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Contenuti della pagina:

Che cos’è la densità?

Tutto ciò che c’è da sapere sulla misurazione della densità

Home Cerca prodotti per applicazione Applicazioni analitiche di laboratorio Applicazioni di densità Che cos'è la densità?
Che cos'è la densità

La misurazione della densità è una procedura che fornisce un parametro di qualità sia delle materie prime sia dei prodotti finiti, ed è utilizzata per diverse applicazioni in vari settori per verificare la concentrazione dei componenti, la purezza, la composizione e per il controllo qualità regolare con il valore di densità.

Ad esempio, la densità dell’acqua a 20.00 °C è nota essere 0.998203 g/cm3: qualsiasi deviazione da questo valore al di fuori delle tolleranze implicherebbe che il campione d’acqua contiene impurità.

In questa pagina acquisirai le conoscenze essenziali sulla misurazione della densità.

Pronto a padroneggiare la misurazione della densità per un controllo qualità preciso?

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: in altre parole, su quanto strettamente le molecole di una sostanza sono impacchettate nello spazio. La densità è solitamente rappresentata dalla lettera greca rho "r". Si usa comunemente anche la lettera latina "d".

Ti sei mai chiesto perché alcuni oli restano sulla superficie del mare quando si verifica una fuoriuscita di petrolio? La differenza di densità fa sì che alcune sostanze si dispongano sopra altre; guarda nell'immagine alcuni valori tipici di densità.

formula della densità

1. Temperatura

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

La temperatura esercita un'influenza sullo spazio necessario per far entrare gli atomi in una molecola in un certo volume, perché, vibrando più velocemente, lo spazio tra loro aumenta.

Pertanto, all'aumentare della temperatura, la densità diminuisce, oppure, se la temperatura diminuisce, la densità aumenta. Tuttavia, la massa della sostanza non cambia.

Nota: La relazione tra temperatura, volume e densità non è una funzione lineare e dipende dal calore specifico, dal calore di vaporizzazione e da altri fattori di ciascuna sostanza.

L'unica eccezione alla regola sopra è l'acqua liquida, che raggiunge il suo picco di densità a 3.98 ºC e poi diminuisce se la temperatura aumenta o diminuisce. Questo è uno dei motivi per cui il ghiaccio ha una densità inferiore a quella dell'acqua e galleggia nel bicchiere.

formula

2. Bolle d’aria o impurità

Una semplice bolla d’aria presente nel liquido da misurare può causare una enorme differenza nella sua densità; lo stesso vale per le impurità.

Ad esempio, un picnometro in vetro si basa sulla massa per il calcolo del valore di densità. Se è presente una bolla d’aria o una contaminazione, ad esempio dovuta a una pulizia non corretta, la massa misurata e visualizzata dalla bilancia sarà errata. Questo porta a un valore di densità non corretto.


Scopri come scegliere, usare e tarare i picnometri

Lo stesso vale per un densimetro digitale, che si basa sul principio di misura del tubo a U per la determinazione della densità.

Tuttavia, i moderni densimetri digitali dispongono di un BubbleCheck™ automatico per supportare l’utente durante la procedura di misurazione della densità.

Inoltre, per evitare la contaminazione incrociata dovuta a una pulizia non corretta, gli utenti possono misurare la densità dell’aria, che, se rientra nei limiti, garantisce che la cella di misura sia pulita correttamente.

3. Pressione dell’aria di un fluido

Se ti trovi a Città del Messico a 3.930 metri sopra il livello del mare, la pressione dell’aria locale sarà inferiore rispetto a quella di Rio de Janeiro, che si trova al livello del mare (0 m). Ciò significa che la pressione dell’aria è direttamente correlata all’altitudine.

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

  • I gas (ad es. aria) sono fluidi comprimibili, che modificano il loro volume a pressioni diverse.
  • I liquidi (ad es. acqua) sono considerati fluidi incomprimibili, quindi il loro volume è costante a pressioni diverse.

Nota: a meno che non venga applicata una pressione estremamente elevata, questo non è il caso ai fini della misurazione analitica della densità.

