Химик-аналитик

Описание

Министерство образования и науки Российской Федерации
_______________________________________________________________
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт –Петербургский государственный технологический инст итут
(технический университет) »


Кафедра инженерной защиты окружающей среды





С.В. Колесников








ФИЗИКО -ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
АНАЛИЗА


Учебное пособие
для студентов заочной формы обучения
специальности «Инженерная защита окружающей среды»










Санкт -Петербург
2010

УДК 502

Колесников С.В. Физико -химические методы анализа / С.В.Колесников
- СПб.: ГОУ ВПО СПбГТИ(ТУ), 2010 . - 122 с.




В учебном пособии изложены основные физико -химические методы
анализа: методы определения плотности веществ а, температуры кипения,
показателя преломления, методы установления строения веществ (ИК, МС,
ЯМР), методы тонкослойного разделения, эмиссионного анализа.
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса заочного отд е-
ления в соответствии с рабочей про граммой по разделу «Физико -химические
методы анализа» дисциплины «Аналитическая химия» для специальности
280202 – Инженерная защита окружающей среды.

Рис.137, табл. 24.

Рецензенты:
1. ГОУ ВПО Санкт -Петербургский Политехнический университет. Зав.
кафед рой безопасности жизнедеятельности канд. техн. наук доцент
Ефремов С.В.

2. Гарабаджиу А.В., д-р химических наук, проф., проректор по научной
работе СПбГТИ(ТУ).












Утверждено на заседании учебно -методической комиссии факультета
защиты окружающей среды 23.10.2010.

Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................ ................................ ................................ ............. 4
1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ ПО ИХ ТЕМПЕРАТУРЕ
ПЛАВЛЕН ИЯ -ОТВЕРДЕВАНИЯ, КИПЕНИ Я -КОНДЕНСАЦИИ ............ 7
2 ПЛОТНОСТЬ И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ................................ .... 14
3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВЕЩ ЕСТВ ПО ПОКАЗАТЕЛЮ
ПРЕЛОМЛЕНИЯ ................................ ................................ ................................ 27
4 ТОНКОСЛОЙНАЯ ХРОМА ТОГРАФИЯ ................................ ................... 38
ПОРТАТИВНЫЙ НАБОР ДЛ Я ТСХ ................................ .............................. 44
5 МЕТОД ЭМИССИОННО Й ФОТОМЕТРИИ ПЛАМЕНИ ...................... 53
6 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ................................ ... 57
7 ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТ РОСКОПИЯ ................................ .................... 71
8 МАСС -СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ М ЕТОД АНАЛИЗА ....................... 87
9 ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР) ................................ ..... 104
КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ ................................ ................................ ........... 116
Контрольная работа №1 ................................ ................................ .................. 116
Контрольная работа №2 ................................ ................................ .................. 118
Контрольная работа №3 ................................ ................................ .................. 119

ВВЕДЕНИЕ
Физико -химические методы анализа
Анализ веществ и сложных проб в настоящее время проводится самыми
различными методами, которые условно можно подразделить на:
методы измерения констант вещества;
спектральные;
хроматографические;
электрохимические.
Групп а спектральных методов анализа
Метод нейтронно -активационного анализа дает достаточно полную ка р-
тину по содержанию различных химических элементов, содержащихся в воде и
определяемых по их радиоактивным изотопам. Метод плохо приме ним к эл е-
ментам, которые имеют малое сечение активации, не позволяет проводить и з-
мерения содержания различных ионов и веществ в целом. Идентификация пр о-
водится по гамма -спектрам полученных изотопов.
Эмиссионный спектральный анализ также позволяет анализир овать эл е-
менты, преимущественно находящиеся в водной среде. Для этого проба нагр е-
вается в пламени до температур около 2000 -3000 оС и по спектру определяется
содержание исследуемых элементов. Атомно -абсорбционный метод предста в-
ляет собой разновидность спе ктрального анализа плазмы. По технике исполн е-
ния близок к эмиссионному спектральному анализу, только основан на погл о-
щении плазмой света. Способен одновременно определять до 70 элементов.
Спектрофотометрические методы используются для определения
ионов и веществ. Являются самыми распространенными методами, использу е-
мыми в настоящее время. В зависимости от выбранной методики с их помощью
могут быть определены практически все вредные вещества, которые в значимых
количествах присутствуют в атмосфере. Для эт их целей используются ультр а-
фиолетовая, видимая и инфракрасная области спектра.
Фотометрические методы позволяют определять в воде, как ионы, так и
отдельные неорганические и органические вещества. В их основе, как правило,
лежит достаточно специфическая окрашенная реакция исследуемого вещества
и каким -либо реагентом. Интенсивность развивающейся окраски в определе н-
ных пределах пропорциональна содержанию в воде исследуемого вещества. С
помощью фотометров определяется оптическая плотность раствора и по кали б-
ровочному графику определяется концентрация измеряемого вещества. Свет о-
фильтр, на котором рекомендуется проводить определение, указывается в мет о-
дике. Фотометры просты в эксплуатации, достаточно дешевы в производстве,
имеются практически во всех аналитич еских лабораториях.
Спектрофотометрические методы отличаются от фотометрических
только выбором конкретной длины волны и определения на ней оптической
плотности. По этой причине эти методы точнее фотометрических. Длина волны,
на которой рекомендуется прово дить определение, обычно указана в методике.

