酒精，作为一种常见的有机化合物，其物理性质对于了解和应用它至关重要。在众多物理性质中，
密度是一个基础且具有广泛实际意义的特性。围绕“酒精的密度”这一核心，我们可以
引申出许多具体的疑问和探讨。
是什么：酒精的密度及其定义
酒精的密度，通常是指单位体积内酒精所含的质量。它是质量与体积之比：
密度 ($\rho$) = 质量 ($m$) / 体积 ($V$)。
常见的密度单位包括克/立方厘米 (g/cm³)、千克/升 (kg/L) 或千克/立方米 (kg/m³)。
当提及“酒精”时，我们通常指的是乙醇 (Ethanol)，这是饮料、燃料和许多工业应用中的主要成分。
需要注意的是，密度是一个受多种因素影响的物理量，对于酒精（特别是乙醇-水混合物）来说，
它不是一个固定不变的数值。
纯净乙醇的密度在标准条件下（例如20°C，1个大气压）约为 0.789 g/cm³ 或 789 kg/m³。
作为对比，同条件下水的密度约为 0.998 g/cm³。
这表明纯乙醇比水要轻。
多少：酒精密度的具体数值范围
如前所述，纯乙醇在20°C下的密度大约是 0.789 g/cm³。
然而，我们在日常或工业中遇到的“酒精”很少是纯乙醇，更多的是乙醇与水的混合物。
酒精-水混合物的密度取决于两个主要因素：
- 乙醇的浓度： 浓度越高（即混合物中乙醇所占的比例越高），密度越接近纯乙醇的密度；浓度越低，密度越接近水的密度。但这种关系不是简单的线性叠加。由于乙醇和水分子之间的相互作用（如氢键），当它们混合时会发生“体积收缩”，导致混合物的实际密度比简单按比例计算的结果要高一些（但仍然小于纯水的密度，除非乙醇含量非常低）。
- 温度： 液体密度会随温度变化。通常，温度升高，液体的体积膨胀，导致密度降低。酒精（乙醇）和水的密度都受温度影响，而它们的混合物密度也随温度明显变化。
因此，要给出一个具体的“酒精密度”数值，必须同时指明其浓度和温度。
例如：
- 40% (体积比) 乙醇水溶液在20°C下的密度大约是 0.952 g/cm³。
- 70% (体积比) 乙醇水溶液在20°C下的密度大约是 0.888 g/cm³。
可见，随着浓度的降低，密度逐渐向水的密度（~1.0 g/cm³）靠近。
在许多标准中，例如在酒类贸易或化学分析中，会使用密度-浓度-温度对照表（如OIML国际法制计量组织发布的表格）来精确查找特定密度对应的酒精浓度。
为什么：酒精密度为何重要？
酒精密度之所以重要，主要在于它是一个可以方便测量的物理量，并且与酒精的浓度有着紧密的、已知的关系。
利用这种关系，通过测量酒精水溶液的密度（并记录温度），就可以推算出溶液中乙醇的含量。
这在许多领域都至关重要：
- 酒类生产与贸易： 确定酒精度是生产控制、质量评估、产品标签和税务计算的基础。许多国家的酒税是基于纯酒精的体积征收的，准确测量密度是计算应税量的关键。
- 化学分析与实验室： 在化学实验中，精确配制特定浓度的酒精溶液需要知道密度。通过密度测量可以快速验证溶液的浓度。
- 工业应用： 酒精作为溶剂、消毒剂或燃料成分时，其纯度或浓度直接影响其性能。密度测量是质量控制的重要手段。
- 法规与标准： 各国对酒精饮料和含有酒精的产品都有严格的法规要求，通常包括对酒精度的限定。密度测量是 compliance (合规) 的基础。
密度是连接酒精水溶液的质量、体积和浓度的关键桥梁。
通过测量其中两个物理量（例如质量和体积，或直接测量密度），就可以推算出第三个物理量或更重要的信息——浓度。
如何：如何测量酒精密度？
测量酒精水溶液密度的方法有多种，精度和适用场景各不相同：
1. 浮力法 (如比重计/酒精计)
这是最常见也相对简单的方法。原理基于阿基米德定律：物体在流体中受到的浮力等于它排开的流体的重量。一个已知质量的浮子（比重计或酒精计）浸入液体中时，它下沉的深度取决于液体的密度。密度越大，浮子受到的浮力越大，下沉得越浅；密度越小，下沉得越深。
专用的酒精计是根据乙醇-水混合物的密度特性校准的，刻度通常直接显示酒精的体积百分比 (v/v%) 或质量百分比 (w/w%)，但必须在特定温度下读取，或进行温度校正。
2. 比重瓶法 (Pycnometer Method)
这是一种更精确的实验室方法。比重瓶是一种已知精确体积的玻璃瓶。测量步骤：
- 精确称量干净空比重瓶的质量。
- 用已知密度的参考液体（通常是纯水）装满比重瓶，并在恒定温度下称量，计算出比重瓶的精确体积。
- 用待测酒精样品装满比重瓶，并在相同的恒定温度下称量。
- 通过样品的质量除以比重瓶的体积，计算出酒精样品的密度。
这种方法需要精确的温度控制和高精度的天平。
3. 振动管法 (Digital Densitometer)
