Viskosität

Allgemeines, Definition

Unter der Viskosität versteht man vereinfacht die "Zähflüssigkeit" einer Flüssigkeit. Honig besitzt beispielsweise eine sehr hohe Viskosität, Wasser wird als vergleichsweise dünnflüssig empfunden, während Stoffe wie Benzin oder Diethylether eine sehr geringe Viskosität aufweisen.

Die blaugrüne Flüssigkeit links ist niederviskos wie Wasser, die orange rechts hochviskos wie Honig (Computersimulation).
Synapticrelay, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Der Fachbegriff Viskosität stammt vom lateinischen Wort viscum ab, was "Mistel" bedeutet, weil aus den Beeren der Mistelpflanze ein klebriger Vogelleim hergestellt wurde; das Wort "viskos" bedeutete also ursprünglich "zäh wie Vogelleim".

Experimentelle Bestimmung der Viskosität

Die Viskosität eines Stoffes lässt sich quantitativ bestimmen.

Schulversuch

Man füllt genau 50 ml der zu untersuchenden Flüssigkeit in eine Bürette, stellt ein 100 ml-Becherglas unter die Bürette, startet die Stoppuhr und öffnet gleichzeitig den Hahn der Bürette. Nun misst man die Zeit, die benötigt wird, bis das gesamte Volumen vollständig ausgelaufen ist.

Bei zähflüssigem Honig kann dieser Vorgang mehrere Minuten dauern, bei Wasser nur wenige Sekunden und bei sehr dünnflüssigen Alkanen wie Pentan nur verläuft das Auslaufen noch deutlich schneller.

Bei diesem Schulversuch handelt es sich um einen Spezialfall der sogenannten Kapillarviskosimetrie. Bei diesem Verfahren wird allgemein die Zeit gemessen, die ein definiertes Probenvolumen benötigt, um eine Kapillare unter dem Einfluss der Schwerkraft zu durchfließen. Die Bestimmung basiert auf dem Gesetz von Hagen-Poiseuille.

Weitere Verfahren der Viskosimetrie

Kugelfall-Viskosimetrie

Bei diesem Verfahren lässt man eine Kugel durch ein mit der Flüssigkeit gefülltes Rohr fallen. Dieses Glasrohr ist mit zwei Markierungen versehen, eine oben am Rohr, eine unten am Rohr. Nach einer kurzen Beschleunigungsphase erreicht die Kugel, die man in das Rohr fallen lässt, eine konstante Sinkgeschwindigkeit. Sobald die Kugel die obere Markierung passiert hat, startet man eine Stoppuhr oder startet die Messung über eine Lichtschranke.

Man misst nun die Zeit, die die Kugel benötigt, um die untere Markierung zu passieren.

Die sogenannte dynamische Viskosität η wird nun folgendermaßen berechnet:

η = t * (ρ₁ - ρ₁) * K

Dabei ist t die Fallzeit der Kugel in Sekunden, (ρ₁ ist die Dichte der verwendeten Kugel, ρ₂ die Dichte der Flüssigkeit und K die Kugelkonstante, die durch Kalibrierung mit einer Standardflüssigkeit ermittelt wird.

Rotations-Viskosimetrie

Bei dieser Art der Viskosimetrie dreht ein Motor einen in die Flüssigkeit eingetauchten Körper, meistens eine Spindel oder einen Zylinder mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit.

Das Drehmoment, das benötigt wird, um den Körper in Bewegung zu halten, wird dann gemessen. Je größer die Viskosität der Flüssigkeit, desto größer das benötigte Drehmoment.

Viskosität und Molekülstruktur

Kettenlänge

Bei Alkanen wird die Viskosität allein durch die zwischen den Molekülen herrschenden London-Wechselwirkungen bestimmt. Daher hat hier die Kettenlänge der Moleküle in besonders starker Weise einen Einfluss auf die Viskosität.

Mit zunehmender Kettenlänge steigt die an sich recht geringe Viskosität der n-Alkane deutlich an. Eine wichtige Ursache hierfür ist die größere Kontaktfläche zwischen den Molekülen, wodurch die London-Wechselwirkungen (Dispersionskräfte) stärker werden. Zusätzlich können lange, unverzweigte Alkanketten beim Fließen stärker miteinander wechselwirken. Man spricht hier auch von einer molekularen Verschlaufung (Entanglement).

Verzweigungsgrad

Betrachtet man stark verzweigte Alkane, könnte man zunächst vermuten, dass diese Moleküle sich aufgrund ihrer unregelmäßigen Form stärker "verhaken" und daher eine höhere Viskosität aufweisen. Tatsächlich ist jedoch das Gegenteil der Fall.

Lange, unverzweigte Alkanketten können sich beim Fließen vergleichsweise leicht ineinander schieben und gegenseitig behindern. Hier tritt tatsächlich ein Verhakungseffekt auf, der dazu führt, dass sich die Moleküle nur schwer gegeneinander verschieben lassen und die innere Reibung zunimmt.