Методы инфракрасной спектроскопии позволяют снимать спектры п о-
глощения и измерять величину пропускания. Метод исследования существенно
отличается от спектрофотометрического и фотометрического. Снимаемый в
ИК -обл асти спектр не дает однозначного ответа о содержании конкретного
компонента, но позволяет судить о присутствии в пробе различных соединений,
имеющих различные функциональные группы. Использование ИК спектроме т-
ров для практических целей обычно позволяет опр еделять содержание в воде
(почве) группы однотипных соединений поглощающих ИК -излучение в одной
области. Используются ИК спектрометры преимущественно в исследовател ь-
ских целях для идентификации органических соединений сложного строения и
сложных по составу смесей. Соединение данного метода с хроматографическим
методом разделения смесей дает очень широкие перспективы в аналитической
практике. В этом случае появляется возможность идентификации сложной см е-
си по библиотеке ИК -спектров. Однако широкого распрост ранения данный м е-
тод пока не получил из -за большой стоимости оборудования такого типа.
Флуоресцентный анализ основан на возбуждении молекул в УФ свете с
последующим испусканием ими квантов света и измерении его интенсивности.
Метод широкого распространения не получил из -за ограниченной возможности
идентификации структур органических соединений. Применяется для измер е-
ния суммарного присутствия в воде продуктов, поглощающих УФ свет. (Орг а-
ника в сточных водах, нефтепродукты в воде).
Метод ядерного магнитного р езонанса основан на резонансе отдельных
атомов в молекуле органического вещества, возникающем при изменении ч а-
стоты напряженности внешнего электромагнитного поля. В зависимости от
формы получаемого сигнала различают протонный, углеродный, азотный,
фосфорн ый, фторный и др. магнитный резонансы. Данный метод позволяет
исследовать тонкую структуру органических молекул и выяснять расположение
перечисленный атомов в молекулярной структуре. Широко применяется в орг а-
нической химии для исследования строения вещес тв в совокупности с методом
ИК спектрометрии, масс -спектрометрии.
Метод электронного парамагнитного резонанса используется для обн а-
ружения и изучения спектров свободных радикалов. Используется преимущ е-
ственно в исследовательских целях.
Метод рентгеностру ктурного анализа используется для обнаружения
металлов и их соединений в различных средах. Метод основан на изучении
спектра рентгеновских лучей прошедших сквозь образец или испущенных им.
Результатом исследования является зависимость интенсивности рассея нного и з-
лучения от угла рассеяния. О количественном и качественном составе анализ и-
руемого вещества судят также по энергиям и количеству испущенных квантов.
Используется достаточно широко из -за простоты аппаратурного оформления.
Группа хро матографических м етодов анализа
Хроматографические методы разделения нашли исключительно
большое распространение в практике при анализе водных и газовых сред.
Различают:
- газо -адсорбционную хроматографию

- газожидкостную хроматографию
- жидкостную хроматографию
- ионную хроматографию

Возможности хроматографических методов сильно изменяются в завис и-
мости от типов детекторов применяемых для анализа, а также типов колонок,
используемых для разделения исследуемых смесей.
Соединение возможностей капиллярной хроматографии с ма сс детект о-
ром привело к появлению хромато -масс -спектрометров и дало хромато -масс -
спектрометрию - новое направление в аналитической химии, которое являе т-
ся одним из самых перспективных .
Группа эл ектрохимических методов анализа
Электрохимические методы осн ованы на использовании электрохимич е-
ских процессов, протекающих в электролитических ячейках. Электрохимич е-
ские методы имеют ряд преимуществ, основными из которых являются: выс о-
кое быстродействие, простота, экономичность, надежность, широкий диапазон
измере ния, способность длительно работать без обслуживания. Среди электр о-
химических методов различают:
 кулонометрический метод;
 полярографический метод;
 потенциометрические методы.
Кулометрический метод основан на измерении количества электрич е-
ства, затрачиваемо го на электрохимическое превращение вещества. Определив
количество электричества можно определить и массу определяемого вещества.
Полярографический метод основан на взаимосвязи между проводимостью и с-
следуемого раствора и концентрацией анализируемых ион ов в растворе. Мет о-
ды используются для оценки общего солевого состава морских, минеральных,
технических вод.
Потенциометрические методы основаны на протекании реакций на
межфазных (электродных) границах. Среди них в свою очередь различают:
 электронно -обмен ные;
 ион -селективные.
Электронно -обменные методы основаны на измерении величины тока в
растворе, обусловленного перемещением электронов.
Ион -селективные методы основаны на измерении величины тока, в ы-
званного перемещением определенных ионов. В настоящее вре мя в практике
широко используются следующие ион селективные электроды:
К+; Nа+; Ва +2; Са +2; NН4+; Ag +; NО2-; NО3-; Cl -; Cl О4-; I-; S-2; СО 3-2
В объеме настоящего учебного пособия рассмотрены только некоторые
методы физико –химического определения веществ из -за ограниченности его
объема, а также из -за рассмотрения ряда методов в составе других дисциплин.

1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ЕЩЕСТВ ПО ИХ ТЕ М-
ПЕРАТУРЕ ПЛАВЛЕНИЯ -ОТВЕРДЕВАНИЯ, КИПЕНИ Я -
КОНДЕНСАЦИИ
Температуры фазовых переходов – кипения (конденсации) и плавл е-
ния (отвердевания) широко используются для идентификации веществ и их
смесей и являются одними из очень важных физических констант веществ.
Температура плавления и отвердевания — температура , при кот о-
рой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и
наоборот. При температуре плавления вещество может находиться как в
жидком , так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительного тепла
вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет меняться, п о-
ка всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении
лишнего тепла (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние
(застывать) и, пока оно не застынет полностью, температура не изменится
(Рис унок 1.1).

