PEDAGOŠKA FAKULTETA
HRVOJE MALKOČ
GOSTOTA IN VISKOZNOST BINARNIH MEŠANIC ETANOLA IN METANOLA
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2018
PEDAGOŠKA FAKULTETA
DVOPREDMETNI UČITELJ BIOLOGIJA-KEMIJA
HRVOJE MALKOČ
Mentorica: PROF. DR. MARIJA BEŠTER ROGAČ
GOSTOTA IN VISKOZNOST BINARNIH MEŠANIC ETANOLA IN METANOLA
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2018
Iskreno se zahvaljujem mentorici prof. dr. Mariji Bešter Rogač za pomoč, nasvete in vodenje pri izdelavi diplomske naloge.
Zahvaljujem se tudi tehniku Mirzetu Čuskiću za prijaznost in pomoč pri delu v laboratoriju.
Navsezadnje se zahvaljujem moji družini, ki me je podpirala od začetka mojega študija in me spodbujala k pisanju te diplomske naloge.
I KAZALO VSEBINE
1 UVOD ... 1
1.1 Raztopine ... 1
1.2 Alkoholi ... 2
1.2.1 Metanol ... 2
1.2.2 Etanol ... 3
1.3 Binarne mešanice etanola in metanola ... 5
2 NAMEN IN CILJ DELA ... 6
3 EKSPERIMENTALNI DEL ... 7
3.1 Snovi ... 7
3.2 Aparature in pripomočki ... 7
3.3 Priprava binarnih mešanic etanola in metanola ... 8
3.4 Gostota ... 10
3.4.1 Gostotomer z nihajočo U-cevko ... 10
3.4.2 Gostotomer Anton Paar ... 12
3.4.3 Merjenje gostote ... 13
3.5 Viskoznost ... 14
3.5.1 Metode za merjenje viskoznosti ... 16
3.5.2 Viskozimeter in merjenje viskoznosti ... 17
4 REZULTATI ... 19
4.1 Rezultati meritev gostot ... 19
4.2 Rezultati meritev viskoznosti ... 21
5 GOSTOTA IN VISKOZNOST PRI POUKU NARAVOSLOVJA V OSNOVNI ŠOLI ... 26
5.1 Delovni list za učenca ... 28
5.2 Delovni list za učitelja ... 33
6 ZAKLJUČEK ... 39
7 LITERATURA ... 41
II KAZALO SLIK
Slika 1: Model molekule metanola [5]. ... 3
Slika 2: Model molekule etanola [7]. ... 4
Slika 3: Prikaz nihajoče U-cevke uporabljenega gostotomera [1]. ... 11
Slika 4: Gostotomer Anton Paar DMA 5000. ... 12
Slika 5: Shematski prikaz definicije viskoznosti [1]. ... 14
Slika 6: Ostwaldov viskozimeter, Cannon-Fenskejev viskozimeter in Ubbelohdejev viskozimeter [1]. ... 17
III KAZALO TABEL
Tabela 1: Teoretične mase za različne množinske deleže etanola v metanolu za pripravo 40 g raztopine. ... 9 Tabela 2: Gostote binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih razmerjih in temperaturah. ... 19 Tabela 3: Povprečne vrednosti pretočnih časov binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih razmerjih in temperaturah. ... 21 Tabela 4: Kinematična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih
množinskih razmerjih in temperaturah. ... 22 Tabela 5: Dinamična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih
množinskih razmerjih in temperaturah. ... 23 Tabela 6: Gostote in viskoznosti kemikalij uporabljenih v delovnem listu ... 27
IV KAZALO GRAFOV
Graf 1: Gostota binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih temperaturah, v odvisnosti od množinskega deleža etanola v metanolu. ... 20 Graf 2: Gostota binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih deležih etanola v metanolu, v odvisnosti od temperature. ... 20 Graf 3: Dinamična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih
temperaturah, v odvisnosti od množinskega deleža etanola v metanolu. ... 24 Graf 4: Dinamična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih deležih etanola v metanolu, v odvisnosti od temperature. ... 24
V POVZETEK
V diplomskem delu so predstavljeni rezultati meritev gostote in viskoznosti binarnih mešanic etanola in metanola v različnih razmerjih, v temperaturnem območju med 5 in 55 °C. Rezultati so prikazani v obliki tabel in grafov.
Ključne besede: gostota, viskoznost, etanol, metanol, binarna mešanica
VI ABSTRACT
In the diploma the results of measurements of density and viscosity of ethanol and methanol binary mixtures in various ratios in the temperature range between 5 and 55 °C are presented.
The results are shown in tables and graphs.
Key words: Density, viscosity, ethanol, methanol, binary mixture
1
1 UVOD
1.1 Raztopine
Raztopine so homogene mešanice sestavljene iz dveh ali več snovi. Nastanejo s porazdelitvijo gradnikov ene snovi med gradnike druge snovi. Snovem, ki sestavljajo raztopino rečemo komponente. Med gradniki obeh komponent delujejo medmolekulske sile. Raztopine so sestavljene iz topila in topljenca. Topilo je tista komponenta v raztopini, ki ima večji delež, topljenec je pa komponenta z manjšim deležem [1].
Topilo je lahko v trdnem, tekočem ali plinastem agregatnem stanju. V trdnem in tekočem topilu se lahko raztapljajo plini, trdnine in kapljevine. Najpogosteje je topilo v tekočem agregatnem stanju. Voda je najpogostejše tekoče topilo in raztopine, ki jo vsebujejo, imenujemo vodne raztopine. Delci topljenca v raztopini niso vidni s prostim očesom in ne morejo biti ločeni s pomočjo filtracije. Ker so raztopine homogene, to pomeni da imajo vedno samo eno fazo [2].
V tekočih topilih se plini in trdne snovi raztapljajo le do določene mere ali nasičenja. Pri tekočih topljencih je drugače, saj s tekočim topilom pogosto tvorijo raztopino v celotnem koncentracijskem območju. Lahko rečemo tudi, da se taki dve tekočini v popolnosti mešata v poljubnem razmerju. Obstajajo pa tudi tekočine, ki tvorijo raztopino zgolj v določenem koncentracijskem območju ali pa se sploh ne mešajo. Med tekočinami, ki se ne mešajo se vzpostavi fazna meja [1].
Fizikalne lastnosti raztopin niso odvisne samo od množine topljenca in topila v katerem je raztopljen. Pomembne so tudi lastnosti komponent v raztopini in interakcije med temi komponentami v raztopini. Pomembne lastnosti so parni tlak in volumske lastnosti. V primeru idealnih raztopin velja, da so volumni aditivni, če pa opazimo da se volumen pri nastanku raztopine poveča ali zmanjša, potem lahko sklepamo, da so na delu različne privlačne oziroma odbojne interakcije med komponentami v raztopini [3].
2
1.2 Alkoholi
Alkoholi so organske kisikove spojine, v katerih je hidroksilna skupina (–OH) vezana na ogljikov atom. Splošna formula enostavnih acikličnih alkoholov je CnH2n+2O. Po IUPAC nomenklaturi imajo alkoholi končnico –ol. V vsakdanjem pogovoru, ko rečemo alkohol, najpogosteje mislimo na etanol, sestavino alkoholnih pijač. Vonj in okus hlapnih alkoholov lahko opišemo kot značilen pekoč. Molekula alkohola je polarna. Polarnost je posledica hidroksilne skupine, ki vsebuje elektronegativni kisikov atom in štiri nevezne kisikove elektrone. Hidroksilna skupina je sposobna tvoriti vodikove vezi, zato alkohole uvrščamo med protična polarna topila. Molekule alkoholov so sestavljene iz dveh različnih delov: nepolarne verige ogljikovih atomov, ki je hidrofobna in polarne –OH skupine, ki je hidrofilna. Alkoholi z malo ogljikovih atomov, kot so metanol, etanol in propanol se popolnoma mešajo z vodo, saj v njih prevladujejo polarne lastnosti. Pri butanolu, ki ima štiri ogljikove atome, opazimo da je le še zmerno topen v vodi, saj sta oba vpliva primerljiva. Alkoholi, ki vsebujejo pet ali več ogljikovih atomov so v vodi praktično netopni, zaradi prevladujočih nepolarnih lastnosti.
Alkoholi imajo zaradi vodikovih vezi, ki se tvorijo med molekulami alkohola višja vrelišča kot ogljikovodiki in etri s podobno molsko maso. Vsi nižji alkoholi se mešajo z organskimi topili [4].