Verzweigte Alkane sind bei gleicher molarer Masse dagegen in der Regel weniger viskos als ihre unverzweigten Isomere. Dieser Effekt ist eng verwandt mit den Unterschieden in den Siedepunkten. Moleküle mit einer kompakteren, eher kugelförmigen Gestalt besitzen eine kleinere effektive Kontaktfläche als langgestreckte Moleküle. Dadurch sind die London-Wechselwirkungen schwächer ausgeprägt, und die Moleküle können sich leichter gegeneinander bewegen. Die Folge ist eine geringere innere Reibung und damit eine niedrigere Viskosität.

Funktionelle Gruppen

Alkane

Die Alkane, Alkene und andere Kohlenwasserstoffe besitzen keine funktionellen Gruppen, die Viskosität dieser Verbindungen ist recht niedrig, da die Moleküle nur durch die schwachen London-Kräfte zusammengehalten werden. Auswirkungen haben die Kettenlänge (höhere V.) sowie der Verzweigungsgrad (geringere V.). Einzelheiten dazu siehe oben.

Alkohole

Die V. von Alkoholen ist deutlich höher als die von Kohlenwasserstoffen gleicher Molmasse. Durch die OH-Gruppe können Alkohol-Moleküle H-Brücken untereinander bilden, so dass kurzlebige aber sehr dichte H-Brücken-Netzwerke entstehen, die eine relativ hohe V. zur Folge haben. Auch bei den Alkanen nimmt die V. mit der Kettenlänge zu, viel wichtiger ist aber die Anzahl der OH-Gruppen. Ein gutes Beispiel sind hier Propan-1-ol und Glycerin. Glycerin ist deutlich viskoser als Propan-1-ol, wegen der drei OH-Gruppen.

Halogenalkane

Auch hier ist die V. höher als bei den Alkanen oder anderen Kohlenwasserstoffen, da die Moleküle meistens starke Dipole sind. H-Brücken können untereinander allerdings nicht gebildet werden, daher ist die V. geringer als bei den Alkoholen.

Langkettige Halogenalkane haben eine höhere V. als kurzkettige, vor allem aber hängt die V. von dem Halogen selbst ab: Iod-Alkane haben bei gleicher Molmasse eine höhere V. als Chlor- oder Fluor-Alkane.

Aldehyde und Ketone

Diese Verbindungen sind ähnlich polar wie Halogenalkane; ihre Viskosität ist allerdings etwas größer - bei gleicher Molmasse. Allerdings sind Ketone wegen ihrer symmetrischeren Struktur etwas viskoser als Aldehyde gleicher Molmasse.

Carbonsäuren

Hier ist die Viskosität noch einmal deutlich höher als bei Alkoholen, bereits kurzkettige Carbonsäuren zeichnen sich durch eine hohe V. aus. Der Grund ist vor allem die Bildung von Dimeren über zwei H-Brücken. Zwei Essigsäure-Moleküle verhalten sich dadurch wie ein Molekül mit vier C-Atomen.

Übersicht

Alkane < Halogenalkane < Aldehyde < Ketone < Alkohole < Carbonsäuren

Hier sieht man noch einmal im Überblick, wie die V. der einzelnen Stoffgruppen (immer bei gleicher Molmasse) von den Alkanen zu den Carbonsäuren zunimmt.

Beispiel-Werte ^[3]

Pentan: 0,224

Decan: 0,930

Wasser (20 ºC): 1,00

Ethanol: 1,19

Essigsäure: 2,31

Ethylenglycol: ca. 20

Olivenöl: ca. 100

Glycerin: 1480

Honig: ca. 10.000

Einfluss der Temperatur

Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität der meisten Verbindungen ab. Die zunehmende thermische Bewegung der Moleküle erleichtert deren gegenseitiges Verschieben und schwächt den Einfluss der verschiedenen intermolekularen Wechselwirkungen, sodass der Fließwiderstand der Flüssigkeit sinkt.

Nichtnewtonsche Flüssigkeiten

Die bisher besprochenen Flüssigkeiten wie Wasser, Alkohole, Carbonsäuren etc. haben eine Viskosität, die zwar mit der Temperatur abnimmt, aber ansonsten relativ konstant ist. Neben diesen alltäglichen Flüssigkeiten, die auch als newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet werden, gibt es Stoffe wie beispielsweise Honig oder Stärkesuspensionen, die ein völlig anderes Verhalten zeigen.

Wenn Sie Honig von einem Löffel aus das Brötchen fließen lassen, haben Sie vielleicht auch schon einmal beobachtet, wie Teile des Honigs wieder bergauf fließen. Das ist typisch für eine nichtnewtonsche Flüssigkeit.

Ich zitiere hier einmal aus der Wikipedia (Artikel "Nichtnewtonsches Fluid") ^[4]:

"Materialien, deren Viskositäten bei steigenden Schergeschwindigkeiten absinken, werden generell als strukturviskos oder scherverdünnend bezeichnet. Beispiele sind Polymerschmelzen oder Dispersionen. Umgekehrt gibt es auch den (weitaus selteneren) Fall, dass die Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit ansteigt, was als Dilatanz bezeichnet wird. Ein bekanntes Beispiel sind Stärke­suspensionen."