Nella misurazione della densità, il valore dell’aria non viene utilizzato nelle tecniche manuali, ma solo nei densimetri digitali, per 2 motivi:

  • Durante la regolazione dello strumento è necessario misurare il valore dell’acqua e dell’aria. La pressione influisce sul valore dell’aria e quindi su tutte le misurazioni successive. Scopri di più sulla regolazione nella sezione 7 qui sotto.
  • Per identificare se la cella di misura è completamente pulita.

Per garantire la pulizia e supportare la regolazione dello strumento, i moderni densimetri digitali sono dotati di un barometro integrato per misurare la pressione dell’aria locale che imposta automaticamente il valore di densità di riferimento dell’aria.

4. Viscosità

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

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

Tuttavia, la viscosità influisce sulla determinazione della densità a seconda del metodo utilizzato.

Metodo

Influenza della viscosità?

Commento

Picnometro

No

Ma campionamento e pulizia laboriosi, e lenta stabilizzazione della temperatura quando si utilizza un bagno d'acqua.

Densimetro

No

Ma campionamento, lettura del valore e pulizia laboriosi.

Densimetro digitale

Sì

Il campione viscoso smorza la frequenza di oscillazione del tubo a U vibrante


Come si vede nel grafico, all'aumentare della viscosità aumenta anche l'errore di densità.

Tuttavia, i moderni densimetri digitali correggono automaticamente gli errori dovuti alla viscosità, garantendo la massima precisione e misurazioni rapide.

tabella che mostra l'errore di densità per una rispettiva viscosità
Espandi immagine

Definizione di densità relativa

La densità relativa è il rapporto tra le densità assolute di due sostanze, in cui il divisore è considerato la sostanza di riferimento che, se non specificata, si presume essere acqua a 3.98ºC e quindi ha una densità di 0.999972 g/cm3 o 999.972 kg/m3. Come indica l'equazione seguente, la densità relativa non ha unità di misura.

formula della densità relativa

Sostanza

Densità relativa

Peso specifico

Aria (20 ºC)

0.001199 g/cm3

0.001201 g/cm3

Acqua (20 ºC)

0.998203 g/cm3

1.000000 g/cm3

Definizione di densità specifica

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

formula della densità specifica

Definizione di densità vera o densità assoluta

La densità vera è il rapporto tra la massa e il volume di una sostanza a una data pressione e temperatura, corrispondente al peso nel vuoto.

Questo è il concetto utilizzato anche nella misurazione della densità con densimetri digitali.

formula

Definizione della densità apparente

La densità apparente è una proprietà dei solidi suddivisi, come polveri e granuli, ed è spesso utilizzata nei settori minerario, alimentare e chimico.

Per definizione, la densità apparente è il rapporto tra massa e volume, ma corrisponde al peso in aria.

formula della densità apparente

Sostanza

Densità reale o assoluta

Densità apparente

Aria (20 ºC)

0.00120 g/cm3

0.00000 g/cm3

Acqua (20 ºC)

0.99820 g/cm3

0.99715 g/cm3

Molte tabelle ufficiali della densità sono ancora basate sulla densità apparente.

I densimetri digitali forniscono risultati in diverse unità e concentrazioni; consulta le loro specifiche.

Mass in vacuum True density
Massa nel vuoto. Densità reale
Mass in air. Apparent density
Massa in aria. Densità apparente

Passaggio 1 – Determinare il tipo di campione / preparazione del campione

Prima di iniziare la misurazione, è importante comprendere le precauzioni necessarie da adottare in base al tipo di campione.

Tipo di campione (aggiungere un'immagine/icona?)

Suggerimenti

Viscoso

  • Assicurarsi che non siano presenti bolle d'aria al momento dell'introduzione nella cella di misura
  • Le forze di taglio possono portare a risultati inaccurati, quindi assicurarsi che lo strumento disponga di una correzione della viscosità

Aggressivo / tossico

Volatile

  • I campioni contenenti gas organici disciolti (ad es. butano) mostrano una tendenza a degassare, quindi dovrebbero essere raffreddati per evitare la formazione di bolle.

