Измерение плотности используется для контроля чистоты и концентрации образца, получения информации о его составе. Измерение плотности незаменимо в различных отраслях для обеспечения качества сырья и готовых продуктов.
Например, плотность сверхчистой воды при +20,00 °C составляет 0,998203 г/см3: отклонение от этого значения (с учетом допусков) означает, что в воде присутствуют примеси.
На этой странице представлена базовая информация об измерении плотности.
Перейдите в один из следующих разделов, чтобы узнать больше о плотности жидкостей.
Плотность — это физический параметр, соответствующий массе определенного объема образца. Он зависит от плотности расположения молекул вещества в пространстве. Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ («ро»). Кроме того, для обозначения часто используется латинская буква d.
Вы когда-нибудь задумывались о том, почему нефть остается на поверхности воды при разливе?
Расслоение жидкостей происходит из-за разности плотностей. На изображении представлены типовые значения плотностей.
A — масло для ламп (0,80 г/см3)
B — протирочный спирт (0,87 г/см3)
C — растительное масло (0,91 г/см3)
D — вода (0,99 г/см3)
E — средство для мытья посуды (1,33 г/см3)
F — мёд (1,36 г/см3)
Ареометры
 |
Принцип измерения
Преимущества
Недостатки
Пикнометры
 |
Принцип измерения
Преимущества
Недостатки
Цифровые плотномеры
 |
Принцип измерения
Преимущества
Недостатки
Посмотрите видеоролик и узнайте, правильно ли вы используете пикнометр для измерения плотности. Мы также сопоставим результаты, полученные с помощью пикнометра и цифрового плотномера.
Вы знаете, что при изменении температуры на 0,1 °C результат измерения плотности может изменяться на 0,0001 г/см3?
Расстояние между атомами молекулы зависит от температуры. С увеличением температуры увеличивается интенсивность колебаний, атомы располагаются дальше и значение плотности уменьшается.
 |
Молекула при определенной температуре
(малое расстояние)
 |
Та же молекула при повышении температуры
(расстояние увеличивается)
При повышении температуры объем увеличивается, а плотность уменьшается. При уменьшении температуры объем уменьшается и плотность увеличивается. Масса вещества при этом не изменяется.
Единственное исключение — жидкая вода, которая достигает максимума плотности при +3,98 ºC. Выше этой температуры объем воды увеличивается, и плотность уменьшается. При остывании воды происходит обратный процесс.
Примечание. Связь между температурой, объемом и плотностью нелинейна: она зависит от удельной теплоемкости, теплоты испарения и других характеристик вещества.
Если в жидкости есть хотя бы один пузырек воздуха, результат измерения плотности может сильно измениться. Такой же эффект дают и примеси.
Например, для расчета значения плотности при использовании стеклянного пикнометра измеряется масса образца. Если в образец попал пузырек воздуха или какое-то инородное включение (например, из-за недостаточной очистки), результат взвешивания будет неправильным. Это приведет к получению неправильного значения плотности.
В городе Мехико на высоте 3930 метров над уровнем моря давление ниже, чем в Рио-де-Жанейро на уровне моря (на высоте 0 метров). Давление воздуха напрямую связано с высотой над уровнем моря.
Так как газы и жидкости подвижны, необходимо учитывать следующие факты:
При измерении плотности с помощью ручных приборов (например, пикнометра) давление воздуха не учитывается.
Современные цифровые плотномеры имеют встроенный барометр (датчик давления) для определения давления в точке проведения анализа. Расчет опорного значения плотности воздуха выполняется автоматически. Это значение важно по двум причинам:
Если вещество вязкое, выше ли его плотность, чем у менее вязкого вещества?
Вязкость характеризует сопротивление жидкости перемещению. Это так называемая густота жидкости, и она не связана с плотностью напрямую.
Однако вязкость может влиять на результат измерения плотности при использовании отдельных методов.
Измерительный прибор:
Определение относительной плотности
Относительная плотность определяется как отношение абсолютной плотности анализируемого вещества к плотности эталонного вещества. Если тип эталонного вещества не указан, то им считается вода при +3,98 ºC, которая имеет плотность 0,999972 г/см3 или 999,972 кг/м3. Как следует из уравнения, относительная плотность — безразмерная величина.
Определение удельного веса
Удельный вес определяется как отношение плотности анализируемого вещества к плотности воды. Если температура не указана, она принимается равной +3,98 ºC, при этом плотность воды равна 0,999972 г/см3 или 999,972 кг/м3.
Истинная плотность и определение абсолютной плотности
Истинная плотность определяется как отношение массы вещества к его объему при определенных значениях давления и температуры. Масса вещества измеряется в вакууме. Это определение используется при измерении с помощью цифрового плотномера.
Определение объемной плотности
Объемная плотность используется для сыпучих веществ, например порошков или гранул. Этот параметр часто применяется в горнодобывающей, пищевой и химической промышленности. Объемная плотность определяется как отношение массы к объему, но при измерении в воздухе.
 |
Масса в вакууме = истинная плотность |
Для демонстрации разницы между истинной и объемной плотностью на весы помещен пикнометр. Наполненный жидкостью, он весит в воздухе меньше, чем в вакууме, из-за воздействия выталкивающей силы воздуха.
Многие справочные таблицы плотности до сих пор основаны на объемной плотности. Цифровой плотномер позволяет получать результаты в различных единицах измерения и концентрации, см. характеристики прибора.
 |
Масса в воздухе = объемная плотность |
Для получения точных результатов измерения плотности необходимо принять определенные меры, чтобы избежать ошибок в процессе работы. Ниже приведены рекомендации для успешного определения плотности.
Перед началом измерения важно определить необходимые меры предосторожности в соответствии с типом образца.
