Измерение температуры замерзания молока

Посторонняя вода попадает в молоко как из-за небрежности в работе, так и из-за неизбежных технологических издержек, связанных с тем, что в установках доения и охлаждения, хранения и транспортировки молока, а также в трубопроводах остается промывная вода. Это приводит к убыткам и ухудшению качества продукции прежде всего в сыроделии и производстве сухого молока.

Для контроля качества необходимо быстрое и точное определение содержания посторонней воды в молоке. Общепринятым для этого в мировой практике параметром является температура замерзания молока, а методом, обеспечивающим наиболее точное и быстрое его измерение, - криоскопический.

Метод определения температуры замерзания молока для контроля содержания посторонней воды должен удовлетворять следующим условиям:

• пригодности для сырого и обработанного молока;
• высокой точности измерения (сходимости и межлабораторной воспроизводимости результатов);
• высокой эффективности;
• небольших аппаратных затрат;
• простоты и удобства обслуживания;
• несложной калибровки;
• простоты подготовки проб;
• небольшого объема пробы молока.

С 2004 г. Россия присоединилась к международной практике оценки посторонней воды в молоке, введя в ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье - сырье. Технические условия» показатель температуры замерзания молока. Это обстоятельство вынуждает молочные хозяйства следовать требованиям данного стандарта при приемке молока и искать оптимальные решения путем оснащения лабораторий необходимым оборудованием. Следует отметить, что зафиксированное в стандарте значение температуры замерзания молока, равное минус 0,520 °С, является достаточно жестким, поэтому цена ошибки при измерении этого параметра может быть достаточно высокой.

Метрологическое обеспечение измерения температур замерзания

В основу разработки средств метрологического обеспечения измерений температур замерзания (осмоляльности) положены термодинамические параметры водных растворов хлоридов натрия и калия, что обусловлено их наибольшей изученностью Осмоляльность является показателем осмотической концентрации раствора и связана с числом растворенных частиц. Она определяется степенью ассоциации или, наоборот, диссоциации молекул, прису-ствующих в данном растворе.

По теории растворов, для разбавленных растворов веществ, растворимых только в жидкой фазе, изменение температуры замерзания (ΔT) линейно зависит от моляльности раствора, т. е. от его концентрации, выраженной числом молей (грамм-молекул) растворенного вещества, содержащегося в 1000 г раствора:

ΔT = Кзам · m, (1)

где m - моляльность, г/1000 г; Kзам - криоскопическая постоянная или моляльное понижение температуры замерзания, равное 1,8601 °С.

Понижение температуры замерзания раствора зависит от числа растворенных частиц, причем 1 моль любого вещества понижает температуру на 1,8601 °С, так как число частиц в 1 моле любого вещества одно и то же. Если растворенное вещество распадается в растворе на ионы, то число частиц в растворе увеличивается. Поэтому понижение температуры замерзания ΔTзам в растворе электролита, т. е. вещества, которое распадается на ионы, больше, чем в растворе неэлектролита с той же моляльной концентрацией. Для идеальных растворов с учетом диссоциации содержащихся в них электролитов выражение (1) принимает вид

ΔТзам = Kзам · mν, (2)

где ν - число ионов, образующихся из одной молекулы электролита. Произведение mν образует число грамм-ионов, которое вызывает понижение температуры замерзания на ΔТзам. Например, молекула KCI распадается на два иона K⁺ и Cl^-, в формуле (2) ν = 2, температура замерзания изменится в два раза по сравнению с раствором неэлектролита той же моляльной концентрации. Но такая прямая пропорциональность между понижением температуры замерзания и моляльной концентрацией раствора m справедлива только для идеальных растворов. В природе же не существует идеальных растворов, и тем более таким раствором не является молоко.

В реальных растворах каждый ион оказывается окруженным ионами противоположного знака, что ограничивает свободу его движения, поэтому используют коэффициент, показывающий, во сколько раз реально увеличилось число частиц в растворе вследствие диссоциации, следовательно, в такой же кратно¬сти на самом деле понизится тем-пература замерзания по сравнению с идеальным раствором. Этот коэффициент i, называемый изотоническим коэффициентом Вант-Гоффа, зависит от свойств растворенного вещества. Так, у сильных электролитов он принимается равным 1, а в действительности он всегда меньше 1, так как ионы в растворе связаны силами межионного взаимодействия. Мерой отклонения данного реального раствора от идеального служит так называемый осмотический коэффициент g, равный отношению действительного значения i к его предельному значению ν при условии полной диссоциации и отсутствия сил взаимодействия между ионами.

Для реальных растворов выражение (2) приобретает вид

ΔТзам = Kзам · mi, (3)

где i - изотонический коэффициент Вант-Гоффа, показывающий, во сколько раз увеличилось число частиц в растворе вследствие диссоциации.

С разбавлением раствора осмотический коэффициент стремится к 1. Следовательно:

Величину, выраженную левой частью уравнения (4) назовем эффективной (осмотической) концентрацией реального раствора или его осмоляльностью:

m_эфф = g · ν · m, (5)

или

Значения эффективной концентрации растворов NaCI и KCI и соответствующие им понижения температуры замерзания, оформленные в виде таблиц стандартных справочных данных и утвержденные Государственной службой стандартных справочных данных под номером ГСССД 154-91 «Водные растворы хлоридов натрия и калия. Понижения температуры замерзания и эффективные (осмотические) концентрации», предназначены для приготовления калибровочных образцов водных растворов хлоридов натрия и калия, используемых для градуировки, метрологической проверки и аттестации приборов - криоскопов и осмометров, принцип действия которых основан на криоскопическом методе.

Используя методы интерполяции и экстраполяции, можно рассчитать любые значения температур замерзания калибровочных растворов для конкретных средств измерения в соответствии с эксплуатационной документацией.