Kosmetologia I˚ 1 rok Gr. 15PR	BADANIE ZALEŻNOŚCI LEPKOŚCI ROZTWORÓW OD STĘŻENIA ZA POMOCĄ WISKOZYMETRU KAPILARNEGO UBBELOHDE'A Ćwiczenie 2.	22.10.09r.
			Joanna Głąb Magdalena Ładniak Małgorzata Małka

1. Wstęp teoretyczny

Lepkość jest wielkością fizyczną będącą miarą tarcia wewnętrznego występującego podczas przesuwania się względem siebie warstw gazów i cieczy.

Współczynnik lepkości η jest liczbowo równy sile, jaką trzeba przyłożyć do 1m² powierzchni cieczy, aby nadać jej prędkość 1m/s względem drugiej warstwy równoległej do niej i odległej o 1m. Jednostką lepkości w układzie SI jest N
s
m^-2 = kg
m^-1
s^-1

=>

F - przyłożona siła [N]

S - powierzchnia cieczy [m²]

∆x - różnica odległości

∆v - różnica prędkości

Dla roztworów często stosowanymi wielkościami są:

- lepkość względna:

-lepkość właściwa:

- lepkość roztworu

- lepkość rozpuszczalnika

Czynniki wpływające na lepkość cieczy:

Lepkość cieczy zależy od jej ciśnienia, temperatury i składu. W miarę zwiększania ciśnienia pod jakim ciecz się znajduje jej lepkość rośnie.

Wpływ temperatury określa równanie Arrheniusa-Guzmana, z którego wynika, że lepkość cieczy jest malejącą funkcją temperatury:

- współczynnik lepkości dynamicznej [N s m²] [Pa s]

A - wielkość stała, zależna od rodzaju cieczy

E - energia aktywacji lepkości [kJ mol^-1]

R - stała gazowa, R=8,314 [J mol^-1 K^-1]

T - temperatura [K]

W przypadku roztworów lepkość zależy też od stężenia. Wraz ze wzrostem stężenia roztworu jego lepkość rośnie.

Dla małych stężeń iloraz ten jest w przybliżeniu stały. Wielkość A, do której on dąży wraz ze zmniejszaniem stężenie, nazywa się graniczną liczbą lepkościową i oznacza się symbolem [
]:

Ciecze niutonowskie i nieniutonowskie:

- Ciecze niutonowskie to takie ciecze, które stosują się do prawa Newtona:

=>
=>

- naprężenie ścinające

- gradient szybkości, zwany też szybkością ścinania

Dla cieczy niutonowskich naprężenie ścinające jest więc proporcjonalne do gradientu szybkości, a lepkość stanowi współczynnik proporcjonalności między tymi wielkościami.

- Ciecze nieniutonowskie nie stosują się do prawa Newtona. W ich przypadku wartość współczynnika lepkości dynamicznej nie jest wielkością stałą w stałej temperaturze, ale funkcją naprężenia ścinającego:

Metody wyznaczania lepkości cieczy:

1. Metoda Stokes'a - metoda oparta na pomiarze szybkości opadania kulki w badanej cieczy. Pozwala obliczyć siłę oporu lepkiego działającego na kulkę poruszającą się ze stałą prędkością w ośrodku lepkim:

- siła oporu lepkiego

r - promień kulki

v- szybkość ruchu kulki względem cieczy

2. Metoda wiskozymetru rotacyjnego typu Zimm'a-Crothers'a - metoda oparta na pomiarze czasu pełnego obrotu wokół własnej osi cieczy wzorcowej i cieczy badanej, znajdującej się między współosiowo ułożonymi cylindrami.

- miara kąta obrotu ciecz

G - gradient

- naprężenie ścinające

3. Metoda wiskozymetru kapilarnego - metoda wyznaczania lepkości cieczy oparta na pomiarze szybkości przepływu cieczy przez rurkę kapilarną (wiskozymetr kapilarny Ubbelohde'a).