1.2.1 Metanol
Metanol je najpreprostejši alkohol s kemijsko formulo CH3OH. Je majhna polarna molekula z molsko maso 32,04 g/mol. Je lahko hlapna, vnetljiva in brezbarvna kapljevina. Ima večini prijeten vonj, ravno tako kot etanol, a nekoliko slajšo aromo. V naravi ga proizvajajo nekatere bakterije, pri katerih je stranski produkt anaerobnega metabolizma. Ljudje so ga nekoč pridobivali s suho destilacijo lesa, danes pa je glavni način pridobivanja katalizirana reakcija med ogljikovim oksidom in vodo. Uporabljamo ga za proizvodnjo formaldehida, antifriza, kot gorivo ter kot topilo, saj poleg snovi, ki jih topi etanol, topi tudi mnoge anorganske soli [5].
3 Slika 1: Model molekule metanola [5].
Metanol je izjemno toksičen. Že če spijemo 15 mL čistega metanola lahko oslepimo, 30 mL pa že povzroči smrt, saj lahko pride do zadušitve, acidoze ali odpovedi ledvic. Dolgotrajno vdihovanje metanolnih par je resnično tveganje za zdravje. Etanol je najmanj toksičen od primarnih alkoholov, vendar ga mora naše telo oksidirati v jetrih, da bi preprečilo visoke nivoje alkohola v krvi, ki lahko zastrupijo možgane. Jetrni encim alkoholna dehidrogenaza (ADH) oksidira etanol in metanol. ADH oksidira etanol do etanala, ta se pa oksidira do etanojske kisline, ki ni toksična v nizkih koncentracijah. V primeru metanola nastane metanal in nato metanojska kislina. Prav metanal ali formaldehid potuje po krvi do celic in reagira s proteini in uniči njihovo biološko funkcijo. Tako na primer v očeh uničuje vidni protein rodopsin.
Metanolno zastrupitev zdravniki zdravijo z intravenozno injekcijo etanola, saj ima ADH večjo afiniteto do etanola kot na metanola, posledično se molekule encima zasedejo z etanolom in zato nastane manj toksičnega formaldehida [6].
1.2.2 Etanol
Etanol je alkohol s kemijsko formulo C2H5OH. Pri sobni temperaturi je brezbarvna kapljevina, večini prijetnega vonja. Pogosto mu rečemo kar alkohol, saj se od vseh alkoholov z njim najpogosteje srečujemo. Uvrščamo ga med primarne alkohole. Je majhna polarna molekula z molsko maso 46,07 g/mol [7].
4 Slika 2: Model molekule etanola [7].
Etanol nastane s fermentacijo sladkorja ali s hidracijo etena. Uživanje alkohola pri ljudeh povzroča kratkotrajne psihofizične učinke, lahko pa vodi v zasvojenost. Etanol se uporablja tudi za izdelavo barv, lakov, uporabljamo ga v nekaterih termometrih, pomemben je tudi pri izdelavi zdravil in kot dezinfekcijsko sredstvo [8].
Z vrenjem je možno doseči maksimalno 25 % prostorninski delež etanola, saj pri večjih deležih etanola kvasovke ne preživijo. Večji prostorninski delež lahko pridobimo z destilacijo in sicer maksimalno 95,7 % azeotropno zmes. Užitni etanol je močno obdavčen, posledično dodajajo tehničnemu etanolu metanol, saj je slednji strupen in zato je taka mešanica neprimerna za uživanje. Rečemo ji denaturirani špirit [7].
Fermentacija sladkorja v namen pridobivanja etanola je eden izmed prvih biotehnoloških procesov, ki je še danes v uporabi. Danes etanol za industrijsko uporabo pridobivajo tudi iz etena. Uporabljamo ga kot topilo za substance, s katerimi ima človek fizični stik, nekatere pa tudi zauživa. Tu govorimo o dišavah, parfumih, zdravilih, barvilih. Uporabljamo ga tudi kot biogorivo [8].
Etanol gori popolno in se kot gorivo uporablja že od nekdaj, toda le kot pomožno gorivo. Konec 20. stoletja se je začelo etanol množično uporabljati kot gorivo. Zanimanje za to vrsto goriva je narastlo predvsem zaradi ozaveščanja o škodljivosti uporabe fosilnih goriv, saj je etanol možno pridobivati iz obnovljivih virov energije. V načrtu je da etanol nekega dne v popolnosti zamenja bencin. Že zdaj lahko v novejših bencinskih motorjih uporabljamo mešanico, ki vsebuje 10%
etanola v bencinu, obstajajo pa tudi že motorji, ki jih poganja čisti etanol [9].
5
1.3 Binarne mešanice etanola in metanola
Etanol in metanol oba tvorita vodikove vezi med molekulami iste vrstein tudi med seboj, zato se mešata v vseh razmerjih. Molekula etanola ima večje hidrofobne lastnosti kot molekula metanola, zaradi dodatne metilenske skupine. Vodikove vezi med molekulami metanola so močnejše kot v etanolu, v katerem pa disperzijske vezi prevladujejo nad vodikovimi. Zaradi razlik v jakosti vodikovih vezi, je obnašanje binarnih mešanic etanola in metanola daleč od idealnega. Pri nizkih koncentracijah metanola v takih mešanicah je vidno anomalno obnašanje medmolekulskih interakcij. Iz raziskav je razvidno, da so molekule metanola odgovorne za povečanje gostote vodikovih vezi in igrajo vlogo mediatorja v povezovanju molekul etanola.
Metanol je polarna molekula, ki je zmožna tvoriti vodikove vezi z molekulami metanola in drugimi molekulami, ki vsebujejo vodik ali dušik kot je na primer voda. Posledično je metanol popolnoma topen v vodi. Zaradi ene same metilne skupine imajo molekule metanola šibke disperzijske vezi z molekulami metanola in drugimi molekulami. Ko etanolu dodamo metanol, se moč disperzijskih sil etanola zmanjša, saj naraste gostota vodikovih vezi. Zaradi vodikovih vezi nastanejo multimeri iz molekul etanola, multimeri iz molekul metanola, multimeri iz etanola in metanola in etanol-metanol-etanol mosti. Razbijanje vodikovih vezi med enakimi molekulami in nastanek vodikovih vezi med etanolom in metanolom povzroči kompleksnost v fizikalno kemijskih lastnostih pri nižjih koncentracijah metanola v binarnih mešanicah etanola in metanola ter pri povečanih temperaturah, kot na primer pri 303 K. Pri višjih koncentracijah metanola je struktur iz etanola in metanola manj, poveča se število multimerov etanola medtem, ko pa metanol redko tvori multimere [10].
6
2 NAMEN IN CILJ DELA
Po pregledu literature smo ugotovili, da manjkajo podatki za gostoto in viskoznost mešanic metanola in etanola pri določenih temperaturah. Namen diplomskega dela je bil raziskati gostoto in viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola v celotnem koncentracijskem območju pri temperaturah med 5 in 55 °C.
Cilj diplomskega dela je bili sledeč:
• Pridobiti podatke o gostoti in viskoznosti binarnih mešanic etanola in metanola v različnih množinskih razmerjih v temperaturnem območju med 5 in 55 °C.
Hipotezi, ki smo si ju zastavili:
• Gostota binarnih mešanic etanola in metanola pada s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperaturo.
• Viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola narašča s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperaturo.
V diplomskem delu smo uporabili raziskovalno metodo kvantitativne raziskave, ki je rečemo eksperiment. Na ta način smo pridobili potrebne numerične podatke. Eksperimentalni del smo izvedli v laboratoriju Katedre za fizikalno kemijo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani.
Numerične podatke, ki smo jih pridobili v času poteka eksperimentalnega dela smo zbrali, uredili v tabelah, kvantitativno obdelali in prikazali v obliki grafov. Poleg eksperimenta smo za zbiranje podatkov uporabili tudi literaturo v slovenščini in angleščini.
7
3 EKSPERIMENTALNI DEL
3.1 Snovi
• Etanol
• Molekulska formula: C2H6O
• Molska masa: 46,07 g/mol
• EMSURE®
• Metanol
• Molekulska formula: CH4O
• Molska masa: 32,04 g/mol
• EMSURE®
• 3-krat destilirana voda
• Molekulska formula: H2O
• Molska masa: 18,02 g/mol
• Destilator Destamat Bil 8E Heraeus, laboratorij katedre za fizikalno kemijo
3.2 Aparature in pripomočki
• Gostotomer DMA 5000 Anton Paar;
• Ubbelohdejev viskozimeter, V1 kap/53610;
• Termostatska kad in enota Lauda ECO SILVER s hladilnim sistemom Lauda DLK 10;
• Stojalo z optičnim senzorjem, z merilno enoto Viscosystem® AVS 370;
• Računalniški program WinVisco;
• Injekcijske brizge, injekcije;
• Osem stekleničk s pokrovčkom;
• Avtomatska pipeta: 5 ml;
• Analitska tehnica
• Dušik za sušenje in prepihovanje steklovine.
8
3.3 Priprava binarnih mešanic etanola in metanola
Binarne mešanice etanola in metanola smo pripravili z dodajanjem računsko določene mase etanola v steklenico, v katero smo prej zatehtali računsko določeno maso metanola. Uporabili smo analitsko tehtnico, s katero smo zatehtali na tri decimalna mesta natančno.