Рис унок 1.1 - Определение температуры пла вления
Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только
для чистого вещества. Температуру плавления при нормальном атмосферном
давлении (1013,25 гПа , или 760 мм ртутного столба ) называют точкой пла в-
ления . Смеси веществ не имеют температуры плавления -отвердевания вовсе,
и совершают переход в некотором диапазоне температур (температура поя в-
ления жидкой фазы называется точкой солидуса , температура полного пла в-
ления — точкой ликвидуса ). Точно измерить температуру плавления такого
рода веществ невозможно. Наличие определённой температуры плавления —
важный признак правильного кристаллического строения твёрдых тел. По
этому признаку их легко отличить от аморфных твёрдых тел, которые не
им еют фиксированной Тпл. Аморфные твёрдые тела переходят в жидкое с о-
стояние постепенно, размягчаясь при повышении температуры. Аморфные
(некристаллические) вещества, как правило, не обладают чёткой температ у-
рой плавления, с ростом температуры снижается вязкость таких веществ, и

чем ниже вязкость, тем более жидким становится материал. Температуры
плавления некоторых веществ приведены в таблице 1.1
Таблиц а 1.1 - Температуры плавления некоторых веществ
Вещество Температура плавления (°C )
водород = −259,2 =
кислород = −218,8 =
азот = −210,0 =
этиловый спирт = −114,5 =
аммиак = −77,7 =
ртуть = −38,87 =
водяной лёд = M=
бензол = +5,5P =
цезий = +28,64 =
олово = +231,9P =
свинец = +327,5 =
алюми ний = +660,1 =
серебро = +960,8 =
золото = +106P =
железо = +153V =
платина = +1769,P =
корунд = +205M =
титан = +219S =
цирконий = +2398 =
молибден = +316P =
вольфрам = +341M =
оксид тория = +3S 23 =
карбид тантала -гафния = +421S =
Для измерения температуры плавления в химической практике и с-
пользуются комплекты термометров, например ТЛ -6 (Рис унок 1.2).

Рис унок 1.2 - Комплект термометров ТЛ -6

ТЛ -6 — комплект из восьми термометров для измерения температуры в
диапазоне от -30 до +360°С. Термометры предназначены для ис пользования
при выполнении различных лабораторных измерений и научных исследов а-
ний. Термометры имеют вложенную пластину из стекла молочного цвета, на
которой хорошо видно положение термометрической жидкости. Технические
данные термометров ТЛ -6 приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Технические данные термометров ТЛ -6
Для измерения температуры плавления вещество высушивают, измел ь-
чают, запаивают в капилляр диаметром 1 мм, погружают в прибор Тиле на
уровень шарика ртути термометра и начинают повышать температуру,
наблюдая з а агрегатным состоянием образца. Повышение температуры ос у-
щ ествляют со скоростью 4 °С в минуту. Вблизи точки плавления скорость
уменьшают до 1 -2 °С в минуту. Температурой плавления считается темпер а-
тура на момент полного расплавления вещества (Рис унок . 1.3) .

Рис унок 1.3 - Измерение температуры плавления прибором Тиле
Термометр Диапазон и з-
мерения, С
Цена д е-
ления
шкалы, °С
Длина,
мм
Диаметр,
мм
Термометрическая
жидкость
ТЛ -6М N 1 -30 …+25 0,5 210...220 7,5 +0,5 Ртуть
ТЛ -6М N 2 0 …+55 0,5 210...220 7,5 +0,5 Рт уть
ТЛ -6М N 3 +50 …+105 0,5 210...220 7,5 +0,5 Ртуть
ТЛ -6М N 4 +100 …+155 0,5 210...220 7,5 +0,5 Ртуть
ТЛ -6М N 5 +150 …+205 0,5 210...220 7,5 +0,5 Ртуть
ТЛ -6М N 6 +200 …+255 0,5 210...220 7,5 +0,5 Ртуть
ТЛ -6М N 7 +250 …+305 0,5 210...220 7,5 +0,5 Ртуть
ТЛ -6М N 8 +300 …+360 0,5 210...220 7,5 +0,5 Ртуть

В последние годы разработаны средства измерения температуры пла в-
ления высокой автоматизации, которые не только определяют температуру,
но и записывают этот процесс на видеофайлы. Такими прибор ами являются
приборы серии МР (Рис унке 1.4). Они с высокой точностью определяют те м-
пературу или интервал плавления. Кроме этого, MP оснащены микровиде о-
камерой и программным обеспечением, позволяющим наблюдать за проце с-
сом плавления, изменением цвета и фаз овыми превращениями на экране
прибора, а также делать видеозапись происходящих процессов. Технические
характеристики приборов серии МР приведены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 - Технические характеристики приборов серии МР
Тип прибора МP50 МР70 МР90
Принцип измер е-
ния
Светопропускание/
светоотражение
Светопропускание/
светоотражение
Светопропускание/
светоотражение
Температурный и н-
тервал
25...300°С 25...350°С 25...400°С
Скорость нагрева 0,1...20°С/мин 0,1...20°С/мин 0,1...20°С/мин
Погрешность изм е-
рения темп ературы
30...200°С
200°С ... максимум


±0,2°С
±0,5°С


±0,2°С
±0,5°С


±0,2°С
±0,5°С
Время нагрева до
Тmax
4 минуты 5 минут 6 минут
Время охлаждения 6,5 минут 7 минут 7,5 минут
Количество обра з-
цов
до 4 до 4 до 6
Видеозапись Черно -белая AVI Цветная AVI Цветная AVI
Продолжительность
видеозаписи
30 минут 300 минут 300 минут
Экспорт видеофа й-
лов
нет на SD -карте на SD -карте
Максимальное к о-
личество методов
- 20 60
База данных по в е-
ществам
нет до 5 до 100
Количество сохр а-
ненных результатов
последние
после дние 10 последние 50 последние 100
Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно
как одна из основных физико -химических характеристик химически чистого
вещества. Однако данные о температуре кипения сверхчистых веществ, в
частности - таких органических жидкостей, как эфир , бензол и др, могут
иметь существенные отличия от обычных табличных данных. Э то связано с
образ ованием ассоциатов, которые могут накапливаться в жидкости в отсу т-
ствие воды, как медиатора установления равновесного состояния.

