n-乙基哌嗪+水二元體系熱力學(xué)性質(zhì)研究【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　N-乙基哌嗪+水二元體系熱力學(xué)性質(zhì)研究 </p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 化

2、學(xué)工程與工藝 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　摘要:測(cè)定N-乙基哌嗪與水組成的二元體系293.

3、15K、298.15K、303.15K下密度、粘度和表面張力，并計(jì)算體系的體積性質(zhì)、粘度性質(zhì)、表面性質(zhì)和與之相關(guān)的過量性質(zhì)，從分子相互作用角度討論這些二元體系熱力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，為N-乙基哌嗪的開發(fā)和含N-乙哌嗪的二元體系的熱力學(xué)性質(zhì)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息。</p><p>　　關(guān)鍵詞: N-乙基哌嗪；水；熱力學(xué)性質(zhì)；測(cè)定；計(jì)算</p><p>　　Abstract:This paper

4、 has measured the density and kinematic viscosities, surface tension for binary mixtures of N-ethylpiperazine with water at 293.15K,298.15K and 303.15K, calculated the volume of system of computation nature, viscosity pr

5、operties and surface properties and related excessive properties, discussed the changes in the nature of the law from the perspective of interactions of molecular,and it will provide basic data and information for the de

6、velopment of N-ethyl piperazine.</p><p>　　Keywords: N-ethylpiperazine; water; thermodynamic property；calculate</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要…………………………………………………………………

7、…………………………………Ⅰ</p><p>　　Abstract…………………………………………‥‥‥………………………………………………Ⅱ</p><p>　　1 緒論‥……………………………………………………………………………………………（1）</p><p>　　1.1 論文選題的背景和意義………………………………………………………………‥‥（1）<

8、;/p><p>　　1.2 N-乙基哌嗪的物理性質(zhì)………………‥‥………………………………………………（1）</p><p>　　1.3 哌嗪的幾種合成方法……………………………………………………‥………………（2）</p><p>　　1.4 哌嗪相關(guān)體系熱力學(xué)性質(zhì)研究概況‥…………………………………‥‥‥‥‥‥‥‥ （2）</p><p&g

9、t;　　2 實(shí)驗(yàn)部分………………………………………………………………………‥‥…‥‥‥‥‥ （3）</p><p>　　2.1 體積性質(zhì)……………………………………‥‥………………………………………… （3）</p><p>　　2.1.1 純物質(zhì)的動(dòng)力粘度……………………‥‥………………………………………… （3）2.1.2 密度測(cè)定的實(shí)驗(yàn)儀器…………………‥‥………………………

10、………………… （3）</p><p>　　2.1.3 比重瓶原理……………………………………‥‥………………………………… （3）</p><p>　　2.1.4 密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟……………………………………‥‥………………………… （3）</p><p>　　2.1.5 密度數(shù)據(jù)………………………………………………………………………‥‥…‥ （4）<

11、;/p><p>　　2.1.6 過量體積性質(zhì) ………………………………………………………………………‥ （5） </p><p>　　2.2 粘度性質(zhì)…………………………………………………………………………………‥ （7）</p><p>　　2.2.1 純物質(zhì)的動(dòng)

12、力粘度……………………………………………………‥……‥…‥‥ （8）</p><p>　　2.2.2 毛細(xì)管法的原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥………‥‥……‥…………………………… （8）</p><p>　　2.2.3 粘度實(shí)驗(yàn)儀器………………………………………………………………………… （9）</p><p>　　2.2.4 粘度測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟…………………………

13、…………………………………………‥（9）</p><p>　　2.2.5 運(yùn)動(dòng)粘度數(shù)據(jù)………………………………………………………………………… （10）</p><p>　　2.2.6 計(jì)算動(dòng)力粘度與過量動(dòng)力粘度……………………………………………………… （11）</p><p>　　2.3 表面張力性質(zhì)…………………………………………………………………………

14、……（13）</p><p>　　2.3.1 純物質(zhì)的表面張力……………………………………………………‥‥‥‥‥‥…（13）</p><p>　　2.3.2 表面張力實(shí)驗(yàn)儀器………………………………………………………‥‥‥…‥‥（13）</p><p>　　2.3.3 吊環(huán)法原理…………………………………………………………………………… （13）</p&

15、gt;<p>　　2..3.4 表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟………………………………………………………………（13）</p><p>　　2.3.5 表面張力與過量表面張力……………………………………………………………（14）</p><p>　　3 結(jié)果與分析………………………………………………………………………………………（15）</p><p>

