Viskosität von Siliconölen

1. Experiment ist im WACKER-Schulversuchskoffer enthalten	nein
2. Versuchsvorschrift wurde modifiziert	/
3. Eigene Versuchsvorschrift wurde entwickelt	ja
4. Video-Clip verfügbar	nein
5. Flash-Animation verfügbar	nein
6. Weitere Materialien: Arbeitsblätter 9

Viskosität von Siliconölen/Variante a

1 Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf

Hebebühne
Stativ
Magnetrührplatte und -stäbchen
Becherglas 1 l
Glasrohr (Länge = ca. 50 cm, Æ = 6 mm)
2 Metallkugeln ( Æ = 3,5 mm und 5,5 mm)
Thermometer(100 °C)
Stoppuhr
Magnetangel
kleiner Plastiktrichter
dünner Permanentfilzschreiber
Geodreieck
passender Gummistopfen

Olivenöl
SILFOAM^® AK 1000 aus dem WACKER-Schulversuchskoffer
SILFOAM^® AK 5000 aus dem WACKER-Schulversuchskoffer
Nähmaschinenöl

Eine einzelne Messung, bei gegebener Temperatur, dauert ungefähr 5 Minuten. Die Gesamtdauer der temperaturvariablen Messreihe hängt vor allem von den Aufheiz- bzw. Abkühlungszeiten des Wasserbades ab und ist schlecht vorhersagbar. Im allgemeinen sollten jedoch bei gut überlegter Vorgehensweise 1,5 Stunden für die Messreihe ausreichen (siehe 4 Tipps und Anmerkungen).
Messreihen mit anderen Ölen nehmen mehr Zeit in Anspruch, da das Rohr jedesmal gespült, getrocknet und wieder temperiert werden muss.

2 Versuchsdurchführung und -beobachtung

Die Versuchsapparatur wird gemäß der Skizze aufgebaut.
Das Glasrohr wird mit einem Winkel von ca.10° leicht schräg eingespannt. Für die spätere Auswertung ist es unerheblich welcher Winkel exakt anliegt, da dieser in die Apparaturkonstante miteinfließt. Es muss jedoch zum Vergleich der Werte gewährleistet sein, dass alle Messungen bei exakt dem gleichen Winkel ablaufen. Dies wird durch die feste Position der Halteklemme erreicht. Diese wird im gesamten Versuch nicht mehr verändert.
Vor dem Einspannen wird das Glasrohr an zwei Stellen mit Markierungen versehen und zwar ca. 3 cm unterhalb der Wasseroberfläche und 1,5 cm oberhalb des Gummistopfens.
Anschließend wird das Rohr mit dem jeweiligen Öl blasenfrei gefüllt, die Stahlkugel hinzugegeben und das Rohr eingespannt.
Zur Temperierung des Glasrohres muss dieses mindestens 5 Minuten bei dieser Temperatur verweilt haben bevor die Messung beginnt.

Bei der eigentlichen Messung wird die Stahlkugel, mit dem ebenfalls temperierten Magneten, bis ca. 1 cm unter die Wasseroberfläche gezogen und danach die Fallzeit der Kugel zwischen den Markierungen gestoppt. Für jede Temperatur werden 5 Fallzeiten gemessen.


		Falls die Fallzeit mit der größeren Kugel zu lange dauert, sollte die kleinere Kugel verwendet werden. Dies hat auf die Temperaturabhängigkeit keinen Einfluss. Es wird für jedes Öl (siehe Chemikalienliste) die Fallzeit bei fünf, sich jeweils um ca. 10 °C unterscheidenen Temperaturen bestimmt (ca. 10 °C, Raumtemperatur, 35 °C, 45 °C, 55 °C). Beim Versuch läßt sich beobachten, dass die Fallzeit der Kugel mit steigender Temperatur bei allen Ölen abnimmt. Die Fallzeit ist bei den Siliconölen bedeutend größer als bei den anderen untersuchten Ölen.

Bei einem Referenzversuch wurden folgende Fallzeiten gemessen:

		Fallzeit in s
ÖL	Temperatur in °C	Nr. 1	Nr. 2	Nr. 3	Nr. 4	Nr. 5	Æ

Olivenöl Æ (Kugel) = 5.5 mm	9	24,80	24,00	24,20	24,00	24,00	24,20
	25	11,10	11,20	12,00	12,00	12,00	11,66
	38	7,00	7,00	7,00	7,00	7,00	7,00
	50	5,00	5,00	5,00	5,00	5,00	5,00
	58	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00	4,00

Nähmaschinen öl Æ (Kugel) = 5.5 mm	9	13,00	13,50	13,50	13,00	13,00	13,20
	24	6,00	6,00	6,00	6,00	6,00	6,00
	38	3,80	4,00	4,00	3,80	3,80	3,88
	45	3,00	2,00	2,00	3,00	2,50	2,50
	55	2,00	2,00	2,00	2,00	2,00	2,00

