Měření hustoty je postup, který poskytuje kvalitativní parametr jak surovin, tak hotových výrobků, a používá se v řadě aplikací v různých průmyslových odvětvích ke kontrole koncentrace složek, čistoty, složení a pro pravidelnou kontrolu kvality pomocí hodnoty hustoty.
Například hustota vody při 20,00 °C je známa jako 0,998203 g/cm3: jakákoli odchylka od této hodnoty mimo tolerance by znamenala, že vzorek vody obsahuje nečistoty.
Na této stránce získáte základní znalosti o měření hustoty.
Hustota je fyzikální veličina, která poskytuje informaci o hmotnosti vzorku nebo tělesa dělené jeho objemem: jinými slovy o tom, jak těsně jsou molekuly látky v prostoru uspořádány. Hustota se obvykle označuje řeckým písmenem rho „r“. Běžně se používá také latinské písmeno „d“.
Přemýšleli jste někdy, proč některé oleje zůstávají na hladině moře při ropné havárii? Rozdíl hustot způsobuje, že některé látky leží nad jinými; na obrázku se podívejte na některé typické hodnoty hustoty.
Hydrometers | Pycnometers | Digital hydrometer |
Measuring principle | ||
|
|
|
Strengths | ||
|
|
|
Weaknesses | ||
|
|
|
Věděli jste, že změna teploty o 0,1 °C může mít vliv 0,0001 g/cm3 na naměřenou hustotu?
Teplota ovlivňuje prostor potřebný k tomu, aby se atomy vešly do určitého objemu, protože při rychlejších vibracích se vzdálenost mezi nimi zvětšuje.
Molecule at a given temperature (slight movements) | Same molecules when temperature increases (moving further apart) | |
Proto platí, že čím vyšší je teplota, tím nižší je hustota, nebo pokud teplota klesá, hustota se zvyšuje. Hmotnost látky se však nemění.
Poznámka: Vztah mezi teplotou, objemem a hustotou není lineární funkcí a závisí na měrné tepelné kapacitě, skupenském teple vypařování a dalších faktorech každé látky.
Jedinou výjimkou z výše uvedeného pravidla je kapalná voda, která dosahuje maxima hustoty při 3,98 ºC a poté klesá, pokud teplota stoupá nebo klesá. To je jeden z důvodů, proč má led nižší hustotu než voda a plave ve sklenici.
Jednoduchá vzduchová bublina přítomná v měřené kapalině může způsobit výrazný rozdíl v její hustotě; totéž platí pro nečistoty.
Například skleněný pyknometr spoléhá při výpočtu hodnoty hustoty na hmotnost. Pokud je přítomna vzduchová bublina nebo znečištění např. v důsledku nedostatečného čištění, bude hmotnost změřená a zobrazená váhou nesprávná. To vede k nesprávné hodnotě hustoty.
Zjistěte, jak vybrat, používat a kalibrovat pyknometry
Totéž platí pro digitální hustoměr, který pro stanovení hustoty využívá princip měření U-trubice.
Moderní digitální hustoměry však disponují automatickou funkcí BubbleCheck™, která uživatele podporuje během postupu měření hustoty.
Kromě toho mohou uživatelé, aby zabránili křížové kontaminaci v důsledku nesprávného čištění, měřit hustotu vzduchu; pokud je v mezích, znamená to, že měřicí cela je řádně vyčištěná.
Pokud se nacházíte v Mexico City ve výšce 3 930 metrů nad mořem, bude místní atmosférický tlak nižší než v Rio de Janeiru, které leží na úrovni moře (0 m). To znamená, že atmosférický tlak přímo souvisí s nadmořskou výškou.
Protože plyny a kapaliny jsou kapaliny, je třeba vzít v úvahu následující informace:
Poznámka: Pokud není použito extrémně vysokého tlaku, toto neplatí pro účely analytického měření hustoty.
