10.11. Измерение плотности и объема газов

Плотность газа В( , г/л) определяют взвешиванием ) не­большой стеклянной колбочки известного объема с газом (рис. 274,f) или газового пикнометра (см. рис. 77), применяя формулу

= /V

Где V- объем колбочки (5 - 20 мл) или пикнометра.

Колбочку взвешивают дважды: сначала вакуумированную, а затем наполненную исследуемым газом. По разности значений двух полученных масс узнают массу газа , г. При заполнении колбочки газом измеряют его давление (см. разд. 10.4), а при взвешивании - температуру окружающей среды, которую при­нимают за температуру газа в колбочке. Найденные значения  и Т газа дают возможность вычислить плотность газа при нормальных условиях (0 °С; ≈0,1 МПа).

Для уменьшения поправки на потерю массы колбочки с газом в воздухе при ее взвешивании (см. разд. 3.2) в качестве тары на другом плече коромысла весов располагают запаянную кол­бочку точно, такого же объема. Поверхность этой колбочки обрабатывают (очищают) каждый раз точно так же, как и взвеши­ваемой с газом.

Рис. 274. Приборы для опрелсления плотности газа: колбочка (f) и жидкостной (б) и ртутный (в) эффузиометры

В процессе вакуумирования (см. разд. 10.8) колбочку немного нагревают, оставляя подключенной к вакуумной системе в тече­ние нескольких часов, поскольку остатки воздуха и влаги уда­ляются с трудом. У вакуумированной колбочки может изме­ниться объем из-за сжатия стенок атмосферным давлением. Погрешность определения плотности легких газов от такого сжатия может достигать 1%. В отдельных случаях для газа опре­деляют и относительную плотность d^, т. е. отношение плот­ности данного газа рр к плотности другого газа,- выбранного в качестве стандартного ро, взятого при тех же температуре и дав­лении:

d_{B =} _B/₀ = M_B/M₀

где M_B и M₀ - соответственно молярные массы исследуемого газа В и стандарт­ного, например воздуха или водорода, г/моль.

Для водорода M₀ = 2,016 г/моль, поэтому

d_B = M_B/2,016

Из этого соотношения можно определить молярную массу газа, если принять его за идеальный.

Быстрым методом определения плотности газа является метод измерения продолжительности его истечения из малого отверстия под давлением, которая пропорциональна скорости истечения. Если плотность воздуха стандартного газа в нормальных условиях (0 ⁰С, 0,1 МПа) равна 1,2928 г/л, то

_B = 1.2928 /

где τ_B и τ₀ - время истечения газа В и воздуха соответственно.

Измерение плотности газа этим методом проводят при помощи эффузиометра (рис. 274,б) - широкого цилиндра 6 высо­той около 400 мм, внутри которого находится сосуд 5 с основа­нием 7, снабженным отверстиями для входа и выхода жидкости. На сосуде 5 нанесены две метки М₁ и М₂ для отсчета объема газа, время истечения которого наблюдают. Кран 3 служит для впуска газа, а кран 2 - для выпуска через капилляр 1. Термо­метром 4 контролируют температуру газа.

Определение плотности газа по скорости его истечения вы­полняют следующим образом. Наполняют цилиндр 6 жид­костью, в которой газ почти нерастворим, чтобы был заполнен и сосуд 5 выше метки М₂- Затем через кран 3 жидкость вы­давливают из сосуда 5 исследуемым газом ниже метки М₁, при­чем вся жидкость должна остаться в цилиндре. После этого, закрыв кран 3, открывают кран 2 и дают выйти излишку газа через капилляр 1. Как только жидкость достигнет метки М₁, включают секундомер. Жидкость, вытесняя газ, постепенно поднимается до метки М₂- В момент касания мениска жидкости метки М₂ секундомер выключают. Опыт повторяют 2-3 раза. Аналогичные операции проводят и с воздухом, тщательно про­мыв им сосуд 5 от остатков исследуемого газа. Разные наблюде­ния длительности истечения газа не должны различаться более чем на 0,2 - 0,3 с.

Если для исследуемого газа .нельзя подобрать жидкость, в ко­торой он был бы малорастворим, применяют ртутный эффузиометр (рис. 274,в). Он состоит из стеклянного сосуда 4 с трехховым краном 1 и уравнительного сосуда 5, наполненного ртутью. Сосуд 4 находится в стеклянном сосуде 3, выполняю­щем функции термостата. Через кран1 в сосуд 4 вводят газ, вытесняя ртуть ниже метки M₁. Выпускают исследуемый газ или воздух через капилляр 2, подняв уравнительный сосуд 5. Более чувствительными приборами для определения плотности газов являются газовый ареометр Штока (рис. 275,а) и газовые весы (см. рис. 71).

Шток Альфред (1876-1946) - немецкий химик-неорганик и аналитик.

