1乙基3甲基咪唑乳酸盐离子液体的热力学研究毕业论文.doc

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1、本科毕业论文（设计）1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体的热力学性质研究The study on thermodynamic properties of 1-ethyl-3-methy imidazolium lactic acid ionic liquidBohai University摘 要离子液体（ionic liquid）是指在室温范围内(通常为100)呈现液态的完全由离子构成的物质体系，又称室温离子液体(room temperature ionic liquids)。离子液体的最早报导可以追溯到20世纪初。与传统的溶剂相比离子液体具有如下特点:(1)没有显著的蒸气压(2)具有良好的溶

2、解能力。(3)具有良好的导电性。(4)具有较好的热稳定性和化学稳定性。(5)易于与其他物质分离，可循环利用。(6)制备简单。作为新型的绿色溶剂和环保电解质，离子液体其具有良好的导电性、较低的熔点、宽阔的电化学窗口和可以忽略的蒸汽压等多种优点而广泛的应用于诸多领域。因此，离子液体的合成开发与应用越来越受到化学工作者的重视，已被广泛地应用于有机合成、分离、电化学和无机物的制备中。本文对离子液体的类别、特性、发展历史及应用前景做了总结，并以1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体为研究对象,对离子液体热力学性质进行研究。关键词:离子液体;绿色溶剂;环保电解质;热力学性质The study on ther

3、modynamic properties of 1-ethyl-3-methyl imidazolium lactic acid ionic liquidAbstractIonic liquids is in the temperature range (usually under the 100) rendered entirely by the Ionic composition of the liquid material system, also known as ionic liquids at room temperature .Earliest reports of ionic

4、liquids can be traced back to the early 20th century. Compared with traditional solvent for Ionic liquid has the following characteristics: The first, there is no significant vapor pressure. The second, has the ability of dissolution. Thirdly, with good electrical conductivity. The fourth, has good

5、thermal stability and chemical stability. The fifth, it can be easily separated with other material and can be recycled. The sixth, it has the preparation of simple.As a new type of Green solvents and environmentally friendly electrolyte, it has the good conductivity, low melting point, wide electro

6、chemical window and negligible vapour pressure of many advantages which can widely applied to many other areas. So the synthetic development and applications of ionic liquids increasing attracted the attention of chemical workers, which has been widely used in organic synthesis, separation, electroc

7、hemistry and preparation of inorganic compounds. This article characteristics, witch has been do the summary to the development of ionic liquids and its application prospects and do the research for the 1-ethyl-3-methyl limidazolium lactic acid ionic liquid and the chemical Property of ionic liquid.

8、Key words: Ionic liquid; 1-ethyl-3-methyl limidazoliu lactic acid ionic liquid; environmentally friendly electrolyte; hermodynamic properties目 录摘 要IAbstractII引 言11 离子液体的概述31.1 离子液体的定义31.2 离子液体的分类31.3 离子液体的性质41.3.1 离子液体的熔点41.3.2 离子液体的密度41.3.3 离子液体的溶解性41.3.4 离子液体的粘度51.3.5 离子液体的导电性51.3.6 离子液体的酸碱性51.4 离

9、子液体的应用51.4.1 离子液体在化学反应中的应用51.4.2 离子液体在催化反应中的应用61.4.3 离子液体在分离中的应用61.4.4 离子液体在电化学中的应用61.5 离子液体的发展史71.6 离子液体的研究前景82 实验药品和仪器设备102.1 实验药品102.2 实验仪器103 热力学性质的测定原理113.1 粘度测定原理113.2 表面张力测定原理113.3 密度测定原理123.4 电导率测定原理124 热力学性质的测定操作144.1 粘度的测定操作144.2 表面张力的测定操作144.3 密度的测定操作154.4 电导率的测定操作165 结果讨论175.1 粘度实验数据与结果讨

10、论175.2 表面张力实验数据与结果分析185.3 密度实验数据与结果讨论195.4 电导率实验数据与结果讨论20结 论22参 考 文 献23致 谢25引 言21世纪的化学是绿色化学的世纪,绿色化学的意义在于整个生产过程产生较少废物,以及对环境造成较少破坏,而不是仅在某一个工艺阶段产生较少废物。为此,选取化学工艺中的绿色溶剂显得尤为重要。正是在此背景下，近年来离子液体迅猛发展起来。离子液体其具有良好的导电性、较低的熔点、宽阔的电化学窗口和可以忽略的蒸汽压等多种优点而广泛的应用于诸多领域。作为一种新型的反应介质和功能材料，离子液体受到产业界和学术界的高度重视，目前已成为多学科交叉的、最活跃的前沿

