קביעת הצפיפות של מוצק ונוזל

בהגדרה, לכל החומר יש מסה והוא תופס נפח. הצפיפות של חומר היא היחס בין המסה שלו לנפח שלה. בטמפרטורה ובלחץ קבועים, הצפיפות של חומר היא קבועה.

צפיפות היא מאפיין אינטנסיבי של חומר שאינו תלוי בכמות החומר הקיימת. לכן, צפיפות יכולה לשמש כדי לזהות חומר טהור לא ידוע אם רשימה של צפיפות התייחסות זמין, ואת הנסיין יכול לבחור כמות נוחה של חומר לעבוד עם בעת מדידת צפיפות.

כדי למדוד את הצפיפות של מדגם של חומר, יש צורך למדוד את המסה ואת נפחו. המסה נמדדת בדרך כלל באמצעות איזון אנליטי, מכשיר מדויק המסתמך על הכוח המופעל על ידי המדגם בשל כוח המשיכה. הגורם המכיל להחזקת המדגם (המשמש גם למדידת נפח) נשקל ומכומת, כך שרק מסת המדגם מופיעה בתצוגת היתרה כאשר המדגם נוסף לגורם המכיל.

עבור נוזלים, מיכל זה הוא בדרך כלל בקבוקון נפחי, אשר יש סימון אחד המתאים לאמצעי אחסון מסוים. המיכל מלא לקו עם דגימת הנוזל ושוקל שוב לאחר הבקבוק הריק כבר זפת. הצפיפות הנמדדת היא היחס בין המסה הנמדדת לנפח המצוין על הבקבוקון.

רוב החומרים המוצקים מעוצבים באופן לא סדיר, מה שמסבך את קביעת הנפח. זה לא מדויק, למשל, כדי לקבוע את נפח האבקה על ידי מדידת מידותיה. במקום למדוד מידות ישירות או להשתמש בכלי זכוכית כמו בקבוקון נפחי, יש צורך לעשות שימוש בשיטת תזוזה נוזלית כדי למדוד את הנפח של מוצק בצורה לא סדירה. גליל מדורג המכיל נפח ידוע של נוזל (שבו מוצק הוא מסיס) הוא זפת. המוצק מתווסף לצילינדר, והמסה הכוללת נשקלת שוב כדי לקבוע את המסה של המוצק. תוספת של מוצק גורם עקירה כלפי מעלה של הנוזל, וכתוצאה מכך קריאת נפח חדשה. נפח המוצק שווה לשינוי בנפח עקב תזוזה נוזלית (כלומר,ההבדל בנפח הנוזל לפני ואחרי הוספת מוצק).

באשר לנוזלים, הצפיפות הנמדדת של מדגם מוצק היא היחס בין המסה הנמדדת לנפח הנמדד.

טבלה 1 מפרטת תוצאות לקביעת צפיפות האתנול באמצעות בקבוק נפחי של 50 מ"ל. הצפיפות חושבה על ידי חלוקת המסה הנמדדת ב-50.0 מ"ל. הצפיפות הממוצעת שנמדדה הייתה 0.789 ± 0.001 גרם/מ"ל. טבלה 2 מפרטת תוצאות לקביעת הצפיפות של מדגם של מתכת אבץ באמצעות גליל בוגר 100 מ"ל ושיטת תזוזה נוזלית. שים לב כי הצפיפות הנמדדת היא קבועה (בתוך שגיאה ניסיונית) עבור שני החומרים. טבלה 2, בפרט, מדגימה כי הצפיפות אינה תלויה בכמות החומר הנחקר.

טבלה 1. תוצאות לקביעת צפיפות האתנול באמצעות בקבוקון נפחי 50 מ"ל.

טבלה 2. תוצאות לקביעת הצפיפות של מדגם של מתכת אבץ באמצעות גליל בוגר 100 מ"ל ושיטת תזוזה נוזלית.

צפיפות היא מאפיין אינטנסיבי אופייני של חומר. לכן, מדידות צפיפות ניתן להשתמש כדי לזהות חומר טהור לא ידוע אם רשימה של צפיפות ייחוס אפשרית זמינה. לדוגמה, ניתן להשתמש בצפיפות כדי להבחין בין מתכות דומות במראה החיצוני (איור 2).

בהקשרים שבהם מסה נמוכה מאוד או גבוהה מאוד רצויה, צפיפות היא מאפיין חומרי קריטי. מהנדסי חומרים לשקול בזהירות את צפיפות החומרים לבנייה בהקשרים אלה. לדוגמה, גופם של כמה מחשבים ניידים קלים עשויים אלומיניום, אחת המתכות הפחות צפופות. מחבטי טניס קלים מכילים טיטניום, עוד מתכת בצפיפות נמוכה.

איור 2: מסות שוות ערך של מתכת אלומיניום (Al) ואבץ (Zn). מתכת האבץ תופסת נפח קטן בהרבה בשל צפיפותה הגבוהה יותר.