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粘度法測(cè)定液體的流動(dòng)活化能
閱讀：14397發(fā)布時(shí)間：2009-5-21
一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
1．了解恒溫槽的原理、構(gòu)造和各部件的功用，學(xué)會(huì)調(diào)節(jié)恒溫槽；
2．了解液體粘度的意義及測(cè)定粘度的原理和方法。用烏氏粘度計(jì)測(cè)定無水乙醇在不同溫度下的粘度，求算無水乙醇的流動(dòng)活化能。
二．實(shí)驗(yàn)原理
1．測(cè)溫技術(shù)
溫度是物質(zhì)的重要狀態(tài)性質(zhì)，物質(zhì)的許多物理化學(xué)性質(zhì)如液體的飽和蒸氣壓、電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率和化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)等等，都與溫度有關(guān)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)多半是在恒溫條件下進(jìn)行的。掌握恒溫技術(shù)，學(xué)會(huì)使用恒溫槽，對(duì)于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)有非常重要的意義。
實(shí)驗(yàn)室普遍使用的恒溫槽是一種常用的控溫裝置。恒溫槽由浴槽、溫度控制器、繼電器、加熱器、攪拌器和溫度計(jì)組成。圖一是控溫原理和裝置示意圖。控溫的基本原理是：當(dāng)浴槽的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，溫度控制器通過繼電器的作用使加熱器加熱；浴槽溫度達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，自動(dòng)停止加熱。因此浴槽溫度在一微小區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。被研究的體系放在恒溫槽中或在恒溫水的包圍接觸中就被限制在所需的溫度上下的微小區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。
2．液體粘度的測(cè)定
任何液體都有粘滯性，其量值可用粘滯系數(shù)（簡(jiǎn)稱粘度）η表示。η與組成該液體的分子的大小、形狀、分子間作用力等有關(guān)。測(cè)定粘度的方法主要有3種：
（1）用毛細(xì)管粘度計(jì)測(cè)定液體經(jīng)毛細(xì)管的流出時(shí)間；
（2）用落球式粘度計(jì)測(cè)定圓球在液體中的下落速率；
（3）用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定液體對(duì)同心軸圓柱體相向轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。
本實(shí)驗(yàn)用毛細(xì)管流出法測(cè)定粘度。毛細(xì)管粘度計(jì)有多種型式，如烏式粘度計(jì)、奧式粘度計(jì)等。本實(shí)驗(yàn)使用烏式粘度計(jì)。
在某溫度下，令液體在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)，可根據(jù)泊素葉公式計(jì)算粘度：
式中，V是t時(shí)間內(nèi)流過毛細(xì)管的液體體積，r是毛細(xì)管半徑，p是毛細(xì)管兩端的壓力差，l是毛細(xì)管長(zhǎng)度。
粘度的制單位為Pa·s，它與厘米克秒制單位泊的關(guān)系為1P=0.1Pa·s。
測(cè)粘度時(shí)一般不用直接測(cè)量上式中的各物理量，而是用同一粘度計(jì)在相同條件下分別測(cè)定待測(cè)液體和標(biāo)準(zhǔn)液體（本實(shí)驗(yàn)為純水）流經(jīng)毛細(xì)管的時(shí)間，用泊素葉公式作比較，算出待測(cè)液體的粘度。對(duì)于兩種液體
兩式相除得：
式中，η為粘度，t為流動(dòng)時(shí)間，p為毛細(xì)管兩端得壓力差。
對(duì)于烏式粘度計(jì)p=ρgh，式中ρ為液體密度，g為重力加速度，h為液面與毛細(xì)管末端的距離。在t時(shí)間內(nèi)液面是逐漸下降的，因此h應(yīng)為在t時(shí)間內(nèi)液面與毛細(xì)管末端的“平均”距離（此處“平均”，確切地說是微積分所述之“中值”），對(duì)于不同的液體h大體相同。則上式變成：