11、研究领域。离子液体(Ionic liquid),又称室温熔融盐,有机离子液体等在室温或近室温下呈液态1。离子液体是从传统的高温熔盐演变而来的，但与一般的离子化合物有着非常不同的性质和行为，一般离子化合物只有在高温状态下才能变成液态，而离子液体在室温附近很大的温度范围内均为液态，最低凝固点可达-96。离子液体一般由体积较大的有机阳离子和无机或有机阴离子构成，其熔点一般低于150。离子液体之所以成为当代化学的科学前沿和研究热点，是因为与传统的有机溶剂和电解质相比，具有一系列优良的特点：（1）几乎无蒸汽压、不挥发、不燃、不爆炸，因此可彻底消除因挥发而产生的环境污染问题。（2）熔点低，呈液态的温度范围

12、广，化学和热稳定性较好，通常在高达300时不分解，且离子液体的结构对称性越低，分子间的作用力越弱，阳或阴离子电荷分布越均匀，离子液体的熔点就越低，另外阴离子尺寸越大，离子液体的熔点越低。（3）溶解性很好2，能溶解许多有机物如有机、无机、金属有机化合物和高分子材料，也可以延长许多不稳定物种如RuCl62-、ZrCl62-及HfCl62- 等的寿命。离子液体的溶解性与其阳离子和阴离子的特性密切相关。阳离子对离子液体溶解性的影响可由正辛烯在含相同甲苯磺酸根阴离子季铵盐离子液体中的溶解性看出3，随着离子液体的季铵阳离子侧链变大，即非极性特性增加，正辛烯的溶解性随之变大。（4）通常由弱配位的离子组成，配

13、位能力主要由阴离子的性质所决定， 具有高极性潜力而非配位能力，因此可溶解过渡金属配合物，而不与之发生配合作用。（5）含酸（如AlC13）的离子液体，在一定的条件下表现出Lewsi、Brensted、Franklin酸甚至超强酸的酸性，因而此类离子液体在作为反应介质的同时还往往起催化剂的作用。（6）粘度大，在常温下，离子液体的粘度是水和一般有机溶剂的几十倍甚至几百倍。因此，它是优良的色谱固定相和修饰电极固定剂。离子液体的粘度主要取决于离子间较强的静电力、范德华力和氢键等相互作用4。（7）导电性好，电位窗宽，离子液体的室温电导率一般在10-3 S/cm左右，可用作许多物质的电解液。同时，离子液体拥

14、有在较宽的电位范围均不会发生电化学反应的特性，其一般的电位稳定范围为4V左右，这是普通溶剂所无法比拟的。（8）处理简单，可循环使用。（9）制备简单，价格相对便宜。与传统溶剂相比，用离子液体作有机化学反应的介质，可获得更高的选择性和更快的反应速率，同时还具有反应条件温和、环境友好的特点4-6。多种重要的有机合成反应，如加成反应、聚合反应、氧化还原反应、烷基化反应、酰基化反应、酯化反应等均可在离子液体介质中进行，避免了其它有毒溶剂及催化剂的使用。反应中离子液体可循环使用，且效率无明显下降。因此，离子液体越来越受到大家的重视，正因为离子液体具有以上多种独特的性质，故它在化学合成、新材料研究、精细化学

15、加工、表面加工、微电子器件开发等领域得到应用，并显示出了良好的效果及应用前景。离子液体具有一系列独特的物化性能，是一种真正的“绿色”溶剂5，已广泛和成功地用于材料制备、催化、金属电沉积、燃料电池等。在金属的电解精炼方面，离子液体是一种理想的室温液态电解质，它融合了高温熔盐和水溶液的优点：具有较宽的电化学窗口，在室温下即可得到在高温熔盐中才能电沉积得到的金属和合金，但没有高温熔盐那样的强腐蚀性；离子液体的上述特性及其具有不易挥发和燃烧、可溶解许多无机物和有机物、易通过物理方法再生的优点，使其在冶金和材料制备领域尤其是有色金属提取与分离等方面具有广阔的应用前景。1 离子液体的概述1.1 离子液体的