Za izračun potrebnih mas smo potrebovali molsko maso etanola, ki je 46,07 g/mol in molsko maso metanola, ki je 32,04 g/mol.
Želeli smo pripraviti približno 40 gramov posamezne binarne mešanice etanola in metanola v različnih množinskih razmerjih, zato smo morali v izračunu upoštevati, da bo taka skupna masa.
Potrebno maso etanola smo izračunali po enačbi:
xEtOH = 𝑛𝐸𝑡𝑂𝐻
𝑛𝐸𝑡𝑂𝐻 + 𝑛𝑀𝑒𝑂𝐻 =
𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻 𝑀𝐸𝑡𝑂𝐻 𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻
𝑀𝐸𝑡𝑂𝐻 + 𝑚𝑀𝑒𝑂𝐻𝑀𝑀𝑒𝑂𝐻 , (1)
kjer xEtOH pomeni množinski delež etanola v metanolu, nEtOH je množina etanola, nMeOH je množina metanola, mEtOH je masa etanola, mMeOH je masa metanola, MEtOH je molska masa etanola in MMeOH je molska masa metanola.
Pripravili smo raztopine z naslednjimi množinskimi deleži etanola v metanolu: 0.2, 0.4, 0.6, 0.8.
Kot primer izračuna mase etanola in metanola izberemo množinski delež etanola v metanolu, ki znaša 0.2 in nadaljujemo po enačbi (1).
xEtOH = 0,2
0,2 =
𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻 46,07 𝑔
𝑚𝑜𝑙 𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻 46,07 𝑔 𝑚𝑜𝑙
+ 40−𝑚𝐸𝑡𝑂𝐻 32,04 𝑔
𝑚𝑜𝑙
(1)
mEtOH = 10,577 g
mMeOH = 40 g – 10,577 g = 29,423 g
Na enak način smo izračunali potrebne mase metanola in etanola tudi za pripravo raztopin z ostalimi množinskimi deleža. Rezultati so zbrani v tabeli 1.
9
Tabela 1: Teoretične mase za različne množinske deleže etanola v metanolu za pripravo 40 g raztopine.
Množinski delež etanola v metanolu
Masa etanola [g] Masa metanola [g]
0 0 40
0,2 10,577 29,423
0,4 19,579 20,421
0,6 27,325 12,675
0,8 34,076 5,924
1 40 0
S pomočjo analitske tehtnice in doziranja tekočin z injekcijsko iglo nam je uspelo zatehtati teoretično izračunane mase tudi v praksi.
10
3.4 Gostota
Gostota je fizikalna količina, ki nam pove maso izbrane prostornine snovi. Oznaka za gostoto je grška črka ρ (ro) in je razmerje med maso in prostornino telesa: ρ=m/V. Osnovna enota gostote je kg m-3. Za merjenje gostot manjših količin kapljevin uporabljamo piknometer, za določevanje večjih količin pa areometer. Plini imajo najmanjše gostote, gostote kapljevin so približno 1000-krat večje od plinov in običajno nekajkrat manjše kot pri trdnih snoveh, z izjemo živega srebra. Gostota snovi se spreminja s temperaturo in tlakom. Ta sprememba je običajno majhna pri trdninah, nekoliko večja pri kapljevinah ter največja pri plinih. Višanje temperature snovi v večini primerov zmanjša njeno gostoto, saj poveča njen volumen. Povečanje tlaka zmanjša volumen snovi in ji tako poveča gostoto [11].
3.4.1 Gostotomer z nihajočo U-cevko
Gostotomer z nihajočo U-cevko je izredno uporaben, ker lahko z njim hitro izmerimo gostoto majhnim volumnom vzorca. Princip na katerem deluje gostotomer z nihajočo U-cevko je dokaj preprost. Kapilaro v obliki črke U, vpeto na obeh straneh, napolnimo z vzorcem (približno 1 mL). Nato začnemo prisilno vzbujati njeno lastno nihanje s pomočjo piezoelektričnega elementa ter merimo nihajni čas. Zvezo med gostoto vzorca in časom, ki je potreben za določeno število nihajev cevke, podaja enačba:
ρ = A + B ∗ t2 , (2)
kjer je ρ gostota, t je nihajni čas cevke, A in B pa sta konstanti, ki ju določimo z umerjanjem gostotomera z dvema znanima gostotama in časom, ki je potreben za določeno število nihajev cevke. Gostotomer običajno umerjamo z vodo in zrakom [1].
11
Slika 3: Prikaz nihajoče U-cevke uporabljenega gostotomera [1].
12
3.4.2 Gostotomer Anton Paar
Gostotometer Anton Paar DMA 5000, ki smo ga uporabili pri merjenju gostote je primer gostotomera z nihajočo U-cevko. Je eden izmed modernejših inštrumentov za merjenje gostote in je bil prvič predstavljen leta 1998. Ko ga umerimo je sposoben izmeriti gostoto skoraj katerekoli tekočine med 650 in 1650 kg m-3. Merilna celica je sestavljena iz borosilikatne steklene U-cevke, ki se nahaja znotraj termostata in lahko sprejme približno 0,7 mL vzorca. U- cevka niha z lastno frekvenco, ki je funkcija mase. Če sklepamo, da je volumen tekočine, ki niha konstanten, potem je frekvenca nihanja funkcija gostote vzorca. Ta gostotomer ima vgrajen termometer Pt 100, ki je namenjen kontroli delavne temperature v U-cevki gostotomera [12].
Tehnični podatki gostotomera Anton Paar DMA 5000:
• Natančnost meritve gostote: ± 0,00005 g cm-3
• Ponovljivost meritve gostote: ± 0,00001 g cm-3
• Natančnost nastavitve temperature: ± 0,001 °C
• Ponovljivost meritve temperature: ± 0,001 °C
• Temperaturno območje: 0-90 °C
• Količina porabljenega vzorca: Približno 1 mL
• Merilni čas: Približno 60 s [13].
Slika 4: Gostotomer Anton Paar DMA 5000.
13
3.4.3 Merjenje gostote
Pred začetkom merjenja gostote z Anton Paar DMA 5000 gostotomerom smo v zvezku, v katerega se zapisujejo izmerjene gostote vode po končanih meritvah, preverili ali je gostotomer umerjen.Izmerjene vrednosti namreč ne smejo preveč odstopati od teoretičnih vrednosti. Ko smo se prepričali, da je umerjen, smo cevko, v kateri je bila prej destilirana voda sprali z etanolom in posušili se prepihovanjem z zrakom. Nato smo z brizgalko odvzeli naš vzorec binarne raztopine etanol–metanol določene koncentracije ter ga počasi vbrizgali skozi cevko ter opazovali, da so vsi morebitni mehurčki znotraj U-cevke izstopili, saj bi prisotnost le-teh lahko vplivala na našo meritev.
Nato smo ustrezno spremenili programske nastavitve gostotomera ter določili temperaturno območje meritev med najnižjo temperaturo 5 °C ter najvišjo 55 °C ter določili korak spreminjanja temperature 10 °C. Merjenje gostote se je tako avtomatsko pričelo pri 5 °C in se je nadaljevalo pri vsaki določeni temperaturi; 5 °C, 15 °C, 25 °C, 35 °C, 45 °C ter 55 °C. Pred začetkom meritve smo nastavili v Excelu dodatek Anton Paar SoftPrint V1.5.0, ki omogoča samodejno zapisovanje rezultatov meritev gostote pri nastavljeni temperaturi v tabelo.
Na ta način smo izmerili gostote vsem pripravljenim binarnim mešanicam etanola in metanola (xEtOH = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1). Gostote so bile izmerjene na 6 decimalnih mest natančno.
14
3.5 Viskoznost
Viskoznost je fizikalna količina, ki podaja odziv tekočine na strižno deformacijo. Je merilo za medsebojno gibanje gibajočih se plasti tekočine ali plinov in vpliva na njihovo sposobnost pretakanja. Določimo jo kot razmerje med strižno napetostjo in strižno hitrostjo in podaja notranje trenje tekočin [14].
Slika 5: Shematski prikaz definicije viskoznosti [1].
Na sliki vidimo poenostavljen prikaz s katerim si lahko predstavljamo tekočino med dvema vodoravnima ploščama, ki sta oddaljeni med seboj za razdaljo y. Spodnja plošča miruje, zgornjo pa vlečemo v vodoravni smeri s stalno hitrostjo vx. Zgornjo ploščo premikamo s silo F, ki je potrebna za premik in ji rečemo strižna ali viskozna sila. Čeprav spodnja plošča miruje, deluje na gibanje zgornje plošče prek vmesnih tekočinskih plasti in sicer ga zavira. Plast ob zgornji plošči se premika z isto in stalno hitrostjo kot zgornja plošča, plast ob spodnji plošči pa miruje.
