Вимір щільності пресованих зарядів вибухових речовин

 

У хімічних лабораторіях дуже часто доводиться визначати щільність, яка є однією з найважливіших фізичних величин і якою характеризують властивості речовини. У літературі колишніх років наводяться дані про питому вагу розчинів і твердих тіл. Цією величиною користувалися замість густини для рідин та щільності для твердих тіл.

Щільністю твердої або сипучої речовини називають відношення маси тіла до його об'єму:

,

де - щільність ;

- маса тіла, г;

- об’єм тіла, .

Питомою вагою називають відношення ваги (сили тяжіння) до її об'єму:

Щільність і питома вага речовини знаходяться в такій же залежності між собою, як маса і вага.

,

 

де g — місцеве значення прискорення сили тяжіння при вільному падінні.

Таким чином, розмірність питомої ваги та щільності .

Їх числові значення, виражені в одній системі одиниць, відрізняються один від одного. Щільність тіла не залежить від його місцезнаходження на Землі, в той час як питома вага змінюється в залежності від того, в якому місці Землі її виміряти.

У ряді випадків воліють користуватися так званою відносною щільністю, що представляє собою відношення щільності даної речовини до щільності іншої речовини за певних умов. Відносна щільність виражається абстрактним числом. Відносну щільність d рідких і твердих речовин прийнято визначати по відношенню до густини дистильованої води.

,

де - щільність речовини;

- густина дистильованої води при 4°С.

Само собою зрозуміло, що і повинні виражатися однаковими одиницями. Відносну щільність d можна також виразити відношенням маси взятої речовини до маси дистильованої води, взятої в тому ж обсязі, що і речовина, за певних постійних умов. Оскільки числові значення, як відносної щільності, так і відносної питомої ваги при зазначених постійних умовах є однаковими, користуватися таблицями відносних питомих ваг в довідниках можна так само, якби це були таблиці щільності.

Відносна густина або щільність є постійною величиною для кожної хімічно однорідної рідини і для розчинів при даній температурі. Тому за величиною відносної густини, в багатьох випадках, можна судити про концентрацію речовини в розчині.

Визначення відносної густини ареометрами. Для швидкого визначення відносної густини рідини застосовують так звані ареометри (рис. 3а). Це - скляна трубка, що розширюється внизу і має на кінці скляний резервуар, заповнений дробом. У верхній вузькій частині ареометра є шкала з поділками.

Чим менше відносна густина рідини, тим глибше занурюється в неї ареометр. Тому на його шкалі вгорі нанесено найменше значення відносної густини, яке можна визначити даним ареометром, внизу - найбільше. Наприклад, у ареометрів для рідин з відносною щільністю менше одиниці внизу стоїть 1,000, вище 0,990, ще вище 0,980 і т. д.

Проміжки між цифрами розділені на більш дрібні поділки, що дозволяє визначати відносну щільність з точністю до третього десяткового знака.

У найбільш точних ареометрів шкала охоплює значення відносної щільності в межах 0,2-0,4 одиниці. Такі ареометри зазвичай продають у вигляді наборів, які дають можливість визначати відносну щільність у широкому інтервалі.

Занурювати ареометр в рідину слід обережно, не випускаючи його з рук до тих пір, доки не стане явним, те що він плаває. Тоді руку обережно відпускають, і ареометр приймає потрібне положення. Ареометр повинен знаходитися в центрі циліндра і не торкатися стінок. Абсолютно неприпустимо, щоб ареометр торкався дна циліндра (рис. 3б). Відлік проводять по поділках шкали ареометра. Поділка, проти якої встановився верхній меніск рідини, характеризує величину густини.

 

Рисунок 3 - Використання ареометрів: а – ареометри, б– положення ареометра при вимірюванні.

Після визначення ареометр обмивають водою (якщо визначалася щільність водних розчинів), витирають і прибирають у спеціальний футляр або в ящик. Якщо визначають відносну щільність рідини, що не розчиняється у воді, то обмити ареометр потрібно будь-яким органічним розчинником. Ареометр вимагає обережного поводження (його можна легко розбити), це потрібно завжди пам'ятати при роботі з ним.

Існують спеціальні ареометри, які відразу дають потрібну характеристику рідини. Так, для спирту є спеціальні спиртометри, відразу показують процентний вміст спирту; для молока застосовуються так звані лактометри, що показують вміст жиру в молоці і т.п.

Визначення відносної густини пікнометром. Для визначення відносної густини рідини з точністю до четвертого знака користуються пікнометрами (рис. 4).

Рисунок 4 - Пікнометри для визначення щільності: а – Гей-Люссака; б – Рейшауера; в – Ренье; г – Менделєєва.

