Денсиметрия

Денсиметрическими методами определяют плотность веществ.

Плотностью ρ (в кг/м³) называется масса вещества, заключенная в единице объема, т.е.:

где m - масса вещества, кг;

V – объем вещества, м³.

Удельный вес γ (в Н/м³) определяется как отношение веса тела к его объему:

где G – вес тела, Н.

Так как вес тела и его масса связаны соотношением G=m∙g (g – ускорение свободного падения, м/с²), то плотность и удельный вес находятся в зависимости γ=ρ∙g.

Плотность и удельный вес изменяются с изменением температуры, поэтому в справочной литературе рядом с их значением помещают индекс с указанием температуры вещества при измерении.

Используется также безразмерная величина – относительная плотность (d), которая представляет собой отношение плотности исследуемого вещества к плотности другого (стандартного) вещества, измеренных при определенных условиях. Чаще всего относительную плотности жидких и твердых тел определяют по отношению к плотности дистиллированной воды, а относительную плотность газов – к плотности сухого воздуха или водорода.

Относительную плотность записывают с двумя индексами (верхнее число показывает температуру, при которой определена плотность исследуемого вещества, нижний – температуру стандартного вещества (например, дистиллированной воды) при определении.

Если значение относительной плотности жидкого вещества записано в виде d²⁰₄, т.е. плотность исследуемого жидкого вещества определена при нормальной температуре (20⁰С), а плотность дистиллированной воды определена при температуре 4⁰С (при температуре, при которой плотность дистиллированной воды максимальна), то такая величина называется истинной относительной плотностью. При определении истинной относительной плотности все измерения массы пересчитывают на значения массы в пустоте, т.е. без учета выталкивающей силы воздуха.

При обычных определениях удобно пользоваться видимой относительной плотностью, которую определяют к дистиллированной воде той же температуры, что и анализируемый раствор, т.е. при нормальной температуре 20⁰С (d²⁰₂₀). Причем все измерения массы проводят в воздухе и поправок для пересчета на измерение массы в пустоте не делают.

Для взаимного пересчета видимой и относительной плотности используют следующие формулы:

d²⁰₂₀=d²⁰₄∙1,0018 d²⁰₄=d²⁰₂₀∙0,9982

Если в процессе измерений меняется температура жидкости, то результаты измерений приводятся к нормальной температуре по формуле:

где ρ_t и ρ_t0- плотности соответственно при фактической температуре t во время определении и температуре t₀ =20 ⁰С, кг/м³;

β- температурный коэффициент объемного расширения.

Плотность веществ в лабораторных условиях определяют с помощью ареометров и пикнометров, реже – при помощи гидростатических весов.

Известно множество приборов для определения плотности жидкостей, основанных на различных принципах измерений, охватывающих широкий диапазон и обеспечивающих высокую точность измерения. По принципу действия плотномеры, применяемые для контроля различных жидкостей подразделяются на механические, радиоизотопные и акустические. Известны также приборы, основанные на использовании оптических, тепловых, гидродинамических свойств жидкостей, однако они не получили широкого распространения в пищевой промышленности.

Ареометр – прибор для измерения плотности, представляет собой полый запаянный цилиндрический сосуд с узкой трубкой сверху, снабженной градуированной шкалой. На дне ареометра находится балласт (дробь), масса которого рассчитана для измерения плотности в заданном диапазоне. Выпускаются также ареометры, со встроенными термометрами для контроля температуры анализируемого вещества (рисунок 1). Принцип действия ареометра основан на том, что он погружается в исследуемую жидкость до тех пор, пока масса вытесненной им жидкости не сравнится с его собственной массой (по закону Архимеда).

Ареометры выпускают в набора с различными диапазонами измерений и различной ценой деления (чем меньше цена деления ареометра, тем точнее измерение. Для измерения концентрации различных растворов применяют ареометры, которые называются и различаются по объекту измерения: сахарометры (для измерения массовой доли сахарозы в водных растворах сахара), спиртометры (для измерения объемной дли спирта в алкогольных напитках) и др.

Пикнометр – специальная колба точно известной вместимости, которая служит для определения плотности веществ. Сущность определения заключается в том, что пикнометр позволяет отобрать точно измеренный объем жидкости, а затем взвесить ее с точностью до 0,0001 г. Существует много разновидностей пикнометров, отличающихся формой, объемом, закрываемые притертой пробкой или пробкой с капилляром (рисунок 1).

а) б) в) г) д)

а) ареометр, б) ареометр со встроенным термометром,

в) пикнометр с длинной шейкой, г)пикнометр с пришлифованной пробкой, д) пикнометр с капилляром

Рисунок 1 – Ареометры и пикнометры

Гидростатические весы – прибор для определения плотности жидкостей.

Гидростатические весы (рисунок 2) имеют неравноплечее коромысло 4, правая сторона которого представляет шкалу 5, разделенную надрезами на десять равных частей. На левой стороне установлен противовес 3 и указатель 2 для установки равновесия коромысла (с зеркальной шкалой). На десятом делении шкалы 5 крепится поплавок 6. Первоначально уравновешивают коромысло с

Рисунок 2 – Гидростатические весы

поплавком в воздухе. Затем опускают поплавок 6 в цилиндр 8 с исследуемой жидкостью, установленный на подставке 9. При этом равновесие нарушается, и его восстанавливают, помещая на надрезы коромысла гири – рейтеры 1. Плотность определяют в соответствии с местом подвески и массой рейтеров, используемых для приведения весов в равновесие. Для измерения температуры в цилиндр с исследуемой жидкостью помещают термометр 7.

При осуществлении целого ряда технологических процессов возникает необходимость непрерывного контроля и регулирования плотности растворов. Приборы, предназначенные для этих целей, называют плотномерами. Имеется несколько типов плотномеров, в основу которых положены различные физические законы и принципы: поплавковые, весовые, гидростатические, вибрационные, радиоизотопные, ультразвуковые и др.