چگالی چیست؟
یکی از متداول ترین ویژگی هایی که برای هر ماده ذکر می شود چگالی است. چگالی در واقع معیاری برای سنجش تراکم مولکول ها و یا اتم ها در یک حجم فضایی مشخص می باشد. مثلاً اگر گفته شود که چگالی آب برابر با 1 است؛ یعنی به ازای هر یک سانتی متر مکعب از آب، جرمی معادل با ۱ گرم وجود دارد.
می توان کشف چگالی را به ارشمیدس نسبت داد. او برای تشخیص طلای واقعی از طلای تقلبی، از یک تکنیک ویژه استفاده کرد و متوجه شد که طلای واقعی دارای چگالی بیشتری است. ارشمیدس برای سنجش چگالی از ابزار های بسیار ابتدایی استفاده کرد اما امروزه ابزار های ویژه ای برای تعیین چگالی طراحی و ساخته شده است.
دستگاه هایی که می توانند چگالی را با دقت بسیار زیاد و تا چند رقم بعد از اعشار نشان دهند. اما اگر بخواهیم به سراغ آزمون های غیر دستگاهی برویم؛ یکی از بهترین راه ها برای سنجش چگالی استفاده از پیکنومتر است.
پیکنومتر چیست؟
پیکنومتر در واقع یک بالن شیشه ای با یک درب به صورت یک استوانه سوراخ دار است. حجم این ظرف با دقت بسیار زیادی محاسبه شده است. بنابراین اگر مایعی را به درون آن بریزیم و سپس درب آن را ببندیم مطمئن می شویم که مطابق با حجم نوشته شده بر روی آن مایع داریم.
مثلاً یک پیکنومتر ۵۰ میلی لیتری یا یک پیکنومتر ۲۵ میلی لیتری، دقیقاً همین مقدار مایع (به لحاظ حجمی) را در خود جای می دهد. بنابراین حالا می توانیم با تقسیم کردن وزن بر حجم مایع درون آن، مقدار چگالی آن را به دست آوریم. این یکی از متداول ترین روش ها برای سنجش چگالی در آزمایشگاه است.
البته انجام این کار و استفاده از این روش نیازمند رعایت کردن یک سری اصول ویژه و خاص می باشد. در غیر این صورت، خطای محاسباتی زیاد شده و می تواند شما را دچار گمراهی و اشتباه در نتایج بکند.
چگونه با یک پیکنومتر چگالی را اندازه گیری کنیم؟
برای انجام این کار، شما باید اصول خاصی را رعایت کنید تا نتیجه درست را به دست آورید. در غیر این صورت نتیجه به دست آمده دارای خطا های آزمایش و خطا های محاسباتی خواهد بود و بنابراین نتیجه درستی به شما نشان نخواهد داد.
برای تعیین چگالی با استفاده از پیکنومتر بهتر است که ابتدا آن را با روش خاصی که در ادامه گفته می شود شست و شو دهید تا مطمئن شوید که هیچ یک از موادی که قبلاً داخل آن ریخته شده است؛ و یا آلودگی هایی که بر روی آن وجود دارد باعث خطا در آزمایش شما نخواهد شد.
چگونه پیکنومتر را بشوییم؟
در قدم اول، ابتدا بالن و درب آن را توسط آب شهری شستشو دهید. سپس مقداری هیدروکلریک اسید رقیق را به درون آن بریزید و درب آن را ببندید و محکم تکان دهید تا همه آلودگی های مثل چربی و یا مواد معدنی را در خود حل کند.
سپس درب پیکنومتر را برداشته و به هیدروکلریک اسیدی که در آن ریخته اید؛ چند قطره یا نهایتاً نیم میلی لیتر نیتریک اسید اضافه کنید و مجددا آن را به شدت هم بزنید. از آنجای که نیتریک اسید یک ماده اکسنده است؛ بنابراین موادی که به صورت عادی در هیدروکلریک اسید حل نمی شوند یا به طور کامل حل نمی شوند؛ با وجود یک ماده اکسنده و البته که نیتریک اسید یک اسید قوی هم است؛ حل خواهند شد.
