粘度法

实验名称：

粘度法测定高聚 物的相对分子质量

2012级化学萃英班岳铁强 学号：320120925281

、

一、 实验目的

1． 测定聚乙烯醇的平均分子质量。 2． 掌握乌氏粘度计测定粘度的方法。

二、

实验原理

在高聚物分子质量的测定中，粘度法是一种常用的方法。他所用的仪器设备简单，操作方便，并有很好的实验精度，可测定分子质量范围为104-107的高聚物，因而在生产和科研中有十分广泛的应用。

高聚物溶液的粘度一般比较大，粘度值与其分子质量有关，通过测定粘度值就可以求出高聚物的分子质量。但由于高聚物多是分子质量大小不一的混合物，所以通常所测定的高聚物的分子质量，实际上是一个平均的分子质量。 高聚物的稀溶液，在一定条件下可以按照牛顿流体来处理。溶液在流动式，由于分子间的相互作用，产生了阻碍运动的内摩擦力，粘度就是这种内摩擦力的表现。高聚物稀溶液的粘度，主要反映了液体流动时的三个方面的内摩擦情况：

1. 溶剂分子与溶剂分子之间的内摩擦； 2. 高分子与高分子之间的内摩擦； 3. 高分子与溶剂分子之间的内摩擦。

这三者的总和表现为高聚物溶液的粘度。记作η。其中纯溶剂分子之间的内摩擦表现出来的那部分粘度，记作η0，称为纯溶剂粘度。溶液粘度和纯溶剂年度的比值称之为相对粘度，记作ηr，ηr=η/η0,它反应的仍是溶液粘度的行为。（液体粘度的绝对值测定是很困难的。所以一般应用都测定相对粘度。） 具体测定液体粘度的方法，主要有以下的几类： 1. 液体在毛细管里的流出时间（毛细管法）。 2. 圆球在液体里的下落速度（落球法）。

3. 液体在同心轴圆柱体间相对转动的影响（转筒法）。

以上几类方法中，在测定高聚物的粘度时，以毛细管粘度计最为方便。液体在毛细管粘度计内因重力作用流出的时间和液体粘度的关系服从泊塞尔（PoisEuille）公式：

η=πngR4/8lV –mρV/8πlt (1)

式中：η 液体的粘度；ρ 液体的密度；g 重力加速度；R 毛细管半径；l 毛细管长度；V 流出的体积；n 流过毛细管的平均液柱高度；t 液体流出毛细管的时间；m 毛细管末端校正的参数（一般当R/L＜＜1时，可以取m=1）。 对于某一支确定的粘度计来说，η、R、l、v是常数，则(1)式可以简化为： η=Aρt-Bl/t (2)

将(2)式带入相对粘度ηr的表达式中：

ηr=η/η0=ρ/ρ0·（At- B/t）/（At0- B/t0） (3)

式中B＜1，当流出时间在2min左右（大于100秒）该项可以忽略。又因为通常测定是在稀溶液中进行，所以溶液的密度ρ和溶液的密度ρ等。在上述近似条件下，溶液的相对粘度ηr就可以表示为： ηr=η/η0=ρ/ρ0·At/At0=t/t0 (4)

式中：t为溶液从毛细管流出的时间，t0为纯溶剂从毛细管流出的时间。 实验表明，在同一温度下，即使是高聚物的稀溶液，其粘度值仍比纯溶剂的粘度值大，即

η＞η0（t＞t0），为了比较这两种粘度，将粘度增加的分数称作增比粘度，记作ηη

sp=η

sp即：

0

可视为相

-η0/η0=η/η0-1=ηr-1 (5)

sp

式中，ηr是上面提到的相对年度，反映的仍是整个溶液的粘度行为，η

则意味着它已经扣除了溶剂分子之间的内摩擦效应，仅留下了溶剂分子和高聚物分子自荐，以及高聚物分子本身之间的内摩擦效应和η0的关系。 粘度除了与分子质量有密切的关系外，对溶液浓度也有很大的依赖性。所以高聚物溶液的浓度变化，将会直接影响到粘度的大小，浓度越大，粘度也越大，为此，常常取单位浓度下呈现的粘度来进行比较，从而引入比浓度的概念，定义η

