, Gutemberg Matos Bezerra Filho, Samir Montenegro Medeiros e Vandré Vitorino Alves.
Unidade Acadêmica de Engenharia Civil, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Bodocongó, 58.109-970, Campina Grande-PB
Resumo: 
A densidade é definida como razão entre massa e volume. Através de dois experimentos, pretendemos determinar a densidade para amostra fornecida utilizando a picnometria e a concentração de uma solução comparando sua densidade com a de outras soluções. Primeiro, determinamos a densidade da amostra pesando o picnometro seco e totalmente cheio. Após, calculamos a concentração da solução, pela comparação das densidades das outras soluções aferidas com o densímetro. Os erros encontrados, apesar de baixos, devem ter decorrido principalmente da temperatura considerada para as amostras e erros do operador. Os experimentos se demonstraram simples, didáticos e interessantes.
Palavras Chave: Densidade de Líquidos, Picnometria, Densímetro.
INTRODUÇÃO
As substâncias possuem propriedades intensivas e extensivas. As propriedades extensivas dependem da quantidade da amostra, já as propriedades intensivas são independentes da sua quantidade. A densidade é uma propriedade intensiva, obtida pela razão entre duas propriedades extensivas massa e volume (Janaína, Marco-Aurélio e João, 2004), e é definida matematicamente pela Fórmula [1]: 
[1]
A densidade pode ser útil para identificarmos a substância de uma amostra, ou mesmo para determinarmos se esta substância é pura (Ebbing e Gammon, 2008). Realizaremos dois experimentos relacionados a densidade de líquidos. No primeiro utilizaremos a picnometria, um método laboratorial. Essa técnica consiste no uso do picnômetro, um recipiente com tampa esmerilhada que possui um orifício capilar, possibilitando o completo preenchimento com um volume especifico de um líquido. Podemos determinar a massa da amostra pela diferença da massa do picnômetro seco e vazio. De posse dos valores aferidos, iremos avaliar e discutir os resultados obtidos, observando possíveis divergências entre as densidades medidas e os valores teóricos conforme Fórmula [2].
[2] 
Quando lidamos com amostras liquidas podemos nos deparar com uma solução, ou seja, uma a mistura homogênea de um soluto em um solvente. A diluição de soluções ocorre quando há o acréscimo de solvente a solução. Devido a isso, o volume da solução aumenta e sua concentração diminui, porém, a massa do soluto permanece inalterada. A concentração de uma solução é a relação entre a massa do soluto e o volume da solução, conforme a Fórmula [3]:
[3] 
	No segundo experimento, para medirmos a densidade da solução utilizaremos o procedimento de aferição com densímetro, um instrumento laboratorial indicado para medição da densidade de líquidos. Sabendo qeu a densidade de uma solução é uma razão entre a soma das massas do solvente e soluto e a soma de seus volumes , conforme Fórmula [4]. Iremos verificar algumas soluções e tentar determinar a concentração de uma solução não informada. 
[4]
Objetivos
Objetivos Gerais
Determinar a densidade para amostra fornecida através da picnometria.
Determinar a concentração da solução não informada comparando as densidades, aferidas com densímetro, das soluções informadas.
Objetivos Específicos
Verificar se as densidades encontradas estão de acordo com os valores teóricos determinados.
Definir motivos para eventuais divergências.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Experimento com picnômetro
Reagentes e Materiais
Balança semianalítica digital, precisão 0,1g
Picnômetro de 29mL.
Álcool etílico absoluto 99,5% PA/ACS (Para Análise/American Chemical Society).
Procedimentos
Com o uso de um termômetro, foi registrado a temperatura do ambiente. 
Depois de verificada a calibração da balança semianalítica digital, iniciou-se a pesagem do picnômetro vazio. 
Posteriormente, o picnômetro foi lavado apenas uma vez com um pequeno volume do álcool etílico absoluto para remover os resíduos seu interior. Descartando as alíquotas em local apropriado.
Foi adicionado o álcool ao picnômetro, subsequentemente foi colocado a tampa de maneira que o excesso do álcool preenchesse totalmente o capilar até verter o excedente de líquido. Com as tiras de papel, foi secado o líquido presente na parte externa do picnômetro.
Por fim, foi pesado na balança semianalítica digital o picnômetro contendo álcool no seu interior.
Experimento com densímetro
Reagentes e Materiais
Decímetro de Massa Específica 0,995- 1,050 g/mL, precisão de 0,001g/mL.
Solução de NaCl – 20g..
Solução de NaCl – 40g..
Solução de NaCl – 60g..
Solução de NaCl – 80g..
Solução de NaCl (concentração não informada).
Procedimentos
Com o uso de um termômetro, foi registrado a temperatura ambiente. As soluções de NaCl foram dispostas em cinco provetas. Posteriormente, o decímetro foi colocado em cada uma e com os olhos a altura do menisco do líquido, registrou-se a massa específica marcada. Antes de ser colocado na proveta seguinte, o densímetro era secado com papel poroso.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Experimento com picnômetro
Pela diferença entre os valores das massas para o picnômetro vazio e cheio, encontramos a massa do álcool. Sabendo a capacidade do picnômetro e utilizando a fórmula [1] encontramos o valor da densidade experimental. Todos estes valores estão registrados na Tabela 1.
Tabela 1: Resultados encontrados para o álcool.
	Grandeza
	Representação
	Resultado
	Massa picnômetro vazio (gramas)
	