Hitrosti, s katerimi se premikajo vmesne plasti, so premo sorazmerne njihovi razdalji od spodnje plošče. Čim večja je hitrost, vx, zgornje plošče glede na spodnjo, čim večja je površina plošče, S, ter čim manjša je razdalja med ploščama, y, tem večja bo viskozna sila. To lahko zapišemo z naslednjo enačbo:
F = η S 𝑣𝑥
𝑦 , (3)
kjer v enačbi η predstavlja sorazmernostno konstanto in sicer dinamično viskoznost tekočine.
F je strižna sila, vx je hitrost v vodoravni smeri, S je površina zgornje plošče, y pa je razdalja med ploščama.
Enota za viskoznost v sistemu SI je N s m-2 = kg m-1 s-1.
15 Enačbo lahko zapišemo v drugačni obliki:
𝐹
𝑆 = η𝑣𝑥
𝑦 (4)
Kvocient F / S imenujemo strižna napetost, kvocient vx / y pa strižna hitrost ali gradient hitrosti.
Iz enačbe lahko razberemo, da je strižna napetost premo sorazmerna strižni hitrosti.
Zamislimo si dve plasti, ki se nahajata v tekočini med ploščama in sta vzporedni s ploščama.
Razdalja med njima naj bo vx, njuni hitrosti pa vx + dvx. Strižna hitrost je v tem primeru dvx / dy, enačbo pa lahko zapišemo kot:
𝐹
𝑆 = η𝑑𝑣𝑥
𝑑𝑦 (5)
Za tekočine, pri katerih ta sorazmernost velja in je η konstantna vrednost pri dani temperaturi, rečemo da so newtonske, v nasprotnem primeru so nenewtonske.
Viskoznost tekočin je odvisna od temperature in to lahko opišemo v večini primerov z naslednjo zvezo:
log η =𝐴
𝑇+ 𝐵 , (6)
kjer T predstavlja absolutno temperaturo, A in B pa za tekočino značilni konstanti. Z naraščanjem temperature viskoznost hitro pojema – čim bolj viskozna je tekočina, hitreje pojema. V primeru vode se pri sobni temperaturi zmanjša za 2,5% na 1 K. Ravno zato je pomembno, da je temperatura pri merjenju viskoznosti stalna [1].
16
3.5.1 Metode za merjenje viskoznosti
Poznamo veliko metod za merjenje viskoznosti, vendar jih uporabljamo le manjše število. Pri izbiri metode je namreč pomembno, da je čim bolj preprosta in natančna, prav tako mora biti primerna za matematično obdelavo rezultatov, ki jih z njo dobimo. Gibanje tekočine je laminarno. Pri takem gibanju se tokovnice ne mešajo in prepletajo. Za gibanje, pri katerem se tekočinske plasti mešajo in opazimo nastanek vrtincev, rečemo da je turbulentno. Pri takem gibanju preproste zveze več ne veljajo. Med pogosto uporabljene metode, ki ustrezajo tem zahtevam, spadajo naslednje:
• Padanje kroglice v tekočini: merimo hitrost kroglice, ki se v tekočini vali ali pada;
• Določanje z rotacijskimi viskozimetri: merimo navor valja pri rotaciji v tekočini;
• Pretok skozi kapilaro: merimo čas, potreben da se pretoči določen volumen tekočine.
Prvi dve metodi sta uporabni za zelo viskozne, nenewtonske tekočine. Pri eksperimentu smo uporabili zadnjo metodo; merjenje pretočnega časa tekočine skozi kapilaro in jo bomo zato tudi natančneje opisali.
Pretok skozi kapilaro je metoda, ki se najpogosteje uporablja in spada med najnatančnejše metode določanja viskoznosti. Za začetek si moramo predstavljati dolgo valjasto cev, skozi katero nato potiskamo tekočino s stalnim tlakom. Predpostavimo, da sta hitrost tekočine in polmer kapilare tako majhna, da je gibanje laminarno. Če je pretok stalen lahko rečemo, da je gibanje stacionarno. Pri velikih hitrostih gibanje tekočin preide iz laminarnega v turbulentno.
Poznamo tri različne viskozimetre: Ostwaldov viskozimeter, Cannon-Fenskejev viskozimeter in Ubbelohdejev viskozimeter. Najpogosteje sta v uporabi izboljšavi Ostwaldovega viskozimetra: Cannon-Fenskejev viskozimeter in Ubbelohdejev viskozimeter. Cannon- Fenskejev viskozimeter ima osi zgornjih dveh bučk in os spodnje bučke na isti premici, kar pripomore k zmanjšanju napake zaradi odmika viskozimetra od navpičnice. Pri drugi izboljšavi – Ubbelohdejevem viskozimetru ali viskozimetru z visečim navojem je spodnji konec kapilare razširjen v bučko. V bučko je vgrajena dodatna cevka in tekočina, ki se izteka, teče navzdol prosto po stenah te bučke. Zaradi tega ni potrebno vedno odpipetirati enak volumen vzorca in standarda pred začetkom meritve. Slednjega smo izbrali za merjenje viskoznosti pri našem eksperimentalnem delu [1].
17
Slika 6: Ostwaldov viskozimeter, Cannon-Fenskejev viskozimeter in Ubbelohdejev viskozimeter [1].
3.5.2 Viskozimeter in merjenje viskoznosti
Za merjenje viskoznosti binarnih mešanic etanola in metanola smo uporabili Ubbelohdejev viskozimeter V1 kap/53610.
Viskozimeter smo sprali z vodo in etanolom ter posušili s prepihovanjem z dušikom. Nato smo s pomočjo avtomatske pipete v bučko odpipetirali 4 mL binarne mešanice etanola in metanola.
Zatem smo viskozimeter vpeli v stojalo in ga vstavili v termostatsko kad z etilen glikolom, ki s termostatsko enoto Lauda ECO SILVER in hladilnim sistemom Lauda DLK 10 omogoča spreminjanje temperature v željenem temperaturnem območju. V stojalo za viskozimeter je vgrajen optični senzor, ki preko merilne enote Viscosystem® AVS 370 omogoča avtomatsko merjenje pretočnega časa skozi kapilaro. Senzor signal pretvori in ga prenese na računalnik, ki ima nameščen program WinVisco s pomočjo katerega nastavljamo temperaturo, sledimo meritvam in odčitamo rezultate meritev.
Med potekom meritve smo opazovali, če je vse v redu ter smo izvedli 5 ponovitev, pri katerih se pretočni časi niso smeli razlikovati za več kot za 1 %. Začetna temperatura pri vseh razmerjih etanola in metanola je bila 5 °C in po vsaki opravljeni meritvi smo temperaturo nastavili na naslednjo s korakom 10 °C do temperature 55 °C za določeno množinsko razmerje. Iz vseh petih meritev smo dobili izračunano povprečje pretočnih časov, ki so nam bili potrebni za nadaljnje računanje viskoznosti.
18
3.5.2.1 Umeritev viskozimetra
Pred meritvami smo morali viskozimeter umerili. To smo storili tako da smo določili, kakšno vrednost imata konstanti C in E v enačbi za kinematično viskoznost (ν). Enačba za kinematično viskoznost se glasi:
ν = Ct – 𝐸
𝑡2 , (7)
kjer je ν kinematična viskoznost, t je pretočni čas, E in C pa sta konstanti.
Za izračun konstante smo potrebovali podatke o kinematični viskoznosti vode, ki smo jih pridobili iz literature ter pretočne čase trikrat destilirane vode, ki smo jih izmerili z Ubbelohdejevim viskozimetrom.
Kinematična viskoznost vode pri 15 °C je 1,139 mm2/s [15], izmerjen pretočni čas pa je bil 110,84 s.
Kinematična viskoznost vode pri 25 °C je 0,893 mm2/s [15], izmerjen pretočni čas pa je bil 86,88 s.
Iz teh podatkov smo z uporabo naslednjih dveh enačb izračunali konstanti C in E.
Enačba za izračun konstante C:
𝐶 =ν
15°𝐶
𝐻2𝑂∗(t15°𝐶𝐻2𝑂)2−ν25°𝐶𝐻2𝑂∗t(25°𝐶𝐻2𝑂)2
(𝑡15°𝐶𝐻2𝑂)3−(𝑡25°𝐶𝐻2𝑂)3 (8)
C = 0,01027 𝑚𝑚
2
𝑠2
Enačba za izračun konstante E:
𝐸 = (𝐶 ∗ 𝑡25°𝐶
𝐻2𝑂− ν25°𝐶
𝐻2𝑂) ∗ (𝑡25°𝐶
𝐻2𝑂)2 (9)
E = -21,9032 𝑚𝑚
2
𝑠
19
4 REZULTATI
4.1 Rezultati meritev gostot
V tabeli 2 so poleg podatkov, ki smo jih eksperimentalno določili vpisani tudi podatki o gostoti čistega etanola in metanola pri temperaturah 0 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C in 60 °C [16].
