FIZIKALNO KEMIJSKE LASTNOSTI VODNIH RAZTOPIN DECILTRIMETILAMONIJEVEGA DEKANOATA

PEDAGOŠKA FAKULTETA

INES HORVAT

FIZIKALNO KEMIJSKE LASTNOSTI VODNIH RAZTOPIN DECILTRIMETILAMONIJEVEGA DEKANOATA

DIPLOMSKO DELO

LJUBLJANA, 2017

PEDAGOŠKA FAKULTETA

DVOPREDMETNI UČITELJ BIOLOGIJA-KEMIJA

INES HORVAT

Mentorica:

FIZIKALNO KEMIJSKE LASTNOSTI VODNIH RAZTOPIN DECILTRIMETILAMONIJEVEGA DEKANOATA

DIPLOMSKO DELO

LJUBLJANA, 2017

Zahvaljujem se mentorici prof. dr. Mariji Bešter Rogač za pomoč in vodenje pri pisanju diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi doktorskemu študentu Žigi Medošu in tehniku Mirzetu Čuskiću za pomoč in nasvete v laboratoriju.

Zahvala gre tudi družini in fantu Damjanu, ki so me na moji študijski poti spodbujali, motivirali in mi pomagali.

I KAZALO VSEBINE

1 UVOD ... 1

1.1 Raztopine ... 1

1.2 Površinsko aktivne snovi oz. surfaktanti ... 2

1.2.1 Adsorpcija površinsko aktivnih snovi na faznih mejah ... 2

1.2.2 Agregacija/lastna asociacija površinsko aktivnih snovi v raztopinah – micelizacija ... 3

1.3 Deciltrimetilamonijev dekanoat ... 4

3 Eksperimentalni del ... 6

3.1 Snovi ... 6

3.2 Aparature in pripomočki ... 6

3.3 Priprava vodnih raztopin deciltrimetilamonijevega dekanoata ... 7

3.4 Gostota ... 10

3.4.1 Piknometer in areometer ... 10

3.4.2 Gostotomer na nihajočo cevko ... 11

3.4.3 Gostotomer Anton Paar ... 12

3.4.4 Merjenje gostote ... 13

3.5 Viskoznost tekočin ... 14

3.5.1 Viskozimeter ... 16

3.5.2 Umerjanje viskozimetra ... 18

3.5.3 Merjenje viskoznosti ... 19

4 Rezultati meritev ... 20

4.1 Rezultati meritev gostot ... 20

4.2 Rezultati meritev viskoznosti ... 24

5 Zaključek ... 30

6 Viri in literatura ... 32

II KAZALO SLIK

Slika 1: Shematski prikaz molekule površinsko aktivne snovi [5] ... 2

Slika 2: Shematski prikaz micele v vodi [5] ... 3

Slika 3: Struktura deciltrimetilamonijevega dekanoata (C₁₀TMAC₁₀) ... 4

Slika 4: Piknometer in areometer [8] [9] ... 10

Slika 5: Gostotomer na nihajočo cevko [10] ... 11

Slika 6: Gostotomer Anton Paar ... 12

Slika 7: Prikaz definicije viskoznosti [3] ... 15

Slika 8: Ostwaldov viskozimeter, Cannon-Fenskejev viskozimeter in Ubbelohdejev viskozimeter [3] ... 16

Slika 9: Termostatska kad, termostatska enota Lauda ECO SILVER in vpet viskozimeter .... 17

Slika 10: Program WinVisco, kjer sledimo meritvam ... 17

III KAZALO TABEL

Tabela 1: Želene koncentracije (𝑚) in teoretične mase (𝑚1) ... 8 Tabela 2: Zatehtane mase izhodne raztopine (𝑚1), končne mase pripravljenih raztopin (𝑚2) in koncentracije pripravljenih raztopin (𝑚) ... 9 Tabela 3: Gostote (ρ), vodnih raztopin C10TMAC₁₀ pri različnih koncentracijah (𝑚), in temperaturah (T) ... 20 Tabela 4: Vrednosti izmerjenih pretočnih časov (t), vodnih raztopin C10TMAC10 različnih koncentracij (𝑚), pri temperaturah (T) ... 24 Tabela 5: Kinematična viskoznost (𝑣), vodnih raztopin C10TMAC10 različnih koncentracij (𝑚), pri temperaturah (T) ... 25 Tabela 6: Dinamična viskoznost (), vodnih raztopin C10TMAC₁₀ različnih koncentracij (𝑚), pri temperaturah (T) ... 26