	25,6g
	Massa picnômetro cheio (gramas)
	
	48,6g
	Massa do álcool (gramas)
	
	23g
	Volume do álcool (mililitros)
	
	29mL
	Densidade do álcool (gramas/mililitros)
	
	0,79310g/mL
(Fonte: Elaborada pelos autores,2017)	
De posse do valor da densidade experimental, e sabendo a densidade teórica para o álcool etílico absoluto 99,5% na temperatura registrada (28ºC), podemos calcular o erro relativo aplicando a fórmula [2], conforme tabela 2:
Tabela 2: Relação densidade Teórica, densidade experimental e erro relativo.
	
	Valores
	Densidade Experimental (g/mL)
	0,79310 g/mL
	Densidade Teórica (g/mL)
	0,78264 g/mL
	Erro Relativo (%)
	1,34 %
(Fonte: Elaborada pelos autores, 2017)
Alguns procedimentos foram repetidos durante o experimento a fim de minimizar o erro. Quando da primeira pesagem do picnômetro vazio, o mesmo já se encontrava higienizado e seco. Porém por erro do operador, uma pequena quantidade de álcool foi colocada na vidraria em questão. Foi necessário despejar o álcool e aguardar alguns minutos, até que a peça se encontrasse seca novamente. Só então o picnômetro foi efetivamente pesado. Após todo o experimento, a peça foi colocada brevemente na estufa, e a pesagem foi repetida. Contudo, a primeira pesagem foi a menor encontrada. Note-se que se peso registrado for maior do que efetivamente deveria ser, o valor para a massa do álcool pode ter sido minorado, o que também diminuiria a densidade experimental.
Em outro momento, quando o álcool foi colocado no picnômetro, o operador não notou que a balança estava em uso em outro experimento. O que gerou um atraso na pesagem da vidraria cheia. Após esta, era visível que o álcool, por sua natureza volátil, não chegava até o topo do capilar. Foi então completado o volume do picnômetro, com aferição da massa de forma mais célere. Devido a já citada natureza volátil do álcool quanto mais se demore com a pesagem, menor seria a massa registrada e assim também a densidade calculada.
É provável que também não tenham influenciado significativamente o experimento outras questões que alterariam a medição da massa, tais como: bolhas e sujeiras no equipamento, contato da vidraria diretamente com as mãos do operador, humidade no ambiente. Caso todas estas variáveis somassem valores detectáveis na balança a maior ou a menor, aplicando as fórmulas [1] e [2] chegaríamos a valoresde erro relativo ainda baixos, conforme Tabela 3.
Tabela 3: Resultados considerando possibilidade de erro na medição da massa.
	Grandeza
	Representação
	Resultado
	Massa do álcool a maior (gramas)
	
	23,1g
	Massa do álcool a maior (gramas)
	
	22,9g
	Volume do álcool (mililitros)
	
	29mL
	Densidade do álcool a maior (gramas/mililitros)
	