Рис унок 1.4 - Прибор для записи процессов плавления смесей МР 90
Так, сверхосушенный бензол может быть под вергнут фракционной п е-
регонке в диапазоне 80 -118°С. Температура кипения (точка кипения) – те м-
пература, при которой жидкость столь интенсивно пр евращается в пар (т.е.
газ), что в ней образуются паровые пузырьки, которые поднимаются на п о-
верхность и лопаются. Бурное образование пузырьков во всем объеме жи д-
кости и называется кипением. В отличие от простого испарения при кипении
жидкость переходит в пар не только со свободной поверхности, но и по вс е-
му объему – внутрь образующихся пузырьков. Температура кипения любой
жидкости постоянна при заданном атмосферном или ином внешнем давл е-
нии, но повышается с повышением давления и понижается с его понижен и-
ем . Например, при нормальном атмосферном давлении, равном 100 кПа (т а-
ково давление на уровне моря), температура кипения воды составляет 100 С.
На высоте же 4000 м над уровнем моря, где давление падает до 60 кПа, вода
кипит примерно при 85 С, и для того, что бы сварить пищу в горах, требуется
больше времени. По той же причине пища готовится быстрей в кастрюле -
«скороварке»: давление в ней повышается, а вслед за этим повышается и
температура кипящей воды. Для нагрева воды до температуры 250 -280 С без
кипения тр ебуется внешнее давление от 150 до 200 кг \см2. Температуры к и-
пения некоторых веществ приведены в таблице 1.4
Таблица 1.4 - Температуры кипения некоторых веществ (на уровне моря)
Вещество Температура, °С
Вода 100
Золото 2600
Изопропиловый спирт 82,3
Ме тиловый спирт 64,7
Морская вода 100,7
Ртуть 356,9
Серебро 1950
Этиленгликоль 197,2
Этиловый спирт 78,3
Эфир диэтиловый 34,6

Определение температур кипения и отбор проб конденсата для анализа
осуществляется с использованием эбуллиометров. Схема эбулл иометра пр и-
ведена на рис унок 1. 5.


Рис унок 1.5 - Эбуллиометр Свентославского
Определение температуры кипения можно проводить на перегонных
установках (рис унок 1.6)

1 - термометр; 2 - елочный дефлегматор; 3 - холодильник; 4 - аллонж; 5 - прие м-
ник; 6 - колба; 7 - капилляры; 8 – колбонагреватель
Рис унок 1.6 - Установка для фракционной дистилляци и

За температуру кипения принимается температурный интервал при пер е-
гонке неазеотропных смесей веществ. Азеотропные (нераздельнокипящие) см е-
си дают большие пог решности при определении температуры кипения фракций.
По этой причине температура кипения является менее надежным способом
идентификации вещества. Фракционная перегонка с применением дефлегм а-
торов позволяет производить более тщательное разделение раствора нескольких
жидкостей на относительно чистые индивидуальные компоненты и точнее
определять температуру кипения фракций (веществ). Действие дефлегматоров
состоит в том, что в них при неполном охлаждении пара кипящего раствора
пр оисходит частичная конденсаци я пара более высококипящей жидкости. Обр а-
зовавшийся промежуточный конденсат называют флегмой (от греч. ph1еgта -
слизь, мокрота). Флегма стекает обратно в колбу 6 (рис.1.6 ), а пар обогащается
компонентом с более низкой температурой кипения и попадает в хо лодильник
3, где подвергается уже полной конденсации. Определение температуры кип е-
ния приведенными выше методами возможно при наличии больших количеств
веществ. Определение температуры кипения малых количеств веществ пров о-
дится в капиллярах по методам Си волобова и Эмиха.
Метод Эмиха заключается в введении капли исследуемого вещества в
капилляр. После этого капилляр с одной стороны запаивают и помещают его
на нагревательную баню. При повышении температуры капля жидкости п е-
ремещается вверх и ее нижняя гран ица по достижении температуры кипения
находится на одном уровне с жидкостью в нагревательной бане (рис унке 1.7).



Рис унок 1.7 - Определение температуры кипения методом Эмиха.

2 ПЛ ОТНОСТЬ И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Плотность является важным параметром ве щества, который подлежит
измерению как у индивидуальных веществ так и у технологических смесей
веществ. В первом случае цель измерения - идентификация вещества, во
втором случае - его соответствие нормативным характеристикам.
Плотность - физических вели чина, определяемая для однородного в е-
щества его массой в единице объема.
Плотность неоднородного вещества - соотношение массы и объема,
когда последний стягивается к точке, в которой измеряется плотность.
Отношение плотностей двух веществ при определенны х стандартных
физических условиях называют относительной плотностью; для жидких и
твердых веществ ее измеряют при температуре t, как правило, по отношению
к плотности дистиллированной воды при 4 0C ( dt4), для газов - по отношению
к плотности сухого воздуха или водорода при нормальных условиях (T=
273,15 К, Р = 1,01 • 10 5 Па).
Для сыпучих и пористых твердых веществ различают плотности:
- истинную (масса единицы объема плотного материала, не содержащ е-
го пор);
-кажущуюся (масса единицы объема пористого материа ла из зерен или
гранул);
-насыпную (масса единицы объема слоя материала).
Плотность веществ обычно уменьшается с ростом температуры (из -за
теплового расширения тел) и увеличивается с повышением давления. При
переходе из одного агрегатного состояния в друг ое плотность изменяется
скачкообразно. Единицей плотности в Международной системе единиц сл у-
жит кг/м 3 на практике применяют также следующей единицы: г/см 3, г/л, т/м 3
и т.д. Диапазон значений плотности разных веществ и материалов (кг/м 3) и с-
ключительно широк :
для жидкостей - от 43,2 (водород при -240 0C) до 13595 (ртуть);
газов - от 0,0899 (водород) до 9,81 (радон);
твердых тел - от 240 (пробка) до 22610 (осмий).
Совокупность методов измерения относит, плотности жидкостей и
твердых тел называют денсиметрией ( от латинского densus -плотный, густой
и греческого metreo - измеряю). При расчетах используют так называемой
среднюю плотность тела, определяемую отношением его массы т к объему V,
т.е.
ρ = m \V
а также др. соотношениями.
Стандартная температура, при которой измеряют плотность веществ,
равна 20 0C. Для приведения к плотности при этой температуре плотности,
определенной при любой температуре t, используют формулу:

