Методи, основані на визначенні густини

Густиною речовини (об’ємною масою) називається відношення маси m даної речовини до її об’єму V. Густина речовини позначається символом  і вимірюється в кг/м³ або г/см³:

.

Для зручності роботи визначають не абсолютну, а відносну густину речовини, яка являє собою відношення густини досліджуваної речовини до густини стандартної речовини. В якості стандартної речовини для рідких продуктів приймають воду при температурі 20 ⁰С і тиску 1,03·10⁵ Па. Відносна густина речовини є безрозмірною величиною. Відносну густину речовини розраховують за формулою

,

де d – відносна густина досліджуваної речовини (густина речовини відносно густини води);

, ρ_В – густина досліджуваної речовини і води відповідно, кг/м³;

m, m_В – маса досліджуваної речовини і води відповідно, кг;

V – об’єм досліджуваної речовини і води, м³.

Відносна густина речовини змінюється в залежності від температури досліджуваної й стандартної речовини, тому її завжди позначають з відповідними індексами: , де t і t_В - температура досліджуваної речовини і води відповідно, °С.

Для одного й того ж розчину величина завжди буде більша, ніж величина , так як густина води при 4 °С вища, ніж при 20 °С. Для переведення густини речовини, віднесеної до маси води при 20 °С, до густини речовини, віднесеної до маси води при 4 °С, і навпаки користуються такими формулами:

_,

_,

де 0,99823 – густина води при 20 °С, г/см³;

1,00177 – питомий об’єм води при 20 °С, см³/г.

Якщо речовина важче води (наприклад, цукроза), густина її водного розчину збільшується зі збільшенням концентрації розчиненої речовини, і навпаки (наприклад, густина розчину спирту зменшується зі збільшенням концентрації спирту). Концентрації розчинів різних речовин у залежності від густини цих розчинів наведені довідникових таблицях.

Густину визначають, користуючись спеціальними приладами: пікнометрами, гідростатичними вагами або ареометрами-денсиметрами.

Пікнометричний метод

Пікнометри являють собою скляні посудини різної форми і будови в залежності від призначення. На заводах харчової промисловості широко використовують пікнометри місткістю 25 і 50 мл. Для роботи з рідинами найбільш застосовують такі конструкції пікнометрів як: піпеткоподібні, капілярні, циліндричні, у вигляді мірної колби тощо (рис. 1).

1 – піпеткоподібний; 2 – з капілярною пробкою для в’язких рідин

(а – пробка, б – ковпачок); 3 – циліндричний Рейшауера;

4 – у вигляді мірної колби; 5, 6 - капілярні

Рисунок 1 – Типи пікнометрів

Густину розчину при температурі t знаходять за формулою

,

де m – маса пустого пікнометра, г;

m₁ – маса пікнометра з дистильованою водою, г;

m₂ - маса пікнометра з досліджуваним розчином, г.

Ареометричний метод

Концентрацію розчинних сухих речовин у розчинах найбільш швидко визначають за допомогою ареометрів. Дія ареометра основана на гідростатичному законі Архімеда, за яким тіло, занурене в рідину, виштовхується силою, що дорівнює масі витисненої рідини. Ареометр знаходиться в стані рівноваги тільки тоді, коли його маса m і маса витисненої ним рідини m₁ будуть рівні: m=m₁, m₁=m=Vd (де V і d – відповідно об’єм і густина витисненої рідини).

а – загальний вигляд; б – шкала приладу (від 0,00 до 8,00 %);

в – варіант зняття показників приладу

Рисунок 2 – Стандартний цукромір зі шкалою ділення 0,05 %

Витиснений ареометром об’єм рідини залежить тільки від густини досліджуваного розчину. Чим більша густина рідини, тим менше занурю-ється в неї ареометр і навпаки.

Ареометр – скляна циліндрична посудина, запаяна з обох кінців. Нижня, стовщена частина приладу заповнена дробом, щоб ареометр плавав чітко у вертикальному положенні. У верхній частині ареометра є шкала з поділками. Шкали ареометрів градуються в залежності від призначення приладів.

Ареометри загального призначення призначені для виміру густини рідини при 20 ⁰С в межах від 700 до 2000 кг/м³ з точністю до 0,001. Такі ареометри називають денсиметрами. У практиці використовують набір денсиметрів, якими визначають густину різних рідин важчих і легших води (кислот, лугів, розчинів солей).

