Areometr (Rys. 3) jest przyrządem służącym do szybkiego, ale też przybliżonego pomiaru gęstości cieczy. Stanowi go szklana rurka zatopiona z obu końców i obciążona śrutem w swej szerszej części, a w węższej zaopatrzona w skalę.
Rys. 3. Areometr
Zgodnie z prawem Archimedesa, w myśl którego ciało zanurzone w cieczy doznaje siły parcia skierowanej ku górze, równej ciężarowi wypartej przez to ciało cieczy, areometr pływa w cieczy, w której go zanurzymy wówczas, gdy siła parcia jest zrównoważona przez ciężar cieczy wypartej przez zanurzoną część przyrządu.
Rys. 4. Prawo Archimedesa siła wyporu powietrze
woda
52 Oznaczając przez:
W – siła parcia [(g·m)/s2]
Vzan – objętość zanurzonej części areometru [cm3], dciecz – gęstość cieczy [g/cm3],
ğ – przyspieszenie grawitacyjne [m/s2],
będziemy mogli ten warunek zapisać równaniem:
W = mareom·ğ = dciecz ·Vzan·ğ [10] Stąd wynika zależność: ciecz aerom zan d m V . [11]
Jak zatem wynika z równania [11], objętość zanurzonej części areometru (albo głębokość jego zanurzenia) jest odwrotnie proporcjonalna do gęstości cieczy. Im mniejsza jest gęstość badanej cieczy, tym większe musi być zanurzenie areometru i na odwrót. Z tego też powodu na skali przyrządu liczby odpowiadające gęstościom większym od gęstości wody, równej 1 g/cm3 w temperaturze 277 K (4 0C), znajdują się poniżej kreski oznaczonej cyfrą 1, podczas gdy liczby odpowiadające gęstościom mniejszym od gęstości wody – powyżej tej kreski. Ponieważ objętość areometru zależy od temperatury, wyniki pomiarów, jakie uzyskujemy za jego pomocą, są słuszne tylko dla temperatury, dla której ten przyrząd został wycechowany. Areometry przeznaczone do specjalnych celów, np. do pomiaru zawartości tłuszczu w mleku, stężenia alkoholu w jego roztworach itp. zależnych od gęstości badanych cieczy, mają bardzo często skalę sporządzoną w procentach oznaczanej wielkości.
Aparatura:
areometr, cylindry miarowe Odczynniki:
woda destylowana, wodne roztwory acetonu, metanolu oraz n-propanolu o różnych stężeniach
Wykonanie pomiarów:
W celu wyznaczenia gęstości cieczy za pomocą areometru, należy badaną ciecz umieścić w cylindrze miarowym i zanurzyć w niej areometr (tak, aby mógł swobodnie pływać), a następnie odczytać znalezioną wartość gęstości z podziałki areometru. Każdorazowo przy zmianie roztworu przepłukuje się cylinder miarowy oraz areometr wodą destylowaną i następnym z kolei badanym roztworem.
Opracowanie wyników:
Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli i przedstawia graficznie w postaci zależności dx=f(c), gdzie c oznacza stężenie roztworu w procentach.
53 Literatura
1. Atkins P.W., Podstawy chemii fizycznej, Warszawa 1999. 2. Bursa S., Chemia fizyczna, Warszawa 1979.
3. Karty Charakterystyk Substancji Chemicznych.
4. Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna, Warszawa 1986.
5. Poleszczuk G., Wybór ćwiczeń laboratoryjnych z chemii fizycznej, Szczecin 1991. 6. Szymański E., Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej – cz. 1, Lublin 1991.
7.
Tuchołka D., Kasprzyk H., Grabarkiewicz-Szczęsna J., Ćwiczenia z chemii fizycznej, Wyd. Akademii Rolniczej, Poznań 1993.55
6. Czym jest lepkość cieczy?
Każdą ciecz można scharakteryzować za pomocą takich wielkości fizycznych, jak temperatura krzepnięcia, prężność par, gęstość, współczynnik załamania światła, lepkość, napięcie powierzchniowe itp.
Lepkość jest to właściwość substancji (we wszystkich stanach skupienia), która odzwierciedla opór ośrodka przeciw jego płynięciu pod działaniem sił zewnętrznych. Opór ten jest uwarunkowany oddziaływaniem sił międzycząsteczkowych w danej cieczy i ruchami cieplnymi. Przejawia się jako występowanie lepkości, zależnej od temperatury i prędkości odkształcania płynu.
Lepkość jako właściwość dynamiczna płynów jest wynikiem tarcia wewnętrznego, występującego przy ruchu płynów rzeczywistych. Można to wyjaśnić, rozpatrując ruch laminarny (warstwowy) płynu, w którym cząstki poruszają się ruchem postępowym w kierunku przepływu w warstwach równoległych do siebie. Ośrodek ciekły lub gazowy stawia opór i hamuje ruch warstw. Opór spowodowany tarciem wewnętrznym płynu nazywany jest lepkością dynamiczną i określany na podstawie równania Newtona: dx dv S F ; 0 dx dv [1] w którym:
F – siła powodująca względny ruch równoległych do siebie warstw;
S – pole powierzchni warstw, na które działa ta siła, a między którymi występuje tarcie; dx
dv – gradient prędkości prostopadły do kierunku przepływu płynu;
η – współczynnik proporcjonalności, zwany lepkością dynamiczną ośrodka.
