Massadichtheid

Demassadichtheidofsoortelijke massa(of, als geen verwarring mogelijk is, kortwegdichtheid) van eenhomogeenmateriaalis in denatuur- enscheikundeeenintensieve grootheid,die uitdrukt hoeveelmassavan dat materiaal aanwezig is in een bepaaldvolume.Men drukt dit wel uit als de 'massa pervolume-eenheid'.

Vaak wordt nog de verouderde en foutieve termsoortelijkgewichtgebruikt. Traditioneel duidt men dichtheid aan met deGriekse letter$\rho$(rho).

$\rho ={\frac {m}{V}}$

Hierin is

• $m$de massa
• $V$het volume

In hetSI-stelselwordt dichtheid uitgedrukt inkilogramperkubieke meter(kg/m³), maar de oudere eenheid (uit hetcgs-systeem) gram per kubieke centimeter (g/cm³) ofkilogramperkubieke decimeterwordt ook nog gebruikt. De omzetting is: 1000 kg/m³= 1 g/cm³= 1 kg/dm³.Getalsmatig zijn de twee oudere eenheden dus aan elkaar gelijk, hoeveelheden in de SI-eenheid zijn een factor 10³groter.

Volgens de voormalige, in 1795 in Frankrijk ingevoerde definitie van gram was de dichtheid vangedestilleerd watervan0°Cop basis van de toenmalige definitie van de meter exact 1 g/cm³.

Areïeke dichtheid

Doorsnede vanGlare,een plaatmateriaal met een lage areïeke dichtheid.

Voor dichtheden van plaatmateriaal zoalsplaatmetaal,folieofpapier,wordt vaak de areïeke dichtheid ($\rho _{\rm {A}}$) gebruikt. De areïeke dichtheid wordt in massa per oppervlakte-eenheid uitgedrukt met kg/m²als SI-eenheid:

$\rho _{\rm {A}}={\frac {m}{A}}=t\cdot \rho$

Daarin is:

• $m$de massa in kilogram
• $A$oppervlakte in m²
• $t$dikte in m
• $\rho$dichtheid in kg/m³

De areïeke dichtheid van platen die uitcomposietmaterialenbestaan, kunnen niet rechtstreeks uit de dichtheden van de samenstellende componenten afgeleid worden.

Druk en temperatuur

Resultaat van een grotere hydrostatische druk: een verandering van volume en dichtheid.

Men tabelleert de dichtheid van een stof meestal bij een bepaaldetemperatuurendrukomdat de dichtheid afhankelijk is van de grootte van dezeintensieve grootheden.De dichtheid van een stof wordt gewoonlijk opgegeven onderstandaardomstandigheden,dit wil zeggen bij 20 °C of 25 °C en onder een druk van 101,325 kPa (1atmosfeer).

Bij de meeste stoffen neemt het volumelineairtoe met een stijgende temperatuur. Die temperatuurafhankelijkheid van de dichtheid wordt uitgedrukt in deuitzettingscoëfficiëntvan een stof. De uitzettingscoëfficiënt is meestal onafhankelijk van de temperatuur over een groot temperatuurtraject.

$\rho (T_{0}+\Delta T)={\frac {\rho _{T_{0}}}{(1+\gamma \cdot \Delta T)}}$

Onder anderewatervormt een uitzondering op deze regel. Vooral bij lagere temperaturen vertoont de uitzettingscoëfficiënt van water afwijkend gedrag: rond 4°C heeft de uitzettingscoëfficiënt van water eenminimum.

De dichtheid van een stof neemt meestal lineair toe bij hogere hydrostatische drukken. Deze samendrukbaarheid wordt uitgedrukt in decompressiemodulus.De compressiemodulus hangt nauw samen met deelasticiteitvan een materiaal die uitgedrukt wordt in deelasticiteitsmodulus.

Aggregatietoestand

Bundelgascilindersvoor vervoer en opslag van gassen onder hoge druk.

Witte dwergsterrengefotografeerd met de Wide Field and Planetary Camera 2 op deHubble Ruimtetelescoop.

Het binnenste van eenmeteorietbestaat uitnikkelijzerwaaruit de Aardkern ook opgebouwd is.

De dichtheid van een stof verschilt onderstandaardomstandighedenperaggregatietoestand.In het algemeen is de dichtheid van een stof in devaste fasehoger dan de dichtheid in devloeistoffase.De dichtheid vangassenis onder standaardomstandigheden veel kleiner dan die vanvloeistoffenenvaste stoffen.Bovendien hangt de dichtheid van gassen sterk af van de temperatuur en de druk. In desuperkritische fasekan bij hoge druk de dichtheid van een stof bijna gelijk zijn aan de dichtheid in de vloeistoffase of de vaste fase.

