Bestimmung der Dichte von Fest- und Flüssigstoffen

Quelle: Labor von Dr. Michael Evans, Georgia Institute of Technology

Als die Massendichte oder einfach, die Dichte des Stoffes ist der Quotient aus der Masse eines Stoffes zu seinem Volumen bekannt. Dichte wird ausgedrückt in Einheiten der Masse pro Volumen, z. B. g/mL oder kg/m³. Da die Dichte eines Stoffes nicht auf die Menge des Stoffes abhängt, ist die Dichte eine "intensive Eigenschaft".

Um die Dichte der eine Probe des Materials zu messen, müssen die Masse und das Volumen der Probe bestimmt werden. Für Feststoffe und Flüssigkeiten kann ein Gleichgewicht verwendet werden, um Masse zu messen; Allerdings unterscheiden sich die Methoden zur Bestimmung der Lautstärke für Feststoffe und Flüssigkeiten. Da Flüssigkeiten fließen können und nehmen die Formen ihrer Container, Glaswaren wie ein Messzylinder oder volumetrischer Kolben verwendet werden, kann um das Volumen einer Flüssigkeit messen. Die Lautstärke von einem unregelmäßig geformten Solid kann durch Eintauchen in eine Flüssigkeit gemessen werden – der Unterschied in der Lautstärke verursacht durch Zugabe des Volumenkörpers ist gleich dem Volumen des Körpers.

Diese Demo veranschaulicht die Methoden zur Messung der Dichte von Feststoffen und Flüssigkeiten. Mit einem volumetrischen Kolben und einer Analysenwaage, kann die Dichte von Ethanol bestimmt werden. Mit einem Messzylinder, Analysenwaage und Wasser als die verdrängte Flüssigkeit, kann die Dichte von Zinkmetall bestimmt werden.

Per definitionem alle Materie hat Masse und Volumen einnimmt. Die Dichte eines Stoffes ist der Quotient aus seiner Masse zu seinem Volumen. Bei konstanter Temperatur und Druck ist die Dichte eines Stoffes konstant.

Dichte ist eine intensive Eigenschaft einer Substanz, die nicht von der Menge des Stoffes abhängt. So kann Dichte, eine unbekannte reine Substanz zu identifizieren, wenn eine Liste von Referenz-dichten verfügbar ist, und der Experimentator eine bequeme Stoffmenge, mit zu arbeiten, bei der Messung von Dichte können verwendet werden.

Um die Dichte einer Probe eines Stoffes zu messen, ist es notwendig, seine Masse und Volumen zu messen. Masse wird in der Regel anhand einer Analysenwaage, ein präzises Instrument, das durch die Probe aufgrund der Schwerkraft ausgeübte Kraft abhängt. Der Container, die Probe (auch verwendet, um die Lautstärke zu messen) zu halten ist gewogen und tariert, so dass nur die Probe Masse auf Saldenanzeige erscheint, wenn die Probe zum Container hinzugefügt wird.

Für Flüssigkeiten ist dieser Container in der Regel eine volumetrische Kolben, hat eine Markierung, die ein bestimmtes Volumen entspricht. Der Container ist in die Zeile mit der flüssigen Probe gefüllt und erneut gewogen, nachdem die leere Flasche tariert worden. Die gemessene Dichte ist das Verhältnis der gemessenen Masse auf das Volume, das auf der Flasche angegeben.

Die meisten feste Stoffe sind unregelmäßig geformte, erschwert die Volumen-Bestimmung. Es ist ungenau, zum Beispiel das Volumen eines Pulvers durch Messung seiner Dimensionen zu bestimmen. Statt direkt messenden Dimensionen oder mit Glaswaren wie einem volumetrischen Kolben, es ist notwendig, um Verwendung einer flüssigen Verschiebung-Methode, die Lautstärke von einem unregelmäßig geformten Solid zu messen. Ein Messzylinder mit einem bekannten Volumen an Flüssigkeit (in dem festen unlöslich ist) wird tariert. Der Feststoff wird hinzugefügt, um den Zylinder und die Gesamtmasse ist erneut gewogen, um die Masse des Körpers bestimmen. Ergänzung des Volumenkörpers bewirkt eine aufwärts Verschiebung der Flüssigkeit, wodurch eine neue Volumen-Messung. Das Volumen des Körpers ist gleich der Änderung im Volumen aufgrund der flüssigen Verschiebung (d. h., der Unterschied in Flüssigkeitsvolumen vor und nach dem Hinzufügen von solid).

