Bestimmung der Dichte von Fest- und Flüssigstoffen

Determining the Density of a Solid and Liquid

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General Chemistry

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Determining the Density of a Solid and Liquid

1.1: Common Lab Glassware and Uses

1.7: Using a pH Meter

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07:19 min

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April 30, 2023

Overview

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.

Principles

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.

Procedure

1. Bestimmung der Dichte von flüssigem Ethanol

Legen Sie einen sauberen und trockenen 50 mL volumetrischen Kolben auf einer Analysenwaage.
Drücken Sie die “Tare” oder “Zero” Taste auf das Gleichgewicht. Der Restbetrag sollte 0.000 g lesen.
Verwenden Sie einen Bürette Trichter der volumetrischen Kolben 45 mL flüssiges Ethanol hinzu.
Verwenden Sie eine Pasteurpipette hinzufügen der letzten 5 mL Flüssigkeit, nur bis Ende der Flüssigkeit Meniskus die Markierung auf den Kolben berührt.
Weigh des volumetrischen Kolbens wieder und nimmt die Masse des Ethanols.
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

Eine saubere und trockene 100-mL-Messzylinder etwa 40 mL Wasser hinzufügen. Notieren Sie die genaue Menge des Wassers.
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.
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.
Das Gleichgewicht belasten Sie der Zylinder, Wasser und Zink Granulat. Notieren Sie die Masse der Zink-Pellets.
Wiederholen Sie für beste Ergebnisse die Schritte 2.1-2.4 noch zweimal um zwei zusätzliche Dichtemessungen zu erhalten.

Dichte, definiert als eine Substanz Masse pro Volumeneinheit, ist eine wichtige physikalische Eigenschaft zur Charakterisierung eines Materials oder chemisches System.

Dichte errechnet sich mathematisch als eine Substanz Masse pro Volumen einnimmt. Das griechische Symbol “ρ” wird normalerweise verwendet, um die Dichte in den physikalischen Wissenschaften zu bezeichnen. Um die Dichte eines Stoffes zu erhalten, sind seine Masse und Volumen durch Messung bestimmt.

Dieses Video wird die Grundsätzen der Dichtebestimmung, die Verfahren zur Berechnung der Dichte sowohl feste und flüssige Stoffe, und einige Anwendungen der Dichte in der wissenschaftlichen Forschung vorstellen.

Alle Materie hat Masse, und die Masse nimmt ein bestimmtes Volumen.

Allerdings unterscheidet sich das Volumen des Raumes durch die gleiche Masse besetzt für verschiedene Stoffe, je nach ihrer jeweiligen Dichte. Zum Beispiel eine Tonne Ziegelsteine hat die gleiche Masse wie eine Tonne Federn, aber deutlich weniger Volumen einnimmt. Dichte wird ermittelt, indem Masse durch Volumen. . Masse mit Schuppen oder Salden gemessen werden können, und wird ausgedrückt in Gramm oder Kilogramm.

Per Konvention wird das Volumen von Flüssigkeiten und Gasen häufig in Einheiten von Litern oder Millilitern, gemessen mit Glaswaren ausgedrückt. Die Abmessungen der regelmäßig geformten Festkörpern können gemessen werden, direkt mit Herrschern oder Bremssättel, die Lineareinheiten, nachgebend Einheiten wie Kubikzentimeter Volumen haben. Ein Milliliter entspricht einem Kubikzentimeter.

Die Abmessungen des unregelmäßig geformten festen Proben nicht leicht messbar. Stattdessen können ihr Volumen durch Eintauchen der Feststoff in einer Flüssigkeit bestimmt werden. Das Volumen des eingetauchten Körpers ist gleich dem Volumen der verdrängten Flüssigkeit.

Nun, da Sie das Konzept von Dichte zu verstehen, werfen wir einen Blick auf zwei Protokolle zur genauen Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit und einem soliden.

Um diesen Vorgang zu starten, legen Sie einen sauberen und trockenen 50 mL volumetrischen Kolben auf einer Analysenwaage. Nach die Messung stabilisiert hat, das Gleichgewicht zu tarieren. Der Restbetrag sollte Null gelesen. Verwenden Sie einen Trichter der Küvette ca. 45 mL Flüssigkeit hinzu. Nicht zur Kalibrierung Marke auffüllen. Verwenden Sie eine Pasteurpipette hinzufügen Sie sorgfältig die letzten 5 mL Flüssigkeit, nur bis Ende der Flüssigkeit Meniskus die Linie auf den Kolben berührt. Wiegen Sie die Flasche wieder und nehmen Sie die Masse der Flüssigkeit auf. Wiederholen Sie die Messungen mindestens zweimal um zusätzliche Werte zur Berechnung einer durchschnittlichen Dichte zu erhalten. Die Ergebnisse werden in dieser Tabelle angezeigt. Die durchschnittliche gemessene Dichte war 0,789 g/mL, Abgleich der Literaturwert für Ethanol.