	0,79655g/mL
	Densidade do álcool (gramas/mililitros)
	
	0,78965g/mL
	Erro Relativo a Maior (%)
	
	1,78 %
	Erro Relativo a Menor (%)
	
	0,89 %
(Fonte: Elaborada pelos autores, 2017)
Outra medição efetivada neste experimento se refere a temperatura, e esta também pode influenciar nos resultados. 28ºC foi o valor registrado para temperatura ambiente, e neste caso estamos considerando este mesmo valor para verificação da densidade teórica do álcool. Porém é provável que a temperatura da amostra estivesse até 2ºC abaixo da temperatura ambiente, neste caso teríamos densidade teórica menor o que influenciaria o erro relativo.
Experimento com densímetro
Os valores aferidos com o densímetro para as massas específicas das soluções encontram-se na Tabela 4, inclusive a solução com concentração não informada.
Tabela 4: Densidades verificadas com o densímetro.
	Solução - Concentração
	Densidade (gramas/Litro)
	Solução de NaCl – 20g.
	1,012 g/mL
	Solução de NaCl – 40g.
	1,025 g/mL
	Solução de NaCl – 60g.
	1,037 g/mL
	Solução de NaCl – 80g..
	1,048 g/mL
	Solução de NaCl (concentração não informada)
	1,031 g/mL
(Fonte: Elaborada pelos autores, 2017)
Sabendo os valores teóricos de densidade da água e do cloreto de sódio, utilizando a fórmula [1] para encontrarmos o volume de NaCl nas soluções¹, e por fim fazendo uso da fórmula [4] podemos chegar a densidade teórica para as concentrações informadas e assim aferirmos o erro relativo do experimento, conforme Tabela 6.
Cálculos das Densidades Teóricas das Soluções:
g
g
g
g
Tabela 5: Cálculo erro relativo da densidade experimental em relação a densidade teórica calculada.
	Grandeza
	Valores
	Densidade Experimental Solução de NaCl – 20g. 
	1,012 g/mL
	Densidade Teórica Solução de NaCl – 20g.
	1,007 g/mL
	Erro Relativo Solução de NaCl – 20g. (%)
	0,50 %
	
	
	Densidade Experimental Solução de NaCl – 40g.
	1,025 g/mL
	Densidade Teórica Solução de NaCl – 40g.
	1,018 g/mL
	Erro Relativo Solução de NaCl – 40g. (%)
	0,69 %
	
	
	Densidade Experimental Solução de NaCl – 60g.
	1,037 g/mL
	Densidade Teórica Solução de NaCl – 60g.
	1,029 g/mL
	Erro Relativo Solução de NaCl – 60g. (%)
	0,78%
	