sp /C

为高聚物的比浓粘度，同样，从相对粘度的角度，也可以定

义lnηr/C为高聚物溶液的比浓对数粘度，期中C表示高聚物溶液的粘度（文献中常用“100mL溶液里所含高聚物的克数”作为浓度单位）。 高聚物溶液的特性粘度[η]和分子质量的关系： 在一定的温度下，比浓粘度η

sp /C

和比浓对数粘度lnηr/C与浓度C的关系

有不少经验公式，最常用的是哈金斯（Hugginis）公式： η

sp /C=[η

]+K’ [η]2C (6)

式中，K’是一个常数，在给定的体系中，它表征溶液中高分子之间以及高分子与溶剂分子之间的相互作用。 另一常用的式子是：

lnηr/C=[η]+β [η]2C (7)

式中，β是一个与溶液粘度有关的常数。 通过(6)、(7)两式，用η

sp /C

和lnηr/C对C作图，可以得到两条直线，如果

将直线沿 C→0方向外推时，两条直线会在纵坐标上交于一点（见图1），其截距即是[η]，这是比浓粘度η极限值。用式子表示： lim(η

sp /C)=lim(lnη

sp /C

和比浓对数粘度lnηr/C共同的

r/C)= [η]

C→0 C→0

式中：[η]就叫做高聚物溶液的特性粘度；它主要反映了高聚物分子与溶剂分子之间的内摩擦作用。用上述直线推到C→0求特性粘度[η]的方法称为外推法。

在高聚物的化学组成、溶剂、温度确定后，[η]值只与高聚物的分子质量有关，目前融用的半经验的麦克（η.Mark）非线性方程来求得：

[η]=KMα （9）

式中：M表示高聚物的平均分子质量（也有记作Mη的，并称之为粘均分子质量），K、α都是常数，与温度，高聚物。溶剂性质等因素有管，可通过其它绝对方法确定（例如渗透压法、光散射法等）。

本实验采用乌贝路德粘度计（见图2）测定聚乙烯醇溶液的粘度，进而求互聚乙烯醇的平均分子质量。25℃时聚乙烯醇的水溶液，K=2.0*10-4，α=0.76。

三、

仪器和试剂

乌贝路德粘度计1支、电子秒表1只，10mL移液管1支，5mL移液管1支，恒温槽1套，100mL注射器1个，聚乙烯醇水溶液（C=0.58，浓度单位：

g/100mL），洗耳球1个，洗液，蒸馏水。 四、

实验步骤

1. 粘度必须在恒温下测定，温度的控制对实验的准确性有很大的影响。打

开继电器的开关，调节恒温槽温度至25.00±0.05℃。

2. 洗涤粘度计。用铬酸洗液认真洗净粘度计里的高聚物，然后依次用自来

水、蒸馏水洗涤，清洗干净后即可将粘度计垂直安放在恒温槽中待用。 3. 测定溶剂在粘度计里从毛细管流出的时间

1） 取大约10mL的蒸馏水，从A管口注入粘度计，恒温5min后可进行测定。

2） 先在C管口套上橡皮管，并用夹子夹紧，使之不漏气。

3） 在B管口也套上橡皮管，接上针筒，将水以F球经过D球、毛细管、E球抽至G球，立即拔去针筒。

4） 放开夹子，让C管接通大气，此时C管和D球内的液体即流向E球，使B管里的液体呈悬空态。则毛细管以上的液体开始下落，当液面流经a刻度时，立即开启秒表进行计时，当液面降至B刻度线时，再按秒表停止键，停止计时，测得刻度a、b之间的液体流经毛细管所需的时间t0。同样重复操作至少三次，测定时间相差不大于0.3秒，取其平均值，即为溶剂水的流出时间t0。如果相差太大，则应检查毛细管是否堵塞，或者恒温槽温度是否恒定。

