Contrariamente a los gases, los líquidos y sólidos tienen un volumen fijo, pero mientras los sólidos adquieren una forma fija, los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene.
Sin embargo hay bastantes sólidos que, sometidos a pequeñas presiones pueden cambiar fácilmente de forma ser moldeado, a este tipo de materiales les llamamos maleables. Por el contrario, a los sólidos que no cambian su forma mediante la aplicación de presiones moderadas se les llama sólidos rígidos.
Podemos tener la falsa impresión de que los sólidos maleables son compresibles, lo cual no es cierto; que el sólido cambie de forma no quiere decir que cambie de volumen. Vamos a comprobar este hecho utilizando plastilina, un material muy plástico.
En este experimento también aprenderemos a medir el volumen de sólidos y líquidos y a calcular su densidad
Actividad 1. Sólidos que cambian fácilmente de forma, pero no cambian su volumen
Tomamos una porción de plastilina y le damos forma de paralelepípedo (la propia pastilla de venta comercial, tal como se presenta, nos puede servir). Determinaremos su volumen, midiendo con una regla la longitud de sus lados (ancho, alto y largo)
En la figura 1 se muestra el material con el que hemos trabajado en este experimento. Se ha trabajado con una regla que tiene precisión de décima de centímetro.
Figura 1. Ancho, largo y alto de un paralelepípedo de plastilina
V= ancho x largo x alto = 2,5 (cm) x 6,9 (cm) x 2,4 (cm) = 41,4 cm3
Cambiaremos, trabajando con las manos, la forma del material y comprobaremos que su volumen sigue siendo el mismo. Podríamos comprobarlo mediante la medida de sus dimensiones, igual que hemos hecho antes, sin embargo lo haremos de otra manera: por inmersión en un líquido en el que no es miscible y midiendo el volumen de líquido desalojado desalojado. La precisión con la que midamos el volumen, dependerá del calibrado de nuestro vaso medidor.
En la figura 2 se muestra el resultado de utilizar un recipiente medidor estándar de cocina. Inicialmente
Inicialmente se pone una cierta cantidad de agua en el vaso medidor. En la primera imagen de la figura 2, el nivel del líquido indica que hemos puesto algo más de 300 mL, aunque no sabemos cuánto más, ya que la precisión del frasco no nos lo permite.
Figura 2. Independientemente de la forma de la plastilina, el nivel que alcanza el agua es el mismo
Cuando introducimos el trozo de plastilina (utilizar unas pinzas para evitar salpicaduras y perdidas de líquido), el nivel sube hasta aproximadamente 350 mL. No importa la forma que demos a la plastilina, cilíndrica, cuadrada, redonda… el nivel siempre es el mismo, así que el volumen del sólido es menos de 50 mL, pero no se puede dar mayor precisión.
En la siguiente figura 3 se muestran varias imágenes del mismo procedimiento anterior utilizando una probeta con mayor precisión, 2 mL.
Figura 3. Nivel de agua en una probeta antes (A y B) y después de sumergir la plastilina (C y D)
El nivel de agua en la probeta que se muestra en la figura 3.B indica que se han tomado 110 mL de líquido. La precisión de la probeta no permite una mejor medida. Tras introducir la plastilina, el nivel sube hasta aproximadamente 151 mL, aunque la tercera cifra no es segura, es un valor estimado. [Nota: Observe que en las imágenes C y D palabra KINETICS se ve invertida a través de la probeta ¿sabe por qué es así? En el taller 4 trabajaremos con las propiedades de la luz y lo explicaremos]. Así que el valor del volumen de plastilina es:
V= 151 (mL)- 110 (mL) = 41 mL = 41 cm3
Teniendo en cuenta la precisión de la medida, la coincidencia de este valor con el calculado a partir de las dimensiones del paralelepípedo es razonablemente buena.
Este último procedimiento es muy útil para la determinación de volúmenes de sólidos con forma irregular, difícilmente determinable por medidas geométricas.
Se puede aprovechar esta actividad para practicar el cambio de unidades. Se podría dar el volumen en L, dL, m3, dm3, etc.
Actividad 2. La medida de la masa y la densidad en sólidos y líquidos
Tomamos el trozo de plastilina que hemos venido utilizando hasta ahora, lo secamos convenientemente y lo pesamos en una balanza
Figura 4. Medida de la masa de un sólido con una balanza
Claro que también podríamos haber pesado la plastilina antes de introducirla en el líquido y así evitar errores de pesada por problemas de secado de la plastilina
En este caso, la masa del sólido fue 50 g, como se aprecia en la imagen
La densidad (d) de un material es la relación entre su masa y su volumen o lo que es lo mismo, la cantidad de materia contenida en la unidad de volumen.
1,2 g/mL es el valor calculado de la densidad de la plastilina de nuestra actividad. Igual que en la actividad anterior, se puede aprovechar este resultado para hacer ejercicios de cambios de unidades y expresar la densidad en g/L, kg/L, kg/m3, etc.
Así que, para determinar la densidad de una sustancia es necesario medir su masa y su volumen. Determinaremos ahora la densidad de un líquido, el agua. Los pasos que se deben dar son los que aparecen en las imágenes de la figura 5.
Figura 5. Peso de la probeta vacía (izquierda). Peso de la probeta con agua (centro). Volumen de agua (derecha)
La probeta con agua tiene una masa de 351 g, aunque de esta masa, 206 g corresponden al vidrio del que está hecha la probeta. Por tanto, la probeta contiene 145 g de agua.
De acuerdo con la medida de la figura 5 derecha, el volumen de agua es 148 mL. De esta forma la densidad del agua será:
0,98 g/mL es el valor medido de la densidad del agua. Para tener mayor precisión se ha de mejorar tanto la precisión de la medida de la masa (balanza), como la del volumen, lo cual se consigue utilizando matraces aforados o picnómetros.
Claramente la densidad de la plastilina es mayor que la del agua, esta es la razón por la que la plastilina no flota sobre el agua: es una sustancia más densa que el agua y no es soluble en ella.
Tomemos ahora un tapón de corcho y lo pasamos. En nuestro caso este valor fue de 5g. Medimos ahora su volumen. Lo podemos hace mediante medidas geométricas, ya que es un cilindro, así que mediremos su altura y el radio de la base. También lo podemos hacer como en la actividad 1, sólo que ahora habrá que empujar, con un alfiler o una aguja, al corcho dentro del agua. En nuestro caso este volumen fue de 16 mL. Así que la densidad del corcho es:
Muchísimo menor que la del agua, razón por la cual el corcho flota en el agua.
En el siguiente experimento trabajaremos con estas dos propiedades de la materia, la densidad y la flotabilidad.