Compressional and Shear Viscous Processes in Solutions of Electrolytes in Glycerol: II. Investigation of Structural Relaxation in Solutions of KCl and NaBr in Glycerol by Ultrasonic Longitudinal Waves

The sound velocity and absorption of ultrasonic waves in glycerol and solutions of KCl and NaBr in glycerol were measured in the frequency range 1…30 MHz and in the temperature range 213…323 K.

The earlier conclusions concerning the type of volume relaxation of solutions of electrolytes in glycerol were confirmed by a successful reduction of the longitudinal data which indicates a similarity of the molecular mechanisms of both the compressional and shear processes occurring in glycerol and in the solutions studied. The results indicate also that the electrolytes affect significantly the distribution of relaxation times. It was shown that the contribution of the relax- ational bulk modulus to the limiting high frequency modulus is significantly increased by NaBr, while KCl has only a slight effect. This indicates that the NaBr solution is more solid-like than that of KCl in which more extended regions of hydrogen-bonded solvent molecules are produced.

Zusammenfassung

Es war bereits gezeigt worden, daß die Relaxation der Volumenviskosität in assoziierten Flüssigkeiten (mehrwertige Alkohole) in enger Beziehung zur Relaxation der Scherviskosität steht [1], [2]. Dies deutet eine Ähnlichkeit der molekularen Mechanismen beider Relaxationsprozesse an sowie eine strukturelle Umgruppierung in Begleitung sowohl der Schub- als auch der Kompressionsbeanspruchung. In Teil I dieser Artikelfolge [3] wurde gezeigt, daß die akustischen Eigenschaften der Lösungen von KCl und NaBr in Glyzerin auf eine Verteilungsänderung der Schub-Relaxationszeiten aufgrund der Anwesenheit der Elektrolyten hindeuten. Es wurde daher erwartet, daß die Ausbreitungsparameter von Longitudinal wellen in solchen Lösungen ebenfalls Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff sowie durch die Elektrolyten verursachte, strukturelle Änderungen wiederspiegeln, wenn die Volumen-Relaxation in diesen Flüssigkeiten eine Struktur-Relaxation ist wie bei reinem Glyzerin. Einige früher untersuchte Lösungen [4] wiesen tatsächlich die Merkmale einer Struktur-Relaxation auf. Zweck der hier beschriebenen Untersuchungen war es, den Einfluß der Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff auf die Kompressions-Relaxationszeiten und die mit der Ausbreitung longitudinaler Wellen in assoziierten Flüssigkeiten hoher Viskosität verknüpften, mechanischen Moduli zu untersuchen.

Sommaire

Il a été montré ailleurs que la relaxation de viscosité volumique dans des liquides associés (alcools polyhydriques) était étroitement reliée à la relaxation de la viscosité de cisaillement. On y trouve l'indication d'une similarité des mécanismes moléculaires des deux processus de relaxation mettant en jeu les réarrangements structurels accompagnant les contraintes de cisaillement et de compression. Dans la première partie de la présente série d'articles, les auteurs avaient établi que les propriétés acoustiques des solutions de KCl et de NaBr dans le glycérol étaient les indices d'une variation de la distribution des temps de relaxation de cisaillement du fait de la présence des électrolytes. De ce fait on pouvait s'attendre à ce que les paramètres de propagation des ondes longitudinales dans de telles solutions dénoteraient à leur tour des interactions soluté- solvant et des changements structurels causés par les électrolytes. De fait quelques solutions dans le glycérol avaient présenté les caractéristiques d'une relaxation structurelle. Le but de la présente étude était de vérifier l'influence des interactions soluté-solvant sur les temps de relaxation de compression et sur les modules mécaniques associés à la propagation d'ondes longitudinales dans des liquides associés et possédant des viscosités élevées.