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以前曾寫過一篇關於二種水族用的比重計文章。
『我有第三種！』同事分享。
這一天他帶來給我看，這個怪怪的比重計是由一組吸球吸管與比重計組合的，造型相當特別。
以外型來說可以說是第三種，但就內部主要測密度的部分，其實還是原來的比重計。
這篇文章既化學又物理，內容分為二個部分，其一是關於比重計的使用與原理(物理篇)，其二則是電瓶水的比重與配置(化學篇)。
第一部分 比重計的使用與原理(物理篇)
這是電瓶水專用的比重計，由一組大吸管(吸球+玻璃管+吸管)與一根比重計組成。
比重計底部有許多鉛粒，使比重計在待測液體中能鉛直豎立地浮著，
即使受到擾動仍能穩定回復成垂直狀態。
上端的玻璃管刻度紙，用不同的顏色標示比重與電瓶狀態。
紅色(最上段)：無電或損壞；白色(中段)：需注意，或充電；黃色(最下段)：OK或滿電
關於這隻比重計的使用，如果生活中有電瓶水，用來實測是最棒了。在實驗室我以先前做加熱實驗使用過的甘油(密度約1.25)來做示範：
用吸取的方式抽取待測溶液，不只是方便，也避免手接觸具腐蝕性的溶液。
比重計浮在待測液(甘油)中，讀取水面與浮起細玻璃平行處刻度，該讀數即為甘油的比重。
自來水的比重應該是1.0，所以比重計整支沉在水底，那是正常的。(量測範圍是1.1~1.3)
拿出海水魚缸用的比重計，將二種比重計一起來做比較~
左：電瓶用的比重計刻度較大，範圍是1.1~1.3
右：水族比重計測的是鹽水的比重(1.00~1.06)，刻度值較小較細長。
使用水族比重計時直接將比重計放入液體中(海水魚缸)，或將液體撈出用塑膠筒盛水，再將比重計放入(魚塭)即可。原理不難：比重計是浮體，浮力等於本身重，所以在不同溶液中只要是浮，浮力都相同。根據浮力公式B=V×D，液體密度與物體在液面下的體積成反比。(我們不必管液面下體積多寡，只須對應設計好的刻度即可。)
溶液密度越大，比重計在液面下的體積越小(浮的較高)，刻度是愈往下愈大。
待測物甘油比重超過量測範圍(1.00~1.06)，這款水族比重計就算是浮，也無法讀取比重！
第二部分 電解液(電瓶水)的二三事(化學篇)
國三課本中的鉛蓄電池，俗稱電瓶。電瓶水就是鉛電池的電解液，是由純硫酸(sulfuric acid)與蒸餾水調配而成的”稀硫酸”。透過比重計的測量才看得出稀硫酸濃度！
之一 充放電與電解液比重的關係
鉛電池負極為鉛板(Pb)，正極為氧化鉛板(PbO2)，放電後，正負極板均會轉變為硫酸鉛(PbSO4)。反應式如下：
負極(陽極)反應：Pb (s) + SO42-(aq)→PbSO4(aq) + 2e-(aq)
正極(陰極)反應：PbO2(s)+ SO42-(aq)+ 4H+ (aq) + 2e- → PbSO4(s)+ 2H2O(l)
總反應：Pb (s) +PbO2(s) + 2H2SO4(l) → 2PbSO4(s)+ 2H2O(l)
溫度80℉時，電瓶水(稀硫酸)的標準比重為1.280。放電後，稀硫酸比重會降低，約降至1.150以下。在參考資料中看到電瓶水比重與充電程度之關係(80℉之下)：
充電作用(逆反應)過程，電瓶水比重會升高。當比重連續1~2小時不再增加(1.28～1.30)，就代表充滿電。若充滿電時再繼續充電，就會變成電解水冒出氣泡，正極會產生氧氣，負極產生氫氣，並發出很大熱量。
之二 電瓶水的配置~濃度與比重
電瓶的電量與硫酸的濃度有關，而濃度又影響密度(比重)。我在參考資料看到非化學且大量的簡單換算方法：
蒸餾水與稀硫酸之比例如下表(70℉)
不必算莫耳數、分子量、重量百分濃度…等，只要用簡單的數學就能大量配置~看這個表可能還霧煞煞，咱們來實際算算吧！
[體積的計算範例] 配製比重1.280的電解液5公升，需多少硫酸和蒸餾水？(設體積比為2.76)
參考解答：設硫酸體積為 x 公升，則水體積為 2.76x 公升，共配置 5 公升，列式：x + 2.76x = 5 可求得需要硫酸 x=1.33(公升)，蒸餾水 5-1.33=3.67(公升)
[重量的計算範例] 配製比重為1.260的電解液10公斤，需多少硫酸和蒸餾水？(設重量比為1.70)
參考解答：設硫酸體積為 x 公斤，則水重量為 1.70x 公斤，共配置 5 公斤，列式：x + 1.70x = 5 可求得需要硫酸 x=1.85(公斤)，蒸餾水 5-1.85 = 3.15(公斤)
我們一般化學上是算"莫耳濃度"較多，較少用比重。比重1.280之電解液需要純硫酸18.4M，加二倍體積的水，稀釋後濃度也有6.1M左右！ 雖然說是稀硫酸，但一點兒也不稀，濃得很！難道...只要有加水稀釋，就是稀？
不管取重量或是體積，都需須將硫酸慢慢加入蒸餾水中，並且小心混合，絕對不可貿然將水倒入濃硫酸中！
之三 溫度與電瓶水比重的關係
關於電瓶水的比重，感到有趣的還有”溫度校正”。
水的體積會受溫度影響，溫度越高，水的體積膨脹，電解液的比重會減小。影響大嗎？顯然有關係，所以還有校正溫度的公式：
設電解液在溫度 T ℃(℉)時，量得的比重為ST，則在標準溫度20℃(80℉)的比重為S20(S80)，其相互關係為：攝氏溫度：S20=ST+0.0007×(T-20) 華氏溫度：S80=ST+0.0004×(T-80)
[溫度校正範例]電瓶水溫度在40℉時比重為1.280，則在80℉時電瓶水的比重為何？
參考解答：換算公式S80=ST+0.0004×(T-80)來計算，S80=1.280+0.0004×(40-80)=1.264
最後~來複習浮力概念：
1.比重計浮得愈高，代表溶液比重越大還是越小？電瓶充電程度愈佳還是愈差？
參考答案：比重大，充電程度好！
2.當比重計垂直浮在密度大小不同的液體中時，浮力誰大？
參考答案：浮力皆相等，皆為比重計的重量。
3.比重計垂直浮在密度大的甘油中與垂直沉在密度小的水中時，二種情況的浮力大小關係？
參考答案：在甘油中的浮力大於在水中的浮力。
參考資料：
1.鉛蓄電池（Lead-acid Battery）(裡頭還有免加水鉛電池的相關資料)
2.電解液與充放電http://www.tyai.tyc.edu.tw/am/mtkao/file/car/e/car-e3.pdf
3.電瓶電水比重試驗，文章第6頁很棒，請見http://www.tyai.tyc.edu.tw/am/mtkao/file/gg/g6.pdf
4.可能也會好奇，另一種指針型的比重計是否也能做成吸取式？答案是肯定的。請見http://www.stanley-tools.com.tw/product.php?mode=show&cid=19&pid=381
5.還有電子式的比重計，連pH值都一起測http://www.greentree.com.tw/da-130.htm
2013-05-25