Prav tako imamo podatke iz literature za gostoto čistega etanola in metanola pri temperaturi 25 °C.
Tabela 2: Gostote binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih razmerjih in temperaturah.
ρ [g/cm3]
T [°C]
x (etanola v
metanol) 0 5 15 20 25 35 40 45 55 60
0 0,8097 0,805432 0,796066 0,7909
0.791 [17]
0,786664 0,777191
0,7723
0,767607 0,757862
0,7532
0,2 / 0,804486 0,795328 / 0,786133 0,776865 / 0,767479 0,757933 /
0,4 / 0,80382 0,794863 / 0,785857 0,776769 / 0,767563 0,758185 /
0,6 / 0,803262 0,794474 / 0,785637 0,776712 / 0,767657 0,758417 /
0,8 / 0,802769 0,794143 / 0,785454 0,776669 / 0,767742 0,758617 /
1 0,8061 0,802384 0,793896 0,7892
0.78522 [18]
0,785339 0,776676 0,7718 0,767857 0,758827 0,754
20
Graf 1: Gostota binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih temperaturah, v odvisnosti od množinskega deleža etanola v metanolu.
Iz grafa 1 lahko razberemo, da se gostota zmanjšuje z naraščanjem množinskega deleža etanola v metanolu pri temperaturah 5 °C, 15 °C, 25 °C in 35 °C. Pri višjih temperaturah, 45 °C in 55
°C pa pride do anomalij in celo do naraščanja gostote z naraščanjem množinskega deleža etanola v metanolu. Tu lahko le delno potrdimo prvi del prve hipoteze, ki se glasi: Gostota binarnih mešanic etanola in metanola pada s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperaturo.
Graf 2: Gostota binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih deležih etanola v metanolu, v odvisnosti od temperature.
0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,8 0,81
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
ρ [g/cm3]
x(EtOH)
5 15 25 35 45 55
0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,8 0,81
0 10 20 30 40 50 60
ρ [g/cm3]
T [°C]
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
21
Iz grafa 2 lahko razberemo, da se gostota zmanjšuje z naraščajočo temperature na celotnem temperaturnem območju. Tu lahko potrdimo drugi del iste hipoteze: Gostota binarnih mešanic etanola in metanola pada s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperaturo.
4.2 Rezultati meritev viskoznosti
Izmerjene povprečne vrednosti pretočnih časov skozi kapilaro za vse preiskovane binarne mešanice so zbrane v tabeli 3.
Tabela 3: Povprečne vrednosti pretočnih časov binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih razmerjih in temperaturah.
t [s]
T[°C]
x (etanola v
metanolu) 5 15 25 35 45 55
0 87,01 76,52 66,34 58,66 52,24 46,5
0,2 102,88 88,61 77,09 67,6 59,7 52,84
0,4 121,37 103,74 89,47 77,66 68,01 59,49
0,6 141,61 119,7 102,36 87,99 76,37 66,41
0,8 165,44 138,19 117,15 99,75 85,3 73,82
1 192,85 159,07 132,71 111,74 94,61 80,77
Iz pretočnih časov iz tabele in že prej izračunanih konstant C in E izračunali kinematične viskoznosti vseh binarnih mešanic etanola in metanola ter čistega etanola in metanola s pomočjo enačbe:
ν = Ct – 𝐸
𝑡2 (7) Vrednosti kinematičnih viskoznosti so podane v spodnji tabeli.
22
Tabela 4: Kinematična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih razmerjih in temperaturah.
ν [mm2 s-1] T [°C]
x (etanola v
metanolu) 5 15 25 35 45 55
0 0,894 0,786 0,681 0,602 0,537 0,478
0,2 1,057 0,910 0,792 0,694 0,613 0,543
0,4 1,246 1,065 0,919 0,798 0,698 0,610
0,6 1,454 1,229 1,051 0,904 0,784 0,682
0,8 1,699 1,419 1,203 1,024 0,876 0,758
1 1,981 1,634 1,363 1,148 0,972 0,823
Iz kinematičnih viskoznosti smo izračunali tudi dinamično viskoznost z uporabo izmerjenih gostot binarnih mešanic etanola in metanola. Za to smo uporabili enačbo:
η = νρ , (10)
kjer η predstavlja dinamično viskoznost, ν je kinematična viskoznost in ρ je gostota.
Izračunane vrednosti dinamičnih viskoznosti smo zbrali v tabeli 5.
V tabeli 5 so vpisani tudi podatki o dinamični viskoznosti čistega etanola in metanola pri temperaturah 0 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C in 60 °C [16]. Prav tako imamo podatke iz literature za gostoto čistega etanola in metanola pri temperaturi 25 °C.
23
Tabela 5: Dinamična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih razmerjih in temperaturah.
η [mPa s]
T [°C]
x (etanola v
metanolu) 0 5 15 20 25 35 40 45 55 60
0 0,795 0,720 0,626 0,583
0,544 [17]
0,536 0,468 0,447 0,412 0,362 0,348
0,2 / 0,850 0,724 / 0,622 0,539 / 0,471 0,411 /
0,4 / 1,002 0,847 / 0,722 0,620 / 0,536 0,463 /
0,6 / 1,168 0,977 / 0,826 0,702 / 0,602 0,517 /
0,8 / 1,364 1,127 / 0,945 0,796 / 0,673 0,575 /
1 1,783 1,589 1,297 1,184
1.040 [18]
1,070 0,891 0,819 0,746 0,629 0,587
24
Graf 3: Dinamična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih temperaturah, v odvisnosti od množinskega deleža etanola v metanolu.
Iz grafa 3 lahko razberemo, da viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola narašča s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu na celotnem temperaturnem območju.
Razlike v viskoznosti so še posebej opazne pri nižjih temperaturah. Potrdimo lahko prvi del druge hipoteze, ki se glasi: Viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola narašča s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperaturo.
Graf 4: Dinamična viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih deležih etanola v metanolu, v odvisnosti od temperature.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
η[mPas]
x
5 15 25 35 45 55
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
0 10 20 30 40 50 60
η[mPas]
T [°C]
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
25
Iz grafa 4 lahko razberemo, da viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola pada z naraščajočo temperaturo. To opazimo pri vseh množinskih deležih in zato lahko potrdimo tudi drugi del druge hipoteze, ki pravi: Viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola narašča s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperature.
26
5 GOSTOTA IN VISKOZNOST PRI POUKU NARAVOSLOVJA V OSNOVNI ŠOLI
Gostota in viskoznost sta pogosto problematična pojma za učence, saj ju le s težavo razlikujejo in pogosto pride do mnenja, da sta pojma med seboj povezana ali da sta celo enaka. Za boljše razumevanje so najbolj primerni praktični prikazi in demonstracije, saj tako lahko bolje razložimo razlike med pojmoma ter pomen le-teh.
Učenci se že v 4. razredu osnovne šole pri pouku naravoslovja in tehnike srečajo z gostoto pri vsebinskem sklopu Snovi, pri Razvrščanju snovi in lastnostih snovi, ko morajo znati razvrstiti, uvrstiti in urediti snovi po njihovih lastnostih (gnetljivost, stisljivost, trdota, gostota).
Natančneje se s pojmom gostote srečajo v 5. razredu pri pouku naravoslovja tehnike pri vsebinskem sklopu Snovi, pri Shranjevanju snovi, ko morajo znati razložiti pojem gostote. Pred tem se naučijo, kaj pomeni prostornina in masa ter da se pri plinih s spreminjanjem prostornine (posode) masa ohranja, gostota pa spreminja [19].
Pri pouku naravoslovja v 6. razredu pri vsebinskem sklopu Snovi, pri Lastnostih snovi in njihovi uporabi učenci spoznajo lastnosti snovi (npr. električna prevodnost, toplotna prevodnost, magnetne lastnosti, gostota, kaj se dogaja s snovmi, ko jim damo v vodo) [20]. Na tem mestu se mi zdi pomembno da učenci dokončno usvojijo pojem gostote, in da jo ne zamenjujejo z viskoznostjo. Z gostoto se bodo namreč ponovno srečali v 8. in 9. razredu pri pouku kemije in fizike in je zato pomembno, da razumejo kaj je gostota in na kaj vpliva. Pri kemiji se bodo srečali z gostoto v vsebinskem sklopu Družina ogljikovodikov s polimeri, pri Lastnostih ogljikovodikov in v vsebinskem sklopu Kisikova družina organskih spojin, pri vsebinski enoti Ogljikovi hidrati kot polifunkcionalne spojine in njihove lastnosti [21].