IV KAZALO GRAFOV

Graf 1: Gostota (ρ) (g/cm³), vodnih raztopin C₁₀TMAC₁₀, pri različnih koncentracijah (𝑚) (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) ... 21 Graf 2: Gostota (ρ) (g/cm³), vodnih raztopin C10TMAC10, pri različnih temperaturah (T) (°C):

, 5; , 15; , 25; , 35; , 45; , 55 v odvisnosti od koncentracije (𝑚) (mmol/kg razt.) 22 Graf 3: Gostota (ρ) (g/cm³), vodnih raztopin C10TMAC10, pri temperaturi 25 °C v odvisnosti od koncentracije (𝑚) (mmol/kg razt.) ... 23 Graf 4: Dinamična viskoznost () (mPas), vodnih raztopin C10TMAC10, pri različnih

koncentracijah (𝑚) (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) 27 Graf 5: Dinamična viskoznost () (mPas), vodnih raztopin C10TMAC10, pri različnih

temperaturah (T) (°C): , 5; , 15; , 25; , 35; , 45; , 55 v odvisnosti od koncentracije (𝑚) (mmol/kg razt.) ... 28 Graf 6: Dinamična viskoznost () (mPas), vodnih raztopin C10TMAC10,pri temperaturi 25 °C v odvisnosti od koncentracije (𝑚) (mmol/kg razt.) ... 29

V POVZETEK

V diplomskem delu, so predstavljeni rezultati meritev viskoznosti in gostote različnih koncentracij vodnih raztopin površinsko aktivne snovi deciltrimetilamonijevega dekanoata (C10TMAC10), v temperaturnem območju med 5 in 55 °C. Rezultati so prikazani v obliki tabel in grafov.

Ključne besede: viskoznost, gostota, deciltrimetilamonijev dekanoat, površinsko aktivna snov, raztopine.

VI ABSTRACT

In the diploma, the results of measurements of viscosity and density of various concentrations of aqueous solutions of surfactant decyltrimethylammonium decanoate (C₁₀TMAC₁₀) in the temperature range between 5 and 55 °C are presented. The results are displayed in tables and graphs.

Key words: viscosity, density, decyltrimethylammonium decanoate, surfactant, solution.

1

1 UVOD 1.1 Raztopine

Raztopine so homogene zmesi dveh ali več različnih snovi [1].

Tista snov, ki predstavlja v raztopini večji delež, je topilo in tista, ki predstavlja manjši delež, je topljenec [2].

Poznamo različne vrste raztopin. Če imamo tekoče topilo, lahko v njem raztopimo plinasti, tekoči ali trdni topljenec. Razlike v lastnostih se pojavijo zaradi različne narave topljenca in topila ter njune koncentracije, ki jo lahko izražamo na različne načine. Najpogosteje se ukvarjamo s tekočimi raztopinami, kjer je topilo v tekočem agregatnem stanju, topljenec pa je lahko v plinastem, tekočem ali trdnem agregatnem stanju. Tekoči topljenci v tekočem topilu lahko tvorijo raztopino v vseh koncentracijskih območjih, medtem ko je pri plinih in trdnih snoveh raztapljanje mogoče le do neke mere oz. do t. i. nasičenja. Lahko pa se pojavi tudi pri tekočinah, da tvorijo raztopino samo v določenem koncentracijskem območju ali pa se sploh ne mešajo, temu pravimo, da se vzpostavi fazna meja. Mešanje dveh tekočin je namreč odvisno od medmolekulskih sil, ki delujejo v čisti snovi in v mešanicah [3].

Najpogostejše topilo je voda in takim raztopinam pravimo vodne raztopine. Lahko pa so topila tudi druge snovi: alkoholi, triklorometan, acetonitril ... Raztopine, kjer topilo ni voda, so nevodne raztopine [2].

