1 UVOD
3.5 Viskoznost tekočin
3.5.2 Umerjanje viskozimetra
Preden smo začeli izvajati meritve, smo umerili viskozimeter oz. določili vrednosti konstant C in E v enačbi za kinematično viskoznost (ν), z uporabo enačbe (10)
𝜈 = 𝐶𝑡 − 𝑡𝐸2 . (10)
Konstanti smo izračunali s pomočjo kinematične viskoznosti, pridobljene iz literature ter pretočnih časov trikrat destilirane vode.
Kinematična viskoznosti za vodo pri 20 °C je 1,002 mm2/s in pri 25 °C 0,8926 mm2/s.
S pomočjo izmerjenih pretočnih časov za vodo pri 20 °C in 25 °C, 94,73 𝑠 in 84,28 𝑠 smo z uporabo enačb (10) in (11) izračunali konstanti C in E.
Izračun konstante C:
19 3.5.3 Merjenje viskoznosti
Preden smo začeli z merjenjem, smo Ostwaldov viskozimeter večkrat sprali z destilirano vodo, nato še nekajkrat z etanolom. Viskozimeter smo sušili s prepihovanjem dušika in zraka, saj ga je potrebno posušiti do suhega. Kadar smo viskozimeter posušili do suhega, smo ga vpeli v stojalo (na katerem je optični senzor), ki je potopljeno v termostatsko kad.
Temperaturo termostatske tekočine v termostatski kadi smo nato nastavili na želeno temperaturo s pomočjo računalniškega programa WinVisco. V kapilaro v Ostwaldovem viskozimetru smo s pipeto odmerili 2 ml vzorca vodne raztopine C10TMAC10. Kad smo pokrili s stiropornim pokrovom, da ne bi v tekočino prišle nečistoče in da temperatura ne bi preveč nihala. V nadaljevanju smo morali počakati, da se je kad termostatirala na nastavljeno temperaturo, ki smo jo nastavili na računalniškem programu, nato pa smo v tem programu pritisnili tipko START, da se je meritev začela. Medtem ko se je meritev izvajala, smo spremljali polnjenje in praznjenje kapilare. Če se je ustvaril mehurček, smo kapilaro izpraznili in meritev ponovili.
Merjenje pretočnih časov za spojino C10TMAC10 smo pri vseh koncentracijah pričeli pri najnižji temperaturi (5 °C) in nato nadaljevali do najvišje temperature (55 °C). Viskoznost smo izmerili v celotnem temperaturnem intervalu za isto koncentracijo raztopine. Pri posameznih temperaturah smo morali meritve večkrat ponoviti, da smo dobili ponovljive rezultate in le-tako smo lahko izračunali povprečje pretočnih časov.
20
4 REZULTATI MERITEV 4.1 Rezultati meritev gostot
V tabeli 3 in na grafu 1 so zbrane vrednosti gostot vodnih raztopin C10TMAC10 pri različnih koncentracijah in temperaturah.
1,0141 0,999959 0,999082 0,99702 0,994003 0,990183 0,985661 1,9947 0,999940 0,999062 0,997003 0,993982 0,990155 0,985629 3,0068 0,999930 0,999046 0,996978 0,99396 0,990131 0,985602 4,0237 0,999915* 0,999026* 0,996954* 0,993928* 0,990096* 0,985567*
5,0052 0,999900 0,999005 0,996931 0,993899 0,990064 0,985533 10,004 0,999778 0,99885 0,996751 0,993706 0,989864 0,985324 15,014 0,999638 0,99869 0,99658 0,993522 0,989667 0,98512 20,049 0,999491 0,998523 0,996397 0,993327 0,989462 0,984908 30,323 0,999231 0,998215 0,996053 0,992952 0,989065 0,984493
*Gostota raztopine s koncentracijo 4,0237 * 10-3 mol/kg razt. je bila določena v Excelu z linearno interpolacijo.
