Déterminer une masse volumique expérimentalement
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Déterminer une masse volumique d'un liquide ou d'un solide.
Niveau préconisé : 4e
- La masse volumique d'un solide ou d'un liquide peut être déterminée avec une balance et une éprouvette graduée.
- La masse volumique de l'eau liquide pure est
égale à 1 kg/L ou 1 g/mL
(car
).
- La masse volumique d'un corps (solide, liquide ou gazeux) se calcule grâce à la masse et le volume selon la relation :
.
- avec :
- m la masse du corps, en kilogrammes (kg) dans le système international, ou en grammes (g) ;
- V le volume occupé par ce corps, en mètres cubes (m3) dans le système international, ou en litres (L) ;
- ρ la masse volumique d'une espèce chimique, en kilogrammes par mètre cube (kg/m3) dans le système international, ou en grammes par litre (g/L).
Autrement dit, la masse volumique d'un corps pur est égale au rapport de la masse de ce corps par le volume occupé par cette substance.
On a donc une relation de proportionnalité entre m et V :
avec, dans le système international :
- m la masse du corps, en kilogrammes (kg) ;
- V le volume occupé par ce corps (solide, liquide ou gazeux), en mètres cubes (m3) ;
- ρ la masse volumique de ce corps, en kilogrammes par mètre cube (kg/m3).
Pour connaitre la masse volumique d'un corps, il faut pouvoir le peser et mesurer son volume.
La masse se mesure avec une balance et le volume peut se mesurer avec une éprouvette.
Dans le cas où le corps est solide, une balance permet facilement de trouver sa masse.
Il faut bien exprimer la masse en kilogrammes si on souhaite avoir une masse volumique en kg/m3.
Pour cela :
- On verse un volume dans une éprouvette graduée.
- Le corps est plongé dans l'éprouvette inclinée en le faisant glisser le long de la paroi (pour éviter les éclaboussures).
- Il suffit ensuite de lire le nouveau volume sur l'éprouvette graduée.
- La différence avec le volume initial donne le volume du corps.
Il faut bien exprimer le volume en m3 si on souhaite avoir une masse volumique en kg/m3).
On verse un volume V1 de 100 mL dans l'éprouvette graduée.
Après avoir plongé le corps dont on veut connaitre le volume, on lit : V2 = 125 mL.
On calcule : V2 – V1 = 125 – 100 = 25 mL.
Le solide étudié a donc un volume égal à 25 mL.
On convertit en m3 : V = 25 mL = 25 cm3 = 25 × 10–6 m3, car 1 mL = 1 cm3 = 10–6 m3.
Montage pour mesurer
le volume d'un solide
Le calcul de la masse volumique est alors
réalisé tel que : 
,
avec :
- ρ la masse volumique du corps ;
- m la masse du corps mesurée avec la balance ;
- V le volume du corps mesuré par son immersion dans un liquide (égal à V2 – V1).
.
Soit une substance qui a une masse égale à 3,93 kg et un volume égal à 0,5 dm3, donc égal à 0,5 L après conversion. La formule de la masse volumique est :
.On se réfère au tableau ci-dessous qui relie espèce chimique et masse volumique :
| Métal | Or | Argent | Cuivre | Plomb | Aluminium | Fer | Zinc |
| Masse volumique (kg/L) | 19,3 | 10,5 | 8,9 | 11,3 | 2,7 | 7,9 | 7,1 |
Dans le cas où le corps étudié est liquide, la masse et le volume peuvent être facilement trouvés à l'aide d'une balance et d'une éprouvette.
Le mode opératoire est le suivant :
- Déposer une éprouvette sur une balance.
- Tarer la balance à 0.
-
- Remplir l'éprouvette d'un volume quelconque de liquide.
- Lire la masse donnée par la balance.
- Lire le volume en respectant la place de l’œil pour éviter les erreurs.
- Calculer la masse volumique du liquide
étudié en sachant
que :
.
Montage pour calculer la
masse volumique d'un liquide
On a placé l'éprouvette graduée sur la balance et effectué une tare. Après avoir rempli l'éprouvette d'un volume quelconque d'eau distillée, on lit sur la balance m = 145,6 g = 0,1456 kg.
On lit sur l'éprouvette V = 145 mL = 0,145 L.
On calcule la masse volumique en appliquant la formule :
.La masse volumique de l'eau pure est égale à 1 kg/L.
La valeur de la masse volumique de l'eau est à retenir en considérant qu'elle a été mesurée dans des conditions de température et de pression « normales » (c'est-à-dire à 22 °C et à la pression atmosphérique).
La détermination de la masse volumique d'un mélange gazeux est un peu plus compliquée. En effet, un gaz est généralement invisible. Il a cependant une masse tout en occupant un certain volume.
La masse de 1 L d'air (mélange de dioxygène, de diazote et d'autres gaz) est de l'ordre de 1,2 g.
On a ainsi : ρ(air) = 1,2 g/L.
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