Come determinare la densità di solidi e liquidi con la bilancia

Pubblicato : 04/02/2019 18:43:09
Categorie : Bilance e Sistemi per Pesare , Strumenti per Laboratorio e Controllo Qualità

Bilance per densità

Oltre al peso e alla temperatura in molte attività di laboratorio o nelle industrie che usano materiali con determinate caratteristiche risulta indispensabile determinare la densità degli oggetti. Questa caratteristica, infatti, è fondamentale da valutare per tutta una serie di motivazioni che implicano l’opportunità o meno di utilizzare un determinato oggetto per degli scopi precisi.

Ma cos’è la densità?

Innanzitutto occorre distinguere tra densità relativa e densità assoluta.

In fisica la densità assoluta di un corpo si definisce come il rapporto tra la sua massa e il suo volume. Questa densità si esprime in Kg/Metro quadro oppure in Grammi/Centimetro quadro.

Bisogna prestare attenzione a non confondere la densità assoluta con il peso specifico che, invece, è il rapporto tra il peso e il volume di un oggetto.

La densità relativa di un corpo, invece, è la densità media assoluta in rapporto alla densità dell’acqua distillata a temperatura di 3.98°C.

Questa grandezza è adimensionale, in quanto definita come quoziente di due grandezze che hanno la stessa unità di misura.

Standard di densità

Esistono numerosi standard e norme relativi alla determinazione della densità. Alcuni dei più comuni sono:

ISO 1183-1: plastica; metodi per la determinazione della densità di materie plastiche non cellulari
OIML G 14: determinazione della densità secondo l'OIML
ASTM-D-792: metodi di verifica standard di densità e peso specifico

Lo standard ISO 1183-1 richiede l'uso di una bilancia analitica a 4 cifre decimali.

Come si misura la densità

Esistono diversi metodi per calcolare la densità.

Innanzitutto, se si parla di densità di un oggetto dalla forma regolare, sarà sufficiente calcolare il suo Volume e, avendo a disposizione anche la misura della Massa, la densità sarà facilmente calcolata come il rapporto tra queste due grandezze.

Nel caso di oggetti la cui forma è, invece, irregolare e, quindi, il volume risulta più difficile da calcolare, si può ricorrere a una bilancia per densità.

Come funziona una bilancia per densità

Per comprendere il funzionamento di questi particolari strumenti, occorre tenere presente il principio di Archimede secondo cui un “corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del liquido spostato.”

La bilancia per densità, dunque, misura la densità relativa nei liquidi e nei solidi tramite il metodo dell’impulso ascensionale.

Questo tipo di bilancia è particolarmente utile per misurare la densità di materiali plastici, di gomma, di vetro e di altri materiali non metallici.

Per la misura della densità relativa, dunque, si deve prendere come riferimento non un liquido qualunque, ma l’acqua distillata e a temperatura di circa 4°C.

In queste condizioni l’acqua ha una densità di 1000Kg/m3, cioè un metro cubo di acqua pesa una tonnellata.

Per procedere alla misurazione innanzitutto va attivata la modalità “densità” sulla bilancia e pesato dapprima il solido “in aria”, quindi appoggiandolo sul piatto della bilancia e selezionando la procedura “aria”.

A questo punto entra in gioco il picnometro, un altro strumento molto importante nella determinazione della densità degli oggetti. Si tratta di una bottiglietta con il collo molto allungato, in vetro, chiusa da un tappo dotato di un capillare e con un riferimento per definire il livello del liquido che lo riempe. E' adatto per misurazioni di Liquidi, dispersioni, polvere e granuli.

Il picnometro va inizialmente posto sul piatto della bilancia insieme all’oggetto di cui stiamo misurando la densità.

A questo punto abbiamo M1 che è la misura della massa dell’oggetto e M2 che è la massa dell’oggetto più la massa del picnometro pieno fino al livello di liquido segnato.

Il passaggio successivo consiste nell’inserire l’oggetto di cui stiamo misurando la densità all’interno del picnometro, riportando il livello del liquido al pari del segno. Lasciando il picnometro sulla bilancia determiniamo così la M3.