2

1.2 Površinsko aktivne snovi oz. surfaktanti

Površinsko aktivne snovi z okrajšavo PAS so tiste snovi, ki imajo velik vpliv na površinske medfazne napetosti. PAS so molekule, sestavljene iz dveh delov – iz nepolarnega in polarnega. Takšne snovi so zaradi svoje zgradbe lahko topne tako v nepolarnih kot polarnih topilih [4].

polarna glava nepolarni rep (hidrofilni del molekule) (hidrofobni del molekule) Slika 1: Shematski prikaz molekule površinsko aktivne snovi [5]

Če imamo sistem z dvema topiloma (nepolarno in polarno) in se topili med seboj ne mešata ter je eno od njih voda, je polarna glava topna v vodi, nepolaren rep pa ne. Polarna glava je hidrofilna, nepolarni rep pa hidrofoben. Posledica polarne glave in nepolarnega repa sta dva pojava, ki omogočata nepolarnemu delu molekule, da se izogne polarnemu okolju, kar je vzrok adsorpciji molekul na faznih mejah in njihova agregacija/asociacija v raztopinah [4].

1.2.1 Adsorpcija površinsko aktivnih snovi na faznih mejah

Znižanje površinske proste energije (definirano kot delo, potrebno za povečanje površine), je gonilna sila za adsorpcijo PAS na medfazni meji. Surfaktanti pa se adsorbirajo na vseh faznih mejah in le-te stabilizirajo. Vsak surfaktant lahko zniža površinsko napetost le do neke meje.

Ta meja je dosežena kadar postane fazna meja nasičena s PAS in pričnejo v raztopini nastajati micele [4].

3

1.2.2 Agregacija/lastna asociacija površinsko aktivnih snovi v raztopinah – micelizacija

Nastajanje micel ali micelizacija je pojav, ki omogoča nepolarnemu delu molekule PAS, da se izogne polarnemu okolju. Nepolarne C-H verige se umaknejo v notranjost agregata, polarne glave pa so obrnjene k prosti vodi. To imenujemo lastna asociacija PAS. V vodi pride do nastanka micel že v zelo razredčenih raztopinah PAS. Kritična micelna koncentracija je tista koncentracija, pri kateri začnejo nastajati micele. Micela je agregat, ki se dobro topi v vodi in ima zanemarljivo površinsko aktivnost [4], shematsko je prikazana na sliki 2.

Slika 2: Shematski prikaz micele v vodi [5]

4

1.3 Deciltrimetilamonijev dekanoat

Deciltrimetilamonijev dekanoat (Slika 3) je površinsko aktivna snov, kjer sta tako kation kot anion sestavljena iz polarnega in nepolarnega dela.

Ta spojina komercialno ni dostopna in je bila sintetizirana na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani v okviru doktorskega študija.

Slika 3:Struktura deciltrimetilamonijevega dekanoata (C10TMAC10)

Za lastnosti vodnih raztopin C₁₀TMAC₁₀ v literaturi ni nobenih podatkov, zato jih je potrebno pridobiti. V okviru diplomskega dela smo preučevali viskoznost in gostoto vodnih raztopin C10TMAC10 pri različnih koncentracijah (nižjih in višjih od cmc) v temperaturnem območju med 5 in 55 °C. Iz izmerjenih vrednosti smo sklepali na interakcije (topilo – topljenec, topljenec – topljenec) v raztopinah.

5

2 NAMEN IN CILJI DELA

Namen diplomskega dela je bil raziskati fizikalno kemijske lastnosti vodnih raztopin površinsko aktivne snovi deciltrimetilamonijevega dekanoata (C10TMAC10), ker teh podatkov še ni v literaturi.

Proučevali smo viskoznost in gostoto vodnih raztopin C10TMAC10 pri različnih koncentracijah (nižjih in višjih od kritične micelne koncentracije cmc) v temperaturnem območju med 5 in 55

°C.

Cilji diplomskega dela, ki smo jih želeli doseči:

 Pridobiti podatke o viskoznosti in gostoti vodnih raztopin C₁₀TMAC₁₀ v temperaturnem območju med 5 in 55 °C.