21
Graf 1: Gostota (ρ) (g/cm3), vodnih raztopin C10TMAC10, pri različnih koncentracijah (𝑚̃) (mmol/kg razt.): , 1,0141; , 1,9947; , 3,0068; , 5,0052; , 10,004; , 15,014; , 20,049; , 30,323; v odvisnosti od temperature (T) (°C)
Iz grafa 1 je razvidno, da se gostota z naraščajočo temperaturo vedno zmanjšuje. Tukaj lahko potrdimo hipotezo: gostota vodnih raztopin C10TMAC10 pada z naraščajočo temperaturo (5−55 °C). Tega, da gostota vodnih raztopin C10TMAC10 narašča s koncentracijo, ne moremo potrditi, saj je iz grafa 1 razvidno, da temu ni tako. Primer: gostota C10TMAC10 pri 15 mmol/kg razt. je večja kot pri 30 mmol/kg razt..
0,982
22
Graf 2 prikazuje gostoto vodnih raztopin C10TMAC10 pri različnih temperaturah v odvisnosti od koncentracije, graf 3 pa koncentracijsko odvisnost gostote vodnih raztopin C10TMAC10 pri 25 °C.
Graf 2:Gostota (ρ) (g/cm3), vodnih raztopin C10TMAC10, pri različnih temperaturah (T) (°C):
, 5; , 15; , 25; , 35; , 45; , 55 v odvisnosti od koncentracije (𝑚̃) (mmol/kg razt.)
23
Graf 3:Gostota (ρ) (g/cm3), vodnih raztopin C10TMAC10, pri temperaturi 25 °C v odvisnosti od koncentracije (𝑚̃) (mmol/kg razt.)
Graf 2 in 3 kažeta na to, da gostota vodnih raztopin C10TMAC10 pri konstanti temperaturi s koncentracijo pada, kar je malo nenavadna ugotovitev. Sklepamo lahko, da z večanjem števila molekul C10TMAC10 prihaja do strukturnih sprememb v raztopini, ki vodijo do povečanja volumna in s tem do nižje gostote od pričakovane. Pri površinsko aktivnih snoveh je bilo to že ugotovljeno.
0,996 0,9962 0,9964 0,9966 0,9968 0,997 0,9972
0 5 10 15 20 25 30 35
𝝆 [g/cm3]
[mmol/kg razt.]
24
4.2 Rezultati meritev viskoznosti
V tabeli 4 so zbrane vrednosti izmerjenih pretočnih časov pri različnih koncentracijah in temperaturah.
Tabela 4: Vrednosti izmerjenih pretočnih časov (t), vodnih raztopin C10TMAC10 različnih koncentracij (𝑚̃), pri temperaturah (T)
t (s)
25
S pomočjo izmerjenih pretočnih časov smo po enačbi (10) in s pomočjo določenih vrednosti konstant E in C, izračunali kinematične viskoznosti vseh raztopin, ko so zbrane v tabeli 5.
Tabela 5: Kinematična viskoznost (𝑣), vodnih raztopin C10TMAC10 različnih koncentracij izračunali še dinamično viskoznost raztopin (), po enačbi
𝜂 = 𝜈𝜌. (13)
Dobljene vrednosti dinamičnih viskoznosti pri različnih koncentracijah in temperaturah so zbrane v tabeli 6.
26
Tabela 6: Dinamična viskoznost(), vodnih raztopin C10TMAC10 različnih koncentracij (𝑚̃), pri temperaturah (T)
ƞ (mPas)
T (°C)
𝑚̃ *10-3 (mol/kg razt.)
