Увеличение вязкости воды

Здравствуйте! Прошу Вас подсказать, существуют ли какие-либо добавки, с помощью которых можно увеличить вязкость воды? Ситуация следующая - есть стена, облицованная полосами натурального гранита. На сколах гранита капли воды отрываются от стены, и летят под углом вниз на пол. Можно ли как-то загустить воду так, чтобы она не отрывалась от стены?


Здравствуйте, Андрей!

Проблемами вязкости и внутреннего трения жидкостей одним из первых занимался французский физик Кулон. Потом этими проблемами занимались Мейер, Кениг, Гельмгольц, Пиотровский и другие.

С физической точки зрения вязкость жидкости – свойство жидкости оказывать сопротивление передвижению ее частиц и характеризующее степень ее текучести и подвижности. В общем случае вязкость является свойством движущейся жидкости и в состоянии покоя не проявляется. Вязкость обуславливает появление сил сопротивления при движении жидкости. Эти силы называются силами внутреннего трения, или силами вязкости.

Наличие сил внутреннего трения движущейся жидкости впервые установил Ньютон; впоследствии русский ученый В. Н. Петров в 1888 г. привел математическое выражение для силы трения. С точки зрения молекулярной теории вязкость объясняется как движением молекул, так и наличием молекулярных сил. В жидкостях, где расстояние между отдельными частицами много меньше, чем в газах, первостепенную роль играет межмолекулярное взаимодействие.

Теория всех этих методов приводит к очень сложным формулам, напоминающим формулы истечения жидкостей через тонкие трубки. Эти расчёты дали для коэффициента внутреннего трения воды при 20° число, очень близкое к найденному Пуазейлем (0,01009), а именно 0,01014.

Динамическая вязкость жидкости η определяется по методу Стокса из наблюдений за движением шарика в воде. На шарик, падающий в жидкости, действует сила тяжести Fт,  сила Архимеда Fа и сила внутреннего трения Fсопр.  Вследствие этого при некоторой скорости движения шарика его сила тяжести полностью уравновешивается силой вязкости и силой Архимеда. С этого момента движение шарика будет равномерным. Зависимость между силами, действующими на шарик при его установившемся равномерном движении, выражается равенством Fт =  Fа + Fсопр., откуда Fсопр = Fт  Fа, но Fт  =  mg = 4πr3ρg/3, где m – масса шарика, r – его радиус, ρ – плотность шарика. Fа  =  mжg = 4πr3ρжg/3, где mж – масса жидкости в объеме шарика, ρж – плотность жидкости. Английский ученый Стокс показал, что сила вязкости, возникающая при движении шарика в жидкости (Fсопр), определяется формулой Fсопр = 6πrηυ, где υ – скорость шарика, η – значение вязкости.

График зависимости вязкости воды от температуры показан ниже:

Из графика зависимости вязкости воды от температуры видно, что с повышением температуры воды её вязкость уменьшается. Чем же это вызвано? Из курса химии известно, что взаимодействие между молекулами жидкости вызвано в основном водородными связями (вода, аммиак, фтороводород) и силами Ван-дер-Ваальса. Силы Ван-дер-Ваальса – это силы притяжения между молекулами вещества в газообразном, жидком и кристаллическом состояниях, они могут возникать между полярными, неполярными, а также полярными и неполярными молекулами. Силы взаимодействия между молекулами жидкости значительно больше по сравнению с силами, действующими в газах. Силы взаимодействия между молекулами жидкости зависят от ее химической природы. Чем более полярны молекулы жидкости, тем сильнее взаимодействие между молекулами и тем ближе по строению и поведению жидкость к кристаллу. Межмолекулярные взаимодействия проявляются и между неполярными молекулами. Если бы между молекулами воды действовали только Вандер-Ваальсовые силы взаимного притяжения, вода замерзала бы при Т = - 90 оС, а закипала бы при Т = + 80 оС; при действии водородных связей, создающих ассоциации молекул Т замерзания 0 оС и кипения Т = + 100 оС.  

При повышении температуры водородные связи между молекулами воды ослабевают, значит уменьшается взаимодействие между молекулами воды, а следовательно и сила внутреннего трения, но главная причина этого явления заключается в другом. Вязкость воды обусловлена межмолекулярным взаимодействием её слоёв, в результате которого из слоя в слой молекулами переносится импульс  mυ, где υ – скорость движения молекул, m – масса молекул воды. С ростом температуры межмолекулярные взаимодействия ослабляются из-за теплового расширения жидкости и увеличения межмолекулярных расстояний, а также из-за увеличения подвижности молекул воды; вследствие этого  вязкость уменьшается. Межмолекулярное взаимодействие ограничивает подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры.

Табл. 1. Динамическая вязкость воды при различных температурах *

t, 0С

103, Н с/м2

t, 0С

103, Нс/м2

t, 0С

103, Нс/м2

5

10

15

20

21

22

1,519

1,307

1,138

1,002

0,981

0,958

23

24

25

26

27

28

0,936

0,914

0,894

0,874

0,854

0,836

29

30

35

40

45

50

0,818

0,800

0,719

0,653

0,596

0,547

* Данные приведены из – "Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. / Под ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. М.: Химия. 1986. 216с.", "Краткий справочник физико-химических величин. / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. Л.: Химия. 1983. 232с.".

Табл. 2. Поверхностное натяжение воды при различных температурах *

t , oС

Поверхностное натяжение(ж-г) , мДж/м2

t , oС

Поверхностное натяжениеж-г , мДж/м2

t , oС

Поверхностное натяжениеж-г , мДж/м2

10

11

12

13

14

15

16

74,22

74,07

73,93

73,78

73,64

73,49

73,34

17

18

19

20

21

22

23

73,19

73,05

72,90

72,75

72,59

72,44

72,28

24

25

26

27

28

29

30

72,13

71,97

71,82

71,66

71,50

71,35

71,18

* Данные приведены из – " Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. / Под ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. М.: Химия. 1986. 216с. "

Для воды коэффициент динамической внутреннего трения при 0° равен 0,081, а при 70° 0,0042 или, говоря другими словами если вязкость воды при 0° измеряется числом 100, то при температуре 70° вязкость воды выражается числом 23,5. Для примера вязкость ртути при 3400° (точка кипения ртути) почти вдвое меньше ее вязкости при 0°. Но особенно сильно изменяется с температурой вязкость некоторых растительных масел: для миндального масла, при нагревании его от 20° до 80°, вязкость уменьшается в 6,5 раз, для оливкового масла - от 20° до 80° вязкость уменьшается с лишком в 7 раз. Отсюда самым простым решением вашей проблемы может быть использование холодной воды при температурах, близким к 0°. Кроме того, существуют водорастворимые синтетические и природные полимеры, повышающие вязкость воды. По химическому составу они включают эфиры целлюлозы, желатинизированные крахмалы, оксиды полиэтилена, альгинаты, полиакриламиды, полимеры карбоксивинила и виниловый спирт. Из подручных средств для повышения вязкости воды в неё можно добавить и мыло, и крахмал, и клей, и щёлочь.

В заключение следует подчеркнуть, что вязкость жидкости имеет большое значение в различных областях технологии. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов (производство резины, стекла, доменный или мартеновский процесс). Вязкость имеет большое значение в различных природных, особенно биологических процессах, определяя скорость течения жидкостей и сопротивление, оказываемое ими движению частиц. Изменение вязкости с температурой сказывается на скорости химических реакций, протекающих в биологических системах, на ряде физико-химических явлений, связанных с жизнедеятельностью клетки.

С уважением, к.х.н. О. В. Мосин