где: средний коэффициент объемного теплового расширения.

Значения некоторых коэффициентов объ емного теплового расширения
приведены в таблицах 2.1, 2.2, 2.3.
Таблица 2.1 - Коэ ффициент объемного расширения ( β) жидкостей (для те м-
пературы 18 оС)

Вещество β10 -4K -1
Анилин = 8,5 =
Ацетон = 14,3= =
Бензин = 10,0= =
Бензол = 10,6= =
Вода при 5 -10 o 0,53
Вода пр и 10 -20 o 1,50
Вода при 20 -40 o 3,02
Вода при 40 -60 o 4,58
Вода при 60 -80M o 5,87
Глицерин = 5,9 =
Керосин = 9,S =
м-Ксилол = 10,1 =
Масло оливковое = 7,M =
Масло парафиновое =9,M =
Кислота серная = 5,M =
Кислота азотная = 12,4 =
Нефть = 9,O =
Вещество β10 -4K -1
Пент ан = 15,9 =
Раствор CaCl 2, 6% 2,5
Раствор CaCl 2, 41% 4,6
Раствор NaCl, 26% = 4,4 =
Ртуть = 1,8 =
Серная кислота = 5,T =
Сероуглерод = 11,9 =
Скипидар = 9,4 =
Спирт амиловый = 9,P =
Спирт метиловый = 11,9 =
Спирт этиловый = 11,0 =
Спирт пропиловый = 9,8 =
Терпентиновое масло = 9,7 =
Толуол = 10,8 =
Толуол = 10,8 =
Уксусная кислота = 12,7 =
Эфир диэтиловый = 16,3 =
=
Таблица 2.2 - Коэффициент объемного расширения газов (в интервале
0...100 оС при давлении 101,3 кПа)
Вещество β10 -3K -1 Вещество β10 -3K -1
Азот = 3,672 = Двуокись углерода = 3,T 26= =
Аммиак = 3,770 = Кислород = 3,672 =
Аргон = 3,676 = Метан = 3,678 =
Ацетилен = 3,726 = Неон = 3,661 =
Водород = 3,664 = Окись углерода = 3,667 =
Воздух = 3,665 = Этан = 3,750 =
Гелий = 3,66= = = =
=
=

Таблица 2.3 - Коэффициент объемного расширения жидких веществ и во д-
ных растворов в зависимости от температуры
Вещество β 10 –3
при
темп. –
20 oC
β 10 –3
при
темп. 0 oC
β·10 –3
при
темп.
20 oC
β 10 –3
при
темп
40 oC
β 10 –3
при
темп.
60 oC
β 10 –3
при
темп.
80 oC
β 10 –3
при
темп
100 oC
β 10 –3
при
темп.
120 oC
Азотная кислота, 50% – 0,84 0,88 0,92 0,97 1,03 1,09 –
Аммиак жидкий 1,84 2,15 2,42 2,8 3,2 4,3 6,2 14,5
Анилин – 0,83 0,84 0,86 0,88 0,91 0,95 1,01
Ацетон 1,31 1,35 1,43 1,52 1,62 1,88 2 2,12
Бензол – 1,18 1,22 1,26 1,3 1,37 1,43 1,57
Бутиловый спирт 0,83 0,85 0,88 0,91 0,94 0,98 1,03 1,09
Вода – –0,06 0,21 0,39 0,53 0,63 0,75 0,86
Гексан 1,16 1,22 1,37 1,48 1,57 1,7 1,85 1,97
Диоксид серы (жидк.) 1,64 1,75 1,92 2,23 2,61 3,15 3,9 4,4
Дихлорэтан 1,07 1,11 1,16 1,21 1,26 1,31 1,37 1,44
Диэтиловый эфир 1,45 1,51 1,63 1,7 6 1,85 2,16 2,6 3,1
Изопропиловый спирт 0,98 1,01 1,05 1,08 1,12 1,16 1,2 1,27
Кальция хлорид, 25%
раствор
0,35 0,35 0,39 0,43 0,46 0,49 0,51 0,55
Метиловый спирт 1,09 1,14 1,19 1,27 1,3 1,42 1,61 1,81
Муравьиная кислота – 0,98 0,99 1,01 1,04 1,08 1,13 1,16
Натр едкий, 50% ра с-
твор
– 0,48 0,48 0,47 0,47 0,47 0,46 0,48
Натр едкий, 40% ра с-
твор
– 0,47 0,47 0,48 0,49 0,5 0,51 0,52
Натр едкий,30% ра с-
твор
– 0,44 0,46 0,48 0,5 0,52 0,55 0,58
Натр едкий, 20% ра с-
твор
– 0,41 0,45 0,48 0,51 0,55 0,59 0,63
Натр едкий, 10% ра с-
твор
– 0,34 0,4 0,46 0,51 0,57 0,63 0,69
Натрия хлорид, 20%
раствор
– 0,36 0,41 0,46 0,5 0,54 0,58 0,62
Нитробензол – 0,81 0,82 0,84 0,86 0,88 0,89 0,91
Октан 1,09 1,11 1,14 1,17 1,22 1,27 1,34 1,42
Серная кислота, 98% – 0,56 0,48 0,53 0,53 0,52 0,51 0,5
Серная кислота, 92% 0,58 0,58 0,58 0,57 0,56 0,56 0,55 0,55
Серная кислота, 75% 0,58 0,61 0,58 0,56 0,55 0,55 0,55 0,54
Серная кислота, 60% 0,58 0,58 0,56 0,55 0,55 0,54 0,53 0,53
Сероуглерод 1,13 1,14 1,19 1,28 1,41 1,6 1,84 2,05
Со ляная кислота, 30% – 0,52 0,52 0,51 0,5 0,52 0,56 0,6
Толуол 1,0 1,04 1,07 1,11 1,17 1,24 1,33 1,44
Уксусная кислота – 1,05 1,07 1,11 1,14 1,18 1,23 1,3
Фенол (расплавле н-
ный)
– 0,75 0,79 0,82 0,86 0,9 0,95 0,99
Хлорбензол 0,92 0,94 0,97 1,0 1,03 1,07 1,11 1,16
Хлороформ 1,18 1,2 1,27 1,34 1,43 1,53 1,65 1,8
Тетрахлорид углерода 1,22 1,26 1,22 1,26 1,32 1,37 1,5 1,62
Этилацетат 1,14 1,03 1,35 1,46 1,52 1,6 1,76 1,94
Этиловый спирт 1,18 1,05 1,08 1,13 1,22 1,33 1,44 1,87

