“溫度和濃度對乙醇溶液粘度影響”實驗設計

陳書鴻 張麗瑩 唐 洋 林束凌 李廷真

（重慶三峽學院環境與化學工程學院，重慶萬州 404100）

“溫度和濃度對乙醇溶液粘度影響”實驗設計

陳書鴻 張麗瑩 唐 洋 林束凌 李廷真

（重慶三峽學院環境與化學工程學院，重慶萬州 404100）

文章設計了一個物理化學綜合實驗——溫度和濃度對乙醇溶液粘度的影響．首先準確配制不同質量分數的乙醇溶液樣品，然后使用奧氏粘度計測量了無水乙醇和乙醇溶液在17～40 ℃范圍內的粘度；之后利用各樣品在不同溫度下的粘度，使用Origin作出粘度、溫度、濃度關系三維圖，通過分析發現：(1)在實驗條件下溫度升高，粘度非線性地減小，(2)隨著濃度增大，粘度先變大然后變小．本實驗綜合了多種測量技術及溫控技術和計算機處理數據方法，既能強化學生實驗操作技術，又能培養學生發現、分析、解決問題能力．

綜合實驗；粘度；乙醇；溫度；濃度

1 前 言

“物理化學實驗”是一門獨立的基礎實驗課程，具有很強的理論性與實踐性，在培養學生實驗能力方面起著重要的作用[1-2]．較多學者認為實驗能力的培養應分為三個階段或層次：首先是掌握基礎知識、基本技能和基本方法；其次是具有將“三基”融會貫通、綜合運用的能力；第三是從實驗過渡到研究[3–5]．因而提倡實驗課程應減少驗證性實驗，增加綜合設計性實驗；綜合設計實驗的開設，有利于培養學生綜合應用能力和發現、分析、解決問題的能力，這種教學方式已在各高校廣泛采用[6–8]．

目前物理化學實驗中開設了“粘度法測定聚合物相對分子量實驗”，屬于基礎類型實驗，而且外推法求得的相對分子量誤差較大，實驗效果不理想[9–11]．粘度在化工設計和過程優化中是不可缺少的基礎物性和熱力學數據之一．溫度對粘度、密度均有較大影響，是化工設計和生產過程中的重要參數[12]．為了加強學生基本實驗技術和綜合實驗能力及創新思維的培養，充分發揮現有實驗設備的作用，本文設計了“溫度和濃度對乙醇溶液粘度影響的研究”綜合實驗，目的是測量出不同密度的乙醇溶液在不同溫度下的粘度，使用Origin軟件作出粘度與溫度和濃度的三維關系圖，分析溫度和濃度對粘度的影響．在這個實驗中綜合了質量稱量、體積量取、密度測量、粘度測量等實驗技術，采用計算機處理實驗數據，能夠很好地訓練學生的實驗能力．

2 實驗部分

2.1 實驗原理

液體粘度的測定方法主要有三種：一是毛細管法，二是落球法，三是轉筒法[13]151-157，本實驗采用毛細管法，詳細的實驗原理可參見教材[13]151-157．以純水作為標準液體，量取相同體積純水和乙醇用同一支粘度計進行實驗，采用以下公式計算乙醇溶液粘度：

其中，η1和ρ1分別為純水在某溫度下的粘度和密度，t1為流過粘度計毛細管的時間；η2和ρ2分別為乙醇溶液在某溫度下的粘度和密度，t2為流過毛細管的時間．η1、ρ1、ρ2可以查閱數據手冊獲得，ρ2也可用比重瓶或液體比重天平測定．在實驗中測定了t1和t2后，即可計算出η2．

2.2 實驗儀器和試劑

儀器：奧氏粘度計，玻璃恒溫水浴（SPY-Ⅱ，南京桑力電子設備廠），電子天平（規格120 g/0.1 mg，梅特勒-托利多儀器有限公司），電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9070A，上海齊欣科學儀器有限公司），純水機（UPT-I-20T，成都優普科學儀器有限公司），電子秒表（上海手表廠），液體比重天平（PZ-B-5，上海精科天美），刻度吸管．

