misura della densità: tutto ciò che occorre sapere

misura della densità

Definizione, equazioni, influenze, strumenti, densità e densità relativa a confronto e altro ancora

Le misurazioni della densità consentono di verificare la purezza e la concentrazione di un campione e forniscono informazioni sulla sua composizione. Misurare la densità è cruciale in diversi settori per garantire la qualità sia delle materie prime che dei prodotti finiti.

La densità dell'acqua ultrapura a 20,00 °C, ad esempio, è pari a 0,998203 g/cm³: qualsiasi deviazione da questo valore, tenuto conto dei margini di tolleranza, indica pertanto la presenza di impurità nel campione.

Questa pagina illustra le nozioni fondamentali sulla misura della densità.

Per ulteriori informazioni e dettagli sulla densità dei liquidi, consultate queste sezioni.

La definizione della densità
Come misurare la densità dei solidi
Come misurare la densità dei liquidi
Fattori che influenzano la determinazione della densità
Esempi di gravità specifica e densità di alcuni materiali
Domande frequenti

1. Definizione di densità

Che cos'è la densità?

La densità è un parametro fisico che fornisce informazioni sulla massa di un campione o di un corpo divisa per il suo volume, ovvero su quanto saldamente sono agglomerate le molecole di una sostanza nello spazio. La densità è generalmente rappresentata dalla lettera greca rho ("ρ"). Viene comunemente utilizzata anche la lettera "d".

Vi siete mai chiesti perché alcuni tipi di petrolio galleggino sulla superficie dell'oceano quando si verifica una fuoriuscita?

La differenza di densità fa sì che alcune sostanze si comportino in questo modo: nell'immagine è possibile osservare degli esempi di tipici valori di densità dimostrati.

A - Olio per lampade (0,80 g/cm³)
B - Alcool disinfettante (0,87 g/cm³)
C - Olio vegetale (0,91 g/cm³)
D - Acqua (0,99 g/cm³)
E - Sapone per piatti (1,33 g/cm³)
F - Miele (1,36 g/cm³)

Bilancia con kit per la misura della densità

2. Come misurare la densità dei solidi

Misurare la densità dei solidi usando una bilancia è un processo facile e comodo, che consente di ottenere risultati affidabili rispetto ad altri metodi in cui il volume del componente viene determinato indipendentemente dal peso. Convertendo una bilancia da laboratorio standard con l'aggiunta di un kit per la misura della densità, si evita la necessità di acquistare uno strumento dedicato per eseguire questa semplice procedura. Per questo motivo, l'acquisto di un kit per la misura della densità rappresenta un investimento estremamente conveniente. Con l'aggiunta di un corpo da immergere in vetro dal volume noto, il kit per la misura della densità può anche essere utilizzato per determinare la densità dei campioni liquidi.

L'applicazione integrata per la densità fornisce istruzioni dettagliate e può quindi essere usata facilmente anche da operatori inesperti.

misura della densità con le bilance da laboratorio

3. Come misurare la densità dei liquidi

Esistono diversi tipi di strumenti per misurare la densità.

Idrometro

Un idrometro è uno strumento conveniente utilizzato per determinare la densità dei liquidi. Prodotto in vetro soffiato, è composto da un fondo tondeggiante appesantito da graniglia di piombo o acciaio e uno stelo lungo e stretto con una scala. L'idrometro viene immerso nel liquido campione fino a quando non galleggia. La misura della densità si ottiene osservando il livello della scala al quale finisce per allinearsi il liquido stesso. La maggior parte degli idrometri misura la gravità specifica dei campioni: in parole povere, un idrometro indica all'utente se un liquido è più o meno denso dell'acqua. Si troverà a galleggiare più in alto in un liquido caratterizzato da una gravità specifica maggiore, come l'acqua che contiene zucchero disciolto, rispetto a un altro con una gravità specifica inferiore, come l'acqua pura o l'alcol.