Ermitteln die Dichte von einem unregelmäßigen Solid in Form von Pellets, fügen Sie etwa 40 mL Wasser hinzu, eine saubere und trockene 100-mL-Messzylinder. Notieren Sie die genaue Menge. Legen Sie den Zylinder auf einer Analysenwaage und Tara. Fügen Sie ca. 10 Pellets, und notieren Sie das neue Volume nach der Zugabe. Wiegen Sie den Zylinder, Wasser und Pellets. Die Masse ist nur die Pellets, der Rest wurde tariert. Machen Sie mindestens zwei zusätzliche Sets von Masse und Volumen Messungen einen durchschnittlichen Wert der Dichte berechnen. Die Dichte für Zink wurde für drei verschiedene Proben gemessen. Es erwies sich 6,3 g/mL. Beachten Sie, dass, da die Messungen in einem Messzylinder vorgenommen wurden, die weniger präzise als ein volumetrischer Kolben ist die Dichte geringer Grad an Präzision.

Schauen wir uns jetzt mehrere unterschiedliche Anwendungen der Dichte auf verschiedene wissenschaftliche Forschung an.

Dichte ist nützlich für die Identifizierung oder reine Materialien, wie Elemente oder andere Arten von bekannten Reinheit überprüft. Beispielsweise weil Gold eine höhere Dichte als viele andere billiger Metalle hat, für die Berechnung die Dichte eine Goldmünze ist eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, um seine Reinheit zu testen. Wenn die Dichte von Gold nicht übereinstimmt, ist die Münze nicht rein. Hier wurde eine Goldmünze haben eine Masse von 27,55 g und einem Volumen von 1,84 cm³, was einer Dichte von 14,97 g/cm³, das ist deutlich weniger als Gold Dichte von 19,3 g/cm³, darauf hinweist, dass die Münze nicht aus purem Gold besteht.

Dichtemessungen können auch verwendet werden, zu eine unbekannte Substanz zu ermitteln, ob eine Liste möglicher Hinweis Dichte verfügbar ist und verwendet werden, kann um Metalle ähnlich im Aussehen unterscheiden. In diesem Beispiel versucht der Wissenschaftler, zwei Proben von glänzendem Silber Metall zu identifizieren, die entweder aus Aluminium oder Zink sein könnte. Während die beiden Proben die gleiche Masse haben, unterscheiden sich deren Volumen erheblich. Die dichten waren entschlossen, 2.7 und 7,1 g/cm³ betragen, bestätigen ihre Identität als Aluminium und Zink.

Zu guter Letzt eignen sich Dichteunterschiede zur Trennung von Komponenten aus einer komplexen Mischung. In eine Methode namens Dichte-Gradienten-Zentrifugierung sind abnehmende Konzentrationen von Saccharose oder Polymere geschichtet, um einen Farbverlauf erstellen. Die Probe wird dann oben hinzugefügt. Diese Mischung wird dann Zentrifugierung unterzogen – das Spinnen von der Mischung mit hoher Geschwindigkeit um eine “Fliehkraft”, die zur Bildung von ein Konzentrationsgradient des Moleküls führt zu generieren. Komponenten des Gemisches werden einen Punkt entlang dieser Verlauf migrieren, die seine Dichte vergleichbar ist.

In diesem Beispiel wurde eine bestimmte Art von Lipid-Tröpfchen oder kleine Tropfen der Fettmoleküle, aus den Zellen isoliert. Eine homogenisierte Mischung wurde zuerst durch Aufbrechen der Zellen gewonnen. Durch Zentrifugieren die Mischung in ein Dichtegradient Saccharose, wurden die Tröpfchen erfolgreich von anderen zellulären Bestandteilen getrennt, die von Lipiden, wie z. B. die Zellen Membranen bestehen.

Sie habe nur Jupiters Einführung der Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit und einem soliden beobachtet. Sie sollten jetzt Masse, Volumen und Dichte sowie eine gute Vorstellung davon wie diese Größen gemessen verstehen.

Danke fürs Zuschauen!

Results

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.

