Overview
출처: 마이클 에반스 박사 연구소 — 조지아 공과대학
질량의 질량의 부피에 대한 질량의 비율은 질량 밀도 또는, 간단하게, 물질의 밀도로 알려져 있다. 밀도는 g/mL 또는 kg/m3와같은 부피당 질량 단위로 표현된다. 물질의 밀도가 존재하는 물질의 양에 의존하지 않기 때문에 밀도는 "집중적 특성"입니다.
재료 의 샘플의 밀도를 측정하려면 샘플의 질량과 부피를 모두 결정해야합니다. 고체와 액체 모두에 대 한, 균형을 질량을 측정 하는 데 사용할 수 있습니다.; 그러나 부피를 결정하는 방법은 고체 및 액체에 대해 다릅니다. 액체가 용기의 모양을 흐르고 취할 수 있기 때문에, 졸업된 실린더 또는 체피 플라스크와 같은 유리 제품을 사용하여 액체의 부피를 측정할 수 있습니다. 불규칙한 모양의 고체의 부피는 액체의 침수에 의해 측정될 수 있습니다 — 고체첨가에 의한 부피의 차이는 고체의 부피와 동일하다.
이 데모는 고체 및 액체의 밀도를 측정하는 방법을 보여줍니다. 체적 플라스크와 분석 균형을 사용하여 에탄올의 밀도를 결정할 수 있습니다. 졸업된 실린더, 분석 균형 및 물을 변위 액체로 사용하여 아연 금속의 밀도를 결정할 수 있습니다.
Principles
정의에 따르면 모든 물질은 질량을 가지며 볼륨을 차지합니다. 물질의 밀도는 질량의 부피비율입니다. 일정한 온도와 압력에서 물질의 밀도는 일정합니다.
밀도는 존재하는 물질의 양에 의존하지 않는 물질의 집중적 인 속성입니다. 따라서, 밀도는 기준 밀도 목록이 이용 가능한 경우 알려지지 않은 순수 물질을 식별하는 데 사용될 수 있으며, 실험자는 밀도를 측정할 때 작업할 수 있는 편리한 양의 물질을 선택할 수 있다.
물질의 샘플의 밀도를 측정하려면 질량과 부피를 측정할 필요가 있습니다. 질량은 일반적으로 중력으로 인해 시료가 가하는 힘에 의존하는 정확한 계측기인 분석 균형을 사용하여 측정됩니다. 샘플을 보유하는 용기(또한 부피를 측정하는 데 사용)는 계량 및 타르처리되므로 샘플이 용기에 추가될 때 저울 디스플레이에만 샘플 질량이 나타납니다.
액체의 경우,이 용기는 일반적으로 특정 부피에 해당하는 하나의 표시가있는 체적 플라스크입니다. 용기는 액체 샘플로 라인에 채워지고 빈 플라스크가 타면 된 후 다시 무게를 측정합니다. 측정된 밀도는 플라스크상에 표시된 부피에 측정된 질량의 비율입니다.
대부분의 고체 물질은 불규칙하게 형성되어 부피 측정을 복잡하게 만듭니다. 예를 들어 크기를 측정하여 분말의 부피를 결정하는 것은 부정확합니다. 치수를 직접 측정하거나 체적 플라스크와 같은 유리 제품을 사용하는 대신, 불규칙한 모양의 고체의 부피를 측정하기 위해 액체 변위 방법을 사용해야 합니다. 알려진 액체 부피(고체가 불용성)를 포함하는 졸업된 실린더가 타게팅됩니다. 솔리드가 실린더에 추가되고 총 질량의 무게가 다시 계량되어 솔리드질량을 결정합니다. 고체를 첨가하면 액체의 위쪽 변위가 발생하여 새로운 부피 판독이 발생합니다. 고체의 부피는 액체변위(즉,고체 를 첨가하기 전과 후에 액체 부피의 차이)로 인한 부피의 변화와 동일합니다.
액체에 관해서는, 고체 샘플의 측정 된 밀도는 측정 된 질량과 측정 된 부피의 비율입니다.
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Procedure
1. 액체 에탄올밀도 결정
- 깨끗하고 건조한 50mL 볼륨 플라스크를 분석 밸런스에 놓습니다.
- 균형의 "타레" 또는 "제로" 버튼을 누릅니다. 잔액은 0.000g을 읽어야 합니다.
- 부렛 깔때기를 사용하여 체피 플라스크에 45mL의 액체 에탄올을 추가합니다.
- 파스퇴르 파이펫을 사용하여 액체 반월상 연골의 바닥이 플라스크의 표시에 닿을 때까지 최종 5mL의 액체를 추가합니다.
- 볼륨 플라스크의 무게를 다시 계량하고 에탄올의 질량을 기록합니다.
- 최상의 결과를 얻으려면 1.1 단계 - 1.5 단계를 두 번 더 반복하여 두 개의 추가 밀도 측정을 얻습니다.
2. 고체 아연 금속의 밀도 결정
- 깨끗하고 건조한 100mL 의 졸업 실린더에 약 40mL의 물을 추가합니다. 물의 정확한 부피를 기록합니다.