Nell'utilizzare un idrometro, l'utente ha due opzioni:

Utilizzare un idrometro alla sua temperatura di taratura (generalmente 16 o 20 °C). A seconda del suo volume, il campione potrebbe impiegare del tempo a raggiungere questa temperatura.
Registrare semplicemente il valore della misura alla temperatura dell'ambiente circostante. In questo caso, vanno registrati sia il valore della misura sia quello della temperatura. Se necessario, è possibile applicare successivamente un fattore di correzione per ottenere il valore della misura corretto in base alla temperatura.

Picnometro

Il picnometro è un matraccio dal volume predefinito, in genere prodotto in vetro, che viene utilizzato per misurare la densità di un liquido. Può essere impiegato anche per determinare la densità di dispersioni, solidi e persino gas. Se utilizzati correttamente, i picnometri garantiscono risultati con un'accuratezza fino a 10^-5 g/cm³, a seconda del livello di ripetibilità (numero di cifre decimali) della bilancia digitale utilizzata. Per misurare la temperatura, è necessario un termometro. Per garantire misure accurate con il picnometro, gli utenti devono aver ricevuto una formazione appropriata.

Densimetro digitale portatile

I densimetri digitali portatili vengono utilizzati per determinare in modo accurato e rapido la densità dei liquidi. La determinazione della densità con gli strumenti digitali si basa su due fattori:

L'oscillazione, o vibrazione, di un tubo di vetro a forma di U (tubo a U).
La relazione tra la massa del campione liquido e la frequenza di oscillazione del tubo a U. Riempire il tubo a U con il campione liquido ne influenza la frequenza di oscillazione: per via delle regolazioni di fabbrica con campioni dalla densità nota, questa frequenza di oscillazione può essere direttamente rapportata alla densità di ogni campione liquido con un'accuratezza di 0,001 g/cm³. I densimetri digitali portatili misurano il campione a temperatura ambiente. Se è richiesto un risultato a una determinata temperatura, il densimetro digitale è in grado di applicare un fattore di correzione alla misura in modo tale da effettuare la compensazione in base alla temperatura definita. Ogni misura richiede pochi secondi e l'utente può quindi passare velocemente al campione successivo. I valori di densità ottenuti possono essere convertiti in altre unità di concentrazione necessarie per applicazioni specifiche, come gravità specifica, API, % di alcol, grado Brix e così via.

Densimetro digitale da banco

I densimetri digitali da banco utilizzano la stessa tecnologia dei densimetri digitali portatili, ovvero l'oscillazione di un tubo di vetro a forma di U (tubo a U). Inoltre, sono dotati di un sistema di controllo della temperatura Peltier integrato, che porta il campione alla temperatura selezionata (ad esempio, 20 °C). Il controllo della temperatura può variare da 0 °C a 95 °C. Questi densimetri possono raggiungere un'accuratezza di 0,000005 g/m³ per la densità.

Alcuni densimetri digitali da banco possono essere collegati a soluzioni di automazione dei campioni per campioni singoli o multipli, che offrono campionamento, risciacquo ed essiccamento automatici. Spesso questi densimetri possono essere aggiornati a un sistema automatico multiparametro, combinando densità, indice di rifrazione, pH, colore, conducibilità e molto altro per risparmiare tempo, migliorare la qualità dei dati e prevenire l'alterazione dei campioni tra un'analisi e l'altra.

Uno dei vantaggi dei densimetri digitali che utilizzano il tubo di vetro a U è il ridotto volume di campione richiesto (solitamente 1,5 ml), che consente un più rapido equilibrio della temperatura del campione.

Utilizzo di un picnometro per determinare la densità

Guardate questo video per scoprire se state seguendo la procedura corretta per un'adeguata misura della densità con un picnometro. Inoltre, mettiamo a confronto la misura della densità con un picnometro e con un densimetro digitale.