Campione con gas disciolti

  • I campioni gassati, ad esempio le bevande analcoliche, devono essere degassati prima della misurazione. Per farlo, mescolarli per diversi minuti finché il gorgogliamento non si arresta.
  • Per i campioni con aria disciolta, si può usare un bagno a ultrasuoni oppure il campione può essere fatto bollire per diversi minuti.
  • Rimuovere CO2 o gas disciolti con una combinazione di flusso d'aria e agitatore con un sistema di densità automatizzato

Non omogeneo o con sospensioni

  • Evitare la sedimentazione del materiale solido o la formazione di un gradiente di concentrazione
  • Mescolare bene il campione prima di prelevarne una parte. Assicurarsi che durante l'agitazione non vengano introdotte bolle d'aria.
  • Se non è possibile omogeneizzare completamente il campione, ripetere la misurazione più volte e calcolare il valore medio.

Passaggio 2 – Testare il tuo misuratore di densità

Verifica regolarmente le prestazioni di misurazione del tuo sistema misurando un campione di densità accuratamente nota (ad es. acqua distillata o uno standard liquido); questa procedura è chiamata test, taratura o controllo.

Dopo aver completato il controllo o il test, la densità misurata viene confrontata con il valore nominale noto del campione.

Lista di controllo

Inoltre, è buona norma verificare che la cella di misura sia completamente pulita e asciutta tra le analisi di sostanze diverse. Si raccomanda di eseguire quotidianamente un test del misuratore di densità con acqua (0.998203 g/cm3 a 20.00 °C).

  • Quale tolleranza dovrebbe essere applicata per un test con acqua deionizzata?
  • E per gli standard organici?
  • Cosa fare se il test non riesce?

Consulta le risposte a queste domande e molte altre informazioni dettagliate nella nostra Guida alla misurazione della densità

Fase 3 – Prevenire gli errori di campionamento

Sapevi che una bolla di 2 mm di diametro può causare un errore di 0,0008 g/cm3 sul tuo risultato?

Se esegui la misurazione con una siringa:

  • Raccomandiamo di “sovrariempire” la cella di almeno 5 cm in più all’uscita
  • Riempire la cella di misurazione a bassa velocità e con un flusso laminare (5–10 mm al secondo) per garantire un completo bagnamento delle pareti della cella (nessuna bolla intrappolata lungo le pareti)

Quando il riempimento avviene automaticamente con una pompa o un autosampler:

  • Regolare la velocità di campionamento in base alla viscosità del campione

Prevenire le bolle

  • Dopo il riempimento, verificare che la cella sia priva di bolle
  • Identificare facilmente le bolle con un video in tempo reale della cella di misurazione e con Bubblecheck™ automatico mediante un densimetro digitale

video di campionamento

Fase 4 – Misurare e documentare i risultati

Converti ancora manualmente i tuoi risultati?

Consultare una tabella o interpolare da essa è soggetto a errori e richiede molto tempo. Inoltre, i risultati scritti a mano comportano il rischio di errori di trascrizione. A seconda dell’ambiente, non vi è alcuna garanzia che questo tipo di documentazione soddisfi i requisiti normativi.

La soluzione più comoda è una conversione automatica tramite tabelle integrate (ad es. alcol, Brix, compensazione della temperatura secondo API), oppure anche definite dall’utente, che previene errori di lettura o di calcolo e fa risparmiare tempo.

Un densimetro digitale consente di utilizzare tabelle di conversione integrate per visualizzare direttamente il risultato nell’unità desiderata.

I tuoi risultati

Fase 5 – Pulire il densimetro

Una pulizia inadeguata è la fonte più comune di risultati errati!

Assicurati che la cella di misurazione non contenga residui di campioni misurati in precedenza o di soluzioni di risciacquo

Per evitarlo, la cella dovrebbe essere pulita con soluzioni di risciacquo idonee e asciugata – preferibilmente dopo ogni misurazione.