16、定义离子液体的离子液体就是完全由离子组成的液体，是在室温或室温附近温度下呈液体态的盐类，也称为低温熔融盐。它是从传统的高温熔融盐演变而来的，但与一般的离子化合物有着非常不同的性质和行为，最大的区别在于一般离子化合物只有在高温状态下才能变成液态，而离子液体在室温附近很大的温度范围内均为液态，最低凝固点可达-96。按照其物理状态分：在100以内呈液态的就称之为离子液体，熔点高于100的则称为离子盐。离子液体作为一类新型的绿色溶剂在许多领域得到广泛应用并迅速发展成为研究热点。与易挥发的有机溶剂相比，离子液体没有可测量的蒸气压、不可燃、热容大、热稳定性好、离子电导率高、电化学窗口宽，因而被视为绿色化学

17、和清洁工艺中最有发展前途的溶剂并得到了广泛的应用。1.2 离子液体的分类室温离子液体中只存在阴阳离子,没有中性分子,其主要特点是阳离子较大且不对称,阴离子较小。阳离子有4类6:烷基季铵离子NRXH4-X+烷基季磷离子PRxH4- x+、1,3-烷基取代的咪唑离子R1R3Im+ 和N-基取代的吡啶离子RPy+(见图1.1)。图1.1 室温离子液体中常见的阳离子负离子主要是BF4-、PF6-、NO3-、ClO4-、CF3COO-等体积较大的阴离子。离子液体可分为2类:(1)卤化盐AlCl3型(其中Cl也可用Br代替),如1-乙基-3-甲基咪唑氯代铝酸盐(emimCl-AlCl3),其缺点是对水极其

18、敏感,要在真空或有决惰性气氛下进行处理和研究,质子和氧化物杂质的存在对在该类离子液体中的化学反应定性的影响。(2)非卤化盐+AlCl3型(又称为新离子液体)的阳离子多为烷基取代的咪唑离子,阴离子为BF4-、PF6-、NO3-、ClO4-、CH3COO-、CF3COO-等,许多品种对水和空气稳定,如1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(emimBF4)。以NO3-、ClO4-为阴离子的离子液体要小心爆炸,特别是在干燥的时候。1.3 离子液体的性质1.3.1 离子液体的熔点离子液体是低熔点的季铵、膦盐。正离子部分是有机阳离子，如：1-丁基-3-甲基咪唑bmim+，1-乙基-3-甲基咪唑emim+，体积

19、比无机离子大，因此有较低的熔点。阳离子中电荷越分散，分子的对称性越低，生成化合物的熔点越低。阴离子的大小对熔点有较大的影响。大的阴离子，与阳离子的作用力小，晶体中的晶格能小。因此，易生成熔点低的化合物。1.3.2 离子液体的密度离子液体的密度与阴离子和阳离子有很大关系。比较含不同取代基咪唑阳离子的氯铝酸盐的密度发现，密度与咪唑阳离子上N-烷基链长度呈线性关系7，随着有机阳离子变大，离子液体的密度变小。这样可以通过阳离子结构的轻微调整来调节离子液体的密度。阴离子对密度的影响更加明显，通常是阴离子越大，离子液体的密度也越大。因此设计不同密度的离子液体，首先选择相应的阴离子来确定大致范围，然后认真选

20、择阳离子对密度进行微调。1.3.3 离子液体的溶解性离子液体的溶解性与其他溶剂相比,其内部存在相当大的库仑力,正是这种库仑力使其具有很强的极性且对多种有机、无机以及聚合材料有特殊的溶解能力。利用其良好溶解性,可将一些极性强的质子酸和Lewis酸以及金属络合催化剂溶解8,达到催化剂循环使用的目的。咪唑阳离子上的取代烷基碳链长度对亲水亲油性有较大影响。同是BF4-阴离子,25时,烷基的碳数超过5时,离子液体不溶于水;低于5时,离子液体则与水互溶9。对于六氟磷酸阴离子的烷基取代的咪唑类离子液体,其疏水性随着阳离子烷基链长的增加而逐渐增大。1.3.4 离子液体的粘度离子液体的黏度主要由氢键和范德华引力

