4.6. Определение плотности жидких и твердых веществ . Часть 1

Плотность вещества В (символ рв, единица кг/м3, г/мл, г/см3) - величина равная отношению массы вещества тк к его объему Vв:

(4.6)

Плотность, выраженная в г/л, совпадает со значением плотности в кг/м3. Относительная плотность (символ d, величина безразмерная) - это плотность данного вещества рв, деленная на плотность вещества, взятого за эталон

(4.7)

Таким эталоном, или стандартным веществом, являются либо чистая вода при давлении 101325 Па (1 атм) и температуре 3,98 °С, либо сухой воздух при нормальных условиях (101325 Па, 0 °С). Плотность воды при 3,98 °С и 101325 Па равна 1,0000 г/мл, а воздуха в нормальных условиях - 1,2928 г/л при составе (массовые доли): 0,7547 N2, 0,2310 O2, 0,0129 Аr и 0,00046 СO2.

Поскольку плотность и относительная плотность зависят от температуры, подстрочным индексом указывают температуру, при которой измерялась плотность, например р25 и d20. Если плотность эталонного вещества измерена при температурах, отличных от приведенных выше, то символ относительной плотности снабжается двумя индексами. Например, обозначение d5-20 (N2O) = 1,5300 свидетельствует, что относительная плотность оксида диазота измерена при 25 °С относительно плотности воздуха, определенной при 5 °С.

Удельный вес (символ γ, единица Н/м3) - величина, равная отношению веса G (в Н), т.е. силы тяжести, к объему К (в м3):

(4.8)

Удельный вес зависит от ускорения свободного падения g и может быть выражен как произведение плотности вещества на ускорение свободного падения:

(4.9)

Плотность жидкости или раствора измеряют при помощи ареометров, гидростатических весов, пикнометров и др. способами. Плотность твердого вешества определяют пикнометрическим методом, гидростатическим взвешиванием и волюмометрически.

Определение плотности с помощью ареометров. Ареометры постоянной массы (другое название - денсиметры) обычно являются стеклянными (рис. 85). Они имеют в верхней части бумажную шкалу 1 с указанием плотности в г/см3. Нижняя часть ареометра заполнена балластом 2 (свинцовые дробинки), неподвижно закрепленным связующим веществом 3, размягчающимся при температуре не ниже 80 °С. Балласт нужен для понижения центра тяжести ареометра, чтобы последний при погружении в жидкость плавал в строго вертикальном положении находился при этом в устойчивом равновесии.

На бумажной полоске 1 в верхней трубке 5 ареометра указана температура, при которой он откалиброван, - обычно 20 oC.

Рис. 85. Ареометры цилиндрические (а), веретенообразные (б) и с встроенным термометром (в). Мениск вокруг трубки ареометра (г):

а - в: 1 - шкала; 2 - груз; 3 - твердая замазка; 4 - термометр; 5 - трубка; г: 1 - верхний край; 2 - нижний край мениска; 3 - трубка ареометра; 4 - стенка цилиндра

Цена деления шкалы термометра 4, встроенного в ареометр (рис. 85, в), как правило, равна 1 °С. Пределы измерений плотности жидких сред образцовыми ареометрами составляют 0,6500-2,0000 г/см3 при цене деления 0,0005 г/см3, а ареометрами общего назначения - 0,700-1,840 г/см3 при цене деления 0,001 г/см3. Выпускают наборы, содержащие от 10 до 25 ареометров, каждый из которых рассчитан на свой интервал измерений плотности, например от 0,700 до 0,760 г/см3. Перед определением плотности из набора выбирают ареометр с нужным пределом измерений.

При погружении в жидкость ареометр, согласно закону Архимеда, испытывает действие выталкивающей силы, равной весу вытесненной им жидкости. В тот момент, когда выталкивающая сила становится равной весу всего ареометра, наступает состояние равновесия, и ареометр начинает плавать в жидкости. Чем больше плотность жидкости, тем на меньшую глубину погружается ареометр. Поэтому численные значения плотности на шкале ареометра располагаются в возрастающем порядке сверху вниз.

Архимед (287-212 гг. до н.э.) - античный математик и физик.

Жидкость для измерения плотности наливают в стеклянный цилиндр с диаметром, вдвое превышающим диаметр корпуса ареометра, и высотой, большей, чем длина ареометра. Цилиндр перед заполнением жидкостью необходимо вымыть и высушить.

Заполненный жидкостью цилиндр выдерживают в комнате до тех пор, пока температура его содержимого не будет отличаться от температуры окружающего воздуха на ±2 °С Чтобы быстрее установилось тепловое равновесие, жидкость в цилиндре перемешивают стеклянной мешалкой с диском на конце, перемещая ее вверх и вниз по всей высоте столба жидкости, избегая попадания в нее пузырьков воздуха.

