粘度法测乙醇和水的相容性.docx
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粘度法测乙醇和水的相容性
科研训练报告
学院:
化学工程学院
专业班级:
应化08-1班
姓名:
张艳
时间:
2011年6月26日
地点:
应化实验室
指导教师:
邢宏龙
二O一一年六月
训练目的:
通过科研训练课程,使高年级本科生初步了解并亲历科研工作的基本过程,以小组为单位,在“接受研究项目→查阅文献资料→总结文献→拟定实验方案→实施实验→分析结果→撰写报告,汇报”训练中,发挥自主学习精神和团队协助精神,培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力,提高实践能力和综合素质。
主要内容:
1、学会使用网络工具查阅资料,以“乙醇、相容性、粘度法”为关键词进行资料的查询;
2、对查得的资料进行总结;
3、拟定粘度法测定乙醇与水的相容性的实验流程和具体的操作步骤;
4、实验;
5、对产物的典型特性进行表征和分析;
6、撰写科研训练报告。
指导教师评语:
成绩评定指导教师签字
年月日
粘度法测乙醇和水的相容性
张艳
应化08-1班
指导老师:
邢宏龙
1绪论
乙醇作为一种试剂被广泛的应用于化工、医药、农药、化妆品等各个领域。
由于其与水、醚、氯仿等溶剂混溶,在化学中经常作为一种溶剂使用。
相容性是两种或两种以上物质混合时,不产生相斥分离现象的能力。
平常人们只研究高分子聚合物之间的相容性问题,采取很多方法来确定,如动力学测定,热分析,电子显微镜,光散射等[1]。
但是与这些方法相比,液体的粘度是液体中大分子问微观作用的宏观表现,测此通过测定液体粘度以反映大分子问作用力的相关信息[2],而且粘度法操作简单方便,仪器简单,于是我们也采用同样的方法研究乙醇与水的相容性问题。
但是乙醇与水的相容性如何,它随温度、配比不同如何变化仍需要进一步进行探讨。
本次科研训练就是通过粘度法对乙醇水溶液粘度的测定,从化学热力学的角度探讨乙醇与水相容性的问题[3-4]。
通过本次科研训练,目的是让我们能初步了解并亲历科研工作的基本过程,在训练中培养独立思考,自主学习,理论联系实际,分析问题解决问题的能力,从而提高实践能力和综合素质。
不仅要求我们对过去所做过的实验谂熟,更要学会融会贯通,利用已学知识解决可能遇到的问题。
2实验部分
2.1仪器与试剂
仪器:
乌氏粘度计置于热电偶控制的恒温水浴槽内(0.05℃)、吸耳球1支、秒表1块、容量瓶、移液管、刻度滴管、胶头滴管
试剂:
无水乙醇(0.7852,25℃)、蒸馏水(0.99707,25℃)。
2.2实验原理
2.2.1液体粘度的测定
任何液体都有粘滞性,其量值可用粘滞系数(简称粘度)表示。
η与组成该液体的分子的大小、形状、分子间作用力等有关。
测定粘度的方法主要有3种:
(1)用毛细管粘度计测定液体经毛细管的流出时间;
(2)用落球式粘度计测定圆球在液体中的下落速率;
(3)用旋转粘度计测定液体对同心轴圆柱体相向转动的影响。
本实验用毛细管流出法测定粘度。
毛细管粘度计有多种型式,如乌式粘度计、奥式粘度计等。
本实验使用乌式粘度计。
在某温度下,令液体在毛细管内流动,可根据泊素叶公式计算粘度:
η=πγ4ρt/8Vl[5]
式中,V是t时间内流过毛细管的液体体积,r是毛细管半径,p是毛细管两端的压力差,l是毛细管长度。
粘度的国际制单位为Pa·s,它与厘米克秒制单位泊的关系为1P=0.1Pa·s。