4. Fattori che influenzano la determinazione della densità

a) Temperatura

Sapevate che una variazione di temperatura di 0,1 °C può avere un impatto pari a 0,0001 g/cm³ sulla densità misurata?

La temperatura influenza lo spazio necessario per contenere gli atomi in una molecola. La vibrazione cresce all'aumentare della temperatura, allontanando gli atomi fra loro e riducendo così il valore della densità.

Esempio:

d _etanolo a 20 °C = 0,7895 g/cm³

d _etanolo a 40 °C = 0,7724 g/cm³

d _acqua a 20 °C = 0,9982 g/cm³

d _acqua a 40 °C = 0,9922 g/cm³

SG _etanolo a 20 °C = 0,7909 g/cm³

SG _etanolo a 40 °C = 0,7785 g/cm³

Molecola a una data temperatura
(movimenti leggeri)

Stessa molecola all'aumentare della temperatura
(allontanamento)

Perciò, a temperature e volumi maggiori corrisponderanno valori di densità inferiori. Se la temperatura sia abbassa, il volume diminuisce e la densità aumenta. La massa della sostanza, però, non cambia.

L'unica eccezione a questa regola è l'acqua in forma liquida, che raggiunge il suo picco di densità a 3,98 °C. Al di sopra di questa soglia, il volume dell'acqua aumenta e la densità si riduce. Vale il contrario quando l'acqua viene raffreddata.

Nota: la relazione tra temperatura, volume e densità non è una funzione lineare e dipende dalla capacità termica specifica, dal calore di vaporizzazione e da altri fattori propri di ogni sostanza.

b) Bolle d'aria o impurità

Una semplice bolla d'aria presente in un liquido misurato può determinare una grande differenza in termini di densità e lo stesso vale per le impurità.

Un picnometro in vetro, ad esempio, si basa sulla massa per il calcolo del valore della densità. In presenza di una bolla d'aria o di contaminazione, dovuta ad esempio a una pulizia scorretta, la massa misurata e visualizzata dalla bilancia sarà errata. Ciò determina un valore di densità errato.

Scopri come scegliere, usare e tarare i picnometri

Lo stesso vale per i densimetri digitali, che per la determinazione della densità fanno affidamento sul principio di misura del tubo a U.

Tuttavia, i moderni densimetri digitali sono dotati della funzione automatica BubbleCheck™ per fornire supporto all'utente durante la procedura di misura della densità.
Inoltre, per evitare la contaminazione incrociata dovuta a una pulizia scorretta, gli utenti possono misurare la densità dell'aria. Se il risultato delle misure rientra nei limiti, significa che la cella è stata pulita correttamente.

c) Pressione dell'aria di un fluido

Se vi trovaste a Città del Messico a 3.930 metri sul livello del mare, la pressione locale dell'aria sarebbe inferiore rispetto a Rio de Janeiro, che si trova sul livello del mare ovvero a 0 metri. Ciò significa che la pressione dell'aria è direttamente correlata all'altitudine.

Dato che gas e liquidi sono fluidi, è necessario considerare le seguenti informazioni:

Un gas (ad esempio l'aria) è un fluido comprimibile, il cui volume varia a seconda della pressione.
I liquidi (ad esempio l'acqua) sono considerati fluidi incomprimibili, perciò a diverse pressioni il loro volume rimane costante. Se venisse applicata una pressione dell'aria estremamente elevata, i liquidi potrebbero diventare comprimibili, ma ciò non avviene nel caso della misura analitica della densità.

Se si misura la densità con uno strumento manuale (ad esempio un picnometro), il valore della pressione dell'aria non viene preso in considerazione.

