¿Qué es la densidad?

Mediciones de densidad  comprueba la pureza y la concentración de una muestra y ofrece información de su  composición. La medición de la densidad es muy importante para asegurar la calidad tanto de materiales primas como de productos acabados en diferentes sectores.

Por ejemplo, se sabe que la densidad del agua ultrapura a 20,00 °C es de 0,998203 g/cm³: cualquier desviación de ese valor de ± tolerancia indicaría que la muestra de agua contiene impurezas.

En esta página, descubrirá conceptos básicos sobre la medición de la densidad.

La tabla que hay a continuación resume cada método de medición, incluidas sus ventajas e inconvenientes.

En este vídeo puede comprobar si está siguiendo los pasos correctos para lograr una medición de la densidad adecuada con un picnómetro. Además, comparamos la medición de la densidad realizada con un picnómetro frente a una con un densímetro digital.

¿Sabe que un cambio de temperatura de 0,01 °C puede tener un impacto de 0,0001 g/cm³ en la densidad medida?

La temperatura influye en el espacio necesario para que quepan los átomos en una molécula. La vibración aumenta con una temperatura más alta, lo que separa más los átomos y, por lo tanto, reduce el valor de densidad.

Por tanto, cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el volumen y menor la densidad. Si la temperatura desciende, el volumen es menor y la densidad aumenta. Sin embargo, la masa de la sustancia no cambia.

La única excepción a esta regla es el agua líquida, que alcanza su pico de densidad a los 3,98 °C, por encima de este punto aumenta el volumen de agua y se vuelve menos densa. Cuando el agua se enfría, ocurre lo contrario.

Nota: La relación entre la temperatura, el volumen y la densidad no es una función lineal y depende de la capacidad calorífica específica, el calor de vaporización y otros factores de cada sustancia.

Si estás en Ciudad de México a 3930 metros de altura sobre el nivel del mar, la presión del aire local será más baja que en Río de Janeiro, que está al nivel del mar  o a 0  metros. Esto quiere decir que la presión del aire está directamente relacionada con la altitud.

Ya que los gases y los líquidos son fluidos, debe tenerse en cuenta la siguiente información:

• El gas (p. ej., aire), es un fluido compresible, que cambia de volumen a diferentes presiones.
• Los líquidos (p. ej., agua), son fluidos incompresibles, por lo que su volumen es constante a diferentes presiones. Si se aplicara una presión de aire extremadamente alta, los líquidos podrían volverse compresibles, pero no ocurre lo mismo con los fines de medición de la densidad analítica.
  

Si la medición de la densidad se realiza con un instrumento manual (p. ej., el picnómetro), el valor de la presión del aire no se tiene en cuenta.

Los densímetros digitales modernos cuentan con un barómetro (sensor de presión) integrado para medir la presión del aire local, que establece automáticamente el valor de la densidad del aire de referencia. Este valor es importante por dos motivos:

1. Mientras se ajusta el instrumento, se deben medir el valor del agua y el aire. La presión tiene un efecto sobre el valor del aire y, como consecuencia, en todas las mediciones posteriores.
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2. Durante las operaciones diarias, la limpieza de una célula de medición debe realizarse para asegurar buenos resultados evitando la contaminación cruzada. El valor de la densidad del aire medido se compara con el valor del aire de referencia establecido. Si los resultados están dentro de una cierta tolerancia, la célula del instrumento está limpia.
   

Si una sustancia es viscosa, ¿es más densa que un líquido menos viscoso?

La viscosidad describe la resistencia de un líquido a fluir, informalmente determinada como el “espesor” de un fluido y, en principio, no tiene relación directa con la densidad.

Sin embargo, la viscosidad puede influir en la determinación de la densidad dependiendo del método que se use.

Mediciones usando:

• Picnómetro: sin influencia, pero el muestreo y la limpieza son tediosos. Además, la estabilización de la temperatura cuando se hace con un baño termostático es lenta.
• Hidrómetro: sin influencia, pero el muestreo, la lectura de valores y la limpieza son pesados.
• Densímetro digital: tiene influencia, ya que la muestra amortigua la frecuencia de oscilación del tubo en U vibrante.
  

• Como se observa en el gráfico, a medida que la viscosidad aumenta, también lo hacen los errores de densidad.
• Sin embargo, los densímetros digitales modernos corrigen automáticamente los errores producidos por la viscosidad, lo que asegura la máxima exactitud y mediciones rápidas.

1. Aqueous solutions, lab (organic) solvents
2. Sulfuric solutions
3. Motor oil
4. Kitchen detergent
5. Syrup

Definición de densidad relativa

La densidad relativa es la relación entre las densidades absolutas de dos sustancias, donde el divisor se considera la sustancia de referencia. Si esta sustancia no está especificada, se asume que es agua a 3,98 °C y, por lo tanto, tiene una densidad de 0,999972 g/cm³ o 999,972 kg/m³. Según la ecuación, la densidad relativa no tiene unidades.

Definición de gravedad específica

La gravedad específica es la relación entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua. Si la temperatura no está especificada, se asume que es agua a 3,98 °C y, por lo tanto, tiene una densidad de 0,999972 g/cm³ o 999,972 kg/m³.

Definición de densidad o densidad absoluta

La densidad absoluta es la relación entre la masa y el volumen de una sustancia a una presión y una temperatura determinadas, lo que se corresponde con su peso al vacío. Este concepto también se usa en la medición de la densidad hecha con densímetros digitales.