Siła F jest wprost proporcjonalna do powierzchni warstw S, ich względnej prędkości v i odwrotnie proporcjonalna do odległości x tych warstw.
Prawo to jest słuszne dla przepływu laminarnego. Nie stosuje się do roztworów polimerów. Jednostkami lepkości dynamicznej η są: N·s·m-2, Pa·s (paskalosekunda).
Lepkość cieczy wynika z oddziaływań międzycząsteczkowych. Czynnikiem hamującym ruch cieczy jest wzajemne przyciąganie cząsteczek. Inny jest mechanizm lepkości gazów. Pod niezbyt wysokimi ciśnieniami siły międzycząsteczkowe w gazach są małe. Tarcie wewnętrzne ośrodka gazowego wynika ze zderzeń między cząsteczkami. Cząsteczki, poruszające się w kierunku przepływu gazu, wykonują chaotyczne ruchy we wszystkich innych kierunkach. Wskutek tego następuje wzajemne przenikanie cząsteczek z jednej warstwy do drugiej. Wymiana między nimi energii
56 kinetycznej powoduje zmniejszenie ich składowej prędkości w kierunku ruchu całego ośrodka. Lepkość gazów jest znacznie mniejsza od lepkości cieczy.
Równanie Newtona opisuje zachowanie się większości cieczy, zwłaszcza jednorodnych, które stąd nazywane są cieczami newtonowskimi. Dla takich cieczy lepkość jest stała w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Istnieją jednak ciecze, np. roztwory polimerów, białek, układy koloidalne, emulsje, suspensje, które nie spełniają równania Newtona. Z tego powodu nazwano je cieczami nienewtonowskimi. Lepkość tych cieczy zależy nie tylko od temperatury i ciśnienia, lecz także od występujących w nich naprężeń lub gradientów prędkości przepływu. Gdy w układzie dyspersyjnym istnieje jakaś prawidłowość strukturalna, która jest powodem zależności lepkości od sił zewnętrznych (np. prędkości przepływu), wówczas lepkość takiego ośrodka nazwana jest lepkością strukturalną. Lepkość strukturalna może być spowodowana zmianą struktury ciał w roztworze, zmianą solwatacji cząstek i oddziaływań między nimi pod wpływem sił zewnętrznych.
W miarę wzrostu temperatury lepkość cieczy zmniejsza się. Ciśnienie ma niewielki wpływ na lepkość cieczy newtonowskich.
Wpływ temperatury na lepkość cieczy można wyrazić empirycznie równaniem: T B e A [2] w którym:
A, B – stałe charakterystyczne dla danej cieczy.
Wartości A i B wyznacza się doświadczalnie przez pomiar lepkości cieczy w kilku temperaturach, wykreślenie prostej i wyznaczenie tych wartości z wykresu, bądź też obliczanie ich matematycznie przy zastosowaniu metody najmniejszych kwadratów.
Lepkość roztworów doskonałych wykazuje właściwości addytywne i można ją obliczyć z udziałów molowych x1, x2, składników i lepkości ηi poszczególnych składników mieszaniny według równania Arrheniusa:
n i i i roztw x 1 log log . [3]Roztwory rzeczywiste wykazują na ogół odchylenia od addytywności. Miarą różnicy lepkości roztworu i rozpuszczalnika jest lepkość właściwa ηwł wyrażona wzorem: 1 1 0 0 0 wzgl wł [4] gdzie: – lepkość roztworu,
0 – lepkość czystego rozpuszczalnika.
Stosunek lepkości roztworu do lepkości rozpuszczalnika nazywany jest lepkością względną
0
57 Lepkość właściwa roztworu wykazuje wiele charakterystycznych właściwości, np. w małym stopniu zależy od temperatury. Na podstawie zależności ηwł od stężenia c substancji w roztworze można niekiedy wnioskować o strukturze roztworu, stopniu agregacji cząstek i ich solwatacji. Iloraz ηwł/c jest na ogół stały dla roztworów rozcieńczonych. Dla wielu jednak roztworów ηwł/c=f(c)=ηzred. Dla scharakteryzowania roztworów, dla których występuje tzw. lepkość zredukowana (ηzred), wprowadzono pojęcie tzw. granicznej liczby lepkości określonej wzorem:
c wł c lim
0 [6]Wartości określa się, ekstrapolując graficzną zależność
a c cwł
[7]
do stężenia zerowego roztworu.
Współczynnik a zależy od rodzaju roztworu.
W przypadku roztworów polimerów graniczną liczbę lepkościową można powiązać z masą cząsteczkową M polimeru empirycznym wzorem:
KM [8]w którym:
K, α – stałe charakterystyczne dla określonego polimeru, rozpuszczalnika temperatury. Wartości α wiążą się z kształtem makrocząsteczek.
58
DOŚWIADCZENIA
Pomiar lepkości cieczy z zastosowaniem wiskozymetru Ostwalda i wiskozymetru Höpplera
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami wyznaczania lepkości cieczy oraz nabycie podstawowych wiadomości i umiejętności związanych z pomiarami lepkości cieczy.
Doświadczenie 1. Pomiar lepkości cieczy metodą przepływu przez rurki kapilarne