Относительную плотность разн ых веществ при 20 0C и соответству ю-
щие температурные поправки находят в справочной литературе по таблицам
или номограммам.
Плотность воды и некоторых растворителей в диапазоне температуре
от 0 до 90 оС приведена в таблице 2.4.а,б.

Таблица 2.4. - Плотность воды при различных температурах
Температура в
°С =
ρ, 10 3 кг/м 3 Температура в °С = ρ, 10 3 кг/м 3
- 10 0,99815 17 0,99880
- 9 0,99843 18 0,99862
- 8 0,99869 19 0,99843
- 7 0,99892 20 0,99823
- 6 0,99912 21 0,99802
- 5 0,99930 22 0,99780
- 4 0,99945 23 0, 99757
- 3 0,99958 24 0,99732
- 2 0,99970 25 0,99707
- 1 0,99979 26 0,99681
0 0,99987 27 0,99652
1 0,99993 28 0,99622
2 0,99997 29 0,99592
3 0,99999 30 0,99561
4 1,00000 31 0,99521
5 0,99999 32 0,99479
6 0,99997 33 0,99436
7 0,99993 34 0,99394
8 0,99988 35 0,99350
10 0.99973 40 0,99118
11 0,99963 50 0,98804
12 0,99952 60 0,98318
13 0,99940 70 0,97771
14 0,99927 80 0,97269
15 0,99913 90 0,96534
16 0,99897

Примечание. Максимальной плотности воды соответствует температ у-
ра t = +3.98° С.

Таблица 2.5 Значения плотности (г/см 3) наиболее распространенных раствори телей при различной температуре
Растворитель = Плотность, г/мл =
0°C = 10°C = 20°C = 30°C = 40°C = 50°C = 60°C = 70°C = 80°C = 90°C = 100°C =
Анилин = 1.04N = 1.03P = 1.02R = 1.01S = 1.008 = 1.00M = 0.9909 = 0.9823 = 0.9735 = 0.9646 = 0.9557 =
Ацетон = 0.8129 = 0.8016 = 0.7902 = 0.7785 = 0.7666 = 0.7545 = 0.7421 = 0.7293 = 0.7163 = 0.7029 = 0.6890 =
Бензол = == 0.8884 = 0.8786 = 0.8686 = 0.8584 = 0.8481 = 0.8376 = 0.8269 = 0.8 16M = 0.8049 = 0.7935 =
Гексан = 0.6774 = 0.6685 = 0.6594 = 0.6502 = 0.6407 = 0.6311 = 0.6212 = 0.6111 = 0.6006 = 0.5899 = 0.5789 =
Гептан = 0.7004 = 0.6921 = 0.6837 = 0.6751 = 0.6664 = 0.6575 = 0.6485 = 0.6393 = 0.6298 = 0.6202 = 0.6102 =
Диэтиловый
эфир =
0.7368 = 0.7254 = 0.7137 = 0.7018 = 0.6896 = 0.6770 = 0.6639 = 0. 6505 = 0.6366 = 0.6220 = 0.6068 =
Метанол = 0.8157 = 0.8042 = 0.7925 = 0.7807 = 0.7685 = 0.7562 = 0.7435 = 0.7306 = 0.7174 = 0.7038 = 0.6898 =
м-Ксилол = 0.8813 = 0.8729 = 0.8644 = 0.8558 = 0.8470 = 0.8382 = 0.8292 = 0.8201 = 0.8109 = 0.8015 = 0.7920 =
Нонан = 0.7327 = 0.7252 = 0.7176 = 0.7099 = 0.7021 = 0.6941 = 0.6861 = M.677V = 0.6696 = 0.6611 = 0.6525 =
о-Ксилол = == == 0.8801 = 0.8717 = 0.8633 = 0.8547 = 0.8460 = 0.8372 = 0.8282 = 0.8191 = 0.8099 =
Октан = 0.7185 = 0.7106 = 0.7027 = 0.6945 = 0.6863 = 0.6779 = 0.6694 = 0.6608 = 0.6520 = 0.6430 = 0.6338 =
Сероуглерод = 1.29M = 1.27T = 1.26P = 1.248 = 1.234 = == == == == == ==
Тетрахлормет ан = 1.62V = 1.61N = 1.59P = 1.57R = 1.55T = 1.538 = 1.518 = 1.49V = 1.47V = 1.458 = 1.43T =
Толуол = 0.8846 = 0.8757 = 0.8667 = 0.8576 = 0.8483 = 0.8389 = 0.8294 = 0.8197 = 0.8098 = 0.7998 = 0.7896 =
Уксусная кисл о-
та =
== == 1.05N = 1.038 = 1.02R = 1.01O = 0.9993 = 0.9861 = 0.9728 = 0.9592 = 0.9454 =
Хлорбензол = 1.12T = 1.N 16 = 1.10S = 1.09S = 1.08R = 1.074 = 1.064 = 1.05P = 1.04O = 1.03M = 1.01V =
Хлороформ = 1.524 = 1.50T = 1.48V = 1.47N = 1.45O = 1.43P = 1.414 = 1.394 = == == ==
Циклогексан = == 0.7872 = 0.7784 = 0.7694 = 0.7602 = 0.7509 = 0.7414 = 0.7317 = 0.7218 = 0.7117 = 0.7013 =
Этанол = 0.8121 = 0.8014 = 0.7905 = 0.7793 = 0.7680 = 0.7564 = 0.7446 = 0.7324 = 0.7200 = 0.7073 = 0.6942 =
Плотность растворов определяется концентрацией растворенных в воде веществ, которые приводятся в справо ч-
ных таблицах при 20 оС (Табл. 2.4.в .)