Dunque la densità relativa sarà il rapporto tra M1 e M2-M3, dove M1 è la massa dell’oggetto mentre M2-M3 è la quantità di acqua che ha spostato dopo essere stato immerso nel picnometro.

Le bilance per densità che hanno funzione “in acqua”, permettono di saltare questo secondo passaggio.

Dopo aver eseguito la pesatura “in aria”, infatti, basterà memorizzare il valore registrato e procedere, utilizzando un recipiente pieno di acqua distillata a 4°C, a immergervi l’oggetto in questione e selezionare la modalità di pesatura “in acqua”.

A questo punto la bilancia avrà memorizzato entrambi i valori e calcolerà la densità dell’oggetto.

Qui in questo video sono visionabili le sequenze :

Come si misura la densità di un liquido

Anche per misurare la densità di un liquido ci viene in aiuto il picnometro.

In questo caso si pesa dapprima il picnometro vuoto, registrando la misura della sua massa, che potrà essere considerata M1.

A questo punto si riempe il picnometro di acqua distillata a 4°C e si registra il valore della massa M2.

Svuotato il picnometro e asciugato alla perfezione, si riempie del liquido in esame nella stessa quantità dell’acqua di cui era stato riempito in precedenza.
A questo punto, sempre ponendolo sul piatto della bilancia, si calcola M3.

Eseguite tutte le misurazioni la densità relativa del liquido si ricaverà da un semplice formula matematica (M3-M1)/(M2-M1).

Le due operazioni sono abbastanza simili, ma nel caso del solido viene utilizzata la spinta ascensionale di Archimede per calcolare la densità dell’oggetto in base alla quantità di acqua che riesce a spostare.

Le caratteristiche di una bilancia per densità

Una bilancia per misurare la densità si caratterizza innanzitutto per il suo alto grado di precisione oltre che per la rapidità con cui effettua la misurazione.

Le bilance per la densità sono, infatti, bilance elettroniche analitiche con un elevatissimo livello di accuratezza.

Una bilancia analitica di buona qualità, dunque, può essere utilizzata per misurare la densità di un oggetto purché sia dotata dell’apposito kit.

Tali kit solitamente comprendono picnometro, una piastra di supporto, staffe, termometro per verificare la temperatura dell’acqua, becher in vetro, sostegni per solidi galleggianti e uno o più flaconi di agente umidificante.

Nel caso di campioni troppo grandi che non possono essere inseriti nel becker o nel picnometro, la bilancia può essere dotata di una presa aerea specifica che si aggancia al di sotto di essa.

La determinazione di densità mediante l’attrezzatura per pesature sotto-bilancia è consigliabile in caso di campioni che per loro dimensioni o forma non stanno sul
piatto per campioni o nel cilindro graduato del kit per determinazione di densità.

In questo metodo il corpo solido è pesato prima nell’aria. Successivamente il corpo solido viene immerso nel liquido ausiliare riscaldato in maniera tale che non tocchi il fondo del cilindro graduato e ciononostante si trovi completamente immerso nell’acqua, dopodiché avviene una nuova pesatura. In base ad etrambi i valori di peso la bilancia determina la densità, quindi la visualizza.

Se si sta scegliendo una bilancia analitica da utilizzare per la determinazione della densità, bisogna avere alcuni accorgimenti, primo tra tutti l’assicurarsi che tale bilancia garantisca il livello di precisione richiesto.

Una bilancia analitica particolarmente adatta allo scopo è la Kern ABS ABJ: si tratta di uno strumento che vanta il sistema di pesata avanzato Single-cell e offre un brevissimo tempo di stabilizzazione, nell’ordine dei 3 secondi. Questi fattori la rendono una tra le più vendute bilance analitiche.

La bilancia analitica Sartorius ENTRIS, invece, è un apparecchio che garantisce un’ottima ripetibilità e linearità, con una precisione di lettura dell’ordine di 0,1 mg.