Naredil sem delovni list za učitelja in za učenca 6. razreda osnovne šole, pri predmetu naravoslovje. Delovni list učenca vodi skozi skupinsko eksperimentalno delo in s pomočjo njega lahko učenec beleži rezultate eksperimentalnega dela. Delovni list za učitelja pomaga učitelju pri vodenju eksperimenta, usmerjanju učencev in pri ocenjevanju delovnih listov po zaključku dela. Delovni list za učenca in učitelja vsebuje tudi navodila za izvedbo merjenja gostote, opazovanja razporeditve snovi v vodi glede na gostoto in merjenja časa padanja kroglice v različnih snoveh. Ti eksperimenti učencem pomagajo razumeti pojma gostoto in viskoznost na primeru snovi, s katerimi se dnevno srečujejo. Delovni list za učence vsebuje tabele, v katere učenec beleži rezultate meritev in izračunov. Učenec mora tudi opisati svoja opažanja in na podlagi njih zapisati sklepe o gostoti in viskoznosti snovi, ki so jih uporabljali
27
pri eksperimentalnem delu. Na koncu so še vprašanja za ponovitev in razmislek. Po koncu izvedenega eksperimentalnega dela in reševanja delovnega lista bi učenec moral razumeti, da je gostota masa prostorninske enote snovi in da sta pretakanje snovi in hitrost potovanja objekta v neki snovi odvisna od viskoznosti in ne od gostote, kot nekateri učenci zmotno zaključijo.
Pomembno je torej, da učenci razumejo, da se lahko snovi z veliko gostoto enostavno pretakajo, če imajo majhno viskoznost, prav tako se lahko snovi z manjšo gostoto pretakamo s težavo, če so zelo viskozne.
Snovi, ki sem jih izbral za eksperimentalno delo so voda, med, rastlinsko olje in motorno olje.
Vodo sem izbral, ker je to snov, s katero se najpogosteje srečujemo in ima večjo gostoto od rastlinskega in motornega olja in zato lahko jasno pokažemo, da olji plavata na njej, ker imata manjšo gostoto. Med sem izbral, ker ima zelo veliko viskoznost in največjo gostoto od izbranih snovi. Za kemikalije z majhnimi viskoznostmi sem izbral dve olji – rastlinsko in motorno. Oba imata manjšo gostoto kot voda, vendar ima motorno olje glede na rastlinskega manjšo gostoto in večjo viskoznost. S pomočjo teh snovi lahko učencem razložimo, da gostota in viskoznost nista povezana, čeprav so nekatere goste snovi tudi viskozne – kot je to na primer med. Pri našem eksperimentu, v katerem smo merili gostoto in viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola in tudi čistega etanola in metanola smo prišli do zaključka, da je etanol kljub temu da ima nekoliko manjšo gostoto kot metanol bolj viskozen na celotnem temperaturnem območju.
Vidimo, da bolj goste snovi niso nujno tudi bolj viskozne in da viskoznost in gostota nista med seboj odvisni. Namen eksperimentalnega dela, ki ga predlagam je, da učenci izmerijo gostoto snovi, povežejo to da nekatera tekočina plava na drugi tekočini z gostoto ter povežejo hitrost padanja kroglice v neki snovi in pretakanje tekočin z viskoznostjo. Vrednosti gostot in viskoznosti so zbrane v Tabeli 6.
Tabela 6: Gostote in viskoznosti kemikalij uporabljenih v delovnem listu.
Gostota pri 20 °C (g/mL) Viskoznost pri 20 °C (mPa s)
Voda (vodovodna) 0.9982 [15] 1.0016 [15]
Med (mešani cvetlični) 1.38 - 1.45 [22] 1760 [23]
Rastlinsko olje (sončnično) 0,9200 - 0,9250 [24] 68 [24]
Motorno olje (SAE 10W-60) 0.8504 [25] 381.08 [25]
28
5.1 Delovni list za učenca
Ime in priimek učenca:____________________________
VISKOZNOST IN GOSTOTA SNOVI OKOLI NAS
1. Uvod
Snovi se med seboj razlikujejo v gostoti in viskoznosti. Na zadnje ste se pri pouku
naravoslovja in tehnike srečali z gostoto in se jo naučili razložiti. Sedaj bomo skupaj obnovili vaše znanje o gostoti in predstavili novo lastnosti tekočin – viskoznost.
Gostoto lahko enostavno izračunamo, če poznamo maso in prostornino snovi. Je lastnost snovi, ki nam pove maso izbrane prostornine snovi. Označimo jo z grško črko ρ (ro). Je razmerje med maso in prostornino telesa: ρ=m/V.
Viskoznost je lastnost, od katere je odvisna hitrost pretakanja tekočin. Označimo jo z grško črko η (eta). Tekočina z večjo viskoznostjo se počasneje pretaka in težje meša. Viskoznost vpliva tudi na hitrost premikanja predmeta v taki snovi. Predmet se bo v bolj viskozni premikal počasneje kot v manj viskozni snovi.
Pogosto se zgodi, da učenci ne poznajo razlike med gostoto in viskoznostjo in pojma narobe uporabljajo, zato je pomembno, da se naučite ločiti med obema pojmoma.
V skupinah boste merili gostoto in viskoznost vode, medu, rastlinskega olja in motornega olja ter ugotavljali kakšne so gostote in viskoznosti teh snovi, če jih primerjate med seboj.
2. Namen
Učenci v skupinah izmerijo gostoto snovi, s katerimi se dnevno srečujejo, povežejo to da nekatera tekočina plava na drugi tekočini z gostoto in povežejo hitrost padanja kroglice v neki snovi in pretakanje tekočin z viskoznostjo. Želimo dokazati, da sta gostota in viskoznost neodvisni tekočini in ugotoviti kakšne so gostote in viskoznosti snovi, s katerimi se dnevno srečujemo.
Učenci se učijo tehtati in odmerjati prostornine tekočin. Ponovijo, kako se izračuna gostota iz mase in prostornine, ki ju pred tem določijo. Sodelujejo v skupini in si razdelijo delo (eden uporablja štoparico, drugi opazuje kroglico, tretji jo izpusti,...).
Na koncu eksperimentalnega dela razumejo, da je gostota masa prostornine snovi in znajo na primeru vode, medu, rastlinskega olja in motornega olja primerjati gostote. Za snovi, ki nastopajo v eksperimentu znajo povedati katera je bolj in katera manj viskozna in s svojimi besedami razložiti, kaj pomeni viskoznost.
29 3. Cilj
Pri eksperimentu želimo ugotoviti, kako se razlikujejo gostote in viskoznosti različnih snovi iz vsakdanjega življenja in ali so bolj goste snovi tudi bolj viskozne.
4. Naloga
V merilne valje vlijemo enake prostornine snovi in jih stehtamo. V čaše z vodo vlijemo ostale kemikalije in opazujemo, kaj se zgodi. Nato vzamemo štoparico in v vsak merilni valj
spustimo kroglico iz enake višine ter merimo čas po katerem se dotakne dna merilnega valja.
5. Potrebščine in kemikalije
Potrebščine Kemikalije
Tehtnica Voda
4x 100 mL merilni valj Med
4x enake kovinske kroglice Rastlinsko olje
3x 100 mL čaše Motorno olje
3x 10 mL merilni valj Kovinska kroglica Štoparica
6. Zaščita in varnost pri delu
Pri delu je obvezna uporaba halje, zaščitnih očal in zaščitnih rokavic.
7. Potek dela po stopnjah 1. MERJENJE GOSTOTE:
1. Merilne valje označimo s številkami od 1 do 4.
2. Stehtamo merilne valje in zapišemo mase v tabelo 1.
3. V 100 mL merilne valje, ki smo jih označili od 1 do 4 vlijemo snovi, kot jih prikazuje Tabela 1.
4. Vsak merilni valj s posamezno snovjo od 1 do 4 stehtamo in zapišemo mase. Od dobljenih mas odštejemo prej stehtano maso merilnega valja in maso posamezne snovi zapišemo v Tabelo 1.
5. Opažanja zapišemo v tabelo 2.
2. RAZPOREDITEV SNOVI V ČAŠI:
30
1. Vzamemo tri čaše, jih označimo od 1 do 3 in v njih natočimo vodo do oznake 50 mL.
2. 10 mL merilne valje označimo od 1 do 3 in vlijemo v prvega med, v drugega rastlinsko olje in v tretjega motorno olje do oznake 10mL.
3. Vsebino 10 mL merilnih valjev zlijemo v čaše s pripadajočo številko.
4. Opažanja zapišemo v Tabelo 2.
3. MERJENJE ČASA PADANJA KROGLICE:
1. Vzamemo štoparico in kroglico. Kroglico držimo nad oznako 100 mL v merilnem valju.
2. Kroglico izpustimo in v istem trenutku na štoparici pritisnemo gumb start.
3. Ko se kroglica dotakne dna, pritisnemo gumb stop in odčitamo čas.
4. Čas padanja vpišemo v Tabelo 1.