Таблица 2.6 - Плотности водных растворов (г/см 3) при 20°C
Массовая
доля, %
H2SO 4 HNO 3 HCl КОН NaOH NH 3
2 1.0116 1.0091 1.0081 1.0155 1.0207 0.9855
4 1.0250 1.0202 1.0179 1.0330 1.0428 0.9811
6 1.0385 1.0314 1.0278 1.0509 1.0648 0.9730
8 1.0522 1.0427 1.0377 1.0690 1.0869 0.9651
10 1.0661 1.0543 1.0476 1.0873 1.1089 0.9575
12 1.0802 1.0660 1.0576 1.1059 1.1309 0.9502
14 1.0947 1.0780 1.0676 1.1246 1.1530 0.9431
16 1.1094 1.0901 1.0777 1.1435 1.1751 0.9361
18 1.1245 1.1025 1.0878 1.1626 1.1971 0.9294
20 1.1398 1.1150 1.0980 1.1818 1.2192 0.9228
22 1.1554 1.1277 1.1083 1.2014 1.2412 0.9164
24 1.1714 1.1406 1.1185 1.2210 1.2631 0.9102
26 1.1872 1.1536 1.1288 1.2408 1.2848 0.9040
28 1.2031 1.1668 1.1391 1.2609 1.3064 0.8980
30 1.2191 1.1801 1.1492 1.2813 1.3277 0.8920
32 1.2353 1.1934 1.1594 1.302 1.3488 0.8863
34 1.25 18 1.2068 1.1693 1.324 1.3697 0.8809
36 1.2685 1.2022 1.1791 1.346 1.3901
38 1.2855 1.2335 1.1886 1.367 1.4102
40 1.3028 1.2466 1.1977 1.3881 1.4299
42 1.3205 1.259 1.410 1.449
44 1.3386 1.272 1.433 1.468
46 1.3570 1.285 1.456 1.487
48 1.3759 1.297 1.479 1.506
50 1.3952 1.310 1.5024 1.525
52 1.4149 1.322
54 1.4351 1.333
56 1.4558 1.345
58 1.4770 1.356
60 1.4987 1.367
62 1.520 1.377
64 1.542 1.386
66 1.565 1.396
68 1.587 1.405
70 1.6105 1.413
72 1.634 1.422
74 1.657 1.430
76 1.681 1.437
78 1.704 1.445
80 1.7272 1.452
82 1.749 1.459
84 1.769 1.465
88 1.802 1.477
90 1.8144 1.482
92 1.8240 1.487
94 1.8312 1.409
96 1.8355 1.497
98 1.8361 1.505
100 1.8305 1.513

Измерения значений плотности проводят лабораторными плотном е-
рами . Эти приборы предназначены для ручного измерения плотности в е-
ществ. В их перечень входят: ареометры, пикнометры, гидростатические в е-
сы.
Ареометры
Различают ареометры постоянной массы (на иболее распространены) и
постоянного объема (рис.2.1 ). Ареометры постоянного объема менее ра с-
пространены. При определении плотности ареометрами постоянного объема
путем установки гирь на поплавок достигают его погружения до соотве т-
ствующей метки. Плотнос ть на ходят по массе гирь размещенных
на тарелке ареометра и по объему вытесненной им жидкости.

Рис унок 2.1 - Ареометр постоянной массы – денсиметр (слева) и ареометр
постоянного объема (справа)

К ареометрам постоянной массы относятся денсиметры (рис ун ок 2.2),
шкалы которых градуируются в единицах плотности, и приборы для опред е-
ления концентраций растворов (шкалы градуируются в % по объему или по
массе), имеющие специальные названия: лактомеры - измеряют жирность
молока, спиртомеры - содержание спирта в воде, сахаромеры - содержание
сахара в сиропах и т.д.

