Densidade - Relação entre massa e volume

Já lhe ocorreu de, ao agarrar um objeto, esse parecer mais pesado do que devia? Ou mais leve?

Quando pegamos um objeto - um livro, um pedaço de madeira, uma peça em metal, ou mesmo um tecido - julgamos a sua densidade com base no peso (através da força que exercemos para levantá-lo) e na sua forma. Em geral, não pensamos muito mais no assunto, especialmente se o peso "parecer" certo.

Mas quando o material parece, aos nossos sentidos, "pesado" para o seu tamanho, isso chama a atenção. Isso pode ocorrer com um material mais denso que o comum - por exemplo, um metal como o chumbo. O contrário também pode ocorrer - por exemplo, madeira muito seca acaba parecendo "leve", na verdade pouco densa.

Mas o que é que faz um material ser mais ou menos denso? E há aplicações para materiais baseadas nas suas respectivas densidades?

Peso e massa

Antes de discutir a densidade, é preciso lembrar que peso e massa são coisas diferentes. O peso é a força exercida por uma massa em um campo gravitacional - e, portanto, depende desse campo. Quanto à massa, é a quantidade de matéria em si, e não depende de condições ambientais: um quilograma de água tem a mesma quantidade de moléculas aqui ou em qualquer outro lugar.

A densidade relaciona a massa de um material ao volume que ele ocupa, sendo uma propriedade intrínseca do material: d = m/V. Quando se trata de elementos químicos, a densidade dos elementos aumenta na direção do centro da tabela periódica. Portanto, os elementos mais densos são metais: o ósmio (22,6 g/cm³) e o irídio (22,5 g/cm³). Ou seja, quase três vezes mais densos que o ferro (7,86 g/cm³) e oito vezes mais densos que o alumínio (2,7 g/cm³).

Esses elementos são muito densos porque possuem uma massa nuclear grande (repare que seus números de massa são superiores a 180), para um volume atômico moderado; a relação d = m/V acaba sendo um valor alto.

Para que servem esses metais densos?

Como apresentam também pontos de fusão elevados e grande dureza, metais muito densos encontram algumas aplicações que exigem resistência: pontas de canetas esferográficas (tungstênio e irídio, por exemplo), filamentos de lâmpadas, partes internas de válvulas geradoras de raios X e em joalheria.

Uma aplicação um pouco nefasta de metais densos é o seu uso em projéteis de armas de fogo: como a energia cinética é proporcional à massa, materiais mais densos carregam muita energia por volume - e, por isso, projéteis densos podem perfurar alvos de maneira mais eficiente.

Projéteis comuns, com chumbo (densidade 11,3 g/cm³), já são bem densos, mas projéteis de alta performance, como os projetados para perfurar a blindagem de tanques, são feitos com ligas à base de urânio 238, que é não radioativo, duro e denso (19,1g/cm³). Outros materiais densos, de natureza não metálica, são as cerâmicas, o vidro e o cristal - densos, mas frágeis.

Metais de baixa densidade

Há também metais de baixa densidade, dos quais o mais conhecido é o alumínio. No entanto, há vários metais ainda menos densos, como o magnésio (1,74 g/cm³), o cálcio (1,55 g/cm³) e mesmo elementos menos densos que a água, como o potássio (0,86 g/cm³) e o sódio (0,97 g/cm³).

Esses metais são muito reativos e pouco resistentes, sendo, portanto, inadequados para fazer objetos, na forma pura. Exceção importante é o alumínio, que, apesar de reativo, forma em contato com o ar uma densa camada de óxido que protege o metal. Suas ligas, assim como as de magnésio, são muito usadas devido à baixa densidade e boa resistência mecânica.

Já os materiais não metálicos de baixa densidade são abundantes: os plásticos comuns (polietileno, polipropileno) apresentam densidades da ordem de 0,92 g/cm³, e plásticos muito resistentes como nylon e ABS apresentam densidades da ordem de 1,03 g/cm³, quase a mesma da água.

Densidade aparente

No dia-a-dia, no entanto, é muito comum encontrarmos sólidos porosos ou particulados, como isopor, leite em pó, areia. Nesses materiais, mesmo que não possamos ver, há partículas de material sólido "empilhadas" ou "coladas" umas às outras, com espaços entre elas. Esses espaços não são vazios: são preenchidos com ar, que apresenta uma densidade muito mais baixa que a da maioria das substâncias sólidas.

O resultado é que um material como esse ocupa mais espaço do que se estivesse na forma de um bloco homogêneo, e a densidade que usamos é uma densidade aparente. A relação é a mesma, d = m/V, mas o volume do material depende do seu grau de compactação.

Porosidade e densidade

Então é possível ter sólidos com uma grande quantidade de "vazios"? É sim, e a conseqüência é interessante: esses materiais são muito porosos, com aplicações em filtração, adsorção e estoque de gases - o gás ocupa a superfície das partículas do material, em um fenômeno conhecido como adsorção.

Como você pode ter imaginado, materiais com a estrutura bem ordenada e compacta, como os cristais (sal de cozinha, quartzo e a maioria das rochas são exemplos), apresentam densidade alta. Enfim, propriedades sobre as quais você pode estudar saboreando um chocolate aerado - note como a sua densidade aparente é bem inferior à do chocolate normal. Mas o sabor...