Při měření hustoty se hodnota vzduchu nepoužívá v manuálních technikách, ale pouze v digitálních hustoměrech, a to ze 2 důvodů:
Aby byla zajištěna čistota a podpora při seřizování přístroje, mají moderní digitální hustoměry vestavěný barometr pro měření místního atmosférického tlaku, který automaticky nastaví referenční hodnotu hustoty vzduchu.
Je-li látka viskózní, je hustší než méně viskózní kapalina?
Viskozita popisuje odpor kapaliny při proudění, neformálně označovaný jako „hustota“ kapaliny, a v zásadě nemá přímý vztah k hustotě.
Viskozita však má vliv na stanovení hustoty v závislosti na použité metodě.
Metoda | Vliv viskozity? | Komentář |
Pyknometr | Ne | Ale zdlouhavé vzorkování a čištění a pomalá stabilizace teploty při použití vodní lázně. |
Hustoměr | Ne | Ale zdlouhavé vzorkování, odečítání hodnot a čištění. |
Digitální měřič hustoty | Ano | Viskózní vzorek tlumí oscilační frekvenci vibrující U-trubice |
Jak je vidět v grafu, s rostoucí viskozitou se zvyšuje i chyba hustoty.
Moderní digitální hustoměry však automaticky korigují chyby způsobené viskozitou, a zajišťují tak maximální přesnost a rychlé měření.
Relativní hustota je poměr absolutních hustot dvou látek, přičemž dělitel je považován za referenční látku, kterou se, pokud není uvedeno jinak, rozumí voda o teplotě 3,98 ºC, a má tedy hustotu 0,999972 g/cm3 nebo 999,972 kg/m3. Podle níže uvedené rovnice nemá relativní hustota žádné jednotky.
Látka | Relativní hustota | Specifická hmotnost |
Vzduch (20 ºC) | 0.001199 g/cm3 | 0.001201 g/cm3 |
Voda (20 ºC) | 0.998203 g/cm3 | 1.000000 g/cm3 |
Relativní hustota (SG) je poměr hustot látky výhradně vzhledem k hustotě vody. Pokud není teplota specifikována, předpokládá se voda o teplotě 3,98 ºC, a proto má hustotu 0,999972 g/cm3 nebo 999,972 kg/m3.
Skutečná hustota je poměr mezi hmotností a objemem látky při daném tlaku a teplotě, odpovídající hmotnosti ve vakuu.
Tento pojem se také používá při měření hustoty digitálními hustoměry.
Zdánlivá hustota je vlastnost dělených pevných látek, jako jsou prášky a granule, a často se používá v těžebním, potravinářském a chemickém průmyslu.
Podle definice je zdánlivá hustota poměrem mezi hmotností a objemem, ale odpovídá hmotnosti ve vzduchu.
Pro názorné vysvětlení rozdílu mezi skutečnou hustotou a zdánlivou hustotou máme pyknometr umístěný na váze.
Když je naplněn kapalinou, váží ve vzduchu méně než ve vakuu kvůli vztlakovému účinku vzduchu.
Látka | Skutečná nebo absolutní hustota | Zjevná hustota |
Vzduch (20 ºC) | 0.00120 g/cm3 | 0.00000 g/cm3 |
Voda (20 ºC) | 0.99820 g/cm3 | 0.99715 g/cm3 |
Mnohé oficiální tabulky hustoty jsou stále založeny na zdánlivé hustotě.
Digitální hustoměry poskytují výsledky v různých jednotkách a koncentracích, podívejte se na jejich specifikace.
Pro zajištění přesných výsledků měření hustoty je třeba přijmout přímá opatření, aby se v průběhu celého pracovního postupu předešlo nepřesnostem. Níže najdete důležité tipy pro úspěšné stanovení hustoty.
Než začnete s měřením, je důležité porozumět nezbytným opatřením, která je třeba přijmout v závislosti na typu vzorku.
