Глицерин: плотность и многие другие важные характеристики

Глицерин - удивительно полезное и разностороннее вещество. Он незаменим в фармакологии, косметологии, пищевой промышленности. Но мало кто знает, что плотность глицерина составляет 1260 кг/м3! Этот показатель важен для многих технологических процессов.

Что такое глицерин и где он применяется

Глицерин - это трехатомный спирт с химической формулой C3H5(OH)3. В чистом виде при нормальных условиях это бесцветная вязкая жидкость со сладковатым вкусом и характерным запахом.

Впервые глицерин был получен в 1779 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле путем гидролиза жиров. С тех пор он нашел широкое применение в различных областях:

• Пищевая промышленность - как подсластитель E422
• Фармацевтика и косметология - основа мазей и кремов
• Текстильная и бумажная отрасли
• Производство пластмасс
• Сельское хозяйство
• Взрывчатые вещества - для получения нитроглицерина
• Электронные сигареты - как компонент жидкостей

Физические свойства глицерина

Физические свойства глицерина во многом определяют области его применения. Рассмотрим основные из них.

Растворимость. Глицерин хорошо смешивается с водой в любых соотношениях. Также растворяется в этаноле и этиленгликоле. Практически не растворяется в неполярных органических растворителях.

Температуры плавления и кипения. Температура плавления чистого глицерина составляет 18°C. Он кипит при 290°C, однако в присутствии кислот или щелочей разлагается уже при нагреве до 160-180°C.

Плотность. Плотность глицерина при 20°C составляет 1260 кг/м3. Это показатель очень важен при работе с глицерином, так как позволяет рассчитывать массу или объем вещества. Мы еще вернемся к этому параметру далее.

Вязкость и теплопроводность. Глицерин обладает высокой вязкостью, что обусловлено наличием водородных связей между молекулами. При 10°C вязкость глицерина в 150 раз выше, чем у воды. Она резко падает с повышением температуры.

Теплопроводность глицерина ниже, чем у воды. При 25°C она составляет 0,279 Вт/(м·К), а с ростом температуры повышается.

Химические свойства глицерина

Благодаря наличию трех гидроксильных групп, глицерин проявляет свойства многоатомных спиртов и может вступать в реакции:

1. Этерификации - с образованием сложных эфиров и триглицеридов жиров;
2. Окисления и восстановления под действием окислителей и восстановителей;
3. Образования ацеталей, комплексных соединений с ионами металлов.

Кроме того, глицерин реагирует с концентрированными растворами щелочей и кислот. Например, азотной кислотой нитруется с образованием взрывчатого нитроглицерина.

В присутствии катализаторов и при повышенной температуре глицерин может дегидрироваться. Продуктами реакции становятся альдегид акролеин (С3Н4О) и кетон ацетон (С3Н6О):

C3H5(OH)3 → CH2=CH−CHO + CH3−CO−CH3

Как измерить плотность глицерина?

Глицерина плотность можно определить несколькими способами. Рассмотрим основные из них.

Стандартным методом считается гидростатическое взвешивание. Суть его заключается в следующем:

1. Берут предварительно взвешенный шарик или пластинку из платины, кварца и другого инертного материала;
2. Опускают образец в исследуемый глицерин и выдерживают для полного смачивания;
3. Взвешивают образец, опущенный в жидкость на нити;
4. Рассчитывают плотность глицерина по формуле, зная плотность и объем образца, а также его массы в воздухе и жидкости.

Еще одним распространенным методом является пикнометрия. В этом случае используют мерный стеклянный сосуд - пикнометр. Проводят два взвешивания пикнометра - пустого и заполненного глицерином. Затем рассчитывают плотность по известным массам и объему сосуда.

Плотность глицерина тесно связана с его чистотой и содержанием примесей. Для технического глицерина она обычно немного ниже и составляет около 1250 кг/м3.

Важно также учитывать температурный коэффициент плотности глицерина, который равен примерно 0,00071 град−1·см3. Так при нагревании на 10°C плотность снижается примерно на 0,0071 г/см3.

Плотность водных растворов глицерина напрямую зависит от его концентрации. Чем выше содержание глицерина, тем выше плотность. Например, при 20°C для 10% и 50% растворов плотность будет равна соответственно 1,04 г/см3 и 1,16 г/см3.

Практические рекомендации по измерению плотности глицерина

Для точного определения плотности глицерина важно соблюдать ряд условий:

1. Измерения проводить в сосудах из инертных материалов (стекло, фторопласт) во избежание химических реакций с глицерином;
2. Тщательно вымыть и высушить измерительный прибор, сосуд;
3. Проводить анализ очищенного от примесей глицерина;
4. Обеспечить изотермический режим для минимизации зависимости плотности глицерина от температуры;
5. Проводить не менее трех последовательных измерений с вычислением среднего значения.

Полученное значение плотности должно сравниваться с эталоном для данной температуры.

Расчет массы или объема глицерина по измеренной плотности

Зная плотность глицерина, можно легко рассчитать массу вещества по известному объему и наоборот. Это важно при проведении химических реакций, в производственных процессах, лабораторных работах.

Формулы для расчета:

m = ρ · V

где m - масса, ρ - плотность в кг/м3, V - объем в м3

V = m / ρ

где V - объем в м3, m - масса в кг, ρ - плотность в кг/м3

Например, если измеренная при 20°C плотность глицерина составила 1256 кг/м3, а масса - 5 кг, тогда объем будет равен:

V = 5000 г / 1256 кг/м3 = 3,98 л = 0,00398 м3

Зависимость плотности глицерина от примесей

Плотность глицерина сильно зависит от наличия в нем примесей - воды, жиров, моно- и диглицеридов. Даже небольшие количества таких веществ значительно снижают этот показатель.

Например, 2% воды в глицерине уменьшает его плотность примерно на 0,020 г/см3. А 5% примесей моно- и диглицеридов способны снизить плотность почти на 0,05 г/см3 относительно чистого вещества.

Поэтому анализ примесей и определение их влияния очень важны для качественного контроля глицерина в промышленности, исследованиях, лабораториях.

Разделение смесей глицерина методом ректификации

Для очистки технического глицерина, а также разделения его смесей с водой используется процесс ректификации - фракционной перегонки в колонных аппаратах.

Принцип разделения основан на зависимости температур кипения от химического состава. Так как вода и глицерин - это азеотропная смесь, для их эффективного разделения требуется большое число тарелок в колонне - порядка 30-50.

В процессе ректификации из смесей отгоняется легколетучий компонент (вода), а в кубовом остатке концентрируется глицерин. Готовый продукт имеет чистоту 96-99% и плотность не менее 1255 кг/м3.