Instrukcja obsługi Zestaw do pomiaru gęstości Ciała stałe i ciecze
Spis treści 1 2 3 4 5 6 7 Wprowadzenie Standardowe wyposażenie Przygotowanie wagi do pomiaru gęstości Zasada pomiaru gęstości Pomiar gęstości ciał stałych 5.1 Podstawy 5.2 Pomiar gęstości ciał stałych 5.3 Większa precyzja pomiaru Pomiar gęstości cieczy 6.1 Podstawy 6.2 Wykonanie pomiaru gęstości cieczy 6.3 Większa precyzja pomiaru Informacje dodatkowe 7.1 Niekorzystne czynniki 7.2 Tabela gęstości wody destylowanej 7.3 Tabela gęstości etanolu 5 6 8 10 11 11 11 12 14 14 14 15 16 16 17 17 Spis treści 3
1 Wprowadzenie Dziękujemy za zakup zestawu do pomiaru gęstości przeznaczonego do użycia z wagami METTLER TOLEDO. Dzięki zastosowaniu tego zestawu wagę można wykorzystać do pomiaru gęstości ciał stałych i cieczy. Instrukcja przedstawia sposób pracy z zestawem do pomiaru gęstości. Aby nauczyć się obsługi wagi, należy skorzystać z instrukcji dołączonej do tego urządzenia. Uwaga: Wagi z fabrycznie zainstalowanym oprogramowaniem w wersji V1.30 lub późniejszej: Aplikacja pomiaru gęstości jest dostępna. Wagi z fabrycznie zainstalowanym oprogramowaniem w wersji wcześniejszej niż V1.30: Instalacja aplikacji pomiaru gęstości wymaga aktualizacji oprogramowania i TDNR. Należy się skontaktować z serwisem METTLER TOLEDO. Stosować się do wszelkich ostrzeżeń zawartych w instrukcji obsługi wagi. Wprowadzenie 5
2 Standardowe wyposażenie Zestaw do pomiaru gęstości ciał stałych składa się z części wymienionych poniżej. Podstawa Stojak Uniwersalny koszyk na ciała stałe pływające i niepływające (30004211) Szalka Śruba Naczynie szklane Ø 80 mm (11142289) Termometr precyzyjny z uchwytem (00238767) (opcjonalnie wersja skalibrowana z certyfikatem, 11132685) Środek zwilżający (0072409) Instrukcja obsługi na płycie CD (11781524) Element osłony przeciwwietrznej (z wyjątkiem modelu MS-DNY-54) Odważniki w zależności od zestawu 6 Standardowe wyposażenie
Do pomiaru gęstości cieczy jest potrzebny ten zestaw oraz opcjonalny wypornik 10 cm 3 (00210260). Skalibrowany wypornik z certyfikatem (00210672) Nowy certyfikat (po ponownej kalibracji wypornika) (00210674) Standardowe wyposażenie 7
3 Przygotowanie wagi do pomiaru gęstości Zakładanie odważników Właściwy odważnik należy wybrać zgodnie z tabelą w rozdziale "Standardowe wyposażenie". Przymocować odważnik do stojaka przy użyciu śruby. Uwaga: Śrubę należy dokręcić na tyle mocno, aby odważnik miał dobry kontakt z podłożem. a) Wyciągnąć szalkę i podstawę szalki (jeśli jest) z komory ważenia. b) Modele d = 1 mg: Założyć element osłony przeciwwietrznej. c) Umieścić stojak z założonym odważnikiem na stożku ważenia. a) Umieścić podstawę na elemencie osłony przeciwwietrznej. b) Wyrównać ustawienia stojaka do podstawy. Uwaga: Stojak nie może w żadnych okolicznościach stykać się z podstawą! Umieścić szalkę na podstawie. 8 Przygotowanie wagi do pomiaru gęstości
a) Zawiesić dołączony termometr na brzegu naczynia. b) Umieścić naczynie na szalce. Waga jest gotowa do pomiaru gęstości. Uwaga: Jeżeli waga została rozłączona w trakcie pomiaru (np. na skutek awarii zasilania), przed ponownym włączeniem zestaw należy ustawić jak na rysunku. Przygotowanie wagi do pomiaru gęstości 9
4 Zasada pomiaru gęstości Gęstość jest ilorazem masy m i objętości V. W międzynarodowym układzie jednostek miary jednostką gęstości jest kg/m 3. Jednak jednostka g/cm 3 jest bardziej przydatna do celów laboratoryjnych. Gęstość jest często określana na podstawie Prawa Archimedesa, które zostało również wykorzystane przy budowie zestawów do pomiaru gęstości dla wag. Zgodnie z tym prawem każde ciało zanurzone w cieczy staje się pozornie lżejsze o tyle, ile waży wyparta przez nie ciecz. Procedura pomiaru gęstości zgodnie z Prawem Archimedesa zależy od tego, czy mierzona jest gęstość ciał stałych czy cieczy. 10 Zasada pomiaru gęstości