試劑：無水乙醇（分析純，重慶川東化工廠）．

2.3 實驗步驟

2.3.1 乙醇水溶液的配制

配制質量分數為90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的乙醇溶液，下面以配制約100 mL 50%溶液為例說明之．

（1）取一只潔凈干燥的磨口帶塞三角瓶（100 mL），用萬分之一天平稱量準確質量m1．

（2）量取50 mL無水乙醇放入其中，稱量記為m2，則無水乙醇質量為m2－m1．

鑒于2013年4月在會寧縣舉行的“會師杯”第28屆甘肅省創新教具大賽以來，會寧縣普通高中在創新教具開發方面力度不大。現對全縣5所普通高中進行調研，發現全縣5所高級中學在對學生的創新教育方面系統性不強，還未形成有特色的創新教育校本課程。

（3）計算出50%溶液需水的質量m3，以ρ水= 1折算體積V，量取V mL純水加入．

（4）準確稱量記為m4(如果m4－m2＜m3，用潔凈滴管滴加純水，盡量使m4－m2＝ m3)，則乙醇溶液的質量分數濃度w按下式計算：

（5）同理配制其他濃度的乙醇水溶液．可根據實際情況酌情選擇樣品進行實驗．

2.3.2 純水t1的測量

（1）玻璃恒溫水浴注滿水，設定初始溫度T1，再插入一只水銀溫度計測量T1，最好以水銀溫度計測量值為準．在粘度計毛細管一端套上一段乳膠管，將其固定在鐵架臺上，放入玻璃恒溫水浴中，用鉛垂調節其豎直．

（2）準確量取5.00 mL純水置入粘度計中．

（3）至少恒溫5 min后，開始測量t1．平行測定若干次，要求極差小于0.2 s，取均值，并記錄T1．

（4）設定玻璃恒溫水浴溫度T2= T1△ +T（△T = 2或5），待溫度升至T2，然后同第（3）步．

（5）根據需要，直到Tn= 40 ℃；然后取下粘度計用無水乙醇淌洗，放入干燥箱烘干；將恒溫水浴重新注滿自來水．

2.3.3 無水乙醇t2的測量

（1）同2.3.1第(1)步，注意此階段的溫度嚴格按照上階段的設定值進行設定．

（2）準確量取5.00 mL無水乙醇置入粘度計中．

（3）恒溫5 min后，開始測量t2．平行測定若干次，要求極差小于0.2 s，取均值，并記錄T1．

（4）設定玻璃恒溫水浴溫度T2，待溫度升至T2，然后同第（3）步．

（5）一直測到Tn；然后取下粘度計用無水乙醇淌洗，放入干燥箱烘干；將恒溫水浴重新注滿自來水．

（6）同理進行乙醇水溶液粘度測量．

2.3.4 密度數據

（1）純水的各溫度下的密度粘度數據可以方便查得[14]3-12．無水乙醇的密度可以從手冊[14]3-12查得在0，20，40，60℃時密度數據，然后利用插值函數法求得實驗溫度下的密度．

（2）使用液體比重天平測量室溫下乙醇溶液的密度，可以從手冊[15]559-565中查得15，20，25，30，35，40 ℃時的密度，然后可利用插值函數法求得實驗溫度下的密度．

3 實驗結果與討論

3.1 溫度對無水乙醇粘度的影響

根據公式（1）以及純水的密度、粘度及流過時間和無水乙醇的密度、流過時間，計算出無水乙醇粘度列于表1，將乙醇粘度與溫度數據作圖并擬合出函數關系式，見圖1．

表1 毛細管法測量的無水乙醇粘度

21.0 998.020.981 0 119.71 788.491 183.23 1.186 3 23.0 997.570.935 9 116.61 786.777 177.74 1.125 1 25.0 997.080.893 7 109.59 785.060 171.50 1.101 2 28.0 996.270.836 0 102.92 782.475 161.88 1.032 7 30.0 995.680.800 7 98.49 780.746 156.26 0.996 1 32.0 995.060.767 9 93.86 779.012 151.20 0.968 4 34.0 994.400.737 1 90.26 777.275 146.53 0.935 3 36.0 993.710.708 5 86.83 775.533 140.90 0.897 3 38.0 993.000.681 4 83.59 773.786 136.41 0.866 5 40.0 992.250.656 0 80.36 772.035 132.43 0.841 1

