조학번학과이름실험날짜1. 실험 제목액체의 밀도와 점도2. 실험 목적분자 정수에는 밀도, 점도, 표면장력 등 여러 가지가 있으나 본 실험에서는 액체의 밀도와 점도 측정에 대해 알아본다. 이 두 분자 정수는 실험실에서나, 산업현장에서 아주 유용하게 사용되는 물리량이다.3. 이론(1) 액체의 밀도(비중)어떤 물질이 질량과 이와 같은 체적인 표준물질의 질량과의 비를 비중(specific gravity)이라 한다. 비중은 온도 및 압력(기체의 경우)에 따라 달라진다. 비중은 무차원수(無次元數)이며, 고체·액체에 대해서는 그 값이 소수점 이하 5자리까지 밀도와 일치한다. 따라서 비중과 밀도는 그 값이 같다고 생각해도 무방하다. 같은 장소에서 측정하면 양자의 무게비를 취해도 좋으므로 비중이란 말을 쓴다.어떤 온도에서 있어서의 비중(밀도)은 물질의 고유 특성으로서 기준이 되는 물질의 밀도에 대한 상대적인 비를 나타낸다. 따라서 비중을 측정하여 순도를 확인해 볼 수 있다. 특히 용액은 비중과 농도와의 관계가 잘 조사되어 있으므로 비중을 측정하여 농도를 아는 것은 공업상이나 실험실에서도 잘 쓰이고 있다. 또 액체의 밀도측정은 압력, 모세관의 반지름, 분자부피(molar volume), 유전율, 표면장력, 비점도 등의 측정이나 burette, pipett의 보정 등의 실험인 경우도 필요하며 기초 실험 과정 중의 하나라고 할 수 있다.비중의 측정은 비중병(pycnometer), Westphal’ balance, Scale areometer등으로 측정할 수 있다. 본 실험에서는 비중병을 이용하여 액체의 밀도를 측정한다. 비중의 표준물질로서는 보통 액체, 고체에 대해서는 1atm, 4℃의 물(밀도0.999973g?cm-3)이, 기체에 대해서는 표준상태의 공기, 수소 혹은 산소가 쓰이고 있다. 어떤 온도에서 용액의 점성률을 η, 그 온도에서의 순 용매의 점성률을 η°로 할 때, ηsp=(η-η°)/η°로 부여되는 ηsp를 그 온도에서의 용액의 비점도라 한다.비중의 0.999973배가 c점도(viscosity)란 유체의 흐름에서 어려움의 크기를 나타내는 양, 즉 끈적거림의 정도를 표시하는 것이다. 이는 점성계수, 점성률 이라고도 한다. 흐름의 각 점에서 유체의 속도가 다를 경우, 분자끼리의 충돌이나 분자 간의 상호작용에 의해 운동량의 흐름이 빠른 부분에서 느린 부분으로 이동하여 속도가 같아지고자 한다. 이 에너지 손실을 수반하는 과정이 점성이다. 요약하면 점도는 유체가 유동하는 경우의 내부 저항이다. 단위면적을 통과하는 운동량의 이동은 힘의 차원을 가지며 유체 내에 작용하는 전단 응력(shear stress)을 뜻하고 있다. 전단 응력과 속도 기울기(전단 속도) 사이에는 비례관계가 성립하고 그 비례상수가 점도이고 보통 η로 나타낸다. 액체에서는 근접한 분자 간의 상호작용에 의해서 운동량이 이동되기 때문에 온도의 증가로 분자가 서로 움직이기 쉽게 되면 분자 간의 상호작용은 반대로 감소하여 그 결과 점성이 감소한다. 따라서 점도 측정에서는 온도를 일정하게 하는 것이 필수적이다. 전단 응력은 물체 내 어떤 면을 기준으로 면의 양쪽 부분이 크기가 같고 서로 반대 방향으로 어긋나게 작용하는 응력이다. 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 하중(외력)을 가했을 때, 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력을 응력이라고 한다. 