Тема 7: Визначення відносної густини.

Мета: навчитись визначати відносну густину, оволодіти методами зрівноваження.

План

1. Поняття відносна густина.

2. Методика визначення відносної густини.

3. Методи вимірювання густини.

1. Відносна густина

Відносна густина, (англ. relative density, рос. относительная плотность, нім. relative Dichte f) — безрозмірна фізична величина, що дорівнює відношенню густини речовини, яка розглядається, до густини іншої речовини.

Для системного порівняння густин ряду речовин приймають еталонну речовину, якою найчастіше використовують дистильовану воду. Густина дистильованої води при +20 ºС дорівнює 998,203 кг/м3, а при температурі максимальної густини (+4 ºС) становить 999,973 кг/м3.Зміст [сховати]

2. Методика визначення відносної густини

Визначення відносної густини для рідини при +20 ºС зазвичай здійснюється шляхом ділення маси певного об'єму рідини до маси води цього ж обсягу при цій же температурі. При цьому отримують відносну густину речовини щодо густини води при +20 ºС і позначають цю величину як , де цифра зверху ставиться до досліджуваної речовини, а знизу до температури води. Визначають відносну густину за допомогою пікнометра, зважуючи спочатку порожній пікнометр, потім пікнометр з дистильованою водою, а потім пікнометр з досліджуваною рідиною. Відносну густину визначають з наступної формули:

Щоб визначити густину речовини, необхідно відносну густину помножити на величину абсолютної густини води при температурі вимірювання. Часто можна зустріти величину відносної густини , яка показує густину досліджуваної речовини відносно густини води при 4 ºС. У довідниках також для води наводиться величина 0,99823, що являє собою відносну густину води , яку часто плутають з масою одного см3 води при 20 ºС, i відповідно, помилково надають в системі СІ значення густини для води при 20 ºС величину 998,23 кг/м3.

Приклади

Наприклад, Відносна густина газу (англ. relative density of gas, рос. относительная плотность газа, нім. relative Gasdichte f) — відношення густини газу до густини сухого повітря за нормальних умов (нормальної температури 0 оС, нормального тиску 101 325 Па = 760 мм рт.ст.) або стандартних (20 оС; 101 325 Па) умов. Відносна густина газу перебуває в прямій залежності від його молекулярної маси і змінюється приблизно від 0,5 до 1,2 і більше.

Інший приклад: Відносна густина нафти (англ. relative density of oil, рос. относительная плотность нефти, нім. relative Erdöldichte f) — відношення густини нафти, визначеної при температурі 20 оС, до густини дистильованої води при температурі 4 оС.

3. Методи вимірювання густини

Густина - один з головних показників, що визначає якість продукту і входить до показників нормованих нормативно-технічною документацією.

Густина – це маса рідини, яка знаходиться в одиниці об’єму її визначають в кілограмах або градусах ареометра (оА). Градуси ареометра отримують відкинув перші дві цифри від значення густини.

3.1.Ареометр

Арео́метр ( грец. αραιος — рідкий і μετρον — міра) — прилад (статичний густиномір) для вимірювання густини рідин за виштовхувальною силою, яка діє на тіло, що частково або повністю занурене в рідину, і яка зрівноважена вагою тіла та (чи) грузилами відомої маси. А. оснований на законі Архімеда. Застосовують А. постійної маси (денсиметр) і А. постійного об'єму, які можна застосовувати для вимірювання густин рідин (див. денсиметрія) та твердих тіл (за об'ємом витісненої рідини і масою тіла).

Середня густина є фізичною величиною, яка визначається відношенням маси тіла або речовини до всього зайнятого ним (нею) об’єму , включаючи пори та пустоти: Середня густина найчастіше вимірюється в кілограмах на кубічний метр (кг/м3), проте можна також використовувати одиниці г/см3 та т/м3. У разі потреби середню густину встановлюють для матеріалів, що перебувають у будь-якому стані: зволоженому, повітряно-сухому або сухому (тобто висушеному до сталої маси).

Визначаючи середню густину, масу поруватих або насипних матеріалів встановлюють звичайним зважуванням, а об’єм різними методами, такими, як в об’ємомірі за об’ємом витісненої інертної рідини або за допомогою газового об’ємоміра. Насипна густина є відношенням маси сипкого матеріалу до його об’єму, включаючи простір між частинками. ЇЇ визначають для зернистих і порошкоподібних матеріалів. У ряді випадків використовують поняття відносної густини , тобто відношення густини матеріалу до густини стандартної речовини (наприклад, води, для якої = 1000 кг/м3 при 20 оС); є безрозмірною величиною.

Середня густина залежить від хімічного та мінералогічного складів матеріалу, але більшою мірою – від величини та кількості пор і пустот. Чим їх більше, тим легшим є матеріал. З підвищенням вологості показник збільшується. Середня густина має велике практичне значення для виконання різних розрахунків (обсягів транспортування, складування матеріалів тощо). Вона є тісно пов’язаною з іншими властивостями будівельних матеріалів, такими як пористість, міцність, теплопровідність, водонепроникність та інші, що дає змогу за показником орієнтуватися, де можна використовувати матеріал у будівництві або промисловості.