对于乌式粘度计p=ρgh,式中ρ为液体密度,g为重力加速度,h为液面与毛细管末端的距离。
在t时间内液面是逐渐下降的,因此h应为在t时间内液面与毛细管末端的“平均”距离(此处“平均”,确切地说是微积分所述之“中值”),对于不同的液体h大体相同。
则上式变成:
η1/η2=ρ1t1/ρ2t2
某温度下标准液体的η和ρ是已知的(例如纯水35℃时η1=0.074Pa·s,ρ1=994.1kg/m3),测得t1和t2并查得待测液体的密度ρ2,就可算出
η2=η1ρ2t2/ρ1t1
从表1中可以查得不同温度个体积分数时乙醇水溶液的密度(g/ml)
表1.个温度下乙醇水溶液的密度(g/ml)
体积分数
25℃
ρ/(g/ml)
30℃
ρ/(g/ml)
35℃
ρ/(g/ml)
40℃
ρ/(g/ml)
0
0.9971
0.9957
0.9941
0.9922
10%
0.9570
0.9722
0.9700
0.9666
25%
0.9420
0.9382
0.9340
0.9308
50%
0.8860
0.8822
0.8745
0.8720
2.2.2温度与粘度的关系[6]
温度变化使分子间作用力发生改变,粘度也有变化,粘度与温度的关系为:
E=Aexp(Ea/RT)或lnη=lnA+Ea/RT
其中Ea即是反应活化能。
根据Gamboa等人的工作,在溶液粘度与温度之间存在下列关系:
η/η0=A·exp(Ea/RT)[5]
其中,η----T温度下溶液粘度,Pa·s;
η0---T温度下溶剂粘度,Pa·s;
Ea----活化能,kJ·mol-1;
R——普适常数,8314J·mol-1K-1;
T——绝对温度,K;
A——实验确定常数。
研究认为上式中粘性流体的活化能Ea相当于活化自由能∆G,于是上式可改写为ln(η/η0)=lnA+∆G/RT
在直角坐标纸上作Ln(η/η0)~1/T关系曲线,从图中斜率可求出活化自由能∆G。
根据Gibbs-Helmholz方程:
ә(∆G/T)/ә(1/T)=∆H[5-6]
作∆G/T~1/T关系曲线,图中斜率即为∆H。
由∆G=∆H–T∆S得∆S=(∆H-∆G)/T,计算得到∆S、∆H、∆G。
2.2.3溶液的配制
①纯水溶液,100ml
②无水乙醇的水溶液,乙醇:
纯水=1:
9(10%)
③无水乙醇的水溶液,乙醇:
纯水=1:
4(25%)
④无水乙醇的水溶液,乙醇:
纯水=1:
1(50%)
调节温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃,测定流出时间t,根据公式计算出各溶液粘度,填入表2。
3结果与讨论
3.1实验结果处理
3.1.1测定不同温度下四种溶液的粘度列于表2。
表2.不同温度下各溶液粘度
温度(℃)
25
η/(Pa·s)
30
η/(Pa·s)
35
η/(Pa·s)
40
η/(Pa·s)
①溶液
0.8904
0.7975
0.7194
0.6529
②溶液
1.2022
1.0491
0.9261
0.8280
③溶液
1.7718
1.4846
1.3028
1.1139
④溶液
2.2808
1.9213
1.6415
1.3797
根据表2作图,得到Ln(η/η0)~1/T关系曲线,如图1所示,从图中可得斜率S=∆G/R,则∆G=SR。
3.1.2利用公式ә(∆G/T)/ә(1/T)=∆H作∆G/T~1/T关系曲线(图2),图中斜率即为∆H.