Рекомендации:
Вязкие образцы
Агрессивные/токсичные образцы
Летучие образцы
Образцы, содержащие растворенный газ
Неоднородные образцы и суспензии
Необходимо регулярно проверять рабочие характеристики системы с помощью измерения для образца с точно известной плотностью (сверхчистая вода или стандарт жидкости). Эта процедура называется тестированием, калибровкой или проверкой. По завершении тестирования необходимо сравнить измеренное значение с известной номинальной плотностью образца.
Кроме того, полезно проверять чистоту и сухость измерительной ячейки перед анализом нового вещества. Рекомендуется ежедневно тестировать плотномер с использованием сверхчистой воды (0,998203 г/см3 при +20,00 °C).
Некоторые часто задаваемые вопросы:
Какие допуски необходимо применять при тестировании с использованием деионизированной воды?
Какие допуски предусмотрены для стандартов органических веществ?
Что делать, если результат тестирования неудовлетворительный?
Пузырек размером 2 мм может привести к отклонению измеренного значения плотности на 0,0008 г/см3.
При использовании шприца:
При автоматическом наполнении с помощью насоса или автосемплера:
Вы выполняете расчеты вручную?
Поиск или интерполяция по таблице сопряжены с риском ошибок и требуют много времени. Кроме того, ручные записи могут содержать ошибки регистрации данных. Невозможно гарантировать, что такая документация будет соответствовать нормативным требованиям.
Наиболее эффективное решение — автоматический расчет с помощью встроенных таблиц (например, содержание спирта, градусы Brix, температурная компенсация по API). Пользователь может задать собственные таблицы для экономии времени и защиты от ошибок регистрации и расчета. Цифровой плотномер позволяет использовать встроенные таблицы преобразования, чтобы получать результаты в необходимых единицах измерения.
Самый распространенный источник ошибок — недостаточная очистка!
Убедитесь, что в измерительной ячейке отсутствуют следы предыдущих образцов или промывочных жидкостей.
Чтобы их удалить, измерительную ячейку необходимо очистить подходящим промывочным раствором и высушить. Желательно делать это после каждого измерения.
Отдельные рекомендации по использованию промывочных растворов:
Чистящий раствор 1
Чистящий раствор 2
В конце процедуры необходимо полностью осушить ячейку сухим воздухом. Во многих случаях при использовании плотномеров МЕТТЛЕР ТОЛЕДО нет необходимости использовать два раствора. Благодаря производительному насосу DryPro можно сэкономить время и уменьшить расход растворителя.
Важно! Настройка плотномера
Частая настройка прибора не гарантирует точность результата. При каждой настройке изменяются значения внутренних параметров прибора. При неправильной настройке неправильными будут и результаты последующих измерений.
Поэтому специалисты МЕТТЛЕР ТОЛЕДО рекомендуют проводить настройку плотномера, только если тестирование несколько раз подряд проходит с неудовлетворительным результатом.
Масса соответствует количеству вещества в целом объекте, а плотность соответствует массе в определенном объеме.
Например, 10 кг стали и 10 кг пуха имеют одинаковую массу, но разный объем, поэтому их плотность отличается.
Плотность удобно использовать для идентификации чистых образцов, поскольку каждое вещество имеет собственное значение этой величины. По измеренному значению плотности можно, пользуясь справочником, определить соответствующее вещество.
Возьмем, например, водный раствор этилового спирта.
Как показано ранее, при +20 °C плотность чистой воды составляет: d = 0,9982 г/см3. Плотность этилового спирта при +20 °C составляет: d = 0,7892 г/см3. Плотность водного раствора этилового спирта зависти от концентрации раствора.
Плотность прямо пропорциональна давлению воздуха в месте измерения и обратно пропорциональна температуре. При неизменной температуре с повышением давления увеличивается плотность. Узнать больше о зависимости плотности жидкости от давления можно здесь.
Плотность используется, например, для определения концентрации спирта в жидкости, управления процессом брожения при производстве вина и пива, измерения содержания сахара (градусы Brix) в промежуточных и конечных продуктах при производстве пищевых продуктов и напитков. Плотность позволяет определять градусы API и концентрации компонентов тяжелой нефти, парафина и смазочных материалов в нефтехимической отрасли. Относительная плотность (удельный вес) измеряется для аккумуляторного электролита в автомобильной промышленности и для других растворителей, кислот и оснований в химической промышленности. Кроме того, плотность часто измеряется в фармацевтической промышленности и для контроля качества косметических, гигиенических и других продуктов. Перейдите по ссылкам выше, чтобы узнать больше об областях применения или найти в библиотеке МЕТТЛЕР ТОЛЕДО руководство по применению для конкретных типов образцов.
При +20 °C и атмосферном давлении 101,325 кПа (на уровне моря) плотность воздуха составляет 0,00120 г/см3. Атмосферное давление зависит от погодных условий (снижается во время дождя или снега) и высоты измерения (снижается по мере подъема над уровнем моря). Например, на высоте 440 м над уровнем моря среднегодовое атмосферное давление составляет всего 96,12 кПа, а плотность воздуха снижается до 0,00114 г/см3 при +20 °C.
Плотность воды при +20 °C равна 0,99820 г/см3. Плотность воды зависит от температуры. При изменении температуры от 0 до +4 °C она возрастает (до величины, близкой к единице), а при дальнейшем повышении температуры снижается.
Вязкость образцов влияет на значения плотности, получаемые при измерении с помощью цифрового плотномера. В слое жидкости, прилегающем к стенке стеклянной трубки, возникает усилие сдвига, которое замедляет колебания, что приводит к завышению измеряемых значений. В современных моделях цифровых измерителей плотности предусмотрена коррекция по вязкости, которая устраняет погрешность, возникающую по реологическим причинам.
