題:
混合時兩種液體的重量不相加嗎?
Brian
2018-12-12 20:41:47 UTC
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今天我遇到了一個有趣的難題。一位同事看到我在裝有另一種液體(四氫呋喃AKA THF)的燒瓶中加入液體(二異丙基乙胺,又稱DIPEA)。我需要精確稱量5克DIPEA到THF中,因此將燒瓶+ THF稱重到零,然後繼續添加DIPEA直到稱重為5.000克。由於質量是可加的,所以我認為這很好。

但是,我的同事停下來告訴我,雖然兩種液體的質量是累加的,但總重量卻不是。並且,由於秤測量的是重量而不是質量,我顯然只是添加了錯誤量的DIPEA 。他向我解釋了原因,但我是化學家,不是物理學家,當然也不是流體力學熟練的人,所以我希望有人為我做些簡單的事,或者告訴我我是否要離開。

據我了解,磅秤測量的重量是重力的函數。但是重力是浮力的函數(如果浮力越大,則重力越小,因為浮力將液體向上推)。最後,浮力是密度的函數。這意味著我的THF(密度為0.9克/毫升)比我的THF / DIPEA溶液(DIPEA密度僅為0.74克/毫升)具有更大的浮力,因此溶液的濃度在0.74到0.90之間。 )。這意味著從技術上講,當我添加DIPEA時,增加的重量並不是導致重量增加的唯一原因;但是浮力的下降也是造成這種情況的原因。

因此,當秤最終讀數為5.000g時,我可能只添加了4.950或4.990等(小於5.000)。我的推理正確嗎?任何幫助表示讚賞。

從實際的角度來看,我要擔心的事實是,如果您直接倒入液體中,如果倒入過多,將無法糾正錯誤。倒入5.01克將是失敗的,而必須從單獨的稱量器中刮回0.01克將是沒有任何結果。
如果添加兩種液體會導致蒸發或冷凝反應,那麼您的最終重量是錯誤的,並且您添加或添加的#2液體太多或太少。
然後是兩種流體(不是這兩種)吸熱結合形成新化合物的情況。所得材料的重量將大於輸入總和的重量(吸熱能)/ c ^ 2。
DIPEA和THF是否相互反應形成氣體?
您應該能夠執行一個簡單的實驗。用你的方式做。按自己的方式去做。檢查它們的重量是否不同。
考慮到您正在測量燒瓶和內容物,該論點是似是而非的。秤將測量組合質量,並根據常見的引力(加速度)進行校準。Yakk警告確實適用於任何一種成分,或者反應產物呈氣態,因為過一會後這些氣體將成為總氣壓的一部分(您可以設法稱重二氧化碳。)
完全荒謬
也忘了浮力。關於答案的回答是正確的,但您是在稱量容器而不是滴下的東西。
燒瓶中殘留的液體呢?如果您使用第二個燒瓶測量了5.000g的DIPEA,然後將其倒入第一個燒瓶中,那麼您是否需要重新稱量該燒瓶並可能添加一些來解決這一差異?
Brian,重量和質量會增加,但體積可能不會增加。
五 答案:
knzhou
2018-12-12 20:53:56 UTC
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當然,按照常識,如果將兩個質量為 $ m_1 $ span>和 $ m_2 $ ,什麼也沒有出現,然後您得到質量 $ m_1 + m_2 $ span>。

由於浮力的原因,重量略為複雜。地球上所有物體所移動的空氣量不斷承受浮力。只要保留體積,這都沒有關係:如果堆疊兩個實體塊,則它們的重量會增加,因為總浮力與以前相同。但是,當您混合兩種液體時,總的浮力會發生變化,因為混合液體的體積可能不等於各個體積的總和。

要估計這種效果,(一般來說)說,混合兩種液體可能會導致 $ 10 \%$ span>的總體積發生變化。空氣的密度大約是典型液體的 $ 0.1 \%$ span>。因此,這種影響的誤差最多只會在 $ 0.01 \%$ span>附近,這是無關緊要的。因此,我們可以得出結論,您的同事只是想感到自鳴得意,而不是嘗試提供幫助。

