金希澈和韩庚视频:物理化学实验——黏度法测定水溶性高聚物相对分子质量

主页 —>实验内容 —>基础化学实验III(物理化学部分)
黏度法测定水溶性高聚物相对分子质量
实验目的
1．掌握用乌氏粘度计测定液体粘度的原理和方法
2．测定聚乙二醇-6000的平均相对分子质量
实验原理
粘度是指液体对流动所表现的阻力，这种阻力反抗液体中相邻部分的相对移动，可看作由液体内部分子间的内摩擦而产生。
相距为 ds 的两液层以不同速率（v 和 dv）移动时，产生的流速梯度为 dv / ds。建立平稳流动时，维持一定流速所需要的力  f ’与液层接触面积 A 以及流速梯度 dv / ds 成正比：
f ’= η • A • dv / ds
单位面积液体的粘滞阻力用 f 表示，f =f ’/ A，则：
f = η • dv / ds
此式称为牛顿粘度定律表示式，比例常数 η 称为粘度系数，简称粘度，单位为 Pa•s。
如果液体是高聚物的稀溶液，则溶液的粘度反映了溶剂分子之间的内摩擦力、高聚物分子之间的内摩擦力、以及高聚物分子和溶剂分子之间的内摩擦力三部分。三者之和表现为溶液总的粘度 η 。其中溶剂分子之间的内摩擦力所表现的粘度如用 η 0表示的话，则由于溶液的粘度一般说来要比纯溶剂的粘度高，我们把两者之差的相对值称为增比粘度，记作 η sp ：
η sp = ( η -  η 0 ) / η 0
溶液粘度与纯溶剂粘度之比称为相对粘度 η r ：
η r = η  / η 0
增比粘度表示了扣除溶剂内摩擦效应后的粘度，而相对粘度则表示整个溶液的行为。它们之间的关系为：
η sp =  η / η 0 - 1 = η r  - 1
高分子溶液的增比粘度一般随浓度的增加而增加。为了便于比较，将单位浓度下所显示出的增比粘度称为比浓粘度 η sp /c。而将 ln  η r /c 称为比浓对数粘度。增比浓度与相对粘度均为无因次量。
为消除高聚物分子之间的内摩擦效应，将溶液无限稀释，这时溶液所呈现的粘度行为基本上反映了高聚物分子与溶剂分子之间的内摩擦，这时的粘度称为特性粘度 [η]：

特性粘度与浓度无关，实验证明，在聚合物、溶剂、温度三者确定后，特性粘度的数值只与高聚物平均相对分子质量有关，它们之间的半经验关系式为：

式中的 K 为比例系数，α 是与分子形状有关的经验常数。这两个参数都与温度、聚合物和溶剂性质有关，在一定范围内与相对分子质量无关。
增比粘度与特性粘度之间的经验关系为：
η sp /c = [η] + K1•[η]2 • c
而比浓对数粘度与特性粘度之间的关系也有类似的表述：
ln  η r /c = [η] + β •[η]2 • c
因此将增比粘度与溶液浓度之间的关系及比浓对数粘度与浓度之间的关系描绘与坐标系中时，两个关系均为直线，而且截距均为特性粘度。

求出特性粘度后，就可以用前述半经验关系式求出高聚物的平均相对分子质量。
粘度测定的方法有用毛细管粘度计测量液体在毛细管中的流出时间、落球粘度计测定圆球在液体中的下落速率、旋转粘度计测定液体与同心轴圆柱体相对转动阻力等三种。本实验采用第一种方法。
高分子溶液在毛细管粘度计中因重力作用而流出时，遵守泊肃叶定律：

式中，ρ：液体密度；l：毛细管长度；r：毛细管半径；t：流出时间；h：流经毛细管液体的平均液柱高度；g：重力加速度；V：流经毛细管液体的体积；m：与仪器几何形状有关的参数，当 r / l  << 1 时，取 m = 1。
此式可改写为：
η / ρ = αt - β /t
当 β 小于1，t 大于 100s 时，第二项可忽略。对稀溶液，密度与溶剂密度近似相等，可以分别测定溶液和溶剂的流出时间，求算相对粘度 ηr ：
ηr = η / η 0 = t  / t 0
根据测定值可以进一步计算增比粘度（ηr - 1），比浓粘度（η sp /c），比浓对数粘度（ln  η r /c）。对一系列不同浓度的溶液进行测定，在坐标系里绘出比浓粘度和比浓对数粘度与浓度之间的关系，外推到 c = 0 的点，此处的截距即为特性粘度。在 K、α 已知时，可求得平均相对分子质量。
对于聚乙二醇，在 25℃ 时，K = 1.56*10-2  （Kg-1•dm3），α = 0.5。
仪器，试剂
乌氏粘度计，超级恒温槽，恒温瓶，天平，容量瓶，移液管，洗耳球，砂芯漏斗，秒表，聚乙二醇等
图：实验仪器装置
实验步骤
1．配制溶液
称取 1.2克 聚乙二醇于 50ml 烧杯中，加 30ml 蒸馏水，溶解后定容至 50ml 容量瓶中。用三号砂芯漏斗过滤至干燥的恒温瓶中。另取蒸馏水 50ml，过滤到另一恒温瓶中。将两恒温瓶接通恒温水浴，开启恒温水浴恒温于25℃。
（录像：在天平上称量聚乙二醇，加水溶解，定容，装配恒温装置，将溶液过滤至恒温瓶，过滤蒸馏水）
2．测定溶液的流出时间
将预先干燥好的粘度计置于恒温水浴中，用移液管移取 10ml 溶液至粘度计中，尽量不要让溶液粘在管壁上，在恒温过程中，用溶液润洗毛细管，再测定小球中溶液在毛细管中流出的时间。平行测定三次，求平均值。
（录像：装配粘度计，移取恒温溶液于粘度计，润洗毛细管，测定流出时间，记录数据）
分别小心加入2.0，3.0，5.0，10.0ml蒸馏水，用吹气的方法混均，并用该溶液润洗毛细管后，同样测定流出时间。每个浓度平行测定三次，取平均值。
（录像：移取蒸馏水于粘度计，混合，润洗毛细管，测定流出时间，记录数据）
称量值
时间1 时间2 时间3
原始溶液
加2mL水
加3mL水
加5mL水
加10mL水
蒸馏水
3．测定溶剂的流出时间
将粘度计取出，倒去溶液，用已经恒温的蒸馏水洗涤粘度计，每次 2-3ml，洗五到六次。注意要将粘度计的各个支管都洗干净。置于恒温槽后加 10ml 蒸馏水，测定流出时间。
（录像：移入蒸馏水，稀释，润洗，测定，记录）
4．结束整理
将用过的粘度计洗净后用无水乙醇淋洗后倒置于裴氏夹上，使其自然晾干，或置于烘箱中烘干，备下组同学实验用。拆除恒温装置，清洗其他玻璃仪器。
（录像：洗涤、整理仪器）
5．数据处理
根据称量值求原始液浓度，根据稀释方法求各溶液浓度，求时间平均值，由t  / t 0求相对粘度，再求比浓粘度和比浓对数粘度，作图，求延长线交纵座标得特性粘度，由特性粘度求平均相对分子质量。
（录像：数据处理，绘图，实验报告）
时间1 时间2 时间3 平均时间 浓度 相对粘度 比浓粘度 比浓对数粘度
原始溶液
加2mL水
加3mL水
加5mL水
加10mL水
蒸馏水
注意：溶液浓度单位为 Kg•dm-3，即 g•mL-1。