Gassen

Een gas gedraagt zich gewoonlijk als eenideaal gas,tenzij de druk zeer hoog is of de temperatuur ver onder dekritische temperatuurvan het gas ligt. Voor een ideaal gas kan de dichtheid berekend worden door:

$\rho ={\frac {M\,P}{R\,T}}$

met daarin:

• $M$demolaire massa;
• $P$de druk;
• $R$degasconstante;
• $T$deabsolute temperatuur.

Veel gassen gedragen zich onder zeer hoge druk in bepaalde opzichten als vloeistoffen. De dichtheid van gassen kan onder zulke omstandigheden met behulp van deVan der Waalsvergelijking,of met een variant van deze vergelijking, berekend worden. Gassen met de grootste dichtheid zijnSF₆:6,60 kg/m³,enxenon:5,897 kg/m³.

Vloeistoffen en vaste stoffen

Vaste stoffen met een openkristalstructuur,zoals in het geval van elementen met eendiamantroosterof verbindingen met eenkwartsrooster,hebben een relatief lage dichtheid. Vaste stoffen met een dichte kristalstructuur, zoalsmetalenenlegeringen,hebben een hogere dichtheid.

Doorsmeltengaat de orde van de kristalstructuur van de vaste stof verloren en wordenbindingenin het kristal verbroken. Daardoor wordt de gemiddelde afstand tussen atomen of moleculen groter zodat de meeste stoffen uitzetten tijdens het smelten. De dichtheid van een stof neemt daarom tijdens het smelten meestal af. Stoffen met een open kristalstructuur, zoalsijs,kunnen soms krimpen tijdens het smelten omdat open ruimten in de kristalstructuur instorten.

Dichtheid vanwaterneemt toe als desaliniteittoeneemt.

De soortelijke massa van vloeistoffen kan bepaald worden met eenpyknometerof eendensitometer.

Aggregatietoestanden met hoge dichtheid

De dichtheden van sommige andere aggregatietoestanden kunnen onder extreme omstandigheden heel hoog zijn. In het binnenste van zwarehemellichamenzijn de druk en de temperatuur vaak zeer hoog in vergelijking met de standaardomstandigheden die in de chemie als referentie gehanteerd worden.

• De materie waaruit eenneutronensteropgebouwd is, het hypothetischeneutronium,heeft voor zover bekend is de hoogste dichtheid met waarden tussen3,7 × 10¹⁷en5,9 × 10¹⁷kg/m³.
• De materie waaruitwitte dwergenopgebouwd zijn kan een dichtheid hebben die tussen10⁸en10¹⁵kg/m³geschat wordt.
• Hetplasmawaaruit deZonopgebouwd is heeft in de kern een dichtheid van ongeveer160.000 kg/m³,ongeveer tien maal zo hoog als de dichtheid vanlood.Het waterstofplasma onder in deconvectiezone van de Zonheeft bij een temperatuur van2.000.000Keen dichtheid van ongeveer200 kg/m³,dat is ongeveer driemaal zo hoog als de dichtheid vanvloeibare waterstofop Aarde bij hetkookpuntvan20,28 K.
• DeAardkernbestaat uitnikkelijzermet een dichtheid van ongeveer10.000 kg/m³.Het nikkelijzer in de Aardkern is een vaste stof bij een temperatuur die tussen de 5.500 en 7.000 °C ligt bij een druk van ongeveer3,5 × 10⁶atm.De dichtheid van de Aardkern ligt ongeveer25 %tot30 %hoger dan de dichtheid van8000 kg/m³van nikkelijzer en de7680 kg/m³vanijzeronder standaardomstandigheden. De Aardkern heeft bovendien een12 %hogere dichtheid dan de8902 kg/m³vannikkelonder standaardomstandigheden. IJzerkristalliseertgewoonlijk in eenkubisch ruimtelijk gecentreerdrooster waarin deatomaire pakkingsfactor0,680 is. Nikkel kristalliseert in eenkubisch vlakgecentreerdrooster met eendichtste bolstapelingen een atomaire pakkingsfactor van 0,740. Onder de hoge druk in de Aardkern vindt eenfase-overgangplaats van ruimtelijk gecentreerd rooster naar een vlakgecentreerd rooster. De verandering van de pakkingsfactor zou de dichtheid met ongeveer 8 % verhogen, zodat de overige 20 % van de toename van de dichtheid het gevolg moet zijn van een afname in de afstand tussen de ijzeratomen in het kristalrooster van ongeveer 7%.

