Взвешивание – это сравнение массы данного тела с массой гирь, масса которых известна и выражена в определенных единицах (мг, г, кг и др.). Это сравнительно   несложная, но в то же время одна из самых   ответственных операций в химической лаборатории.

Измерение массы тела или разности значений масс тел проводят на весах.

Методы взвешивания делятся на две принципиально различные группы – метод сравнения с мерой и метод непосредственной оценки. По методу сравнения с мерой массу груза принимают равной массе сравниваемых с ним гирь (простое взвешивание) или вычисляют как сумму значений массы гирь и показаний весов (точное взвешивание). Метод непосредственной оценки заключается в определении массы груза по отсчетному устройству весов без применения гирь.[1]

Лабораторные весы в основном различаются по назначению, конструкции, диапазону взвешивания. Критерием выбора любого средства измерений служит требование к точности измерения интересующей величины.

В зависимости от точности, с которой производят взвешивание, весы делятся на группы:

а) для грубого взвешивания (точность до граммов);

б) для точного взвешивания (точность от 1 до 10 мг);

в) аналитические:

- обычные (точность до 0,1–0,2 мг);

- полумикрохимические (точность до 0,01–0,02 мг);

- микрохимические (точность до 0,001 мг);

- ультрамикрохимические (точность до 10^-6–10^-9 мг);

г) специальные (пробирные, торзионные и пр.).[8]

К грубому взвешиванию в лабораторной практике прибегают сравнительно редко, например при расфасовке реактивов в крупную тару, а также при  некоторых работах, в которых точность не имеет   решающего значения. В таких случаях используют   различные марки чашечных весов, обеспечивающих  погрешность взвешивания не более 1‒2 % от   измеряемой массы. [9]

Основную часть взвешиваний в химических лабораториях (за исключением аналитических   лаборатории) выполняют на технических весах. Несмотря на кажущуюся простоту устройства, такие весы   являются прибором высокого класса точности, поэтому   работа с ними требует предельной аккуратности и   осторожности. Грузоподъемность технических весов  может составлять от 20 г до 10 кг, а допустимая   погрешность – от ±5 до ±500 мг.

Весы аналитические – это разновидность лабораторных весов, которые используются при выполнении физических и химических анализов, в которых результаты, получаемые в процессе измерения массы предмета, требуется получать с особо высокой точностью. Именно поэтому дискретность таких весов не может превышать 0,1 мг. По классу точности выполняемых измерений аналитические весы относятся ко 2-му и 1-ому классу.

Весы первого класса точности. Специальный класс  – самый высокий. Эксплуатируются в фармакологических, научных, медицинских организациях.

Весы второго класса точности. Класс – высокий. Применяют их производственные, технические, научные, криминалистические центры.

Весы третьего класса точности. Класс – средний. Такие приборы использует пищевая, металлургическая, химическая отрасли.

Аналитические весы употребляются для особо точных взвешиваний, главным образом в   количественном анализе, а также в исследовательских  лабораториях при работе с малыми (менее 1 г) количествами  веществ. Обычные аналитические весы позволяют взвешивать с точностью до 0,1–0,5 мг, а микроаналитические – до       0,01–0,02 мг.

Для специальных целей применяются еще более  точные ультрамикроаналитические весы.

5.1 Классификация весов

По конструктивным признакам аналитические  весы подразделяются на две основные группы:

- весы коромысловые рычажные (одноплечие и равноплечие), которые состоят их  состоящую из подушки и призмы и в качестве чувствительного элемента имеют контактную пару;

- весы, оснащённые измерительным упруго деформируемым устройством, которым является торсионная нить.

Весы первой группы дают точность определения массы не выше 1·10^-6 г. вторые гораздо точнее. Там предельная величина составляет 5·10^-8 г.

