Tỷ trọng, còn được gọi là khối lượng riêng tương đối, đo khối lượng riêng của một chất so với khối lượng riêng của nước.
Tỷ trọng có liên quan đến khối lượng riêng, vì cả hai đều là các tính chất vật lý dùng để xác định một vật liệu cụ thể “đậm đặc” đến mức nào. Vật liệu này có thể là khí, chất lỏng hoặc chất rắn.
Tỷ trọng và khối lượng riêng được dùng để nhận dạng một vật liệu, xác định nồng độ của dung dịch lỏng, ví dụ như cồn hoặc đường trong đồ uống), hoặc kiểm tra xem một sản phẩm có nằm trong các thông số quy định hay không.
Trang này sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về tỷ trọng và khối lượng riêng.
Mật độ của một mẫu được định nghĩa là khối lượng của nó chia cho thể tích của nó.
Công thức tính mật độ:
Trọng lượng riêng, còn được gọi là mật độ tương đối, được dùng để mô tả mật độ của một chất so với mật độ của nước. Để tính trọng lượng riêng, hãy chia mật độ của mẫu cho mật độ của nước.
Công thức tính trọng lượng riêng:
Sự khác biệt chính giữa tỷ trọng riêng và khối lượng riêng là tỷ trọng riêng là đại lượng không thứ nguyên, nghĩa là không có đơn vị, trong khi khối lượng riêng có đơn vị (g/cm3, kg/m3, g/mL, oz/US fl, ...).
Tỷ trọng riêng cho biết một vật sẽ nổi hay chìm trong nước. Tỷ trọng riêng dưới 1 nghĩa là mẫu có khối lượng riêng thấp hơn (nhẹ hơn) nước và do đó sẽ nổi. Ví dụ, một loại dầu có tỷ trọng riêng 0.825 sẽ nổi trên nước.
Làm thế nào để chuyển đổi tỷ trọng riêng sang khối lượng riêng ?
Tỷ trọng riêng của chất = Khối lượng riêng của chất / Khối lượng riêng của nước
Ví dụ (ở 20°C):
Khối lượng riêng của mẫu = 1.3265 g/cm3
Khối lượng riêng của nước = 0.9982 g/cm3
Tỷ trọng riêng của mẫu = 1.3265 / 0.9982 = 1.3289
Làm thế nào để chuyển đổi khối lượng riêng sang tỷ trọng riêng?
Khối lượng riêng của chất = Tỷ trọng riêng của chất x Khối lượng riêng của nước
Ví dụ (ở 20°C):
Tỷ trọng riêng của mẫu = 1.0627 g/cm3
Khối lượng riêng của nước = 0.9982 g/cm3
Khối lượng riêng của mẫu = 1. 1.0627 x 0.9982 = 1.0608
Nhiệt độ của mẫu ảnh hưởng đến cả mật độ và trọng lượng riêng. Nhiệt độ càng cao thì thể tích càng lớn và mật độ càng thấp. Khi nhiệt độ tăng, thể tích tăng và mật độ giảm. Tuy nhiên, khối lượng của chất không thay đổi theo nhiệt độ.
Ngoại lệ đáng chú ý nhất đối với quy luật này là nước lỏng, đạt mật độ lớn nhất ở 3,98 ºC; trên mốc này, thể tích của nước tăng lên và nó trở nên kém đậm đặc hơn. Điều ngược lại xảy ra khi nước bị làm lạnh.
Vì trọng lượng riêng là mật độ của mẫu chia cho mật độ của nước, cả hai mật độ đều sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, nhưng không giảm cùng một mức. Tác động của nhiệt độ thường sẽ ít quan trọng hơn đối với trọng lượng riêng so với mật độ.
Molecule at a given temperature (slight movements) | Same molecules when temperature increases (moving further apart) | Formula |
Có nhiều loại thiết bị khác nhau để đo cả trọng lượng riêng và mật độ:
Tỷ trọng kế là một dụng cụ tiết kiệm chi phí, được dùng để xác định tỷ trọng/khối lượng riêng của chất lỏng. Được làm từ thủy tinh thổi, nó gồm phần đáy phình to được nạp chì hoặc bi thép làm đối trọng và một ống thân dài, hẹp có thang đo.
Tỷ trọng kế được nhúng vào mẫu chất lỏng cho đến khi nó nổi. Giá trị đo tỷ trọng được đọc bằng cách quan sát thang đo, tại vị trí mực chất lỏng trùng với một vạch trên thang của tỷ trọng kế.
Phần lớn tỷ trọng kế đo tỷ trọng tương đối của mẫu: nói một cách đơn giản, tỷ trọng kế cho người dùng biết một chất lỏng đậm đặc hơn hay loãng hơn nước. Nó sẽ nổi cao hơn trong chất lỏng có tỷ trọng lớn hơn, chẳng hạn như nước có hòa tan đường, so với chất lỏng có tỷ trọng thấp hơn, chẳng hạn như nước tinh khiết hoặc cồn.
Khi sử dụng tỷ trọng kế, người dùng có hai lựa chọn:
Thường được làm bằng thủy tinh, pycnometer là một bình có thể tích xác định sẵn dùng để đo tỷ trọng/khối lượng riêng của chất lỏng. Nó cũng có thể xác định tỷ trọng/khối lượng riêng của hệ phân tán, chất rắn và thậm chí cả khí.