21、决定,氢键的影响非常明显。常温下其黏度较大(是水的几十倍)。其黏度随着温度的升高而降低10;随阳离子取代基碳链的增长而增加。阴离子为N(CN)2-的离子液体的黏度普遍偏低。对于氯酸铝类的离子液体，当离子液体为碱性时,即x(AlCl3)0.5时,因存在的氯离子很少使咪唑盐阳离子上的氢原子与氯离子之间的氢键作用减弱,此时离子液体的黏度下降。阳离子相同时其黏度随阴离子的体积增大而增大。1.3.5 离子液体的导电性离子液体的离子导电性是其电化学应用的基础,室温离子液体电导率一般在10-3S/cm左右,其大小与离子液体的粘度、分子量、密度以及离子大小有关。其中粘度的影响最明显,粘度越大,离子导电性越差。

22、相反,密度越大,导电性好。离子液体电化学稳定电位窗口对其电化学应用也非常重要。电化学稳定电位窗就是离子液体开始发生氧化反应的电位和开始发生还原反应的电位的差值。大部分离子液体的电化学稳定电位窗均大于3V,有的咪唑类离子液体比AlCl3型离子液体的电化学窗口宽, 表明它们在电化学中的应用潜力。1.3.6 离子液体的酸碱性离子液体的酸碱性实际上由阴离子的本质决定。将lewis酸如AlCl3加入到离子液体中,当AlCl3的摩尔分数x0.5时,离子液体呈碱性,当x=0.5时,为中性。当摩尔分数x0.5时,离子液体表现为强酸性。研究离子液体的酸碱性时,必须注意其潜酸性和超酸性。例如,把弱碱吡咯加入到中性

23、BmimAlCl4中,离子液表现出很明显的潜酸性。把无机酸溶于酸性氯铝酸盐。1.4 离子液体的应用1.4.1 离子液体在化学反应中的应用 在有机合成中,以离子液体作为反应的溶剂,首先为化学反应提供了不同于传统分子溶剂的环境,它可以改变反应的机理,使催化剂的活性、稳定性更好,选择性、转化率更高;其次离子液体种类多,选择的余地大,将催化剂溶于离子液体中,与离子液体一起循环利用,催化剂具有均相催化效率高,多相催化易分离的优点,产物的分离可以用倾析、萃取和蒸馏等方法;再者因离子液体无蒸汽压,液相温度范围宽,使得分离易于进行。近年来,离子液体在有机合成中的应用研究日益受到人们的重视。1.4.2 离子液体

24、在催化反应中的应用均相催化中一般所用的易挥发有机溶剂的缺点是显而易见的:有毒、易燃、难于重复使用。可能的改进方法有无溶剂反应,水为溶剂,超临界流体为溶剂和离子液体为溶剂。例如: (1) 加氢反应:K.Seddon等研究了室温离子液体中芳香环化合物的立体选择性加氢反应。当多环化合物(如蒽)在室温三氯化铝离子液体中溶解时，可形成顺磁性深色溶液; (2) Deils-Alder反应:Seddon等11研究了在室温离子液体如1-丁基-3甲基咪唑三氟甲基磺酸盐(BMimOTF)中进行的Deils-Alder反应,结果表明:环戊二烯在BMimOTF中与3种不同烯丙基单体反应时,反应1h后转化率可达40%6

25、0%,而且环戊二烯二聚体等副产物很少。其高的反应速率及选择性也正好符合绿色化学过程的要求，还可避免传统生产过程中高氯酸锂基废物的产生和由于使用二乙基醚和高压带来的不安全问题。1.4.3 离子液体在分离中的应用分离提纯是化学反应的重要应用内容。采用水为溶剂分离提纯制适用于溶于水的物质;采用蒸馏技术只适用于蒸汽压大的物质;采用有机溶剂(例如萃取)又会造成严重的环境污染。因此，安全的、对环境友好的绿色分离技术越来越受到重视。离子液体具有独特的理化性能,非常适合作为分离提纯的。传统液相分离中使用有机-水两相分离,有毒、易燃、挥发的有机相导致对安全设施高投入，尽管如此,仍不能保证除去有机残留物质带来的环

