王冬梅,馬沛生

(1.通化師范學(xué)院 化學(xué)系,吉林 通化 134000;2.天津大學(xué) 化工學(xué)院,天津30072)

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛使用，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在工程技術(shù)上的應(yīng)用顯得更為重要.密度和黏度是重要的化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為確定工藝流程和設(shè)備設(shè)計(jì)所需的傳質(zhì)、傳熱、自控等各種參數(shù)提供了依據(jù)；混合黏度的變化△η和超額體積VE可使人們了解二元混合液中分子之間的作用以及分子本身的結(jié)構(gòu)信息.文中測(cè)定了間二甲苯與醋酸二元混合物系在298.15～343.15K溫度之間整個(gè)組成范圍內(nèi)的密度和黏度數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出了超額摩爾體積和混合黏度的變化，超額摩爾體積用Redlich-kister方程進(jìn)行了回歸，混合黏度用Andrade方程進(jìn)行了關(guān)聯(lián). 用分子結(jié)構(gòu)及分子之間存在的作用力解釋了超額體積和混合黏度的變化隨溫度和組成的變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 儀器和試劑

德國(guó)產(chǎn)BP210S 電子天平；501型超級(jí)恒溫槽；烏氏黏度計(jì)；精度為0.01s的電子秒表；日本產(chǎn)DensistySpecific Gravity Meter DA505型U形振動(dòng)管密度計(jì).

為了核對(duì)間二甲苯與醋酸的純度和實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性,測(cè)定了它們?cè)?98.15K和常壓下的密度與黏度，與文獻(xiàn)值進(jìn)行了比較，如表1所示，間二甲苯與醋酸的實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)值符合得很好，即實(shí)驗(yàn)所用儀器和測(cè)定方法可靠.

表1 間二甲苯與醋酸在298.15K 下的密度、黏度性質(zhì)

1.2 溶液的配制

二元混合物通過容量瓶稱重法配制，電子天平的精度0.1mg，在配制過程中首先稱取所需量的間二甲苯，在不接觸容量瓶的情況下，用注射器直接注入醋酸，搖勻即可，摩爾分率的誤差小于1×10-4.

1.3 密度的測(cè)定

純組分和混合物的密度通過U形振動(dòng)管密度計(jì)測(cè)定. 首先用去離子二次蒸餾水和干空氣對(duì)密度計(jì)進(jìn)行校正，測(cè)量池的溫度讀數(shù)精確到±0.01K，密度測(cè)量時(shí)儀器的誤差為±1×10-5g·cm-3.

1.4 黏度的測(cè)定

利用烏氏黏度計(jì)測(cè)量黏度，恒溫水浴的溫度通過計(jì)算機(jī)控制，誤差為±0.1K，然后用精密溫度計(jì)讀取溫度，精度為±0.01K，液體流過黏度計(jì)毛細(xì)管的時(shí)間用精度為±0.01s 的電子數(shù)字秒表讀取. 每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)至少進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每?jī)纱螌?shí)驗(yàn)的差值不大于0.05s，取3次測(cè)量的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果.黏度的測(cè)量精度為±0.003mPa·s.液體的黏度為

(1)

式(1)中η表示液體的粘度，ρ表示所測(cè)液體的密度，t是液體的流動(dòng)時(shí)間，k和θ分別為粘度計(jì)常數(shù)和Hagenbach校正因子.

2 結(jié)果及討論

間二甲苯與醋酸組成的混合液在不同組成和不同溫度下的密度和黏度測(cè)量結(jié)果列于表2、表3中.

由表2和表3可知，不同組成下的間二甲苯與醋酸混合液的密度隨著溫度的升高均勻下降，且各組成下的密度均與溫度呈很好的線性關(guān)系，不同組成下的混合液的黏度隨著溫度的升高也呈明顯的下降趨勢(shì)，但不與溫度呈線性關(guān)系.

利用密度數(shù)據(jù)可以計(jì)算超額摩爾體積，公式為

(2)

式(2)中：x為摩爾分?jǐn)?shù)；M為摩爾質(zhì)量，g·mol-1；ρ為密度，g·cm-3；下標(biāo)1和2 分別表示純組分間二甲苯和醋酸；ρ12是溶液的密度.其計(jì)算結(jié)果列于表4.

