[물리화학실험]물-에탄올 혼합액의 점도 측정 2부

실험 방법

1. 실험 과정

1) 점도계를 벤젠-메탄올 혼합용액으로 씻고, 증류수로 헹군 후 건조시킨 다음 해당 몰분율 용액으로 헹궈주어서 점도계 안을 포화 시킨다.

2) 시료 15 ㎖를 피펫으로 점도계의 구 C에 넣은 후 점도계가 수직이 되도록 항온조에 넣는다.(이때의 항온조의 수면이 구 A보다 적어도 1 ㎝이상 높아야 하며, 약 10분간 기다려 점도계의 온도가 항온조의 온도(40 ℃)와 같아지도록 한다.)

3) 시료가 구 A에 모이도록 흡인(B를 통해) 하였다가 시료가 관을 통해 흘러내리도록 한다.

4) 액면이 구 B의 상하에 새겨진 금(a 와 b)사이를 통과하는데 걸리는 시간을 기록한다.

5) 증류수와 에탄올(C2H5OH=46.07g/㏖, 밀도 : 0.811 g/㎖, Assay(by density) : Min 95.0 v/v%, DC Chemical Co., Ltd. Lot No : 092720)의 조성을 변화 시키면서 이상의 실험을 반복한다.(증류수-에탄올 혼합용액 중 에탄올의 몰 분율 : 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0)

∴ 독립변수 : 에탄올의 조성, 종속변수 : 점도, 측정시간

실험 결과

1. 실험 Data

Ostwald 점도계를 이용하여 측정된 물-에탄올 혼합액의 몰분율에 따른 측정시간을 Table 1에 나타내었다.

1) 용액제조법(25℃에서 물의 밀도 1g/㎖로 가정)

에탄올 1몰당 ㎖수 = (46.07g/㏖)/(0.811g/㎖) = 56.81㎖/㏖

물 1몰당 ㎖수 = (18g/㏖)/(1.0g/㎖) = 18㎖/㏖

몰분율 0.2용액 = 0.2에탄올(56.81 × 0.2)㎖ + 0.8물(18 × 0.8)㎖ = 11.4㎖ + 14.4㎖

몰분율 0.4용액 = 0.4에탄올 + 0.6물 = 22.8㎖ + 10.8㎖

몰분율 0.6, 0.8 동일방법 적용

몰분율(에탄올)	1회	2회	3회	평균
0.0	14.82	14.74	14.62	14.73
0.2	29.60	29.92	29.80	29.77
0.4	32.10	32.02	32.14	32.09
0.6	28.23	27.85	27.66	27.91
0.8	26.80	26.73	27.16	26.90
1.0	22.64	22.46	22.53	22.54

Table 1. 에탄올 몰분율에 따른 물-에탄올 혼합용액의 측정시간(s)

2. 물-에탄올 혼합액의 점도

측정된 시간과 계산된 밀도 값으로부터 40℃에서의 혼합액의 점도를 계산한 값을 Table 2에 나타내었다.

몰분율	t[s]	ρ[g/㎖]	μ[cP](40℃)
0.0	14.73	1	0.6820
0.2	29.77	0.917	1.2640
0.4	32.09	0.872	1.2956
0.6	27.91	0.843	1.0894
0.8	26.90	0.824	1.0263
1.0	22.54	0.811	0.8464

1) 혼합액의 밀도 계산

혼합액의 밀도 = 혼합액의 질량/혼합액의 부피

몰분율 0.2 용액밀도 = {(11.4㎖ × 0.811g/㎖ ) + (14.4㎖ × 1g/㎖)}/(11.4㎖+14.4㎖)

= (9.25+14.4)g/25.8㎖ = 0.917g/㎖

몰분율 0.4 용액밀도 = {(22.8 × 0.811) + (10.8 × 1)}g/(22.8+10.8)㎖ = (18.5+10.8)/33.6=0.872g/㎖

몰분율 0.6, 0.8 동일방법 적용

2) 혼합액의 점도계산

식을 이용

40℃에서 물의 점도 0.6820 cP

μ0.2 = 0.6820cP × [(29.77s × 0.917g/㎖ ) / (14.73s × 1g/㎖)] = 1.2640cP

μ0.4 = 0.6820cP × [(32.09 × 0.872) / (14.73 × 1)] = 1.2956cP

μ0.6, μ0.8 동일방법 적용

3. 몰분율과 점도의 관계

40℃에서 물-에탄올 혼합액의 몰분율과 점도관계를 Figure 4에 나타내었다.

Figure 4. 물-에탄올 혼합액의 몰분율과 점도 관계

토의 사항

1. 실험 고찰

Table 1을 보면 몰분율이 0.4일 때 측정시간이 가장 길은 것으로 나타났다. 이것으로부터 몰분율 0.4일 때 점도가 가장 높을 것으로 예상되었다. Table 2를 보면 알 수 있듯이 예상대로 몰분율 0.4일 때 점도가 1.2956 cP로 가장 높게 나온 것을 알 수 있다. 몰분율 0일 때의 값은 측정값이 아닌 40℃에서의 물의 이론 점도값이다. 이론값을 바탕으로 혼합액의 점도를 계산한 것이다.

몰분율 1.0일 때(95%에탄올) 점도는 0.8464로 계산되었다. 95% 에탄올의 이론 점도값은 0.6000이다. 계산값과 0.25정도의 큰 오차가 발생했다. 이러한 오차는 측정자의 반응속도나 시각차이 및 온도와 시료의 부피에 의해서 생겼을 가능성이 높다. 몰분율에 따른 물-에탄올의 점도 이론값을 찾지 못해 비교하지 못했지만 오차가 있을 것이다. 이러한 오차를 줄이기 위해 항온조의 온도를 수시로 체크하여 40℃로 재설정 하였고, 두 명의 측정자가 동시에 측정한 시간의 평균을 데이터로 하였다. 실험 결과로 미루어 보아 물-에탄올 혼합액의 점도는 몰분율이 0.4 일 때 최고값을 나타내는 것으로 판단되었다.

 

2. 사용 기호

A : 관의 단면적 F : 작용하는 힘 g : 중력가속도 μ : 유체의 점도 P : 압력 ρ : 유체밀도 Q : 유체의 유량

R : 관의 반경 τ : 전단응력 u : 유체의 유속 V : 유체의 부피 x : 관의 길이 Δy : 유체 이동거리 z : 고도(elevation)

참고 문헌

1. Perry's chemical engineer's handbook, Robert H. Perry, Don W. Green, McGraw-Hill

2. 화학공학실험, 서정목, 박균영, 이철호, 강태원, 김동선, 김진현, 최재환, 공주대학교 출판부, P.17～19.

3. Unit Operations of Chemical Engineering 7th Edition(번역판), W. L. McCabe, J. C. Smith, P. Harriot, McGraw-Hill Korea, P.87, 140, 923, 930.

4. 단위 조작, 고완석 外 4명, 보문당, P.41～43.

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