De
massadichtheid
of
soortelijke massa
(of, als geen verwarring mogelijk is, kortweg
dichtheid
) van een
homogeen
materiaal
is in de
natuur
- en
scheikunde
een
intensieve grootheid
die uitdrukt hoeveel
massa
van dat materiaal aanwezig is in een bepaald
volume
. Men drukt dit wel uit als de 'massa per
volume
-
eenheid
'.
Vaak wordt nog de verouderde en foutieve term
soortelijk gewicht
gebruikt. Traditioneel duidt men dichtheid aan met de
Griekse letter
(rho).
Hierin is
- de massa
- het volume
In het
SI-stelsel
wordt dichtheid uitgedrukt in
kilogram
per
kubieke meter
(kg/m
3
), maar de oudere eenheid (uit het
cgs-systeem
) gram per kubieke centimeter (g/cm
3
) of
kilogram
per
kubieke decimeter
wordt ook nog gebruikt. De omzetting is: 1000 kg/m
3
= 1 g/cm
3
= 1 kg/dm
3
. Getalsmatig zijn de twee oudere eenheden dus aan elkaar gelijk, hoeveelheden in de SI-eenheid zijn een factor 10
3
groter.
Volgens de voormalige, in 1795 in Frankrijk ingevoerde definitie van gram was de dichtheid van
gedestilleerd water
van
0
°C
op basis van de toenmalige definitie van de meter exact 1 g/cm
3
.
Voor dichtheden van plaatmateriaal zoals
plaatmetaal
,
folie
of
papier
, wordt vaak de areieke dichtheid (
) gebruikt. De areieke dichtheid wordt in massa per oppervlakte-eenheid uitgedrukt met kg/m
2
als SI-eenheid:
Daarin is:
- de massa in kilogram
- oppervlakte in m
2
- dikte in m
- dichtheid in kg/m
3
De areieke dichtheid van platen die uit
composietmaterialen
bestaan, kunnen niet rechtstreeks uit de dichtheden van de samenstellende componenten afgeleid worden.
Men tabelleert de dichtheid van een stof meestal bij een bepaalde
temperatuur
en
druk
omdat de dichtheid afhankelijk is van de grootte van deze
intensieve grootheden
. De dichtheid van een stof wordt gewoonlijk opgegeven onder
standaardomstandigheden
, dit wil zeggen bij 20 °C of 25 °C en onder een druk van 101,325 kPa (1
atmosfeer
).
Bij de meeste stoffen neemt het volume
lineair
toe met een stijgende temperatuur. Die temperatuurafhankelijkheid van de dichtheid wordt uitgedrukt in de
uitzettingscoefficient
van een stof. De uitzettingscoefficient is meestal onafhankelijk van de temperatuur over een groot temperatuurtraject.
Onder andere
water
vormt een uitzondering op deze regel. Vooral bij lagere temperaturen vertoont de uitzettingscoefficient van water afwijkend gedrag: rond 4°C heeft de uitzettingscoefficient van water een
minimum
.
De dichtheid van een stof neemt meestal lineair toe bij hogere hydrostatische drukken. Deze samendrukbaarheid wordt uitgedrukt in de
compressiemodulus
. De compressiemodulus hangt nauw samen met de
elasticiteit
van een materiaal die uitgedrukt wordt in de
elasticiteitsmodulus
.
De dichtheid van een stof verschilt onder
standaardomstandigheden
per
aggregatietoestand
. In het algemeen is de dichtheid van een stof in de
vaste fase
hoger dan de dichtheid in de
vloeistoffase
. De dichtheid van
gassen
is onder standaardomstandigheden veel kleiner dan die van
vloeistoffen
en
vaste stoffen
. Bovendien hangt de dichtheid van gassen sterk af van de temperatuur en de druk. In de
superkritische fase
kan bij hoge druk de dichtheid van een stof bijna gelijk zijn aan de dichtheid in de vloeistoffase of de vaste fase.
Een gas gedraagt zich gewoonlijk als een
ideaal gas
, tenzij de druk zeer hoog is of de temperatuur ver onder de
kritische temperatuur
van het gas ligt. Voor een ideaal gas kan de dichtheid berekend worden door:
met daarin:
Veel gassen gedragen zich onder zeer hoge druk in bepaalde opzichten als vloeistoffen. De dichtheid van gassen kan onder zulke omstandigheden met behulp van de
Van der Waalsvergelijking
, of met een variant van deze vergelijking, berekend worden. Gassen met de grootste dichtheid zijn
SF
6
: 6,60 kg/m
3
, en
xenon
: 5,897 kg/m
3
.
Vaste stoffen met een open
kristalstructuur
, zoals in het geval van elementen met een
diamantrooster
of verbindingen met een
kwartsrooster
, hebben een relatief lage dichtheid. Vaste stoffen met een dichte kristalstructuur, zoals
metalen
en
legeringen
, hebben een hogere dichtheid.
Door
smelten
gaat de orde van de kristalstructuur van de vaste stof verloren en worden
bindingen
in 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, zoals
ijs
, kunnen soms krimpen tijdens het smelten omdat open ruimten in de kristalstructuur instorten.
