10.11. Измерение плотности и объема газов
Плотность газа В(рв, г/л) определяют взвешиванием (mв) небольшой стеклянной колбочки известного объема с газом (рис. 274,а) или газового пикнометра (см. рис. 77), применяя формулу
где V- объем колбочки (5 - 20 мл) или пикнометра.
Колбочку взвешивают дважды: сначала вакуумированную, а затем наполненную исследуемым газом. По разности значений 2-х полученных масс узнают массу газа mв, г. При заполнении колбочки газом измеряют его давление , а при взвешивании - температуру окружающей среды, которую принимают за температуру газа в колбочке. Найденные значения р и Т газа дают возможность вычислить плотность газа при нормальных условиях (0 °С; около 0,1 МПа).
Для уменьшения поправки на потерю массы колбочки с газом в воздухе при ее взвешивании в качестве тары на Другом плече коромысла весов располагают запаянную колбочку точно, такого же объема.
Рис. 274. Приборы для определения плотности газа: колбочка (а) и жидкостной (б) и ртутный (в) эффуэиометры
Поверхность этой колбочки обрабатывают (очищают) каждый раз точно так же, как и взвешиваемой с газом.
В процессе вакуумирования колбочку немного нагревают, оставляя подключенной к вакуумной системе в течение нескольких часов, поскольку остатки воздуха и влаги удаляются с трудом. У вакуумированной колбочки может измениться объем из-за сжатия стенок атмосферным давлением. Погрешность определения плотности легких газов от такого сжатия может достигать 1%. В отдельных случаях для газа определяют и относительную плотность dв, т. е. отношение плотности данного газа рв к плотности другого газа, выбранного в качестве стандартного р0, взятого при тех же температуре и давлении:
где Mв и Mо - соответственно молярные массы исследуемого газа В и стандартного, например воздуха или водорода, г/моль.
Для водорода M0 = 2,016 г/моль, поэтому
Из этого соотношения можно определить молярную массу газа, если принять его за идеальный.
Быстрым методом определения плотности газа является метод измерения продолжительности его истечения из малого отверстия под давлением, которая пропорциональна скорости истечения.
где τв и τo ~ время истечения газа В и воздуха соответственно.
Измерение плотности газа этим методом проводят при полоши эффузиометра (рис. 274,6) - широкого цилиндра б высоки около 400 мм, внутри которого находится сосуд 5 с основанием 7, снабженным отверстиями для входа и выхода жидкости. На сосуде 5 нанесены две метки М1 и М2 для отсчета объема газа, время истечения которого наблюдают. Кран 3 служит для впуска газа, а кран 2 - для выпуска через капилляр 1. Термометром 4 контролируют температуру газа.
Определение плотности газа по скорости его истечения выполняют следующим образом. Наполняют цилиндр б жидкостью, в которой газ почти нерастворим, чтобы был заполнен и сосуд 5 выше метки М2. Затем через кран 3 жидкость выдавливают из сосуда 5 исследуемым газом ниже метки М1, причем вся жидкость должна остаться в цилиндре. После этого, закрыв кран 3, открывают кран 2 и дают выйти излишку газа через капилляр 1. Как только жидкость достигнет метки М1 включают секундомер. Жидкость, вытесняя газ, постепенно поднимается до метки М2. В момент касания мениска жидкости метки М2 секундомер выключают. Опыт повторяют 2-3 раза. Аналогичные операции проводят и с воздухом, тщательно промыв им сосуд 5 от остатков исследуемого газа. Разные наблюдения длительности истечения газа не должны различаться более чем на 0,2 - 0,3 с.
Если для исследуемого газа нельзя подобрать жидкость, в которой он был бы малорастворим, применяют ртутный эффузионетр (рис. 274,в). Он состоит из стеклянного сосуда 4 с трехходовым краном 1 и уравнительного сосуда 5, наполненного ртутью. Сосуд 4 находится в стеклянном сосуде 3, выполняющем функции термостата. Через кран 1 в сосуд 4 вводят газ, вытесняя ртуть ниже метки М1. Выпускают исследуемый газ или воздух через капилляр 2, подняв уравнительный сосуд 5. Более чувствительными приборами для определения плотности газов являются газовый ареометр Штока (рис. 275,а) и газовые весы
Шток Альфред (1876-1946) - немецкий химик-неорганик и аналитик.