16、　　4 結(jié)論………………………………………………………………………………………‥‥‥‥（17）</p><p>　　致謝……………………………………………………………………………………‥‥‥‥‥（18）</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………… （19）</p><p><b>　　1 緒論<

17、;/b></p><p>　　1.1 論文選題的背景和意義</p><p>　　化工過程經(jīng)常要與物性打交道。研究熱力學(xué)性質(zhì)及其相互關(guān)系是分離設(shè)計(jì)、優(yōu)化和操作中不可缺少的基礎(chǔ)工作[1]。溶液熱力學(xué)作為化工熱力學(xué)的重要研究方向之一，在工程上應(yīng)用十分廣泛。由于該分支學(xué)科和擴(kuò)散分離過程、流體的物性學(xué)有著重要的聯(lián)系，所以它遍及化工、冶金、能源、資源利用和材料等各個(gè)重要領(lǐng)域[2]。</p

18、><p>　　超額性質(zhì)是真實(shí)溶液與理想溶液的摩爾性質(zhì)之差，也稱過量性質(zhì)。過量熱力學(xué)的研究不僅有助于闡明溶液的結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)并改進(jìn)溶液理論，對(duì)于化工生產(chǎn)過程的開發(fā)和設(shè)計(jì)也提供了重要的熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它可以為計(jì)算多組分混合物的性質(zhì)提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。用提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以估算不同類型分子間的相互作用，使宏觀的熱力學(xué)性質(zhì)和微觀的分子間力、分子的大小等聯(lián)系起來[3]。隨著科技的進(jìn)步，新物質(zhì)的不斷研發(fā)成功，需要相應(yīng)的物性數(shù)據(jù)、溶液過量性

19、質(zhì)數(shù)據(jù)，以便其更好的開發(fā)研究。本論文測(cè)定N-乙基哌嗪和水的二元體系的一系列密度、粘度、表面張力性質(zhì)，以期更好地了解和研究其熱力學(xué)性質(zhì)。</p><p>　　N-乙基哌嗪是哌嗪系列產(chǎn)品之一,作為醫(yī)藥中間體及精細(xì)化學(xué)品在制藥與有機(jī)合成中獲得應(yīng)用。主要用途是合成蒽氟沙星、合成染料及植物保護(hù)劑的原料[4]。因此,它及其衍生物的合成,物性研究和工藝開發(fā)都引起人們相當(dāng)高的重視。N-乙基哌嗪等烷基哌嗪常溫下為液體，易與水、醇類

20、等溶劑互溶，研究它與水、醇類組成體系的體積性質(zhì)、相平衡性質(zhì)、粘度性質(zhì)對(duì)于深入了解N-乙基哌嗪的熱力學(xué)特征以及相關(guān)的開發(fā)研究都有重要的意義[5]。</p><p>　　1.2 N-乙基哌嗪的物理性質(zhì)</p><p>　　N-乙基哌嗪（N-ethylpiperazine）是哌嗪衍生物中比較重要的一種化合物，分子式為C6H14N2，結(jié)構(gòu)式為，分子量為100.16。外觀為無(wú)色或淡黃色透明液體，溶

21、于水、乙醚、乙醇，可與水、甲醇等以任意比互溶，在水溶液中呈弱堿性。其一般物性見表1-1[6]。</p><p>　　表1-1 N-乙基哌嗪的一般物性</p><p>　　1.3 哌嗪的幾種合成方法</p><p>　　1.3.1乙醇胺裂解閉環(huán)[6]合成法：</p><p>　　該法是國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的六水哌嗪（含量40%-44%）生產(chǎn)方法。其工藝路線

22、是：先由環(huán)氧乙烷與過量氨反應(yīng)得到乙醇胺，然后用鹽酸中和并酸化到PH值2-3，所得乙醇胺鹽濃縮后，以石蠟油作溶劑進(jìn)行環(huán)合反應(yīng)，得到的反應(yīng)混合物經(jīng)蒸餾,冷卻后析出六水哌嗪結(jié)晶，甩濾得六水哌嗪。該工藝的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，投資少，但原材料消耗高，收率低，成本高，副產(chǎn)物多，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。</p><p>　　1.3.2乙烯合成法：</p><p>　　乙烯合成生產(chǎn)工藝是目前世界上最先進(jìn)的工藝路線之一。