Siliconöl AK 5000 Æ (Kugel) = 3.5 mm	13	112,00	109,00	108,00	109,00	109,00	109,40
	25	86,00	80,00	85,00	83,00	83,00	83,40
	38	60,00	64,00	64,00	60,00	62,00	62,00
	47	53,00	54,00	53,00	53,00	53,00	53,20
	100	24,00	24,00	22,00	24,00	23,00	23,40

Silconöl AK 1000 Æ (Kugel) = 3.5 mm	17	19,70	19,20	20,00	20,10	20,00	19,80
	25	18,00	17,00	18,00	17,00	17,00	17,40
	33	14,90	14,00	15,00	15,00	14,90	14,76
	43	12,00	12,00	11,80	12,00	12,00	11,96
	56	9,00	9,80	9,90	9,00	9,00	9,34

Wie man sehen kann, sind die Messwerte untereinander sehr gut reproduzierbar.

3 Versuchsauswertung

Der natürliche Logarithmus der Fallzeit nimmt linear mit der Temperatur ab. Das ist hier graphisch anhand der Messwerte des obigen Referenzversuchs dargestellt.

Zusätzlich ist an der Steigung der Geraden zu erkennen, dass die Abhängigkeit der Viskosität (die proportional zur hier gemessenen Fallzeit ist) von der Temperatur bei den Siliconölen wesentlich geringer ist als bei den anderen Vergleichsölen.
Diese Eigenschaft der Siliconöle ist von großer Bedeutung für ihre Verwendung bei hydraulischen Anlagen, die bei großen Temperaturschwankungen zuverlässig arbeiten müssen. Das ist bei Flugzeugen der Fall, wo Mineralöle ungeeignet wären, weil ihre Viskosität zu stark von der Temperatur abhängt.

4 Tipps und Anmerkungen

Im Schulgebrauch empfiehlt es sich, auf die Berechnung der Viskosität aus der gemessenen Fallzeit zu verzichten und es dabei zu belassen, dass die Viskosität und die Fallzeit in einer "je größer, desto größer" Relation stehen.
Es empfiehlt sich die Fallzeiten der Siliconöle als letztes zu bestimmen, da sich diese nur schwer aus dem Glasrohr entfernen lassen.
Um die Versuchsdauer zu verkürzen, empfiehlt es sich, zwei große Bechergläser mit sehr heißem und kaltem Wasser in Vorrat zu halten und die Messtemperaturen schnell einstellen zu können.
Metallkugeln unterschiedlicher Größe sind z.B. in einem Fahrradgeschäft erhältlich.
Mit dem Versuch lässt sich gut zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit der Viskosität (Fallzeit) bei Siliconölen geringer ist als bei anderen Ölen. Dieses Verhalten kann man mit dem linearen Aufbau und den geringen Wechselwirkungen zwischen Silicon-Molekülen erklären.
Der Versuch lässt sich z.B. in der Sekundarstufe II bei der Einführung des Begriffs Viskosität einsetzen. Normalerweise werden dabei nur organische Öle untersucht. Hier bietet sich Siliconöl aufgrund seiner speziellen Eigenschaften und seiner wichtigen Stellung in der Industrie als Vergleichsöl an.
Der Versuch eignet sich aufgrund der einfachen Durchführung und der Ungefährlichkeit der verwendeten Chemikalien sehr gut als Schülerversuch. Um Zeit zu sparen, könnten die Schüler dabei in Gruppen die verschiedenen Öle untersuchen.
Bei der Auswertung sollte ein Computer eingesetzt werden, um die Medienkompetenz der Schüler zu schulen. Die Auswertung könnte dabei als Hausaufgabe dienen.

5 Ergänzende Sachinformationen

Unter der Viskosität, versteht man die Eigenschaft einer Flüssigkeit der gegenseitigen Verschiebung zweier benachbarter Schichten einen Widerstand (Zähigkeit, innere Reibung) entgegenzusetzen. Man definiert heute die sog. dynamische Viskosität η = t/D als das Verhältnis der Schubspannung zum Geschwindigkeitsgradienten senkrecht zur Strömungsrichtung.
Bei Newtonschen Flüssigkeiten ist die Viskosität bei gegebener Temperatur eine Stoffkonstante, bei Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist das nicht der Fall. Hier kommt es je nach Fließgeschwindigkeit zu einer Fließerweichung (Abnahme der Viskosität) oder zu einer Fließverfestigung (Zunahme der Viskosität). Diese Phänomene sind beispielsweise dann zu beobachten, wenn pastöse Flüssigkeiten (Zahnpasta, Malerfarben u. a.) aus Tuben heraus gedrückt und rasch verstrichen werden.

6 Literatur

A. Tomanek: Silicone & Technik, Ein Kompendium für Praxis, Lehre und Selbststudium, Hanser, München, Wien (1990)