5 Pomiar gęstości ciał stałych 5.1 Podstawy Gęstość ciał stałych jest ustalana przy użyciu cieczy o znanej gęstości 0 (najczęściej jako ciecz pomocniczą wykorzystuje się wodę lub etanol). Ciało stałe waży się w powietrzu (A), a następnie w cieczy pomocniczej (B). Na podstawie wyników obu ważeń można obliczyć gęstość tego ciała w następujący sposób: Gęstość: Objętość: 5.2 Pomiar gęstości ciał stałych = Gęstość próbki A = Waga próbki w powietrzu B = Waga próbki w cieczy pomocniczej V = Objętość próbki = Gęstość cieczy pomocniczej = Gęstość powietrza (0,0012 g/cm 3 ) = Współczynnik (0,99985) do przeliczenia wagi z uwzględnieniem ciśnienia atmosferycznego Uwaga: Ta instrukcja przedstawia sposób pracy z zestawem do pomiaru gęstości. Opisano w niej procedurę ręcznego pomiaru gęstości. Aby nauczyć się obsługi wagi, należy skorzystać z instrukcji dołączonej do tego urządzenia. W instrukcji przedstawiono sposób pracy z aplikacją pomiaru gęstości, która jest zainstalowana w wadze (oprogramowanie w wersji 1.30 lub późniejszej). Przy pomiarze gęstości ciał stałych należy użyć uniwersalnego koszyka na ciała pływające i niepływające. Przygotować wagę do pomiaru gęstości zgodnie z opisem w części poświęconej przygotowaniu wagi. a) Wypełnić naczynie cieczą pomocniczą (o znanej gęstości 0, zwykle jest to woda destylowana lub etanol). Po zanurzeniu ciała stałego ciecz pomocnicza powinna je przykrywać warstwą o grubości przynajmniej 1 cm. b) Zawiesić uniwersalny uchwyt na ciała stałe na stojaku (na kolejnym rysunku pokazano uniwersalny uchwyt przygotowany na ciało niepływające). Sprawdzić, czy do zanurzonej części koszyka nie przylegają pęcherzyki powietrza (usunąć je, poruszając koszykiem lub przy użyciu delikatnej szczoteczki). Ważenie w powietrzu: a) Zamknąć drzwiczki osłony przeciwwietrznej i wytarować wagę. b) Umieścić ciało stałe na jednej z dwóch szalek stojaka. c) Zaczekać na ustabilizowanie się odczytu na wyświetlaczu wagi (wskaźnik niestabilności znika). d) Zanotować wartość odczytu A (waga próbki w powietrzu). Pomiar gęstości ciał stałych 11
Modele 0,01 mg i 0,1 mg: Ciała stałe o wadze przekraczającej 20 g przeznaczone do ważenia w powietrzu należy umieszczać na szalce znajdującej się na górze koszyka (powyżej 20 g na jednym z ramion może wystąpić błąd bocznego obciążenia). Ważenie w cieczy: a) Zdjąć ciało stałe z szalki, zamknąć drzwiczki osłony przeciwwietrznej i wytarować wagę. b) Umieścić ciało stałe w koszyku. Sprawdzić, czy do ciała stałego nie przylegają pęcherzyki powietrza (usunąć delikatną szczoteczką). c) Zaczekać do ustabilizowania się wagi i zanotować wartość odczytu B (waga próbki w cieczy pomocniczej). d) Teraz można określić gęstość ciała stałego według przedstawionego wcześniej wzoru. Dotyczy ciał stałych o gęstości mniejszej niż 1 g/cm 3 : Przed ważeniem ciał stałych pływających należy przygotować uniwersalny koszyk, obracając go. Dzięki temu ciało stałe powinno się znaleźć pod powierzchnią cieczy pomocniczej. Jeżeli wyporność ciała stałego jest większa od wagi koszyka, koszyk należy obciążyć, ustawiając dodatkowy odważnik na górnej szalce stojaka. Po ustawieniu dodatkowego odważnika trzeba wytarować wagę i rozpocząć procedurę pomiaru gęstości od nowa, najpierw ważąc ciało stałe w powietrzu (A), a następnie w cieczy pomocniczej (B). 