 Ugotoviti, zakaj se viskoznost snovi C₁₀TMAC₁₀ različno odraža pri različnih koncentracijah pri istih temperaturah.

 Ugotoviti, zakaj je gostota snovi C₁₀TMAC₁₀ pri različnih koncentracijah in istih temperaturah enaka.

Hipotezi, ki smo si ju zastavili:

 Viskoznost vodnih raztopin narašča s koncentracijo C10TMAC₁₀ in se znižuje z naraščanjem temperature (5−55 °C).

 Gostota vodnih raztopin C10TMAC10 narašča s koncentracijo ter pada z naraščajočo temperaturo (5−55 °C).

Raziskovalna metoda uporabljena v diplomskem delu je kvantitativna raziskava-eksperiment, s tem smo pridobili numerične podatke. Eksperimentalni del je bil izveden v laboratoriju Katedre za fizikalno kemijo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani.

Podatke, ki smo jih pridobili pri eksperimentalnem delu, smo zbrali, uredili, kvantitativno obdelali in prikazali v obliki grafov. Pri zbiranju podatkov smo poleg eksperimenta uporabili tudi literaturo v slovenskem in angleškem jeziku (knjige, učbeniki).

6

3 EKSPERIMENTALNI DEL 3.1 Snovi

 Deciltrimetilamonijev dekanoat:

Molekulska formula: C10TMAC10

Sinteza spojine na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani Molska masa: 371,63 g/mol

 3-krat destilirana voda:

Molekulska formula: H2O

Destilator Destamat Bil 8E Heraeus, laboratorij katedre za fizikalno kemijo Molska masa: 18,01528 g/mol

 Etanol:

Molekulska formula: C₂H₆O ECP d. o. o.

Molska masa: 46,07 g/mol

3.2 Aparature in pripomočki

 Gostotomer DMA 5000 Anton Paar;

 mikro Ostwald viskozimeter SI Analytics, tip 51710;

 termostatska kad + enota Lauda ECO SILVER s hladilnim sistemom Lauda DLK 10;

 stojalo z optičnim senzorjem, z merilno enoto ViscoSystem^® AVS 370;

 računalniški program WinVisco;

 spatula, kapalke, čaše, merilne bučke;

 deset 150 mL stekleničk;

 avtomatska pipeta: 100 μL (Biohit);

 analitska tehtnica.

7

3.3 Priprava vodnih raztopin deciltrimetilamonijevega dekanoata

Vodne raztopine deciltrimetilamonijevega dekanoata C₁₀TMAC₁₀ smo pripravljali z razredčevanjem izhodne raztopine. Uporabili smo analitsko tehtnico, ki nam je omogočila rezultat zatehtan na štiri decimalna mesta natančno.

Masni delež čistega C10TMAC10 z molsko maso 371,63 g/mol v vzorcu je bil 0,97, ostalo je voda (0,03), kar smo določili s Karl-Fischerjevo titracijo.

Želeli smo pripraviti približno 50 gramov izhodne raztopine s koncentracijo približno 0,03 mol/kg raztopine. Potrebno maso C10TMAC10 smo izračunali po enačbi (1):

𝑚_{𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎1} = ^{𝑚̃ ∗𝑚𝑟𝑎𝑧𝑡.}_𝑤 ^{∗𝑀𝑠𝑝𝑜𝑗𝑖𝑛𝑒}

𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎 , (1)

kjer je 𝑚̃ koncentracija (mol/kg razt.), 𝑚_{𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎1} je masa vzorca (g), 𝑤_{𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎} pomeni masni delež vzorca v izhodni raztopini, 𝑀_{𝑠𝑝𝑜𝑗𝑖𝑛𝑒} je molska masa spojine (g/mol) in 𝑚_{𝑟𝑎𝑧𝑡.} je masa raztopine (g).