به عنوان مثال، فرض کنید که مقداری پودر آهن یا هر فلز دیگری، درون پیکنومتر و بر روی دیواره چسبیده باشد و شما با هیچ روش دیگری نتوانید آن ها را جدا کنید. بنابراین بهترین کار استفاده از مخلوط هیدروکلریک اسید و نیتریک اسید است. استفاده از این محلول باعث می‌شود تا به راحتی، پودر آهن چسبیده شده در اسید حل شود.
پس از شستشوی پیکنومتر با اسید، آن را خالی کنید و با آب مقطر شستشو دهید. سپس با آب دیونیزه آن را شست و شو دهید. در مرحله آخر، برای اطمینان از عدم وجود هر گونه ماده آلی، مقداری استون درون پیکنومتر ریخته و به شدت تکان دهید. سپس برای خشک کردن، آن را درون آون گذاشته و یا با استفاده از یک سشوار، با جریان هوای گرم آن را خشک کنید.
کالیبره کردن پیکنومتر
پیش از آن که چگالی ماده مورد نظرتان را اندازه گیری کنید؛ ابتدا لازم است تا پیکنومتر تان را کالیبره کنید. برای انجام این کار، ابتدا پیکنومتر تمیز و خشک شده را بردارید و روی ترازو قرار دهید؛ وزن آن را یادداشت کنید. سپس آن را با آب دیونیزه پر کنید و وزن را یادداشت کنید.
حال وزن به دست آمده در مرحله دوم را از مرحله اول کم کنید تا وزن آب درون پیکنومتر را به دست آورید. حال این وزن را بر حجم آب درون پیکنومتر تقسیم کنید تا چگالی را به شما بدهد. این عدد باید برابر با 1 باشد. در غیر این صورت، پیکنومتر شما دقیقاً همان حجمی که بر رویش نوشته شده نیست و شما باید در محاسبات تان یک ضریب تصحیح در نظر بگیرید.
فرض کنید که وزن آب درون پیکنومتر برابر با 25.2 گرم نشان داده شده باشد و حجم آن 25 میلی لیتر باشد. در این صورت چگالی به دست آمده برابر با 1.008 خواهد بود. این عدد با چگالی آب خالص که برابر با 1 است به میزان 0.008 اختلاف دارد.
حال با تقسیم 0.008 بر 1 عدد 0.008 به دست می آید که با ضرب کردن آن در 100، مقدار 0.8 را نشان خواهد داد. بنابراین پیکنومتر شما به میزان 0.8 درصد خطا دارد. شما باید توجه داشته باشید که چگالی های محاسبه شده با استفاده از این پیکنومتر، همیشه به میزان 0.8 درصد خطا دارد. شما باید این میزان را در نظر داشته باشید.
توجه: چگالی هر مایعی وابسته به دما است. بنابراین برای دقت در محاسبات، شما باید جدول چگالی آب بر حسب دما را نیزز داشته باشید. در شکل زیر، این مقادیر آورده شده است.
ابتدا پیکنومتر تمیز و خشک شده را همراه با درب اش روی ترازو بگذارید و با دقت سه رقم بعد از اعشار عدد را یادداشت کنید. سپس مایع مورد نظر را به درون آن ریخته؛ آن را پر کنید و سپس در را بر روی آن قرار دهید. مشابه با قبل وزن مایع درون پیکنومتر را از حاصل تفریق پیکنومتر پر از خالی به دست آورده و سپس به حجم آن تقسیم کنید تا چگالی را به دست آورید. سپس مقدار خطا را نیز در کنار این عدد یادداشت کنید.
توجه کنید که این عدد فقط در همین دما صادق است و چون چگالی به دما وابستگی دارد؛ بنابراین باید در دما های دیگر، این اندازه گیری مجدد تکرار شود.