Alcune raccomandazioni generali per le soluzioni di risciacquo:

Infine, assicurati di asciugare completamente la cella con aria secca. In molti casi non è necessario utilizzare 2 solventi quando si usano i densimetri METTLER TOLEDO. Grazie alla potente pompa DryPro puoi risparmiare tempo e consumo di solvente.

oscillazione della densità nel grafico
Espandi immagine

Importante: Regolazione di un densimetro

La regolazione frequente dello strumento non garantisce necessariamente risultati accurati.

Qualsiasi regolazione comporta modifiche alle impostazioni interne dello strumento. Se una regolazione viene eseguita in modo non corretto, ciò porterà quindi a misurazioni errate.

Per questo motivo raccomandiamo di regolare il densimetro solo se il test è fallito ripetutamente più volte.

Quali temperatura e sostanze devono essere utilizzate per la regolazione? Come procedere?

Consulta le risposte a queste domande e molte altre informazioni più dettagliate nella nostra Guida alla misurazione della densità

Scaricate la guida sulla misura della densità per ottenere consigli e suggerimenti su come evitare gli errori nella determinazione della densità dei liquidi.
Brochure sulle buone pratiche per la densità:

Applicazioni

Misurazione del grado Brix

Il Brix è la misura, in percentuale in peso, del saccarosio in una soluzione acquosa pura. Per zuccheri diversi dal saccarosio si parla di "Brix apparente" ed è sempre un valore relativo. Le misurazioni Brix vengono effettuate soprattutto nell'industria alimentare per finalità di controllo qualità, ad esempio per soluzioni di saccarosio nelle bevande. Lo sciroppo di zucchero destinato a bevande e prodotti simili viene venduto in base al peso e al contenuto di zucchero. La determinazione precisa del Brix è quindi molto importante per il controllo dei costi e della qualità. Sebbene la denominazione Brix sia valida in senso stretto solo per soluzioni composte interamente da saccarosio, l'industria alimentare utilizza questa misurazione per indicare qualsiasi sostanza solida dolce presente in un prodotto. Molto spesso si misura lo sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio (HFCS) e lo si esprime in Brix°.

Che cos'è l'HFCS?

Lo sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio (HFCS) è un dolcificante liquido ottenuto dall'amido di mais, contenente principalmente fruttosio e D-glucosio. L'HFCS viene utilizzato per sostituire il saccarosio nelle industrie delle bevande e alimentare. L'HFCS è disponibile in tre diversi livelli di fruttosio: HFCS al 42%, 55% e 90% in peso, ed è utilizzato principalmente negli USA.

Misurazione dell'alcol

La misurazione della densità è un metodo affidabile per determinare il contenuto alcolico. Nei densimetri digitali, la densità misurata viene convertita direttamente in alcol in Vol% con la tabella integrata OIML R-22 (Organizzazione Internazionale di Metrologia Legale, Raccomandazione 22: tabelle alcolometriche). Per la misurazione diretta dei distillati è necessario un sistema di misurazione accurato e un'accurata preparazione del campione.

Applicazioni nella produzione di birra

La birra è prodotta principalmente fermentando acqua, malti e luppolo. Durante il processo di fermentazione, la maggior parte del malto (zucchero) viene convertita in alcol. Durante il processo di produzione della birra, il valore della concentrazione di zucchero (chiamato mosto) è uno dei principali parametri di controllo, poiché è direttamente correlato al valore finale della concentrazione di alcol. Per il prodotto finale, i valori di zucchero (mosto originale) e di alcol sono i principali valori di controllo.

Applicazioni nella produzione di vino

Lo zucchero nel succo d'uva, chiamato anche mosto, influisce direttamente sulla concentrazione alcolica del prodotto finale e deve quindi essere monitorato per ottenere risultati ottimali. Questo monitoraggio del contenuto di zucchero, così come della concentrazione alcolica nel prodotto finale, può essere eseguito mediante misurazioni della densità.

Oli e paraffine

La densità è una proprietà fisica fondamentale che può essere utilizzata insieme ad altre proprietà per caratterizzare la qualità dei greggi petroliferi. Per questo motivo, viene utilizzata durante il processo di esplorazione per monitorare la qualità durante la produzione e per stabilire il prezzo nelle operazioni di trading.

