乙醇溶液的粘滞系数与浓度关系的实验研究

刘竹琴，李 伟

(延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000)

乙醇(ethanol)是一种有机化合物，俗称酒精，它在常温常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，能与水以任意比互溶，在能源化工、医疗卫生、食品工业及工农业生产中都有广泛的用途。

粘滞系数(coefficient of viscosity)又称为内摩擦系数或粘度，是描述液体内摩擦力性质的一个重要物理量。液体都有不同的粘滞系数，有的液体粘滞系数较大，如甘油、重油等，有的液体粘度系数相对较小，如水、乙醇、苯等。目前大多是研究乙醇的粘滞系数与温度的关系，对乙醇溶液的粘滞系数与浓度关系的研究却相对较少，然而这种研究具有重要意义。研究和测定不同浓度乙醇溶液的粘滞系数，不仅在化学工业研究方面，而且在医学生物技术以及其他领域均有重要的作用。

1 实验原理

当实际液体在半径为R的水平圆管中做层流运动时，其体积流量Q与管两端的压强差△P，管的半径R，长度L，以及液体的粘滞系数η有以下关系[1]：

(1)

在t时间内流经水平圆管内任一截面的体积为V=Qt，当液体在竖直放置的毛细管中其液面的高度差为H时，液体压强差为△P=ρgH，由此可得：

(2)

在实际测量中，毛细管的半径R、长度L和玻璃管的体积V都很难直接测量准确，两管中液面的高度差H又随时根据液体下落时间的改变而改变，而采用对比测量法可以较好解决这些问题。

对比测量法，就是把两种密度不同的液体(密度分别为ρ1、ρ2)，取相同的体积，分别测出这两种液体的液面从奥氏粘度计(如图1)a刻度线下落到b刻度线的时间，记为t1和t2，可以得出：

(3)

由于R、L、V都是定值，从测量开始到测量结束时两管中的液面的高度差H也相同，所以将两式相比可得：

(4)

所以当已知第一种液体的密度ρ1、粘滞系数η1、下落时间t1和第二种液体的密度ρ2、下落时间t2，便可以通过对比测量法求得待测液体的粘滞系数η2。

2 实验仪器与方法

2.1 实验仪器

实验用到的仪器是FD-LSM-A毛细管法液体粘滞系数测试实验仪，其核心是奥氏粘度计，如图1所示。它是带有两个球泡的U型管，使体积相等的两种不同液体分别流过U型管上端玻璃泡下的同一毛细管B，由于两种液体的粘滞系数不同，流完的时间就不同。即使同一种液体如果浓度不同其粘滞系数也会不同，流完的时间就会不同。

测定时，一般都是用蒸馏水作为标准液体。先将一定量的水注入底端的玻璃泡内，然后用洗耳球吸入上端的玻璃泡中，并使水面达到上端a刻度线以上。由于重力作用，水经毛细管流入底端的玻璃泡，当水面从上端a刻度线降到下端b刻度线时，记下其间经历的时间，然后在玻璃泡内换以相同体积的待测液体，用相同的方法测出相应的时间，通过对比测量法可求得待测液体的粘滞系数[2]。

2.2 实验方法

(1)配置浓度为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、90%、100%的乙醇溶液，每组100 mL待用；

(2)清洗并调节奥氏粘度计，使其保持竖直；

(3)将10 mL待测浓度的乙醇溶液注入奥氏粘度计底端的玻璃泡内洗涤仪器，用洗耳球将液体从大玻璃泡吸入小玻璃泡，并超过上端a刻度线，再将乙醇溶液挤回大玻璃泡中，重复以上步骤2～3次，将乙醇溶液倒入废液缸中；

(4)用量筒量取8 mL待测浓度溶液，注入奥氏粘度计大玻璃泡中，再用洗耳球将乙醇溶液吸入小玻璃泡内直至超过玻璃泡上端a刻度线，拔出洗耳球使乙醇溶液自由下降直至到达下端b刻度线，用秒表测量8 mL该溶液液面从a刻度线到b刻度线的下落时间t2，并重复测量3次；

(5)对配置好的17种不同浓度的乙醇溶液，分别重复步骤(3)和(4)；

(6)用量筒量取8 mL的蒸馏水，按照步骤(3)和(4)测量蒸馏水的下落时间，记为t1。

3 数据记录和处理

3.1 数据记录

表1 不同浓度乙醇溶液下落时间平均值计算结果表(室温22.0℃)

3.2 数据处理

利用静力称衡法[3]测量不同浓度乙醇溶液的密度ρ2，结果见表2。将表1数据和相应的密度代入公式(4)计算得出不同浓度乙醇溶液的粘滞系数η2，计算结果见表2。

表2 不同浓度乙醇溶液的密度ρ2与粘滞系数η2的计算结果表

(续表2)

根据表2用excel软件进行二次函数曲线拟合，拟合曲线如图2。

从而得出乙醇溶液粘滞系数与浓度关系的拟合方程为：

η=-0.0060C2+0.6506C+6.6796，

相关系数r2=0.9751，此属强相关，故所得拟合曲线可以较好地反应实验结果。

从图2的曲线中可以看出，乙醇溶液的粘滞系数先随乙醇溶液的浓度增大而增大，到达一定值后，将随着乙醇溶液的浓度增大而减小。这一结论与其它液体(如甘油的水溶液)液粘系数变化规律显然不同[4]。由于目前实践中对乙醇溶液的粘滞系数与浓度关系的相关研究较少，故本文对今后的相关研究具有参考价值，实验结果对不同浓度乙醇在储存运输、化学工业、医学生物科学以及其他领域应用中都具有一定的参考意义。