Визначення густини засновано на законі Архімеда, за яким на об’єкт занурений в рідину діє виштовхуюча сила, яка дорівнює масі витісненої їм рідини. Густина рідинних харчових продуктів складається з густини його складових частин і відбиває їх кількісне співвідношення.

2. Метод визначення густини насипних та пористих матеріалів

за допомогою газового об’ємоміра

Об’ємомір‎

Принцип дії газового об’ємоміра заснований на законі Бойля – Маріотта. Газовий об’ємомір складається з металевого робочого балона А, приєднаної до нього знизу скляної колби В, довгої манометричної трубки М та допоміжного резервуара Р, заповненого водою. Балон А герметично закривається кришкою з краном К. Всередині цього балона встановлюється відерко, в яке поміщують досліджувану речовину. Скляна колба В має дві мітки – одну знизу, другу – вгорі, тоді об’єм поміж мітками вказаний на стінці колби. Переміщуючи резервуар у вертикальному напрямі, можна змінювати рівень води в резервуарі та манометрі.

Для визначення об’єму речовини , яка поміщена у балон А, треба знайти об’єм повітря в цьому балоні спочатку без досліджуваної речовини , а потім разом з нею . Об’єм речовини дорівнює, очевидно, різниці виміряних об’ємів. За законом Бойля – Маріотта маємо:

де об’єм скляної колби В між мітками;

об’єм балона А

атмосферний тиск;

різниця рівнів в манометрі М;

питома вага води.

тоді

Аналогічно можна записати для балона з досліджуваною речовиною:

Тоді об’єм досліджуваної речовини:

А густина досліджуваної речовини знаходиться як відношення маси, виміряної за будь-яким із методів вимірювання маси, до знайденого об’єму.

Об’ємомір‎

2. Визначення густини пікнометричним методом.

Пікнометр являє собою скляну посудину з міткою об’ємами від1 до 100 мл.

Піктометр для газів Пікнометр (від др.-греч. Πυκνός - «щільний» і μετρέω - «вимірюю») -

физикохімічний прилад, скляна посудина спеціальної форми і певної місткості, що застосовується для вимірювання щільності речовин, в газоподібному, рідкому і твердому станах. Пікнометр був винайдений Дмитром Івановичем Менделєєвим в 1859 році.

Піктометр для твердих і сипучих матеріалів

Пікнометр промивають хромовою сумішшю, дистильованою водою, спиртом, висушують у сушильній шафі при температурі 100˚С, охолоджують в ексикаторі і зважують до 0,0002 г до постійної маси, а потім його калібрують. Для цього наповнюють дистильованою водою витримують термостат при 20˚С, доводять воду на шийці до мітки за допомогою полосок фільтрувального паперу, закривають кришкою і зважують, із 6-7 результатів беруть такий, які відрізняються на 0,005 г. Знаходять об’єм пікнометра:

V = g2 – g1/0.99823

g1 – маса пустого пікнометра;

g2 – маса пікнометра з водою;

0.99823 – маса 1 см води при температурі 20˚С.

Воду виливають, сполоскують спиртом, висушують у сушильній шафі при температурі 100˚С, охолоджують, наливають аналізуючи рідину вище мітки, поміщають в термостат при температурі 20˚С, витримують 15-20 хв за допомогою полосок фільтрувального паперу доводимо до мітки, зважуємо і знаходимо густину при температурі 20˚С:

= g2 – g1/V

V - об’єм пікнометра.

Для темних продуктів рівень рідини в пікнометрі встановлюють по верхньому меніску, а для світлих по нижньому.

Недоліком пікнометрів є неминуча нещільність шліфа термометра і ковпачка бічної трубки, особливо небажана в тому випадку, якщо температура при зважуванні вище температури пікнометра при його заповненні.

піктометр для газів

2. Визначення густини на вагах Вестфаля-Мора.

Ваги мають коромисло, скляний поплавок, який поміщають в циліндр з аналізуючою речовиною, на одному плечі коромисла є противага і стрілка, яка в момент рівноваги встановлюється вертикально, чи на нуль. На другому кінці нанесено 10 поділок на, які навішуються різноважки. Поміщають аналізуючий розчин і добиваються за допомогою різноважок нуля, знімають покази густини.

Ваги Мора

Визначення густини з точністю до третього десяткового знака. Визначення вологи Наявність вологи в органічних сполуках проводять за допомогою проби на потріскування. Органічну сполуку нагрівають, якщо чути потріскування то це говорить про те, що в маслі, спирті, паливі міститься волога, якщо речовина тверда то вологу визначають методом висушування до постійної маси в сушильні шафі при температурі на 10 яний фотометр, знімаючи показники приладу і по графіку знаходять концентрацію калію в аналізую чому розчині. Вимірюють з повтором, одержують другий результат. За результат аналізу приймають середнє арифметичне значення двох визначень, розподіл між якими не перевищує 5%. Масову долю калію в перерахунку на калій – 20, вираховують за формулою: X = C1 C2 / 2 (100 500 200 1.205 / 5 ) % 1.205 – коефіцієнт перерахунку К2О – маса наважки аналізуючої проби C1 – C2 – концентрація калію одержаного по калібрувальному графіку.