5. Opažanja vpišemo v Tabelo 2.
8. Rezultati Tabela 1.
Št.
merilnega valja
Snov v
merilnem valju
Masa merilnega valja (g)
Masa merilnega valja in snovi (g)
Masa snovi (g)
Gostota snovi (g/mL)
Čas padanja kroglice (s)
1 Voda
2 Med
3 Rastlinsko olje
4 Motorno olje
Izračuni:
31 Tabela 2. Opažanja in sklepi
Opažanja Sklepi
Tehtanje snovi:
•
Merjenje viskoznosti:
•
Opazovanje – sklepanje glede gostote posameznih snovi:
•
•
•
•
9. Zaključki
Kaj smo se pri eksperimentu naučili?
POVZETEK 1:
POVZETEK 2:
POVZETEK 3:
32 10. Vprašanja in naloge
1. Kaj ste opazili pri pretakanju medu in kaj pri pretakanju vode? Kaj je vzrok za to?
Odgovor:
2. Kaj bi se zgodilo, če bi v isto čašo vlili motorno in rastlinsko olje, če bi sklepali da se ne mešata med seboj ?
Odgovor:
3. Kako bi določili gostoto kroglice, če imamo na voljo tehtnico in merilni valj z vodo?
Odgovor:
4. Kakšna je povezava med viskoznostjo snovi in hitrostjo padanja kroglice v njej?
Odgovor:
11. Vrednotenje dela učenca:
1. Ocena eksperimentalne spretnosti: /3T 2. Učenčeva skrb za varnost: /3T
3. Ocena dobljenih rezultatov učenca (opažanja in sklepi): /6T 4. Ocena učenčevih odgovorov na vprašanja: /4T
Največje število točk: 16T Število doseženih točk:
Odstotek:
Podpis učitelja:
33
5.2 Delovni list za učitelja
Ime in priimek učenca:____________________________
VISKOZNOST IN GOSTOTA SNOVI OKOLI NAS
1. Uvod
Snovi se med seboj razlikujejo v gostoti in viskoznosti. Na zadnje so se učenci z gostoto srečali pri pouku naravoslovja in tehnike in se jo naučili razložiti. Skupaj z učenci obnovimo njihovo znanje o gostoti in predstavimo novo lastnosti tekočin – viskoznost.
Gostoto lahko enostavno izračunamo, če poznamo maso in prostornino snovi. Je lastnost snovi, ki nam pove maso izbrane prostornine snovi. Označimo jo z grško črko ρ (ro). Je razmerje med maso in prostornino telesa: ρ=m/V
Viskoznost je lastnost, od katere je odvisna hitrost pretakanja tekočin. Označimo jo z grško črko η (eta). Tekočina z večjo viskoznostjo se počasneje pretaka in težje meša. Viskoznost prav tako predstavlja zaviralno silo na telo, ki se giblje v taki tekočini. Viskoznost vpliva tudi na hitrost premikanja predmeta v taki snovi. Predmet se bo v bolj viskozni tekočini premikal počasneje kot v manj viskozni tekočini. Vzrok za viskoznost so interakcije na molekulski ravni, saj se v viskoznih snoveh molekule povezujejo z medmolekulskimi vezmi, kar otežuje gibanje. Je fizikalna količina, ki podaja odziv tekočine na strižno deformacijo.
Ker se pogosto zgodi, da učenci ne poznajo razlike med gostoto in viskoznostjo in pojma narobe uporabljajo je pomembno, da poznajo razliko med obema pojmoma.
Učenci bodo merili gostoto in viskoznost vode, medu, rastlinskega olja in motornega olja ter ugotavljali, kakšne so gostote in viskoznosti teh snovi, če jih primerjajo med seboj.
2. Namen
Učenci v skupinah izmerijo gostoto snovi, s katerimi se dnevno srečujejo, povežejo to da nekatera tekočina plava na drugi tekočini z gostoto in povežejo hitrost padanja kroglice v neki snovi in pretakanje tekočin z viskoznostjo. Želimo dokazati, da sta gostota in viskoznost neodvisni tekočini in ugotoviti kakšne so gostote in viskoznosti snovi s katerimi se dnevno srečujemo.
Učenci se učijo tehtati in odmerjati prostornine tekočin. Ponovijo, kako se izračuna gostota iz mase in prostornine, ki ju pred tem določijo. Sodelujejo v skupini in si razdelijo delo (eden uporablja štoparico, drugi opazuje kroglico, tretji jo izpusti,...).
Na koncu eksperimentalnega dela razumejo, da je gostota masa prostornine snovi in znajo na primeru vode, medu, rastlinskega olja in motornega olja primerjati gostote. Za iste snovi znajo povedati katera je bolj in katera manj viskozna in s svojimi besedami razložiti kaj pomeni viskoznost.
34 3. Cilj
Pri eksperimentu želimo ugotoviti, kako se razlikujejo gostote in viskoznosti različnih snovi iz vsakdanjega življenja in ali obstaja kakšna povezava med viskoznostjo in gostoto.
4. Naloga
V merilne valje vlijemo enake prostornine snovi in jih stehtamo. V čaše z vodo vlijemo ostale kemikalije in opazujemo, kaj se zgodi. Nato vzamemo štoparico in v vsak merilni valj
spustimo kroglico iz enake višine ter merimo čas po katerem se dotakne dna merilnega valja.
5. Potrebščine in kemikalije
Potrebščine Kemikalije
Tehtnica Voda
4x 100 mL merilni valj Med
4x enake kovinske kroglice Rastlinsko olje
3x 100 mL čaše Motorno olje
3x 10 mL merilni valj Kovinska kroglica Štoparica
6. Zaščita in varnost pri delu
Pri delu je obvezna uporaba halje, zaščitnih očal in zaščitnih rokavic.
7. Potek dela po stopnjah 1. MERJENJE GOSTOTE:
1. Merilne valje označimo s številkami od 1 do 4.
2. Stehtamo merilne valje in zapišemo mase v tabelo 1.
3. V 100 mL merilne valje, ki smo jih označili od 1 do 4 vlijemo snovi, kot jih prikazuje Tabela 1.
4. Vsak merilni valj s posamezno snovjo od 1 do 4 stehtamo in zapišemo mase. Od dobljenih mas odštejemo prej stehtano maso merilnega valja in maso posamezne snovi zapišemo v Tabelo 1.
5. Opažanja zapišemo v tabelo 2.
35 2. RAZPOREDITEV SNOVI V ČAŠI:
1. Vzamemo tri čaše, jih označimo od 1 do 3 in v njih natočimo vodo do oznake 50 mL.
2. 10 mL merilne valje označimo od 1 do 3 in vlijemo v prvega med, v drugega rastlinsko olje in v tretjega motorno olje do oznake 10mL.
3. Vsebino 10 mL merilnih valjev zlijemo v čaše s pripadajočo številko.
4. Opažanja zapišemo v Tabelo 2.
3. MERJENJE ČASA PADANJA KROGLICE:
1. Vzamemo štoparico in kroglico. Kroglico držimo nad oznako 100 mL v merilnem valju.
2. Kroglico izpustimo in v istem trenutku na štoparici pritisnemo gumb start.
3. Ko se kroglica dotakne dna, pritisnemo gumb stop in odčitamo čas.
4. Čas padanja vpišemo v Tabelo 1.
5. Opažanja vpišemo v Tabelo 2.
8. Rezultati Tabela 1.
Št.
merilnega valja
Kemikalija v merilnem valju
Masa merilnega valja (g)
Masa merilnega valja in snovi (g)
Masa snovi (g)
Gostota snovi (g/mL)
Čas padanja kroglice (s)
1 Voda 50 150 100 0,9982 1
2 Med 50 195 145 1,450 10
3 Rastlinsko olje 50 142 92 0,920 3
4 Motorno olje 50 135 85 0,854 6
Izračuni:
mkemikalije = mm.v.+kemikalije – mm.v.
ρ=m/V
36 Tabela 2: Opažanja in sklepi
Opažanja Sklepi
Tehtanje snovi:
• Masa različnih kemikalij z isto prostornino se razlikuje. Med ima najvišjo maso glede na prostornino, sledi mu voda, rastlinsko olje, motorno olje pa ima najmanjšo.
Merjenje viskoznosti:
• Motorno olje in rastlinsko olje plavata na vodi, med pa potone.
Opazovanje – sklepanje glede gostote posameznih snovi:
• Kroglica pada najpočasneje v medu, nato v motornem olju, nato v
rastlinskem olju, najhitreje pa v vodi.
• Snovi imajo različno gostoto.
Med ima največjo, sledi mu voda, rastlinsko olje in motorno olje.
• Motorno olje in rastlinsko olje imata manjšo gostoto od vode, med pa ima večjo.
• Med ima največjo viskoznost, sledi mu motorno olje, nato rastlinsko olje, voda pa ima najmanjšo viskoznost.
