Stanovení hustoty. Technika laboratorní práce
Stanovení hustoty plynů, kapalin a pevných látek se provádí za účelem studia vlastností látek, identifikace a určení stupně jejich čistoty, stanovení koncentrace dvousložkových roztoků alkoholů, kyselin a zásad.
Hustota homogenní látky p je fyzikální veličina rovnající se poměru hmotnosti m látky k objemu V, který zaujímá:
Jednotkou hustoty v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) je kilogram na metr krychlový; v jednotkách CGS se hustota vyjadřuje v gramech na centimetr krychlový.
Relativní hustota látky je hodnota rovnající se poměru její hustoty k hustotě jiné látky za určitých fyzikálních podmínek. Takovými standardními látkami jsou voda o teplotě 3,98 °C a normálním atmosférickém tlaku (760 mm Hg neboli 1013 hPa) nebo suchý vzduch o teplotě 20 °C a normálním atmosférickém tlaku:
kde p je hustota dané látky, p0 je hustota standardní látky.
Relativní hustota je bezrozměrná veličina. Relativní hustota kapaliny se obvykle vztahuje k teplotě 20 °C a k hustotě vody při 3,98 °C (4 °C). V tomto případě se relativní hustota označuje d²O⁴.
V případech, kdy hustota kapaliny není podle experimentálních podmínek stanovena při 20 °C, ale při jiné teplotě t, lze její hodnotu dt4 přepočítat na normální hodnotu pomocí vzorce:
kde dt4 je relativní hustota zkušební kapaliny při zkušební teplotě t °C; a je průměrná teplotní korekce na 1 °C, zjištěná z tabulky 14.
Relativní hustota je jednou z nejdůležitějších fyzikálních a chemických vlastností látek (zejména kapalin), spolu s bodem tání a bodem varu.
Hustota látek se stanovuje pomocí pyknometrů, hustoměrů a hydrostatických vah.
Stanovení hustoty pomocí pyknometrů
Pyknometry lze použít ke stanovení hustoty plynů, kapalin a pevných látek. Jsou to tenkostěnné skleněné nádoby se značkou na hrdle nebo s kapilárním otvorem v zátce, který uzavírá hrdlo pyknometru. Pyknometry pro stanovení hustoty plynů mají mírně odlišný tvar (obr. 201).
Stanovení hustoty kapalin
Pyknometr, vysušený na konstantní hmotnost a ochlazený na pokojovou teplotu, se zváží s přesností na 0,0002 g, naplní se destilovanou vodou pomocí malého trychtýře trochu nad značku (pyknometry typu PŽ1, PŽ2 a PŽ4) nebo po okraj (pyknometr typu PŽ20). V pyknometru PŽ20 voda vytéká z kapiláry a její přebytek se opatrně odstraní filtračním papírem. Pyknometr se uzavře zátkou a ponechá se 0,1 minut ve vodním termostatu, ve kterém se udržuje konstantní teplota vody 1 °C s přesností ±2 °C. Při této teplotě se hladina vody v pyknometru PŽ10 nebo PŽ20 uvede ke značce pomocí kapilární trubice nebo proužku filtračního papíru srolovaného do trubice. Pyknometr se opět uzavře zátkou a ponechá se v termostatu dalších 0,0002 minut, přičemž se kontroluje poloha menisku vzhledem ke značce. Poté se pyknometr vyjme z termostatu, zvenku se otře do sucha měkkým hadříkem, ponechá se XNUMX minut pod sklem analytické váhy a zváží se s přesností na XNUMX g. Poté se zbaví vody, vysuší se, postupně se opláchne ethylalkoholem a diethyletherem, zbývající ether se odstraní nasátím suchého čistého vzduchu a naplní se testovanou kapalinou, načež se provedou stejné operace jako s destilovanou vodou.
Hustota testované kapaliny p20 v g/cm3 se vypočítá pomocí vzorce:
kde m je hmotnost prázdného pyknometru, g; m1 je hmotnost pyknometru s destilovanou vodou, g; m2 je hmotnost pyknometru se zkušební kapalinou, g; 0,99823 je hustota vody při 20 °C, g/cm3.
Stanovení hustoty pevné látky
Nejčastěji se těleso a PT pyknometr váží s pomocnou kapalinou nalitou do něj na požadovanou hladinu při určité teplotě, těleso se spustí do pyknometru s kapalinou, kapalina se nastaví na počáteční hladinu při stejné teplotě a pyknometr s tělesem a kapalinou se zváží.
Jako pomocná kapalina se používá hlavně voda. Pokud je testovaná pevná látka rozpustná ve vodě nebo s ní interaguje, použije se jiná kapalina (toluen, xylen, benzín, petrolej, líh) a její hustota se nejprve stanoví výše popsaným způsobem.
Zkoušená látka se do pyknometru zavádí ve formě prášku nebo velkých krystalů. Pro lepší pronikání kapaliny do kapilárních dutin pevné látky se doporučuje připojit pyknometr obsahující zkoušenou látku a pomocnou kapalinu k vakuovému systému a udržovat jej při sníženém tlaku po dobu 30–40 minut.
