3.5.1. Пікнометричний метод

Пікнометричний метод волюмометричного аналізу базується на визначенні об’єму рідини, яка витісняється із спеціальної посудини (пікнометра) при зануренні в нього зразка досліджуваного матеріалу. Пікнометричний метод є одним з точних методів (0,1 %) визначення густини тіла, оснований на зважуванні та одному з основних законів гідростатики – законі Архімеда¹.

Пікнометр є скляною невеликою посудиною (своєрідною мірною колбою) певної ємності (для твердих тіл – 10; 25 і 50 см³; для рідин – 1; 2; 3; 5; 10; 50 і 100 см³) кулястої або циліндричної форми.

Н а рис. 3.8 показані найбільш розповсюджені типи пікнометрів [5]. В пікнометрі першого типу (рис. 3.8, а) з глухою притертою кришкою рідина наливається піпеткою до мітки на шийці пікнометра. Через те, що при послідовному наповненні пікнометра об’єми досліджуваної рідини та рідини з відомою густиною (наприклад, дистильованою водою) є однаковими, а вагу рідин можна визначати з високою точністю на аналітичних терезах, то шукану густину також можна визначити досить точно. Другий вид пікнометра (рис. 3.8, б) має притерту пробку з капілярним отвором. Якщо пікнометр, який наповнено до країв рідиною, закрити пробкою, то надлишок рідини витісняється через капіляр. В результаті пікнометр буде наповнено до верхнього краю капіляра.

Перед початком вимірювань необхідно з рідини видалити розчинене в ній повітря. Для цього рідину в стакані поміщають у спеціальну посудину, з якої відкачують повітря. Через деякий час з рідини починають виділятися бульбашки і вона звільняється від повітря. Після цього рідину дуже швидко переливають у пікнометр. При точних визначеннях густини температура рідини повинна залишатися строго постійною, чого можна досягти термостатуванням.

1. Щоб визначити густину твердого тіла пікнометричним методом, виконують три зважування:

1. досліджуваного тіла в повітрі;

2. пікнометра, наповненого дистильованою водою (або іншою допоміжною рідиною відомої густини), в повітрі;

3. пікнометра, наповненого рідиною із зануреним у ньому твердим тілом, у повітрі.

Умови рівноваги терезів (див. п.3.2.2.) при цих зважуваннях з урахуванням дії сили Архімеда будуть такими:

(1)

де – об’єм досліджуваного тіла; – місткість пікнометра до мітки; – об’єм скла пікнометра; – маса пустого пікнометра; – маса гир, які зрівноважують тіло в повітрі; – маси гир, що зрівноважують пікнометр з водою; – маси гир, що зрівноважують пікнометр з водою та зануреним у неї твердим тілом; – густина досліджуваного тіла; – густина повітря; – густина дистильованої води; – густина матеріалу, з якого виготовлено гирі.

Умова рівноваги для зважування порожнього пікнометра є такою:

, (2)

де – маса гир, які зрівноважують пустий пікнометр у повітрі.

Після деяких математичних перетворень формул (1) та (2) (надаємо можливість зробити це самостійно), дістанемо формулу для розрахунку густини твердого тіла при пікнометричному методі волюмометричного аналізу:

.

2. Щоб визначити густину рідини пікнометричним методом також виконують три зважування:

1) порожнього пікнометра;

2) пікнометра, заповненого дистильованою водою до заданого рівня;

3) пікнометра, заповненого досліджуваною рідиною до того самого рівня.

Якщо позначити через масу гир, що зрівноважують пікнометр з досліджуваною рідиною, а через та – густини скла і досліджуваної рідини відповідно, а інші позначення залишити такими самими, як і при дослідженні густини твердого тіла (див. вище), то умови рівноваги терезів з урахуванням дії сили Архімеда при цих зважуваннях відповідно до кроків зважування будуть такими:

(3)

Розв’язуючи спільно рівняння (1), (2) та (3), можна отримати формулу для обчислення густини рідини при пікнометричному методі: