background image

Ć w i c z e n i e  2 

 

WYZNACZANIE GĘSTOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY  

METODĄ PIKNOMETRYCZNĄ 

 
 

2.1 Opis teoretyczny 

 

Jedną z podstawowych metod laboratoryjnych wyznaczania gęstości ciał stałych jest metoda pik-
nometryczna. Pod pojęciem gęstości ciała rozumiemy masę jednostkowej objętości tego ciała. Jeśli 
ciało jest jednorodne, to jego gęstość możemy znaleźć dzieląc masę ciała m przez jego objętość V: 

V

m

=

ρ

 

    (2.1) 

 

Piknometr jest specjalnym naczyniem gwarantującym stałość objętości wypełniającego go 

ośrodka, przy zachowaniu stałości temperatury. Jest to niewielkie naczynie szklane (o objętości 
około 50 cm

3

) na ogół w kształcie kolby z dokładnie doszlifowanym korkiem. Przez środek korka 

przechodzi otworek, którym wypływa nadmiar cieczy. Średnica tego kanalika powinna być jak 
najmniejsza. Zabezpiecza to zawartą w piknometrze ciecz przed parowaniem. Przy badaniu cieczy o 
dużej lotności (jak np. eter) dodatkowo nakłada się warstwę ochronną z oleju na powierzchnię ka-
nalika.  
Metoda piknometryczna jest metodą porównawczą.  
 

2.1.1 Opis działania wagi belkowej 

Analityczne wagi belkowe działają w oparciu o zasadę dźwigni równoramiennej. Składa się z belki 
opartej w środku na ostrzu pryzmatu i szalek zawieszonych na jej końcach również na precyzyjnych 
ostrzach. Wahanie wagi odbywa się w jednej płaszczyźnie. Aby waga wytrącona z położenia rów-
nowagi samodzielnie do niego powracała (stanowiła układ o równowadze trwałej), 

belka wagi mu-

si mieć taki kształt aby jej środek ciężkości był położony poniżej punktu podparcia.

 

W zrównoważonej wadze równoramiennej następuje zrównoważenie momentów sił ciężkości  
m

1

 g l = m

2

 g l  , co gwarantuje równość mas m

1

 = m

2  

.Wynika stąd , że za pomocą wagi belkowej 

porównujemy masy dwu ciał: ciała ważonego i odważników. 
Najważniejszym parametrem wagi określającym zakres jej stosowalności jest tzw. czułość wagi
Jeżeli na jednej z szalek umieścimy nadmiarową masę 

m

, to belka odchyli się od poziomego po-

łożenia równowagi o pewien kąt 

α  i zatrzyma się w tym położeniu, jako w nowym położeniu rów-

nowagi (rys 2.1). Warunek równości momentów sił przyjmie wówczas postać 

 

α

α

α

α

cos

cos

sin

cos

l

g

m

l

G

S

g

m

l

G

b

+

=

+

 

 

gdzie: 

b

 - masa belki wagi, l – długość ramienia belki, S – odległość środka ciężkości belki od 

punktu podparcia belki, G – ciężar szalki z odważnikami w stanie zrównoważonym wagi (patrz 
rys2.1) 

stąd   

 

 

 

 

S

m

l

m

b

=

α

tg

 

Jeżeli kąt 

α  jest mały (co zwykle ma miejsce), możemy zastąpić tgα  przez α , a za miarę tego 

kąta przyjąć ilość podziałek  a  o którą odchyla się wskazówka wagi. Przy tych uproszczeniach 
otrzymujemy: 

background image

 

 

 

 

 

m

S

m

l

a

b

=

 

Z powyższej uproszczonej zależności widzimy, że odchylenie wskazówki wagi jest proporcjonalne 
do nadmiarowej masy 

m

 i długości ramienia belki, a odwrotnie proporcjonalne do masy belki i 

odległości środka ciężkości belki od punktu zawieszenia belki. Parametry l , S i m

b

 są parametrami 

konstrukcyjnymi wagi , dlatego powyższą równość najczęściej zapisuje się w postaci: 

 

 

 

 

 

m

C

a

=

 

gdzie 

S

m

l

C

b

=

 nazywamy czułością wagi. 

Jeśli zapiszemy ją w jeszcze innej formie: 

)

(mg

m

a

C

=

, to jasno zobaczymy, że czułość wagi 

podaje o ile działek przesunie się wskazówka wagi przy nadwadze 1 mg. Stosowane przy tym ćwi-
czeniu wagi analityczne pozwalają ważyć z dokładnością do 0,2 mg i mają czułość rzędu 

mg

podzialka

1

,

0

1

 . 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

     G   

 

 

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       G 

 
 

 

 

 

 

 

         m

b

 g 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

mg

 

 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

  a 

Rys 2.1 Równowaga belki wagi odchylonej od poziomu. 