I moderni densimetri digitali sono dotati di barometro integrato (sensore di pressione) per misurare la pressione dell'aria locale, che determina automaticamente il valore della densità dell'aria di riferimento. Questo valore è importante per 2 motivi:

Durante la regolazione dello strumento, è necessario misurare il valore dell'acqua e dell'aria. La pressione ha un effetto sul valore dell'aria e quindi su tutte le misure successive a questa.
Scoprite subito maggiori informazioni sulla regolazione degli strumenti. Scaricate la nostra guida sulla misura della densità
Durante le operazioni quotidiane, è necessario eseguire la pulizia della cella di misura per garantire risultati ottimali evitando la contaminazione incrociata. Il valore misurato della densità dell'aria viene confrontato con il valore di riferimento dell'aria definito. Se il risultato rientra in una determinata tolleranza, la cella dello strumento è pulita.

d) Viscosità

Se una sostanza è viscosa, è più densa di un liquido meno viscoso?

La viscosità descrive la resistenza di un liquido allo scorrimento, viene informalmente definita come la "consistenza" di un fluido e, in linea di principio, non ha alcuna relazione diretta con la densità.

Tuttavia, la viscosità può influenzare la determinazione della densità a seconda del metodo utilizzato.

Le misure che utilizzano:

il picnometro: non vengono influenzate, ma campionamento e pulizia sono lunghi e laboriosi e la stabilizzazione della temperatura è lenta quando si utilizza un bagno d'acqua.
l'idrometro: non vengono influenzate, ma campionamento, lettura dei valori e pulizia sono lunghi e laboriosi.
il densimetro digitale: vengono influenzate, perché il campione attenua la frequenza di oscillazione del tubo a U che vibra.

Densità e curva di viscosità a confronto

Relazione tra viscosità e densità

Come si nota dal grafico, con l'incremento della viscosità, aumenta anche l'errore di densità.
Tuttavia, i moderni densimetri digitali correggono automaticamente gli errori dovuti alla viscosità, garantendo la massima accuratezza e misure rapide.

Soluzioni acquose, solventi (organici) da laboratorio
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Olio motore
Detergente da cucina
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e) Densità relativa, gravità specifica, densità effettiva: di cosa si tratta e quali sono le differenze

Definizione di densità relativa

La densità relativa è il rapporto tra le densità assolute di due sostanze, dove il divisore è considerato la sostanza di riferimento. Se questa sostanza non è specificata, si considera sia acqua a 3,98 °C e che abbia quindi una densità di 0,999972 g/cm³ o 999,972 kg/m³. In base all'equazione, la densità relativa non ha unità.

Definizione di gravità specifica

La gravità specifica (SG) è il rapporto tra la densità di una sostanza e la densità dell'acqua. Se la temperatura non è specificata, si considera sia acqua a 3,98 °C e che abbia quindi una densità di 0,999972 g/cm³ o 999,972 kg/m³.

Definizione di densità effettiva o assoluta

La densità effettiva è il rapporto tra la massa e il volume di una sostanza a una pressione e una temperatura date, corrispondente al suo peso nel vuoto. Questa è l'idea utilizzata anche nella misura della densità dai densimetri digitali.

Definizione di densità apparente

La densità apparente è una proprietà dei solidi frammentati, come polveri e granuli, e viene spesso usata nel settore minerario, in quello alimentare e quello chimico. Per definizione, la densità apparente è il rapporto tra la massa e il volume, ma corrisponde al peso in aria.

Per illustrare la differenza tra densità effettiva e apparente, collochiamo un picnometro su una bilancia. Quando viene riempito con un liquido, l'effetto della spinta statica fa in modo che esso pesi meno all'aria che nel vuoto.

Diverse tabelle di densità ufficiali si basano ancora sulla densità apparente. I densimetri digitali forniscono risultati in diverse unità e concentrazioni; consultate le relative specifiche.

Massa nel vuoto = Densità effettiva

Massa in aria = Densità apparente

5. Esempi di gravità specifica e densità di alcuni materiali

Peso specifico (a 20 °C)	Densità (a 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

A temperature differenti

Densità (a 15 °C)	SG (a 25 °C)	Densità (a 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. Domande frequenti

Qual è la differenza tra densità e massa?
Perché è possibile utilizzare la densità per identificare un campione?
In che modo viene misurata la densità delle soluzioni?
La densità è direttamente proporzionale alla pressione?
Quali sono alcune applicazioni tipiche della misura della densità?
Qual è la densità dell'aria?
Qual è la densità dell'acqua?
Quanto influisce la viscosità sulla misura digitale della densità?

