Opis wykonywanych doświadczeń

Opis doświadczeń
Temat: "Co trze w cieczy - poznajemy lepkość"
Termin: 17 grudnia 2014, godz. 16.30 - 18.30
Wykładowca: dr Adam Buczkowski
Pokaz po wykładzie i opis doświadczeń wykonali: Barbara Otrębska i Konrad Rudnicki
1. Porównanie czasu i sposobu płynięcia cieczy o zróżnicowanej lepkości.
Sprzęt i odczynniki: woda, miód, 2 szalki Petriego, 2 zlewki.
Opis doświadczenia:
W jednej zlewce umieszczono miód w drugiej taką samą ilość wody. Następnie w tym samym czasie
przelewano miód i wodę ze zlewek na osobne szalki z odległości około 10 cm, porównując sposób i czas
ich przepływu.
Obserwacje:
Woda płynęła szybciej rozlewając się na szalce, zaś miód wolniej tworząc na szalce „górkę”.
Wnioski:
Miód płynął wolniej niż woda, czyli miał mniejszy przepływ. Zjawisko to związane jest z lepkością, im
mniejszy przepływ tym większa lepkość. Miód ma większą lepkość niż woda, ponieważ składa się głównie
z cukrów prostych (pochodne alkoholi poliwodorotlenowych), które w swojej budowie zawierają kilka grup
hydroksylowych. W związku z obecnością wielu grup hydroksylowych cukry silnie oddziaływają ze sobą
tworząc wiązania wodorowe.
2. Prezentacja sposobu działania lepkościomierza Ubbelohde’a.
Sprzęt i odczynniki: wiskozymetr Ubbelohde’a, zabarwiona woda.
Opis doświadczenia:
Aby zmierzyć czas przepływu cieczy w wiskozymetrze wypełniono go zabarwioną wodą tak aby poziom
cieczy w zbiorniku B mieścił się między zaznaczonymi kreskami. Następnie zatkano palcem rurkę (2)
i gruszką gumową podłączoną do rurki (3) zassano ciecz powyżej poziomu a1 . Odłączono gruszkę i odkryto
rurkę (2). Po odjęciu palca z rurki (2) ciecz oderwała się na poziomie b co zapewniło jednakową wysokość
słupa cieczy h w każdym pomiarze. Zatem, rurka (2) połączona ze zbiornikiem C, powoduje utrzymanie
stałego ciśnienia hydrostatycznego cieczy w wiskozymetrze. Mierzono czas przepływu objętości cieczy
zawartej pomiędzy poziomami a1 i a2.
Budowa wiskozymetru:
Wiskozymetr Ubbelohde’a (rys.) jest zbudowany z trzech rurek połączonych ze sobą w zbiorniku C.
Szeroka rurka (1) kończy się na dole zbiorniczkiem B, na którym zaznaczone są dwie kreski określające
poziom, do jakiego należy wlać ciecz do wiskozymetru. Rurka (3) ma wtopioną kapilarę, nad którą znajduje
się zbiorniczek A z zaznaczonymi poziomami a1 i a2.
3. Porównanie szybkości opadania metalowych kulek o tej samej średnicy i masie
w szklanych cylindrach wypełnionych innymi cieczami.
Sprzęt i odczynniki: 6 cylindrów, 6 metalowych kulek, woda, miód, bagietka szklana, roztwór
glicerolu, roztwór izopropanolu, roztwór glikolu propylenowego.
Część I
Porównanie szybkości opadania metalowych kulek o tej samej średnicy i masie w 3 szklanych
cylindrach wypełnionych kolejno roztworami: 1) izopropanolu, 2) glikolu propylenowego,
3) glicerolu.
Opis doświadczenia:
Do 3 szklanych cylindrów o jednakowej pojemności wypełnionych roztworami trzech w/w alkoholi
wrzucamy jednocześnie 3 takie same, metalowe kulki i porównujemy ich czas opadania na dno
cylindrów.
Obserwacje:
Najszybciej na dno opadła kulka zanurzona w roztworze izopropanolu, wolniej w roztworze glikolu
propylenowego, a najwolniej w roztworze glicerolu.