 

2.1.2 Wyznaczanie gęstości cieczy 

W przypadku wyznaczanie gęstości cieczy należy określić następujące masy: 
 

 

m

C

 – masę badanej cieczy umieszczonej w piknometrze 

m

W

 – masę cieczy wzorcowej wypełniającej piknometr 

background image

Jako cieczy wzorcowej najczęściej używa się wody, gdyż dobrze znana jest zależność jej gęstości 
od temperatury (Tabela 2.1). 

Znając gęstość cieczy wzorcowej 

W

ρ

 oraz masę m

W

 można ustalić z dużą dokładnością objętość 

piknometru:  

  

 

 

 

 

 

W

ρ

W

P

m

V

=

 

Gęstość badanej cieczy znajdujemy z wyrażenia:  

W

C

P

m

m

V

W

C

C

m

ρ

ρ

=

=

 

    

  (2.2) 

 
W praktyce należy wykonać następujące ważenia: 
 

 

m

P

 – pustego piknometru 

 

 

m

PW

 – piknometru wypełnionego cieczą wzorcową  

 

 

m

PC

 – piknometru wypełnionego cieczą o nieznanej gęstości 

Wówczas: 

 

 

 

 

 

P

PC

C

m

m

m

=

 

 

 

 

 

 

P

PW

W

m

m

m

=

 

i zgodnie z zależnością (2.2) po podstawieniu powyższych relacji, gęstość cieczy określamy z wy-
rażenia: 

P

PW

P

PC

m

m

m

m

=

W

C

ρ

ρ

 

 

 

 

 

(2.3) 

W niniejszym ćwiczeniu jako ciecz wzorcową stosujemy wodę destylowaną. Wyznacza się zaś gę-
stość alkoholu etylowego. Gęstość wody destylowanej w określonej temperaturze doświadczenia 
należy odczytać z Tabeli 2.1. 
 

Tabela 2.1 

Gęstość wody w zależności od temperatury

 

Temp. 

[K] 

Gęstość 

[kg/m

3

Temp. 

[K] 

Gęstość 

[kg/m

3

Temp. 

[K] 

Gęstość 

[kg/m

3

Temp. 

[K] 

Gęstość 

[kg/m

3








999,87 
999,93 
999,97 
999,99 

1000,00 

999,99 
999,97 
999,93 

20 
21 
22 
23 
24 
25 
26 
27 

998,23 
998,02 
997,80 
997,56 
997,32 
997,07 
996,81 
996,54 

40 
41 
42 
43 
44 
45 
46 
47 

992,24 
991,86 
991,47 
991,07 
990,66 
990,25 
989,82 
989,40 

60 
65 
70 
75 
80 
85 
90 

 

983,24 
980,59 
977,81 
974,89 
971,89 
968,65 
965,34 

 

background image


10 
11 
12 
13 
14 
15 
16 
17 
18 
19 

999,88 
999,81 
999,73 
999,63 
999,52 
999,40 
999,27 
999,13 
998,97 
998,80 
998,62 
998,43 

28 
29 
30 
31 
32 
33 
34 
35 
36 
37 
38 
39 

996,26 
995,97 
995,67 
995,37 
995,05 
994,73 
994,40 
994,06 
993,71 
993,36 
992,99 
992,62 

48 
49 
50 
51 
52 
53 
54 
55 

 

988,96 
988,52 
988,07 
987,62 
987,15 
986,69 
986,21 
985,73 

 

 

2.1.3 Wyznaczanie gęstości ciała stałego 

W celu wyznaczenia gęstości ciała stałego należy dodatkowo wykonać ważeniu: 
 

 

m

S

 – ciała stałego 

 

 

m

PWS

 – piknometru z wodą z zanurzonym w niej ciałem stałym 

Oznaczając przez V

S

 objętość ciała stałego, jego masę można wyrazić zależnością: 

 

)

(

W

S

PW

PWS

S

V

m

m

m

ρ

=

 

    (2.4) 

gdzie 

W

V

ρ

 jest masą wody wypartej z piknometru przez ciało. 

