Mesure de la masse volumique : l’essentiel à savoir

Mesure de la masse volumique

Définition, équations, influences, instruments, masse volumique vs densité relative et plus

La mesure de la masse volumique permet de vérifier la pureté et la concentration d’un échantillon ; elle donne également des indications sur sa composition. La mesure de la masse volumique est essentielle dans différents secteurs pour assurer la qualité des matières premières et des produits finis.

Par exemple, la masse volumique de l’eau ultrapure à 20,00 °C est de 0,998203 g/cm³ : tout écart par rapport à cette valeur (en tenant compte des tolérances) indique la présence d’impuretés dans l’échantillon d’eau.

Sur cette page, apprenez l’essentiel sur la mesure de la masse volumique.

Pour en savoir plus sur la densité des liquides, explorez l’une des rubriques suivantes.

Masse volumique : explication
Comment mesurer la masse volumique des solides
Comment mesurer la masse volumique des liquides
Facteurs qui influent sur la détermination de la masse volumique
Exemples de densité et de masse volumique de certaines matières
FAQ

1. Masse volumique : explication

Qu’est-ce que la masse volumique ?

La masse volumique est un paramètre physique qui donne des informations sur la masse d’un échantillon ou d’un corps divisé par son volume : en d’autres termes, la concentration à laquelle les molécules d’une substance sont regroupées. La masse volumique est généralement représentée par la lettre grecque rho « ρ ». On utilise aussi fréquemment la lettre latine « d ».

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi le pétrole reste à la surface des océans en cas de marée noire ?

C’est la différence de masse volumique qui fait que certaines substances s’élèvent au-dessus des autres. L’image vous donne quelques exemples de valeurs de types de masses volumiques.

A - Huile pour lampe (0,80 g/cm³)
B - Alcool à friction (0,87 g/cm³)
C - Huile végétale (0,91 g/cm³)
D - Eau (0,99 g/cm³)
E - Liquide vaisselle Dawn (1,33 g/cm³)
F - Miel (1,36 g/cm³)

Balance avec kit pour mesurer la masse volumique

2. Comment mesurer la masse volumique des solides ?

La mesure de la masse volumique de solides avec une balance est une procédure simple et pratique, qui permet d’obtenir des résultats très fiables par rapport à d’autres méthodes où le volume est déterminé indépendamment du poids. En montant un kit pour mesurer la masse volumique sur une balance de laboratoire standard, vous évitez d’acheter un instrument spécialement dédié à cette procédure relativement simple. Cette solution constitue un investissement très rentable. En complétant le kit par un plongeur en verre de volume connu, vous pouvez également déterminer la masse volumique d’échantillons liquides.

L’application intégrée de masse volumique comprend des instructions détaillées qui facilitent l’utilisation du système, même pour des opérateurs novices.

Mesure de la masse volumique avec une balance de laboratoire

3. Comment mesurer la masse volumique des liquides ?

Il existe différents types d’instruments pour mesurer la masse volumique.

Hydromètre

Un hydromètre est un instrument économique utilisé pour déterminer la masse volumique des liquides. Fabriqué en verre soufflé, il est composé d’un fond bombé lesté de grenaille de plomb ou d’acier et d’une longue tige étroite graduée. L’hydromètre est immergé dans l’échantillon jusqu’à ce qu’il flotte. Pour connaître la masse volumique de l’échantillon, il suffit de regarder l’échelle : le niveau du liquide de l’échantillon s’aligne sur un repère gradué de l’hydromètre. La plupart des hydromètres mesurent la densité d’échantillons : en termes simples, un hydromètre indique à l’utilisateur si un liquide est plus dense ou moins dense que l’eau. Il flotte à un niveau supérieur dans un liquide présentant une densité plus élevée, à l’instar de l’eau contenant du sucre dissous, par rapport aux liquides de densité inférieure que sont par exemple l’eau et l’alcool.

Deux options s’offrent à l’utilisateur d’un hydromètre :

Utiliser l’hydromètre à sa température d’étalonnage (16 °C ou 20 °C en général). En fonction du volume de l’échantillon, il faut un certain temps avant que l’échantillon n’atteigne cette température.
Consigner simplement la valeur de mesure à la température ambiante. Dans ce cas, il convient de consigner les valeurs de mesure comme celles de la température. Un facteur de correction peut être appliqué par la suite si nécessaire afin d’obtenir une valeur de mesure corrigée de la température.