Wnioski:
Każdy z alkoholi użytych w doświadczeniu posiada grupy hydroksylowe, które odpowiadają
za istnienie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami alkoholi. Izopropanol należy do alkoholi
monohydroksylowych, z tego powodu siły wiązań wodorowych w jego roztworze są stosunkowo
słabe, a jego lepkość nieduża. Glikol propylenowy i glicerol to alkohole polihydroksylowe, każda
cząsteczka glikolu posiada dwie grupy hydroksylowe, zaś każda cząsteczka glicerolu trzy takie
grupy. Ze względu na ilość grup wodorotlenowych oddziaływania wodorowe w roztworze glikolu
są silniejsze niż w roztworze izopropanolu a słabsze niż w roztworze gliceryny, tak samo jest
z lepkością. Najsilniejszymi oddziaływaniami wodorowymi i największą lepkością cechuje się
roztwór glicerolu. Kolejność opadania metalowych kulek w roztworach w/w alkoholi tłumaczy ich
różnica lepkości spowodowana siłą wiązań wodorowych.
Część II
Porównanie szybkości opadania metalowych kulek o tej samej średnicy i masie w 3 szklanych
cylindrach wypełnionych kolejno roztworami: 1) wody, 2) miodu, 3) wody z miodem (1:1).
Opis doświadczenia:
Do 3 szklanych cylindrów o jednakowej pojemności wypełnionych w/w roztworami wrzucamy
jednocześnie 3 takie same, metalowe kulki i porównujemy ich czas opadania na dno cylindrów.
Obserwacje:
Najszybciej na dno opadła kulka zanurzona w roztworze wodzie, wolniej w roztworze wody
z miodem (1:1), a najwolniej w miodzie.
Wnioski:
Szybkość opadania kulek jest związana z lepkością oraz obecnością wiązań wodorowych
w roztworach. W wodzie oddziaływania wodorowe są stosunkowo słabe, a jej lepkość nieduża.
W czystym miodzie, który jest mieszaniną cukrów oddziaływania wodorowe są bardzo duże i taka
sama jest jego lepkość. W mieszaninie wody z miodem (1:1) lepkość roztworu i siła oddziaływań
wodorowych jest mniejsza niż w czystym miodzie, a większa niż w wodzie.
4. Zachowanie cieczy nieniutonowskiej na przykładzie roztworu wody ze skrobią
Sprzęt i odczynniki:
plastikowa miska, łyżka, szklana bagietka, woda, skrobia
Opis doświadczenia:
Do wykonania tego "inteligentnego" płynu trzeba stworzyć w misce odpowiednia konsystencję wody
i mąki ziemniaczanej (skrobi). Cechą charakterystyczną tego płynu jest to, że twardnieje pod
wpływem nacisku. Wydaje się, że im większą siłę na niego wywieramy tym większy opór stawia
ciecz. Jest ona zarówno płynem jak i ciałem stałym.
Obserwacje:
Płyn nienewtonowski zachowuje się jak ciało stałe, gdy dostarczamy mu energii. Najlepszym
sposobem na sprawdzenie tego jest uderzenie czymś w ciecz. Można np. złożoną pięścią lub
młotkiem (nic się nie stanie). Czym mocniej uderzymy, tym płyn się robi twardszy, zachowuje się
jak ciało stałe. Jeżeli zaś powoli postaramy się zanurzyć jakiś przedmiot w badanej cieczy, zrobimy
to bez problemu, wtedy płyn nieniutonowski zachowuje się jak ciecz.
Wnioski:
W przeciwieństwie do płynu niutonowskiego, lepkość płynów nieniutonowskich nie jest wartością
stałą w warunkach izobarycznych, lecz jej wartość zmienia się w czasie. Krzywa płynięcia takiego
płynu nie jest funkcją liniową. Na zachowanie cieczy nieniutonowskiej wpływ mają również
wiązania wodorowe, które w roztworze skrobi są bardzo silne, ponieważ skrobia jest
polisacharydem.