 

При визначенні відносної густини спочатку зважують порожній пікнометр, потім з водою, а потім з досліджуваною рідиною і знаходять масу рівних обсягів досліджуваної рідини і води. Взявши відношення цих мас, отримують значення відносної густини :

де Р – маса порожнього пікнометра, г,

P₁ – маса пікнометра з рідиною, г

Р₂ — маса пікнометра с дистильованою водою

() та () - відповідно маси рідини, що досліджується, і води в об’ємі пікнометра.

Всі зважування проводять на аналітичних вагах з точністю до 0,0001 г.

Як і при роботі з ареометром, відносну густину визначають при деякій відомої температурі, зазвичай при 20°С. При цій же температурі визначають масу води і пікнометра. Знаючи масу води і знайшовши в таблицях її густину при 20°С, можна визначити ємність пікнометра при цій температурі.

Визначення відносної щільності за допомогою гідростатичних ваг. Досить точно можна визначати відносну щільність рідких і твердих тіл за допомого спеціальних ваг Мора (рис. 5). Ваги Мора мають одну укорочену чашку та спеціальний підвісний поплавець, масу якого підганяють таким чином, щоб на повітрі ваги перебували у рівновазі. Коромисло ваг розділено на 10 поділок.

Рисунок 5 - Гідростатичні ваги Мора для визначення щільності.

 

Для визначення відносної щільності твердого тіла, останнє підвішують замість поплавця, точно врівноважують і потім занурюють у воду. Підбираючи масу до приведення ваг в рівновагу, визначають відносну щільність. Принцип визначення відносної щільності тут заснований на законі Архімеда.

Якщо тіло на повітрі врівноважують вантажем Р, а при зануренні цього тіла в воду - вантажем р, то відносна щільність тіла дорівнюватиме тобто масі тіла, поділеній на масу води, що витісняється.

Якщо визначають відносну густину рідини, то занурюють поплавець в рідину, що знаходиться в циліндрі. До занурення останнього в рідину ваги повинні знаходитися в рівновазі. Після занурення поплавця в рідину, що знаходиться в циліндрі, ваги приводять в рівновагу, розміщуючи на їх правому коромислі рейтер. Якщо, наприклад, перший рейтер встав на поділ «8», другий на поділ «6» і третій на поділ «7» правого плеча коромисла, то відносна щільність рідини буде дорівнює 0,867.

Визначення відносної щільності методом волюмометрії. Волюмометрами (рис. 6) називають пікнометри, що застосовуються для визначення відносної щільності порошкоподібних твердих речовин. Ємність таких пікнометрів зазвичай дорівнює 50 мл. Якщо речовина, відносну щільність якої потрібно визначити, розчиняється у воді, то вибирають таку рідину, в якій досліджувана речовина не розчиняється. Для цього часто застосовують керосин, а іноді - спирт, хлороформ та інші органічні рідини. Перед визначенням досліджувану речовину подрібнюють до порошкоподібного стану і висушують у сушильній шафі протягом 1,5 - 2 годин при температурі близько 105°С, якщо взята речовина витримує нагрівання до цієї температури.

Визначення відносної щільності речовини, що досліджується, починають з визначення відносної густини обраної для порівняння рідини, наприклад керосину, за описаним вище пікнометричним способом. У той же волюмометр, попередньо ретельно промитий, висушений і зважений на аналітичних вагах, насипають кілька грамів порошкоподібної речовини, що досліджується, зважують і, за різницею мас пікнометра, точно визначають наважку взятої речовини.

Рисунок 6 - Волюмометри: а – звичайний, б- з градуйованим горлом

 

Потім невеликими порціями наливають рідину, що застосовується, в волюмометр, кожен раз ретельно перемішуючи вміст струшуванням. Коли прилад буде заповнений на 2/3, його розміщують на 1-2 години на водяну баню, нагріту до 60-65°С, для видалення з порошкоподібної речовини бульбашок повітря. Час від часу вміст волюмометра злегка збовтують. Після того як виділення бульбашок повітря закінчиться, прилад охолоджують, доливають до мітки рідиною і зважують. Таким чином, визначають масу волюмометра з порошкоподібною речовиною і рідиною. Відносна щільність порошкоподібного твердого тіла (d_в) визначається за формулою:

,

де — відносна густина рідини;

Р — маса порошкоподібної речовини, г;

G — маса пікнометра, що наповнений рідиною, г;

F — маса пікнометра з порошкоподібною речовиною та рідиною, г.

 

Правильні результати цим методом можна отримати тільки за умови, що з порошкоподібної речовини буде видалено усе повітря.