Lichte materialen

Vetkrijtjesop een isolerend laagje aerogel boven een gasbrander.

Hetchassisvankoolstofvezelversterkte kunststofen aluminium van eenAston MartinV12Vanquish.

Onderdelen voorkogellagersgemaakt vansiliciumnitride,een sterk, breukbestendigkeramisch materiaalmet een dichtheid van slechts3,44 g/cm³.

Keramisch materiaal

Modernekeramische materialenmet een lage dichtheid hebben meestal een open kristalstructuur. Metalen hebben doorgaans een veel hogere dichtheid dan keramische materialen omdat inmetaalroostersde atomen zo dicht mogelijk gestapeld zijn. De atomen in een metaal hebben meestal twaalf of acht naaste buren waarmee ze een zwakke binding hebben. In roosters van keramische materialen hebben de atomen een laagcoördinatiegetaldoor eentetraëder-of eenoctaëderomringingmet maar vier of zes naaste buuratomen. De atomen vormen, zoals de koolstofatomen indiamant,sterkecovalente bindingenmet hun buuratomen. De atomen in de roosters van keramische materialen vormen netwerken van ringstructuren waarin veel ruimte tussen de atomen open blijft. Deatomaire vullingsfactorvan de diamantstructuur is slechts 0,3401, minder dan de helft van de pakkingsfactor van metalen.

Aerogels en composieten

ZieAerogelenComposiet (materiaal)voor de hoofdartikelen over dit onderwerp.

Keramische materialen kunnen sterke, elastischekeramische vezelsen lagen vormen. Op basis van keramische vezels kunnen verschillende soortengelenschuimgemaakt worden, waaronder de extreem lichteaerogels.Zoalsgelatinebestaat uit een netwerk vancollageenvezelsin water, zo bestaat een aerogel uit een netwerk vansilicaatvezelsin lucht. Deze structuren ontstaan door eendendrietische kristalgroei.De eerste aerogel werd in 1931 vervaardigd uitsilicagel.Inmiddels zijn er aerogels gemaakt vanaluminiumoxide,chroom(III)oxide,tindioxideengrafeen.De lichtste aerogels hebben een dichtheid onder de 2 kg/m³. Aerogels zijnvuurvasten bieden tevens een hogewarmte-isolatie,zoals de afbeelding rechts laat zien.

Incomposieten,zoalsvezelversterkte kunststoffen,worden de eigenschappen van verschillende componenten in één samengesteld materiaal gecombineerd. Meestal worden vezels met een hogetreksterkteingebed in eentaaiematrixdie hogeafschuifspanningenendrukkan weerstaan. In lichte composieten worden onder andereglasvezel,aramide,koolstofvezelennanotubesverwerkt.

Sterke materialen

Sterke keramische materialen worden vaak gemaakt op basis vansilicium-,boor-,stikstof-enkoolstofatomendie onderling en metaluminiumenmagnesiumsterke bindingen kunnen vormen met een sterk covalent karakter. Deze elementen kunnen ook eeninterstitiële verbindingenvormen metovergangsmetalenalstitaniumenwolfraam.Er worden ook sterke keramische materialen vervaardigd op basis vansilicaatenkwarts,verschillende metaaloxiden en anderemineralen.Sterke en harde keramische materialen bieden vaak een goed alternatief voor metalen voor de vervaardiging van gereedschappen en machine-onderdelen vanwege hun lage gewicht en hogere hardheid of sterkte. In onderstaande tabel staan, ter vergelijking, de dichtheden en hardheden van een aantal metalen en keramische materialen vermeld:

Materiaal		Dichtheid (kg/m³)	Hardheid (Mohs)
Metaal	Aluminium	2702	2,75
	Titanium	4540	6,0
	IJzer	7860	4,0
	Wolfraam	19300	7,5
Keramiek	SiC	3210	~9
	c-BN	3450	9,5-10,0
	Al2O3	~4000	~9
	TiC	4930	9,0-9,5
	WC	15630	~9

Tabellen

• Tabel met desoortelijke massa van vaste stoffen
• Tabel met desoortelijke massa van vloeistoffen
• Tabel met desoortelijke massa van gassen- bij 0°C en 1bar

Volumetrisch gewicht

Soms worden transportkosten in rekening gebracht op basis van het volumetrisch gewicht, dit is het grotere van twee massa's: de gewone massa en het volume vermenigvuldigd met een standaarddichtheid, bijv. 200 kg per kubieke meter.

Zie ook

• Lijst van dichtheden van vaste stoffen
• Massaconcentratie
• Massafractie
• Relatieve dichtheid

Bronnen, noten en/of referenties