WPŁYW STĘŻENIA I TEMPERATURY NA LEPKOŚĆ ROZTWORÓW

Cel ćwiczenia:

Celem przeprowadzonego eksperymentu było wyznaczenie lepkości roztworów sacharozy i zbadanie zależności lepkości od stężenia i temperatury.

Przebieg ćwiczenia:

Aparatura i odczynniki: wiskozymetr Hoepplera, wiskozymetr rotacyjny Brookfield, cylinder, stoper, szkło laboratoryjne (zlewki, pręciki szklane, kolba miarowa), sacharoza.

Wykonanie:

1. Na wadze odważono ok. 50 g sacharozy i rozpuszczono w kolbie o pojemności 100cm³.

2. Zmierzono za pomocą wiskozymetru rotacyjnego lepkość roztworu. W tym celu przelano roztwór do cylindra, w którym zanurzono walec wiskozymetru.

3. Pomiar za pomocą wiskozymetru rotacyjnego powtórzono dla 4 roztworów rozcieńczonych (za każdym razem odpipetowywano 10cm³ roztworu i uzupełniano 10cm³ wody destylowanej)

4. Następnie zmierzono czas przepływu kulki szklanej w roztworze wody za pomocą wiskozymetru Hoepplera w temperaturze pokojowej.

5. Pomiar w tej samej temperaturze powtórzono dla roztworu sacharozy (po ostatnim rozcieńczeniu)

6. Następnie temperaturę cieczy w wiskozymetrze podniesiono o ok. 5ºC i zmierzono czas przepływu kulki dla sacharozy i wody.

7. Temperaturę ponownie podniesiono o 5ºC i powtórzono pomiary czasu.

8. Wyniki zestawiono w tabeli 1.

Opracowanie wyników:

Temperatura = 23ºC
Stężenie sacharozy [%]
50,0
45,0
40,5
36,5
32,8

Tabela 1: Wartości lepkości dla określonego stężenia roztworu

Wyk.1. Zależność lepkości od stężenia roztworu sacharozy

Sugerując się przebiegiem wykresu 1, można stwierdzić, że jego przebieg jest zgodny z równaniem Einsteina w zakresie stężeń od 33% do 40%. Przy wyższych stężeniach lepkość roztworu zaczyna wzrastać i „linia” dla pomiarów roztworu o wyższych stężeniach (gdyby były przeprowadzane) zaczęłaby wzrastać wykładniczo.

Na podstawie wyników pomiaru czasu opadania kulki w wiskozymetrze Hoepplera oraz znajomości wzoru na lepkość cieczy badanej tym przyrządem (bazującego na prawie Stokesa), obliczono lepkość, a wyniki umieszczono w tabeli 2.

$$n = n_{0}\frac{(d_{k} - d_{x})t_{x}}{(d_{k} - d_{0})t_{0}}$$

gdzie:

η – lepkość badanego roztworu

η₀ – znana lepkość rozpuszczalnika (tu: wody)

d_k – gęstość szklanej kulki wiskozymetru (2,233 g/cm³)

d_x – gęstość badanego roztworu

d₀ – gęstość rozpuszczalnika (wody)

Woda	Sacharoza
Temp. [ºC]	Czas [s]
24,0	12
	12
28,0	11
	11
33,0	11
	11

Tabela 2: Lepkość w zależności od temperatury roztworu

Wyk.2. Zależność lepkości od temperatury roztworu sacharozy

Energię aktywacji lepkości roztworu sacharozy wyznaczono na podstawie obliczonych lepkości, równania Arrheniusa-Guzmaana oraz wykresu zależności logarytmu lepkości od odwrotności temperatury.

gdzie:

η – lepkość roztworu

A – stała charakterystyczna dla cieczy

E – energia aktywacji lepkości

R – stała gazowa (8,31446 J/mol*K)

Wyk.3. Zależność logarytmu naturalnego z lepkości od odwrotności temperatury

Równanie prostej regresji liniowej odpowiada równaniu:

gdzie ln(A) odpowiada wyrazowi wolnemu, a E/R współczynnikowi kierunkowemu.

b = -7,1721

a = 2342,9

$$E = a \times R = 2342,9\ \times 8,314 = 19478,87\ \left\lbrack \frac{J}{\text{mol}} \right\rbrack\ $$

Wnioski:

Celem ćwiczenia było wyznaczenie lepkości roztworów sacharozy o różnym stężeniu i w różnych temperaturach oraz zbadanie zależności między nimi.

Adekwatnie do wykresu 1 – wzrost stężenia roztworu powodował wzrost lepkości. Zgodnie z równaniem Einsteina, zależność ta powinna wzrastać w sposób liniowy, jednakże tak się nie dzieje. Powyżej stężenia 40% następuje dość wyraźny skok wartości lepkości. Spowodowane jest to tym, że im większe stężenie roztworu (więcej cząsteczek substancji rozpuszczonej) tym bardziej następuje solwatacja cząsteczek, wzrastają oddziaływania między nimi oraz tworzą się struktury, które wnoszą swój wkład do lepkości tzw. „lepkość strukturalną”.

Analizując wykres 2 można słusznie stwierdzić, że wzrost temperatury powoduje obniżenie lepkości. Maleje ona wykładniczo, co opisuje równanie Arrheniusa-Guzmana. Wartość lepkości wiąże się zatem z energią aktywacji, czyli barierą energetyczną, jaką musi pokonać pojedyncza cząstka podczas ruchu między innymi cząstkami – jeśli temperatura wzrasta, wzrasta również szybkość poruszających się cząsteczek i dlatego bariera energii jest większa.

Pomiary lepkości przeprowadzone wiskozymetrem rotacyjnym i Hoepplera różnią się i to w sposób znaczny. Niestety nie znaleziono wartości tablicowych, dzięki którym można by było określić stopień błędu i stwierdzić, którym aparatem wykonano dokładniejszy pomiar. Na niepewności pomiarowe składają się: niepewności systematyczne wynikające ze skończonej dokładności aparatury pomiarowej oraz z niedokładności obserwatora (opóźniona reakcja na czas przepływu kulki w wiskozymetrze, dokładność w sporządzaniu i rozcieńczaniu roztworów).

Bibliografia:

[1] T.Bieszczad, M.Boczar, D.Góralczyk, W.Jarzęba, A.M.Turek, „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej”, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2000.

[2] http://pl.wikipedia.org/wiki/R%C3%B3wnanie_Arrheniusa

[3] http://www.umb.edu.pl/photo/pliki/WF_jednostki/zaklad-chemii-fizycznej/cwiczenie_15brok.pdf