陈书鸿 张丽莹 唐 洋 林束凌 李廷真

（重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆万州 404100）

“温度和浓度对乙醇溶液粘度影响”实验设计

陈书鸿 张丽莹 唐 洋 林束凌 李廷真

（重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆万州 404100）

文章设计了一个物理化学综合实验——温度和浓度对乙醇溶液粘度的影响．首先准确配制不同质量分数的乙醇溶液样品，然后使用奥氏粘度计测量了无水乙醇和乙醇溶液在17～40 ℃范围内的粘度；之后利用各样品在不同温度下的粘度，使用Origin作出粘度、温度、浓度关系三维图，通过分析发现：(1)在实验条件下温度升高，粘度非线性地减小，(2)随着浓度增大，粘度先变大然后变小．本实验综合了多种测量技术及温控技术和计算机处理数据方法，既能强化学生实验操作技术，又能培养学生发现、分析、解决问题能力．

综合实验；粘度；乙醇；温度；浓度

1 前 言

“物理化学实验”是一门独立的基础实验课程，具有很强的理论性与实践性，在培养学生实验能力方面起着重要的作用[1-2]．较多学者认为实验能力的培养应分为三个阶段或层次：首先是掌握基础知识、基本技能和基本方法；其次是具有将“三基”融会贯通、综合运用的能力；第三是从实验过渡到研究[3–5]．因而提倡实验课程应减少验证性实验，增加综合设计性实验；综合设计实验的开设，有利于培养学生综合应用能力和发现、分析、解决问题的能力，这种教学方式已在各高校广泛采用[6–8]．

目前物理化学实验中开设了“粘度法测定聚合物相对分子量实验”，属于基础类型实验，而且外推法求得的相对分子量误差较大，实验效果不理想[9–11]．粘度在化工设计和过程优化中是不可缺少的基础物性和热力学数据之一．温度对粘度、密度均有较大影响，是化工设计和生产过程中的重要参数[12]．为了加强学生基本实验技术和综合实验能力及创新思维的培养，充分发挥现有实验设备的作用，本文设计了“温度和浓度对乙醇溶液粘度影响的研究”综合实验，目的是测量出不同密度的乙醇溶液在不同温度下的粘度，使用Origin软件作出粘度与温度和浓度的三维关系图，分析温度和浓度对粘度的影响．在这个实验中综合了质量称量、体积量取、密度测量、粘度测量等实验技术，采用计算机处理实验数据，能够很好地训练学生的实验能力．

2 实验部分

2.1 实验原理

液体粘度的测定方法主要有三种：一是毛细管法，二是落球法，三是转筒法[13]151-157，本实验采用毛细管法，详细的实验原理可参见教材[13]151-157．以纯水作为标准液体，量取相同体积纯水和乙醇用同一支粘度计进行实验，采用以下公式计算乙醇溶液粘度：

其中，η1和ρ1分别为纯水在某温度下的粘度和密度，t1为流过粘度计毛细管的时间；η2和ρ2分别为乙醇溶液在某温度下的粘度和密度，t2为流过毛细管的时间．η1、ρ1、ρ2可以查阅数据手册获得，ρ2也可用比重瓶或液体比重天平测定．在实验中测定了t1和t2后，即可计算出η2．

2.2 实验仪器和试剂

仪器：奥氏粘度计，玻璃恒温水浴（SPY-Ⅱ，南京桑力电子设备厂），电子天平（规格120 g/0.1 mg，梅特勒-托利多仪器有限公司），电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9070A，上海齐欣科学仪器有限公司），纯水机（UPT-I-20T，成都优普科学仪器有限公司），电子秒表（上海手表厂），液体比重天平（PZ-B-5，上海精科天美），刻度吸管．

试剂：无水乙醇（分析纯，重庆川东化工厂）．

2.3 实验步骤

2.3.1 乙醇水溶液的配制

配制质量分数为90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的乙醇溶液，下面以配制约100 mL 50%溶液为例说明之．

（1）取一只洁净干燥的磨口带塞三角瓶（100 mL），用万分之一天平称量准确质量m1．

（2）量取50 mL无水乙醇放入其中，称量记为m2，则无水乙醇质量为m2－m1．

鉴于2013年4月在会宁县举行的“会师杯”第28届甘肃省创新教具大赛以来，会宁县普通高中在创新教具开发方面力度不大。现对全县5所普通高中进行调研，发现全县5所高级中学在对学生的创新教育方面系统性不强，还未形成有特色的创新教育校本课程。

