液體密度原理:
密度是物質(zhì)的特性之一,它可以表示物質(zhì)密集的程度。在特定溫度下某物質(zhì)單位體積的重量,稱為絕對密度(absolute density),通常以密度(density)稱之。若以M與V分別表示物質(zhì)的重量與體積,則密度ρ表示為: ρ=M/V
液體物質(zhì)的密度量測,可選擇水為參考液來當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行相對密度實(shí)驗(yàn),所測得相對密度(亦稱作比重),是以物質(zhì)與同體積水的重量之比。
物質(zhì)(t℃)的重量 ρx(t℃)
d(4℃~t℃)= ---------------------- = --------------
同體積水(4℃)的重量 ρw(4℃)
d(4℃~t℃):欲測物質(zhì)之比重,
ρx(t℃):物質(zhì)(t℃)的密度,
ρw(4℃):水(4℃)的密度,其值為 1g/cm3
液體物質(zhì)的密度或比重是重要的物理常數(shù),在化學(xué)工業(yè)及食品業(yè)中的酸、堿、鹽、酒精、石油、糖等液體物質(zhì),當(dāng)其組成及濃度發(fā)生變化時(shí),其密度往往也隨之改變,因此,經(jīng)常測定是必要的。
對于有機(jī)化合物的液體密度,其所受眾多影響因素中,溫度與壓力屬于外在因素。當(dāng)系統(tǒng)的溫度上升或下降時(shí),由于熱脹冷縮的關(guān)系,液體的體積會(huì)膨脹或縮小,則液體的密度亦隨之減小或增大。
例如:工業(yè)上常見的有機(jī)溶劑有乙醇、丙酮、異辛烷等。以異辛烷為例,當(dāng)其溫度由290k增加到300k時(shí),液體密度則降低了0.0081g/cm3,降幅為1.29%。當(dāng)系統(tǒng)的壓力增大或減小時(shí),液體的體積也會(huì)有些許的減少或增加的趨勢,但其變化的幅度比溫度改變所造成者小的多,
例如:異辛烷,當(dāng)承受的壓力由1bar增加到20bar時(shí),則液體密度增加了0.0018g/cm3,增幅只有0.26%,故壓力所造成的液體密度變化量比溫度所造成者為小。此外,液體的極性、碳鏈的長度等內(nèi)在因素,也會(huì)影響有機(jī)化合物的液體密度,如正已烷或環(huán)戊烷等非極性液體,其分子之間只有一種非常微弱的吸引力,稱為倫敦分散力(London dispersion force),而兩極分子間的吸引力,除了分散力之外,還有永久偶極間或永久偶極和感應(yīng)偶極間的交互作用,使得分子的排列更加緊密。故一般而言,極性分子的液體密度要比非極性分子者大。而某些分子如醇類或酸類等極性液體,其分子間的吸引力因分子間氫鍵的存在而加強(qiáng),所以此類化合物的液體密度通常會(huì)比較大。
例如:乙酸和甲酸甲酯是同分異構(gòu)物,乙酸因形成分子間氫鍵,在293.5k時(shí)的液體密度為1.0492g/cm3,大于甲酸甲酯在293.5k時(shí)的液體密度為0.974.2g/cm3。對同系列的非極性液體與偶極炬極小的液體而言,因分子中原子數(shù)目增加,使得分子間的引力變大,液體密度也隨之增大。
而對于醇類或酸類等偶極炬較大的極性液體而言,碳鏈的增長反而使得液體密度減少,這是因?yàn)榇祟惢衔锓肿訒?huì)因碳鏈的增長,使得分子的偶極炬變小,而分子間的吸引力也隨之減小,因此密度也隨之減小。一般而言,化合物分子的形狀愈對稱,其液體密度比較大。此乃形狀愈對稱的分子,其分子排列較緊密,分子間的吸引力較大之故。
例如:正戊烷與異戊烷,正戊烷形狀較對稱,在293.15k時(shí)液體密度為0.626g/cm3,略大于異戊烷在293.15k時(shí)液體密度為0.620g/cm3。如上所述,會(huì)影響液體密度的內(nèi)在因素,皆以液體分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。故在探討有機(jī)化合物的液體密度時(shí),其化學(xué)結(jié)構(gòu)是極重要的影響因素,須加考慮之。
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