- 실린더와 물을 분석 균형에 놓습니다. 균형의 "타레" 또는 "제로" 버튼을 누릅니다. 잔액은 0.000g을 읽어야 합니다.
- 졸업 한 실린더에 약 10 아연 펠릿을 추가합니다. 아연(도 1)을첨가한 후 액체 레벨을 이용하여 물과 아연 펠릿의 새로운 부피를 기록한다.
그림 1. 오른쪽 의 실린더에 아연을 첨가하면 수위가 위쪽으로 변합니다. - 저울에 실린더, 물 및 아연 펠릿의 무게를 측정합니다. 아연 펠릿의 질량을 기록합니다.
- 최상의 결과를 얻으려면 2.1 단계 – 2.4 단계를 두 번 더 반복하여 두 개의 추가 밀도 측정을 얻습니다.
단위 부피당 물질의 질량으로 정의된 밀도는 재료 또는 화학 시스템을 특성화하는 중요한 물리적 특성입니다.
수학적으로 밀도는 점유하는 부피당 물질의 질량으로 계산됩니다. 그리스어 기호 "θ"는 일반적으로 물리 과학의 밀도를 나타내는 데 사용됩니다. 물질의 밀도를 얻기 위해 질량과 부피는 측정에 의해 결정됩니다.
이 비디오는 밀도 측정의 원리, 고체 및 액체 물질의 밀도 를 계산하는 절차 및 과학 연구에서 밀도의 일부 응용 프로그램을 소개합니다.
모든 물질은 질량을 가지고 있으며, 질량은 특정 볼륨을 차지합니다.
그러나, 동일한 질량에 의해 점유 되는 공간의 부피는 각각의 밀도에 따라 다른 물질에 대 한 다릅니다. 예를 들어, 벽돌의 톤은 깃털의 톤과 같은 질량을 가지고 있지만, 상당히 적은 볼륨을 차지한다. 밀도는 질량을 부피로 나누어 얻어진다. . 질량은 비늘 또는 저울로 측정할 수 있으며 그램 또는 킬로그램으로 표현됩니다.
규칙에 따라 액체와 가스의 부피는 종종 유리 제품으로 측정되는 리터 또는 밀리리터 단위로 표현됩니다. 정기적으로 모양의 고형물의 치수는 선형 단위가 있는 눈금자 또는 캘리퍼로 직접 측정할 수 있어 입방 센티미터와 같은 단위로 볼륨을 제공합니다. 1 밀리리터는 1 입방 센티미터에 해당합니다.
불규칙한 모양의 고체 샘플의 치수를 쉽게 측정할 수 없습니다. 대신, 그들의 부피가 액체에 고체를 침수하여 결정될 수 있습니다. 침수된 고체의 부피는 변위된 액체의 부피와 같습니다.
이제 밀도의 개념을 이해하게 되었으므로 액체와 고체의 밀도를 정확하게 결정하기 위한 두 가지 프로토콜을 살펴보겠습니다.
이 절차를 시작하려면 분석 균형에 깨끗하고 건조한 50mL 볼륨 플라스크를 놓습니다. 측정이 안정화된 후 균형을 바레하십시오. 잔액은 0을 읽어야 합니다. 깔때기를 사용하여 플라스크에 약 45mL의 액체를 추가하십시오. 교정 마크에 채워지지 마십시오. 파스퇴르 파이펫을 사용하여 액체 반월상 연골의 바닥이 플라스크의 선에 닿을 때까지 최종 5mL의 액체를 조심스럽게 추가하십시오. 플라스크의 무게를 다시 계량하고 액체질량을 기록합니다. 평균 밀도를 계산하기 위해 추가 값을 얻기 위해 적어도 두 번 측정을 반복합니다. 결과는 이 표에 표시됩니다. 평균 측정 밀도는 0.789 g/mL로 에탄올의 문헌 값과 일치합니다.
펠릿 형태의 불규칙한 고체의 밀도를 결정하려면 약 40mL의 물을 깨끗하고 건조한 100mL 의 졸업 실린더에 추가합니다. 정확한 볼륨을 기록합니다. 실린더를 분석 밸런스에 놓고 적어 두는 다. 약 10개의 펠릿을 추가하고 추가 후 새 볼륨을 기록합니다. 실린더, 물 및 펠릿의 무게. 질량은 펠릿일 뿐이며, 나머지는 타르로 되어 있습니다. 밀도의 평균 값을 계산하기 위해 질량 및 부피 측정의 적어도 두 개의 추가 세트를 만듭니다. 아연의 밀도는 세 가지 다른 샘플에 대해 측정되었다. 그것은 6.3 g/mL로 밝혀졌다. 체적 플라스크보다 덜 정확한 대학원 실린더에서 측정이 이루어졌기 때문에 밀도는 정밀도가 낮습니다.
이제 과학 연구의 다른 분야에 밀도의 여러 가지 응용 프로그램을 살펴 보자.
