Quanto misura la densità dell’acqua? È una delle domande che ritornano spesso alla mente, quando si è finita la scuola da un po’ di tempo. Ci si ricorda che si trattava di un valore facile da ricordare, oltre che molto importante, ma non sempre si riesce a richiamarlo alla mente.
Non solo: a seconda di quanti anni siano passati dai nostri primi studi, può risultare complesso anche ricordare esattamente cosa sia questa densità. Intuitivamente ne abbiamo tutti un’idea: è, in un certo senso, un valore che indica quanto è appunto denso, “corposo” un certo materiale.
Più difficile però è enunciarne la formula. A ripensarci, inoltre, ci viene in mente, per analogia, anche il peso specifico, che ci pare avere una natura molto simile. E allora qual è la differenza tra densità e peso specifico? E la densità relativa, di cui si sente ogni tanto parlare, cos’è?
Insomma, gli interrogativi davanti a questi temi non sono certo pochi e vale la pena di scioglierli. Nell’articolo che segue proveremo a farlo. Abbiamo infatti cercato di riprendere in mano le basi chimico-fisiche che riguardano la densità dell’acqua, spiegandole in modo chiaro e conciso.
Troverete tante parole ma anche qualche tabella, qualche formula e qualche valore numerico. In velocità, inoltre, parleremo anche di unità di misura. Speriamo che questa guida possa così essere utile a chi queste cose le ha già studiate ma non le ricorda più, ma anche a chi vi si sta approcciando per la prima volta.
Indice
1. Che cos’è la densità
Prima di arrivare a valutare il valore della densità dell’acqua, conviene che facciamo allora qualche discorso introduttivo. Ad esempio che vediamo cosa si intende, nelle scienze, con densità. In maniera molto semplice, la densità assoluta è definita come il rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume.
La formula che la descrive, quindi, è la seguente:
Ovviamente ne derivano anche una serie di formule inverse. La massa può essere ricavata in quanto prodotto tra la densità e il volume, mentre il volume è il rapporto tra la massa e la densità. Queste le due formule:
Come vedremo la densità dell’acqua è particolarmente importante perché può essere presa come punto di riferimento per confrontare tra loro i materiali. La densità relativa, infatti, non è altro che il rapporto tra la massa di un qualsiasi corpo e la massa di un ugual volume di acqua distillata alla temperatura di 3,98 °C.
Tra l’altro, visto che questa densità relativa è un rapporto tra due grandezze espresse nella stessa unità di misura, il risultato è un numero puro, cioè un valore privo di unità di misura. Ad esempio la densità relativa dell’aria è 1,29, dell’idrogeno 0,089, dell’ossigeno 1,43, dell’acciaio 7,86.
Visto che vi abbiamo accennato, come si indica, però, il valore della densità? Qual è la sua unità di misura? Nel sistema internazionale la densità si misura in kg/m³. Si possono però utilizzare anche i g/cm³ (come faremo anche noi più avanti in questo articolo) e, nel caso dei gas, i g/l.
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2. Che cos’è l’acqua
Perché però è così importante conoscere la densità dell’acqua? Cos’ha di speciale questo mezzo? I motivi sono vari: il primo è che, ovviamente, l’acqua è uno dei composti chimici più presenti nel mondo, e spesso si trova ad interagire con altri materiali, che possono ad esempio galleggiare o affondare su di essa.
C’è poi un motivo di ordine pratico. Come accennato, e come vedremo anche tra poco, il valore della densità e del peso specifico dell’acqua è approssimato, in genere, a un numero tondo facile da ricordare, che consente così calcoli piuttosto veloci.
Cerchiamo dunque di capire meglio quali siano le caratteristiche dell’acqua. Come di sicuro sapete, si tratta di un composto la cui formula è H2O, visto che la sua molecola è composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, legati tra loro tramite un legame covalente polare.
In realtà, quella che chiamiamo comunemente acqua non è di solito acqua pura: essendo un ottimo solvente, questo composto in natura si presenta perlopiù come una miscela liquida al cui interno sono disciolte altre sostanze1. In ogni caso, è fondamentale per la vita. Non è un caso che anche le missioni spaziali vadano spesso in cerca di acqua.
Visto poi che parliamo di densità, è utile anche ricordare che l’acqua si presenta in più forme. Allo stato solido viene infatti chiamata ghiaccio, mentre allo stato aeriforme è nota come vapore acqueo. La scala Celsius è poi tarata esattamente su di essa: lo 0 rappresenta la temperatura di fusione e il 100 quella di ebollizione alla normale pressione atmosferica.
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3. Quanto vale la densità dell’acqua, approssimativamente
E allora, diamo i tanto agognati numeri: quanto vale la densità dell’acqua? Il valore approssimativo è 1 grammo su centimetro cubo (o 1000 chilogrammi su metro cubo). “Approssimativo” perché in realtà la natura è un po’ meno semplice di quanto i nostri numeri sembrino dirci.
In primo luogo, bisogna fare una premessa. Proprio in base a quanto abbiamo appena detto sull’acqua e sulla sua natura, la densità di questo composto varia al variare della temperatura. Rimane sempre vicina al valore di 1 g/cm³, ma non è mai precisamente 1.
