7.1 Измерение температуры

В международной системе единиц (СИ), основной единицей измерения температуры является Кельвин (К). Кельвин – единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале. В соответствии с Международной практической температурной шкалой используется также шкала Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С), по размеру равный Кельвину. Шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15 единиц:

Температуру измеряют при помощи термометров. В химических лабораториях для большинства исследований применяют дилатометрические термометры (рисунок 7.1), принцип действия которых основан на изменении объема рабочего тела (преимущественно жидкости) с изменением температуры. Они представляют собой стеклянные трубки с капилляром внутри и с резервуаром, заполненным, в зависимости от назначения, различными жидкостями. Изменение объема жидкости отмечается по перемещению мениска столбика жидкости в капиллярной трубке. В лаборатории чаще всего используют ртутные термометры для измерения температуры в пределах от минус 30 до 600 °С, спиртовые – от минус 65 до плюс 65 °С [2].

А – цилиндрическая с развернутым краем;

Б – цилиндрическая без отгиба;

В – остродонная (центрифужная);

Г – с взаимозаменяемыми конусными шлифами;

Д – с конусным шлифом и отводной трубкой

Примечание. https://skale.ru

При работе с ртутным термометром следует соблюдать следующие правила:

- нельзя нагревать термометр выше предельной температуры, указанной на шкале термометра;

- отсчет показаний термометра следует производить только после того, как в рабочую жидкость, температуру которой измеряют, будет погружен весь шарик ртути;

- при измерении температуры жидкости выше 100 ºС стеклянный термометр нельзя помещать в уже нагретую среду или резко охлаждать после проведения измерения. Из-за резкого перепада температур стекло термометра может лопнуть. Нагревать термометр следует вместе со средой;

- при отсчете показаний термометра по шкале глаз должен находиться на одной линии с уровнем ртути;

- нельзя класть термометр на твердые предметы (кафельное покрытие стола, металлические предметы);

- при резком охлаждении разогретого ртутного термометра ртутный столбик может разорваться. Восстановить такой термометр можно осторожным нагревом до его максимальной температуры, ртуть, дойдя до конца капилляра, соединится в месте разрыва;

- после измерения, остывший термометр необходимо вытереть и поместить в футляр для хранения или штатив [14].

Стеклянные жидкостные термометры отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки и, как правило, не ремонтопригодны.

В последнее время всё популярнее становятся электронные (цифровые) термометры (рисунок 7.2). 

Примечание. http://elementum.kz

Принцип их действия – измерение температуры посредством встроенного в них специального чувствительного датчика. Результат измерений отображается на дисплее в цифровом виде. Электронные термометры позволяют измерять температуру в широком диапазоне от −196 до +500 °С. К несомненным плюсам этого вида термометров конечно же относится безопасность, хорошая точность и удобство считывания показаний [15].

7.2 Определение плотности

В химических лабораториях очень часто приходится определять плотность. Определение плотности газов, жидкостей и твердых веществ осуществляется с целью исследования свойств веществ, идентификации и определения степени их чистоты, определения концентрации растворов спиртов, кислот, оснований и солей.

Плотность вещества ρ_в-ва – физическая величина, равная отношению массы вещества m_в-ва к занимаемому им объему V_в-ва

Единицей плотности в Международной системе единиц (СИ) является килограмм на кубический метр, кг/м³; в единицах СГС плотность выражается в граммах на кубический сантиметр, г/см³.

Обычно в лабораторной практике пользуются так называемой относительной плотностью – величиной, равной отношению плотности данного вещества к плотности другого вещества при определенных условиях

Такими стандартными веществами служат вода при температуре 3,98 °С и нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., или        101,3 кПа) или сухой воздух при 20 °С и нормальном атмосферном давлении.

Относительная плотность зависит от температуры. Поэтому всегда указывают температуру, при которой проводили её определение. Относительную плотность жидкости принято относить к температуре 20 °С и к плотности воды при 3,98 °С (4°С). В справочниках это показывают при помощи соответствующих индексов .

В тех случаях, когда плотность жидкости по условиям опыта определяют не при 20 °С, а при другой температуре t, ее значение . может быть пересчитано на нормальное значение по формуле

Относительная плотность	Поправка, a	Относительная плотность	Поправка, a	Относительная плотность	Поправка, a
0,810-0,820	0,000752	0,860-0,870	0,000686	0,910-0,920	0,000620
0,820-0,830	0,000738	0,870-0,880	0,000673	0,920-0,930	0,000607
0,830-0,840	0,000725	0,880-0,890	0,000660	0,930-0,940	0,000594
0,840-0,850	0,000712	0,890-0,900	0,000647	0,940-0,950	0,000581
0,850-0,860	0,000699	0,900-0,910	0,000633

Относительная плотность является одной из важнейших физико-химических характеристик веществ, особенно жидкостей. В настоящее время существуют различные методы измерения плотности жидкости.