5 15 25 35 45 55
1,0141 1,5045 1,121 0,878 0,712 0,591 0,499
1,9947 1,495 1,116 0,875 0,708 0,588 0,497
3,0068 1,497 1,117 0,871 0,706 0,587 0,495
4,0237 1,503 1,125 0,878 0,715 0,592 0,499
5,0052 1,508 1,133 0,889 0,721 0,597 0,503
10,004 1,563 1,165 0,909 0,730 0,602 0,504
15,014 1,546 1,160 0,905 0,728 0,601 0,503
20,049 1,536 1,148 0,898 0,723 0,597 0,502
30,323 1,517 1,133 0,887 0,717 0,593 0,499
27
Graf 4 prikazuje dinamično viskoznost, pri različnih koncentracijah, v odvisnosti od temperature.
Graf 4: Dinamična viskoznost () (mPas), vodnih raztopin C10TMAC10, pri različnih koncentracijah (𝑚̃) (mmol/kg razt.): , 1,0141; , 1,9947; , 3,0068; , 4, 0237; , 5,0052; , 10,004; , 15,014; , 20,049; , 30,323 v odvisnosti od temperature (T) (°C) Viskoznost pri posameznih koncentracijah se znižuje z naraščanjem temperature. Tukaj lahko potrdimo hipotezo: viskoznost vodnih raztopin se znižuje z naraščanjem temperature (5−55
°C).
28
Graf 5 prikazuje koncentracijsko odvisnost pri različnih temperaturah, graf 6 pa koncentracijsko odvisnost pri 25 °C.
Graf 5: Dinamična viskoznost () (mPas), vodnih raztopin C10TMAC10, pri različnih temperaturah (T) (°C): , 5; , 15; , 25; , 35; , 45; , 55 v odvisnosti od koncentracije (𝑚̃) (mmol/kg razt.)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
0 5 10 15 20 25 30 35
ƞ [mPas]
m [mmol/kg razt. ]
29
Graf 6:Dinamična viskoznost () (mPas), vodnih raztopin C10TMAC10,pri temperaturi 25 °C v odvisnosti od koncentracije (𝑚̃) (mmol/kg razt.)
Grafa 5 in 6 kažeta, da je koncentracijska odvisnost viskoznosti vodnih raztopin C10TMAC10
precej nenavadna. Za razlago teh opazovanj bodo potrebni dodatni eksperimenti.
0,865 0,87 0,875 0,88 0,885 0,89 0,895 0,9 0,905 0,91 0,915
0 5 10 15 20 25 30 35
ƞ [mPas]
m [mmol/kg razt. ]
30
5 ZAKLJUČEK
Za diplomsko delo je bila uporabljena kvantitativna metoda-eksperiment, ki smo ga izvajali v laboratoriju na Katedri za fizikalno kemijo na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani, kjer smo pridobivali podatke o viskoznosti in gostoti vodnih raztopin deciltrimetilamonijevega dekanoata (C10TMAC10). Eksperimentalno obdobje v laboratoriju je trajalo približno 30 dni, sodelovali smo prof. dr. Marija Bešter Rogač, tehnik Mirzet Čuskić, doktorski študent Žiga Medoš in študentka Ines Horvat.
Po končanem eksperimentalnem delu je sledil teoretični del diplomskega dela, kjer je bila v uporabi večji del literatura, ki je bila v slovenskem in angleškem jeziku, nekaj pa je bilo tudi spletnih virov.
Cilji diplomskega dela so bili pridobiti podatke o viskoznosti in gostoti vodnih raztopin deciltrimetilamonijevega dekanoata v temperaturnem območju med 5 in 55 °C pri različnih koncentracijah. Poleg omenjenega cilja pa smo si zastavili še dva, in sicer ugotoviti, zakaj se viskoznost snovi C10TMAC10 različno odraža pri različnih koncentracijah pri istih temperaturah ter zakaj je gostota snovi C10TMAC10 pri različnih koncentracijah in istih temperaturah ista.
Prvi cilj smo uresničili in pridobili podatke o viskoznosti in gostoti vodnih raztopin C10TMAC10, druga dva cilja pa sta bila težko dosegljiva, saj namreč ni znano, zakaj se viskoznost snovi različno odraža pri različnih koncentracijah in istih temperaturah, ter zakaj je gostota snovi pri različnih koncentracijah in istih temperaturah ista.
