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液体密度的基本原理

密度是物质的特性之一,它可以表示物质密集的程度。在特定温度下某物质单位体积的重量,称为绝对密度(absolute density),通常以密度(density)称之。若以M与V分别表示物质的重量与体积,则密度ρ表示为:
       ρ=M/V
液体物质的密度量测,可选择水为参考液来当作标准物质进行相对密度实验,所测得相对密度(亦称作比重),是以物质与同体积水的重量之比。
                                物质(t℃)的重量       ρx(t℃)
d(4℃~t℃)=-----------------------------= ------------------ 
                          同体积水(4℃)的重量     ρw(4℃) 

d(4℃~t℃):欲测物质之比重,ρx(t℃):物质(t℃)的密度,ρw(4℃):水(4℃)的密度,其值为  1g/cm3

液体物质的密度或比重是重要的物理常数,在化学工业及食品业中的酸、碱、盐、酒精、石油、糖等液体物质,当其组成及浓度发生变化时,其密度往往也随之改变,因此,经常测定是必要的。

对于有机化合物的液体密度,其所受众多影响因素中,温度与压力属于外在因素。当系统的温度上升或下降时,由于热胀冷缩的关系,液体的体积会膨胀或缩小,则液体的密度亦随之减小或增大。例如:
工业上常见的有机溶剂有乙醇、丙酮、异辛烷等。以异辛烷为例,当其温度由290k增加到300k时,液体密度则降低了0.0081g/cm3,降幅为1.29%。当系统的压力增大或减小时,液体的体积也会有些许的减少或增加的趋势,但其变化的幅度比温度改变所造成者小的多,例如:异辛烷,当承受的压力由1bar增加到20bar时,则液体密度增加了0.0018g/cm3,增幅只有0.26%,故压力所造成的液体密度变化量比温度所造成者为小。

此外,液体的极性、碳链的长度等内在因素,也会影响有机化合物的液体密度,如正已烷或环戊烷等非极性液体,其分子之间只有一种非常微弱的吸引力,称为伦敦分散力(London dispersion force),而两极分子间的吸引力,除了分散力之外,还有永久偶极间或永久偶极和感应偶极间的交互作用,使得分子的排列更加紧密。故一般而言,极性分子的液体密度要比非极性分子者大。而某些分子如醇类或酸类等极性液体,其分子间的吸引力因分子间氢键的存在而加强,所以此类化合物的液体密度通常会比较大,例如乙酸和甲酸甲酯是同分异构物,乙酸因形成分子间氢键,在293.5k时的液体密度为1.0492g/cm3,大于甲酸甲酯在293.5k时的液体密度为0.974.2g/cm3。

对同系列的非极性液体与偶极炬极小的液体而言,因分子中原子数目增加,使得分子间的引力变大,液体密度也随之增大。而对于醇类或酸类等偶极炬较大的极性液体而言,碳链的增长反而使得液体密度减少,这是因为此类化合物分子会因碳链的增长,使得分子的偶极炬变小,而分子间的吸引力也随之减小,因此密度也随之减小。

一般而言,化合物分子的形状愈对称,其液体密度比较大。此乃形状愈对称的分子,其分子排列较紧密,分子间的吸引力较大之故。例如:正戊烷与异戊烷,正戊烷形状较对称,在293.15k时液体密度为0.626g/cm3,略大于异戊烷在293.15k时液体密度为0.620g/cm3。如上所述,会影响液体密度的内在因素,皆以液体分子的化学结构息息相关。故在探讨有机化合物的液体密度时,其化学结构是极重要的影响因素,须加考虑之。

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