Typ vzorky (přidat obrázek/ikonu?) | Tipy |
Viskózní |
|
Agresivní / toxické |
|
Prchavé |
|
Vzorek s rozpuštěnými plyny |
|
Nehomogenní nebo se suspenzemi |
|
Pravidelně ověřujte měřicí výkon vašeho systému měřením vzorku s přesně známou hustotou (např. destilované vody nebo kapalného standardu); tomuto postupu se říká test, calibration nebo kontrola.
Po provedení kontroly nebo testu se naměřená hustota porovná se známou nominální hodnotou vzorku.
Kromě toho je dobré zkontrolovat, zda je měřicí cela mezi analýzami různých látek zcela čistá a suchá. Doporučuje se, abyste denně prováděli test svého hustoměru s vodou (0,998203 g/cm3 při 20,00 °C).
Odpovědi na tyto otázky a mnohem podrobnější informace najdete v našem Průvodci měřením hustoty
Věděli jste, že bublina o průměru 2 mm může způsobit chybu 0,0008 g/cm3 ve vašem výsledku?
Pokud měříte pomocí stříkačky:
Při automatickém plnění pomocí pumpy nebo autosampleru:
Předcházejte bublinám
Stále své výsledky převádíte ručně?
Vyhledávání v tabulce nebo interpolace z tabulky je náchylné k chybám a časově náročné. Kromě toho ručně psané výsledky nesou riziko chyb při přepisu. V závislosti na prostředí není zaručeno, že taková dokumentace splňuje regulační požadavky.
Nejpohodlnějším řešením je automatický převod pomocí vestavěných tabulek (např. alkohol, Brix, teplotní kompenzace podle API) nebo také uživatelsky definovaných, který předchází chybám při čtení nebo výpočtu a šetří čas.
Digitální hustoměr umožňuje použití vestavěných převodních tabulek, aby se výsledek zobrazil přímo v požadované jednotce.
Nevhodné čištění je nejčastějším zdrojem chybných výsledků!
Zajistěte, aby měřicí cela neobsahovala žádné zbytky dříve měřených vzorků ani promývacích roztoků
Abyste tomu zabránili, měla by být cela čištěna vhodnými promývacími roztoky a vysušena – nejlépe po každém měření.
Několik obecných doporučení pro promývací roztoky:
Nakonec se ujistěte, že je cela zcela vysušena suchým vzduchem. V mnoha případech není při používání hustoměrů METTLER TOLEDO třeba používat 2 rozpouštědla. Díky výkonnému čerpadlu DryPro můžete ušetřit čas i spotřebu rozpouštědel.
Časté nastavování přístroje nemusí nutně zaručit přesné výsledky.
Každé nastavení vede ke změnám v interním nastavení přístroje. Pokud je nastavení provedeno nesprávně, povede to k nesprávným měřením.
Proto doporučujeme upravovat hustoměr pouze tehdy, pokud test opakovaně několikrát selhal.
Odpovědi na tyto otázky i mnohem podrobnější informace najdete v našem Průvodci měřením hustoty
Pro aplikace, metody a pokyny k měření hustoty navštivte naši knihovnu aplikací.
Hustota je hmotnost látky na jednotku objemu. Používá se k měření kompaktnosti látky a běžně se vyjadřuje v g/cm³ nebo lb/ft³.
Hustota vzorku se vyjadřuje řeckým písmenem "ρ" (lze použít i latinské písmeno D) a počítá se jako:
ρ = m / v
Například pokud do skleněné kádinky nalijete 500cm³ vzorku a hmotnost činí 1000g, pak bude hustota:
ρ = 1000g/500cm³ = 2g/cm³
Hmotnost je míra toho, kolik hmoty se nachází v předmětu nebo kapalině, zatímco hustota vyjadřuje, kolik hmotnosti připadá na určité množství objemu.
Například 10kg oceli a 10kg peří mají stejnou hmotnost, ale různý objem, proto mají různou hustotu.
Balónky naplněné heliem létají, protože hustota helia je nižší než hustota vzduchu.
Ropa plave na vodě, protože má nižší hustotu. Tato vlastnost je užitečná, pokud dojde k úniku ropy v mořské vodě. To, že ropa plave, usnadňuje její odstranění.