26、境污染。离子液体以其对有机物的高溶解度,高库仑力导致的底蒸汽压等特点正吸引着广泛的注意成为新型液液萃取剂。已经进行的尝试如用BMimPF6-H2O体系萃取苯胺、苯甲酸、氯苯、甲苯。对于不挥发的有机物从离子液体中的分离曾遇到一些障碍，现在，已有成功利用超临界CO2提取的报道11。此外，还有把离子液体作为GC固定相的报道。1.4.4 离子液体在电化学中的应用电化学是离子液体最先应用的领域。离子液体体系中均为离子，由于这种独特的全离子结构，使其拥有宽阔的电化学电位窗、良好的离子导电性等电化学特性，在电池、电容器、晶体管、电沉积等方面具有广泛的应用前景。电解液的种类很大程度上影响着电池能量的贮存和释放

27、，早在20世纪70年代，Oster Young等开始对离子液体作为电解液在电池中的应用进行了深入的研究，DIME双嵌式熔融盐电池便是将离子液体用作电池的电解液，从而避免使用任何有机溶剂和挥发物质。Macfarlane 等设计的离子液体为塑晶网格,可将锂离子掺杂其中。由于这种晶格的旋转无序性，且存在空位，锂离子可在其中快速移动，其导电性好使离子液体在二次电池上的应用很有前景；Yasushi等将 EmimCl-FeCl2-FeCl3体系应用于电池中。该体系具有低熔点及可逆的氧化还原反应特征,有望在充电电池中得到进一步应用。12电化学电容器不依赖化学反应，而是利用电极/电解质界面的双电层快速充放电原

28、理,用比表面高的多孔电极能贮存较多的电能。它主要用浸渍导电聚合物的各种类型的碳材料和金属氧化物作电极材料，用水溶液，非水溶液和固体聚合物作电介质。非水溶液在电容器中的使用更为广泛，它能得到宽的电化学窗口，从而增加电容器的能量密度。众所周知，电解铝是世界上最大的电化学工业应用项目，目前铝的精炼主 要采用三层液高温熔盐制备方法，存在温度高、操作复杂、能量消耗高、设备腐蚀严重等缺点。将离子液体用于金属的电沉积，室温下即可得到在高温熔盐中才能电沉积得到的金属或合金，没有高温熔盐的强腐蚀性，且能耗大大降低。因此，使用离子液体进行电沉积可以减少设备腐蚀和环境污染，实现冶金过程的绿色生产。Endres等报道

29、了在物质的量分数为55%的路易斯酸性离子液体中沉积微米和纳米级的金属铝。在离子液体中加入有机添加剂烟碱酸即可得到纳米级的金属铝。微粒平均在14nm左右；如果不加入烟碱酸。阶跃电流沉积和恒电位沉积时得到的铝微粒均在100nm以上。实验结果表明，恒电流沉积时，可以得到10nm以下的纳米微粒通过改变电解液的组成和沉积过程的电化学参数，可以得到平均10-100nm的纳米微粒，且粒径分布较窄。1.5 离子液体的发展史早在1914年，第一个离子液体硝酸乙基铵（EtNH3NO3）就被合成出来，其熔点为12，但未能引起人们的注意。二十世纪四十年代末，Hurley和Wien在寻找温和条件下的电镀方法时，把溴化N

30、-乙基吡啶和无水AlCl3混合，他们惊奇地发现两种固体一经混合就在室温下成为无色透明的液体，并测得了这种液体的电化学窗口为1.5V，1951年他们在J.Electro chem.Soc上发表了这个发现，但也未引起人们的注意。1982年，Hus-sey12报道了由AlCl3与氯化1-甲基-2-乙基咪唑制成的一种新的离子液体。它与烷基吡啶类离子液体有相似的性质，但电导率比AlCl3-BPC体系高23倍，粘度约降低为原来的一半，而且电化学窗口明显优于烷基吡啶类。这是一个具有优良物理化学性质的体系，其缺点是对水敏感，极易吸收空气中的水，而发生水解反应，不利于操作。1990年，离子液体EMIBF4被首次