Testversion	Masse von Ethanol (g)	Volumen von Ethanol (mL)	Dichte (g/mL)
1	39.448	50,0	0,789
2	39.392	50,0	0.788
3	39.489	50,0	0.790

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

Testversion	Masse von Zink (g)	Volumen von Zink (mL)	Dichte (g/mL)
1	5.6133	0,9	6.2
2	7.6491	1.2	6.3
3	8.2164	1.3	6.3

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

Applications and Summary

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.

Transcript

Density, defined as a substance’s mass per unit volume, is an important physical property for characterizing a material or chemical system.

Mathematically, density is calculated as a substance’s mass per the volume it occupies. The Greek symbol “ρ” is normally used to denote density in the physical sciences. To obtain the density of a substance, its mass and volume are determined by measurement.

This video will introduce the principles of density determination, the procedures for calculating the density of both solid and liquid substances, and some applications of density in scientific research.

All matter has mass, and that mass occupies a specific volume.

However, the volume of space occupied by the same mass is different for different substances, depending on their respective density. For example, a ton of bricks has the same mass as a ton of feathers, but occupies considerably less volume. Density is obtained by dividing mass by volume. . Mass can be measured with scales or balances, and is expressed in grams or kilograms.

By convention, the volume of liquids and gases is often expressed in units of liters or milliliters, measured with glassware. The dimensions of regularly shaped solids can be measured directly with rulers or calipers, which have linear units, giving volumes in units such as cubic centimeters. One milliliter is equivalent to one cubic centimeter.

The dimensions of irregularly shaped solid samples cannot be easily measured. Instead, their volumes can be determined by submerging the solid in a liquid. The volume of the submerged solid is equal to the volume of liquid displaced.

Now that you understand the concept of density, let’s take a look at two protocols for accurately determining the density of a liquid and a solid.

To begin this procedure, place a clean and dry 50-mL volumetric flask on an analytical balance. After the measurement has stabilized, tare the balance. The balance should read zero. Use a funnel to add approximately 45 mL of liquid to the flask. Do not fill to the calibration mark. Use a Pasteur pipette to carefully add the final 5 mL of liquid, just until the bottom of the liquid’s meniscus touches the line on the flask. Weigh the flask again and record the mass of the liquid. Repeat the measurements at least twice to obtain additional values to calculate an average density. The results are shown in this table. The average measured density was 0.789 g/mL, matching the literature value for ethanol.

To determine the density of an irregular solid in pellet form, add approximately 40 mL of water to a clean and dry 100-mL graduated cylinder. Record the exact volume. Place the cylinder on an analytical balance and tare. Add approximately 10 pellets, and record the new volume after the addition. Weigh the cylinder, water, and pellets. The mass is only the pellets, as the rest have been tared. Make at least two additional sets of mass and volume measurements to calculate an average value of the density. The density for zinc was measured for three different samples. It was found to be 6.3 g/mL. Note that, since the measurements were made in a graduated cylinder, which is less precise than a volumetric flask, the density has lower degree of precision.

Let’s now look at several different applications of density to different field of scientific research.

Density is useful for identifying or validating pure materials, such as elements or other species of known purity. For example, because gold has a higher density than many other cheaper metals, calculating the density of a gold coin is a quick and inexpensive way to test for its purity. If the density does not match that of gold, the coin is not pure. Here, a gold coin was found to have a mass of 27.55 g and a volume of 1.84 cm3, giving a density of 14.97 g/cm3, which is significantly less than gold’s density of 19.3 g/cm3, indicating that the coin is not made of pure gold.

Density measurements can also be used to identify an unknown substance if a list of possible reference densities is available, and can be used to distinguish between metals similar in appearance. In this example, the scientist is trying to identify two samples of shiny silver metal, which could be either aluminum or zinc. While the two samples have the same mass, their volumes are considerably different. The densities were determined to be 2.7 and 7.1 g/cm3 respectively, confirming their identities as aluminum and zinc.

Finally, differences in density are useful for separating components of a complex mixture. In a method called density gradient centrifugation, decreasing concentrations of sucrose or polymers are layered to create a gradient. The sample is then added on top. This mixture is then subjected to centrifugation — the spinning of the mixture at high speed to generate a “centrifugal force” that will lead to the formation of a concentration gradient of the molecule. Components of the mixture will migrate to a point along this gradient with which its density is comparable.

In this example, a specific type of lipid droplets, or small drops of fat molecules, was isolated from cells. A homogenized mixture was first obtained by breaking the cells open. By centrifuging the mixture in a sucrose density gradient, the droplets were successfully separated from other cellular components that are made of lipids, such as the cells’ membranes.

You’ve just watched JoVE’s introduction the determination of the density of a liquid and a solid. You should now understand mass, volume, and density, as well as having a good idea of how to measure these quantities.

Thanks for watching!

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