Ćwiczenie 11

Temat: Wyznaczanie lepkości cieczy przy pomocy wiskozymetru kapilarnego

oraz obliczenie na podstawie przeprowadzonych pomiarów średniej

masy molowej polimetykrylanu.

Lepkość jest to tarcie wewnętrzne związane z ruchem cieczy i spowodowane

ono jest przesuwaniem się warstewek cieczy względem siebie ,do czego potrzebna jest

praca na pokonanie sił spójności działających między cząsteczkami cieczy.

Jeżeli mamy dwie warstwy cieczy o powierzchni S[cm²] ,odległych od siebie o dx[cm] to siła potrzebna do przesunięcia jednej warstwy cieczy względem drugiej

z prędkością dV[cm/s] jest wprostproporcjonalna:

po wprowadzeniu współczynnika proporcjonalności η otrzymamy:

skąd:

gdzie η jest współczynnikiem lepkości dynamicznej zwanej poprostu lepkością.

Jednostką lepkości w układzie SI jest niutonosekunda na metr kwadratowy (Ns/m²). Jest to lepkość płynu ,przy której gradient prędkości o wartości 1m/s na

1m powoduje powstanie siły tarcia wewnętrznego o wartości 1N na 1m² powierzchni

rozgraniczającej warstwy płynu.

Współczynnik lepkości w dużym stopniu zależy od temperatury. Lepkość cieczy bardzo silnie maleje wraz ze wzrostem temperatury ,a wraz z jej spadkiem ro-śnie. Lepkość cieczy rośnie także ze wzrostem stężenia roztworu.

Pomiaru lepkości cieczy można dokonywać kilkoma metodami ,a mianowicie:

1. metodą Stokesa

2. metodą Ostwalda

3. metodą Hopplera

4. metodą Englera

Metodą najczęściej stosowaną w fizyce oznaczania lepkości jest metoda Stokesa ,która opiera się na pomiarze czasu opadania kulki (o znanej gęstość i promieniu) na określo-

nym odcinku cieczy. W chemii częściej stosuje się metodę Ostwalda ,która polega na pomiarze czasu przepływu cieczy w kapilarze między dwoma określonymi punktami.

Gdzie lepkość wyrazi się wzorem:

k-stała kapilary

τ-czas wypływu cieczy między punktami.

WYKONANIE ĆWICZENIA

W kolbach o pojemności 25cm³ przygotowujemy serię roztworów polimetakry-

lanu metylu w chloroformie o stężeniach: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5g/100cm³. W tym celu rozcięczam chloroforem roztwór podstawowy polimetakrylanu o stężeni 6g/dm³. Aby otrzymać roztwory o potrzebnym stężeniu do kolejnych probówek odmierzam: 4,16cm³ 8,33cm³,12,5cm³,16,6cm³, 20,83cm³ z podstawowego roztworu polimetakrylanu metylu i dopełniam je do kreski chloroformem

Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów przemywam wiskozymetr chloroformem. Następnie wlewam do niego 8cm³ badanej cieczy i czekam ok.7min. aż

ciecz się ogrzeje do temperatury 30⁰C. W dalszej części podnoszę gumową gruszką

poziom cieczy w ramieniu z kapilarą powyżej górnego zbiornika i mierzę czas swo-

bodnego przepływu cieczy między górną a dolną kreską nad kapilarą.

Wyniki pomiarów umieszczam w poniższej tabeli:

----------------	czysty	stężenie w g/100cm^3
czas	chloroform	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
wypływu	11,0	16,1	25,4	37,0	48,0	158,0
cieczy	11,0	16,0	26,5	37,2	49,0	158,0
w [sek.]	10,5	16,0	28,2	37,2	49,0	163,0
czas średni	10,91	16,03	26,7	37,13	48,6	159,6

Jeżeli wprowadzimy następującą symbolikę wówczas dla każdego z badanych roztworów możemy obliczyć lepkość względną (η_wzg) _,lepkość właściwą (η_wł) oraz

lepkość zredukowaną (η_red):

η-lepkość roztworu

η₀-lepkość rozpuszczalnika

t-czas wypływu roztworu

t₀-czas wypływu rozpuszczalnika

c-stężenie polimetakrylanu w chloroformie

η_wzgl= η / η₀= t / t₀

η_wł= η_wzgl -1

η_zred= η_wł / c

Wyniki obliczeń umieszczam w tabeli:

lepkość	stężenie w g/100cm^3
-------------------	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
względna,ηwzg	1,49	2,44	3,41	4,45	14,62
właściwa,ηwł	0,49	1,44	2,41	3,45	13,62
zredukowana, ηzred	4,9	7,2	8,03	8,62	27,24

W dalszej części obliczam średnią masę molową M_śr polimetakrylanu metylu

korzystając ze wzoru:

[η]=K(M_śr)^α

gdzie: [η]-graniczna liczba lepkości (odczytuję ją z wykresu [η]=lim _{c 0}=η_wł /c)

K,α-stałe ,które dla naszego układu wynoszą: K=0,49^.10^-4 i α=0,8

Przyjmując [η]=4,5 obliczam średnią masę molową:

3,45=0,49^.10^-4.(M_śr)^0,8

M_(śr)=1146905,168 [g/mol]

Mając średnią wartość masy molowej polimetakrylanu metylu mogę obliczyć

liczbę merów P w cząsteczce związku. Masa jednego meru wynosi M=100,12 [g/mol].

Korzystam ze wzoru:

P=M_śr / M

P= 1146905,168 / 100,12

P=11455,305

Na papierze milimetrowym zamieszczam wykres zależności lepkości właści-

wej od stężenia roztworu.

---