Проведение опыта Плато с использованием пикнометра

А.Г. Петров, ученик 9 «В» класса МБОУ Лицей №41
Руководитель: Н.Г. Останина, учитель химии высшей категории МБОУ
Лицей №41
Научный консультант: А.А. Шаков, старший научный сотрудник физикотехнического института
Проведение опыта Плато с использованием пикнометра Оствальда
Всемирно известный опыт бельгийского ученого Жозефа Антуана
Фердинанда Плато, жившего в 19 веке, с использованием воды, спирта и
прованского масла – это физический эксперимент, в рамках которого
происходит изучение природных явлений в специально созданных условиях.
В обычных условиях на Земле на каплю жидкости действуют, по
крайней мере, две силы: сила поверхностного натяжения и сила тяжести.
Первая сила стремится собрать жидкость в шар, а вторая - расплющить её. В
условиях земного тяготения мы преимущественно видим действие второй
силы. В условиях невесомости сила тяготения отсутствует, и поэтому
жидкость стягивается в шар. Сегодня это достоверно известно, но 200 лет
назад об этом могли только размышлять и строить различные гипотезы.
С помощью данного опыта можно объяснить определенную форму
галактик, закономерности процесса образования Солнечной системы и
других планетных систем. Воспроизведение опыта Плато – это не только
показательное и увлекательное занятие, но и дело, потребовавшее от нас
знаний о плотности жидкостей и способах ее измерения, а также научившее
делать своими руками пикнометры - приборы для точного измерения
плотности.
Цель работы – провести опыт Плато в его классическом исполнении.
Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ литературы: условия проведения опыта Плато,
лабораторные способы измерения плотности жидкости.
2. Сделать опытный образец пикнометра Оствальда.
3. Определить плотности подсолнечного масла и этилового спирта.
4. Рассчитать и приготовить водно-спиртовый раствор с плотностью,
равной плотности подсолнечного масла.
5. Провести опыт Плато.
Для работы нами были использованы: горелка стеклодувная, состоящая
из лабораторной спиртовки с воздушным поддувом; трубки стеклянные d=4
мм, из которых был изготовлен пикнометр Оствальда; термостат, состоящий
из мешалки, нагревателя и лабораторного термометра; а также аналитические
весы ВЛР-200. В качестве исходных компонентов для опыта нами были
выбраны: масло подсолнечное, спирт этиловый, вода дистиллированная.
Для проведения опыта Плато нам нужно было измерить плотности
жидкостей, но имеющиеся в лаборатории пикнометры не устраивали нас, так
как, во-первых, они недостаточно точны (погрешность обычного
лабораторного пикнометра ±0,001 г/см3); во-вторых, после измерения
плотности какой-либо жидкости этот пикнометр очень проблематично
подготовить к следующему измерению (удалить все остатки предыдущей
жидкости и высушить).
Мы решили изготовить пикнометр Оствальда, так как он имеет
погрешность около ±0,0001 г/см3, более прост в изготовлении в отличие от
других пикнометров, его конструкция позволяет облегчить заполнение и
промывку, пикнометр пригоден для измерения плотности сильно летучих
жидкостей, так как его заполнение не сопряжено с потерями растворителя
вследствие испарения. Однако у пикнометра Оствальда есть и свои минусы,
выявленные нами в ходе работы: он чувствителен к механическим
воздействиям, легко засоряется различными мелкими твердыми веществами,
оказавшимися в жидкости. После изготовления пикнометра Оствальда, мы
провели его калибровку, для которой использовали дистиллированную воду
при температуре 20±0,5°C. Все измерения плотности также проводили при
этой температуре.
С помощью изготовленного пикнометра мы определили плотность
спирта (d420=0,8113 г/см3). Далее определили исходную концентрацию спирта
(92,46 мас.%), а также рассчитали концентрацию водно-спиртового раствора
(46,59 мас.% спирта) так, чтобы его плотность была равна плотности масла, и
установили определенные соотношения спирта и воды (50,4:49,6) для
получения раствора спирта нужной нам плотности. После приготовления
водно-спиртового раствора мы провели контрольное измерение его
плотности. Оказалось, что его плотность равна 0,9222 г/см3, что несколько
выше, чем плотность масла, поэтому его нужно было разбавить спиртом в
соотношении 97,9:2,1. После чего его плотность стала равной плотности
масла (d420=0, 9213 г/см3).
Проведенные приготовления позволили провести опыт Плато.
Прозрачный стакан заполнили полученным водно-спиртовым раствором. В
него при помощи стеклянной трубки с капилляром медленно ввели масло.
Так как плотности обеих сред были одинаковы, на масло действовала только
сила поверхностного натяжения, и оно приобрело форму шара.
На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы:
1. Проведен анализ литературы.
2. Изготовлен пикнометр Оствальда.
3. Определены плотности подсолнечного масла и этилового спирта.
4. Проведен расчет и приготовлен водно-спиртовый раствор с
плотностью, равной плотности подсолнечного масла.
5. Проведен опыт Плато в классическом виде.
Опыты, представленные в литературе и в интернете, проводились со
средами, плотность которых выравнивалась опытным путем. Особенностью
нашей работы явилось то, что мы заранее рассчитали необходимые для
опыта плотности водно-спиртового раствора и масла и сделали это при
помощи собственноручно изготовленного пикнометра Оствальда.