Snov še ni raziskana tako daleč, da bi lahko pojasnili, kaj se z njo dogaja pri različnih temperaturah in koncentracijah. Iz grafov za viskoznost in gostoto je razvidno, da se snov ne obnaša tako, kot bi pričakovali pri kateri izmed drugih podobnih snovi.
Tudi hipotezi, ki smo si ju zastavili pred začetkom diplomskega dela, lahko le delno potrdimo, in sicer, da se viskoznost znižuje z naraščanjem temperature, ter da gostota pada z naraščajočo temperaturo. Delov hipotez da, viskoznost narašča s koncentracijo C10TMAC10 in gostota vodnih raztopin C10TMAC10 narašča s koncentracijo, ne moremo potrditi, saj je iz grafov razvidno, da temu ni tako. Vzrok temu je še neznan.
31
Vsak končen rezultat podan v tabelah in predstavljen v grafih je rezultat večih merjenj. Na takšen način, da smo pri določeni temperaturi in določeni koncentraciji meritev opravili vsaj dvakrat, smo dobili ponovljive rezultate, ki smo jih nato lahko uporabili kot ustrezne rezultate za diplomsko delo. Rezultati, so prav tako uporabni za nadaljnje raziskovanje oz. študije.
Podatek za gostoto pri koncentraciji 4,0237 mol/kg razt. smo določili računsko v programu Excel z linearno interpolacijo.
32
6 VIRI IN LITERATURA
[1] Sodja – Božič, J. (2005). Fizikalna kemija. Učbenik za predmet fizikalna kemija v 3. in 4.
letniku programa Kemijski tehnik. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije.
[2] Zakrajšek, N. (2017). Kemija v šoli in družbi. Raztopine. Pridobljeno s:
http://kemija.net/e-gradiva/kemija/7_0_raztopine/index.html [Datum dostopa: 20. marec 2017].
[3] Bešter-Rogač, M., Bončina, M., Cerar, J., Hribar-Lee, B., Lah, J., Lajovic, A., Lukšič, M., Prislan, I. in Šarac, B. (2013). Laboratorijske vaje iz fizikalne kemije. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo.
[4] Kogej, K. (2015). Površinska in koloidna kemija. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo.
[5] Barnard H. (2017). Dispersion Of Lipid In H2o. Pridobljeno s:
https://www.barnardhealth.us/glucose-phosphate/info-qvr.html [Datum dostopa: 27. avgust 2017].
[6] Grubelnik, L., Zupan, D., Gosak, M., Markovič, R., Ketiš, B., Repnik, R., Jug, M. (2014).
Fizika 8, i-učbenik za fiziko v 8. razredu osnovne šole. Pridobljeno s:
https://eucbeniki.sio.si/fizika8/161/index1.html [Datum dostopa: 16. marec 2017].
[7] Gostota. (2016). Pridobljeno s: https://sl.wikipedia.org/wiki/Gostota [Datum dostopa: 20.
marec 2017].
[8] Ploiesti. (b.d.). Pycnometers. Pridobljeno s: http://emsar-laboratory.ro/wp-content/uploads/2015/04/3922005.jpg [Datum dostopa: 24. avgust 2017].
[9] Makab. (2015). Alkoholmeter – Areometer. Pridobljeno s: http://www.makab.se/shop/a-h/1244-alkoholmeter-areometer.html [Datum dostopa: 24. avgust 2017].
[10] Bončina, M., Cerar, J., Godec, A., Hribar-Lee, B., Jamnik, A., Lah, J., Lajovic, A., Lukšič, M., Podlipnik, Č., Prislan, I., Reščič, J., Šarac, B., Tomšič, M. in Vesnaver, G.
(2012). Fizikalna kemija – praktikum. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo.
33
[11] Atkins, P. in De Paula, J. (2014). Atkins´ Physical chemistry. Oxford: Oxford University Press.