4. 测定聚乙烯醇水溶液在粘度计里从毛细管流出的时间t。

1） 测定后倒掉溶剂，干燥后用干净的移液管吸取聚乙烯醇水溶液10mL和5mL水，从A管注入粘度计内（注意：尽量不要把溶液粘在管壁上），恒温至25℃。

2） 将聚乙烯醇的溶液和水混匀，然后按照测定溶剂的步骤，测定溶液的流出时间t。注意吸取溶液时，D球内不能附有气泡，抽吸时要慢速，不能将气泡带入E球，否则难以消除，且越摇动，气泡越多，气泡的存在容易影响液面的观察和流出时间的测定，所以在实验中保证E球内溶液不起泡是非常重要的。

再依次加入5、10、10mL水，然后分别测出它们的流出时间t。填入以设计好的

表格中。实验完毕立即用蒸馏水清洗干净，然后用蒸馏水浸泡，以免高聚物在毛细管内形成薄膜 五、

数据处理

1． 数据记录

聚乙烯醇浓度时间表

浓度 溶剂重蒸水 2/3C 1/2C 聚乙烯醇溶液 1/3C 1/4C

粘度值浓度表

浓度 聚乙烯醇溶液

上表作图得

粘度浓度图像

2/3C 1/2C 1/3C 1/4C ηr 1.4361 1.3219 1.2079 1.1507 ηsp 0.43609 0.32188 0.20794 0.15066 ηsp/C 0.613 0.377 0.62383 0.60265 lnηr 0.36192 0.27906 0.182 0.14034 (lnηr)/C 0.2 0.55812 0.56675 t1/S 113.84 163.75 150.81 137.59 130.60 t2/S 114.06 163.15 150.06 137.28 130.78 t3/S 113.60 163.50 150.53 137.62 131.57 平均值/S 113.83 163.47 150.47 137.50 130.98

将数据进行处理得到其与y轴的交点为0.8624，为0.8624*2故其相对分子质量为500

六、 实验讨论

1. 本实验中对温度的控制尤其重要，如果温度并不稳定，会使实验数据偏

差较大。因此在实验过程中需要对溶液进行恒温，尽量把粘度计浸泡在恒温槽中，避免上下温度不一致导致的温差。

2. 进行实验时最好不要将里面的溶液抽出，或者产生较多的气泡，会对浓

度产生影响使得到的数据产生偏差。PoisEuille公式中，粘度的计算需要考虑重力加速度g。如果粘度计放置不垂直，会对实验数据产生影响，但是如果始终保持相对位置不变的话影响还是可以在实验数据处理的过程中得到避免。

3. 由于实验过程中的一些不当，是实验数据出现了较大的问题，因此是实

验数据借鉴了陆浩同学的数据。 七、

思考题

1. 特性粘度[η]是溶液无限稀时的比浓度，它和纯溶剂的粘度是否一样？

说明理由。

答：不一样，量纲和物理意义都有所不同。特性粘度[η]有量纲1/c，它反映高聚物分子与溶剂分子之间的内摩擦力。纯溶剂的粘度无量纲，反映溶剂与溶剂分子间的内摩擦力。

2. 乌氏粘度计的支管C有什么作用？除去支管C是否仍可测定粘度？

答：C管的作用是形成气承悬液柱，即使B管与大气压相通，让毛细管以下的液体悬浮。溶液流下时所受压力差与B管中液面高度无关，即与所加的待测液的体积无关故可以在粘度计中稀释液体。而当C管除去，就成了奥氏粘度计，AB两管形成连通器，溶液流下时所受的压力差与B管中液面高度有关，因此标准液和待测液的体积必须相同。 3. 乌氏粘度计的毛细管太粗，太细各有什么缺点？

答：粘度计毛细管的过粗，液体流出时间就会过短，重力对其的作用起主要作用，那么使用Poisuille公式时就无法近似，也就无法用时间的比值来代替粘度；如果毛细管过细，实验时间过长，完全没有必要。 4. 试列举影响本实验中准确测定的因素。

答：温度的控制，产生气泡的控制，以及测量仪器是否保持竖直等。