Группу аналитически весов, кроме собственно аналитических 1-го и 2-го классов точности, составляют весы микроаналитические, полумикроаналитические, торсионные и пробирные.[13]

Другим видом классификации аналитических весов для лабораторий по их конструкции является разделение на весы периодического качания и так называемые апериодические или демпферные весы.

Главным недостатком весов с периодическим качанием стрелки является крайне медленное затухание колебаний, совершаемых коромыслом.

Это приводит к увеличению времени на проведение взвешивания. Использование апериодического качания позволило существенно сократить время получения результата взвешивания. Колебания коромысла в них гасятся с использованием специального устройства – демпфера, осуществляющего магнитное, либо воздушное торможение.

Весы с апериодическим качанием, в свою очередь, делятся на:

- весы полуавтоматические;

- обычные;

- с нижним или верхним размещением демпферов, которые представляют цилиндры, прикрепляемые к чашке весов или её дужке; данные цилиндры свободно перемещаются внутри цилиндров большего диаметра.

Также существует иной вариант классификации:

- механические (электромеханические);

- электронные.

Процесс взвешивания на механических весах заключается в сравнении массы взвешиваемого предмета с системой встроенных в конструкцию пружин и гирь, или же с использованием внешних гирь.

Процесс взвешивания на аналитических электронных весах основан на электромагнитном уравновешивании предмета, проходящего взвешивание, и последующим выполнением измерения, сформированного в результате этого действия электрического сигнала, которых преобразуется в цифровой вид и выводится на соответствующие табло или индикаторы.

Аналитические механические весы имеют относительно низкую стоимость, но обладают целым рядом недостатков. В частности,  относительно быстрое механическое изнашивание материалов, их которых изготовлены грузы и рычаги; низкая коррозионная  стойкость; непосредственно сам процесс взвешивания достаточно сложен; высокая чувствительность к внешним воздействиям (сквозняки, перепады температур, сотрясения и т.п.).

Электронные весы наоборот имеют  просты для эксплуатации и имеют более низкие требования к рабочему месту.  

5.2  Параметры лабораторных весов

Лабораторные весы характеризуются рядом параметров. Основные из которых:

1) предельно допустимая нагрузка, в диапазоне которой погрешность показаний находится в установленных пределах. Нельзя выходить за пределы предельно допустимой нагрузки, на которую рассчитана данная модель весов. Слишком большая нагрузка может вызвать остаточные деформации в механической части весов, что приведет к порче весов;

2) допустимая погрешность. Значение погрешности характеризует правильность результатов взвешивания в стандартных условиях и не может быть меньше неисключенных погрешностей гирь, применяемых при взвешивании и аттестации весов. До начала взвешивания необходимо ознакомиться с техническим паспортом весов, так как в нем содержатся сведения об  устройстве и принципе действия, а также о правилах  установки и эксплуатации прибора;

3)  допустимая вариация (непостоянство) показаний –  предельно допустимая разность показаний весов при неоднократном взвешивании одного и того же груза в стандартных условиях с применением одних и тех же гирь. При этом значение вариации характеризует воспроизводимость результата и, как следствие, точность взвешивания;

4) чувствительность –  предельное отношение приращения отклонения указателя весов к приращению измеряемой величины. Таким образом это минимальное изменение массы, которое весы в состоянии отметить. И тем чувствительнее весы, чем меньше масса предмета, вызывающая отклонение стрелки на одно деление шкалы;

5) цена деления –  значение деления отсчетных устройств. Часто цена деления согласуется со значением допустимой погрешности или вариацией показаний весов;

6)  быстродействие –  возможная производительность работы на весах, т. е. возможное число взвешиваний в единицу времени.

5.3 Механические технохимические весы

По конструкции технохимические весы бывают равноплечими, трехпризменными и двухпризменными, одночашечными, называемыми еще квадрантными.

Равноплечие коромысловые весы (рисунок 5.1) характеризуются одинаковым расстоянием от центров грузоподъемных призм до точки опоры центральной призмы.