Iz enačbe (1) sledi, da moramo zatehtati 0,5743 gramov vzorca. Na tehtnici smo zatehtali:

𝑚_{𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎2} = 0,5805 g 𝑚_{𝑟𝑎𝑧𝑡.} = 49,9666 g

Nato smo izračunali točno koncentracijo (mol/kg razt.) izhodne raztopine po enačbi (2):

𝑚̃ = ^𝑚_𝑀^{𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎2∗ 𝑤𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎}

𝑠𝑝𝑜𝑗𝑖𝑛𝑒∗ 𝑚_{𝑟𝑎𝑧𝑡.} , (2)

kjer je 𝑚̃ koncentracija (mol/kg razt.), 𝑚_{𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎2} je masa vzorca, ki smo ga zatehtali (g), 𝑤_{𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎} pomeni masni delež vzorca v izhodni raztopini, 𝑀_{𝑠𝑝𝑜𝑗𝑖𝑛𝑒} je molska masa spojine (g/mol) in 𝑚_{𝑟𝑎𝑧𝑡.} je masa raztopine (g).

8

Koncentracija izhodne raztopine, ki smo jo izračunali v enačbi (2), znaša točno 0,030323 mol/kg. Iz izhodne raztopine smo pripravili še osem raztopin različnih koncentracij.

Teoretične mase, ki jih moramo zatehtati, smo izračunali po enačbi:

𝑚₁ = ^𝑚_𝑚²_̃^∗𝑚̃

1 , (3)

kjer je 𝑚₁ teoretična masa vzorca v raztopini (g), 𝑚₂ je želena masa končne raztopine (g), 𝑚̃₁ je približna koncentracija izhodne raztopine (mol/kg razt.) in 𝑚̃ je želena koncentracija končne raztopine (mol/kg razt.).

V tabeli (1) so zbrane želene koncentracije končne raztopine in teoretične mase vzorca v raztopini.

Tabela 1: Želene koncentracije (𝑚̃) in teoretične mase (𝑚₁) 𝒎̃ [mol/kg razt. ] 𝒎_𝟏 [g]

0,001 0,833

0,002 1,667

0,003 2

0,004 2,667

0,005 4,1667

0,01 5

0,015 5

0,02 6,667

9

Medtem ko smo pripravljali raztopine, smo si zapisovali mase in nato smo izračunali še točne koncentracije vseh osmih pripravljenih raztopin po sledeči enačbi (4):

𝑚̃ = ^𝑚1_𝑚^∗𝑚̃1

2 , (4)

kjer je 𝑚₁ zatehtana masa vzorca v raztopini (g), 𝑚₂ je končna masa pripravljene raztopine (g), 𝑚̃₁ je približna koncentracija izhodne raztopine (mol/kg razt.) in 𝑚̃ je točna koncentracija pripravljenih raztopin (mol/kg razt.).

V tabeli (2) so prikazane zatehtane mase izhodne raztopine, končne mase pripravljenih raztopin in točne koncentracije pripravljenih raztopin.

Tabela 2: Zatehtane mase izhodne raztopine (𝑚₁), končne mase pripravljenih raztopin (𝑚₂) in koncentracije pripravljenih raztopin (𝑚̃)

𝒎_𝟏 [g] 𝒎_𝟐 [g] 𝒎̃ [mol/kg razt.]

0,8411 24,8819 0,0010141

1,6606 24,9749 0,0019947

2,0062 20,0169 0,0030068

2,6846 20,0157 0,0040237

4,1732 25,013 0,0050052

5,0054 15,0099 0,0100042

5,001 9,9925 0,0150143

6,6788 9,9938 0,0200488

10

3.4 Gostota

Gostoto snovi označujemo z grško črko ρ (ro), pove pa nam maso izbrane prostornine snovi.

Gostota je razmerje med maso in prostornino telesa. Osnovna enota gostote je _𝑐𝑚^𝑔₃ ali _𝑚^𝑘𝑔₃ [6].

ρ = ^𝑚_𝑉 (5)

Snovi imajo različne gostote, plini imajo najmanjše, in sicer do 1000-krat manjše od kapljevin. Gostote kapljevin pa so navadno nekajkrat manjše kot gostote trdnih snovi, izjema je le živo srebro. Gostote najdemo v raznih priročnikih in jih tako lahko uporabimo za različne izračune [6].