Definición de densidad aparente

La densidad aparente es una propiedad de los sólidos divididos, como las sustancias pulverulentas y los gránulos, y se usa a menudo en las industrias minera, alimentaria y química. Por definición, la densidad aparente es la relación entre masa y volumen, pero se corresponde con el peso en el aire.

Para asegurarse de obtener unos resultados exactos en las mediciones de densidad, debe tomar medidas directas que eviten la inexactitud a lo largo del proceso de flujo de trabajo. A continuación encontrará importantes consejos para lograr un proceso satisfactorio de determinación de la densidad.

Antes de iniciar la medición, es importante saber cuáles son las precauciones necesarias que debe adoptar según el tipo de muestra.

Consejos:

Viscosa

• Asegúrese de que no hay burbujas de aire durante la introducción en la célula de pesaje.
• Los esfuerzos de cizalla pueden causar resultados inexactos, así que asegúrese de que el instrumento tenga una corrección de viscosidad.

Agresiva/tóxica

• Si se miden ácidos o bases concentradas (p. ej., H₂SO₄, HCl, NaOH) minimice el contacto y la evaporación mediante el uso de un sistema automatizado con un cambiador automático de muestras.

Volátil

• Las muestras que contienen gas orgánico disuelto (p. ej., butano), tienen tendencia a desgasificarse, por lo que deben enfriarse para evitar la generación de burbujas.

Muestras con gases disueltos

• Las muestras carbonatadas, por ejemplo, los refrescos, deben desgasificarse antes de la medición. Para hacerlo, revuélvalas durante varios minutos hasta que deje de hacer burbujas.
• Para muestras con aire disuelto, se puede usar un baño ultrasónico o la muestra se puede hervir durante varios minutos.
• Quite el CO₂ o el gas disuelto con una combinación de flujo de aire y agitador con un sistema de densidad automatizado.

No homogénea o con suspensiones

• Evite la sedimentación de material sólido o la formación de un gradiente de concentración.
• Agítelas bien antes de tomar una muestra. Asegúrese de que no se hayan introducido burbujas de aire durante la agitación.
• Si no puede homogeneizar completamente la muestra, repita la medición varias veces y calcule la media.
  

Compruebe periódicamente el rendimiento de medición del sistema midiendo una muestra de exactitud conocida como densidad (p. ej., agua ultrapura o un líquido estándar). Este procedimiento se conoce como prueba, calibración o comprobación. Una vez completada la comprobación o prueba, la densidad medida se compara con el valor nominal conocido de la  muestra.

Además, se recomienda comprobar que la célula de medición esté completamente limpia y seca entre los análisis de diferentes sustancias. Se recomienda comprobar a diario el densímetro con agua pura (0,998203 g/cm³ a 20,00 °C).

Algunas preguntas frecuentes son:

¿Qué tolerancia se debe aplicar para una comprobación con agua desionizada?

¿Y para estándares orgánicos?

¿Qué se hace si la comprobación no da buenos resultados?

¿Sabía que una burbuja de 2 mm de diámetro puede provocar un error de 0,0008 g/cm³ en el resultado?

Si está midiendo con una jeringa:

• Se recomienda “sobrellenar” la célula al menos 5 cm más en la salida.
• Llene la célula de medición a una velocidad baja constante y mediante un flujo laminar para asegurar que las paredes de la célula queden completamente humedecidas (no quedan burbujas atrapadas en las paredes).

Si se llena automáticamente con una bomba o un cambiador automático de muestras:

• Ajuste la velocidad de muestreo según la viscosidad de la muestra.
  Evitar burbujas.
• Tras el llenado, compruebe que la célula no tenga burbujas.
• Puede identificar las burbujas con un vídeo en directo de la célula de medición y el Bubblecheck™ automático con un densímetro digital
  

¿Sigue convirtiendo los resultados manualmente?

La búsqueda en una tabla o la interpolación es un proceso lento y susceptible de errores. Además, los resultados escritos a mano corren el riesgo de tener errores de transcripción. Según el entorno, no se asegura que este tipo de documentación cumpla los requisitos de las normativas.

La solución más práctica es la conversión automática mediante tablas incorporadas (p. ej., alcohol, Brix, compensación de temperatura según API) o también definida por el usuario, que evita errores de lectura o de cálculo y ahorra tiempo. Un densímetro digital permite usar tablas de conversión incorporadas para mostrar el resultado directamente en la unidad deseada.

Una limpieza incorrecta es la fuente habitual de resultados erróneos.

Asegúrese de que la célula de medición no contenga ningún residuo de soluciones de lavado o muestras previamente medidas.

Para impedirlo, la célula se debe limpiar con soluciones de lavado y secado adecuadas, preferiblemente, tras realizar cada una de las mediciones.

En esta tabla se muestran recomendaciones generales para las soluciones de lavado:

Solución de limpieza 1

• Debe disolver completamente tu muestra (p. ej., Deconex de 12 % o agua).

Solución de limpieza 2

• Debe disolver la solución de limpieza 1 y evaporarse rápidamente (p. ej., acetona o etanol).
  

Por último, asegúrate de secar completamente la célula con aire seco. En muchos casos, no tiene que emplear dos solventes si usa densímetros digitales de METTLER TOLEDO. Gracias a la potente bomba DryPro puede ahorrar tiempo y consumo de disolvente.

Importante: ajustar un densímetro

Los ajustes frecuentes de los instrumentos no aseguran necesariamente unos resultados exactos. Cualquier ajuste provoca cambios en la configuración interna del instrumento. Si se realiza un ajuste inadecuado, esto provocará mediciones incorrectas.

Por lo tanto, recomendamos el ajuste del densímetro solo si la comprobación ha fallado repetidamente varias veces.