Tabela 3: Gostote in viskoznosti uporabljenih kemikalij
Gostota pri 20 °C (g/mL) Viskoznost pri 20 °C (mPa s)
Voda (vodovodna) 0.9982 1.0016
Med (mešani cvetlični) 1.38 - 1.45 1760
Rastlinsko olje (sončnično) 0,9200 - 0,9250 68
Motorno olje (SAE 10W-60) 0.8504 381.08
9. Zaključki
Kaj smo se pri eksperimentu naučili?
POVZETEK 1: Viskoznost in gostota sta neodvisni količini. Snovi z večjo gostoto nimajo nujno tudi večje viskoznosti in snovi z manjšo gostoto prav tako nimajo nujno majhne viskoznosti.
37
POVZETEK 2: Z viskoznostjo opisujemo lastnost pretakanja oziroma gibanja tekočine ter vpliv tekočine na hitrost gibanja objekta, ki je v njej.
Gostota je masa določene prostornine snovi. Količini sta neodvisni.
POVZETEK 3: Med ima največjo gostoto, sledi mu voda, rastlinsko olje in motorno olje. Najvišjo viskoznost opazimo pri medu, sledita mu motorno olje, rastlinsko olje in voda. Sklepamo lahko da sta gostota in viskoznost neodvisni.
10. Vprašanja in naloge
1. Kaj ste opazili pri pretakanju medu in kaj pri pretakanju vode? Kaj je vzrok za to?
Odgovor: Opazili smo da se voda pretaka veliko lažje kot med. Vzrok za to je da je viskoznost vode manjša kot viskoznost medu.
2. Kaj bi se zgodilo, če bi v isto čašo vlili motorno in rastlinsko olje, če bi sklepali da se ne mešata med seboj ?
Odgovor: Motorno olje bi bilo na vrhu, rastlinsko olje pa na dnu čaše.
3. Kako bi določili gostoto kovinske kroglice, če imamo na voljo tehtnico in merilni valj z vodo?
Odgovor: Kroglico bi potopili v merilni valj z vodo. Gladina vode bi se povišala in mi bi zabeležili razliko med prostornino pred in potem ko smo potopili kroglico. Ta razlika je prostornina kroglice. Nato bi kroglico stehtali in izračunali gostoto po enačbi.
4. Kakšna je povezava med viskoznostjo snovi in hitrostjo padanja kroglice v njej?
Odgovor: V tekočinah z večjo viskoznosti je hitrost padanja manjša kot v tekočinah, ki so manj viskozne.
38 11. Vrednotenje dela učenca:
1. Ocena eksperimentalne spretnosti: 3T 2. Učenčeva skrb za varnost: 3T
3. Ocena dobljenih rezultatov učenca (opažanja in sklepi): 6T 4. Ocena učenčevih odgovorov na vprašanja: 4T
Največje število točk: 16 T Število doseženih točk:
Odstotek:
Podpis učitelja:
Kriterij ocenjevanja glede na število doseženih točk:
15 – 16T = odlično (5) 13 – 14T = prav dobro (4) 11 – 12T = dobro (3) 9 – 10T = zadostno (2) 8 T in manj = nezadostno (1)
39
6 ZAKLJUČEK
Osrednji del mojega diplomskega dela je bil eksperimentalni del, ki smo ga izvedli v laboratoriju Katedre za fizikalno kemijo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani. Cilj eksperimentalnega dela je bil zbrati podatke o gostoti in viskoznosti binarnih mešanic etanola in metanola v različnih množinskih razmerjih. Pri eksperimentalnem delu smo sodelovali študent Hrvoje Malkoč, prof. dr. Marija Bešter Rogač ter tehnik Mirzet Čuskić.
Laboratorijski del je trajal približno tri tedne. Dobljene rezultate meritev smo sproti vpisovali v Excel preglednice in med potekom meritev pazili da gre vse po načrtu.
Eksperimentalnemu delu je sledilo pisanje teoretičnega dela in vstavljanje tabel in grafov z rezultati eksperimentalnega dela v celoto. Teorijo sem predvsem črpal iz gradiv, ki smo jih uporabljali pri predmetu Fizikalna kemija v času študija, uporabljal sem pa tudi druge vire v slovenskem in angleškem jeziku. V veliko pomoč so mi bili tudi spletni viri.
Naš cilj je bil pridobiti podatke o gostoti in viskoznosti binarnih mešanic etanola in metanola v različnih množinskih razmerjih v temperaturnem območju med 5 in 55 °C, ki jih ni bilo moč najti v literaturi. Tega smo tudi dosegli, saj smo v eksperimentalnem delu zbrali vse potrebne podatke o viskoznosti in gostoti.
V tabele smo vključili tudi podatke o gostoti in viskoznosti čistega etanola in metanola iz članka, pri temperaturah pri katerih nismo merili. Podatki iz članka imajo pričakovane vrednosti glede na naše meritve, zato lahko še dodatno potrdimo da so naše meritve ustrezne. Tudi podatki iz literature za gostoto in viskoznost čistega etanola in metanola pri 25 °C ne odstopajo preveč od naših meritev.
Prvo hipotezo, ki pravi da gostota binarnih mešanic etanola in metanola pada s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperaturo smo delno potrdili, saj gostota ni nujno padala s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu. Po pregledu literature smo ugotovili, da so za obraten trend v gostoti binarnih mešanic etanola in metanola pri različnih množinskih razmerjih in istih temperaturah najverjetneje odgovorne interakcije med molekulami etanola in metanola ter nastanek vodikovih vezi.
Drugo hipotezo, ki pravi da viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola narašča s povečevanjem množinskega deleža etanola v metanolu in pada z naraščajočo temperaturo smo z našimi meritvami in rezultati lahko v celoti potrdili. Pričakovali smo, da bodo mešanice z
40
večjim množinskim deležem etanola, ki je bolj viskozen kot metanol, imele večjo viskoznost.
Ker je viskoznost etanola veliko večja kot etanola, lahko zaključimo da vpliv šibkih medmolekulskih vezi ne more biti dovolj velik, da bi se lahko poznal pri izmerjeni viskoznosti.
Rezultati diplomskega dela so lahko uporabni za nadaljnje raziskovanje, saj so gostote bile pridobljene z natančnim in zanesljivim instrumentom. Z večjim številom ponovitev pri merjenju viskoznosti smo zagotovili čim večjo zanesljivost meritve. Pri pripravi mešanic smo bili posebej pozorni, da smo zatehtali mase alkoholov kar se da blizu teoretičnim, ki smo jih prej računsko določili. Ker rezultati za gostoto in viskoznost binarnih mešanic etanola in metanola v izbranih množinskih koncentracijah in pri vseh izbranih temperaturah niso zabeležene v literaturi, menim da je moja raziskava koristna za raziskave na področju raziskav binarnih oziroma dvokomponentnih mešanic.
Delovni list za učence in za učitelja je najprimernejši za uporabo pri pouku naravoslovja v 6.
razredu. Vsebuje navodila za eksperimentalno delo in je v oporo učitelju pri razlagi pojmov gostote in viskoznosti ter učitelju olajša vodenje eksperimentalnega dela, učence pa vodi do pravilnih zaključkov. Pri izdelavi delovnega lista so mi prav prišli viri, ki sem jih uporabil pri lastnem eksperimentalnem delu, učni načrti za osnovno šolo in učbenik za naravoslovje in tehniko v 5. razredu osnovne šole [26].
Učenci eksperiment izvedejo skupinsko in sodelujejo pri reševanju delovnega lista. Učitelj nadzira delo učencev in jih vodi do pravilnih zaključkov. Učenci po koncu reševanja delovnega lista razumejo kaj je gostota in znajo na primeru uporabljenih snovi povedati katera je bolj in katera manj gosta. Pomembno je, da razumejo, da sta gostota in viskoznost ločena pojma in da goste snovi niso nujno viskozne. V vprašanjih preizkusimo ali so razumeli bistvo eksperimenta in tudi preizkusimo kakšen je njihov način razmišljanja in logičnega sklepanja. Če učenci razumejo kaj sta viskoznost in gostota, potem ne bodo imeli večjih težav pri pouku kemije in fizike, ko pojma zopet uporabljamo za opis lastnosti snovi.
Delovni list je lahko uporaben kot didaktično sredstvo pri poučevanju naravoslovja v 6. razredu osnovne šole. Delovnega lista nismo uporabili v praksi, tako da ne moremo z gotovostjo povedati, kako bi se obnesel v razredu. Verjamem, da bi bil delovni list v veliko pomoč učitelju pri razlagi tako gostote kot tudi bolj abstraktne viskoznosti, katero si je nekoliko težje predstavljati. Po uporabi delovnega lista na šoli bi lahko na podlagi povratne informacije učencev in učitelja kakšen del delovnega lista spremenili, vendar za to nismo imeli časa.