不同溫度下超額摩爾體積隨組成的變化曲線如圖1所示.

圖1 間二甲苯—醋酸體系的超額摩爾體積VE與間二甲苯摩爾分率x1的關(guān)系

表2 間二甲苯與醋酸二元混合溶液的密度測(cè)定值

表3 間二甲苯與醋酸二元混合溶液的黏度測(cè)定值

表4 間二甲苯與醋酸二元混合溶液在不同溫度及組成下的VE

由圖1可知，在所有組成范圍內(nèi)的超額摩爾體積VE均為正值，且在不同溫度下的等溫線都存在一極大值點(diǎn)，不同溫度下超額摩爾體積VE的變化趨勢(shì)相似，但在組成相同的情況下，隨著溫度的增加，VE越來越大.

二元溶液的VE主要來自組分的化學(xué)作用、物理作用和結(jié)構(gòu)特性三方面的貢獻(xiàn)[6]. 化學(xué)作用主要指兩種分子之間形成氫鍵則產(chǎn)生VE；物理作用是指分子之間的色散力、誘導(dǎo)力和取向力的不同而影響分子之間的距離進(jìn)而使溶液產(chǎn)生VE；結(jié)構(gòu)特性是指由于兩種分子的結(jié)構(gòu)不同影響分子的排列而產(chǎn)生溶液的VE.

根據(jù)Redich-Kister方程[7]，超額摩爾體積VE與組成的關(guān)系按式(3)關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)結(jié)果列于表5中.

(3)

式(3)中：х1和х2分別表示間二甲苯和醋酸的摩爾分?jǐn)?shù)；Ai是方程的回歸系數(shù).

表5中的平均相對(duì)誤差由式(4)計(jì)算而得，

(4)

與超額摩爾體積的計(jì)算方法相似，溶液黏度和按純組分的黏度與摩爾分率計(jì)算的差即混合黏度的變化

△η=η12-(x1η1+x2η2)

(5)

式(5)中η12、η1、η2分別表示溶液的粘度和純組分1、2 的粘度.其計(jì)算結(jié)果列于表6中.

表5 間二甲苯(1)—醋酸(2)體系的VE按Redich-Kister方程進(jìn)行回歸的系數(shù)及平均相對(duì)誤差

表6 間二甲苯與醋酸二元混合溶液在不同溫度及組成下的混合黏度的變化

表7 間二甲苯(1)—醋酸(2)體系的△η按Redich-Kister方程進(jìn)行回歸的系數(shù)及平均相對(duì)誤差

在研究的溫度范圍內(nèi)，△η在不同溫度下隨摩爾分?jǐn)?shù)的變化情況如圖2所示.η是溶液的傳遞性質(zhì)，是液體流動(dòng)時(shí)分子層之間單位面積上的黏滯力，也是分子之間作用力的反映.由圖2可知，在所有的組成下，△η均為負(fù)值，且隨溫度增加其絕對(duì)值減小.

圖2 間二甲苯—醋酸體系的混合黏度與間二甲苯摩爾分率x1的關(guān)系

(6)

式(6)中：x1、x2分別表示間二甲苯和醋酸的摩爾分率；Ai是方程的回歸系數(shù).

混合溶液的黏度隨溫度的變化關(guān)系用Andrade公式[8]進(jìn)行關(guān)聯(lián)，

(7)

式(7)中A、B為關(guān)聯(lián)參數(shù).

計(jì)算結(jié)果列于表8中，可知各組成關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)接近于1，即Andrade 公式適用于本溶液黏度的關(guān)聯(lián).

表8 間二甲苯(1)—醋酸(2)體系混合黏度按Andrade方程關(guān)聯(lián)的結(jié)果

3 結(jié)語

作者測(cè)定了間二甲苯與醋酸二元混合物系在不同溫度及組成下的密度和黏度并計(jì)算了該體系的超額體積和混合黏度的變化，將超額體積和混合黏度的變化按Redlich-kister 方程進(jìn)行了回歸，混合黏度與溫度的關(guān)系用Andrade公式進(jìn)行了關(guān)聯(lián).

參考文獻(xiàn)：

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