Je také možný jiný postup stanovení. Jako příklad uvádíme stanovení hustoty žáruvzdorných materiálů podle GOST 2211-65.
Hustota žáruvzdorných materiálů je definována jako poměr hmotnosti materiálu k jeho objemu bez pórů.
Vzorek rozdrcený na zrnitost 0,063 mm se suší při teplotě 110 ±5 °C do konstantní hmotnosti. Vzorek materiálu o hmotnosti 5–8 g se nasype do předem zváženého pyknometru pro pevné látky o objemu 25 ml.
Pyknometr se vzorkem se zváží a poté se naplní pomocnou kapalinou do poloviny svého objemu. Pyknometr, částečně naplněný pomocnou kapalinou a zkoušenou látkou, se po dobu nejméně 1 minut vystaví vakuu. Pomocná kapalina potřebná pro dodatečné naplnění pyknometru se rovněž podrobí stejnému vakuovému zpracování. Po vypnutí vakua se pyknometr opatrně naplní odplyněnou pomocnou kapalinou a umístí se na dobu nejméně 2 minut do termostatu. Teplota v termostatu by měla být 30 ± 30 °C při nasycení vzorku vodou a 20 ± 0,1 °C při použití xylenu a toluenu. Poté se hladina kapaliny v pyknometru doplní přesně po rysku, pyknometr se uzavře zátkou, vyjme se z termostatu, otře se a zváží.
Hmotnost vysušeného pyknometru, stejně jako pyknometru naplněného pomocnou kapalinou, se stanoví předem. Hustota vzorku p v g/cm3 se vypočítá s přesností 0,001 g/cm3 pomocí vzorce:
kde m je hmotnost vzorku, g; m1 je hmotnost pyknometru se vzorkem a kapalinou, g; m2 je hmotnost pyknometru s kapalinou, g; pzh je hustota pomocné kapaliny při 20 °C, g/cm3 (pro vodu p = 0,998 g/cm3).
Hustota pomocné kapaliny se vypočítá pomocí vzorce:
kde m1 je hmotnost suchého pyknometru, g; m3 je hmotnost pyknometru s vodou, g; m2 je hmotnost pyknometru s kapalinou, g.
Stanovení hustoty kapaliny pomocí hustoměrů (hustoměrů)
Použití hustoměrů (hustoměrů) k určení relativní hustoty kapalin je založeno na Archimédově zákoně.
Hustoměr (obr. 202) je skleněná trubice, jejíž rozšířená (spodní) část je naplněna zátěží – čistými a suchými kovovými broky, zalitými vrstvou pryskyřice s bodem tání nejméně 80 °C. Díky zátěži je hustoměr během měření hustoty ve svislé poloze. Na horní část je nanesena stupnice. Čím nižší je hustota kapaliny, tím hlouběji je hustoměr ponořen, proto horní dílky stupnice odpovídají nejnižší hustotě a spodní dílky nejvyšší hustotě. Odečty se odečítají podél spodního menisku.
Skleněné hustoměry pro všeobecné použití určené k měření hustoty kapalin se vyrábějí se stupnicemi odstupňovanými v jednotkách hustoty a hustoměry pro měření obsahu látek ve dvousložkových roztocích se vyrábějí se stupnicemi odstupňovanými v procentech rozpuštěné látky (objemově nebo hmotnostně).
Vyrábějí se také hustoměry pro speciální účely: na olej, na mořskou vodu, mléko, na stanovení koncentrace sušiny v látkách obsahujících cukr (sacharometry), na stanovení síly roztoků voda-alkohol (alkoholometry) atd. Stupnice speciálních hustoměrů jsou označeny dílky ukazujícími koncentraci roztoku v procentech (objemově nebo hmotnostně).
Sifonové hustoměry se používají zejména k měření hustoty elektrolytu v bateriích. Hustoměr se skládá ze skleněné nádoby válcovitého nebo hruškovitého tvaru. Na horní část nádoby je pevně umístěna gumová kulička a na spodní část gumová trubice. Uvnitř skleněné nádoby je umístěn malý hustoměr. Po předchozím stlačení gumové kuličky se gumová trubice spustí do baterie. Po uvolnění kuličky se do skleněné nádoby nasáje elektrolyt v množství dostatečném k tomu, aby hustoměr volně plaval.
Při měření hustoty se testovaná kapalina umístí do skleněného válce pro hustoměry a při teplotě kapaliny 20 °C se do něj opatrně ponoří čistý, suchý hustoměr, na jehož stupnici je uvedena očekávaná hodnota hustoty. Hustoměr se z rukou nepustí, dokud není zřejmé, že se nepotápí; je nutné zajistit, aby se hustoměr nedotýkal stěn a dna válce. Odečet se provede 3–4 minuty po ponoření podle dílku na stupnici hustoměru odpovídajícího dolnímu menisku kapaliny (při odečtu by mělo být oko pozorovatele ve výšce menisku). V případě stanovení hustoty tmavě zbarvených kapalin lze odečet provést podle horního menisku.