При равенстве масс взвешиваемого вещества и гирь разновесов стрелка коромысла указывает на центр шкалы весов (нулевое положение).

Перед взвешиванием весы устанавливают в строго горизонтальном положении либо при помощи отвеса, либо по жидкостному уровню. Затем поворотом ручки арретира опускают центральную призму коромысла на опорную подушку, одновременно опускаются и упоры чашек. С этого момента все три призмы касаются своих подушек и начинаются колебания коромысла около положения равновесия: стрелка начинает отклоняться вправо и влево от нуля на одно и то же число делений. Если этого не происходит, то при помощи балансировочных гаек добиваются равновесия правого и левого плечей коромысла. Перед каждым помещением взвешиваемого вещества или гирек на чашки весов необходимо арретиром привести весы в нерабочее положение, когда между ребрами призм и их подушками появляются просветы в 0,1–0,2 мм. Принято груз помещать на левую чашку весов, а гири из набора разновесов – на правую.

1. Коромысло. 2. Серьга. 3. Балансировочные гайки. 4. Стрелка.

5. Отвес. 6. Стремена. 7. Шкала. 8. Чашки.

9. Основание весов. 10. Арретир. 11. Ножки.

Для взвешивания на технохимических весах применяют      разновесы – набор граммовых и миллиграммовых гирь, расположенных в гнездах деревянного или пластмассового ящичка с внутренней бархатной или другой мягкой, не выделяющей волокон и других частиц, прокладкой, предохраняющей гири от истирания (рисунок 5.2). Гири массой от 1 г и более выполнены в виде цилиндров с поясом для захвата пинцетом. Гири от 500 мг и менее представляют собой алюминиевые пластинки шестиугольной, прямоугольной или треугольной формой с отогнутым кверху краем для захвата пинцетом. Гнезда миллиграммовых гирек закрыты стеклянной полоской, предохраняющей гиря от пыли из воздуха. В ящичке расположен и пинцет с костяными или пластмассовыми наконечниками, с помощью которого берут и устанавливают на чашке весов гири. [11]

При использовании разновеса ни в коем случае нельзя касаться гирек руками, так как пальцы рук всегда покрыты тонкой пленкой жира и влаги, которые не только увеличивают массу гирь, но и способствуют окислению металла. Гирьки берут осторожно только пинцетом, наконечники которого пинцета тоже должны быть чистыми. Ими нельзя касаться других предметов, кроме гирь. Снятую с правой чашки весов гирю немедленно ставят в соответствующее гнездо разновеса, но ни в коем случае не на основание весов или, что еще хуже, на весовой стол. Ящик разновеса открывают только на время переноса гирек на чашку весов и обратно в разновес.

Одноплечие (квадрантные) весы – с одной чашкой для груза и   маятниковым противовесом – квадрантом. По сравнению с равноплечими квадрантные весы более удобны в работе, так как они менее склонны к поломкам; не нуждаются в разновесах; имеют высокую скорость взвешивания: массу груза можно увидеть  по световой шкале примерно через 10 секунд после его наложения на чашку весов (рисунок 5.3).

1. Чашка. 2. Цифровой указатель и световая шкала массы. 3. Ручка установки нуля

4. Ручка устройства накладки гирь. 5. Установочные винты

5.4  Механические аналитические весы

Принцип устройства механических аналитических (рисунок 5.4) весов такой же, как и механических технохимических. На металлическом коромысле (равноплечий рычаг) имеются три призмы: две на концах и одна посредине него. Средняя призма покоится на пластинке из агата, находящейся на центральной колонке весов и являющейся точкой опоры. На боковых призмах лежат пластинки, к которым подвешиваются чашечки весов. Коромысло снабжено длинной стрелкой, которая показывает на шкале величину отклонения коромысла от горизонтального положения.

Аналитические весы находятся в застекленном шкафчике с поднимающейся передней стенкой и открывающимися боковыми дверцами.