Obliczamy lepkość względną - stosunek lepkości danej cieczy i lepkości wzorcowej (najczęściej wody). Ze wzoru:

- lepkość danej substancji

d - gęstość danej substancji

t - czas przepływu subst. przez kapilarę

- lepkość wody

- czas przepływu wody

- gęstość wody

Przebieg ćwiczenia

Materiały i przyrządy:

• wiskozymetr kapilarny Ubbelohde'a

• stoper

• ciecz wzorcowa: woda destylowana

• roztwory gliceryny: 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, X%

Pomiary:

• woda destylowana:

t1=4,87s t2=7,31s t3=5,78 tśr.=5,99s

• gliceryna 5%:

t1=7,48s t2=7,58s tśr.=7,53s

• gliceryna 10%:

t1=7,70s t2=8,50s tśr.=8,10s

• gliceryna 15%:

t1=8,43s t2=8,65s tśr.=8,54s

• gliceryna 20%:

t1=8,76s t2=8,91s tśr.=8,84s

• gliceryna 25%:

t1=8,95s t2=9,13s tśr.=9,04s

• gliceryna X%:

t1=7,53s t2=7,65s tśr.=7,59s

Obliczenia:

• gliceryna 5% ( d= 1010,1 g/dm³)

η=1,27

• gliceryna 10% (d= 1022,1 g/dm³)

η=1,38

• gliceryna 15% (d= 1034,5 g/dm³)

η=1,47

• gliceryna 20% (d= 1047 g/dm³)

η=1,55

• gliceryna 25% (d= 1059,7 g/dm³)

η=1,60

• gliceryna X

z wykresu wynika, że stężenie wynosi 5% więc η= 1,27

Obserwacje:

• im większe stężenie gliceryny tym dłuższy czas przepływu przez kapilarę

Wnioski:

• wartość lepkości względnej roztworu zależy od stężenia. Wraz ze wzrostem stężenia roztworu jego lepkość rośnie

• w czasie wykonywania ćwiczenia występują błędy pomiarowe, których nie jesteśmy w stanie uniknąć

Błędy pomiarowe:

η* - lepkość roztworu gliceryny z tablicy*

η*_wzgl - względna lepkość roztworu gliceryny wyznaczona wg zależności:

η*_wzgl = η*/ η0 gdzie η0 - lepkość rozpuszczalnika ( η0 = 1.005 )

Δη - błąd bezwzględny wyznaczenia lepkości względnej roztworu

Δη = η_wzgl - η*_wzgl

δη - błąd wzgledny [%]

δη = (Δη/ η*_wzgl)x100

Tablica* przedstawia zależność lepkości roztworu gliceryny w wodzie od stężenia i temperatury roztworu

Lepkość wodnego roztworu gliceryny
Gęstość [g/cm^3]	Stężenie gliceryny [%]	Lepkość roztworu
				20 °C	25 °C	30 °C
1,00000	0	1,005	0,893	0,800
1,01185	5	1,143	1,010	0,900
1,02370	10	1,311	1,153	1,024
1,03605	15	1,517	1,331	1,174
1,04840	20	1,769	1,542	1,360
1,06115	25	2,095	1,810	1,590

Źródło: Ch. D. Hodgman, Handbook of Chemistry and Physics, 40th edition, Chemical Rubber Publishing Co., Cleveland, Ohio 1959.

c [%]	t [s]	ρ (kg/m3]	ηwzgl	η*	η*wzgl = =η*/1.005	Δη=ηwzgl - -η*wzgl	δη=Δη/η*wzgl [%]
0	5,99	1000		1,005
5	7,53	1010,1	1,27	1,143	1,137	0,133	11,7
10	8,10	1021,1	1,38	1,311	1,304	0,076	5,8
15	8,54	1034,5	1,47	1,517	1,509	0,039	2,6
20	8,84	1047,0	1,55	1,769	1,760	0,21	11,9
25	9,04	1059,7	1,60	2,095	2,084	0,484	23,2

---