“最多不超過0.01%,這是無關緊要的。因此,我們可以得出這樣的結論,您的同事只是想感到自鳴得意,而不是嘗試提供幫助。”假設在他的實驗室中,對於他們的目的而言0.01%無關緊要。
比手動添加液體的方法更準確。它甚至比他正在使用的秤準確。因此,0.01%是無關緊要的。而且,我認為,正如所指出的,此答案在音量變化方面相當慷慨。10%是很多東西,並且可能會比您在特定組合之外的其他目的所能證明的要多。
由於液體是不可壓縮的,因此通過哪種物理過程,兩種混合液體的體積將不等於兩種液體的體積之和?
如果0.01%是相關的,那麼您還應該擔心溫度,大氣壓和濕度等因素。
@Dancrumb這不是可壓縮性問題,而是潛在的可混溶性問題(溶液通常比裸露的溶質更緻密)和潛在的化學反應問題,從而導致物質密度大不相同。
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我高度懷疑秤會始終在秤的精度範圍內將兩種液體加在一起的重量。但是,這個論點很容易解決。得到兩個燒瓶的干重。將適量的每種液體添加到每個燒瓶中。將一個燒瓶倒入另一個燒瓶中。再次稱量兩個燒瓶的重量,假設在空的燒瓶中留有一點液體(一滴或兩滴)。在兩種情況下,兩個權重的總和應在秤的精度範圍內相同。
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這些是很棒的答案,非常感謝。兩種液體沒有化學相互作用,但可以混溶。這與將純乙醇添加到純淨水中製成酒精相同。我認為酒精/水是一個很好的例子,因為它具有相當大的非添加劑體積:純淨水的密度為1.0,乙醇的密度為.79。50/50的水/乙醇溶液為0.92。因此,100克“ 100證明”溶液將是108毫升,而不是50 + 63 = 113毫升。體積減少5%,就等於.005%誤差。而且由於秤的尺寸僅為.001g,因此甚至都不會記錄錯誤。
如果您的秤足夠敏感,可以“感覺”到空氣中的浮力,則即使您只測量一種液體,所讀取的重量也不是“實際”重量。
我們不了解@JaccovanDorp。可能不是僅通過手工進行添加過程,而是將添加量控制在0.001 g左右。請注意,這是OP提到的精度。類似地,諸如溫度和濕度(如累積所提到的)的條件也可以被控制。由於OP提到的重量為4.990克,與預期的5克之間的重量相差0.01克(即0.002%),因此這種差異即使不是很重要也很重要。
另一個較小的影響可能是混合會產生一些熱量,從而通過熱膨脹更多地改變溶液的密度。然後,這會對浮力產生進一步影響(但可能抵消混合的其他部分)
那麼,溶解在100克水中的100克蔗糖的重量是多少?總體積約為105 mL IIRC。
@CarlWitthoft如果是這樣,那麼浮力比預期的要低約50%,並且開始時的權重約為0.1%,因此秤的讀數為100.05 $克左右。
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@knzhou我過於樂觀了。完全溶解的糖產生例如“將2杯(16乾燥盎司)砂糖溶解到2杯水中,製成約25盎司(3-1 / 8杯)糖水。” <-from https://cooking.stackexchange.com/questions/27350/等量的水和糖的分離體積與com的比例是多少。另請參閱此實際的在線糖計算器!!!http://www.sugartech.co.za/density/
Ben51
2018-12-12 22:55:34 UTC
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@knzhou提供了一個很好的答案。我將提供其他幾種解釋。

第一個與您正在混合液體的事實無關,只是在通過測量重量來精確確定質量方面存在困難。正如已經指出的那樣,空氣有浮力,在海平面上會產生大約 $-0.0013 $ span> g / l的質量誤差,或者大約是 $ 0.9 $ span> g / l的物質,=“-math-container”> $-0.14 $ span>%。然後,重力加速度隨位置的不同而變化最多0.5%,在兩極附近最大,在赤道附近最小(在高海拔處也較小)。因此,如果您的秤測量力(使用彈簧或稱重傳感器而不是平衡質量)並經過校準以便在巴黎使用,您將獲得額外的〜 $ -0.1 $ span>如果您在墨西哥城稱量樣品,則誤差%。當然,如果分別稱量每種液體和稱量混合物,這些誤差將是相同的。

第二,我不知道任何化學反應,但是如果您的兩種液體發生反應並產生從容器頂部逸出的氣體,那顯然是質量損失。如果不是這種情況,那麼您的伙伴幾乎充滿了廢話,因為我能想像到的唯一會在混合前或混合後產生重量差異的效果就是已經提到的效果:

在海洋學中,它被稱為佈線。兩種物質混合在一起並不一定具有您根據每種物質密度的加權平均值計算出的確切密度。對於我熟悉的液體,差異遠小於 $ 10 $ span>%:更像是 $ 1 $ span>最多不超過%,與空氣浮力結合使用時,誤差為0.001%。您可能還擔心月球引力引起的誤差。

