6. Измерение плотности

Для измерения плотности используются:

- пикнометр — прибор для измерения истинной плотности

- ареометр (денсиметр, плотномер) — измеритель плотности жидкостей.

- бурик Качинского и бур Зайдельмана — приборы для измерения плотности почвы.

- пикнометр

Пикнометр — физикохимический прибор, стеклянный сосуд специальной формы и определённой вместимости, применяемый для измерения плотности веществ, в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Пикнометр был изобретён Менделеевым Дмитрием Ивановичем в 1859 году.

Измерение плотности пикнометром основано на взвешивании находящегося в нём вещества (обычно в жидком состоянии), заполняющего пикнометр до метки на горловине или до верхнего края капилляра, что соответствует номинальной вместимости пикнометра. Измерения объёма значительно упрощаются, если вместо одной метки у пикнометра имеется шкала. Очень удобен в работе пикнометр с боковой капиллярной трубкой, у которой пробкой служит тело термометра. Плотность твёрдых тел определяют, погружая их в пикнометр с жидкостью. Для измерения плотности газов применяют пикнометр специальной формы (шаровидные и др.).

 

Основные достоинства пикнометрического метода определения плотности:

- высокая точность измерений (до 10^-5 г/см3);

- возможность использования малых количеств вещества (0,5—100 см3);

- малая площадь свободной поверхности жидкости в пикнометре, что практически исключает испарение жидкости и поглощение влаги из воздуха;

- раздельное проведение операций термостатирования и последующего взвешивания.

В Российской Федерации виды и характеристики пикнометров регулируются следующими стандартами:

- ГОСТ 7465-67. Пикнометры стеклянные;

- ГОСТ 11723-66. Пикнометры для определения плотности газа.

-ареометр

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкости.

Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности. Так как плотность жидкостей сильно зависит от температуры, ареометр иногда снабжают термометром для одновременного измерения температуры.

Для измерения плотности жидкости сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нем. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.

Считается, что ареометр изобрела Гипатия - женщина-ученый, математик, астроном и философ, схоларх Александрийской школы неоплатонизма.

Ареометр в физике так называется прибор, который служит для определения плотности, а, следовательно, и удельного веса тел. Устройство ареометра основано на гидростатическом законе (Архимедов закон), по которому каждое тело плавает в жидкости столь глубоко погруженным в нее, что вес вытесненной им жидкости равен весу всего плавающего тела.

 

 

1) Если желательно, чтобы одно и то же тело, плавая в жидкостях различной плотности, было погружено на определенную глубину до известной точки, то приходится для этой цели искусственно изменять его вес, соразмерно изменению плотности жидкости: если плотность жидкости стала больше, вес тела нужно увеличить, положив на него соответственный груз.

2) Если оставить вес погружаемого тела постоянным и погружать его в жидкости различной плотности, то очевидно, на основании вышеуказанного гидростатического закона, оно тем глубже будет погружаться в жидкость, чем плотность ее будет меньше.

Для устройства ареометра воспользовались этими свойствами плавающих в жидкостях тел и, смотря по тому, на основании которого из этих двух высказанных положений устроен прибор, различают:

1) ареометр весовой или гравиметр (с постоянным объемом), и

2) ареометр со шкалой (с постоянным весом). 

Весовые ареометры устроены на основании первого из указанных выше положений. Эти приборы приготовляются главным образом из металла или из стекла, в виде полых тел. Форма их бывает разнообразна, смотря по тому, какой они системы: Фаренгейта, Траллеса Никольсона и др. Они всегда снабжены чашечкой, на которую можно класть гири и небольшие тела, которых плотность приходится определять.

Никольсоновский весовой ареометр состоит из полого металлического, конически законченного, цилиндра, к которому подвешен массивный металлический конус или полушарие плоским основанием вверх, так что туда можно положить исследуемое тело. Вверху прибор снабжен тонким металлическим стержнем, с прикрепленной к нему тарелочкой ареометра, предназначенной для принятия груза и небольшого твердого исследуемого тела. С помощью такого весового ареометра можно определить как абсолютный вес твердого тела, так и его плотность, равно как и плотность различных жидкостей. Эти приборы крайне компактны и удобны для путешествующих минералогов, служа для определения плотности найденных ими минералов.

Весовой ареометр употребляется главным образом для определения удельного веса твердых тел; для этого небольшой кусок исследуемого тела кладут сперва на верхнюю тарелочку прибора и, прибавляя разновески, доводят его до черты (марки) на стержне ареометра, до которой прибор погружается в воде при известном грузе на тарелочке. Вычтя из веса гирь, нужного для погружения ареометра до черты без твердого тела, вес гирь, прибавленных к положенному на тарелочку телу, определяют вес исследуемого тела. Затем данное тело кладут на основание подвешенного конуса (иногда для этого там устраивают металлическую корзинку), погружают ареометр в воду и, кладя гирьки, заставляют ареометр погрузиться до черты. Небольшой расчет, основанный на Архимедовом законе, дает искомую плотность, а следовательно и удельный вес данного тела. При определении плотности жидкостей с помощью весового ареометра должен быть принять в расчет также абсолютный вес ареометра.