Po przekształceniu otrzymujemy wzór na objętość ciała stałego: 

 

W

PW

PWS

S

S

m

m

m

V

ρ

+

=

    

    

 

(2.5) 

 

Na bazie definicji gęstości (2.1) możemy końcowo napisać: 

 

PW

PWS

S

S

W

S

S

m

m

m

m

m

+

=

=

ρ

ρ

S

V

 

   (2.6) 

 

Ponieważ objętość piknometru jest znacznie większa od objętości odważników należy zastanowić 
się czy w powyższych rozważaniach nie należałoby uwzględnić siły wyporu, która powoduje, że 
masa rzeczywista ciała ważonego 

m

*

 jest większa niż masa odważników 

m

O

 

 

 

 

)

V

V

(

odw

*

+

=

p

O

ρ

m

m

 

 

gdzie:  V – objętość ciała ważonego, V

odw

 – objętość odważników, 

p

ρ  – gęstość powietrza 

Poddajmy powyższy wzór kilku przekształceniom: 

background image

 





+

=

=

=





+

=

odw

P

C

P

O

O

odw

O

C

odw

odw

C

C

p

O

m

m

m

m

V

ρ

m

m

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

1

V

V

V

odw

*

odw

*

 

 

gdzie: 

C

ρ  – gęstość ciała ważonego, 

odw

ρ

 – gęstość odważników. 

Widzimy, że wielkość poprawki (wyrażenie w nawiasie) zależy od gęstości ciała ważonego 

C

ρ . 

Ze względu na symetrię wzoru (2.3) dwie takie poprawki uwzględnione przy ważeniu cieczy bada-
nej i cieczy wzorcowej wzajemnie znoszą się jeśli tylko gęstości obu cieczy nie różnią się dużo 
(gdyż we wzorze 2.3 występuje stosunek mas obu cieczy). Im ta różnica jest mniejsza, tym mniej-
szy jest błąd systematyczny metody piknometrycznej. Powyższy 

wniosek można uogólnić na 

wszystkie metody porównawcze

, przy stosowaniu których zawsze dążymy do takiej sytuacji, aby 

wielkości: szukana i wzorcowa były możliwie zbliżone wartościami

Zastosowanie metody porównawczej do wyznaczenia gęstości cieczy przyniosło nam dwie korzy-
ści: nie musimy znać dokładnej pojemności piknometru oraz usuwa konieczność uwzględniania 
poprawki spowodowanej wyporem powietrza. 
W przypadku wyznaczenia gęstości ciała stałego nie ma potrzeby uwzględniania omawianej po-
prawki, gdyż jego objętość jest mała (bliska objętości odważników). 
Tak więc wyprowadzone wcześniej wzory (2.3) i (2.6) są z dobrym przybliżeniem słuszne i stano-
wią podstawę do obliczeń. 

 

2.2 Opis układu pomiarowego 

 

Do oznaczania masy służą wagi. Wagi o dużej dokładności dzieli się na: 

-  analityczne o nośności najczęściej 200 g i czułości 0,1 mg 
-  półmikroanalityczne o nośności zwykle 100 g i czułości 0,01 mg 
-  mikro analityczne o nośności 30 g i czułości 0,001 mg 

Produkowane są w dwu zasadniczych typach: jako wagi periodyczne i aperiodyczne. W pierwszych 
belka zawieszona na centralnym nożu (pryzmacie) waha się swobodnie. W wagach aperiodycznych 
wahanie belki jest tłumione bądź pneumatycznie (przez dwa cylindry wchodzące jeden w drugi) lub 
magnetycznie (blaszka ze stopu magnetycznego porusza się w polu magnesu stałego). Urządzenie 
tłumiące hamuje wahanie i powoduje szybkie ustalenie się punktu zerowego. 
Zasada działania wszystkich wymienionych wag jest jednakowa. Jest to zasada dźwigni równora-
miennej. Na belce opartej w środku na ostrzu (pryzmacie) , w równych odległościach od punktu 
podparcia zawieszone są również na pryzmatach szalki. Na jednej z nich (po prawej ręce ważącego) 
umieszcza się odważniki, a na drugiej przedmiot ważony. Do belki centralnie przymocowana jest 
wskazówka, co pozwala obserwować na skali zrównoważenie szalek. Każda waga wyposażona jest 
w urządzenia umożliwiające pionowe ustawienie jej głównego słupa (pion lub libella) 
W ćwiczeniu używamy wagi analitycznej. Wagi analityczne wyposażone są w urządzenie aretujące 
tzn. unieruchamiające je poprzez podparcie szalek. Wagę odaretowuje się tylko w czasie ważenia . 
Podczas nakładania lub zdejmowania odważników lub przedmiotu ważonego waga powinna być 
zabezpieczona przez zaaretowanie. Nie zaaretowanie wagi podczas tych czynności grozi jej uszko-
dzeniem (belka może spaść z pryzmatów).  
Ze względu na delikatną budowę omawianych wag, obowiązują określone zasady postępowania, 
których nieprzestrzeganie prowadzi do rozregulowania, a nawet zniszczenia jej pryzmatów. 

background image

Zasady prawidłowego ważenia 

 

1. 

