OZNACZANIE GĘSTOŚCI METODĄ PIKNOMETRYCZNĄ

METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABOR ATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T2: Oznaczanie gęstości metodą piknometryczną
OZNACZANIE GĘSTOŚCI METODĄ
PIKNOMETRYCZNĄ
opracował dr inż. Tomasz Ratajczak
1. WSTĘP
Gęstość (masa właściwa) wyrażona jest stosunkiem masy ciała do jego objętości.
Wyróżnia się gęstość bezwzględną i gęstość względną. Gęstość bezwzględną opisuje
zależność:
= m/V
(1)
gdzie:
- gęstość w g/cm3 lub w kg/m3,
m - masa w g lub kg,
V - objętość w jednostce objętości (cm3 lub m3).
Gęstość względna definiowana jest jako stosunek gęstości ciała (c) do gęstości innego
ciała przyjętego za wzorcowe (w), zgodnie z zależnością:
=c/w
(2)
Ponieważ objętość zależy od temperatury, gęstość również zależy do temperatury.
Gęstość podaje się najczęściej dla temperatury pokojowej równej 20°C. Gęstość wody
destylowanej w temperaturze 4°C i pod ciśnieniem 1013 Pa (760 mm Hg) jest równa
1000 kg/m3.
W tabeli 1 podano gęstości różnych pospolitych substancji (Drzymała, 2016).
Tabela l. Gęstości pospolitych substancji w g/cm3 (Drzymała, 2016)
asfalt
1.1-1.5
magnetyt
4.9-5.2
0.86cukier
1.59
masło
0.87
diament 3.01-3.52
piryt
4.95-5.1
dolomit 2.84
rtęć
13.59
galena
7.3-7.6
szkło
2.4-2.8
korek
0.22-0.26
węgiel
1.2-1.8
kwarc
2.65
złoto
19.31
Dokładny pomiar gęstości substancji odbywa się w urządzeniach zwanych piknometrami,
a sam pomiar wykonuje się zgodnie z odpowiednimi procedurami. Do pomiaru gęstości
można również zastosować nowoczesne urządzenia wykorzystujące bardzo precyzyjne
przyrządy elektroniczne do rejestracji bardzo małych mas i objętości. Do nich należy zaliczyć
gęstościomierze helowe. Orientacyjnego pomiaru gęstości ciała stałego można dokonać przez
określenie zarówno masy ciała jak i jego objętości. W tym celu kawałek ciała stałego waży
się na wadze elektronicznej, a następnie określa jego objętość przez pomiar objętości wody
wypartej przez to ciało przy całkowitym zanurzeniu w wodzie (Drzymała, 2016).
1/4
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABOR ATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T2: Oznaczanie gęstości metodą piknometryczną
2. METODA PIKNOMETRYCZNA
Piknometr najczęściej wykonany jest ze szkła w kształcie kolby o objętości od 10 do
100 cm3. W klasycznych rozwiązaniach (rys. 1a) wylot kolby zamykany jest korkiem,
ze szczeliną pozwalającą na przelew nadmiaru cieczy. Wymiary szczeliny są niewielkie, aby
zapobiec parowaniu cieczy. Dlatego też, przy badaniu gęstości cieczy o dużej lotności na
końcówkę korka zaleca się nanosić kroplę oleju, który zabezpiecza przed stratami masy.
W nowszych rozwiązaniach (rys. 1b) piknometr posiada rurkę kapilarną do ustalenia
poziomu cieczy oraz termometr do pomiaru temperatury cieczy.
a)
b)
korek ze szczeliną
(kapilarą)
termometr
kapturek
rurka kapilarna
kolba z cieczą
naczynie szklane z cieczą
i badaną próbką
próbka
Rys. 1. Piknometr a) klasyczny b) z kapilarą i termometrem
Pomiar gęstości za pomocą piknometru pozwala uzyskać dokładność pomiaru
kilkugramowej próbki w granicach 0,01%. Dokładność tej metody zależy od stabilizacji
temperatury i dokładności jej wyznaczenia w czasie pomiaru (Bolewski i Żabiński, 1988).
Metoda pomiaru gęstości badanego materiału metodą piknometryczną polega
na porównaniu mas cieczy wypełniającej piknometr przed i po umieszczeniu w niej próbki.