Шкафчик защищает весы от пыли и от воздушных течений, при которых точное взвешивание невозможно. Во время взвешивания, а и когда на весах не работают, все дверцы должны быть закрыты.

На аналитических весах имеются наборы гирь массой 1–100 г. Разновесы десятых и сотых долей грамма находятся в витрине весов на специальном устройстве.

1,9 – чашки; 2,10 – демпферы; 3 – колонка;

4 – седла; 5 – средняя призма коромысла; 6 – рычаги;

7 – стрелка; 8 – оптическая шкала; 11 – большой лимб;

12 – малый лимб; 13 – основание; 14, 16 – регулируемые ножки; 15 – арретир.

Управление этими разновесами производится с помощью двух вращающихся лимбов, укрепленных в верхнем правом углу витрины весов. При вращении большого (внешнего) лимба на правое коромысло весов помещаются или снимаются гири достоинством в десятые доли грамма, а при вращении малого (внутреннего) лимба – сотые доли грамма. На лимбах имеются цифры, указывающие количество десятых и сотых долей грамма, для отсчета величины навески. Эти цифры устанавливаются против стрелки от большого лимба. На коромысле весов укреплен указатель, на нижнем конце которого находится микрошкала с отсчетом от 0 до 0,001 мм в обе стороны. [11]

5.5  Торзионные весы

Эти весы отличаются от аналитических по своему устройству и принципу действия. Принцип работы торзионных весов, основан на деформации тонкой спиральной пружины под действием силы тяжести взвешиваемого тела и предназначены для взвешивания малых грузов (до 1000 мг).

Взвешивание на них проводится также очень быстро и достаточно точно. В отличие от квадрантных весов у них чашка заключена в витрину, также они снабжены арретирным приспособлением, которое предназначено для подъема коромысла весов в положение, в котором ни одна из 3 призм не касается опорных подушек. [13]

Они используются для взвешивания очень малых количеств различных материалов.

Торзионные весы бывают двух типов:  с подвижной шкалой и неподвижной стрелкой (рисунок 5.5);  с неподвижной циферблатной шкалой и подвижной стрелкой (рисунок 5.6).

я в витрине весов на специальном устройстве.

1. Шкала. 2. Ручка. 3. Указательная стрелка. 4. Контрольная черта.

5. Ручка арретира. 6. Головка регулятора. 7. Футляр для чашки.

8. Уровень. 9. Установочный винт

Для постоянного контроля торзионных весов имеется набор точных, проверенных гирь.

Российские торзионные весы изготовляются для двух предельных нагрузок:

1) до 20 мг с наименьшим делением шкалы в 0,02 мг;

2) до 100 мг с наименьшим делением шкалы в 0,1 мг.

5.6 Устройство электронных аналитических весов

Электронные аналитические весы (рисунок 5.7) представляют собой платформу, на которой находится камера для взвешивания, спереди которой находятся электронный дисплей и панель управления.

В современных лабораториях используют весы, снабжённые аккумуляторными батареями, жидкокристаллическим дисплеем, устройствами предварительного задания (учёта) массы тары. Такие весы отличаются высокими метрологическими характеристиками и обладают широким набором функций.

В таблице 5.1 приведены стандартные назначения кнопок электронных весов.[11]

Примечание. https://eltemiks-lab.ru

Таблица 5.1 – Назначение кнопок электронных весов

Кнопка	Нажатая один раз и сразу же отпущенная	Нажатая и удерживаемая около 3 секунд
Во время измерения
«POWER»	Переключение между режимом ожидания и рабочим режимом	Включение и выключение предупреждающего гудка
«CAL»	Режим калибровки или выбор пункта меню
«O/T»	Тара
«UNIT»	Выбор единиц измерения
«PRINT»	Вывод данных дисплея на принтер или компьютер
«1d/10d»	Выбор между разрядом массы предмета
Во время выбора пункта меню
«CAL»	Возврат на меню более высокой иерархии	Возврат к показанию массы
«O/T»	Переход к следующему пункту меню
«UNIT»	Установление указанного пункта меню или ввод в выбранное меню
«PRINT»	Ввод численного значения или увеличение мерцающего значения на единицу
«1d/10d»	Не имеет назначения

На передней панели находится цифровой индикатор значения символов которого приведены на рисунке 5.9.

