Методы измерения плотности

Методы измерения плотности Плотность — это один из фундаментальных параметров, описывающих физические свойства твердых материалов. Она определяется как отношение массы сухого образца к его объему:

d =m/V.

В порометрии различают несколько видов плотности:

Объемная плотностьплотность, определяемая внешним объемом твердого образца, рассчитанная без учета присутствующих в нем пустот (открытых и закрытых пор, трещин и щелей) Истинная плотность — плотность, рассчитанная с учетом всех присутствующих в твердом образце пустот, за исключением закрытых пор. Эта величина наиболее близка к реальной плотности материала.

Кажущуюся плотность — плотность, рассчитанная по количеству жидкости (например, ртути) проникающей в поры. Может отличаться от истинной плотности, поскольку ртуть не способна проникнуть в поры размером менее 3.6 нм.

Рис 1.8. Реальная плотность

Рис 1.9. Объемная плотность

Рис 1.10. Истинная плотность

Для измерения плотности пористых и непористых твердых материалов обычно используются следующие методы:

• · Метод вытеснения жидкости
• · Метод ртутной порозиметрии

Рис 1.11. Кажущаяся плотность

· Метод вытеснения газа Все указанные выше методы основаны на проникновении текучей среды в поры материала для заполнения всего объема пор. Данным способом можно определить реальный объем, занимаемый образцом. Главные ограничения использования методов вытеснения жидкости связаны с затруднительностью заполнения жидкостью (водой, этанолом, ртутью) всех пор, так как у некоторых материалов их диаметр может быть очень маленьким, менее 3 нм. Поэтому мы не можем быть уверены, что в ходе эксперимента были заполнены все поры, а значит, определяемая в данном случае плотность является Кажущейся плотностью, и может значительно отличаться от Истинной плотности. Более того, при использовании методик, требующих высокого давления, некоторые образцы могут сжиматься или разрушаться под давлением, что искажает результаты измерений. Одним из наиболее точных методов измерения плотности является метод вытеснения гелия; на практике этот метод реализуется с помощью Гелиевого Пикрометра. Гелий — это инертный газ, состоящий из молекул очень маленького размера, которые могут проникать даже в самые узкие поры. Высокая теплопроводность гелия и его поведение при комнатной температуре близкое к идеальному газу, делает данную технологию невероятно быстрой и надежной. В случаях, когда не рекомендуется использовать гелий (например, при исследовании активированных углей), может быть использован другой инертный газ, например азот.

При использовании метода вытеснения гелия, хорошо высушенный, взвешенный образец помещается в измерительную камеру, откалиброванную по объему. Гелий (или другой инертный газ), под определенным давлением, подается в эталонную камеру известного объема и затем перемещается в измерительную камеру с образцом. Когда давление стабилизируется, снимаются экспериментальные данные и вычисляется объем помещенного материала. Зная массу образца, можно рассчитать его истинную плотность.

Гидростатическое взвешивание.

Гидростатическое взвешивание — метод определения плотности, использующий закон Архимеда.

Общие сведения.

Определение плотности () методом гидростатического взвешивания осуществляют по результатам двух измерений массы исследуемого предмета. Сначала в воздушной среде, затем в жидкости, с известной собственной плотностью (). Обычно в качестве жидкости используют воду, например, дистиллированную. Первое взвешивание позволяет определить массу предмета (), а второе, по разности обоих взвешиваний, позволяет вычислить объём:

.

Плотность исследуемого предмета вычисляется по формуле:

Метод гидростатического взвешивания широко используется в народном хозяйстве и является одним из стандартных способов определения плотности материалов.

Некоторые особенности взвешивания.

В зависимости от требуемой точности, гидростатическое взвешивание производят на различных весах, например, технических, аналитических, образцовых. При массовых измерениях используют менее точные весы, но обеспечивающие большую скорость, например, весы Мора, названные по имени сконструировавшего их в 1847 году, немецкого химика К. Ф. Мора (нем. K.F. Mohr). Используются также и современные, компьютеризированные и специально предназначенные для этой цели весы, рассчитывающие искомую плотность автоматически.

Применение в здравоохранении.

Гидростатическое взвешивание нашло применение в медицине с целью оценки жировой прослойки тела человека, что используется в диагностике ожирения. При этом важно правильно, на специальном оборудовании, определить остаточный объём лёгких, который может вносить искажения полученных данных. Величина жировой прослойки рассчитывается с применением стандартных методик.

Флотационный метод определения плотности состоит из следующих операций. Пробирку длиной 50 мм и диаметром 8 мм наполняют на 1/3 объема жидкостью, плотность которой намного больше или меньше плотности исследуемого вещества и с ним не взаимодействует, а также практически не растворяет вещество (проверяют опытным путем). В табл. 44 приведен перечень наиболее часто используемых флотационных жидкостей.

Затем в пробирку опускают несколько частиц грубого порошка или каплю исследуемой жидкости. В зависимости от того, всплывет частица или потонет, добавляют небольшими порциями соответственно более тяжелую или более легкую флотационные жидкости, каждый раз тщательно перемешивая смесь вручную небольшой стеклянной мешалкой.

Meшалку погружают до дна пробирки и вращают большим и указательным пальцами. Если плотность жидкой флотационной смеси оказывается точно равной плотности частицы, то она будет находиться во флотационном равновесии — не всплывать и не тонуть. Такое равновесие считается достигнутым, когда отдельные частицы тонут, но большее их число медленно всплывает. В процессе измерения плотности температура флотационной жидкости не должна изменяться. Поэтому пробирку помещают в химический стакан с термометром, а находящаяся в нем вода должна непрерывно циркулировать через термостат. Пробирка же между перемешиваниями должна быть закрыта пришлифованной пробкой.

После установления флотационного равновесия отбирают часть флотационной жидкости и пикнометрическим или гидростатическим методами определяют ее плотность, которая и будет плотностью исследуемого вещества.