Haибoлee извecтныe мeтoды измepeния – ареометрический, пикнoмeтpичecкий и мeтoд гидpocтaтичecкoгo взвeшивaния. Последние два мeтoдa oчeнь пoxoжи – oпpeдeляeтcя мacca и oбъём жидкocти, пocлe чeгo мaтeмaтичecким pacчeтoм oпpeдeляeтcя плoтнocть жидкocти. Иx oтличия лишь в выбope этaлoнa. Для пикнoмeтpичecкoгo мeтoдa этaлoнoм являeтcя caм пикнoмeтp, a для гидpocтaтичecкoгo взвeшивaния этo твёpдoe тeлo c извecтнoй мaccoй и oбъёмoм. Оба метода являются трудоёмкими.

Наиболее быстрым является ареометрический метод. Применение ареометров (денсиметров) для определения относительной плотности жидкостей основано на законе Архимеда, из которого следует, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом (в данном случае ареометром), равен его весу.

Ареометр (рисунок 7.3) представляет собой стеклянную трубку, расширенная (нижняя) часть которой заполнена балластом – чистой и сухой металлической дробью, залитой слоем смолы. Благодаря балласту во время измерения плотности ареометр находится в вертикальном положении. В верхней узкой части ареометра имеется шкала с делениями. Чем меньше плотность жидкости, тем глубже погружается в нее ареометр, поэтому верхние деления шкалы соответствуют наименьшей, а нижние – наибольшей плотности.

Примечание. http://xn--90ahjlpcccjdm.xn--p1ai

При измерении плотности испытуемую жидкость наливают в стеклянный цилиндр для ареометров, соответствующий требованиям  ГОСТ 18481-81 «Ареометры и цилиндры стеклянные», и при температуре жидкости 20 °С осторожно опускают в неё чистый сухой ареометр, на шкале которого предусмотрена ожидаемая величина плотности. Ареометр не выпускают из рук до тех пор, пока не станет очевидным, что он не тонет; при этом необходимо следить, чтобы ареометр не касался стенок и дна цилиндра. Отсчет производят через 3–4 мин после погружения по делению на шкале ареометра, соответствующему нижнему мениску жидкости (в случае определения плотности темноокрашенных жидкостей и нефтепродуктов отсчет производят по верхнему мениску). При отсчете глаз наблюдателя должен быть на уровне мениска [16].

Определение ареометром плотности летучих веществ не допускается, так как при энергичном испарении снижается температура жидкости.

После определения ареометр обмывают водой (если определялась плотность водных растворов), вытирают и убирают в специальный футляр или ящик.

Если определяют относительную плотность жидкости, нерастворимой в воде, то обмыть ареометр нужно каким-нибудь органическим растворителем.

Ареометры обычно находятся в комплекте, позволяющем измерять плотность раствора в широком интервале.

Контрольные вопросы

1. Какую формулу используют для перевода градусов Цельсия в Кельвины?
2. На чём основан принцип действия дилатометрических термометров?
3. Какие термометры чаще используют в лабораторной практике? Назовите пределы их измерения, преимущества и недостатки.
4. Перечислите основные правила работы с ртутным термометром.
5. Современные электронные (цифровые) термометры. Принцип действия, преимущества работы с ними?
6. Определите цену деления термометра, изображённого на рисунке

7. Поясните понятия «плотность», «относительная плотность». Назовите единицы измерения плотности?
8. Какие методы измерения относительной плотности наиболее широко известны? Назовите наиболее быстрый метод, на чём он основан?
9. Расскажите устройство и порядок работы с ареометром?
10. В каком случае отсчет на шкале ареометра производят по нижнему мениску жидкости, а в каком случае – по верхнему мениску?

Список рекомендуемой учебной литературы и интернет-источников

1. Воскресенский П. И. Техника лабораторных работ / П. И. Воскресенский. – М. : Химия, 1973. – 10-е изд. – 717 с. – С. 280–317, С. 618-633.
2. https://www.labi.kz
3. https://www.labi.kz/areometry/