5.7 Правила работы с весами

1) Перед каждым взвешиванием  необходимо определить минимальную точность, так как взвешивание с неоправданно высокой точностью является также грубой ошибкой, как и неудовлетворяющая требованиям точность   работы. В основном,  при аналитических работах, погрешность определения не превышает десятых долей процента измеряемой  величины. Так, при взятии навески в 100 грамм возможно допустить погрешность в 0,1 грамм, следовательно, для взвешивание надо использовать технические весы. Если же масса пробы составит 1 грамм, то допустимая погрешность будет не более 1 мг и следовательно необходимо использовать аналитические весы.

При проведении  работ, не связанных с количественным анализом, за  редким исключением вполне достаточна точность до  1 % измеряемой величины.                

2) Перед каждым взвешиванием или серией   взвешиваний необходимо проверить состояние весов, а если нужно, то и устанавливать их нулевую точку. Во время наблюдения за отклонением стрелки весов дверцы шкафа должны быть закрыты

3)  Нагрузка на чашках весов не должна превышать максимальной для данного типа весов. Взвешивают только сидя против весов, опираясь руками на крышку стола. Взвешиваемый предмет берут пинцетом, щипцами или чистой бумагой и помещают на середину левой чашки. Химические вещества взвешивают в стеклянной посуде (бюкс, ампула). Нельзя помещать химические вещества непосредственно на чашку весов или производить взвешивание на листочке бумаги

4)  Взвешиваемый предмет должен иметь ту же температуру, что и весы. Поэтому перед взвешиванием следует вещество выдерживать в эксикаторе вблизи весов в течение 20–30 мин. Если при взвешивании над весами включают настольную лампу, то сделать это надо за 10–15 мин до начала работы.

5)  Прибавлять или убавлять взвешиваемое вещество следует только вне шкафа весов. Если взвешиваемое вещество просыпано на чашку весов или на дно шкафчика, надо немедленно вымести его кисточкой.

6)  Гири следует помещать на правую чашку весов таким образом, чтобы они находились в центре чашки. Брать гири следует пинцетом с костяными (пластмассовыми) наконечниками.

7)  Когда взвешиваемое вещество или гирьки кладут на чашку весов или снимают с них, весы должны быть арретированы.

8) При уравновешивании взвешиваемого предмета начинают с больших разновесов и затем переходят к более мелким. Следует всегда пользоваться наименьшим числом разновесов, например, брать разновес в 2 г, а не два разновеса по 1 г! На чашке весов разновесы должны лежать в определенном порядке; мелкие разновесы не следует класть друг на друга. Большие разновесы надо помещать в центре чашки, чтобы она не качалась при снятии весов с арретира.

9)  Взвешивание на электронных аналитических весах подобно таковому на техно-химических весах. Перед отсчетом нулевого значения, нахождением и вычитанием массы тары и отсчетом массы предмета дверцы весов должны быть закрытыми. [9, 11]

Контрольные вопросы

1. Что такое масса тела?
2. С какой точностью производится взвешивание на аналитических весах?
3. Почему нельзя судить о положении нулевой точки весов по положению конца стрелки после полного затухания колебаний коромысла?
4. Что необходимо сделать, если весы установлены в горизонтальное положение, но стрелка не на нуле?

Список рекомендуемой учебной литературы и интернет-источников

1. Воскресенский П. И. Техника лабораторных работ / П. И. Воскресенский. – М. : Химия, 1973. – 10-е изд., перераб. и доп. – С. 231–280
2. http://www.okbvesta.ru
3. https://tehnopanorama.ru