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Die Dichte, definiert als die Masse pro Volumeneinheit eines Stoffes, ist eine wichtige physikalische Eigenschaft zur Charakterisierung eines Materials oder chemischen Systems.
Mathematisch wird die Dichte als die Masse eines Stoffes pro dem Volumen berechnet, das er einnimmt. Das griechische Symbol "?" wird in den Naturwissenschaften normalerweise zur Bezeichnung der Dichte verwendet. Um die Dichte eines Stoffes zu erhalten, werden seine Masse und sein Volumen durch Messung bestimmt.
In diesem Video werden die Prinzipien der Dichtebestimmung, die Verfahren zur Berechnung der Dichte von festen und flüssigen Substanzen und einige Anwendungen der Dichte in der wissenschaftlichen Forschung vorgestellt.
Alle Materie hat Masse, und diese Masse nimmt ein bestimmtes Volumen ein.
Das Raumvolumen, das von der gleichen Masse eingenommen wird, ist jedoch bei verschiedenen Stoffen unterschiedlich, abhängig von ihrer jeweiligen Dichte. Zum Beispiel hat eine Tonne Ziegel die gleiche Masse wie eine Tonne Federn, nimmt aber deutlich weniger Volumen ein. Die Dichte erhält man, indem man die Masse durch das Volumen dividiert. Die Masse kann mit einer Waage oder Waage gemessen werden und wird in Gramm oder Kilogramm ausgedrückt.
Üblicherweise wird das Volumen von Flüssigkeiten und Gasen oft in Einheiten von Litern oder Millilitern ausgedrückt, gemessen mit Glaswaren. Die Abmessungen von regelmäßig geformten Festkörpern können direkt mit Linealen oder Messschiebern gemessen werden, die lineare Einheiten haben, die Volumina in Einheiten wie Kubikzentimetern angeben. Ein Milliliter entspricht einem Kubikzentimeter.
Die Abmessungen von unregelmäßig geformten festen Proben lassen sich nicht einfach messen. Stattdessen können ihre Volumina bestimmt werden, indem der Feststoff in eine Flüssigkeit getaucht wird. Das Volumen des eingetauchten Feststoffs entspricht dem Volumen der verdrängten Flüssigkeit.
Nachdem Sie nun das Konzept der Dichte verstanden haben, werfen wir einen Blick auf zwei Protokolle zur genauen Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit und eines Feststoffs.
Um dieses Verfahren zu beginnen, legen Sie einen sauberen und trockenen 50-ml-Messkolben auf eine Analysenwaage. Nachdem sich die Messung stabilisiert hat, tarieren Sie die Waage. Der Saldo sollte Null anzeigen. Verwenden Sie einen Trichter, um etwa 45 ml Flüssigkeit in den Kolben zu geben. Nicht bis zur Kalibriermarkierung füllen. Verwenden Sie eine Pasteur-Pipette, um die letzten 5 ml Flüssigkeit vorsichtig hinzuzufügen, bis der Boden des Meniskus der Flüssigkeit die Linie auf dem Kolben berührt. Wiegen Sie den Kolben erneut und notieren Sie die Masse der Flüssigkeit. Wiederholen Sie die Messungen mindestens zweimal, um zusätzliche Werte zur Berechnung der durchschnittlichen Dichte zu erhalten. Die Ergebnisse sind in dieser Tabelle aufgeführt. Die durchschnittliche gemessene Dichte betrug 0,789 g/ml, was dem Literaturwert für Ethanol entspricht.
Um die Dichte eines unregelmäßigen Feststoffs in Pelletform zu bestimmen, geben Sie ca. 40 ml Wasser in einen sauberen und trockenen 100-ml-Messzylinder. Notieren Sie die genaue Lautstärke. Stellen Sie den Zylinder auf eine Analysenwaage und tarieren Sie. Fügen Sie ca. 10 Pellets hinzu und notieren Sie das neue Volumen nach der Zugabe. Wiegen Sie den Zylinder, das Wasser und die Pellets. Die Masse besteht nur aus den Pellets, da der Rest tariert wurde. Führen Sie mindestens zwei zusätzliche Sätze von Massen- und Volumenmessungen durch, um einen Durchschnittswert der Dichte zu berechnen. Die Dichte für Zink wurde an drei verschiedenen Proben gemessen. Es wurde festgestellt, dass er 6,3 g/ml beträgt. Da die Messungen in einem Messzylinder durchgeführt wurden, der weniger genau ist als ein Messkolben, hat die Dichte einen geringeren Genauigkeitsgrad.
Schauen wir uns nun verschiedene Anwendungen der Dichte in verschiedenen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung an.
Die Dichte ist nützlich für die Identifizierung oder Validierung reiner Materialien, wie z. B. Elemente oder andere Spezies mit bekannter Reinheit. Da Gold beispielsweise eine höhere Dichte als viele andere billigere Metalle hat, ist die Berechnung der Dichte einer Goldmünze eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, ihre Reinheit zu testen. Wenn die Dichte nicht mit der von Gold übereinstimmt, ist die Münze nicht rein. Hier wurde festgestellt, dass eine Goldmünze eine Masse von 27,55 g und ein Volumen von 1,84 cm3 hat, was eine Dichte von 14,97 g/cm3 ergibt, was deutlich weniger ist als die Dichte von Gold von 19,3 g/cm3, was darauf hindeutet, dass die Münze nicht aus reinem Gold besteht.
Dichtemessungen können auch verwendet werden, um eine unbekannte Substanz zu identifizieren, wenn eine Liste möglicher Referenzdichten verfügbar ist, und können zur Unterscheidung zwischen Metallen mit ähnlichem Aussehen verwendet werden. In diesem Beispiel versucht der Wissenschaftler, zwei Proben von glänzendem Silbermetall zu identifizieren, bei denen es sich entweder um Aluminium oder Zink handeln könnte. Die beiden Proben haben zwar die gleiche Masse, aber ihre Volumina sind erheblich unterschiedlich. Die Dichten wurden mit 2,7 bzw. 7,1 g/cm3 bestimmt, was ihre Identität als Aluminium und Zink bestätigt.
Schließlich sind Dichteunterschiede nützlich, um Komponenten eines komplexen Gemisches zu trennen. Bei einer Methode, die als Dichtegradientenzentrifugation bezeichnet wird, werden abnehmende Konzentrationen von Saccharose oder Polymeren geschichtet, um einen Gradienten zu erzeugen. Die Probe wird dann darüber gegeben. Dieses Gemisch wird dann einer Zentrifugation unterzogen ? das Schleudern des Gemisches mit hoher Geschwindigkeit, um eine "Zentrifugalkraft" zu erzeugen, die zur Bildung eines Konzentrationsgradienten des Moleküls führt. Die Bestandteile des Gemisches wandern entlang dieses Gradienten zu einem Punkt, mit dem seine Dichte vergleichbar ist.
In diesem Beispiel wurde eine bestimmte Art von Lipidtröpfchen oder kleinen Tropfen von Fettmolekülen aus Zellen isoliert. Eine homogenisierte Mischung wurde zunächst durch Aufbrechen der Zellen erhalten. Durch das Zentrifugieren des Gemisches in einem Saccharose-Dichtegradienten gelang es, die Tröpfchen von anderen zellulären Bestandteilen zu trennen, die aus Lipiden bestehen, wie z. B. den Zellen? Membranen.?
Sie haben gerade die Einführung von JoVE gesehen, die Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit und eines Feststoffs. Sie sollten jetzt Masse, Volumen und Dichte verstehen und eine gute Vorstellung davon haben, wie Sie diese Größen messen können.
Danke fürs Zuschauen!