В ареометре Штока один конец кварцевой трубки раздут в тонкостенный шар 1 диаметром 30 - 35 мм, наполненный воздухом, а другой оттянут в волосок 7. Внутрь трубки плотно сдавлен небольшой железный стержень 3.
Рис. 275. Ареометр Штока (а) и схема установки (б)
Острием Отрубка с шаром опирается на кварцевую или агатовую опору. Трубка с шаром помешены в кварцевый сосуд 5 с пришлифованной круглой пробкой. Вне сосуда расположен соленоид 6 с железным сердечником. При помощи тока различной силы, протекающего через соленоид, выравнивают положение коромысла с шаром так, чтобы волосок 7 указывал точно на индикатор нуля 8. За положением волоска наблюдают при помощи зрительной трубы или микроскопа.
Ареометр Штока приваривают к трубке 2 для устранения каких-либо вибраций.
Шар с трубкой находятся в равновесии при данной плотности окружающего их газа. Если в сосуде 5 один газ заменить на другой при постоянном давлении, то равновесие нарушится из-за изменения плотности газа. Для его восстановления необходимо либо притянуть стержень 3 электромагнитом 6 вниз при понижении плотности газа, либо дать ему подняться вверх при увеличении плотности. Сила тока, протекающего через соленоид, при достижении равновесия прямо пропорциональна изменению плотности.
Прибор градуируют по газам известной плотности. Точность ареометра Штока 0,01 - 0,1%, чувствительность порядка ДО"7 г, диапазон измерений от 0 до 4 г/л.
Установка с ареометром Штока. Ареометр Штока / (рис-275,6) присоединяют к вакуумной системе так, что он висит на трубке 2 как на пружине. Колено 3 трубки 2 погружено в сосуд Дьюара 4 с охлаждающей смесью , позволяющей поддерживать температуру не выше -80 oC для конденсации пара ртути, если для создания вакуума в ареометре использует диффузионный ртутный насос. Кран 5 соединяет ареометр с колбой, содержащей иесследуемый газ. Ловушка защищает диффузионный насос от воздействием исследуемого газа, а приспособление 7 служит для точной регулировки давления . Вся система через трубку соединена с диффузионным насосом.
Объем газа измеряют при помощи калиброванных газовых береток (см. рис. 84) с термостатируемой водяной рубашкой. Во избежание поправок на капиллярные явления газовую 3 и компенсационную 5 бюретки подбирают одинакового диаметра и располагают в термостатируемой рубашке 4 рядом (рис. 276). В качестве запирающих жидкостей применяют ртуть, глицерин и другие жидкости, плохо растворяющие исследуемый газ.
Оперируют этим прибором следующим образом. Сначала заполняют бюретки жидкостью до уровня выше крана 2, поднимая сосуд б. Затем газовую бюретку соединяют с источником газа и вводят его, опуская сосуд б, после чего кран 2 закрывают. Для уравнивания давления газа, находящегося в бюретке 3, с атмосферным давлением сосуд б подносят вплотную к бюретке и устанавливают на такой высоте, чтобы мениски ртути в компенсационной 5 и газовой 3 бюретках были на одном уровне. Поскольку компенсационная бюретка сообщается с атмосферой (ее верхний конец открыт), при таком положении менисков давление газа в газовой бюретке будет равно атмосферному.
Одновременно измеряют атмосферное давление по барометру и температуру воды в рубашке 4 при помощи термометра 7.
Найденный объем газа приводят к нормальным условиям (0 °С; 0,1 МПа), используя уравнение для идеального газа:
V0 и V - приведенный к нормальным условиям объем (л) газа и измерен-иЬ1й объем газа при температуре t (°С) соответственно; р - атмосферное давление в момент измерения объема газа, торр.
Если газ содержит пары воды или находился перед измерением объема в сосуде над водой или водным раствором, то его Oбъем приводят к нормальным условиям с учетом давления пара воды p1 при температуре опыта (см. табл. 37):
Уравнения применяют в том случае, если атмосферное давление при измерении объема газа было сравнительно близко к 760 торр. Давление реального газа всегда меньше, чем у идеального, из-за взаимодействия молекул. Поэтому в найденное значение объема газа вводят поправку на неидеальность газа, взятую из специальных справочников.