Priprava, s katero lahko merimo gostoto manjših količin kapljevin, je piknometer, za določanje večjih količin kapljevin pa uporabljamo potopni areometer [7].

3.4.1 Piknometer in areometer

Piknometer in areometer sta bili napravi za merjenje gostote, ki pa se uporabljata vse manj, saj delo z njima vzame veliko časa in večje količine vzorcev.

Slika 4: Piknometer in areometer [8] [9]

11 3.4.2 Gostotomer na nihajočo cevko

Gostotomer na nihajočo cevko se v zadnjem obdobju pogosto uporablja zaradi hitrega merjenja in majhnega volumna vzorca. Deluje tako, da stekleno cevko v obliki črke U, ki je na odprtih koncih vpeta, napolnimo z vzorcem ter jo nato s pomočjo piezoelektričnega elementa spravimo v nihanje in tako izmerimo nihajni čas lastnega nihanja cevke [10].

Slika 5:Gostotomer na nihajočo cevko [10]

12 3.4.3 Gostotomer Anton Paar

Merjenje gostote raztopinam deciltrimetilamonijevega dekanoata smo izvajali na gostotomeru Anton Paar DMA 5000. Ta gostotomer je eden izmed modernejših instrumentov za merjenje gostote. Gostotomer ima vgrajen tudi Pt 100 termometer za kontrolo delavne temperature v gostotomeru oziroma v cevki.

Slika 6:Gostotomer Anton Paar

Tehnični podatki gostotomera Anton Paar DMA 5000:

Natančnost meritve gostote ± 0,00005 g/cm³

Natančnost nastavitve temperature ±0,001 °C

Ponovljivost meritve gostote ± 0,00001 g/cm³

Ponovljivost meritve temperature ± 0,001 °C

Količina porabljenega vzorca približno 1 ml

Merilni čas okoli 60 s

Temperaturno območje 0−90 °C

13 3.4.4 Merjenje gostote

Pred začetkom merjenja gostote pripravljenih vodnih raztopin smo cevko večkrat sprali s trikrat destilirano vodo, nato pa še nekajkrat z etanolom. Cevko smo nato posušili tako, da smo na gostotomeru − Anton Paar pritisnili tipko PUMP. Po sušenju smo najprej izmerili gostoto vode pri 25 °C in se s tem prepričali o pravilnem delovanju naprave. Cevko smo nato ponovno sprali in posušili, nato pa smo začeli meriti gostote posameznih raztopin različnih koncentracij pri različnih temperaturah.

Gostoto smo merili pri šestih različnih temperaturah (5 °C, 15 °C, 25 °C, 35 °C, 45 °C, 55 °C) in devetih različnih koncentracijah (1,0141 mol/kg razt., 1,9947 mol/kg razt., 3,0068 mol/kg razt., 4,0237 mol/kg razt., 5,0052 mol/kg razt., 10,004 mol/kg razt., 15,014 mol/kg razt., 20,049 mol/kg razt., 30,323 mol/kg razt.) vodnih raztopin deciltrimetilamonijevega dekanoata (C10TMAC10). Merjenje gostote smo pri posamezni koncentraciji začeli pri najnižji temperaturi 5 °C in nadaljevali do temperature 55 °C. Temperaturo, pri kateri smo želeli meriti, smo nastavili na gostotomeru v njegovem programu. Za vsak vzorec posebej smo izmerili gostote pri vseh različnih temperaturah.

14

3.5 Viskoznost tekočin

Viskoznost je merilo za medsebojno zaviranje gibajočih se plasti tekočine oz. plinov, od katerega je odvisna njihova sposobnost pretakanja [10].