Khi được sử dụng đúng cách, pycnometer cho kết quả rất chính xác, với độ chính xác lên đến 10-5 g/cm3 – điều này tương ứng với độ chính xác (số chữ số thập phân) của cân điện tử được sử dụng.
Cũng cần có nhiệt kế để đo nhiệt độ.
Cần được đào tạo người dùng để bảo đảm phép đo chính xác bằng pycnometer.
Máy đo tỷ trọng kỹ thuật số cầm tay được dùng để xác định nhanh chóng và chính xác tỷ trọng/khối lượng riêng của chất lỏng. Việc xác định tỷ trọng hoặc tỷ trọng tương đối bằng máy đo kỹ thuật số dựa trên hai yếu tố:
Máy đo tỷ trọng kỹ thuật số để bàn sử dụng cùng công nghệ như máy đo tỷ trọng kỹ thuật số cầm tay, tức là sự dao động của ống thủy tinh hình chữ U (ống U). Ngoài ra, chúng còn được trang bị bộ điều khiển nhiệt độ Peltier tích hợp, giúp đưa mẫu đến nhiệt độ đã chọn (ví dụ: 20°C). Dải điều khiển nhiệt độ có thể từ 0 °C đến 95 °C. Các máy đo tỷ trọng này có thể đạt độ chính xác 0.000005 g/m3 cho tỷ trọng, hoặc 0.000005 cho tỷ trọng tương đối.
Một số máy đo tỷ trọng kỹ thuật số để bàn có thể được kết nối với các giải pháp tự động hóa mẫu cho một hoặc nhiều mẫu, cung cấp chức năng lấy mẫu, rửa và sấy khô tự động.
Những máy đo tỷ trọng này thường có thể được nâng cấp thành một hệ thống đa thông số tự động chuyên dụng, kết hợp tỷ trọng, chiết suất, pH, màu sắc, độ dẫn điện và nhiều thông số khác để tiết kiệm thời gian, nâng cao chất lượng dữ liệu và ngăn mọi thay đổi của mẫu giữa các phép phân tích riêng lẻ.
Một trong những lợi ích của máy đo tỷ trọng kỹ thuật số sử dụng ống thủy tinh hình chữ U là thể tích mẫu cần rất nhỏ (thường 1,5 mL), giúp mẫu đạt cân bằng nhiệt nhanh hơn .
| Chất | Tỷ trọng (ở 20°C) | Khối lượng riêng (ở 20°C) |
| Dodecane | 0.746 | 0.745 g/cm3 |
| Ammonia | 0.772 | 0.771 g/cm3 |
| Crude oil | 0.791 | 0.790 g/cm3 |
| Water | 1.000 | 0.998 g/cm3 |
| 2,4-dichlorotoluene | 1.251 | 1.249 g/cm3 |
| Glycerine | 1.261 | 1.259 g/cm3 |
| 1-Bromonaphthalene | 1.484 | 1.481 g/cm3 |
| Mercury | 13.618 | 13.593 g/cm3 |
| Chất | SG (ở 15°C) | Khối lượng riêng (ở 15°C) | SG (ở 25°C) | Khối lượng riêng (ở 25°C) |
| Dodecane | 0.753 | 0.752 g/cm3 | 0.747 | 0.745 g/cm3 |
| Water | 1.000 | 0.999 g/cm3 | 1.000 | 0.997 g/cm3 |
| 2,4-dichlorotoluene | 1.255 | 1.254 g/cm3 | 1.248 | 1.244 g/cm3 |
| 1-Bromonaphthalene | 1.487 | 1.486 g/cm3 | 1.480 | 1.476 g/cm3 |
Tỷ trọng của không khí là 0,00121 ở 20°C và dưới áp suất khí quyển 101,325 kPa (tức là ở mực nước biển). Áp suất này thay đổi theo thời tiết (áp suất thấp hơn khi trời mưa hoặc có tuyết) và theo độ cao (áp suất ở độ cao lớn thấp hơn ở mực nước biển). Ví dụ, ở độ cao 440 m so với mực nước biển, áp suất khí quyển (trung bình năm) chỉ là 96,12 kPa, và tỷ trọng trung bình của không khí ở 20°C là 0,00114.
Tỷ trọng của nước là 1,00000 ở 20°. Lưu ý rằng khối lượng riêng của nước thay đổi theo nhiệt độ. Nó tăng từ 0°C đến 4°C (khi gần bằng 1) rồi giảm từ 4°C lên các nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, tỷ trọng của nước không thay đổi theo nhiệt độ; nó vẫn bằng 1,00000.
Tỷ trọng và khối lượng riêng có thể dễ dàng được dùng để nhận biết một mẫu tinh khiết vì mỗi chất có tỷ trọng/khối lượng riêng riêng biệt. Sau khi đo, có thể tra tỷ trọng/khối lượng riêng của mẫu cần kiểm tra để xem nó tương ứng với chất nào.
Lượng chất tan trong dung môi thường ảnh hưởng đến khối lượng riêng và tỷ trọng của dung dịch tạo thành. Bằng cách đo tỷ trọng của một loạt dung dịch với các lượng chất tan hòa tan khác nhau đã biết, có thể tìm được bảng chuyển đổi hoặc công thức liên hệ tỷ trọng với nồng độ của một dung dịch nhất định.
Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của phép đo tỷ trọng:
