Overview
מקור: המעבדה של ד"ר מייקל אוונס — המכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה
היחס בין המסה של חומר לנפחו ידוע בשם צפיפות המסה או, פשוט, את הצפיפות של החומר. צפיפות באה לידי ביטוי ביחידות של מסה לכל נפח, כגון g / mL או קילוגרם / מ'3. מכיוון שצפיפות החומר אינה תלויה בכמות החומר הקיימת, צפיפות היא "מאפיין אינטנסיבי".
כדי למדוד את הצפיפות של מדגם של חומר, יש לקבוע הן את המסה והן את הנפח של המדגם. עבור מוצקים ונוזלים, ניתן להשתמש באיזון כדי למדוד מסה; עם זאת, שיטות לקביעת נפח שונות עבור מוצקים ונוזלים. כמו נוזלים יכולים לזרום ולקחת את הצורות של המיכלים שלהם, כלי זכוכית כגון גליל מדורג או בקבוקון נפחי יכול לשמש כדי למדוד את הנפח של נוזל. ניתן למדוד את הנפח של מוצק בצורה לא סדירה על ידי טביעה בנוזל - ההבדל בנפח הנגרם על ידי הוספת המוצק שווה לנפח המוצק.
הדגמה זו ממחישה את השיטות למדידת צפיפות המוצקים והנוזלים. באמצעות בקבוקון נפחי ואיזון אנליטי, ניתן לקבוע את צפיפות האתנול. באמצעות גליל מדורג, איזון אנליטי ומים כבוזל שנעקר, ניתן לקבוע את הצפיפות של מתכת אבץ.
Principles
בהגדרה, לכל החומר יש מסה והוא תופס נפח. הצפיפות של חומר היא היחס בין המסה שלו לנפח שלה. בטמפרטורה ובלחץ קבועים, הצפיפות של חומר היא קבועה.
צפיפות היא מאפיין אינטנסיבי של חומר שאינו תלוי בכמות החומר הקיימת. לכן, צפיפות יכולה לשמש כדי לזהות חומר טהור לא ידוע אם רשימה של צפיפות התייחסות זמין, ואת הנסיין יכול לבחור כמות נוחה של חומר לעבוד עם בעת מדידת צפיפות.
כדי למדוד את הצפיפות של מדגם של חומר, יש צורך למדוד את המסה ואת נפחו. המסה נמדדת בדרך כלל באמצעות איזון אנליטי, מכשיר מדויק המסתמך על הכוח המופעל על ידי המדגם בשל כוח המשיכה. הגורם המכיל להחזקת המדגם (המשמש גם למדידת נפח) נשקל ומכומת, כך שרק מסת המדגם מופיעה בתצוגת היתרה כאשר המדגם נוסף לגורם המכיל.
עבור נוזלים, מיכל זה הוא בדרך כלל בקבוקון נפחי, אשר יש סימון אחד המתאים לאמצעי אחסון מסוים. המיכל מלא לקו עם דגימת הנוזל ושוקל שוב לאחר הבקבוק הריק כבר זפת. הצפיפות הנמדדת היא היחס בין המסה הנמדדת לנפח המצוין על הבקבוקון.
רוב החומרים המוצקים מעוצבים באופן לא סדיר, מה שמסבך את קביעת הנפח. זה לא מדויק, למשל, כדי לקבוע את נפח האבקה על ידי מדידת מידותיה. במקום למדוד מידות ישירות או להשתמש בכלי זכוכית כמו בקבוקון נפחי, יש צורך לעשות שימוש בשיטת תזוזה נוזלית כדי למדוד את הנפח של מוצק בצורה לא סדירה. גליל מדורג המכיל נפח ידוע של נוזל (שבו מוצק הוא מסיס) הוא זפת. המוצק מתווסף לצילינדר, והמסה הכוללת נשקלת שוב כדי לקבוע את המסה של המוצק. תוספת של מוצק גורם עקירה כלפי מעלה של הנוזל, וכתוצאה מכך קריאת נפח חדשה. נפח המוצק שווה לשינוי בנפח עקב תזוזה נוזלית (כלומר,ההבדל בנפח הנוזל לפני ואחרי הוספת מוצק).
באשר לנוזלים, הצפיפות הנמדדת של מדגם מוצק היא היחס בין המסה הנמדדת לנפח הנמדד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. קביעת צפיפות האתנול הנוזלי
- הניחו בקבוק נפחי נקי ויבש של 50 מ"ל על איזון אנליטי.
- לחץ על כפתור "Tare" או "אפס" על היתרה. היתרה צריכה להיקרא 0.000 גרם.
- השתמש משפך buret להוסיף 45 מ"ל של אתנול נוזלי לבקבוק נפחי.
- השתמש פיפטה פסטר כדי להוסיף את 5 מ"ל הסופי של נוזל, רק עד תחתית המניסקוס של הנוזל נוגע הסימון על הבקבוקון.
- שקול את הבקבוק הנפחי שוב ולתעד את המסה של האתנול.
- לקבלת התוצאות הטובות ביותר, חזור על שלבים 1.1 – 1.5 פעמיים נוספות כדי להשיג שתי מדידות צפיפות נוספות.
2. קביעת צפיפות המתכת הסולידית אבץ
- הוסיפו כ-40 מ"ל מים לצילינדר נקי ויבש של 100 מ"ל. הקלט את הנפח המדויק של המים.
- מניחים את הגליל והמים על איזון אנליטי. לחץ על כפתור "Tare" או "אפס" על היתרה. היתרה צריכה להיקרא 0.000 גרם.
- הוסיפו כ-10 כדורי אבץ לצילינדר המדורג. תיעדו את הנפח החדש של המים בתוספת כדורי אבץ באמצעות רמת הנוזלים לאחר תוספת האבץ (איור 1).
איור 1. אבץ שנוסף לצילינדר מימין גורם לעקירת מפלס המים כלפי מעלה. - שקול את גליל, מים, וכדורי אבץ על האיזון. תעד את המסה של כדורי האבץ.
- לקבלת התוצאות הטובות ביותר, חזור על שלבים 2.1 – 2.4 פעמיים נוספות כדי להשיג שתי מדידות צפיפות נוספות.
צפיפות, המוגדרת כמסה של חומר ליחידת נפח, היא מאפיין פיזי חשוב לאפיון מערכת חומרית או כימית.
מתמטית, הצפיפות מחושבת כמסה של חומר לכל נפח שהיא תופסת. הסמל היווני "ρ" משמש בדרך כלל לציון צפיפות במדעי הפיזיקה. כדי להשיג את הצפיפות של חומר, המסה והנפח שלו נקבעים על ידי מדידה.
וידאו זה יציג את עקרונות קביעת הצפיפות, את ההליכים לחישוב הצפיפות של חומרים מוצקים ונוזלים, וכמה יישומים של צפיפות במחקר מדעי.
לכל החומר יש מסה, והמסה הזו תופסת נפח מסוים.
עם זאת, נפח החלל הכבוש על ידי אותה מסה שונה עבור חומרים שונים, בהתאם לצפיפותם בהתאמה. לדוגמה, לטון של לבנים יש את אותה מסה כמו לטון של נוצות, אבל תופס הרבה פחות נפח. צפיפות מתקבלת על ידי חלוקת מסה לפי נפח. . מסה ניתן למדוד עם קשקשים או איזונים, והוא בא לידי ביטוי גרם או קילוגרמים.
על פי המוסכמה, נפח הנוזלים והגזים מתבטא לעתים קרובות ביחידות של ליטרים או מיליליטר, נמדדים בכלי זכוכית. הממדים של מוצקים בעלי צורה קבועה ניתנים למדידה ישירות באמצעות סרגלים או קליפרים, בעלי יחידות ליניאריות, המעניקות נפחים ביחידות כגון סנטימטרים מעוקבים. מיליליטר אחד שווה לסנטימטר מעוקב אחד.
לא ניתן למדוד בקלות את הממדים של דגימות מוצקות בצורה לא סדירה. במקום זאת, הנפחים שלהם יכולים להיקבע על ידי טביעת מוצק בנוזל. נפח המוצק השקוע שווה לנפח הנוזל שנעקר.
עכשיו שאתם מבינים את מושג הצפיפות, בואו נסתכל על שני פרוטוקולים לקביעת צפיפות נוזל ומוצק.
כדי להתחיל בהליך זה, מניחים בקבוק נפחי נקי ויבש של 50 מ"ל על איזון אנליטי. לאחר המדידה התייצבה, tare האיזון. היתרה צריכה לקרוא אפס. השתמש משפך כדי להוסיף כ 45 מ"ל של נוזל לבקבוקון. אל תתמלא בסימן הכיול. השתמש פיפטה פסטר להוסיף בזהירות את 5 מ"ל הסופי של נוזל, רק עד תחתית המניסקוס של הנוזל נוגע בקו על הבקבוקון. שקול את הבקבוקון שוב ולתעד את המסה של הנוזל. חזור על המדידות לפחות פעמיים כדי לקבל ערכים נוספים לחישוב צפיפות ממוצעת. התוצאות מוצגות בטבלה זו. הצפיפות הממוצעת שנמדדה הייתה 0.789 גרם/מ"ל, התואמת את ערך הספרות לאתנול.
כדי לקבוע את הצפיפות של מוצק לא סדיר בצורת גלולה, להוסיף כ 40 מ"ל של מים לצילינדר נקי ויבש 100 מ"ל מדורג. הקלט את עוצמת הקול המדויקת. מניחים את הגליל על איזון אנליטי וטאר. מוסיפים כ-10 כדורים ומקליטים את הנפח החדש לאחר התוספת. שקול את הגליל, המים והכדורים. המסה היא רק הכדורים, כמו השאר כבר זפת. ערוך לפחות שתי קבוצות נוספות של מדידות מסה ונפח כדי לחשב ערך ממוצע של הצפיפות. הצפיפות באבץ נמדדה בשלוש דגימות שונות. זה נמצא להיות 6.3 g / mL. שימו לב שמכיוון שהמדידות נעשו בגליל מדורג, שהוא פחות מדויק מבקבוק נפחי, לצפיפות יש רמת דיוק נמוכה יותר.
בואו נסתכל עכשיו על כמה יישומים שונים של צפיפות לתחום אחר של מחקר מדעי.
צפיפות שימושית לזיהוי או אימות של חומרים טהורים, כגון אלמנטים או מינים אחרים של טוהר ידוע. לדוגמה, מכיוון שלזהב יש צפיפות גבוהה יותר ממתכות זולות רבות אחרות, חישוב הצפיפות של מטבע זהב הוא דרך מהירה וזולה לבדוק את טוהרו. אם הצפיפות אינה תואמת את זו של הזהב, המטבע אינו טהור. כאן, מטבע זהב נמצאה עם מסה של 27.55 גרם ונפח של 1.84 ס"מ3, נותן צפיפות של 14.97 גרם / ס"מ3, שהוא נמוך משמעותית מצפיפות הזהב של 19.3 גרם / ס"מ3, המציין כי המטבע אינו עשוי זהב טהור.
מדידות צפיפות יכולות לשמש גם כדי לזהות חומר לא ידוע אם רשימה של צפיפות התייחסות אפשרית זמינה, וניתן להשתמש בהן כדי להבחין בין מתכות דומות במראהן. בדוגמה זו, המדען מנסה לזהות שתי דגימות של מתכת כסף מבריקה, אשר יכול להיות גם אלומיניום או אבץ. בעוד שלשני הדגימות יש את אותה המסה, הנפחים שלהן שונים במידה ניכרת. הצפיפות נקבעה להיות 2.7 ו 7.1 גרם / ס"מ3 בהתאמה, המאשר את זהותם כמו אלומיניום ואבץ.