Pycnomètre

Généralement fabriqué en verre, un pycnomètre est une fiole d’un volume prédéfini permettant de mesurer la masse volumique d’un liquide. Il permet aussi de déterminer la masse volumique de dispersions, de solides et même de gaz. Utilisés correctement, les pycnomètres fournissent des résultats très précis et un niveau de précision atteignant 10^-5 g/cm³, étroitement lié à la précision d’affichage (nombre de décimales) de la balance numérique utilisée. Un thermomètre est également requis pour mesurer la température. Une formation des utilisateurs est nécessaire afin de garantir la précision des mesures réalisées à l’aide du pycnomètre.

Densimètre numérique portable

Les densimètres numériques portables sont utilisés pour déterminer rapidement et précisément la masse volumique des liquides. La détermination de la masse volumique à l’aide d’instruments numériques s’appuie sur deux facteurs :

L’oscillation, ou vibration, d’un tube en verre en forme de U (tube en U).
La relation entre la masse de l’échantillon liquide et la fréquence d’oscillation du tube en U. Le remplissage du tube en U d’un échantillon de liquide modifie sa fréquence d’oscillation : grâce aux réglages d’usine réalisés avec des échantillons de masse volumique connue, cette fréquence d’oscillation peut être directement associée à la masse volumique de n’importe quel échantillon liquide avec une précision de 0,001 g/cm³. Les densimètres numériques portables mesurent les échantillons à température ambiante. Pour obtenir un résultat à une certaine température, le densimètre numérique peut appliquer un facteur de correction au résultat mesuré afin de compenser la différence de température. Chaque mesure ne prend que quelques secondes, ce qui permet à l’utilisateur de passer rapidement à un autre échantillon. La masse volumique mesurée peut ensuite être automatiquement convertie en d’autres unités et concentrations pour des applications précises, telles que la densité, la densité API, le degré d’alcool, le degré Brix, etc.

Densimètre numérique de paillasse

Les densimètres numériques de paillasse utilisent la même technologie que les densimètres numériques portables : l’oscillation d’un tube en verre en forme de U (tube en U). En outre, ils sont dotés d’un contrôle de température par effet Peltier intégré, qui amène l’échantillon à la température sélectionnée (p. ex. 20 °C). La plage de contrôle de la température varie entre 0 et 95 °C. Ces densimètres peuvent atteindre une précision de 0,000005 g/m³ pour la masse volumique.

Certains densimètres numériques de paillasse peuvent être connectés à des solutions d’automatisation pour un ou plusieurs échantillons, qui offrent un échantillonnage, un rinçage et un séchage automatisés. Ces densimètres peuvent souvent être mis à niveau avec un système multiparamètre automatisé dédié combinant la masse volumique, l’indice de réfraction, le pH, la couleur, la conductivité et d’autres facteurs pour vous faire gagner du temps, augmenter la qualité des données et empêcher toute altération des échantillons entre chaque analyse.

L’un des avantages des densimètres numériques dotés d’un tube en U en verre est le faible volume d’échantillon requis (généralement 1,5 mL), ce qui permet un équilibre thermique plus rapide de l’échantillon.

Vous utilisez un pycnomètre pour déterminer la masse volumique ?

Regardez cette vidéo pour déterminer si vous respectez les étapes d’une mesure réussie de la masse volumique avec un pycnomètre. Nous comparons aussi la mesure de la masse volumique avec un pycnomètre et un densimètre numérique.

4. Facteurs qui influent sur la détermination de la masse volumique

a) Température

Saviez-vous qu’un écart de température de 0,1 °C peut entraîner une erreur de 0,0001 g/cm³ sur la mesure de masse volumique ?

La température a une influence sur l’espace nécessaire aux atomes dans une molécule. La vibration croît à mesure que la température augmente, ce qui sépare davantage les atomes entre eux et réduit la valeur de la masse volumique.