Рис унок 2.2 - а- общий вид денсиметра, б - денсиметр , погруженный в жидкость
Пикнометры
(от греч. pyknós — «плотный» и metréo — «измеряю») —
физико -химический прибор, стеклянный сосуд спец иальной формы и опр е-
делённой вместимости, применяемый для измерения плотности веществ , в
газообразном, жидком и твёрдом состояниях . Пикнометр был изобретён Д. И.
Менделеевым в 1859 году. Измерение плотности пикнометром основано на
взвешивании находящегося в нём вещества (обычно в жидком состоянии),
заполняющего пикнометр до метки на горловине или до верхнего края к а-
пилляра, что соответствует номинальной вместимости пикнометра. Измер е-
ния объёма значительно упрощаются, если вместо одной метки у пикнометра
име ется шкала. Очень удобен в работе пикнометр с боковой капиллярной
трубкой, у которой пробкой служит тело термометра. Плотность посре д-
ст вом пикнометров находят по отношению массы жидкости к ее объему .
П оследний измеряют по шкале или меткам на сосуде, массу - взвешиванием
на аналитических весах. Плотность твердых тел (порошков) измеряют, п о-
гр ужая их в пикнометры специальной конструкции, заполненные жидк о-
стью, в которой исследуемое вещество не растворяется или в специальные
мерные приборы называемые волюмомет рами (Рис унок 2.3).

Рис унок 2.3 - Волюмометры различного типа

Пикнометры специальной формы (шаровидные и др.) применяют также
для определения плотности газов. Основные достоинства пикнометрического
метода определения плотности:
- высокая точность измер ений (до 10 -5 г/см 3);
- возможность использования малых количеств вещества (0,5 — 100 см 3);
- малая площадь свободной поверхности жидкости в пикнометре, что
практически исключает испарение жидкости и поглощение влаги из воздуха ;
- раздельное проведение оп ераций термостатирования и последующего
взвешивания . Пикнометры представляют собой стеклянные сосуды разли ч-
ной формы емкостью 5, 10 и 25 мл, закрывающиеся пришлифованной про б-
кой. Они могут быть двух типов:
- с капиллярным отверстием в пришлифованной пробке для удаления
лишнего количества испытуемого продукта
- с кольцевой меткой на горловине для точного заполнения пикнометра
испытуемым продуктом.
В зависимости от назначения и формы пикнометры изготавливаются
следующих типов:
ПЖ1, ПЖ2, ПЖЗ и ПЖ4 - для жидк остей;
ПТ - для твердых и сыпучих материалов;
ПГ - для газов.
Плотность вязких жидкостей лучше всего измерять ареометрами или с
помощью гидростатических весов, маловязких - пикнометрами.
В России виды и характеристики пикнометров регулируются следу ю-
щими ст андартами:
ГОСТ 7465 -67. Пикнометры стеклянные;
ГОСТ 11723 -66. Пикнометры для определения плотности газа.
Пикнометры ПЖ для жидкостей
Пикнометры ПЖ применяются для определения плотности жидкостей.
Измерение плотности жидкости проводят по разности весов пу стого пикн о-
метра и заполненного до метки на горловине (рис.2.4).

а — колбообразный с меткой и глухой притёртой пробкой (для жидкостей) тип
ПЖ1, ПЖ2; б — колбообразный с капиллярным отверстием в пробке (для жидкостей ) тип
ПЖ3; в — U-oбразный капиллярный (для летучих жидкостей ) тип ПЖ4
Рис унок 2.4 - Пикнометры по ГОСТу 7465 — 67

Пикнометр типа ПЖ1 выпускается в трех вариантах исполнения (Р и-
сунок 2.5)

Рис унок 2.5 - Варианты исполнения пикнометра типа ПЖ1

Вместимость и основные типоразмеры пикнометров ПЖ1 приведены в
таблице 2.5.
Таблица 2.5 - Типоразмеры пикнометров

Пикнометры ПЖ2 выпускаются в двух вариантах исполнения. Вм е-
стимость выпускаемых пикнометров ПЖ2 составляет: 1, 2, 3, 5, 10, 25, 50,
100 мл.
Пикнометры типа ПЖ3 выпускаются следующей вместимостью 1, 2,
3, 5, 10, 25, 50, 100 мл при исполнении 1 варианта, вместимостью 25,50,100
мл для 2 варианта и вместимостью 25 мл для третьего варианта (Рис унок 2.6)
Характеристики
Наим енование = Вместимость / допу с-
каемое откл., мл =
Диаметр х Высота, мм =
ПЖ -N-R= 5/±0,4 = 29х70 =
ПЖ -N-25 = 25/±2,0 = 39х115 =
ПЖ -N-50 = 50/±3,0 = 49х150 =
ПЖ -N-10M = 100/±5,0 = 60х180 =

Рис унок 2.6 - Пикнометры типа ПЖ3
Пикнометры типа ПЖ4 выпускаются вместимостью 1,2,5,10 мл (Рис.
2.7)

Рис унок 2.7 - Пикнометр ПЖ4

Пикнометры ПТ для сыпучих материалов
Пикнометры ПТ предназначены для определения плотности твердых и
сыпучих мат ериалов. Плотность твёрдых тел определяют, погружая их в
пикнометр с жидкостью.
Изготавливаются из стекла марки ТС, ХС -3 или НС -3. Пикнометры имеют
одну метку вокруг горловины. Вместимость пикнометров ПТ составляет 25,
50, 100 мл (Рис унок 2.8)

Рис унок 2.8 - Пикнометр ПТ для твердых