（3）计算出50%溶液需水的质量m3，以ρ水= 1折算体积V，量取V mL纯水加入．

（4）准确称量记为m4(如果m4－m2＜m3，用洁净滴管滴加纯水，尽量使m4－m2＝ m3)，则乙醇溶液的质量分数浓度w按下式计算：

（5）同理配制其他浓度的乙醇水溶液．可根据实际情况酌情选择样品进行实验．

2.3.2 纯水t1的测量

（1）玻璃恒温水浴注满水，设定初始温度T1，再插入一只水银温度计测量T1，最好以水银温度计测量值为准．在粘度计毛细管一端套上一段乳胶管，将其固定在铁架台上，放入玻璃恒温水浴中，用铅垂调节其竖直．

（2）准确量取5.00 mL纯水置入粘度计中．

（3）至少恒温5 min后，开始测量t1．平行测定若干次，要求极差小于0.2 s，取均值，并记录T1．

（4）设定玻璃恒温水浴温度T2= T1△ +T（△T = 2或5），待温度升至T2，然后同第（3）步．

（5）根据需要，直到Tn= 40 ℃；然后取下粘度计用无水乙醇淌洗，放入干燥箱烘干；将恒温水浴重新注满自来水．

2.3.3 无水乙醇t2的测量

（1）同2.3.1第(1)步，注意此阶段的温度严格按照上阶段的设定值进行设定．

（2）准确量取5.00 mL无水乙醇置入粘度计中．

（3）恒温5 min后，开始测量t2．平行测定若干次，要求极差小于0.2 s，取均值，并记录T1．

（4）设定玻璃恒温水浴温度T2，待温度升至T2，然后同第（3）步．

（5）一直测到Tn；然后取下粘度计用无水乙醇淌洗，放入干燥箱烘干；将恒温水浴重新注满自来水．

（6）同理进行乙醇水溶液粘度测量．

2.3.4 密度数据

（1）纯水的各温度下的密度粘度数据可以方便查得[14]3-12．无水乙醇的密度可以从手册[14]3-12查得在0，20，40，60℃时密度数据，然后利用插值函数法求得实验温度下的密度．

（2）使用液体比重天平测量室温下乙醇溶液的密度，可以从手册[15]559-565中查得15，20，25，30，35，40 ℃时的密度，然后可利用插值函数法求得实验温度下的密度．

3 实验结果与讨论

3.1 温度对无水乙醇粘度的影响

根据公式（1）以及纯水的密度、粘度及流过时间和无水乙醇的密度、流过时间，计算出无水乙醇粘度列于表1，将乙醇粘度与温度数据作图并拟合出函数关系式，见图1．

表1 毛细管法测量的无水乙醇粘度

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

图1 无水乙醇粘度与温度的关系

从表1和图1可以看出，无水乙醇的粘度随着温度的升高而降低，呈非线性趋势．通过Origin拟合数据，得到无水乙醇粘度与温度的函数为：y=1.82231-0.03663x+3.04114×10-4x2，相关系数R = 0.99795．从拟合的结果来看，此二次方程能较好地符合变化趋势．

3.2 温度对乙醇溶液粘度的影响

测量不同浓度乙醇溶液的粘度列于表2，从表2可以看出乙醇溶液粘度随温度升高而降低，温度对粘度的影响较大；同时还可以看出，乙醇溶液粘度随浓度的增大而先变大然后变小．

表2 乙醇水溶液的粘度

将表2数据转换为矩阵并作出粘度与浓度和温度的三维关系曲面图，见图2，曲面图类似马鞍形状．从图2可以清楚地看出温度和浓度对粘度的影响，粘度随温度降低而增大，随浓度的变化呈现抛物线趋势．还可以看出，在20℃以下，约38%的乙醇溶液具有最大粘度；在40℃时，约45%的乙醇溶液具有最大粘度．

4 结 语

通过实验，测量了不同温度下乙醇和乙醇溶液的粘度，采用Origin作出了粘度与温度和浓度的三维关系图，分析得到了乙醇及乙醇溶液粘度随温度变化的趋势关系和粘度随浓度的变化趋势．通过本综合实验的开展，加强了学生基本实验技能的训练，培养了学生的综合应用能力和创新思维．本实验的优势主要体现在两个方面，一是，利用实验室现有设备，易于实现；二是，实验拓展性强，本实验题目还可以拓展为：（1）温度和浓度对乙酸溶液粘度的影响；（2）温度和浓度对乙二醇溶液粘度的影响；（3）温度和浓度对氯化钾溶液粘度的影响．

图2 乙醇溶液粘度与浓度和温度的三维关系图

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（责任编辑：张新玲）

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

陈书鸿（1975-），男，四川丹棱人，重庆三峡学院高级实验师，主要研究物理化学实验教学等．

重庆市高等教育教学改革研究项目(133014)、重庆三峡学院教改项目(JG120665)阶段性成果