Wychodząc z ogólnej postaci wzoru na gęstość substancji:
𝑚𝑠
𝜌𝑠 =
𝑉𝑠
i wyrażając masę substancji (ms) jako (Instrukcja, 2008):
𝑚𝑠 = 𝑚𝑝𝑐𝑠 − (𝑚𝑝𝑐 − 𝑚𝑐𝑤 )
gdzie:
𝜌𝑠 - gęstość badanej próbki, kg/m3
ms - masa badanej substancji, kg,
𝑉𝑠 - objętość badanej substancji, m3,
mpcs - masa piknometru z cieczą i badaną substancją, kg,
mpc - masa piknometru i cieczy, kg,
𝑚𝑐𝑤 - masa wypartej wody z piknometru przez ciało stałe,
𝜌𝑐 - gęstość cieczy, kg/m3.
2/4
(3)
(4)
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABOR ATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T2: Oznaczanie gęstości metodą piknometryczną
oraz podstawiając w równaniu (4) za 𝑚𝑐𝑤 zależność (Instrukcja, 2008):
𝑚𝑐𝑤 = 𝑉𝑠 𝜌𝑐
(5)
gdzie 𝜌𝑐 to gęstość cieczy w kg/m3, otrzymujemy, po przekształceniu równań wyjściowych
(4 i 3), wzór na gęstość ciała stałego wyznaczoną metodą piknometryczną (Instrukcja, 2008):
𝜌𝑠 = 𝜌𝑐 (𝑚
𝑚𝑠
𝑝𝑐 +𝑚𝑠 )−𝑚𝑝𝑐𝑠
.
(6)
Natomiast, gęstość badanej cieczy określonej metodą piknometryczną możemy
wyznaczyć ze wzoru (Instrukcja, 2008):
𝑚𝑐
𝑚𝑐
𝜌𝑐 =
= 𝜌𝑤
(7)
𝑉𝑐
𝑚𝑤
przyjmując, że 𝑉𝑐 ≈ 𝑉𝑤 ,
gdzie:
𝜌𝑐 - gęstość badanej cieczy w temperaturze pomiaru, kg/m3,
𝑉𝑐 - objętość badanej cieczy, m3,
𝑉𝑤 - objętość cieczy wzorcowej, m3,
𝜌𝑤 - gęstość cieczy wzorcowej, kg/m3,
mc - masa badanej cieczy, kg,
mw - masa cieczy wzorcowej, kg.

Temperaturę pomiaru przyjmuje się zazwyczaj 20° C, a jako cieczy wzorcowej używa
się najczęściej wody, ze względu na znajomość zależności jej gęstości od temperatury.
3. WYKONANIE ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest określenie gęstości wybranej substancji za pomocą piknometru.
Przebieg ćwiczenia.
1. Przygotować około 5 g badanej substancji o uziarnieniu < 0,5 mm, wysuszonej
w temperaturze 105° C.
2. Zważyć pusty i osuszony piknometr.
3. Wsypać do piknometru badany materiał i zważyć jego masę wraz z piknometrem.
4. Napełnić piknometr (z badaną próbką) wodą destylowaną do momentu wydostania
się kropli wody z kapilary, nadmiar wody usunąć bibułą. Zważyć piknometr
z zawiesiną i zanotować temperaturę wody.
5. Opróżnić piknometr z zawartości, a następnie wypełnić go wodą i zważyć.
6. Korzystając z tablic wielkości fizycznych określić gęstość wody odpowiadającej
danej temperaturze.
7. Wykonać obliczenia gęstości badanego materiału, zgodnie z wzorem 6. Porównać
uzyskany wynik z wartością literaturową.
3/4
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABOR ATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T2: Oznaczanie gęstości metodą piknometryczną
4. BIBLIOGRAFIA
Bolewski A., Żabiński W., 1988. Metody badań minerałów i skał, Wydawnictwo
geologiczne, Warszawa.
Drzymała J., 2016. Instrukcja do ćwiczeń: Podstawowe pomiary w mineralurgii, http://www.
minproc.pwr.wroc.pl/zpkio/pdf/PrzerKopLab/labPK08.pdf, dostęp 18.02.2016 r.
Instrukcja, 2008. Wyznaczanie gęstości metodą piknometryczną, http://www.polimery.umcs.
lublin.pl/HTML/pom/pikn.pdf, dostęp 18.02.2016 r.
4/4