Qual è la differenza tra densità e massa?

La massa è una misura della quantità di materia presente in un oggetto o in un liquido, mentre la densità esprime il livello della massa per una certa quantità di volume.

Ad esempio, 10 kg di acciaio e 10 kg di piume hanno la stessa massa, ma volumi e quindi densità differenti.

Perché è possibile utilizzare la densità per identificare un campione?

La densità può essere facilmente usata per identificare un campione puro perché ciascuna sostanza è caratterizzata da una densità unica. Dopo la misura, è possibile controllare la densità del campione per verificare a cosa corrisponde.

In che modo viene misurata la densità delle soluzioni?

Prendiamo come esempio una soluzione di etanolo in acqua.

Come illustrato prima, a 20 °C l'acqua pura ha una densità di d = 0,9982 g/cm³, mentre alla stessa temperatura l'etanolo puro ha una densità di d = 0,7892 g/cm³. Una soluzione di etanolo e acqua avrà una densità che dipenderà dalla concentrazione.

La densità è direttamente proporzionale alla pressione?

La densità è direttamente proporzionale alla pressione dell'aria locale, ma inversamente proporzionale alla temperatura. A una temperatura costante, all'aumentare della pressione la densità cresce. Scoprite ulteriori informazioni sulla relazione tra densità dei liquidi e pressione qui.

Quali sono alcune applicazioni tipiche della misura della densità?

Alcune applicazioni della misura della densità includono la misura del grado alcolico nei liquori, il controllo del processo di fermentazione nella produzione di vino e birra e il grado Brix (contenuto di zucchero) dei prodotti intermedi e finali negli alimenti e nelle bevande. Densità e altre concentrazioni, come la gravità API, di oli pesanti, paraffina e lubrificanti nel settore petrolchimico. Densità (gravità specifica) dell'acido per batterie nel settore automobilistico, oltre a quella di altri solventi, acidi e basi nel settore chimico. Infine, esistono diverse applicazioni nel settore farmaceutico, come la misura della densità in cosmetici, prodotti per l'igiene personale e molto altro ancora. Cliccate sui link qui sopra per consultare le nostre guide dettagliate oppure accedete alla nostra libreria online per trovare la nota applicativa giusta in base al vostro campione.

Qual è la densità dell'aria?

A 20 °C e 101,325 kPa (pressione atmosferica al livello del mare) la densità dell'aria è pari a 0,00120 g/cm3. La pressione atmosferica cambia con le condizioni meteorologiche (pressione inferiore in caso di pioggia o neve) e con l'altitudine (pressione inferiore a un'altezza superiore al livello del mare). A un'altezza di 440 m sul livello del mare, ad esempio, la pressione atmosferica (media annuale) è di appena 96,12 kPa e a 20 °C la densità media dell'aria diventa pari a 0,00114 g/cm3.

Ulteriori informazioni

Qual è la densità dell'acqua?

A 20 °C la densità dell'acqua è pari a 0,99820 g/cm³. La densità dell'acqua cambia con la temperatura. Aumenta da 0 a 4 °C (avvicinandosi quasi a 1) e poi diminuisce da 4 °C a temperature superiori.

Quanto influisce la viscosità sulla misura digitale della densità?

La viscosità dei campioni ha un impatto sulla densità misurata con un densimetro digitale. La maggiore forza di taglio presente tra il liquido e la parete del tubo rallenta la frequenza di oscillazione, mostrando così un valore della densità maggiore. I moderni densimetri digitali dispongono quindi della funzione integrata di correzione della viscosità, che compensa questo effetto e mostra il risultato corretto.

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