Exemple :

Mv _éthanol à 20 °C = 0,7895 g/cm³

Mv _éthanol à 40 °C = 0,7724 g/cm³

Mv _eau à 20 °C = 0,9982 g/cm³

Mv _eau à 40 °C = 0,9922 g/cm³

d _éthanol à 20 °C = 0,7909 g/cm³

d _éthanol à 40 °C = 0,7785 g/cm³

Molécule à une température donnée
(légers mouvements)

Même molécule quand la température augmente
(séparation plus marquée)

Ainsi, plus la température augmente, plus le volume augmente, plus la masse volumique diminue. En cas de diminution de la température, le volume diminue et la masse volumique augmente. Cependant, la masse de la substance ne varie pas.

La seule exception à cette règle est l’eau liquide qui atteint son pic de masse volumique à 3,98 °C. Au-dessus de ce point, le volume d’eau augmente et devient moins dense. C’est le contraire quand on refroidit l’eau.

Remarque : La relation entre la température, le volume et la masse volumique n’est pas une fonction linéaire : elle dépend de la chaleur spécifique, de la chaleur de vaporisation et d’autres facteurs liés à chaque substance.

b) Bulles d’air ou impuretés

La présence d’une simple bulle d’air dans un liquide faisant l’objet d’une mesure peut grandement modifier sa masse volumique. Il en est de même pour les impuretés.

Pour illustrer, le pycnomètre en verre s’appuie sur la masse pour calculer la valeur de masse volumique. En présence d’une bulle d’air ou d’une contamination, par exemple due à un nettoyage insuffisant, la balance affiche une masse mesurée incorrecte. Par ricochet, cela fausse la valeur de masse volumique.

Apprenez à choisir, utiliser et étalonner les pycnomètres

Il en est de même pour un densimètre numérique qui s’appuie sur le principe de mesure du tube en U pour déterminer la masse volumique.

Les densimètres numériques modernes sont toutefois dotés d’une fonction BubbleCheck™ automatique pour aider l’utilisateur pendant la procédure de mesure de la masse volumique.
De plus, pour éviter toute contamination croisée issue d’un nettoyage inapproprié, les utilisateurs peuvent mesurer la masse volumique de l’air. Si le résultat des mesures est compris dans les limites, cela signifie que la cellule de mesure a été nettoyée correctement.

c) Pression atmosphérique d’un fluide

Si vous vous trouvez à Mexico à 3 930 mètres au-dessus du niveau de la mer, la pression atmosphérique locale sera inférieure à celle de Rio de Janeiro qui est au niveau de la mer, soit 0 mètre. Cela signifie que la pression atmosphérique est directement fonction de l’altitude.

Et comme les gaz et les liquides sont des fluides, il convient de tenir compte des informations suivantes :

Le gaz (p. ex., l’air) est un fluide compressible dont le volume change en fonction de la pression.
Les liquides (p. ex., l’eau) sont considérés des fluides incompressibles, si bien que leur volume est constant quelle que soit la pression. Les liquides pourraient devenir compressibles en leur appliquant une pression atmosphérique extrêmement élevée, mais ce n’est pas ce qui se passe pour la mesure analytique de la masse volumique.

Une mesure de la masse volumique avec un instrument manuel (p. ex., un pycnomètre) ne prend pas en compte la valeur de la pression atmosphérique.

Les densimètres numériques modernes se caractérisent par un baromètre intégré (capteur de pression) pour mesurer la pression atmosphérique locale, ce qui définit automatiquement la valeur de la masse volumique de l’air de référence. Cette valeur est importante pour deux raisons :

Pendant le réglage de l’instrument, il convient de mesurer la valeur de l’eau et de l’air. La pression a un effet sur la valeur de l’air et donc sur toutes les mesures par la suite.
Découvrez-en plus au sujet du réglage des instruments : téléchargez notre guide gratuit sur la mesure de la masse volumique
Pendant les opérations quotidiennes, la cellule de mesure doit toujours être propre pour garantir de bons résultats en évitant toute contamination croisée. La valeur de la masse volumique de l’air est comparée à la valeur de référence définie. Si le résultat est compris dans une certaine tolérance, la cellule de l’instrument est propre.

d) Viscosité

Si une substance est visqueuse, est-elle plus dense qu’un liquide moins visqueux ?