Піктометр для твердих і сипучих матеріалів

2. Визначення густини твердого тіла гідростатичним зважуванням

Для визначення густини твердого тіла гідростатичним зважуванням тіло спочатку зважують у повітрі, а потім у рідині, густина якої відома. Умови рівноваги терезів при цих зважуваннях, з врахуванням сили Архімеда такі:

де m,m1 ,m2 — відповідно маса досліджуваного тіла та маси гир, що зрівноважують тіло в повітрі і рідині; V,V1 ,V2 - об'єми тіла і гир (останні відповідають масам m1 і m2); р — густини повітря і рідини; g — прискорення вільного падіння.

Гідростатичне зважування залежно від заданої точності вимірювань

Аналітичні терези

Здійснюють на технічних першого класу або аналітичних терезах. Терези доповнюються спеціальним пристроєм. До однієї шальки терезів знизу прикріплюють підвіс з гачком , який вільно проходить через отвори в основі вітрини терезів і в столі. Підвіс зрівноважується тягарцем, поміщеним на другу шальку. Коли тіло зважують у рідині, його прикріплюють на тонкій відповідної довжини прямій дротині (щоб зменшити вплив поверхневого натягу). Рекомендується занурювати дротину в рідину до 15 мм (щоб вага дротини в рідині була мінімальною). Гідростатичне зважування забезпечує краще термостатування і більш точне вимірювання температури рідини порівняно з пікнометричним методом. У масових лабораторних вимірюваннях густини широкого поширення набули менш точні спеціальні терези — гідростатичні терези ВГ-2, або «терези Мора — Вестфаля». Вони складаються з опорної частини (колонки 17, основи 1 з двома гвинтовими ніжками 2 для правильного встановлення їх за виском 3, всередині колонки розміщено висувний стержень 15, який фіксується в потрібному положенні рукояткою 16, стержень має вилку 14, в якій закріплена опорна подушка коромисла і нерухомий покажчик у вигляді дзеркальної шкали 5 з нулем посередині), коромисла, поплавка і набору гир — рейтерів. Коромисло 10 — нерівноплечий важіль, який спирається призмою 11 на опорну подушку. На правому кінці коромисла закріплена вантажопідйомна призма, до якої підвішено сергу 13 з гачком. До гачка на константанові й дротині 18 підвішено скляний поплавок.

Одним з основних джерел похибок при гідростатичному зважуванні твердої речовини є вплив поверхневого натягу і в'язкості рідини, що знижує чутливість терезів. Крім того, метод ускладнюється тим, що потрібна спеціальна підготовка твердої речовини, яка не повинна включати навіть дрібних пухирців повітря і не мати порожнечі і тріщини. Якщо терези з поплавцем калібрувалися при 20 0 С, то припустимі відхилення температури рідини ±5 0 С не вимагають спеціальних виправлень.

ваги Мора

ваги аналітичні

Додаткова інформація про густину!

Густина

Густина речовини є однією з головних величин, що характеризують її властивості. Густина являє собою кількість маси речовини в об'ємі. Відповідно питома вага — це відношення ваги речовини до її об'єму. На практиці, поряд з абсолютними величинами густини (у кг/м3, г/м3, г/л та ін.), питомої ваги (Н/м3, кгс/м3 та ін.), частіше, особливо для характеристики рідин, користуються безрозмірними величинами — відносною густиною і відносною питомою вагою. Ці величини являють собою відношення густини або питомої ваги досліджуваної речовини до густини або питомої ваги порівнюваної з нею речовини (звичайно води) при 4 °С та 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Таким чином, чисельні значення відносної густини і відносної питомої ваги досліджуваної речовини рівні при постійних умовах.

Відносну густину як найважливішу фізичну константу варто проводити поряд з температурою кипіння. Густина має важливе значення для розпізнавання багатьох рідких ізомерів, характеристики сумішей, обчислення мольної рефракції і т. д.

Оскільки всі тіла змінюють свій об'єм залежно від температури, то, природно, і значення густини будуть коливатися при зміні температури. Так, при зниженні температури густина звичайно збільшується, а при підвищенні — зменшується. Дуже важливо, щоб зважування речовини і води одного і того ж об'єму проводилося при одній і тій же температурі. Різниця в 1 °С за інших рівних умов дає помилку у величині відносної густини, рівну 0,02—0,1 \%. Стандартна температура, при якій рекомендується визначати густину,— 20 °С. Значення відносної густини будь-якої речовини, отримане при цій температурі, позначається а|°. Якщо визначення густини проводять при іншій температурі ї, то відносну густину й розраховують за формулою:

й = \% - й • (1- Б),

де а1 — відносна густина рідини при ї, °С; Б — густина води, г/см3, при ї, °С.

Вимірювання густини рідин виконують за допомогою приладу пікнометра (рис. 1.97, а), який дозволяє одержувати значення густини