Якщо не потрібно великої точності, густину можна визначати за допомогою волюмометра, показаного на рис. 6б. Він являє собою мірну колбу з довгим горлом, на якому нанесені поділки з точністю до 0,1 мл, подібно до того, як це зроблено на бюретці. У волюмометр наливають гас, бензин або іншу рідину, що змочує тверду речовину, щільність якої визначають. Рівень рідини, після доведення її до стандартної температури 20°С, повинен знаходитися на рівні нижнього (нульового) поділу. Далі у волюмометр насипають точну наважку подрібненої речовини і вміст колби злегка струшують, прагнучи до того, щоб рідина змила з внутрішньої поверхні горла всі пристали до неї частинки твердого тіла. Після цього волюмометр поміщають до термостату, витримують в ньому 20 хв. і потім відмічають рівень рідини в шийці волюмометра. По різниці рівнів рідини після і до насипання досліджуваної речовини визначають обсяг взятої наважки. Щільність твердої речовини визначають діленням маси взятої наважки на знайдений обсяг. Точність визначення за допомогою цього приладу до 0,1.

Метод визначення насипної щільності механічним методом. Метод заснований на вимірюванні маси сипкої речовини, засипаної в мірний циліндр відомого об'єму і ущільненого за допомогою спеціального апарату.

У закриту воронку апарата для визначення насипної щільності засипають речовину у кількості більшій, ніж потрібно для заповнення циліндра. Відкривають повністю заслінку воронки, після чого речовина зсипається в циліндр за 6-12 с.

Циліндр знімають з держателя апарату, надягають на нього пластикове кільце і додають вручну таку кількість речовини, щоб її рівень після ущільнення на кілька сантиметрів перевищував верхній край циліндра.

 

Рисунок 7 - Визначення щільності механічним методом

 

Метод визначення насипної щільності ручним ущільненням. Метод заснований на визначенні маси сипкої речовини насипної через лійку у мірний циліндр відомого об'єму, з наступним ущільненням вручну. У закриту воронку апарата насипають речовину в кількості більшій, ніж необхідно для заповнення циліндра. Відкривають заслінку воронки, після чого речовина зсипається в циліндр, заповнюючи його за 20-25 с. Закривають заслінку воронки, потім двічі піднімають речовину. Шпателем видаляють надлишок, що знаходиться вище верхнього краю циліндра. Видаляють мірний циліндр з апарату і зважують його вміст. Потім на одній і тій же пробі швидко, одне за іншим проводять два випробування. Паралельно проводять таке ж випробування нової порції речовини при дотриманні умов повторюваності.

Насипну щільність речовини обчислюють за формулою:

,

де ρ_н – насипна щільність речовини, ,

- маса наважки, г,

- об’єм циліндру до верхнього краю, см³.

 

Вимір щільності шашок можна робити за допомогою обмірювання і зважування або гідростатичним зважуванням. Обмірюванням можна визначати щільність циліндричних чи прямокутних перетинів шашок без гнізд під капсуль-детонатор, кумулятивних виїмок, тобто шашок найпростішої геометричної форми, об'єм яких може бути встановлений двома чи трьома вимірами. Так, наприклад, при визначенні щільності циліндричної шашки мікрометром вимірюється її висота і середнє значення діаметра, що у випадку не зовсім точної циліндричної форми, визначається обмірюванням діаметрів верхнього і нижнього торців.

Об'єм шашки визначається за формулою:

,

де: d – діаметр шашки, мм,

h – висота шашки, мм.

 

Щільність шашки розраховується за формулою:

,

де: r - щільність шашки, ,

Р - вага шашки, г.

 

Абсолютну і відносну погрішність виміру щільності в цьому випадку можна оцінити, користаючись наступним вираженням:

де , , , - абсолютна (відносна) погрішність виміру відповідного до ваги, діаметру, висоти шашки (дивись випускний атестат вимірювального інструмента і ваг).

Подібний метод визначення щільності, однак, не завжди забезпечує точний результат через можливу непаралельність площин шашки, не точний промір, унаслідок недостатньої міцності шашки і т.п. Тому в ряді випадків перевага віддається виміру щільності шашки ВМС гідростатичним зважуванням.

ОФОРМЛЕННЯ РОБОТИ

 

Після закінчення роботи необхідно акуратно і правильно оформити отримані результати лабораторної роботи. Оформлення результатів варто робити в наступному порядку.

Насамперед, повинна бути чітко сформульована ціль, поставлена в задачі, і поданий короткий літературний аналіз по досліджуваній залежності. Далі повинні бути приведені значення заданих параметрів (питомий тиск, визначена щільність і т.д.) і розрахунки параметрів, необхідних при виконанні задачі (наважка речовини, манометричний тиск). Потім описується методика виконання роботи і підраховуються результати вимірів. При опису методики необхідно привести схеми, ескізи, вимоги до інструмента і т.д. Підраховується помилка виміру. Отримані результати представляються у вигляді таблиці і графіків. Далі приводяться обговорення результатів, висновки по роботі і рекомендації.