23、該方法是由乙烯合成乙二胺、乙醇胺、副產(chǎn)哌嗪，哌嗪約占總產(chǎn)量的5%。該法收率高，污染小，成本低，產(chǎn)品質(zhì)量好，但一次性投資大，必須與大型石油化工裝置配套。</p><p>　　1.3.3乙二胺直接環(huán)合成法[7]：</p><p>　　該法采用Pentasil H 型沸石催化劑，與乙二胺接觸，反應(yīng)溫度為330℃，反應(yīng)壓力0.3Mpa，其相應(yīng)產(chǎn)物哌嗪收率為57%。該工藝收率不高，并且反應(yīng)溫度過高。

24、此法發(fā)展前景廣闊，但工藝本身尚待完善。</p><p>　　1.4 哌嗪相關(guān)體系熱力學(xué)性質(zhì)研究概況</p><p>　　哌嗪系列產(chǎn)品是氟哌酸等藥物的重要中間體, 也是一些合成染料的原料, 它們?cè)谥扑幑I(yè)和精細(xì)化學(xué)品開發(fā)中很有應(yīng)用價(jià)值。但是由于哌嗪系列產(chǎn)品是一類新產(chǎn)品, 許多基本的物性數(shù)據(jù)都很缺乏,給深入的研究和工程設(shè)計(jì)帶來不便。因此，研究哌嗪系列產(chǎn)品的熱力學(xué)性質(zhì)，為化工設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具

25、有重大的意義。相繼有很多科研究者發(fā)表了哌嗪系列產(chǎn)品的熱力學(xué)性質(zhì)的文章。顧飛燕等對(duì)哌嗪系列相關(guān)體系的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行過一些研究[2]，報(bào)道了N-甲基哌嗪+哌嗪、水+N-甲基哌嗪及水+N-乙基哌嗪二元體系的一些物性和汽液平衡性質(zhì)，陳樹大[2]等對(duì)N-甲基哌嗪相關(guān)的許多熱力學(xué)性質(zhì)及汽-液平衡數(shù)據(jù)做了系統(tǒng)的研究。</p><p><b>　　2 實(shí)驗(yàn)部分</b></p><p&g

26、t;<b>　　2.1體積性質(zhì)</b></p><p>　　液體密度常用的測(cè)定方法有比重瓶法、浮力法、振動(dòng)管密度計(jì)法以及振動(dòng)絲粘度密度儀法[8]。比重瓶和液體比重計(jì)曾經(jīng)是最常用的密度測(cè)量工具。</p><p>　　2.1.1 純物質(zhì)的密度</p><p>　　查得純物質(zhì)的密度的文獻(xiàn)值如下表。</p><p>　　表2-

27、1 純物質(zhì)的密度的文獻(xiàn)值</p><p>　　2.1.2 密度測(cè)定的實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　恒溫水浴槽一套，電子天平，100毫升錐形瓶11個(gè)，25毫升比重瓶（附有特制溫度計(jì)、帶磨口帽的小支管的）11個(gè)，25毫升移液管2支，10毫升移液管2支，5毫升移液管2支，洗耳球1個(gè)</p><p>　　2.1.3 密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理</p><p>

28、;　　20℃時(shí)分別測(cè)定充滿同一密度瓶的水及試樣的質(zhì)量，由水的質(zhì)量可確定密度瓶的容積即試樣的體積，根據(jù)試樣的質(zhì)量及體積即可求其密度。</p><p>　　試樣密度ρ按下式計(jì)算：</p><p><b>　　ρ=</b></p><p>　　又 V=m水 /ρ0</p><p>　　則

29、 ρ=m樣ρ0/m水 </p><p>　　式中 m樣——20℃時(shí)充滿密度瓶的試樣表觀質(zhì)量，g；</p><p>　　m水 ——20℃時(shí)充滿密度瓶的蒸餾水表現(xiàn)質(zhì)量，g；</p><p>　　ρ0 ——20℃時(shí)蒸餾水的密度。</p><p>　　2.1.4 密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟</p><p>　　（1）

30、用電子天平稱重并配制不同組成的二元混合溶液待測(cè)。</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)循環(huán)水恒溫槽到預(yù)定溫度。</p><p>　?。?）秤取每個(gè)空比重瓶的質(zhì)量M1,用蒸餾水充滿比重瓶，用濾紙擦干溢出的蒸餾水，放入恒溫水浴槽中，到達(dá)測(cè)定溫度，取出，擦干溢出的水，稱重M2，水的質(zhì)量M2-M1。</p><p>　　（4）重復(fù)（3)步驟測(cè)定293.15K，298.15K，30

