Hidrometre Analizi Nasıl Yapılır?

Bulanık bir bardak suyu kenara bırakırsanız, saatler içinde en iri parçacıklar dibe çöker, en ince parçacıklar ise gün boyu süspansiyonda asılı kalabilir. Hidrometre analizi, tam olarak bu gözlemi ölçülebilir bir deneye dönüştürür: zemindeki ince danelerin ne kadar hızlı çöktüğünden yola çıkarak, bu danelerin boyut dağılımını hesaplar.

Bu yazı, hidrometre analizinin dayandığı fiziksel ilkeyi, numune hazırlığını ve hesap adımlarını ele alıyor.

Stokes Yasası: Yöntemin Fiziksel Temeli

0,075 mm göz açıklığındaki elekten geçen daneler, mekanik olarak elenemeyecek kadar küçüktür. Bu daneler için, bir sıvı içinde serbestçe çöken küresel bir tanenin çökelme hızının dane çapının karesiyle orantılı olduğunu ifade eden Stokes Yasası kullanılır:

v = \frac{(\gamma_s - \gamma_w)\,D^2}{18\,\mu}

Burada $v$ çökelme hızını, $\gamma_s$ dane biriminin özgül ağırlığını, $\gamma_w$ suyun özgül ağırlığını, $D$ dane çapını ve $\mu$ sıvının dinamik viskozitesini ifade eder. Belirli bir derinlikte, belirli bir süre sonra hâlâ süspansiyonda kalan danelerin hepsi, bu formülden geri hesaplanan çaptan daha küçüktür; bu mantık, deneyin bütün hesap adımlarının temelini oluşturur.

Stokes Yasası; danelerin küresel ve pürüzsüz olduğunu, aralarında etkileşim bulunmadığını, akımın laminer olduğunu ve danelerin aynı yoğunluğa sahip olduğunu varsayar. Gerçek kil daneleri çoğunlukla küresel değil pul biçimlidir; bu nedenle hidrometre analizi, ince danelerin gerçek geometrisini değil, aynı hızda çökelen eşdeğer bir küre çapını verir. Bu yaklaşıklık, yöntemin bilinen ve kabul edilmiş bir sınırlamasıdır.

Numune Hazırlığı ve Dağıtıcı Katkı

Deneyde, kurutulmuş ince zemin numunesi (tipik olarak 50 gram) bir dağıtıcı çözelti içinde bekletilir; yaygın kullanılan çözelti, litrede 40 gram sodyum hekzametafosfat içerir. Bu katkının görevi, ince danelerin elektrostatik çekimle birbirine yapışıp topaklanmasını (floklaşmasını) önlemektir; topaklanan daneler gerçek boyutlarından daha büyük birimler gibi çökeceği için ölçümü bozar.

Numunenin organik madde oranı %2’den fazlaysa, çökeltmeden önce bir ön işlem daha gerekir: numune hidrojen peroksit çözeltisiyle muamele edilerek organik madde parçalanır. Bu adım atlanırsa, organik maddenin danelere yapışması sonuçları bozabilir.

Numune, dağıtıcı çözeltiyle birlikte mekanik olarak karıştırılıp bir ölçüm silindirine aktarılır ve üzerine karıştırma işlemiyle daneleri tekrar askıya alacak kadar su eklenir. Deney, bu askıdaki daneler dibe çökmeye başladığı andan itibaren zamanlanır.

Hidrometre ve Düzeltmeler

Deneyde kullanılan hidrometre, süspansiyonun yoğunluğunu doğrudan okur; TS 1900-1’de tarif edilen alet, 0,995 ile 1,030 g/mL arasını 0,0005 g/mL bölüntülerle ölçer. Okunan ham değer doğrudan kullanılamaz; üç düzeltme uygulanır:

Sıcaklık düzeltmesi: Sıvının viskozitesi ve yoğunluğu sıcaklıkla değiştiği için, her ölçümde süspansiyonun sıcaklığı da kaydedilir.
Menisküs düzeltmesi: Hidrometre, bulanık sıvıda menisküsün alt kısmından değil üst kısmından okunmak zorunda kalındığından oluşan sistematik sapmayı giderir.
Dağıtıcı katkı düzeltmesi: Katkının kendisi de süspansiyonun yoğunluğunu bir miktar değiştirdiğinden, bu etki ayrıca giderilir.

Ölçüm ve Hesap

Deney süresince hidrometre, ilk dakikalarda sık, sonraki saatlerde seyrekleşen aralıklarla (örneğin 2, 5, 15, 30, 60 dakika ve birkaç saat sonra) süspansiyona daldırılıp okunur.

Her okumadan iki değer hesaplanır: Stokes Yasası’yla, hidrometrenin daldığı derinlikte o ana kadar çökmüş olabilecek en büyük dane çapı; ve düzeltilmiş yoğunluk okumasından, bu çaptan daha küçük danelerin süspansiyonda kalan yüzdesi. Elde edilen çap-yüzde çiftleri, elek analiziyle bulunan iri dane sonuçlarıyla aynı eksende birleştirilerek tek bir dane boyu dağılım eğrisi elde edilir.

Sonuç

Hidrometre analizi, elenemeyecek kadar küçük danelerin boyutunu, çökelme hızları üzerinden dolaylı biçimde ölçer.

Fiziksel temel: Stokes Yasası, çökelme hızını dane çapının karesiyle ilişkilendirir; büyük daneler küçük danelerden daha hızlı çöker.
Numune hazırlığı: Dağıtıcı katkı (sodyum hekzametafosfat), ince danelerin topaklanmasını önleyerek gerçek boyutlarının ölçülmesini sağlar.
Düzeltmeler: Sıcaklık, menisküs ve dağıtıcı katkı etkisi için yapılan düzeltmeler, ham hidrometre okumasını kullanılabilir bir yüzdeye dönüştürür.

Bu sonuçlar, iri daneler için elek analiziyle elde edilen verilerle birleştirilerek tek bir dane boyu dağılım eğrisini oluşturur.