В ареометре Штока один конец кварцевой трубки раздут в тонкостенный шар. 1 диаметром 30 - 35 мм, наполненный воз­ком, а другой оттянут в волосок 7 Внутрь трубки плотно давлен небольшой железный стержень 3. Острием 4 трубка с шаром опирается на кварцевую или агатовую опору. Трубка с шаром помешены в кварцевый сосуд 5 с пришлифованной круг­лой пробкой.

Рис. 275. Ареометр Штока (а) и схема установки (б)

Вне сосуда расположен соленоид 6 с железным сердечников. При помощи тока различной силы, протекающего через соленоид, выравнивают положение коромысла с шаром так, чтобы волосок 7 указывал точно на индикатор нуля 8. За положением волоска наблюдают при помощи зрительной трубы или микроскопа.

Ареометр Штока приваривают к трубке 2 для устранения ка­ких-либо вибраций.

Шар с трубкой находятся в равновесии при данной плот­ности окружающего их газа. Если в сосуде 5 один газ заменить на другой при постоянном давлении, то равновесие нарушится из-за изменения плотности газа. Для его восстановления необ­ходимо либо притянуть стержень 3 электромагнитом 6 вниз при понижении плотности газа, либо дать ему подняться вверх при увеличении плотности. Сила тока, протекающего через солено­ид, при достижении равновесия прямо пропорциональна изме­нению плотности.

Прибор градуируют по газам известной плотности. Точность ареометра Штока 0,01 - 0,1%, чувствительность порядка 10^-7 г, диапазон измерений от 0 до 4 г/л.

Установка с ареометром Штока. Ареометр Штока 1 (рис-275,б) присоединяют к вакуумной системе так, что он висит на трубке 2 как на пружине. Колено 3 трубки 2 погружено в сосуд Дьюара 4 с охлаждающей смесью (см. разд. 6.11), позволяющей поддерживать температуру не выше -80 °С для конденсации пара ртути, если для создания вакуума в ареометре используют диффузионный ртутный насос (см. разд. 262,о). Кран 5 соединя­ет ареометр с колбой, содержащей иесследуемый газ. Ловушка (см. разд. 10.9) защищает диффузионный насос от воздействИ исследуемого газа, а приспособление 7 служит для точной регулировки давления (см. разд. 10.6). Вся система через трубку 8 соединена с диффузионным насосом.

Рис 276. Прибор для измерения объема газа

Объем газа измеряют при помощи калиброванных газовых бюреток (см. рис. 84) с термостатируемой водяной рубашкой. Во избежание поправок на капил­лярные явления газовую 3 и ком­пенсационную 5 бюретки подби­рают одинакового диаметра и располагают в термостатируемой рубашке 4 рядом (рис. 276). В качестве запирающих жидкостей применяют ртуть, глицерин и другие жидкости, плохо раство­ряющие исследуемый газ.

Оперируют этим прибором следующим образом. Сначала за­полняют бюретки жидкостью до уровня выше крана 2, подни­мая сосуд 6. Затем газовую бюретку соединяют с источником газа и вводят его, опуская сосуд 6, после чего кран 2 закрывают. Для уравнивания давления газа, находящегося в бюретке 3, с атмосферным давлением сосуд 6 подносят вплотную к бюретке и устанавливают на такой высоте, чтобы мениски ртути в ком­пенсационной 5 и газовой 3 бюретках были на одном уровне. Поскольку компенсационная бюретка сообщается с атмосферой (ее верхний конец открыт), при таком положении менисков давление газа в газовой бюретке будет равно атмосферному.

Одновременно измеряют атмосферное давление по барометру (см. разд. 10.4) и температуру воды в рубашке 4 при помощи термометра 1.

Найденный объем газа приводят к нормальным условиям (О °С; 0,1 МПа), используя уравнение для идеального газа:

V₀ = 273,16V_p/760(273,16 + τ) = V_p [0,3594/(273,16 + τ)],

где V₀ и V - приведенный к нормальным условиям объем (л) газа и измерен­ный объем газа при температуре t (°С) соответственно; р - атмосферное давле­ние в момент измерения объема газа, торр.

Если газ содержит пары воды или находился перед измере­нием объема в сосуде над водой или водным раствором, то его обьем приводят к нормальным условиям с учетом давления пара воды р₁, при температуре опыта (см. табл. 37):

V₀ = 273,16 V(p-p₁)/760(273,16 + t) = V(p-p₁)[0,3594/(273,16+t].

Уравнения применяют в том случае, если атмосферное дав­ление при измерении объема газа было сравнительно близко к 760 торр. Давление реального газа всегда меньше, чем у идеаль­ного, из-за взаимодействия молекул. Поэтому в найденное зна­чение объёма газа вводят поправку на неидеальность газа, взя­тую из специальных справочников.