3.1.3利用公式∆S=(∆H-∆G)/T可求的∆S。
将∆G、∆H、∆S列于表3。
表3各溶液的自由能、焓、熵值
溶液
∆G/(kJ·mol-1)
∆H/(kJ·mol-1)
∆S/(J·mol-1K-1)
②溶液
1.3386
0.9839
-1.1903
③溶液
2.1080
0.9678
-7.1819
④溶液
3.8097
0.9523
-9.5883
图1.乙醇水溶液的㏑(η/η0)~1/T关系曲线
图2.∆G/T~1/T关系曲线
3.2讨论
3.2.1液体粘度
液体的粘度与它的分子大小、形状、分子间作用力和液体分子的结构有关。
通过粘度的测定可以溶液的有关热力学参数,由热力学参数可以评价溶液中各物质的相互溶解行为。
图1表明:
与多数溶液相似,乙醇水溶液的粘度随着温度的升高而降低。
3.2.2乙醇与水相容性
①从图1可以看出,乙醇水溶液粘度随着温度升高而降低,可能是由于温度升高使得分子运动速度加快,从而增加液体流动性;也可能是由于温度升高使分子间氢键部分断裂,是溶液粘度降低。
②实验中的∆G是活化自由能,表3表明随着乙醇体积分数的增加,活化自由能逐渐增大,即表示相容的难度增大。
③从表3可以看出,∆S基本上都小于零,且随着乙醇含量增加,∆S愈小。
说明乙醇水溶液是混乱度降低体系,这可能是由于乙醇分子中的羟基与水分子形成氢键,增加了分子间作用力,从而相对降低了混乱度,导致∆S小于零。
4结论
通常认为乙醇与水的混溶体系,研究却发现这种体系的熵变小于零,即两者相容性不是很好,但这与人们的普遍认知相违背,所以具体两者何种观点正确,有待进一步进行实验确认。
实验是从热力学的角度分析,热力学的判据只是只是一种可能性,即定性进行分析,对于具体情况要结合具体条件进行计算。
研究乙醇与水的相容性问题有利于我们对乙醇的有效利用,实验用热力学方法研究,可以用同样的方法测定乙醇与其它试剂之间的相容性问题,所以这种处理方法在理论上对研究相容性问题有一定帮助。
参考文献:
[1]高素莲,陈均,张秀真.聚氯乙烯与醋酸纤维素共混体系相容性研究[J].安徽大学学报(自然科学版).2004,28(3):
55-59
[2]朱平,张传杰.羧甲基纤维素与海藻酸钠的相容性研究[J].武汉科技学院学报.2008,21(8):
78-81
[3]徐国财,邢宏龙,赵永文.乳化炸药乳化剂相容性的研究[J].淮南矿业学院学报,1998,18(4):
29-32
[4]朱思君,王庆瑞.聚醚砜/酚酞基聚醚砜共混相容性及凝胶特性研究[J].功能高分子学报.2005,18(3):
465-468
[5]徐国财,张晓梅,石建军,等.物理化学实验指导丛书[M].安徽科学技术出版社,2005:
120-122
[6]傅献彩,沈文霞,姚天扬编.物理化学[M].第四版.北京:
高等教育出版社,1990:
79-173
科研训练心得
本次科研训练是我们初步了解并亲历科研工作的基本过程,是我们在未来学习和工作中必须具备的素质和能力,是理论联系实际的桥梁,是对我们学习能力和解决问题能力的一次锻炼。
本次科研训练的主题是“粘度法测乙醇与水的相容性”,通过查阅文献资料,拟定实验方案到具体实施。
虽然看似简单,但中间频频出现问题,通过不断发现问题到解决问题,提高了自己独立思考和自足学习的能力。
训练以小组为单位,通过互相讨论怎加了我们的团队协助精神。
在处理实验数据的过程中,严谨、认真是至关重要的,细节决定成败,每一个环节都不容忽视。
通过本次科研训练,一方面让我认识到理论联系实际的重要性,学会用已学的知识融会贯通解决新问题。
这就要求我们对所学知识谂熟的基础上,学会拓展和用创新的思维去运用,这对我们来说是一项挑战。
另一方面,这也是对我们能力的锻炼,虽然课题不是很复杂,但是整个过程都需要自己独立完成,必须亲历亲为,对每个步骤,每个环节都必须把握好。
从纸上谈兵到真正的置身沙场不是这一次训练能够做到的,但是这次训练确实给了我们一次实战演练的机会。
这次科研训练我认为注重的不是结果,而是在过程中收获了什么。
在本次科研训练我最大的收获就是学会提出问题并不断地解决问题,并培养了自己严谨认真的学习态度以及团队协助的精神,我相信这是未来工作和学习必须具备的条件。
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