La densità e le grandezze derivate, come il peso specifico e la gravità API, sono utilizzate in tutto il mondo per caratterizzare i prodotti petroliferi liquidi e confrontarne la qualità. Molti oli pesanti, oli lubrificanti e paraffine sono altamente viscosi o solidi a temperatura ambiente. I densimetri sono talvolta combinati con dispositivi di riscaldamento per eseguire queste misurazioni in modo più rapido, accurato e riproducibile.

Aromi e fragranze

L'industria dei profumi e degli aromi produce ingredienti per un'ampia gamma di prodotti. In alcuni casi, il profumo è il prodotto finale (ad es. profumi), in altri una piccola quantità di fragranza o aroma viene aggiunta al prodotto finale (ad es. saponi, creme, snack alimentari). Alcune materie prime, in particolare le sostanze naturali, hanno un prezzo elevato per kg; pertanto, è essenziale un rigoroso controllo di qualità.

Tecniche come GC, GC-MS, HPLC o la tecnologia IR sono in grado di differenziare ogni singolo composto all'interno di una miscela complessa; tuttavia, tali tecniche richiedono molto tempo e operatori altamente qualificati. Molti produttori si affidano quindi alla densità, tra gli altri valori fisici, per il controllo qualità di materie prime, prodotti sfusi e prodotti finiti.

Acido delle batterie

La batteria al piombo-acido utilizzata nell'industria automobilistica è composta da piastre, piombo, ossido di piombo e una soluzione di elettrolita. Le misurazioni del peso specifico vengono utilizzate per determinare la densità della soluzione della batteria, che è costituita per il 65% da acqua e per il 35% da acido solforico. Maggiore è il peso specifico della soluzione della batteria, minore è la carica residua nella batteria.

Fertilizzanti

L'azoto è il nutriente più importante per la crescita sana delle piante ed è un componente comune della maggior parte dei fertilizzanti. La densità, combinata con la refrattometria, può essere utilizzata per misurare la concentrazione di azoto (N) nella soluzione fertilizzante Urea Ammonium Nitrate (UAN).

Per applicazioni, metodi e istruzioni nella misurazione della densità, visita la nostra Libreria delle applicazioni.

Know-how
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Guida sulla misura della densità
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Misura della densità: know-how e competenza
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Densimetri convenienti per applicazioni quotidiane

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Densimetro portatile

Densimetro portatile completamente automatico per il laboratorio o il campo

Che cos'è la densità?

La densità è la massa di una sostanza per unità di volume. Si usa per misurare la compattezza di una sostanza ed è comunemente espressa in g/cm³ o lb/ft³.

La densità di un campione è espressa con la lettera greca "ρ" (si può usare anche la lettera latina D) e si calcola come segue:

ρ = m / v

Ad esempio, se si versa 500 cm³ di un campione in un becher di vetro e la massa pesa 1000 g, allora la densità sarebbe:

ρ = 1000g/500cm³ = 2g/cm³

Qual è la differenza tra densità e massa?

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

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

Quali sono alcuni esempi quotidiani di densità?

I palloncini riempiti di elio volano perché la densità dell'elio è inferiore a quella dell'aria.

L'olio galleggia sull'acqua perché ha una densità inferiore. Questa proprietà è utile in caso di sversamento di olio in acqua di mare. Il fatto che l'olio galleggi ne facilita la pulizia.

Qual è la relazione tra densità e temperatura?

La densità di un campione dipende in larga misura dalla temperatura, pertanto la temperatura deve essere registrata e controllata con estrema precisione.

Il grafico seguente mostra le variazioni della densità dell'acqua in base alla temperatura alla quale viene misurata.

Di solito, la densità viene misurata a una temperatura di riferimento di 20°C.

La densità dell'acqua a 20°C è:

Acqua ρ 20= 0.99821 g/cm

Che cos'è il peso specifico?

La densità e il peso specifico non sono la stessa cosa. Il peso specifico, o densità relativa, è la densità di un campione divisa per la densità di una sostanza di riferimento. La sostanza di riferimento per liquidi e solidi è solitamente l'acqua alla sua massima densità (4°C), mentre per i gas è l'aria a 25°C.