После выравнивания температур жидкости и воздуха в нее осторожно опускают ареометр, взяв его двумя пальцами за верхний конец трубки. Ареометр при опускании не должен задевать стенки цилиндра. Его не выпускают из пальцев до тех пор, пока отметка шкалы ожидаемой плотности не окажется на 3-5 мм выше уровня жидкости и не появится уверенность в том, что ареометр плавает. Если его отпустить преждевременно, то при быстром погружении в жидкость он ударится о дно цилиндра и может разбиться.

Такое случается при неправильном выборе ареометра для исследуемой жидкости. При погружении ареометра жидкость не должна смачивать верхнюю трубку намного выше отметки измеренной плотности. В противном случае показания ареометра будут неточными.

Погруженный ареометр выдерживают в жидкости 3-4 мин для выравнивания температур и определяют показания по нижнему краю мениска 2 (рис. 85, г). Об этом должно быть сказано в паспорте. Если такого указания нет, то ареометр следует проверить либо по образцовому ареометру, либо по показаниям пикнометрической (табличной) плотности известной жидкости.

Для сравнения показаний используемого и образцового ареометров их погружают в жидкость, находящуюся в одном цилиндре, причем ареометры не должны соприкасаться друг с другом. В качестве калибровочной жидкости применяют: в интервале 0,86-0,95 г/см3 - водно-спиртовые растворы; в интервале 0,95-1,01 г/см3 - смеси 85%-го этанола и серной кислоты плотностью 1,84 г/см3; в интервале 1,00-1,84 г/см3 - водные растворы серной кислоты; в интервале 1,84-2,00 г/см3 - смесь 500 г KI, 630 г Hgl2 в 1 л воды, которую разбавляют до нужной плотности.

Если температура исследуемой жидкости заметно отличается от температуры, указанной на ареометре (20 °С), в показания вводят поправку, найденную из соотношения:

(4.10)

где beta = 2,5*10-5 1/°С; to - температура, при которой был откалиброван ареометр; t- температура жидкости; р - найденная плотность жидкости.

Ареометры после использования обмывают водой, а затем этанолом, если их опускали в водные растворы веществ, или бензином, тетрахлоридом углерода и ацетоном, если исследуемая жидкость была органической. Затем ареометры высушивают сушильном шкафу или в эксикаторе (см. рис. 32) и хранят в закрытых сосудах.

Определение плотности с помощью гидростатических весов. При гидростатическом взвешивании стеклянный поплавок гидростатических весов (см. рис. 69) опускают в исследуемую жидкость. Плотность жидкости сразу же отсчитывают по массе гирь, взятых для достижения равновесия весов. Для измерения плотности жидкости сначала взвешивают (г) поплавок с его подвеской (проволокой) в воздухе (m1), а затем в чистой воде (m2) и после этого в исследуемой жидкости (m3). Первые два измерения проводят заранее и уже потом их не повторяют. Уровень жидкости в цилиндре всегда должен находиться на одной и той же отметке, нанесенной на проволоку, за которую подвешен поплавок к коромыслу весов. Таким образом, часть проволоки представляет собой небольшую постоянную долю общего объема поплавка.

Плотность исследуемой жидкости рt (г/см3) при температуре t после измерений вычисляют по уравнению

(4.11)

где рв - плотность воды при температуре t; рвозд - средняя плотность воздуха во время взвешивания при температуре t

Часто оказывается достаточным принимать плотность воздуха равной 0,0012 г/см3. Однако изменения температуры, атмосферного давления и относительной влажности f может до 5% изменить плотность воздуха. Поэтому при точных измерениях рекомендуют записывать не только температуру и давление, но и относительную влажность воздуха f и вычислять Рвозд по формуле

(4.12)

где р - атмосферное давление, торр; к - поправка, определяемая влажностью воздуха при температуре t.

Значение к находят из наблюдений за изменением относительной влажности f (%) и парциального давления пара воды в

воздухе (рв), взятого из справочных таблиц, по уравнению

(4.13)

Проволока для подвески поплавка должна быть очень тонкой и прямой, чтобы уменьшить влияние поверхностного натяжения Кроме того, она не должна взаимодействовать с жидкостью. Длина проволоки, погруженной в жидкость, обычно берется не более 15 мм, чтобы свести к минимуму уменьшение массы в жидкости.

При гидростатическом взвешивании температуру жидкости поддерживают постоянной и следят за тем чтобы на поверхности поплавка и части проволоки, погруженной в жидкость, не оседали пузырьки воздуха. Температуру жидкости в цилиндре измеряют с точностью до 0,1 °С до и после каждого взвешивания, принимая в расчет среднее из полученных значений. Термометр все время должен находиться в жидкости.

При определении плотности твердого вещества р, его подвешивают вместо поплавка. Твердым веществом может быть либо застывший расплав, в котором закреплена проволока для подвески, либо монокристалл или поликристалл, выращенные из раствора или расплава на затравке, укрепленной на проволоке-подвеске. Значение рt в г/см3) вычисляют по уравнению

 

Другие части:

4.6. Определение плотности жидких и твердых веществ . Часть 1

4.6. Определение плотности жидких и твердых веществ . Часть 2

 

 

К оглавлению