这是现代实验室和工业中最常用的高精度方法。仪器内部有一个U形玻璃管或金属管，管内充满待测液体。仪器使U形管以其固有频率振动。填充了液体后，管子的振动频率会改变，改变的幅度与管内液体的质量（即密度）有关。密度越大，振动频率越低；密度越小，振动频率越高。仪器通过测量振动频率并根据内置的校准关系，快速计算出液体的密度。
这种方法通常带有精确的温度控制单元，可以将被测液体精确控制在指定温度（如20°C），从而获得高精度且无需额外温度校正的密度值。许多高级的数字密度计甚至内置了密度-浓度转换表，可以直接显示酒精浓度。
选择哪种测量方法取决于所需的精度、样品量以及可用的设备和时间。
哪里：在哪些地方会测量或关注酒精密度？
酒精密度作为确定浓度的关键，在以下地方会受到高度关注并进行测量：
- 酿酒厂和蒸馏厂：
- 发酵过程中监测密度（通常用比重计测量比重，间接反映糖分消耗和酒精生成）。
- 蒸馏过程中监测馏出液的密度，以控制“酒头”、“酒心”和“酒尾”的分离，因为不同成分的密度略有差异，且酒精浓度变化是关键指标。
- 最终产品的质量控制，确定出厂酒品的酒精度。
- 勾兑（调配）时，根据密度计算不同浓度酒精和水的用量，以达到目标酒精度。
- 海关和税务机构：
- 进口和出口酒精饮料的检验，核实报关单上的酒精度是否属实，作为征税的依据。
- 对国内酒厂进行监管和审计，确保税收足额缴纳。
- 质量监督和检测机构：
- 对市场上销售的酒精类产品（包括饮料、消毒剂等）进行抽检，确保产品符合标准和标签的要求。
- 化学实验室和研究机构：
- 进行涉及酒精的化学反应或分析时，需要配制和使用已知精确浓度的酒精溶液。
- 研究酒精溶液的物理化学性质。
- 医药和制药行业：
- 使用酒精作为溶剂或生产含酒精药物时，需要控制酒精的浓度和纯度，密度是重要的检测指标。
怎么/为什么：酒精密度是如何以及为何变化的？
酒精密度变化的主要原因我们之前已经提及，这里更详细地解释其机制：
1. 温度效应：热胀冷缩
几乎所有物质（除了极少数例外）在温度升高时体积会膨胀，质量不变，因此密度会降低。酒精也不例外。乙醇的体积膨胀系数比水大，这意味着它对温度变化引起的密度变化更敏感。乙醇-水混合物的密度随温度升高而降低，随温度降低而升高。这就是为什么在测量酒精密度或使用密度来确定酒精度时，记录并校正温度是绝对必须的。标准密度和浓度值通常是在20°C或15°C下定义的。
例如，测量一个样品在25°C下的密度，如果直接使用20°C的密度-浓度表来查找浓度，就会出现误差。正确的做法是测量25°C下的密度，然后根据温度校正表或公式，将其换算到20°C下的等效密度，再用20°C的表查找浓度；或者使用专门针对25°C校准的表格，或者使用能进行自动温度补偿的数字密度计。
2. 浓度效应：体积收缩与分子间作用力
这是酒精-水混合物密度变化中最有趣且关键的方面。
当我们混合乙醇和水时，混合后溶液的总体积会小于混合前乙醇和水各自体积的总和。这种现象称为体积收缩 (Volume Contraction)。
为什么会发生体积收缩？这主要归因于乙醇和水分子之间形成的氢键以及它们如何更紧密地填补彼此分子排列中的空隙。水分子之间以及乙醇分子（含有羟基）之间都能形成氢键。当乙醇和水混合时，它们形成新的乙醇-水氢键，并且大小不同的分子能够更有效地填充空间，导致混合后分子堆积得更紧密，总体积因此减小。
因为质量是守恒的（混合前的总质量等于混合后的总质量），而体积减小了，所以混合物的密度 ($\rho = m/V$) 就会增加。然而，由于纯乙醇本身的密度远小于纯水，即使有体积收缩使密度有所提升，乙醇水溶液的密度仍然会随着乙醇比例的增加而总体下降。体积收缩只是使得密度下降的速率或方式与简单的线性混合不同。
密度与浓度关系图： 如果绘制一张乙醇水溶液在恒定温度下密度随乙醇浓度（例如质量百分比或体积百分比）变化的曲线图，你会发现它不是一条直线，而是一条向下弯曲的曲线。在低浓度（接近纯水）和高浓度（接近纯乙醇）时，曲线比较平缓；在中间浓度范围，曲线的弯曲度更明显，体现了体积收缩的影响。
3. 杂质影响：溶解物的贡献
除了乙醇和水，许多实际的酒精溶液（如未蒸馏的酒类、发酵液）中还含有其他溶解物，例如糖类、酸、酯、醛、矿物质等。这些杂质也会影响溶液的密度。
- 溶解的糖分通常会显著增加溶液的密度，因为糖分本身密度较高且溶解后会占据空间。
- 溶解的盐类或其他固体物也会提高密度。
- 溶解的气体（如发酵产生的二氧化碳）如果未完全释放，会降低密度。
在分析发酵液或某些特定酒类时，仅仅测量密度可能不足以精确确定乙醇含量，因为其他溶解物对密度的贡献可能很大。在这种情况下，可能需要先将样品蒸馏，分离出纯净的乙醇-水混合物，再测量馏出液的密度来确定乙醇含量。
总结来说，酒精（乙醇水溶液）的密度是一个综合反映其温度、乙醇浓度以及是否存在其他溶解杂质的物理量。理解这些因素如何影响密度，是准确测量酒精浓度、控制生产过程和进行质量管理的基础。