第二點是迄今為止影響最大的那一點。反應後權重可以為$ 0N $。
液體也會自發蒸發。視情況而定,這可能會非常戲劇化。無論如何,重要的是*您應遵循以下程序*。如果對過程進行了更改,則需要了解該更改可能產生的影響。認為更改程序無效將是荒謬的。化學家應該熟悉例如在水中添加酸和在水中添加酸之間的區別-即使該過程是“添加”過程,這兩種方法也存在明顯的實際區別:)
在這種情況下,有關校準的部分相當愚蠢,我認為這無濟於事。
@pipe我不同意。如果您使用的測量設備無法將校準鏈追溯到公認的標準,那麼您在做飯而不是科學。
“您不妨擔心來自月球的潮汐力引起的誤差”-不。該力是對$ 10 $ 7 $中的$ 1 $部分的擾動,比您所討論的影響小得多。稱重精度達到$ 0.01 \%$或更高時,通常包括空氣浮力效應(取決於大氣壓力,因此甚至取決於地球上的固定位置,因此也取決於天氣)。
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@alephzero正是我的觀點。認為有人問這個問題會在ebay上購買一個隨機秤是荒謬的。當然,它並沒有在世界的另一端進行校準。
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Ister
2018-12-13 17:12:00 UTC
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根據您的問題,我認為精度在您的實驗室中非常重要。如果是這樣,那麼是的,您的同事是對的。至少在某種程度上。

這可能會導致三種主要可能性。從您的描述中,原因純粹是物理上的,因此我的列表中的選項1將會更詳細地解釋。添加其他兩個只是為了完整答案。

為什麼增加權重不會產生權重之和?

考慮這些選項。

    如果物質混合(即結果是兩種物質的溶液),則所得溶液的體積小於成分的體積。群眾雖然保持不變。我將對此現象稍作解釋。原因純粹是物理原因。
  1. 如果物質發生反應,並且某些生成的物質離開溶液(通常是蒸發的氣體),則質量將減少所去除物質的質量。通常,體積也會變小,因為一方面會除去某些物質,且殘留的溶液應遵循與1中相同的原理。但是,新形成的粒子理論上可以防止這種情況,並導致體積實際增加。我想不出任何示例(即使存在一些示例)。原因是化學和物理的混合。
  2. 如果物質發生反應,結果得到可溶物質,則最終會得到新物質的溶液。在大多數情況下(如果不是全部),您要填充的顆粒較少,因此體積會減小而質量保持不變。如果另外混合溶劑,最終會產生一種附加效果,因此差異可能更大。這是化學和物理原因的結合。
  3. ol>

    那會發生什麼?

    您的同事在我的列表中特別提到了第1點,因此我將只關注它。

    通常,主要原因是溶液中的粒子可能具有不同的尺寸(有時在某種程度上也可以成形,但通常它的重要性不那麼重要),因此它們可以更密集地“堆積”,因此在相同的體積中您可以容納更多的粒子,從而獲得更大的質量。最極端的情況是,作為溶劑的物質本身混合得很好,體積顯著減少,所溶解的物質對總密度的影響很小。

    結果是,最終結果是質量為質量總和,但體積明顯小於體積總和。然後進入舞台上的浮力。體積差異導致重量差異。雖然不大,但是如果您需要非常精確的精度,則可能無法滿足要求。

    那麼影響有多大?

    通常,粒度差異越大,您會注意到越強的效果。

    我對您所指的物質一無所知,但讓我們使用大多數人都知道的東西。而且,您可以輕鬆地進行自我測試(然後在考慮了所有問題之後,便會消耗副產物使您的頭部冷靜一些;-))。有兩種很容易混合的常用優質溶劑-水和乙醇。我將在一個完美的案例中將純水與純乙醇混合。如果要進行實驗,則實際上將使用某些溶液作為溶劑,但結果肯定會明顯。

    首先讓我們計算一下我們要鬆開多少體積。基於此水-乙醇混合物的密度,我們將計算40%酒精溶液(通常稱為伏特加酒)的差異。

    純淨水的密度為 $ 0.998202 \ text {g} / \ text {cm} ^ 3 $ span>
    純乙醇的密度為 $ 0.79074 \ text {g} / \ text {cm} ^ 3 $ span>
    水溶液中40%的乙醇(按重量計算)的密度為 $ 0.93684 \ text {g} / \ text {cm} ^ 3 $ span>

    這些密度是基於標準化大氣,因此是基於重量的。

    因此,讓我們(按體重)服用 $ 60 \ text {g} $ span>水和 $ 40 \ text {g} $ span>乙醇。 體積分別是 $ 60 / 0.998202 = 60.108074 \ text {cm} ^ 3 $ span>水和 $ 40 / 0.79074 = 50.585527 \文字{cm} ^ 3 $ span>乙醇。

    常識建議我們要有 $ 100 \ text {g} $ span>的解決方案,其容積為 $ 60.108074 + 50.585527 = 110.693601 \ text {cm} ^ 3 $ span>。然後我們意識到密度將有所不同,因此測量 $ 100 / 0.93684的解決方案的 $ 100 \ text {g} $ span> = 106.741813 \ text {cm} ^ 3 $ span>。但是這些都不對。