Če si predstavljamo tekočino, ki je med dvema vodoravnima ploščama z medsebojno razdaljo y (Slika 7), spodnja plošča naj miruje, zgornjo, ki ima površino S, pa vlečemo v vodoravni smeri s stalno hitrostjo vx. Da se bo zgornja plošča premikala, potrebujemo silo F, ki ji pravimo viskozna ali strižna sila. Spodnja plošča je tista, ki miruje in prek vmesnih tekočinskih plasti zavira gibanje zgornje plošče. Plast ob spodnji plošči miruje, ob zgornji plošči pa se premika z enako stalno hitrostjo, kot sama plošča, vmesne plasti pa se premikajo s hitrostmi, ki so premo sorazmerne njihovi razdalji od spodnje plošče. Če izvajamo poskus, lahko ugotovimo, da je viskozna oz. strižna sila tem večja, čim večja je hitrost (vx) zgornje plošče nad spodnjo in čim večja je površina plošče (S) ter čim manjša je debelina tekočinskih plasti (y):

𝐹 = ƞ𝑆 ^𝑣_𝑦^𝑥 . (6)

Viskoznost tekočine je sorazmernostna konstanta ƞ [10].

Običajna enota za viskoznost je kg m^-1 s^-1,lahko pa jo zapišemo tudi z enotoPa s [11].

Zgoraj zapisano enačbo lahko zapišemo še drugače:

𝐹

𝑆 = ƞ ^𝑣_𝑦^𝑥 . (7)

Strižno napetost predstavlja kvocient F/S in strižno hitrost kvocient v_x/y. Iz enačbe lahko vidimo, da je strižna napetost premo sorazmerna strižni hitrosti. Če pa želimo bolj splošno enačbo, si moramo v tekočini med ploščama zamisliti dve plasti, ki sta vzporedni s ploščama, razdalja med njima pa naj bo dy, njuni hitrosti pa v_x in v_x + dv_x. Strižna hitrost bo potem v tem primeru dv_x/dy, enačbo pa zapišemo takole [10]:

𝐹

𝑆 = ƞ ^𝑑𝑣_𝑑𝑦^𝑥 . (8)

15

Tiste tekočine, za katere velja zgoraj omenjena sorazmernost in kjer je ƞ konstanta pri dani temperaturi velja, da so newtonske. V nasprotnem primeru je kapljevina nenewtonska [10].

Slika 7:Prikaz definicije viskoznosti [3]

Viskoznost tekočin je odvisna od temperature, zato v večini primerov velja zveza:

𝑙𝑜𝑔 ƞ = _𝑇 ^𝐴 + 𝐵 . (9)

V zvezi zgoraj predstavlja T absolutno temperaturo, A in B pa sta za tekočino značilni konstanti. Viskoznost tekočin z naraščanjem temperature tem bolj pojema, čim bolj je tekočina viskozna [10].

Metod za merjenje viskoznosti je veliko, vendar jih uporabljamo le nekaj zaradi njihove natančnosti in preprostosti. Če želimo uspešno meriti, je potrebno, da je gibanje tekočine laminarno in da se tokovnice ne mešajo ali prepletajo. Preproste zveze ne veljajo več, kadar se tekočinske plasti mešajo in je gibanje turbulentno [10].

Metode merjenja viskoznosti:

 določanje z rotacijskimi viskozimetri (merimo navor valja pri rotaciji v tekočini);

 pretok skozi kapilaro (merimo čas, ki je potreben, da se pretoči določen volumen tekočine);

 padanje kroglice v tekočini (merimo čas, kako hitro se kroglica vali ali pada v tekočini) [10].

Pretok skozi kapilaro je metoda merjenja viskoznosti, ki smo uporabili pri laboratorijskem delu.

16

Pri merjenju pretoka skozi kapilaro poznamo več različnih viskozimetrov: Ostwaldov viskozimeter (le-tega smo uporabljali pri laboratorijskem delu), Cannon-Fenskejev viskozimeter in Ubbelohdejev viskozimeter [10].

Slika 8:Ostwaldov viskozimeter, Cannon-Fenskejev viskozimeter in Ubbelohdejev viskozimeter [3]

3.5.1 Viskozimeter

Za merjenje viskoznosti vodnih raztopin površinsko aktivne molekule C10TMAC10 smo uporabljali mikro Ostwald viskozimeter SI Analytics, tip 51710.

Viskozimeter smo pred začetkom merjenja vpeli v termostatsko kad napolnjeno z etilen glikolom, ki je priključena na termostatsko enoto: Lauda ECO SILVER s hladilnim sistemom Lauda DLK 10. Stojalo, na katerega je vpeta kapilara, vsebuje optični senzor, ki nato preko merilne enote ViscoSystem ® AVS 370 meri pretočni čas. Signale nato prenese na računalnik in tam preko programa WinVisco lahko sledimo meritvam in nastavljamo temperaturo, ki jo potrebujemo za merjenje.

