Лабораторна робота № 5 «В’ЯЗКІСТЬ»

Перед тим, як починати виконувати роботу, присвячену вивченню в’язкості розчинів, слід самостійно ознайомитись з кількісною характеристикою динамічної в’язкості (рівняння Ньютона та Пуазейля), віскозиметричним методом визначення в’язкості та молярної маси високомолекулярних сполук (ВМС), рівнянням Ейнштейна для в’язкості колоїдних розчинів та межами його застосування, а також рівняннями Штаудингера та Марка–Куна–Хаувінка.

 

Стислі теоретичні відомості

Між шарами рідини, що рухаються один відносно одного з різними швидкостями, виникає сила внутрішнього тертя F. За Ньютоном така сила пропорційна добутку поверхні дотику шарів рідини S та градієнту швидкості :

,

(5.1)

де du – зміна швидкості при переході від одного елементарного шару рідини до іншого; dx – відстань між шарами. Коефіцієнт пропорційності в рівнянні (5.1) є коефіцієнтом внутрішнього тертя або динамічною в’язкістю (скорочено – в’язкість). У відповідності до (5.1) в’язкість має розмірність Па·с. Рідини, для яких є справедливою формула (5.1), називаються ньютонівськими.

У випадку ламінарної течії об’ємна швидкість витікання ньютонівської в’язкої нестисливої рідини крізь тонку циліндричну трубку визначається законом Пуазейля:

,

(5.2)

 

де V – об’єм рідини з в’язкістю h, що витікає крізь капіляр довжиною l та радіусом r за час ; D Р – різниця тисків на кінцях капіляра.

З рівняння (5.2) видно, що в’язкість рідини можна визначити, вимірюючи час витікання певного об’єму рідини за гідродинамічного тиску Р крізь капіляр з відомими параметрами:

(5.3)

При визначенні в’язкості рідини зазвичай використовують порівняльний метод. Якщо час витікання однакових об’ємів двох різних рідин крізь такий самий капіляр дорівнює (для стандартної рідини) та t (для досліджуваної рідини), то згідно з (5.3) відношення в’язкостей досліджуваної та стандартної рідин складає

(5.4)

Оскільки висота рівня обох рідин при вимірюванні є однаковою, то відношення гідродинамічних тисків на кінці капілярної трубки дорівнює відношенню густин, тобто . Отже, формула для визначення в’язкості досліджуваної рідини набуває вигляду:

(5.5)

Віскозиметр – прилад для вимірювання в’язкості (рис. 18) – має вигляд U-подібної трубки з капіляром в одному із колін. Капіляр зверху сполучається з кулькою, об’єм якої визначається мітками «a» і «б». В широке коліно віскозиметра піпеткою наливають певний об’єм стандартної рідини, засмоктують її за допомогою гумової трубки і груші через капіляр у кульку вище мітки «а» і дають вільно витікати. Час витікання об’єму рідини, що знаходиться між мітками «а» і «б», вимірюють за допомогою секундоміра.

 

Рис. 18. Капілярний віскозиметр

При визначенні в’язкості водних розчинів як стандартну рідину використовують воду. Температурну залежність в’язкості води наведено в табл. 5.1. Дослід з водою повторюють три рази (час витікання повинен збігатися з точністю до 0,5 с). Потім проводять аналогічні вимірювання з досліджуваною рідиною. Густини рідин знаходять за таблицями або визначають за допомогою пікнометра. Оскільки зі збільшенням температури в’язкість рідини зменшується, вимірювання необхідно проводити за умови сталої температури, підтримуючи її незмінною, наприклад, за допомогою термостата.

Таблиця 5.1. Температурна залежність в’язкості води h ₀, Па∙с

t, ^0С
h 0·10^3	1,236	1,203	1,171	1,140	1,111	1,083	1,056	1,029
t, ^0С
h 0·10^3	1,005	0,981	0,958	0,936	0,914	0,894	0,874	0,854

 

Робота 5.1.Дослідження в’язкості структурованих розчинів

Залежність в’язкості розчинів від об’ємної концентрації описується рівнянням Ейнштейна

,

(5.6)

де h ₀ – в’язкість дисперсійного середовища; a – коефіцієнт, що залежить від форми часток та взаємодії між ними; j – об’ємна концентрація дисперсної фази.

Для колоїдних систем зі сферичними частками дисперсної фази, які не взаємодіють ні між собою, ні з дисперсійним середовищем, a = 2,5.