La viscosité décrit la résistance d’un liquide à l’écoulement. On parle aussi de manière non formelle de l’« épaisseur » d’un fluide et, en principe, elle n’a aucune relation directe avec la masse volumique.

La viscosité peut toutefois avoir une influence sur la détermination de la masse volumique, selon la méthode utilisée.

Mesures avec :

Un pycnomètre : pas d’influence, mais échantillonnage et nettoyage complexes, lente stabilisation de la température avec un bain-marie.
Un hydromètre : pas d’influence, mais échantillonnage, lecture de la valeur et nettoyage complexes.
Un densimètre numérique : influence puisque l’échantillon amortit la fréquence d’oscillation du tube en U à oscillations.

Relation entre la viscosité et la masse volumique

Comme vous le voyez sur le graphique, l’erreur de masse volumique augmente avec l’augmentation de la viscosité.
Les densimètres numériques modernes corrigent toutefois automatiquement les erreurs liées à la viscosité, garantissant ainsi une précision optimale et des mesures rapides.

Solutions aqueuses, solvants (organiques) de laboratoire
Solutions sulfurées
Huile moteur
Détergent de cuisine
Sirop

e) Densité relative, densité, masse volumique réelle : de quoi s’agit-il ? Quelles différences ?

Définition de la densité relative

La densité relative est le rapport entre les masses volumiques absolues de deux substances, le diviseur étant la substance de référence. Si cette substance n’est pas précisée, on part du principe qu’il s’agit d’eau à 3,98 °C dont la masse volumique est donc de 0,999972 g/cm³ ou 999,972 kg/m³. Comme l’indique l’équation, la densité relative n’a pas d’unité.

Définition de la densité (ou gravité spécifique)

La densité établit le rapport entre la masse volumique d’une substance et la masse volumique de l’eau. Si aucune température n’est précisée, on part du principe qu’il s’agit d’eau à 3,98 °C dont la masse volumique est donc de 0,999972 g/cm³ ou 999,972 kg/m³.

Définition de la masse volumique réelle, ou absolue

La masse volumique réelle est le rapport entre la masse et le volume d’une substance à une pression et une température données, ce qui correspond à son poids dans le vide. Il s’agit du concept également utilisé dans la mesure de la masse volumique par les densimètres numériques.

Définition de la masse volumique apparente

La masse volumique apparente est une propriété des solides en particules, tels que les poudres et les granules. On l’utilise souvent dans l’industrie minière, l’agroalimentaire et l’industrie chimique. Par définition, la masse volumique apparente est le rapport entre la masse et le volume, mais elle correspond au poids dans l’air.

Pour illustrer la différence entre la masse volumique réelle et la masse volumique apparente, imaginons un pycnomètre sur une balance. Une fois rempli d’un liquide, il pèse moins dans l’air que dans le vide sous l’effet de la poussée d’Archimède.

Beaucoup de tables officielles de masse volumique reposent toujours sur la masse volumique apparente. Les densimètres numériques permettent d’obtenir des résultats dans différentes unités et concentrations, consultez leurs spécifications.

Masse dans le vide = masse volumique réelle

Masse dans l’air = masse volumique apparente

5. Exemples de densité et de masse volumique de certaines matières

Densité (à 20 °C)	Masse volumique (à 20 °C)
0,746	0,745 g/cm³
0,772	0,771 g/cm³
0,791	0,790 g/cm³
1,000	0,998 g/cm³
1,251	1,249 g/cm³
1,261	1,259 g/cm³
1,484	1,481 g/cm³
13,618	13,593 g/cm³

À différentes températures

Masse volumique (à 15 °C)	Densité (à 25 °C)	Masse volumique (à 25 °C)
0,752 g/cm³	0,747	0,745 g/cm³
0,999 g/cm³	1,000	0,997 g/cm³
1,254 g/cm³	1,248	1,244 g/cm³
1,486 g/cm³	1,480	1,476 g/cm³

6. FAQ

Quelle différence entre la masse volumique et la masse ?
Pourquoi utiliser la masse volumique pour identifier un échantillon ?
Comment mesurer la masse volumique de solutions ?
La masse volumique est-elle directement proportionnelle à la pression ?
Quelles sont des applications types de la mesure de la densité ?
Quelle est la masse volumique de l’air ?
Quelle est la masse volumique de l’eau ?
Quelle est l’influence de la viscosité sur les mesures numériques de la masse volumique ?