흐름의 각 점(위치 벡터 y)에서 유체의 속도 vz(y)가 다른 경우 속도 vz(y)의 위치에 의한 변화율 dvz/dy를 속도 기울기라고 한다. 점도의 단위는 국제단위계에서는 Pa·s(N·s/m2 ＝kgf·s/m2), CGS 단위계에서는 P(포와즈, poise;dyn·s/cm2＝g/cm·s)이고 1Pa·s＝10P, poise의 100분의 1인 centi poise(cP; 1cP＝1mPa·s)도 널리 사용되고 있다.이 실험에서는 Ostwald 점도계를 이용하여 여러 가지 농도의 ethanol 수용액의 점도를 측정하고, 또 농도와 점도와의 관계를 조사한다.액체1(밀도????? 점도????? ?액체?? ????? ????가?같은?은 부피(v cm3) 가 통과하는데 시간 t1 및 t2 초가 필요하다면 Poiseuille의 법칙이 성립한다.………………………… (1)식(1)에서 dp1 및 dp2는 각각 관의 양 끝에 있어서의 액체 1, 2의 압력의 차이이다. 식(1) 및 같은 높이의 액체기둥에 의한 압력은 밀도에 비례한다. ()의 관계로부터 ………………………… (2)을 얻을 수 있다. 식(2)에서 2종류의 액체의 밀도 및 같은 Ostwald 점도계를 써서 일정 한체적을 흘렸을 때의 각 시간을 측정하면 비점도를 알 수 있고, 한쪽 액체의 점도를 이미 알면 다른 액체의 점도를 계산에 의해서 구할 수 있다.점도를 측정하여 고분자의 분자량을 알 수도 있다. 고분자를 적당한 용매에 용해 시켜 그 농도와 점도와의 관계에서 농도 0으로 외삽한 점도를 구하고, 이와 분자량과의 사이에 성립하는 관계식에서 점도를 구한다. 보통 2,000~600,000 정도의 분자량이 측정된다.4. 기구 및 시약비중병, ethanol, 저울, 항온조, Ostwald 점도계, stop watch 등5. MSDS① 에탄올CAS No. : 64-17-5분자량 : 46.0684끓는점 : 78.5 ℃녹는점 : -114.1 ℃- 고인화성 액체 및 증기- 눈에 심한 자극을 일으킴- 암을 일으킬 수 있음6. 실험방법(1) 액체의 밀도(비중)① 시료로서 ethanol 20, 40, 60, 80% 각 수용액, 순수한 ethanol 약 100mL를 준비한다.② 비중병의 질량을 측정한다.(mg)③ 비중병에 증류수를 채워서 항온조(t1℃)에 10~20분 동안 넣어 둔다. Gay-Lussac 형에서는 모세관의 부분은 잠기지 않아도 된다. 모세관의 주둥이에 나오는 액은 여과지로 흡취한다. Ostwald형에서는 눈금이 있는 데까지 액이 들어 있도록, 잘게 짜른 여과지로 흡취한다. 주사기로 넣든가 또는 빼든가 하여 액량을 조절한다.④ 항온조에서 들어내어 평량한다.(Wg)⑤ 물을 비우고 시료 액체를 채워서 같은 방법으로 평량한다,(W’g)⑥ 시료의 비중 d중을 dw’(표에서 구함)라 하면⑦ 각 시료에 대해서 이상의 과정을 반복하여, 농도와 비중의 관계를 그래프로 나타낸다.참고 1: 공기의 부력을 보정할 때는 위의 식에서 비중병의 질량 m대신에 을 쓴다.참고2: 온도에 따른 물의 밀도(2) 액체의 점도① 시료로서 ethanol 20, 40, 60, 80% 각 수용액, 순수한 ethanol 약 100mL를 준비한다. (밀도실험과 동일)② 항온조를 일정한 온도로 조절하고 이 안에 Ostwald 점도계를 스탠드에 세워서 넣는다. (고정)③ pipette으로 일정한 체적의 증류수를 취하여 점도계 안에 넣고 (입구 C를 이용) 약 10분간 방치④ 입구 A에서 B 내의 증류수를 빨아올려 액면의 높이를 눈금 x 위로 오게 한다.