31、合成出来，是通过在甲醇中由EMII和AgBF4混合制得，其熔点为12，也可以由更便宜的原料NH4BF4在丙酮中制得。自九十年代以来，人们又合成出许多新的离子液体13。主要是通过混合一定的二烷基咪唑阳离子（如：EMI+、BMI+）和一些阴离子（如：BF4-、PF6-）而得到的。这些新的离子液体的物理性质和电化学性质类似于AlCl3体系离子液体，但却不像AlCl3体系那样对水和空气敏感，因此而被广泛地开发和应用。在对空气稳定的离子液体中，EMIBF4是被广泛研究的离子液体之一。人们利用EMIBF4和BPBF4具有较高的电导率的性质合成了一种导电性良好的稳定的聚合物,极具应用价值。1995年以来，随

32、着人们对环境问题的重视，离子液体越来越受到化学家的青睐。人们开始探寻阴阳离子的结构及相互作用与离子液体的熔点、粘度及其他物理化学性质的关系。1996年，Pierre14采用固定阴离子，变化阳离子，即改变咪唑分子上不同的取代基的方法，系统地合成了一系列离子液体并进行了其性质的研究，得出以下三点结论：非对称性的阳离子比对称性的阳离子形成的离子液体有较低的熔点；阴阳离子之间如果形成氢键，熔点增高，粘度增大；阳离子带长链取代基的离子液体与有机溶剂的互溶性增加。1997年，Seddon15把离子液体作为溶剂应用于有机合成，产率高，选择性好。作为溶剂的离子液体可以回收，不污染空气，也不污染水源，被人们认为

33、是最有潜力的绿色介质，也称为二十一世纪的溶剂，已被认为是当今科学研究的前沿课题之一。西方发达国家对离子液体研究十分重视。2002年北大西洋公约组织在希腊的克里特岛召开的有关离子液体专家会议，制定了有关策略。欧洲委员会制定了发展离子液体的三年规划，预计在1999-2002年间建立三个离子液体的中试工厂。亚洲的日本、韩国、以及世界上著名的化学跨国公司，也不惜重金支持离子液体的研究工作，这也从另一侧面反映出离子液体的巨大工业前景。1.6 离子液体的研究前景离子液体品种多、可设计、性能独特、应用领域广泛、应用前景乐观16。近年来,以环境友好型离子液体作为绿色溶剂在分离过程、电化学和催化反应等领域的应用

34、正受到世界各国的广泛关注。例如,英国从事离子液体研究的Belfast17小组就与该国的BP化学品公司、ICI化学品和聚合物公司、英国核燃料(BNFL)公司合作,并且得到他们的资助。法国的离子液体研究工作一开始就注意“两相操作”工艺开发,因为这样的体系中反应物和产物与离子液体不互溶,只有催化剂溶解其中,才易于将催化剂与反应基质分离,有利于均相和多相催化操作,再结合温和的反应条件,高选择性和高效率,十分有利于工业化。美国的匹兹堡大学18在研究开发中将离子液体与超临界流体段Cq结合起来,研究了离子液体的纯化和回收，以及这种结合体系的各种理化性质。然而，即便是已经发展了几个世纪的分子介质体系，人们对各

35、物质在其中的相互作用和运动规律的认识也是有限的。迄今为止，对离子液体这种离子介质，认识还十分粗浅，许多认识还仅限于对某些实验事实的经验性的常识性的了解，现有的实验数据还相当的缺乏，对化学过程的预测能力也很有限。离子液体要走向工业化需逐步解决如下一些问题：成本高、粘度高、研究分散、实验数据、毒性数据缺乏，这些问题已经引起人们的注意。离子液体的研究已成为国际上新近发展起来的热门课题。近年来，随着研究的日益深入，离子液体己经被开发和应用到诸多领域，例如:有机反应的介质、催化、萃取和电化学等。可见，它在不同领域都具有潜在的应用价值；同时其种类繁多，可以根据不同需要改变阴阳离子，来调节其物理化学性质，达

36、到不同的目的。因此，离子液体的研究与开发必将为“绿色化学”和“绿色工艺”开辟新的道路。2 实验药品和仪器设备2.1 实验药品1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体2.2 实验仪器HX-08低温恒温循环器 （上海比朗仪器有限公司）SG3电导率仪 （梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）PZ-D-5型液体比重天平 （上海良平仪器仪表有限公司）NDJ-8S数显粘度计 （上海方瑞仪器有限公司）BZY系列自动表面张力仪 （上海方瑞仪器有限公司）3 热力学性质的测定原理3.1 粘度测定原理粘度是指液体对流动所表现的阻力，这种力反抗液体中邻接部分的相对运动，因而是液体流动时内摩擦力大小的一种量度。本仪器为数显粘

