Densité et masse volumique : détermination pratique

Définition de la densité

La densité d'une substance est égale à la masse volumique de la substance divisée par la masse volumique du corps de référence à la même température. Pour les liquides et les solides, l'eau est utilisée comme référence, pour les gaz, la mesure s'effectue par rapport à l'air. Elle est notée d et n'a pas d'unité (grandeur physique sans dimension).
La masse volumique de l'eau est mesurée à la température de 4°C, qui correspond à une température où sa masse volumique passe par un maximum. On indique cette température de référence en mettant 4 en indice. La notation devient alors d₄. Pour des raisons pratiques, la mesure de la masse volumique de la substance s'effectue à la température ambiante et généralement à 20°C. Il est donc usuel de noter la densité d'un solide ou d'un liquide en indiquant les 2 températures: d²⁰₄ qui signifie donc «densité de la substance à 20°C par rapport à de l'eau à 4°C» .

Mesure de la densité des liquides

La technique de mesure varie suivant la précision du résultat recherché. Les mesures de routine s'effectuent le plus souvent avec un densimètre standard en verre lesté au plomb. Le densimètre est plongé dans le liquide préalablement placé dans une éprouvette. L'enfoncement dans le fluide varie en fonction de sa densité dont la valeur est lue directement grâce à une échelle graduée. Des étalons de densité permettent de vérifier l'étalonnage du densimètre.

Pour une mesure plus précise, on utilise un picnomètre. Ce petit récipient dont la forme rappelle celle de la fiole, est caractérisé par un volume très précis. La détermination de la densité s'effectue par pesée. Il est impératif de conserver le même picnomètre pour mesurer la masse d'eau et la masse de substance. Il est également préférable de dégazer les solutions en plaçant le picnomètre dans une enceinte sous-vide.
Des densimètres automatiques sont également disponibles et permettent d'avoir des mesures de masse volumique précises à +/-0,001g/mL. Le liquide est placé dans un tube oscillant. La période de vibration est proportionnelle à la masse volumique du liquide.

Mesure de la densité des solides.

La détermination s'effectue à l'aide d'un picnomètre par pesée successives à l'aide d'un solvant peu volatil dans lequel le solide est insoluble. Le xylène est utilisable dans de nombreux cas.
m1 : pesée du picnomètre vide.
m2 : pesée du picnomètre + eau.
m3 : pesée du picnomètre + solvant .
m4 : pesée du picnomètre + solide.
m5 : pesée du picnomètre + solide + solvant.

m4-m1 donne la masse de la poudre.
m3-m1 donne la masse du solvant.
m5-m4 donne la masse occupée par le volume restant.
on a donc m= (m3-m1)-(m5-m4) : la masse de solvant correspond au volume du solide.

Le rapport (m4-m1)/m donne la densité du solide par rapport au solvant. Il reste donc à mesurer cette valeur par la densité du xylène déterminée par le rapport (m3-m1)/(m2-m1).

Quelques densités :

- densité du fer : 7,86
- densité de l'aluminium : 2,7
- densité du cuivre : 8,92
- densité de l'alcool (éthanol) : 0,798
- densité du caoutchouc : 0,92 à 0,99
- densité de la glace : 0,917
L'acier a une densité de l'ordre de celle du fer suivant sa composition.