У харчовій промисловості застосовують ареометри, шкали яких градуйовані при 20 ⁰С за розчинами чистої цукрози. Такі ареометри називають цукромірами. Цукроміри градуйовані так, що в чистих водних розчинах вони показують масовий відсоток розчиненого цукру, тобто кількість цукрози в 100 г розчину. У нечистих цукрових розчинах вони показують видимі сухі речовини в масових відсотках.

Зараз випускаються цукроміри різних марок з різними діапазонами концентрації цукрози і різною ціною ділення шкали (від 0,05 до 0,5 %). У деякі цукроміри вмонтовані термометри (рис. 2).

Нульова поділка шкали всіх ареометрів наноситься в тому місці, де зупиняється ареометр у дистильованій воді при 20 ⁰С. Поділки шкали цукромірів йдуть зверху донизу, так як густина цукрових розчинів більше одиниці й, отже, ступінь занурення ареометра зменшується зі збільшенням концентрації цукру в розчині.

Ареометри дають правильні показники тільки при температурі градуювання шкали. При роботі з рідинами температура яких відмінна від 20 ⁰С, уводять поправку на температуру (табл. 1). Однак ці поправки но-сять приблизний характер, тому краще працювати при температурі 20 ⁰С.

При роботі з ареометрами рекомендується дотримуватись наступних умов:

1. ареометр повинен бути чистим, а шийка його сухою;

2. ареометр слід брати за верхній кінець шийки, вище шкали, і обережно занурити в розчин; після того як він установиться на який-небудь поділці, його потрібно легким поштовхом занурити на 2-3 мм і чекати 2-3 хв, доки прилад не прийме температуру рідини і не прийде в стан рівноваги;

3. ареометр не повинен торкатися стінок циліндра, в який налита досліджувана рідина; рекомендується вибирати циліндр без носика діаметром в 2-3 рази більше діаметра нижньої частини ареометра; циліндр обов’язково повинен знаходитись у вертикальному положенні;

Таблиця 1 – Поправки на температуру до показань цукроміра

Темпе- ратура, °С	Показання цукроміра
	0	5	10	12	14	16	18	20	25
Від величини показання цукроміра відняти
10	0,32	0,37	0,42	0,44	0,46	0,48	0,50	0,51	0,56
11	31	34	39	41	42	44	45	47	51
12	28	31	35	37	38	40	41	42	46
13	26	28	32	33	34	35	36	38	41
14	23	25	28	29	30	31	32	33	35
15	20	21	24	25	26	26	27	28	30
16	16	18	19	20	21	22	22	23	23
17	12	13	15	15	16	16	17	17	18
18	08	09	10	10	11	11	11	12	12
19	04	05	05	05	05	05	06	06	06
20	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
До величини показання цукроміра додати
21	0,05	0,05	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06
22	10	11	11	11	12	12	12	12	13
23	15	16	17	18	18	18	18	18	20
24	21	22	23	23	24	25	25	26	26
25	27	28	30	30	31	31	32	32	33
26	33	34	36	37	37	38	39	39	41
27	40	40	42	43	44	45	46	46	48
28	46	47	49	50	51	52	53	54	55
29	53	54	56	57	58	59	60	61	63
30	60	61	63	64	65	66	67	68	71

4. досліджувана рідина не повинна містити в собі бульбашки повітря, а на своїй поверхні – піни. Бульбашки повітря змінюють густину рідини, а піна не дає можливості робити точний відлік за шкалою, тому рідину слід наливати в циліндр обережно по стінці. При роботі з рідинами, що піняться, циліндр необхідно наповнювати розчином майже доверху з таким розрахунком, щоб при зануренні частина її перелилась через край циліндра в підставлену скляну або металеву посудину;

5. відлік за шкалою ареометра робити по нижньому краю меніску (рис. 2, в, лінія СD). Для забарвлених розчинів використовують ареометр, градуйований по верхньому краю меніску (рис. 2, в, лінія АВ). Звичайно на градуйованій шкалі ареометра вказують за яким краєм меніска треба робити відлік (рис. 2, б);

6. температуру рідини заміряють з точністю до 0,5 °С;

7. ареометри після використання промивають водою і поміщають для зберігання у футляри або в широкий скляний циліндр, заповнений водою і з шарам піску на дні, який запобігає ареометри від ударів.