Introducción a la medición de la densidad

La densidad es una de las propiedades físicas más accesibles y, al mismo tiempo, más informativas que puede medir un químico orgánico en el laboratorio. Con equipos relativamente simples es posible alcanzar precisiones suficientes para identificar compuestos, detectar impurezas o seguir el curso de una reacción, y con técnicas más elaboradas la sensibilidad puede extenderse a niveles muy altos.

Este artículo abre una serie dedicada a las técnicas de medición de densidad: presenta sus principales aplicaciones analíticas, el rango típico de valores encontrados en líquidos orgánicos y un conjunto de reglas empíricas que relacionan la estructura molecular con la densidad, útiles para la identificación rutinaria de compuestos.

Las mediciones de densidad ofrecen un medio sumamente conveniente para facilitar la identificación, análisis y caracterización de sustancias orgánicas, ya sea en estado líquido, sólido o gaseoso. Las densidades pueden determinarse con equipos muy simples con una precisión del 0.1 por ciento, lo cual suele ser adecuado para diferenciar entre dos compuestos similares o para detectar cantidades significativas de impurezas en sustancias conocidas. Para problemas más complejos, como la observación de pequeños cambios de concentración durante el curso de una reacción, la precisión puede extenderse fácilmente a una parte en 10⁵.

Una precisión aún mayor en las diferencias de densidad no siempre requiere técnicas elaboradas, y se han desarrollado diversos procedimientos que permiten la detección de diferencias tan pequeñas como unas pocas partes en 10⁷ o 10⁸. Estas sensibilidades extremas, igualadas por muy pocas otras mediciones físicas, también tienen aplicaciones de suma importancia. Por ejemplo, en la caracterización de algunas proteínas, se requieren valores de densidad extremadamente precisos en función de la concentración (volúmenes específicos parciales) en soluciones muy diluidas para la evaluación de pesos moleculares a partir de datos de sedimentación.

Otros usos para los datos de densidad incluyen: (1) la evaluación de pesos moleculares a partir de las dimensiones de la celda unitaria de los cristales determinadas por difracción de rayos X; (2) la evaluación de la refracción molar, el paracor y los momentos dipolares; (3) la estimación de otras propiedades físicas como puntos de ebullición, viscosidades y tensiones superficiales a través de relaciones empíricas; y (4) la evaluación de actividades termodinámicas a partir de datos de presión osmótica y el cálculo de energías libres en función de la presión.

Además, el análisis de isótopos estables en compuestos sólidos, líquidos y gaseosos a veces se logra de manera más conveniente, rápida y económica mediante determinaciones precisas de densidad; esto es particularmente cierto para los compuestos deuterados de bajo peso molecular.

Finalmente, la medición de la densidad por sí misma proporciona información interesante y útil sobre las fuerzas y la estructura molecular, ya que su recíproco define el volumen específico o molar físicamente significativo. Un estudio de los volúmenes molares conduce a relaciones de densidad que son útiles en la identificación de rutina de líquidos orgánicos puros.

Algunas de estas relaciones se ilustran con los datos de la Tabla 1, que también muestra el rango de densidades que se pueden encontrar al trabajar con sustancias líquidas típicas a temperatura ambiente. Estos datos se presentan simplemente para ilustrar tendencias, y en la mayoría de los casos no son precisos en el último lugar decimal indicado.

Rango de Densidades en Líquidos Orgánicos

Tabla 1: Rango de Densidades Encontradas en Líquidos Orgánicos

Sustancia	d204	Sustancia	d204
neo-Pentano	0.613	Metil n-nonil cetona	0.8256
iso-Pentano	0.6197	Di-n-amil cetona	0.8286
n-Pentano	0.6263	Etil n-octil cetona	0.827
Pentadieno-1,3	0.676	Etil propargil éter	0.833
Pentino-1	0.691	Etil mercaptano	0.839
Butino-2	0.693	Etil vinil carbinol	0.840
t-Butilamina	0.698	Etilidin acetona	0.856
Dietil éter	0.7193	Trinitrato de glicerilo	1.594
Pentino-2	0.711	Tetracloruro de carbono	1.5940
Dipropilamina	0.722	Ácido glicerofosfórico	1.59
n-Decano	0.7299	Cloropicrina	1.651
n-Butilamina	0.739	Dibromoetano	2.055
n-Undecano	0.7403	Dibromuro de acetileno (trans)	2.267
Acetaldehído	0.783	Yodometano	2.2930
Di-n-amil éter	0.7870	Dibromuro de acetileno (cis)	2.285
Etanol	0.7893	Difluorodibromometano	2.312
iso-Butiraldehído	0.794	Tribromoetileno	2.708
Metil amil cetona	0.8154	1,1-Diyodoetano	2.84
Etilhexaldehído	0.820	Bromoyodometano	2.926
Di-n-propil cetona	0.8205	Diyodometano	3.3345
n-Undecanol	0.822

Reglas sobre la Influencia de la Composición Molecular en las Densidades de Líquidos

1. En general, la densidad aumenta con el incremento del peso molecular.
2. Las moléculas polares tienen mayores densidades que las moléculas no polares de peso molecular similar.
3. Los isómeros de posición [ej., pentino-1 (0.691 g/ml) y pentino-2 (0.711 g/ml)] y los isómeros cis-trans [ej., cis-dibromuro de acetileno (2.285 g/ml) y trans-dibromuro de acetileno (2.267 g/ml)] son a menudo fácilmente distinguibles mediante mediciones de densidad.
4. La ramificación de una cadena de carbono generalmente produce cambios relativamente pequeños en la densidad.
5. Las densidades de los bencenos con sustitución orto, meta y para casi siempre están muy próximas entre sí.
6. Los éteres y cetonas que tienen cadenas de carbono iguales [ej., dipropil cetona (0.8205 g/ml)] generalmente tienen una densidad mayor que el isómero correspondiente con grupos desiguales [metil amil cetona (0.8154 g/ml)], aunque este efecto se vuelve menos notable con el aumento del peso molecular (ej., diamil cetona = 0.8286 g/ml; metil nonil cetona = 0.8256 g/ml).
7. Cuanto mayor sea el número de grupos pesados (ej., halógenos) o fuertemente polares (ej., hidroxilo, nitro) por átomo de carbono en la molécula, mayor será la densidad.
8. La polisustitución en un solo carbono conduce a densidades más altas que la misma cantidad de sustitución distribuida a lo largo de una cadena de carbono.