17

Slika 9:Termostatska kad, termostatska enota Lauda ECO SILVER in vpet viskozimeter

Slika 10:Program WinVisco, kjer sledimo meritvam

Program WinVisco je zasnovan tako, da v zgornji tabeli (Slika 10) izpisuje pretočne čase, spodaj pa puščica kaže smer, kamor potuje tekočina v viskozimetru. Rdeč kvadratek predstavlja optični senzor in kadar kvadratek izgine, to pomeni, da je tekočina prepotovala čez

18

njega. V oknu oz. programu, ki je še odprt na zaslonu, nastavljamo temperaturo termostatske kadi.

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 − _𝑡^𝐸₂ . (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:

𝐶 = ^𝑣

20°𝐶

𝐻20∗(𝑡 ^20°𝐶_𝐻20)²−𝑣 ^25°𝐶_𝐻20∗ (𝑡 ^25°𝐶_𝐻20)² (𝑡 ^20°𝐶

𝐻20)³−(𝑡 ^25°𝐶

𝐻20) ³ (11)

𝐶 = 0,01054539 𝑚𝑚² 𝑠²

Izračun konstante E:

𝐸 = (𝐶 ∗ 𝑡^20°𝐶_𝐻

20 − 𝑣 ^20°𝐶_𝐻

20) ∗ (𝑡 ^25°𝐶_𝐻

20)² (12)

𝐸 = −21, 55911008 𝑚𝑚² 𝑠

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.

Tabela 3: Gostote (ρ), vodnih raztopin C₁₀TMAC₁₀ pri različnih koncentracijah (𝑚̃), in temperaturah (T)

ρ (g/cm

)

T (°C)

𝑚̃ *10^-3 (mol/kg razt.)

5 15 25 35 45 55

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 0,984 0,986 0,988 0,99 0,992 0,994 0,996 0,998 1 1,002

0 10 20 30 40 50 60

ρ [g/cm3]

T [°C]

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.)

0,982 0,984 0,986 0,988 0,99 0,992 0,994 0,996 0,998 1 1,002

0 5 10 15 20 25 30 35

ρ [g/cm3]

[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)

T (°C)

𝑚̃*10^-3 (mol/kg razt.)

5 15 25 35 45 55

1,0141 142,674 106,444 83,522 67,916 56,626 47,998

1,9947 141,776 105,934 83,188 67,572 56,312 47,772

3,0068 141,994 106,022 82,86 67,368 56,25 47,594

4,0237 142,544 106,79 83,57 68,15 56,664 48,008

5,0052 142,98 107,572 84,582 68,706 57,196 48,408

10,004 148,262 110,606 86,494 69,656 57,718 48,53

15,014 146,674 110,186 86,14 69,486 57,564 48,414

20,049 145,752 109,052 85,5 68,992 57,24 48,364

30,323 143,922 107,602 84,42 68,428 56,87 48,062

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 (𝑚̃), pri temperaturah (T)

𝑣 (mm

/s)

T (°C)

m̃ *10^-3 (mol/kg razt.)

5 15 25 35 45 55

1,0141 1,504 1,122 0,881 0,716 0,597 0,506

1,9947 1,495 1,117 0,877 0,713 0,594 0,504

3,0068 1,497 1,118 0,874 0,710 0,593 0,502

4,0237 1,503 1,126 0,881 0,719 0,598 0,506

5,0052 1,508 1,134 0,892 0,725 0,603 0,510

10,004 1,563 1,166 0,912 0,735 0,609 0,512

15,014 1,547 1,162 0,908 0,733 0,607 0,511

20,049 1,537 1,150 0,902 0,728 0,604 0,510

30,323 1,518 1,135 0,890 0,722 0,600 0,507

Iz vrednosti kinematičnih viskoznosti (𝑣), smo z uporabo podatkov o gostoti raztopin (ρ), 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).

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

ƞ [mPas]

T [°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.