Якщо частки дисперсної фази анізодіаметричні (мають суттєво відмінні розміри в різних проекціях), сольватуються та здатні утворювати структуровані розчини, то коефіцієнт a більшій за 2,5. При цьому його величина зростає залежно від того, наскільки значними є прояви зазначених вище явищ.

З метою дослідження інтенсивності сольватації, форми частинок та їх здатності до структуроутворення в розчинах вимірюють в’язкість розчинів з різним об’ємним вмістом дисперсної фази і проводять обробку данних за рівнянням Ейнштейна (5.6). Визначають величину та характер зміни коефіцієнта a і на підставі цих даних роблять висновок стосовно форми частинок дисперсної фази, інтенсивності їхньої сольватації, а також здатності структуруватися.

 

Хід виконання роботи

Об’єктами дослідження у даній роботі є розведені розчини полімерів, які здатні до утворення структурованих рідких середовищ (желатина, карбоксиметилцелюлоза(КМЦ), полівініловий спирт та інші).

Метою роботи є підтверження структуроутворення у розчинах полімерів.

1. Записати у табл. 5.2 характеристики системи, що досліджується.

Таблиця 5.2. Характеристики досліджуваної системи і умови експерименту

 

Дисперсна фаза	Дисперсійне середовище	Концентрація вихідного розчину, %	Температура досліду, ^0С

 

2. Приготувати шість розчинів із різним вмістом дисперсної фази послідовним розведенням вихідного розчину. Для цього в пронумеровані чисті та сухі пробірки відміряти бюретками вказані в табл. 5.3 об’єми вихідного розчину та води. Утворені розчини обережно збовтати.

3. Ретельно вимити візкозиметр. Піпеткою налити у візкозиметр
10 мл дистильованої води. Виміряти секундоміром час витікання води крізь капіляр від верхньої до нижньої мітки віскозиметра. Результат виміру записати в табл. 5.3. Вимірювання провести тричі. Час витікання однієї і тієї ж рідини має відрізнятись менш ніж на 0,5 с. У разі значніших відхилень дослід повторити до збігу результатів. Розрахувати середній час витікання для води, дані записати у табл. 5.3. За температури досліду визначити в’язкість води (табл.5.1) та записати її у табл. 5.3.

4. Виміряти час витікання кожного приготованого розчину, починаючи з найменш концентрованого. Для кожного розчину вимірювання проводити тричі аналогічно досліду з дистильованою водою. Дані занести в табл. 5.3, розрахувати та записати для кожного розчину значення середнього часу витікання.

5. Обчислити в’язкість розчинів. Враховуючи те, що розчини, які досліджуються, мають низькі концентрації дисперсної фази, можна вважати, що густина таких розчинів дорівнює густині води. Це дозволяє спростити розрахункову формулу (5.5) до вигляду:

(5.7)

де h ₀ – в’язкість дисперсійного середовища; t ₀ – середній час витікання води; t – середній час витікання розчину. Обчислені значення в’язкості розчинів записати у табл. 5.3.

6. Розрахувати та записати у табл. 5.3 для розчину кожної концентрації величини специфічної в’язкості h_sp = .

Таблиця 5.3. Результати вимірювання в’язкості досліджуваних розчинів

№	Об’єм, см^3	Час витікання, с	Об’ємна частка, j ∙10^3	В’язкість h ∙10^3, Па∙с
Вода	Вихідний розчин	№ виміру	Середній

 

7. На підставі отриманих даних побудувати графік залежності . Згідно з рівнянням 5.6 це повинна бути пряма лінія, яка виходить з початку координат (див. рис. 19). Обчислити за тангенсом кута нахилу цієї прямої коефіцієнт a в рівнянні Ейнштейна (5.6) та за його величиною зробити висновок про форму частинок дисперсної фази, інтенсивність їхньої сольватації та характер взаємодії між ними.

 

 

Рис. 19. Залежність для визначення коефіцієнта a рівняння Ейнштейна

Звіт

Таблиці 5.2, 5.3.

Графіки h = f(j), .

Значення коефіцієнта a рівняння Ейнштейна:

Висновок.

 

Питання до лабораторної роботи

1. Як пов’язані між собою об’ємна швидкість витікання рідини з капіляра та її в’язкість?

2. В’язкість яких дисперсних систем описується рівнянням Ейнштейна?

3. На що вказує величина коефіцієнта a рівняння Ейнштейна при малих значеннях об’ємної концентрації (j → 0)?

4. Про що свідчить злам на залежності специфічної в’язкості від об’ємної концентрації?