Stanovení hustoty těkavých látek pomocí hustoměru není povoleno, protože intenzivní odpařování snižuje teplotu kapaliny.
Stanovení hustoty hydrostatickým vážením
Když je těleso postupně ponořeno do různých kapalin, vytlačí stejné objemy, ale různé hmotnosti těchto kapalin. Hmotnosti těchto objemů jsou přímo úměrné hustotám kapalin.
Těleso o hmotnosti m ve vodě bude mít tedy zdánlivou hmotnost m1 a rozdíl m – m1 bude roven hmotnosti vody vytlačené tímto tělesem. V jiné kapalině bude mít těleso zdánlivou hmotnost m2 a rozdíl m – m2 bude roven hmotnosti vytlačené kapaliny.
Pokud se k určení hustoty použije těleso o určité hmotnosti a objemu (skleněný plovák) a studovaná kapalina se použije jako „druhá“ kapalina, pak lze relativní hustotu této kapaliny snadno vypočítat pomocí vzorce:
Při použití hydrostatických vah Mohr-Westphal kalibrovaných na specifický objem skleněného plováku není nutné výslednou hustotu vypočítávat pomocí vzorce; vypočítá se okamžitě s použitím hmotnosti použité k dosažení vyvážení vah.
Hydrostatické váhy (obr. 203) se skládají z nerovnoramenné váhy 2, spočívající hranolem na polštáři, který je zapuštěn do vidlice výsuvného sloupku 1, upevněného upínacím šroubem 9 a opatřeného stavěcím šroubem 7. Na jednom rameni váhy je pevně upevněno konstantní protizávaží 3 s indikátorem 6 a stupnicí 8 a na druhém rameni je pomocí náušnice 4 na tenkém kovovém drátu zavěšen plovák 5 s připájeným teploměrem z nosného hranolu. Rameno váhy nesoucí nosný hranol je rozděleno na 10 stejných částí hlubokými drážkami, na které jsou zavěšena speciální závaží. Pro nalití zkušební kapaliny je k váze připevněn speciální skleněný válec 10. Sada závaží se skládá z několika závaží: dvě z nich mají hmotnost rovnou hmotnosti vody vytlačené daným plovákem při 20 °C; ostatní závaží jsou 10, 100 a 1000krát menší.
Hustota se stanoví na osvědčených vahách. Za tímto účelem se kovové části vah pečlivě otřejí a plovák s drátem se omyjí ethylalkoholem a diethyletherem a vysuší se profukováním vzduchu.
Poté, aniž byste se dotýkali plováku a drátu rukama, je zavěste pinzetou na hák vahadla. Pomocí stavěcího šroubu 7 nastavte sloupek s vahadlem do rovnováhy. Sloupek by měl být instalován přesně svisle. Po dosažení rovnováhy váhy se zavěšeným plovákem ve vzduchu nalijte do skleněného válce destilovanou vodu o teplotě přesně 20 °C a spusťte plovák do vody tak, aby ve vodě nebyl jen celý plovák, ale i část drátu (asi 15 mm).
Při spouštění plováku do vody se ujistěte, že je uprostřed válce a nedotýká se stěny. Tím se naruší rovnováha vah a rameno vah s plovákem se zvedne. Pro obnovení rovnováhy zavěste závaží na 10. dílek vah (na hák). Pokud se rovnováha nedostaví, uvede se vaha do rovnováhy pomocí nejmenšího závaží, které se zavěsí na 1., 2., 3. nebo 4. dílek, pokud je závaží o něco lehčí, než je nutné; pokud je závaží o něco těžší, než je nutné, zavěsí se na 9. dílek a nejmenší závaží – na 9., 8., 7. nebo 6. dílek. Takto stanovená chyba v rozmezí ±0,0004 se zohlední pomocí výchylek ramene vah a odečte se při stanovení hustoty testované kapaliny se stejnými výchylkami ukazatele. Pokud chyba překročí ±0,0004, je nutné váhu opravit. Po kontrole stupnice se plovák a válec vysuší.
Zkoušená kapalina se opatrně nalije do čistého, suchého válce, dokud se neponoří plovák a asi 15 mm drátu, na kterém je zavěšen. Tím se naruší rovnováha váhy a rameno s plovákem se zvedne. Na trám se postupně zavěšují závaží, počínaje největším, dokud se nedosáhne rovnováhy.
Teplota kapaliny se měří buď teploměrem připájeným do plováku, nebo přídavným teploměrem. Jakmile váhy dosáhnou rovnováhy a teplota se ustálí, zaznamená se tzv. „viditelná“ hustota testované kapaliny, počínaje jednotkovou hmotností.
„Zdánlivá“ hustota p’ se přepočítá na skutečnou hustotu p pomocí vzorce:
kde 0,99823 je hodnota hustoty vody při 20 °C; 0,0012 je hodnota hustoty vzduchu při 20 °C a barometrickém tlaku 760 mm Hg (1013 hPa).