	
	Densidade Experimental Solução de NaCl – 80g..
	1,048 g/mL
	Densidade Teórica Solução de NaCl – 80g..
	1,039 g/mL
	Erro Relativo Solução de NaCl – 80g. (%)
	0,86%
(Fonte: Elaborada pelos autores, 2017)
Como pode ser observado, os valores para os erros relativos foram baixos, inferiores a 1%. Como foi considerado a densidade da água relativa a temperatura ambiente de 28ºC, e provavelmente a água se encontrava mais fria que isto, a densidade teórica encontra-se provavelmente a menor que a densidade real. Contudo, simulando uma diminuição de até 2ºC, a densidade da água só se alteraria na quarta casa decimal, o que diminuiria em média 0,10% no erro.
Se considerarmos o erro do operador quando da aferição do valor da massa específica, é possível imaginarmos uma variação de 0,001 g/mL (precisão do densímetro) para mais ou para menos. Efetuando os cálculos, este erro na medição também acarretaria uma variação aproximada de 0,10% no erro relativo.
Outros fatores, de maneira menos significativa, também poderiam influenciar o resultado do experimento, tais como: 
Evaporação da água das soluções, as provetas estavam tampadas para minimizar esta possibilidade, mas caso ocorresse a evaporação acarretaria um aumento da densidade medida; 
Como o densímetro foi colocado em todas as soluções, se ele não foi seco corretamente entre cada medição, certa quantidade de uma solução poderia alterar levemente a concentração de outra, para mais ou para menos;
Também é possível que tenha ocorrido alguma contaminação do ambiente ou das mãos do operador no próprio densímetro. Esta contaminação poderia passar para as soluções, provavelmente aumentando a densidade medida. Ou ainda se esta contaminação permaneceu presa ao densímetro, isto poderia alterar seu equilíbrio de flutuação, o que prejudicaria a correta aferição da massa específica.
Organizando os valores em ordem crescente para densidade, conforme o gráfico 1, fica visível que a concentração da solução desconhecida se encontra entre 40g/L e 60g/L, pelo ponto referente a sua densidade se achar sob o segmento de reta correspondente.
Gráfico 1: Relação Densidade e Concentração das Soluções.
(Fonte: Elaborada pelos autores, 2017)
Efetuando os cálculos para comprovação matemática, temos:
	Assim, podemos afirmar que concentração de NaCl para a solução desconhecida é de aproximadamente 50g/L. Note-se que este valor é menos preciso do que os aferidos durante o experimento, pois, por se ter considerado as médias de densidades, inclui em si os erros de todas as medições. Registre-se ainda que os erros podem se anular, diminuir ou maximizar, o que poderia gerar erro de aproximadamente 3%.
	Importante registrar que, a densidade não é definitiva para aferirmos se tratar de uma solução de NaCl. Podendo a solução em questão apresentar composição totalmente diversa a informada. Todos os cálculos apresentados assumem se tratar de uma solução de água e cloreto de sódio apenas. 
CONCLUSÃO 
	Utilizando o picnômetro de 29ml com álcool etílico 99,5%, se obteve as massas para o picnômetro vazio 25,6 g para o picnômetro cheio 48,6g, e por sua diferença a massa do álcool 23g. A densidade encontrada foi de 0,79310 g/mL. Considerando a densidade teórica de 0,78264 g/mL, encontramos um erro relativo de 1,34%. Foi realizada simulações de possibilidade de erro na medição das massas, considerando a precisão da balança, mesmo assim o erro foi abaixo de 2%. A taxa de erro foi relativamente baixa, mas ocorreu devido a fatores como: o atraso na pesagem do picnômetro cheio, incerteza quanto a vidraria está totalmente seca e desconhecimento da temperatura da amostra líquidos.
Utilizando o densímetro verificou-se as soluções de NaCl com concentrações 20 g/L, 40 g/L, 60 g/L, 80 g/L e uma com concentração desconhecida, obtendo os valores para densidade respectivamente de 1,012 g/L, 1,025 g/L, 1,037 g/L, 1,048 g/L e 1,031g/L. Comparando a densidade das concentrações conhecidas com valores teóricos calculados verificamos os erros relativos entre 0,50% e 0.86%. Podemos atribuir este pequeno valor de erro ao valor considerado para temperatura da amostra provavelmente maior que o real e provável erro no operador na leitura da densidade indicada no densímetro. Realizada os cálculos e comparando a relação entres a média das concentrações e a média das densidades com a o valor aferido para a densidade determinamos que a concentração da solução de NaCl desconhecida é de 50g/L.
Por fim, os experimentos de aferição da densidade de líquidos realizados se mostraram de grande valia, pois apesar de simples enriqueceram nosso conhecimento e demonstraram um pouco os procedimentos e o raciocínio em um laboratório de química.
REFERÊNCIAS
ATKINS, Peter; JONES, Loretta. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012.
CÉSAR, Janaína; PAOLI, Marco-Aurélio de; ANDRADE, João Carlos de. A Determinação da Densidade de Sólidos e Líquidos. 2004. 8 f. Artigo. Campinas: Instituto de Química – Universidade Estadual de Campinas, 2004. Disponível em: http://chemkeys.com/br/2004/07/17/a-determinacao-da-densidade-de-solidos-e-liquidos/. Acessado em 14/11/2017.
EBBING, Darrell D.; GAMMON, Steven D. General Chemistry. 8. ed. Boston: Houghton Mifflin Company, 2008.FEITOSA, Patrícia Hermínio Cunha. Guia de Laboratório. 2. ed. Campina Grande: Universidade Federal de Campina Grande, 2017. Apostila.