Nel prossimo punto vi mostreremo una tabella che vi presenterà in maniera più evidente la situazione, ma per ora vi basti sapere che, ad essere precisi, la densità dell’acqua a 4 °C è in realtà pari a 0,9999720 g/cm³. Praticamente 1, appunto.
La densità dell’acqua tocca il suo punto massimo, per la precisione, a 3,98 °C, temperatura che abbiamo già citato qualche riga più sopra. Qui arriva a valere 0,9999729 g/cm³, un po’ di più di quanto misuri a 4 °C. Prima e dopo di questa temperatura, la densità decresce.
Pertanto, traendo le conseguenze dalle formule che abbiamo dato sopra, 1 dm³ di acqua (che altro non è che un litro) ha una massa di 1 kg. Vi sarete resi conto, infatti, che quando comprate le casse d’acqua al supermercato è facile fare la corrispondenza tra litri e chilogrammi.
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4. Il valore della densità al variare della temperatura
Vi avevamo promesso che vi avremmo presentato una tabella che mostrasse il variare della densità dell’acqua al variare della temperatura. Eccola.
| Temperatura (°C) | Densità (g/cm³) |
|---|---|
| -30 | 0,983854 |
| -20 | 0,993547 |
| -10 | 0,998117 |
| 0 | 0,9998395 |
| 3,98 | 0,9999729 |
| 4 | 0,9999720 |
| 10 | 0,9997026 |
| 15 | 0,9991026 |
| 20 | 0,9982071 |
| 30 | 0,9956502 |
| 40 | 0,9922 |
| 60 | 0,9832 |
| 80 | 0,9718 |
| 100 | 0,9584 |
A questo punto, però, vale la pena di confrontare il valore della densità dell’acqua con quello di altri materiali. Anche in questo caso abbiamo preparato per voi una tabella che dovrebbe darvi un buon colpo d’occhio.
| Materiale | Densità (kg/m³) |
|---|---|
| Acciaio | 7860 |
| Acqua a 4 °C | 1000 |
| Acqua di mare | 1025 |
| Alcool etilico | 794 |
| Alluminio | 2600-2750 |
| Anidride carbonica | 1,98 |
| Argento | 10500 |
| Aria | 1,293 |
| Benzina | 700-720 |
| Calcestruzzo | 2200-2600 |
| Carta | 970 |
| Cenere | 900 |
| Diamante | 3550 |
| Elio | 0,179 |
| Ferro | 7880 |
| Ghiaccio a 0 °C | 917 |
| Latte a 15 °C | 1029-1034 |
| Marmo | 2500-2800 |
| Mercurio | 13590 |
| Olio d'oliva | 916 |
| Olio di semi | 920 |
| Oro | 19250 |
| Ottone | 8400-8700 |
| Petrolio | 840 |
| Piombo | 11340 |
| Rame | 8890-8930 |
| Salgemma | 2200 |
| Stagno | 7280 |
| Sughero | 200-350 |
| Talco | 2600-2800 |
| Tungsteno | 19250 |
| Vetro | 2400-2700 |
| Zinco | 7100 |
Questa tabella è particolarmente importante perché indica anche quali materiali, posti in acqua, galleggeranno e quali no. In base al Principio di Archimede, infatti, il galleggiamento avviene quando il peso del corpo è inferiore alla spinta di Archimede, cioè al peso del liquido spostato. E visto che il volume è lo stesso, a fare la differenza è la densità.
Per farla breve, un corpo galleggia se la sua densità è inferiore a quella del liquido in cui è immerso, e invece affonda se è vero il contrario.
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5. E il peso specifico?
Abbiamo citato più volte, nel corso di questa presentazione, il peso specifico, lasciando intendere che sia legato alla densità. Infatti è probabile che anche nei ricordi magari confusi che avete delle scuole superiori questi due valori si confondano tra loro. Cerchiamo di fare anche in questo caso un po’ di chiarezza.
La definizione del peso specifico, in verità, appare molto simile a quella della densità. Mentre quest’ultima, come abbiamo detto all’inizio, è pari al rapporto tra massa e volume, il peso specifico è invece uguale al rapporto tra peso e volume. La formula è quindi la seguente:
Se avete qualche memoria dei vostri studi, sapete però che massa e peso non sono equivalenti. Il peso infatti è una forza, il cui modulo è dato dal prodotto tra la massa stessa e l’accelerazione di gravità (che sulla Terra è pari 9,81 m/s²). È chiaro quindi che densità e peso specifico sono tra loro direttamente proporzionali.
Pertanto, nel linguaggio comune si è spesso portati a utilizzarli come sinonimi. Gli stessi concetti di densità e peso specifico vengono considerati quasi equivalenti, così come avviene, d’altra parte, per i concetti di massa e peso. Non per nulla sulla bilancia pensiamo di misurare il nostro peso, e invece in realtà misuriamo la massa.
L’unità di misura del peso specifico – visto che è dato dal rapporto tra una forza e un volume – è N/mg³. In ogni caso, in chimica e in fisica si preferisce utilizzare il concetto di densità, che lascia di solito meno spazio ad equivoci.
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Note e approfondimenti