    要獲得準確的結果,我們需要經歷質量

    空氣密度為 $ 0.001204 \ text {g} / \ text {cm} ^ 3 $ span>
    水的重量損失為 $ 60.108074 \ cdot 0.001204 = 0.07237 \ text {g} $ span>,水的質量為 $ 60.07237 \ text {g} $ span>
    乙醇經歷的重量損失為 $ 50.585527 \ cdot 0.001204 = 0.060905 \ text {g} $ span>,乙醇的質量為 $ 40.060905 \ text {g} $ span>
    所得解決方案的質量為 $ 60.07237 + 40.060905 = 100.137275 \ text {g} $ span>

    要精確計算重量,讓我們使用比例。

    如果我們有 $ 100 \ text {g} $ span>的 $ 40%$ span>乙醇,其體積為 $ 106.741813 \ text {cm} ^ 3 $ span>較早計算。
    浮力帶來的減肥效果將是 $ 106.741813 \ cdot 0.001204 = 0.128517 \ text {g} $ span>
    它的質量將是 $ 100.128517 \ text {g} $ span>

    因此質量為 $ 100.137275 \ text {g} $ span>的溶液的重量將為
    $ 100 / 100.128517 \ cdot100.137275 = 100.008747 \ text {g} $ span>
    即比預期高出 $ 0.008747 $ span>(或 $ 0.008747%$ span>)。

    如果我們將此結果應用於您的案例,對於 $ 5 \ text {g} $ span>,您最終將得到 $ 5.000437 \ text {g} $ span>。

    差異似乎小於您的精度。如果可以接受-您需要自行決定。同樣,您的情況可能會變得更加極端。

    哦,僅供參考-我們的解決方案量為 $ 106.741813 / 100.128517 \ cdot100.137275 = 106.751149 \ text {cm} ^ 3 $ span>

    它仍然大大少於體積的總和,正如我們計算的那樣, $ 110.693601 \ text {cm} ^ 3 $ span>。

    如何避免這種情況

    假設差異足以困擾您,您有兩種選擇。

    1. 先混合溶液,然後測量所需量
    2. 通過實驗檢查重量的實際變化併計算使用量。請注意,儘管這樣可能會導致舍入錯誤。
    3. ol>

      自己測試音量損失!

      如果您想自己檢查一下,請服用中性的烈酒和水(我認為蘋果汁會起到作用,並會增加顏色以更好地體現出差異)。將水倒入玻璃管中。然後仔細倒入酒精,使其不與水混合(傾斜玻璃管,然後將其緩慢倒入管的側面)。標記當前音量。現在攪拌或搖動,直到兩種液體混合均勻,然後等待其沉降。

      生成的混合物可以安全食用;-)

      您還可以查看此視頻

好答案!我什至能夠理解計算方法,因為您使用數字而不是字母。謝謝
完美的答案-最後的例子真的為我賣了。
Alchimista
2018-12-14 18:47:03 UTC
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我只是堅持您所描述的情況。

只需將裝有水的容器放在秤上。重量讀數為W1。 放置質量為w的浮動物體。現在的讀數是W1 + w。

用密度不同的流體重複進行上述物體的漂浮。如果容器和流體的重量現在是W2,請向您的同事詢問他/她放入重量為w ......的浮子後的讀數。

docscience
2018-12-13 03:12:26 UTC
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由於您提到的浮力,密度不僅是質量的函數,而且是體積的浮力,因此我還要再考慮一下。

在非相對論物理質量中,始終保持重量不變,這是由恆定重力場中的重量標尺確定的。因此,添加兩個質量的反應物,假設反應沒有導致溶液中損失任何氣體,您應該期望得到產物中質量的總和。

但是從相對論的意義上講,能量等於質量。因此,如果您的化學反應是放熱的,並且熱量從溶液中散發出去,您將發現您實際上失去了質量。但是等效質量太小了(由於 $ 1 / c ^ 2 $ span>的原因),您可能無法測量它。我認為這不會影響您的結果。

儘管質量守恆是絕對的,但體積的守恆不是絕對的。可以混合兩種反應物的體積,得到相同的質量,但是產物體積可以小於或大於反應物的體積。為什麼?兩個可能的原因。作為化學反應,您正在形成一個新的分子,該分子在空間上的堆積比兩種反應物更好。因此,由於質量相同,在這種情況下密度會增加。

這可能是您正在經歷的事情嗎?

我不確定“相對論”在這裡是否正確。E = mc ^ 2是不基於狹義相對論的關係。並且可以測量內吸/放熱反應中的質量增加/減少(儘管非常小心)


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 4.0許可。
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