Hustota vzorku velmi závisí na teplotě, proto je třeba teplotu velmi přesně zaznamenávat a kontrolovat.
Graf níže ukazuje změny hustoty vody v závislosti na teplotě, při níž je měřena.
Hustota se obvykle měří při referenční teplotě 20°C.
Hustota vody při 20°C je:
Water ρ 20= 0.99821 g/cm
Hustota a relativní hustota nejsou totéž. Měrná hmotnost neboli relativní hustota je hustota vzorku dělená hustotou referenční látky. Referenční látkou pro kapaliny a pevné látky je obvykle voda při nejvyšší hustotě (4°C) a pro plyny je to vzduch při 25°C.
Hustota vody při 4°C je 1g/cm3, takže například pokud má kapalný vzorek měrnou hmotnost menší než 1, znamená to, že je méně hustý než voda, a bude plavat. Pokud má vzorek měrnou hmotnost větší než 1, je hustší než voda a klesne ke dnu.
Co je hustota? Proč ji lze použít k identifikaci vzorku?
Hustotu lze snadno použít k identifikaci čistého vzorku, protože každý prvek má jedinečnou hustotu. Po provedení měření lze vyhledat hustotu daného vzorku a zjistit, čemu odpovídá.
Co je hustota? Souvisí hustota a viskozita?
Hustota a viskozita spolu nesouvisejí. Viskozita je jednoduše míra odporu kapaliny proti toku.
Například med je viskóznější než slaná voda, ale má nižší hustotu.
Jednotkou SI pro viskozitu je pascal sekunda (Pa·s)
Co je hustota a jak ji lze měřit?
Hustotu roztoku lze měřit ručně nebo digitálně. Podrobnější informace o tom, jak měřit hustotu pomocí pyknometrů, hustoměrů a digitálních hustotoměrů, naleznete v našem průvodci 3 způsoby měření hustoty.
Ruční metody, jako jsou pyknometry a hustoměry, se široce používají ke stanovení hustoty a souvisejících veličin, např. relativní hustoty, alkoholu %, BRIX°, stupňů API, Baumé, Plato atd. Ačkoli jsou tyto metody snadno použitelné a poměrně levné, vyžadují odbornost v každém kroku ručních pracovních postupů, což často ovlivňuje přesnost a spolehlivost výsledků.
Pyknometr je skleněná nádoba o definovaném objemu. Nejdříve se zváží bez vzorku (M1), poté se naplní vzorkem a znovu zváží (M2). Rozdíl mezi M1 a M2 dělený objemem nádoby je hustota vzorku.
Hustoměr je skleněné těleso, které se ponoří do vzorku. Po krátké době ustálení bude plavat v určité výšce. Čím vyšší je hustota vzorku, tím méně bude hustoměr plavat. Z úrovně ustálení se odečítá hustota.
Souprava pro měření hustoty se používá společně s váhami. Skleněné těleso o definovaném objemu se zváží ve vzduchu (M1), ponoří se do vzorku a znovu se zváží ve vzorku (M2). Rozdíl mezi M1 a M2 (vztlak) dělený objemem skleněného tělesa je hustota vzorku. K měření hustoty pevných látek lze také použít speciální držák s referenční kapalinou (vodou, ethanolem nebo uživatelem definovanou kapalinou).
Digitální hustotoměry jsou k dispozici jako stolní i přenosné přístroje. Využívají technologii oscilující trubice k velmi přesnému měření hustoty vzorku v krátkém čase. Dutá skleněná trubice vibruje při určité frekvenci. Tato frekvence se mění, když je trubice naplněna vzorkem: čím vyšší je hmotnost vzorku, tím nižší je frekvence. Tato frekvence se měří a převádí na hustotu. Kromě toho stolní digitální hustotoměry využívají vestavěný Peltierův termostat k regulaci teploty vzorku.
Další informace o digitálních hustoměrech a jejich srovnání s ručními metodami naleznete v našem Porovnání různých měřicích technik