圖1 無水乙醇粘度與溫度的關系

從表1和圖1可以看出，無水乙醇的粘度隨著溫度的升高而降低，呈非線性趨勢．通過Origin擬合數據，得到無水乙醇粘度與溫度的函數為：y=1.82231-0.03663x+3.04114×10-4x2，相關系數R = 0.99795．從擬合的結果來看，此二次方程能較好地符合變化趨勢．

3.2 溫度對乙醇溶液粘度的影響

測量不同濃度乙醇溶液的粘度列于表2，從表2可以看出乙醇溶液粘度隨溫度升高而降低，溫度對粘度的影響較大；同時還可以看出，乙醇溶液粘度隨濃度的增大而先變大然后變小．

表2 乙醇水溶液的粘度

將表2數據轉換為矩陣并作出粘度與濃度和溫度的三維關系曲面圖，見圖2，曲面圖類似馬鞍形狀．從圖2可以清楚地看出溫度和濃度對粘度的影響，粘度隨溫度降低而增大，隨濃度的變化呈現拋物線趨勢．還可以看出，在20℃以下，約38%的乙醇溶液具有最大粘度；在40℃時，約45%的乙醇溶液具有最大粘度．

4 結 語

通過實驗，測量了不同溫度下乙醇和乙醇溶液的粘度，采用Origin作出了粘度與溫度和濃度的三維關系圖，分析得到了乙醇及乙醇溶液粘度隨溫度變化的趨勢關系和粘度隨濃度的變化趨勢．通過本綜合實驗的開展，加強了學生基本實驗技能的訓練，培養了學生的綜合應用能力和創新思維．本實驗的優勢主要體現在兩個方面，一是，利用實驗室現有設備，易于實現；二是，實驗拓展性強，本實驗題目還可以拓展為：（1）溫度和濃度對乙酸溶液粘度的影響；（2）溫度和濃度對乙二醇溶液粘度的影響；（3）溫度和濃度對氯化鉀溶液粘度的影響．

圖2 乙醇溶液粘度與濃度和溫度的三維關系圖

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（責任編輯：張新玲）

A Comprehensive Experimental Design of Influencing of Temperature and Concentration on the Viscosity of Ethanol Solution

CHEN Shuhong ZHANG Liying TANG Yang LIN Shuling LI Tingzhen
(School of Environment and Chemistry Engineering, Chongqing Three Gorges University, Wanzhou, Chongqing 404100)

A comprehensive experiment of physical chemistry was designed to investigate the influence of temperature and concentration on the viscosity of ethanol solution. In the experiment, various mass fractions of ethanol solution have been accurately prepared at first. The viscosity of anhydrous alcohol and ethanol solution have been measured at various temperatures in the range of 17～40 ℃ by Ostwald's viscometer. Based on the measured data, a three-dimension graph of viscosity-temperature-concentration has obtained. The results indicate that the viscosity decreases nonlinearly with the temperature increasing, and the viscosity increases firstly and then decreases with increasing concentration. Multiple measurement techniques, temperature control technique and processing data with a computer have been adopted in the experiment. This exploratory research will help the students to develop their experimental skill and abilities in discovering, analyzing and solving problems.

comprehensive experiment; viscosity; ethanol; temperature; concentration

O64

A

1009-8135（2015）03-0087-04

2015-02-12

陳書鴻（1975-），男，四川丹棱人，重慶三峽學院高級實驗師，主要研究物理化學實驗教學等．

重慶市高等教育教學改革研究項目(133014)、重慶三峽學院教改項目(JG120665)階段性成果