37、度计，由电机经变速带动转子作恒速旋转。当转子在液体中旋转时,液体会产生作用在转子上的粘度力矩,该粘性力矩也越大;反之,液体的粘度越小,该粘性力矩也越小.该作用在转子上的粘性力矩由传感器检测出来,经计算机处理后得出被测液体的粘度。本仪器采用微电脑技术，能方便地设定量程（转子号及转速）,对传感器检测到的数据进行数字处理,并且在显示屏上清晰地显示出测量时设定的转子号、转速、被测液体的粘度值及其满量程百分比值等内容。NDJ-8S配有4个转子（1、2、3、4号）和8档转速（0.3、0.6、1.5、3、6、12、30、60转/分），由此组成的32种组合，可以测量出测定范围内的各种液体的粘度。3.2 表面张

38、力测定原理表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力(surface tension)是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。本文采用“白金版”法进行表面张力的测定：当感测白金版浸入到被测液体后，白金版周围就会受到表

39、面张力的作用。液体的表面张力会将白金板尽量的往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时，感测白金板就会停止向液体内部浸入。这时候，仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将它转化为液体的表面张力值。3.3 密度测定原理本次实验采用的是密度天平法测定离子液体在不同温度下的密度。密度天平是有一个体积为5cm3的标准测锤浸没于液体中获得浮力而使横梁失去平衡，然后通过在横梁的V形槽里放置各种定量砝码，使横梁恢复平衡的原理，来测试该液体的比重。3.4 电导率测定原理电解质溶液的导电能力通常用电导G来表示，它的单位是西门子，用符号S（西）表示。若将某电解质溶液放入两平行电极之间，设电极间距离为l，

40、电极面积为A，则电导可表示为G=Kk为该电解质溶液的电导率，其物理意义：在两平行而相距1m，面积均为1m2的两电极间，电解质溶液的电导称为该溶液的电导率，其单位以SI制表示为Sm-1（cgs制表示为Scm-1），()为电导池常数，以Kcell表示，它的单位为m-1。由于电极的I和A不易精确测量，因此在实验中是用一种已知电导率的溶液先求出电导池常数Kcell，然后把欲测溶液放入该电导池测出其电导值，在求出其电导率。在讨论电解质溶液的导电能力时常用摩尔电导率（m）这个物理量。它是指把含有1mol电解质的溶液置于相距为1m的两平行板电极之间的电导。以m表示，其单位以SI单位制表示为Sm2mol-1（

41、以c.g.s制表示为Scm-1mol-1）。摩尔电导率与电导率的关系：m= （3.1）式（3.1）中，C为该溶液的浓度，其单位以SI单位制表示为molm-3。m总是随着溶液的浓度的降低而增加，对强电解质稀溶液而言，其变化规律可用科尔劳施经验公式表示：m=m-A （3.2）式（3.2）中，m是溶液在无限稀释时的极限摩尔电导率。对特定的电解质和溶剂来说，在一定温度下，A是一个常数。所以，将m对作图得到的直线外推至C=0处，可求得m。对于弱电解质溶液来说，其m无法利用上式通过实验直接测得。但我们知道，在其无限稀释的溶液中，弱电解质的=1，每种离子对电解质的摩尔电导率都有一定的贡献，是独立移动的，不受

42、其它离子的影响，对电解质Mv+Av-来说，即：m=+m,+ m,- （3.3） 式（3.3）中，m+、m-分别表示正、负离子的无限稀释摩尔电导率。它与温度及离子本性有关。4 热力学性质的测定操作本次试验所用的离子液体是1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体。4.1 粘度的测定操作(1)准备好被测离子液体，倒入直径不少于60mm的烧杯或平底容器中。打开HX-08低温恒温循环器，正确控制被测液体的温度。(2)将仪器保护架逆向旋入仪器下端头上。(3)选好使用的转子旋入仪器方向接头上（逆时针）旋入。注意：转转子是必须微微向上托起万向接头，防止损坏转动轴。(4)旋转升降钮使转子缓慢浸入被测液体，直至转子液