Для определения плотности и удельного веса жидкостей, как например, растворов солей, кислот и т.п., употребляются в химических лабораториях и в технике весы Мора и, более чувствительные и точные, весы Вестфаля, основанные на принципе весового ареометра.

Весы Вестфаля, которые являются незаменимыми в нынешней лабораторной практике, как по своей чувствительности и точности результатов, так и по простоте устройства и метода определения, представляют собой весы с коромыслом, к одному концу которого подвешен стеклянный тяжелый поплавок или, как его назвали немцы, "стеклянное тело"; на другом же конце находится противовес, уравновешивающий "стеклянное тело". При погружении стеклянного тела в исследуемую жидкость, оно будет терять часть своего веса, равную весу вытесненной им жидкости, равновесие весов нарушится. Навешивая грузики различной величины, специально калибрированные и приспособленные для этой цели и отнесенные к плотности воды = 1, на разные деления коромысла (как на обыкновенных химических весах), весы опять можно привести в состояние равновесия. Соответственная величина и место груза на коромысле, после поправки на воздух и температуру, даст искомую плотность и удельный вес жидкости. Для наблюдения температуры жидкости, имеющей влияние на плотность, на стеклянном теле устроен маленький термометр. Вестфалевcкие весы калибрированы при 15° С. и обыкновенно жидкость приводят к этой температуре.

Ареометр со шкалой (постоянного веса) состоит из стеклянного полого тела, к которому прикреплена шейка из стеклянной трубки со шкалой, внизу же ареометра помещается шарик, наполненный ртутью или дробью. Деление на градусы шейки крайне разнообразно. В этом отношении ареометры со шкалой носят разные названия: волюметра, плотностимера, процентного ареометра и ареометра с произвольной шкалой.

Между первыми одним из лучших считается прибор Гэ-Люссака, со шкалой из 100 делений. Ареометры, шкала которых допускает прямое отсчитывание плотности жидкости, называются плотностимерами или определителями плотности; изготовление их крайне затруднительно. В практической жизни чаще всего употребляются процентные ареометры, которые дают определение плотности, но процентного отношения смеси жидкостей или растворов в объемных или весовых %. Сюда относятся спиртомеры (алкоголометры), служащие для определения количества спирта в воде. Шкала этих ареометров устраивается по способу и указаниям Траллеса или Гэ-Люссака; по ней можно непосредственно отсчитывать, сколько объемных процентов спирта находится в исследуемой жидкости. В Российской Федерации, германии и Австрии содержание спирта в водке, обложенной акцизным налогом, производится по Траллесу, во Франции по Гэ-Люссаку.

К ареометрам, подобного же рода, можно причислить следующие приборы, требующие впрочем еще значительных усовершенствований: энометр (винные весы), солемер - прибор для определения содержания поваренной соли в рассоле, глеукометр или ареометр для виноградного сусла, сахаромер (сахарометр) - для определения содержания сахара в жидкости, лактометр - ареометр для молока, ареометр для растворов солей: селитры, поташа, едких щелочей и др.

 

 

 

 

Каждый из этих ареометров годен только для одной той жидкости, для которой он предназначен. Так например, солемер не годится для сахарных растворов, и спиртомер может быть применяем только для смесей воды со спиртом. Так как температура влияет на изменение плотности исследуемой жидкости, то необходима поправка, которую делают по особым, для этой цели вычисленным, таблицам.

- бурик (бур) Качинского

Техническое средство, предназначенное для измерения плотности почвы, точнее отбора из неё образцов строго заданного объёма. Особенно активно и часто используется в исследованиях Физики почв.

Метод предложен Никодимом Антоновичем Качинским, в честь которого и назван.

Набор Качинского состоит из киянки, болванки особой формы (Предназначена для правки бюксов), оправки для забивания бурика, мастерка и ножа для вырезания образца и специальных бюксов.

Специальный бюкс, предложеный Никодимом Антоновичем Качинским, в честь которого и назван. Отличается от других бюксов совершенно точно пригнанными размерами. Применяется вместе с буриком Качинского. Бюксы специально разработаны таким образом, чтобы в них с минимальным зазором входил Бурик Качинского. При отборе образцов песчаных и других рыхлосвязанных почв бурик Качинского закрывается крышкой от бюкса Качинского, таким образом исключается высыпание почвы.

Как уже описано выше, бурик забивается в почву при помощи киянки через специальную оправку. Оправка устроена так, чтобы не допустить уплотнения почвы внутри бурика. При забивании бурика глубже нормы оправка упирается в почву вокруг бурика. Затем бурик вместе с почвенным образцом вырезается из почвы и обрезается, будучи накрыт крышкой от бюкса Качинского. После этого содержимое бурика переносится в бюкс Качинского.

Объём образца чётко задан конструкцией бурика и методикой, масса рассчитывается по марже веса. Таким образом мы можем рассчитать плотность (объёмный вес) почвы

- бур Зайдельмана

Бур Зайдельмана был предложен российским учёным Ф. Р. Зайдельманом специально для определения плотности (объёмного веса) торфяной почвы. Из-за специфики торфяных залежей Бурик Качинского был модифицирован — к нему была приварена ручка и заточеная нижняя кромка заменена зубчатой пилообразной.