5.3 Większa precyzja pomiaru Aby zwiększyć precyzję pomiaru gęstości ciał stałych, należy postąpić zgodnie z poniższymi wskazówkami. Temperatura Ciała stałe są z reguły na tyle niewrażliwe na wahania temperatury, że związane z nimi zmiany gęstości nie odgrywają żadnej roli. Jednak w trakcie pracy nad ustalaniem gęstości ciał stałych przy użyciu cieczy pomocniczej zgodnie z Prawem Archimedesa należy uwzględnić ich temperaturę, ponieważ ma ona większy wpływ na zachowanie się cieczy i może powodować zmiany gęstości rzędu 0,1 do 1% na C. Ten wpływ będzie widoczny w wyniku już na trzecim miejscu po przecinku. Dla większej precyzji pomiaru zalecamy, aby uwzględniać temperaturę cieczy pomocniczej przy wszystkich pomiarach gęstości. Odpowiednie wartości można znaleźć w tabelach fizycznych. Tabele dla wody destylowanej i etanolu zostały zawarte w części 6. 12 Pomiar gęstości ciał stałych
Napięcie powierzchniowe cieczy pomocniczej Przyleganie cieczy pomocniczej do drucików utrzymujących koszyk powoduje pozorny wzrost wagi o maks. 3 mg. Ponieważ koszyk jest zanurzony w cieczy pomocniczej podczas obydwu ważeń (zarówno w powietrzu, jak i w cieczy), a waga jest tarowana przed każdym pomiarem, wpływ pozornego wzrostu wagi jest pomijalny. Jeżeli wymagana jest maksymalna precyzja pomiaru, należy użyć kilku kropel dostarczonego środka zwilżającego. Pomiar gęstości ciał stałych 13
6 Pomiar gęstości cieczy 6.1 Podstawy Gęstość cieczy mierzy się przy użyciu wypornika o znanej objętości. Wypornik jest ważony w powietrzu, a następnie w cieczy, której gęstość jest mierzona. Gęstość można ustalić na podstawie obydwu ważeń w następujący sposób: Korzystając z elektronicznej wagi, można zmierzyć wagę wypartej cieczy P (P = A-B), a więc również jej wyporność, co pozwala na uproszczenie przedstawionego wcześniej wzoru do następującej postaci: Gęstość: = Gęstość cieczy 6.2 Wykonanie pomiaru gęstości cieczy A = Waga wypornika w powietrzu B = Waga próbki w cieczy V = Objętość wypornika = Gęstość powietrza (0,0012 g/cm 3 ) = Współczynnik (0,99985) do przeliczenia wagi z uwzględnieniem ciśnienia atmosferycznego P = Waga wypartej cieczy (P = A-B) Uwaga: Ta instrukcja przedstawia sposób pracy z zestawem do pomiaru gęstości. Opisano w niej procedurę ręcznego pomiaru gęstości. Aby nauczyć się obsługi wagi, należy skorzystać z instrukcji dołączonej do tego urządzenia. W instrukcji przedstawiono sposób pracy z aplikacją pomiaru gęstości, która jest zainstalowana w wadze (oprogramowanie w wersji 1.30 lub późniejszej). W celu ustalenia gęstości cieczy, należy skorzystać z opcjonalnego wypornika. Ważenie wypornika w powietrzu: Przygotować wagę do pomiaru gęstości zgodnie z opisem w części poświęconej przygotowaniu wagi. a) Zawiesić wypornik na stojaku w taki sposób, aby nie stykał się ani z naczyniem, ani z termometrem. b) Wytarować wagę. 14 Pomiar gęstości cieczy
Ważenie wypornika w cieczy: a) Wypełnić naczynie cieczą, której gęstość jest mierzona (do poziomu ok. 1 cm ponad otwór nośny wypornika). Sprawdzić, czy do wypornika nie przylegają pęcherzyki powietrza (usunąć delikatną szczoteczką). b) Zaczekać na ustabilizowanie się odczytu na wyświetlaczu wagi (wskaźnik niestabilności znika) i zanotować wartość odczytu P (waga próbki w powietrzu). c) Teraz można ustalić gęstość cieczy (w temperaturze zgodnej ze wskazaniem termometru) zgodnie ze wzorem przedstawionym poniżej. 6.3 Większa precyzja pomiaru Aby zwiększyć precyzję pomiaru gęstości cieczy, należy postąpić zgodnie z poniższymi wskazówkami. Tolerancja objętości wypornika Opcjonalny wypornik 210260 zalecany do pomiaru gęstości cieczy odpowiada wymogom niemieckiego Rozporządzenia w sprawie wag i miar (EO 13-4, paragraf 9.21). Objętość wypornika 210260 włącznie z górną połową drucika utrzymującego jest taka, aby maksymalny błąd pomiaru gęstości wody w temperaturze 20 C wyniósł ±0,0005 g/cm 3. Pomiar gęstości cieczy 15