43、面标志（转子上的凹槽）和液面成同一平面。(5)再次调整好仪器水平。(6)试样调试时的温度必须稳定，以保持显示的稳定准确。(7)从15开始，每升高5读一次示数，通过低温恒温循环器调节升温。直到75为最后一组数据。(8)实验测定完毕，将液体倒出，清洗仪器，放到原处。4.2 表面张力的测定操作(1)打开仪器，接通表面张力仪电源，并按动“开关键”预热30分钟。(2)将白金板做清洗。先用镊子夹取白金板，并用清水冲洗。冲洗时应注意与水流保持一定的角度。原则上为了让水清洗干净板的表面，且不能让水流使得板变形。(3)用酒精灯灼烧白金板，一般与水平面成45度进行，直到让白金板变红为止。时间为20-30秒。注意事

44、项：通常用水清洗即可，但遇到有机液体或其他污染物用水无法清洗时，请用丙酮清洗或者用20%的盐酸加热15分钟进行清洗。然后用水清洗烧红即可。(4)在样品皿中加入被测液体，将被测样品放于样品台上。(5)观察液晶显示屏是否为零，如果不为零，则先按清零，准备工作就绪。(6)用手旋转升降旋钮，使其缓慢上升。当白金板接触到被测液体液面时，液面发生波纹：即刻停止升降台上升。此时，在液体液面张力的作用下，显示屏上的数字会逐渐变大，白金板脱离一次被测液面，就完成一次操作。(7)利用低温恒温循环器升温，从15开始测量，没升高5进行一次读数，直到70为最后一组数据。(8)测量完毕，倒出液体。清洗仪器，放回原处。注意

45、:做重复性操作时，一定不要理会表面张力显示的残留数值，即不要去进行去皮工作，一般情况下，只有超过mN/m时才会要求重新清洗白金板。在正式做测试前应熟悉以下注意事项：（1）测试前应确保主机预热30分钟。（2）使用前，应将所测的吊钩、白金板挂至吊钩上，按去皮做好归零处理。（3）每次测试前应确保白金板的干净。（4）第一次使用或者使用一段时间后对张力仪进行满量程校正。（5）测试高挥发性液体时，应加快测试过程。4.3 密度的测定操作(1)天平的安装与调整：将盒内各种零件顺次取出。将测锤，弯头温度表和玻璃量筒用酒精擦净，再将支柱紧定螺钉旋松，托架升至适当高度后旋紧螺钉。横梁置于托架之玛瑙刀座上，然后按照装

46、置图所示，分别将小钩、测锤等安装到位。用钩码挂于横梁右端的小钩上。旋动水平调整脚，使横梁上的指针尖与托架指针尖两尖对准，以示平横。天平安装后，检查各部件位置是否正确，待横梁正常摆动后方可认为安装完毕。(2)校密度正：将密度计中盛入纯水，弯头温度表放在密度计中并连接好控温装置。恒温槽设定温度在10开启电源。每升高5读取一次弯头温度表上的读数从10测到40.此时纯水的密度校正完毕 (3)形槽和小钩上。注意事项：天平开箱拆包后，首先要做好清洁工作，尤其是各刀刃及玛瑙刀座，应用手帕，软刷等小心地将其擦干净，严禁使用粗布，硬刷，防止擦伤撞坏仪器零件，影响计量性能。天平应安放在温度约20的室内，不能安放在但方向受热或受冷的地方。同时避开气流、震动、强力磁源等影响放置的工作台必须牢固稳定。4.4 电导率的测定操作(1)开机。检查仪器外观是否正常，电极是否浸泡于电极帽中，检查电池仓内是否有电池。(2)长按【Read】键下面的【开/关机】键打开仪器，预热30min。(3)将电导电极冲洗干净，放入标准校准液中，按【Cal】键，仪器自动判断终点。如需手动终点判断按【Read】，仪表显示屏锁定并显现标准值。接受校准值并返回样品测量，按【Read】键。(4)样品测量。校准结束后，即可进行测量，将电极放在本实验样品1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体中并按【Read】以开始测量，小数点闪动。