Quelle différence entre la masse volumique et la masse ?

La masse indique la quantité de matière dans un objet ou un liquide. La masse volumique exprime la masse pour un certain volume.

Par exemple, 10 kg d’acier et 10 kg de plumes ont la même masse, mais n’occupent pas le même volume. Leur masse volumique est donc différente.

Pourquoi utiliser la masse volumique pour identifier un échantillon ?

La masse volumique permet d’identifier facilement les échantillons purs, car chaque élément chimique présente une masse volumique unique. Après la mesure, la masse volumique de l’échantillon en question permet de l’identifier.

Comment mesurer la masse volumique des solutions ?

Prenons l’exemple d’une solution d’éthanol dans l’eau.

Comme nous l’avons déjà indiqué, à 20 °C, l’eau pure a une masse volumique (Mv) égale à 0,9982 g/cm³, contre 0,7892 g/cm³ pour l’éthanol pur à 20 °C. La masse volumique de la solution éthanol/eau dépend de sa concentration.

La masse volumique est-elle directement proportionnelle à la pression ?

La masse volumique est directement proportionnelle à la pression atmosphérique locale, mais indirectement proportionnelle à la température. À température constante, quand la pression augmente, la masse volumique augmente. Pour en savoir plus sur la relation entre la masse volumique des liquides et la pression, cliquez ici.

Quelles sont des applications types de la mesure de la densité ?

Application de mesure du moût dans la bière

Parmi les applications possibles en lien avec la masse volumique, citons la détermination du pourcentage d’alcool des spiritueux, le contrôle de la fermentation dans la production de vin et de bière, ou la mesure du degré Brix (teneur en sucre) des produits agroalimentaires intermédiaires et finaux. La masse volumique et d’autres concentrations comme la densité API dans les pétroles, la paraffine et les lubrifiants dans le secteur pétrochimique. La masse volumique (densité) de l’acide des batteries dans le secteur automobile, ainsi que d’autres solvants, acides et bases dans l’industrie chimique. Pour finir, elle trouve de nombreuses applications dans l’industrie pharmaceutique, telles que la mesure de la masse volumique et de la densité dans les cosmétiques, les produits d’hygiène corporelle et plus encore. Cliquez sur les liens ci-dessus pour en savoir plus sur nos applications détaillées ou consultez notre bibliothèque spécialisée pour trouver la note d’application appropriée en fonction de votre échantillon.

Quelle est la masse volumique de l’air ?

La masse volumique de l’air est de 0,00120 g/cm³ à 20 °C et sous une pression atmosphérique de 101,325 kPa (c.-à-d. au niveau de la mer). Cette pression atmosphérique change en fonction des conditions climatiques (pression plus faible en cas de pluie ou de chute de neige) et de l’altitude (pression plus faible en altitude qu’au niveau de la mer). Par exemple, à une altitude de 440 m au-dessus du niveau de la mer, la pression atmosphérique (moyenne annuelle) est de 96,12 kPa seulement, et la masse volumique de l’air moyenne passe à 0,00114 g/cm³ à 20 °C.

Quelle est la masse volumique de l’eau ?

La masse volumique de l’eau est de 0,99820 g/cm³ à 20 °C. Notez que la masse volumique de l’eau change en fonction de la température. Elle augmente entre 0 et 4 °C (elle est alors proche de 1), puis baisse au-dessus de 4 °C.

Quelle est l’influence de la viscosité sur les mesures numériques de la masse volumique ?

La viscosité des échantillons a une influence sur la masse volumique mesurée à l’aide d’un densimètre numérique. Plus le risque de cisaillement entre le liquide et le tube est fort, plus la fréquence d’oscillation baisse, indiquant une masse volumique plus élevée. Ainsi, les densimètres numériques modernes possèdent une fonction intégrée de correction de la viscosité, qui compense cet effet et permet d’obtenir un résultat fiable.

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