Włączanie (zwalnianie) i wyłączanie (aretowanie) wagi należy wykonywać powoli, spokoj-

nym ruchem , aby uniknąć uderzenia pryzmatów o panewki. 

2. 

Waga nieużywana powinna być zawsze zaaretowana. Nie wolno nawet na krótko pozosta-

wić wagi niezaaretowanej. 

3. 

Nakładanie i zdejmowanie odważników należy wykonywać tylko za pomocą specjalnych 

szczypczyków (lub pensety). 

4. 

Nakładanie i zdejmowanie przedmiotów ważonych i odważników należy przeprowadzać 

tylko przy wyłączonej wadze, ustawiając je delikatnie na środku szalek, tak aby po włą-
czeniu wagi szalki nie wahały się na boki. 

5. 

Przedmioty ważone muszą być suche, czyste i mieć temperaturę otoczenia. W tym celu naj-

lepiej pozostawić jej na jakiś czas obok wagi. 

6. 

Odważanie cieczy można przeprowadzać tylko w szczelnie zamkniętych naczyniach, nie 

otwieranych w szafce wagi. 

 

2.3. Przebieg pomiarów 

 

1.  Przemyć piknometr etonolem i wysuszyć. 
2.  Zważyć za pomocą wagi analitycznej suchy piknometr wyznaczając 

m

P

3.  Napełnić piknometr badaną cieczą osuszając bibułą jego ścianki boczne z nadmiaru cieczy wy-

pływającej po włożeniu korka. Zważyć piknometr z badaną cieczą (

m

PC

4.  Opróżnić i osuszyć piknometr. 
5.  Wypełnić piknometr wodą destylowaną i postępując jak w pkt. 3  całość zważyć (

m

PW

). 

6.  Zważyć badane ciało stałe (śrut ) bezpośrednio na szalce wagi. Objętość ciała stałego powinna 

być mała tzn. bliska objętości odważników (

m

S

). 

7.  Wsypać ciało stałe (śrut) do piknometru wypełnionego wodą destylowaną i całość zważyć po-

stępując jak w pkt. 3 (

m

PWS

). 

Uwaga

: Przy nalewaniu cieczy i ważeniu nie należy piknometru obejmować całą dłonią, ponieważ 

pod wpływem ciepła oddawanego przez dłoń, ciecz powiększa swą objętość i wypływa na ze-
wnątrz. Należy szczególnie zwrócić uwagę na to aby cała objętość piknometru była wypełniona 
cieczą. 

8.  Opróżnić piknometr i osuszyć ciało stałe. 
9.  Odczytać na termometrze temperaturę w pomieszczeniu. Odczytać z tabeli 2.1 gęstość wody 

destylowanej w tej temperaturze. 

 

2.4. Opracowanie wyników pomiarów

 

1.  Wykonać obliczenia gęstości cieczy i ciała stałego według wzorów (2.3) i (2.6). 
2.  Błędy wyników obliczamy metodą różniczki zupełnej. Ponieważ błędy bezwzględne wszystkich 

ważeń są jednakowe i wynoszą 

m

 , wzory na szukane błędy bezwzględne przyjmują następu-

jącą postać: 

 

background image

2

PC

PW

P

2

P

PC

2

P

PW

2

P

PW

)

m

m

m

2

(

)

m

m

(

)

m

m

(

)

m

(m

+

+

+

=

m

W

C

ρ

ρ

 

2

PW

PWS

2

S

2

PW

PWS

S

)

m

m

(

)

m

(

2

)

m

m

-

(m

+

+

=

m

W

S

ρ

ρ

 

3.  Oszacować wielkość sił wyporu powietrza działającej na piknometr. Należałoby ją uwzględnić 

w przypadku jednorazowego ważenia piknometru. 

4.  Napisać wnioski. 
 

2.5. Pytania kontrolne 

 

1.  Omówić technikę ważenia.  
2.  Zdefiniować pojęcie gęstości ciała. 
3.  W jaki sposób gęstość ciał zależy od temperatury? 
4.  Omówić zastosowanie piknometru. 

 

L i t e r a t u r a 

 

[1] T. Dryński: Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN Warszawa, 1976.