⑤ 증류수를 자연히 흘러내리게 하고 액면이 두 개의 눈금 x, y 사이를 통과하는데 요하는 시간을 stop watch로 측정한다. (3회 이상 반복하여 평균치를 취한다.)⑥ 이상의 과정을 각 시료에 대해서 행하고 각각의 흘러내리는 시간을 구한다.⑦ 각 시료의 밀도를 구한다. (위 2.4 A 실험)⑧ 이 온도에 있어서 물의 점도를 표에서 구하고 식(2)로 각 시료의 점도를 구한다.⑨ 농도와 점도의 관계를 그래프로 나타낸다.참고1: 점도계가 진동하면 정확한 시간을 구할 수 없으므로 시료가 흘러 내리게 할 때에는 항온조의 교반기를 정지 시켜둔다.참고2: 흘러내리는 시간은 1~2분간이 적당하다. 이 시간 내에 유출될 수 있는 점도계를 사용한다.참고3: 온도에 따른 물의 점도7. 실험결과 실험에탄올 농도걸린 시간(초)0% (증류수)10.56320%18.09340%27.6460%28.5480%24.017100%17.487* 25℃에서물의 밀도 : 0.99705g/ml물의 점도 : 0.8937cP에탄올의 밀도① 20% : 0.96639g/ml② 40% : 0.93148g/ml③ 60% : 0.88699g/ml④ 80% : 0.83911g/ml⑤ 100% : 0.78506g/ml식 를 정리하면eta _{2} `=` }} `이 된다. 이 식에 해당 값을 대입하여 각각의 농도에서 에탄올의 점도를 구하면,① 20%?? =0.8937 TIMES {0.96639 TIMES 18.093} over {0.99705 TIMES 10.563} =1.484② 40%?? =0.8937 TIMES {0.93148 TIMES 27.64} over {0.99705 TIMES 10.563} =2.185③ 60%?? =0.8937 TIMES {0.88699 TIMES 28.54} over {0.99705 TIMES 10.563} =2.148④ 80%?? =0.8937 TIMES {0.83911 TIMES 24.017} over {0.99705 TIMES 10.563} =1.710⑤ 100%?? =0.8937 TIMES {0.78506 TIMES 17.487} over {0.99705 TIMES 10.563} =1.165*농도와 점도의 관계8. 논의 및 고찰이번 실험은 Ostwald 점도계를 이용하여 액체의 점도를 측정하는 것을 목적으로 진행되었다.실험은 식을 이용하여 농도별 에탄올의 점도를 구하기 위해 Ostwald 점도계에서의 농도별 에탄올의 하강 시간(t)을 각각 3번씩 반복 측정하여 평균값을 구하는 방식으로 진행되었다. 구해야 하는 ??값과 실험을 통해 구한t값을 제외한 나머지 값들은 온도를 25℃로 설정하여 검색을 통해 알아냈고,eta _{2} `=` eta _{1} `` {rho _{2} t _{2}} over {rho _{1} t _{1}} `식에 대입하여 에탄올의 점도(eta_2)를 구하였다.각각의 농도(0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%)에서 에탄올의 점도를 계산해 본 결과 0.8937cP(증류수), 1.484cP, 2.185cP, 2.148cP, 1.710cP, 1.165cP로 값이 나왔다. 이를 이론적으로 25℃에서 나와야할 에탄올의 점도값(0.8937cP, 1.8cP, 2.37cP, 2.23cP, 1,73cP, 1.10cP)을 찾아 비교해본 결과 약간의 차이가 있