某溫度下標(biāo)準(zhǔn)液體的η和ρ是已知的（例如純水35℃時(shí)η1＝0.074Pa·s，ρ1=994.1kg/m3），測(cè)得t1和t2并查得待測(cè)液體的密度ρ2，就可算出
溫度變化使分子間作用力發(fā)生改變，粘度也有變化，粘度與溫度的關(guān)系為：
或
式中，稱為液體的流動(dòng)活化能，以對(duì)作圖，得一直線，斜率，所以
＝RS
三．儀器與試劑
玻璃缸（容積10L）（1個(gè)）；導(dǎo)電表1個(gè)；加熱器（250W電熱絲封在銅管內(nèi)）1套；SY708型晶體管繼電器（或6301電子管繼電器）1臺(tái)；精密測(cè)溫系統(tǒng)1套；烏式粘度計(jì)1支；吸耳球1個(gè)；秒表1塊；DDS-11C型電導(dǎo)率儀1臺(tái)；DJS-1型電導(dǎo)電極1支；三角燒杯1個(gè)；無水乙醇（二級(jí)）；標(biāo)準(zhǔn)KCl水溶液（0.01mol/L）。
四．實(shí)驗(yàn)步驟
1．調(diào)節(jié)恒溫槽溫度至（25±0.1）℃，此處“±0.1”指明恒溫25℃時(shí)的靈敏度。
2．測(cè)定25℃時(shí)無水乙醇流經(jīng)烏式粘度計(jì)毛細(xì)管的時(shí)間。
取烏式粘度計(jì)1支（圖二），在B、C管上端套上乳膠管，從A管注入無水乙醇至D球下方，使乙醇接近支管C的下口（但不堵死下口）。浸入恒溫槽中豎直固定，恒溫5～7min后進(jìn)行測(cè)定。用夾子夾緊C管上的乳膠管，用吸耳球從B管之乳膠管吸氣，將乙醇從D球、毛細(xì)管、E球抽至G球。夾緊B管之乳膠管，解去C管夾子，此時(shí)D球內(nèi)部分乙醇流回F球，D球經(jīng)C管與大氣相通，毛細(xì)管末端即通大氣。解去B管夾子，B管內(nèi)乙醇下落，當(dāng)液面流經(jīng)刻度a時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，當(dāng)液面降到刻度b時(shí)計(jì)時(shí)終止，這段時(shí)間就是ab間體積V的乙醇流經(jīng)毛細(xì)管的時(shí)間t2。重復(fù)操作2～3次，每次相差不超過5s，取平均值。
3．升高溫度2～3℃，同步驟（2），測(cè)定該溫度下乙醇流經(jīng)毛細(xì)管的時(shí)間，要求zui后一個(gè)溫度為35℃。
4．將粘度計(jì)中的乙醇倒入回收瓶中，滴干，然后在烘箱中烘干。在同一粘度計(jì)中裝入純水，放入35±0.1℃恒溫槽中，同前法測(cè)定流經(jīng)毛細(xì)管的時(shí)間t1。
操作注意事項(xiàng)：
（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)粘度計(jì)必須鉛直放置；
（2）用吸耳球吸取液體時(shí)，液體中不得混入氣泡，否則應(yīng)待氣泡排盡才能實(shí)驗(yàn)；
（3）操作時(shí)如果要接觸B管或C管應(yīng)特別小心。因B管或C管有較長(zhǎng)之力臂，用力雖小但形成的力矩較大，易在管間接口處折斷。
五．?dāng)?shù)據(jù)處理
1．列出數(shù)據(jù)處理表，計(jì)算無水乙醇的粘度：
| 溫度 | | | | |
| t2 | | | | |
| t1 | | | | |
| η2 | | | | |
2．計(jì)算無水乙醇的流動(dòng)活化能
作圖，求直線斜率，計(jì)算無水乙醇的流動(dòng)活化能，與文獻(xiàn)值比較求相對(duì)誤差。
六．思考題
1.恒溫槽由哪些部件組成？它們各起什么作用？
2.烏氏粘度計(jì)在使用時(shí)為何必須烘干？是否可用兩支粘度計(jì)分別測(cè)得待測(cè)液體和參比液體得流經(jīng)時(shí)間？
參考文獻(xiàn)：
［1］J.M. Wilson et al., Experiments in Physical Chemistry （1962）.
［2］傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)編，《物理化學(xué)》，上冊(cè)，第四版，高等教育出版社（1990）。
［3］F. Daniels, R. Albert, J. W. Williams, C. D. Cornwell, P. Bender, J. E. Harriman, Experimental Physical Chemistry, 7th ed., McGraw-Hill Inc., New York（1975）.
［4］傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)編，《物理化學(xué)》，第四版，高等教育出版社（1990）。
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