밀도는 요소 또는 알려진 순도의 다른 종과 같은 순수한 물질을 식별하거나 검증하는 데 유용합니다. 예를 들어, 금은 다른 많은 저렴한 금속보다 밀도가 높기 때문에 금화의 밀도를 계산하는 것은 순도를 테스트하는 빠르고 저렴한 방법입니다. 밀도가 금과 일치하지 않으면 동전은 순수하지 않습니다. 여기서 금화는 질량이 27.55g이고 부피가 1.84cm3인것으로 나타났으며, 이는 14.97 g/cm3의밀도를 주어 19.3 g/cm3의 금 밀도보다 현저히 적은 3개의 동전이 순수한 금으로 만들어지지 않음을 나타낸다.
밀도 측정은 또한 가능한 참조 밀도 목록을 사용할 수 있는 경우 알 수 없는 물질을 식별 하는 데 사용할 수 있습니다., 외관에서 유사한 금속을 구별 하는 데 사용할 수 있습니다. 이 예에서 과학자는 알루미늄 또는 아연일 수 있는 반짝이는 은금속의 두 가지 샘플을 식별하려고 합니다. 두 샘플은 질량과 동일하지만 볼륨은 상당히 다릅니다. 밀도는 각각 2.7 g/cm3으로 결정되어 알루미늄과 아연으로서의 정체성을 확인했습니다.
마지막으로 밀도의 차이는 복잡한 혼합물의 구성 요소를 분리하는 데 유용합니다. 밀도 그라데이션 원심분리라고 하는 방법에서는 자당 또는 폴리머의 농도감소가 그라데이션을 생성하기 위해 계층화된다. 그런 다음 샘플이 위에 추가됩니다. 이 혼합물은 원심분리를 거친 다음, 분자의 농도 그라데이션의 형성으로 이어질 "원심력"을 생성하는 고속으로 혼합물의 회전을 실시한다. 혼합물의 구성 요소는 밀도가 유사한 이 그라데이션을 따라 지점으로 마이그레이션됩니다.
이 예에서, 지질 물방울의 특정 모형, 또는 지방 분자의 작은 방울은, 세포에서 단열되었다. 균질화된 혼합물은 먼저 세포를 열어 놓고 서게 하였다. 자당 밀도 그라데이션에서 혼합물을 원심분리함으로써, 물방울은 세포의 막과 같은 지질으로 만들어진 다른 세포 성분으로부터 성공적으로 분리되었다.
당신은 방금 JoVE의 도입이 액체와 고체의 밀도에 대한 결정을 지켜보았습니다. 이제 질량, 볼륨 및 밀도뿐만 아니라 이러한 수량을 측정하는 방법에 대한 좋은 아이디어를 가져야 합니다.
시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
표 1은 50mL 체피 플라스크를 사용하여 에탄올 밀도의 측정 결과를 나열합니다. 밀도는 측정된 질량을 50.0mL로 나누어 계산되었다. 평균 측정 밀도는 0.789 ± 0.001 g/mL이었다. 표 2는 100mL 의 졸업 실린더 및 액체 변위 방법을 사용하여 아연 금속 샘플의 밀도의 측정 결과를 나열합니다. 측정된 밀도는 두 물질 모두에 대해 일정(실험 오류 내)입니다. 표 2,특히, 밀도는 연구 물질의 양과 무관하다는 것을 보여줍니다.
| 재판 | 에탄올 질량 (g) | 에탄올의 부피 (mL) | 밀도(g/mL) |
| 1 | 39.448 | 50.0 | 0.789 |
| 2 | 39.392 | 50.0 | 0.788 |
| 3 | 39.489 | 50.0 | 0.790 |
표 1. 50mL 체피 플라스크를 사용하여 에탄올 밀도의 측정을 위한 결과.
| 재판 | 아연 덩어리 (g) | 아연의 부피 (mL) | 밀도(g/mL) |
| 1 | 5.6133 | 0.9 | 6.2 |
| 2 | 7.6491 | 1.2 | 6.3 |
| 3 | 8.2164 | 1.3 | 6.3 |
표 2. 100mL 의 졸업 실린더 및 액체 변위 방법을 사용하여 아연 금속 샘플의 밀도측정결과를 낸다.
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Applications and Summary
밀도는 물질의 특성 집중적 특성입니다. 따라서, 밀도 측정은 가능한 기준 밀도 목록을 사용할 수 있는 경우 알 수 없는 순수 물질을 식별하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 밀도는 외형에서 유사한 금속을 구별하는 데 사용될 수있다(도 2).
질량이 매우 낮거나 매우 높은 컨텍스트에서 밀도는 중요한 재료 특성입니다. 재료 엔지니어는 이러한 맥락에서 시공재료의 밀도를 신중하게 고려합니다. 예를 들어 일부 경량 노트북 컴퓨터의 시체는 가장 조밀한 금속 중 하나인 알루미늄으로 만들어집니다. 경량 테니스 라켓에는 또 다른 저밀도 금속티타늄이 들어 있습니다.
그림 2: 알루미늄(Al) 및 아연(Zn) 금속의 동등한 질량. 아연 금속은 밀도가 높기 때문에 훨씬 작은 부피를 차지합니다.
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