7 Informacje dodatkowe W tej części przedstawiono informacje o czynnikach, które mogą mieć niekorzystny wpływ na precyzję wyników eksperymentów. Dodatkowo umieszczono tu tabele gęstości wody destylowanej i etanolu. 7.1 Niekorzystne czynniki Oprócz temperatury, wypierania powietrza i napięcia powierzchniowego cieczy, na wyniki eksperymentów mogą mieć wpływ następujące czynniki: Głębokość zanurzenia koszyka lub wypornika Pęcherzyki powietrza Porowatość ciała stałego Głębokość zanurzenia koszyka lub wypornika Wypornik do pomiaru gęstości cieczy jest zawieszony na platynowym druciku o średnicy 0,2 mm. Drucik jest wypierany z wody o ok. 0,3 mg na każde 10 mm zanurzenia. Przykład: Jeżeli poziom cieczy sięga 10 mm ponad otwór nośny wypornika, zanurzone jest ok. 40 mm drucika. Oznacza to wyparcie masy o wartości 1,2 mg przy gęstościach oscylujących wokół 1. Po podziale wyporności przez 10 cm3 (= objętość wypornika) błąd wyniku pomiaru staje się pomijalny i nie wymaga poprawek. Część koszyka zanurzana przy pomiarze gęstości ciał stałych zawiera dwa druciki o średnicy 0,6 mm każdy. Dla cieczy o gęstości 1 oznacza to wyparcie ok. 0,4 mg na każdy milimetr zanurzenia. Przy ważeniu ciała stałego w powietrzu głębokość zanurzenia koszyka pozostaje niezmienna. Siła wyporu oddziałująca na koszyk jest więc stała i można ją pominąć. Ważne jest jednak, aby nie zmieniać poziomu cieczy pomiędzy ważeniami (zmiana poziomu cieczy wywołana zanurzeniem ciała stałego jest zwykle pomijalna). Pęcherzyki powietrza W przypadku cieczy nisko zwilżających (np. woda bez środka zwilżającego) jest możliwość przylegania pęcherzyków powietrza do zanurzonych elementów (ciało stałe, wypornik, koszyk), których wyporność może wpływać na wynik pomiaru. Pęcherzyk o średnicy 1 mm może spowodować wyparcie 0,5 mg, a pęcherzyk o średnicy 2 mm - aż 4 mg. Aby zapobiec powstawaniu pęcherzyków powietrza, zalecamy podjęcie następujących środków ostrożności: Zastosować załączony lub dokupiony środek zwilżający albo ciecz organiczną (zmiana gęstości wody destylowanej spowodowana dodaniem środka zwilżającego jest pomijalna). Odtłuścić ciała stałe odporne na rozpuszczalnik. Regularnie czyścić koszyk i wypornik oraz nigdy nie dotykać ręką zanurzanych części. Po pierwszym zanurzeniu delikatnie potrząsnąć koszykiem i wypornikiem, aby uwolnić przylegające pęcherzyki powietrza. Nadal przylegające pęcherzyki powietrza usunąć delikatną szczoteczką. Zastosować załączony lub dokupiony środek zwilżający albo ciecz organiczną (zmiana gęstości wody destylowanej spowodowana dodaniem środka zwilżającego jest pomijalna). Porowatość ciała stałego Po zanurzeniu ciała stałego w cieczy zazwyczaj nie dochodzi do wyparcia całego powietrza z porów. To prowadzi do błędów przy ustalaniu wyporności, przez co gęstość porowatych ciał stałych jest możliwa do ustalenia tylko w przybliżeniu. 16 Informacje dodatkowe
7.2 Tabela gęstości wody destylowanej Tabela gęstości wody destylowanej 7.3 Tabela gęstości etanolu Tabela gęstości etanolu Gęstość C2H5OH według "Podręcznika Amerykańskiego Instytutu Fizyki". Informacje dodatkowe 17
www.mt.com Aby uzyskać więcej informacji Mettler-Toledo AG, Laboratory & Weighing Technologies CH-8606 Greifensee, Switzerland Tel. +41 (0)44 944 22 11 Fax +41 (0)44 944 30 60 Internet: www.mt.com Podlega zmianom technicznym. Mettler-Toledo AG 07/2010 11781524 Polish 2.72 *11781524*