Dichtheid van
water
neemt toe als de
saliniteit
toeneemt.
[1]
De soortelijke massa van vloeistoffen kan bepaald worden met een
pyknometer
of een
densitometer
.
De dichtheden van sommige andere aggregatietoestanden kunnen onder extreme omstandigheden heel hoog zijn. In het binnenste van zware
hemellichamen
zijn de druk en de temperatuur vaak zeer hoog in vergelijking met de standaardomstandigheden die in de chemie als referentie gehanteerd worden.
- De materie waaruit een
neutronenster
opgebouwd is, het hypothetische
neutronium
, heeft voor zover bekend is de hoogste dichtheid met waarden tussen
3,7 × 10
17
en
5,9 × 10
17
kg/m³
.
- De materie waaruit
witte dwergen
opgebouwd zijn kan een dichtheid hebben die tussen
10
8
en
10
15
kg/m³
geschat wordt.
- Het
plasma
waaruit de
Zon
opgebouwd is heeft in de kern een dichtheid van ongeveer
160.000 kg/m³
, ongeveer tien maal zo hoog als de dichtheid van
lood
. Het waterstofplasma onder in de
convectiezone van de Zon
heeft bij een temperatuur van
2.000.000
K
een dichtheid van ongeveer
200 kg/m³
, dat is ongeveer driemaal zo hoog als de dichtheid van
vloeibare waterstof
op Aarde bij het
kookpunt
van
20,28 K
.
- De
Aardkern
bestaat uit
nikkelijzer
met een dichtheid van ongeveer
10.000 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 ongeveer
3,5 × 10
6
atm
. De dichtheid van de Aardkern ligt ongeveer
25 %
tot
30 %
hoger dan de dichtheid van
8000 kg/m³
van nikkelijzer en de
7680 kg/m³
van
ijzer
onder standaardomstandigheden. De Aardkern heeft bovendien een
12 %
hogere dichtheid dan de
8902 kg/m³
van
nikkel
onder standaardomstandigheden. IJzer
kristalliseert
gewoonlijk in een
kubisch ruimtelijk gecentreerd
rooster waarin de
atomaire pakkingsfactor
0,680 is. Nikkel kristalliseert in een
kubisch vlakgecentreerd
rooster met een
dichtste bolstapeling
en een atomaire pakkingsfactor van 0,740. Onder de hoge druk in de Aardkern vindt een
fase-overgang
plaats 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%.
Moderne
keramische materialen
met een lage dichtheid hebben meestal een open kristalstructuur. Metalen hebben doorgaans een veel hogere dichtheid dan keramische materialen omdat in
metaalroosters
de 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 laag
coordinatiegetal
door een
tetraeder-
of een
octaederomringing
met maar vier of zes naaste buuratomen. De atomen vormen, zoals de koolstofatomen in
diamant
, sterke
covalente bindingen
met hun buuratomen. De atomen in de roosters van keramische materialen vormen netwerken van ringstructuren waarin veel ruimte tussen de atomen open blijft. De
atomaire vullingsfactor
van de diamantstructuur is slechts 0,3401, minder dan de helft van de pakkingsfactor van metalen.
Keramische materialen kunnen sterke, elastische
keramische vezels
en lagen vormen. Op basis van keramische vezels kunnen verschillende soorten
gel
en
schuim
gemaakt worden, waaronder de extreem lichte
aerogels
. Zoals
gelatine
bestaat uit een netwerk van
collageenvezels
in water, zo bestaat een aerogel uit een netwerk van
silicaatvezels
in lucht. Deze structuren ontstaan door een
dendrietische kristalgroei
. De eerste aerogel werd in 1931 vervaardigd uit
silicagel
. Inmiddels zijn er aerogels gemaakt van
aluminiumoxide
, chroom(III)oxide,
tindioxide
en
grafeen
. De lichtste aerogels hebben een dichtheid onder de 2 kg/m³. Aerogels zijn
vuurvast
en bieden tevens een hoge
warmte-isolatie
, zoals de afbeelding rechts laat zien.
In
composieten
, zoals
vezelversterkte kunststoffen
, worden de eigenschappen van verschillende componenten in een samengesteld materiaal gecombineerd. Meestal worden vezels met een hoge
treksterkte
ingebed in een
taaie
matrix
die hoge
afschuifspanningen
en
druk
kan weerstaan. In lichte composieten worden onder andere
glasvezel
,
aramide
,
koolstofvezel
en
nanotubes
verwerkt.
Sterke keramische materialen worden vaak gemaakt op basis van
silicium
-,
boor-
,
stikstof-
en
koolstofatomen
die onderling en met
aluminium
en
magnesium
sterke bindingen kunnen vormen met een sterk covalent karakter. Deze elementen kunnen ook een
interstitiele verbindingen
vormen met
overgangsmetalen
als
titanium
en
wolfraam
. Er worden ook sterke keramische materialen vervaardigd op basis van
silicaat
en
kwarts
, verschillende metaaloxiden en andere
mineralen
. 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:
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.
[2]
Bronnen, noten en/of referenties
|