לבסוף, הבדלים בצפיפות שימושיים להפרדת רכיבים של תערובת מורכבת. בשיטה הנקראת צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות, הפחתת ריכוזי סוכרוז או פולימרים מושתתתים כדי ליצור מעבר צבע. לאחר מכן הדוגמה נוספת למעלה. תערובת זו נתונה לצנטריפוגה - ספינינג התערובת במהירות גבוהה כדי ליצור "כוח צנטריפוגלי" שיוביל להיווצרות שיפוע ריכוז של המולקולה. רכיבי התערובת יעברו לנקודה לאורך הדרגתי זה, שבה ניתן להשוות את צפיפותה.
בדוגמה זו, סוג מסוים של טיפות שומנים, או טיפות קטנות של מולקולות שומן, היה מבודד תאים. תערובת הומוגנית הושגה לראשונה על ידי שבירת התאים. על ידי צנטריפוגה התערובת בשיפוע צפיפות סוכרוז, הטיפות הופרדו בהצלחה מרכיבים תאיים אחרים העשויים שומנים, כגון ממברנות התאים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב את הקביעה של צפיפות נוזל ומוצק. כעת עליך להבין מסה, נפח וצפיפות, כמו גם לחשוב היטב כיצד למדוד כמויות אלה.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
טבלה 1 מפרטת תוצאות לקביעת צפיפות האתנול באמצעות בקבוק נפחי של 50 מ"ל. הצפיפות חושבה על ידי חלוקת המסה הנמדדת ב-50.0 מ"ל. הצפיפות הממוצעת שנמדדה הייתה 0.789 ± 0.001 גרם/מ"ל. טבלה 2 מפרטת תוצאות לקביעת הצפיפות של מדגם של מתכת אבץ באמצעות גליל בוגר 100 מ"ל ושיטת תזוזה נוזלית. שים לב כי הצפיפות הנמדדת היא קבועה (בתוך שגיאה ניסיונית) עבור שני החומרים. טבלה 2, בפרט, מדגימה כי הצפיפות אינה תלויה בכמות החומר הנחקר.
| בדיקה | מסה של אתנול (ז) | נפח אתנול (mL) | צפיפות (g/mL) |
| 1 | 39.448 | 50.0 | 0.789 |
| 2 | 39.392 | 50.0 | 0.788 |
| 3 | 39.489 | 50.0 | 0.790 |
טבלה 1. תוצאות לקביעת צפיפות האתנול באמצעות בקבוקון נפחי 50 מ"ל.
| בדיקה | מסה של אבץ (גרם) | נפח אבץ (mL) | צפיפות (g/mL) |
| 1 | 5.6133 | 0.9 | 6.2 |
| 2 | 7.6491 | 1.2 | 6.3 |
| 3 | 8.2164 | 1.3 | 6.3 |
טבלה 2. תוצאות לקביעת הצפיפות של מדגם של מתכת אבץ באמצעות גליל בוגר 100 מ"ל ושיטת תזוזה נוזלית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
צפיפות היא מאפיין אינטנסיבי אופייני של חומר. לכן, מדידות צפיפות ניתן להשתמש כדי לזהות חומר טהור לא ידוע אם רשימה של צפיפות ייחוס אפשרית זמינה. לדוגמה, ניתן להשתמש בצפיפות כדי להבחין בין מתכות דומות במראה החיצוני (איור 2).
בהקשרים שבהם מסה נמוכה מאוד או גבוהה מאוד רצויה, צפיפות היא מאפיין חומרי קריטי. מהנדסי חומרים לשקול בזהירות את צפיפות החומרים לבנייה בהקשרים אלה. לדוגמה, גופם של כמה מחשבים ניידים קלים עשויים אלומיניום, אחת המתכות הפחות צפופות. מחבטי טניס קלים מכילים טיטניום, עוד מתכת בצפיפות נמוכה.
איור 2: מסות שוות ערך של מתכת אלומיניום (Al) ואבץ (Zn). מתכת האבץ תופסת נפח קטן בהרבה בשל צפיפותה הגבוהה יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
