乙醇溶液的粘滯系數(shù)與濃度關(guān)系的實驗研究

劉竹琴，李 偉

(延安大學物理與電子信息學院，陜西延安716000)

乙醇(ethanol)是一種有機化合物，俗稱酒精，它在常溫常壓下是一種易燃、易揮發(fā)的無色透明液體，能與水以任意比互溶，在能源化工、醫(yī)療衛(wèi)生、食品工業(yè)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的用途。

粘滯系數(shù)(coefficient of viscosity)又稱為內(nèi)摩擦系數(shù)或粘度，是描述液體內(nèi)摩擦力性質(zhì)的一個重要物理量。液體都有不同的粘滯系數(shù)，有的液體粘滯系數(shù)較大，如甘油、重油等，有的液體粘度系數(shù)相對較小，如水、乙醇、苯等。目前大多是研究乙醇的粘滯系數(shù)與溫度的關(guān)系，對乙醇溶液的粘滯系數(shù)與濃度關(guān)系的研究卻相對較少，然而這種研究具有重要意義。研究和測定不同濃度乙醇溶液的粘滯系數(shù)，不僅在化學工業(yè)研究方面，而且在醫(yī)學生物技術(shù)以及其他領(lǐng)域均有重要的作用。

1 實驗原理

當實際液體在半徑為R的水平圓管中做層流運動時，其體積流量Q與管兩端的壓強差△P，管的半徑R，長度L，以及液體的粘滯系數(shù)η有以下關(guān)系[1]：

(1)

在t時間內(nèi)流經(jīng)水平圓管內(nèi)任一截面的體積為V=Qt，當液體在豎直放置的毛細管中其液面的高度差為H時，液體壓強差為△P=ρgH，由此可得：

(2)

在實際測量中，毛細管的半徑R、長度L和玻璃管的體積V都很難直接測量準確，兩管中液面的高度差H又隨時根據(jù)液體下落時間的改變而改變，而采用對比測量法可以較好解決這些問題。

對比測量法，就是把兩種密度不同的液體(密度分別為ρ1、ρ2)，取相同的體積，分別測出這兩種液體的液面從奧氏粘度計(如圖1)a刻度線下落到b刻度線的時間，記為t1和t2，可以得出：

(3)

由于R、L、V都是定值，從測量開始到測量結(jié)束時兩管中的液面的高度差H也相同，所以將兩式相比可得：

(4)

所以當已知第一種液體的密度ρ1、粘滯系數(shù)η1、下落時間t1和第二種液體的密度ρ2、下落時間t2，便可以通過對比測量法求得待測液體的粘滯系數(shù)η2。

2 實驗儀器與方法

2.1 實驗儀器

實驗用到的儀器是FD-LSM-A毛細管法液體粘滯系數(shù)測試實驗儀，其核心是奧氏粘度計，如圖1所示。它是帶有兩個球泡的U型管，使體積相等的兩種不同液體分別流過U型管上端玻璃泡下的同一毛細管B，由于兩種液體的粘滯系數(shù)不同，流完的時間就不同。即使同一種液體如果濃度不同其粘滯系數(shù)也會不同，流完的時間就會不同。

測定時，一般都是用蒸餾水作為標準液體。先將一定量的水注入底端的玻璃泡內(nèi)，然后用洗耳球吸入上端的玻璃泡中，并使水面達到上端a刻度線以上。由于重力作用，水經(jīng)毛細管流入底端的玻璃泡，當水面從上端a刻度線降到下端b刻度線時，記下其間經(jīng)歷的時間，然后在玻璃泡內(nèi)換以相同體積的待測液體，用相同的方法測出相應(yīng)的時間，通過對比測量法可求得待測液體的粘滯系數(shù)[2]。

2.2 實驗方法

(1)配置濃度為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、90%、100%的乙醇溶液，每組100 mL待用；

(2)清洗并調(diào)節(jié)奧氏粘度計，使其保持豎直；

(3)將10 mL待測濃度的乙醇溶液注入奧氏粘度計底端的玻璃泡內(nèi)洗滌儀器，用洗耳球?qū)⒁后w從大玻璃泡吸入小玻璃泡，并超過上端a刻度線，再將乙醇溶液擠回大玻璃泡中，重復以上步驟2～3次，將乙醇溶液倒入廢液缸中；

(4)用量筒量取8 mL待測濃度溶液，注入奧氏粘度計大玻璃泡中，再用洗耳球?qū)⒁掖既芤何胄〔Ａ輧?nèi)直至超過玻璃泡上端a刻度線，拔出洗耳球使乙醇溶液自由下降直至到達下端b刻度線，用秒表測量8 mL該溶液液面從a刻度線到b刻度線的下落時間t2，并重復測量3次；

(5)對配置好的17種不同濃度的乙醇溶液，分別重復步驟(3)和(4)；

(6)用量筒量取8 mL的蒸餾水，按照步驟(3)和(4)測量蒸餾水的下落時間，記為t1。

3 數(shù)據(jù)記錄和處理

3.1 數(shù)據(jù)記錄

表1 不同濃度乙醇溶液下落時間平均值計算結(jié)果表(室溫22.0℃)

3.2 數(shù)據(jù)處理

利用靜力稱衡法[3]測量不同濃度乙醇溶液的密度ρ2，結(jié)果見表2。將表1數(shù)據(jù)和相應(yīng)的密度代入公式(4)計算得出不同濃度乙醇溶液的粘滯系數(shù)η2，計算結(jié)果見表2。

表2 不同濃度乙醇溶液的密度ρ2與粘滯系數(shù)η2的計算結(jié)果表

(續(xù)表2)

根據(jù)表2用excel軟件進行二次函數(shù)曲線擬合，擬合曲線如圖2。

從而得出乙醇溶液粘滯系數(shù)與濃度關(guān)系的擬合方程為：

η=-0.0060C2+0.6506C+6.6796，

相關(guān)系數(shù)r2=0.9751，此屬強相關(guān)，故所得擬合曲線可以較好地反應(yīng)實驗結(jié)果。

從圖2的曲線中可以看出，乙醇溶液的粘滯系數(shù)先隨乙醇溶液的濃度增大而增大，到達一定值后，將隨著乙醇溶液的濃度增大而減小。這一結(jié)論與其它液體(如甘油的水溶液)液粘系數(shù)變化規(guī)律顯然不同[4]。由于目前實踐中對乙醇溶液的粘滯系數(shù)與濃度關(guān)系的相關(guān)研究較少，故本文對今后的相關(guān)研究具有參考價值，實驗結(jié)果對不同濃度乙醇在儲存運輸、化學工業(yè)、醫(yī)學生物科學以及其他領(lǐng)域應(yīng)用中都具有一定的參考意義。