La densità dell'acqua a 4°C è 1 g/cm3, quindi ad esempio, se un campione liquido ha un peso specifico inferiore a 1, ciò significa che è meno denso dell'acqua e galleggerà.  Se il campione ha un peso specifico superiore a 1, è più denso dell'acqua e vi affonderà.

Perché la densità può essere usata per identificare un campione?

Che cos'è la densità? Perché può essere usata per identificare  un campione?

La densità può essere facilmente utilizzata per identificare un campione puro perché ogni elemento ha una densità unica. Dopo una misurazione, è possibile consultare la densità del campione in questione per vedere a cosa corrisponde.

Come si misura la densità delle soluzioni?

Che cos'è la densità e come può essere misurata nelle soluzioni disciolte?

Prendiamo come esempio una soluzione di etanolo in acqua.

Come mostrato in precedenza, a 20°C l'acqua pura ha una densità di ρ=0.9982 g/cm3, e l'etanolo puro ha una densità di ρ=0.9839 g/cm3 a 20°C. Una soluzione di etanolo/acqua avrà un valore di densità che dipende dalla concentrazione della soluzione.

Vediamo qual è la densità di una soluzione etanolo/acqua con una concentrazione di etanolo del 20%:

Che cos'è la viscosità?

Che cos'è la densità? Densità e viscosità sono correlate?

Densità e viscosità non sono correlate. La viscosità è semplicemente una misura della resistenza di un fluido al flusso.

Ad esempio, il miele è più viscoso dell'acqua salina, ma è meno denso.

L'unità SI per la viscosità è il pascal secondo (Pa·s)

Quali strumenti si usano per misurare la densità?

Che cos'è la densità e come può essere misurata?

La densità di una soluzione può essere misurata manualmente o in modo digitale. Per informazioni più dettagliate su come misurare la densità con picnometri, idrometri e densimetri digitali, consultare la nostra guida 3 modi per misurare la densità.

I metodi manuali come picnometri e idrometri sono ampiamente utilizzati per la determinazione della densità e dei valori correlati, ad es. peso specifico, % alcol, BRIX°, gradi API, Baumé, Plato, ecc. Sebbene questi metodi siano facili da usare e piuttosto economici, richiedono competenza in ogni fase delle procedure operative manuali, il che spesso influisce sulla precisione e sull'affidabilità dei risultati.

Un picnometro è un bicchiere di vetro di volume definito. Viene pesato senza il campione (M1), poi riempito con il campione e pesato di nuovo (M2). La differenza tra M1 e M2 divisa per il volume del bicchiere è la densità di un campione.

Un idrometro è un corpo di vetro che viene immerso nel campione. Dopo un breve tempo di equilibrio galleggerà a un certo livello. Maggiore è la densità del campione, meno l'idrometro galleggerà. Il livello di equilibrio indica la densità.

Un Density Kit viene utilizzato insieme a una bilancia. Un corpo di vetro di volume definito viene pesato in aria (M1), immerso nel campione e pesato di nuovo nel campione (M2). La differenza tra M1 e M2 (spinta di galleggiamento) divisa per il volume del corpo di vetro è la densità del campione. È possibile utilizzare anche un supporto speciale per misurare la densità dei solidi, usando un liquido di riferimento (acqua, etanolo o definito dall'utente).

strumenti di misurazione della densità
density measurement instruments

I densimetri digitali sono disponibili come strumenti da banco e portatili. Utilizzano la tecnologia del tubo oscillante per misurare con grande precisione la densità di un campione in breve tempo. Un tubo cavo di vetro vibra a una certa frequenza. Questa frequenza cambia quando il tubo viene riempito con il campione: maggiore è la massa del campione, minore è la frequenza. Questa frequenza viene misurata e convertita in densità. Inoltre, i densimetri digitali da banco utilizzano un termostato Peltier integrato per controllare la temperatura del campione.

Per ulteriori informazioni sui densimetri digitali e sul confronto con i metodi manuali, consultare il nostro confronto tra diverse tecniche di misurazione.

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