Für Flüssigkeiten ist die gemessene Dichte einer festen Probe der Quotient aus der gemessenen Masse dem gemessenen Volumen.

1. Bestimmung der Dichte von flüssigem Ethanol

1. Legen Sie einen sauberen und trockenen 50 mL volumetrischen Kolben auf einer Analysenwaage.
2. Drücken Sie die "Tare" oder "Zero" Taste auf das Gleichgewicht. Der Restbetrag sollte 0.000 g lesen.
3. Verwenden Sie einen Bürette Trichter der volumetrischen Kolben 45 mL flüssiges Ethanol hinzu.
4. Verwenden Sie eine Pasteurpipette hinzufügen der letzten 5 mL Flüssigkeit, nur bis Ende der Flüssigkeit Meniskus die Markierung auf den Kolben berührt.
5. Weigh des volumetrischen Kolbens wieder und nimmt die Masse des Ethanols.
6. Wiederholen Sie für beste Ergebnisse die Schritte 1.1-1.5 noch zweimal um zwei zusätzliche Dichtemessungen zu erhalten.

2. Bestimmung der Dichte von festen Zinkmetall

1. Eine saubere und trockene 100-mL-Messzylinder etwa 40 mL Wasser hinzufügen. Notieren Sie die genaue Menge des Wassers.
2. Legen Sie die Zylinder und das Wasser auf einer Analysenwaage. Drücken Sie die "Tare" oder "Zero" Taste auf das Gleichgewicht. Der Restbetrag sollte 0.000 g lesen.
3. Ca. 10 Zink Granulat zu den Messzylinder hinzufügen. Notieren Sie die neue Menge Wasser plus Zink Pellets mit Hilfe den Flüssigkeitsstand nach Zugabe von Zink (Abbildung 1).
   
   Abbildung 1. Zink hinzugefügt, um den Zylinder auf der rechten Seite bewirkt, dass der Wasserstand nach oben verschoben werden.
4. Das Gleichgewicht belasten Sie der Zylinder, Wasser und Zink Granulat. Notieren Sie die Masse der Zink-Pellets.
5. Wiederholen Sie für beste Ergebnisse die Schritte 2.1-2.4 noch zweimal um zwei zusätzliche Dichtemessungen zu erhalten.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für die Bestimmung der Dichte von Ethanol mit einem volumetrischen Kolben 50 mL. Dichten wurden berechnet, indem die gemessenen Masse von 50,0 mL. Die mittlere gemessene Dichte war 0.789 ± 0,001 g/mL. Tabelle 2 Listen Ergebnisse zur Bestimmung der Dichte einer Stichprobe von Zinkmetall mit einem 100-mL graduierte Zylinder und die flüssige Verschiebung-Methode. Beachten Sie, dass die gemessene Dichte konstant (innerhalb der experimentellen Fehler) sind für beide Substanzen. Tabelle 2zeigt insbesondere, dass Dichte unabhängig von der Menge der Substanz untersucht.

Tabelle 1. Ergebnisse für die Bestimmung der Dichte von Ethanol mit einem volumetrischen Kolben 50 mL.

Tabelle 2. Ergebnisse für die Bestimmung der Dichte einer Stichprobe von Zinkmetall mit 100 mL Schloss Zylinder und die flüssige Verschiebung Methode.

Dichte ist eine charakteristische intensive Eigenschaft eines Stoffes. So können Dichtemessungen verwendet werden, ein unbekannter Reinstoff zu ermitteln, ob eine Liste möglicher Hinweis dichten verfügbar ist. Dichte ist beispielsweise lässt sich unterscheiden zwischen Metallen ähnlich in Erscheinung (Abbildung 2).

In Kontexten, in denen sehr niedrigen oder sehr hohen Masse wünschenswert ist, ist die Dichte eine kritische Materialeigenschaft. Werkstoffingenieure überlegen die Dichte der Materialien für den Bau in diesen Kontexten. Beispielsweise sind die Körper von einigen leichten Laptop-Computern aus Aluminium, eines der am wenigsten dichte Metalle gefertigt. Leichte Tennisschläger enthalten Titan, ein anderes Low-Density-Metall.

Abbildung 2: Äquivalente Massen von Aluminium (Al) und Zink (Zn) Metal Das Zinkmetall nimmt ein viel kleineres Volumen aufgrund seiner höheren Dichte.