31、3.15K下每個(gè)二元混合溶液的質(zhì)量。</p><p>　　（5）計(jì)算293.15K，298.15K，303.15K下每個(gè)二元混合溶液的密度。</p><p>　　2.1.5 密度數(shù)據(jù)</p><p>　　分別在293.15K，298.15K，303.15K下，測(cè)定水和N-乙基哌嗪二元體系的密度列于下表2-2。</p><p>　　表2-2

32、水+N-乙基哌嗪二元體系不同濃度下的密度</p><p><b>　　由上表作圖2-2</b></p><p>　　圖2-2 水+N-乙基哌嗪二元體系不同濃度下的密度 </p><p>　　2.1.6 過量體積性質(zhì)</p><p>　　二元體系的超額摩爾體積和組分的超額偏摩爾體積</p><p>

33、　　根據(jù)密度數(shù)據(jù)，可以計(jì)算二元體系的超額摩爾體積VE:</p><p>　　其中, ρ和V 分別為二元混合物的密度和摩爾體積, x i,V i,M i ( i= 1, 2) 分別為純組分i 的摩爾分?jǐn)?shù)、摩爾體積和摩爾質(zhì)量。</p><p>　　二元體系的超額摩爾體積與組成的關(guān)系可采用如下的Redlich-Kister多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)：</p><p>　　并且可以通過最小

34、二乘法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定方程參數(shù)。</p><p>　　根據(jù)溶液熱力學(xué)理論，可以推導(dǎo)得到組分的超額偏摩爾體積：</p><p>　　二元體系的超額摩爾體積VE在極值點(diǎn)處有：</p><p><b>　　。</b></p><p>　　根據(jù)上述密度數(shù)據(jù)計(jì)算二元混合溶液的摩爾體積及超額摩爾體積,將其列于表2-3</p&g

35、t;<p>　　表2-3 水1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的摩爾體積與超額摩爾體積</p><p>　　圖2-3 水(1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的摩爾體積（293.15K）</p><p>　　圖2-4 水(1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的摩爾體積（298.15K）</p><p>　　圖2-5 水(1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的摩爾體積

36、（303.15K）</p><p>　　圖2-6 水(1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的超額摩爾體積</p><p><b>　　2.2 粘度性質(zhì)</b></p><p>　　當(dāng)液體內(nèi)各部分之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸面之間存在內(nèi)摩擦力，阻礙液體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種性質(zhì)稱為液體的粘滯性，液體的內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。粘滯力的大小與接觸面面積以及接觸面處的速

37、度梯度成正比，比例系數(shù)η稱為粘度（或粘滯系數(shù)）。</p><p>　　2.2.1 純物質(zhì)的動(dòng)力粘度</p><p>　　查得純物質(zhì)的動(dòng)力粘度的文獻(xiàn)值如下表，以便計(jì)算粘度計(jì)常數(shù)。</p><p>　　表2-4 純物質(zhì)的動(dòng)力粘度的文獻(xiàn)值</p><p>　　2.2.2毛細(xì)管法原理</p><p>　　測(cè)量液體粘度的方法有

38、多種測(cè)量液體粘度的方法有多種, 如細(xì)管法、轉(zhuǎn)筒法、錐板法、落球法、振動(dòng)法和光干涉發(fā)等，其中最常用的方法是毛細(xì)管法和同心轉(zhuǎn)筒法[11-13]。本次實(shí)驗(yàn)就采取毛細(xì)管法。毛細(xì)管粘度計(jì)因不能調(diào)節(jié)線速度,不便測(cè)定非牛頓流體的粘度,但對(duì)高聚物的稀薄溶液或低粘度液體的粘度測(cè)定影響不大。毛細(xì)管粘度計(jì)種類很多，本實(shí)驗(yàn)采用烏氏粘度計(jì)。在規(guī)定條件下測(cè)定試樣在烏氏粘度計(jì)中的流出時(shí)間(s)，與該粘度計(jì)用已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液測(cè)得的粘度計(jì)常數(shù)計(jì)算可得溶液的運(yùn)動(dòng)粘度。&l

39、t;/p><p>　　假設(shè)細(xì)管的半徑為R,長(zhǎng)度為L(zhǎng),細(xì)管兩端的壓強(qiáng)差為P,液體在πR2P外力的作用下，在細(xì)管中做勻速流動(dòng)，如圖2-1所示 [11]。</p><p>　　圖2-7 細(xì)管中流體受力圖</p><p>　　由Poiseuille 定律, 毛細(xì)管粘度計(jì)的粘度計(jì)算公式為</p><p>　　（1）其中V為時(shí)間t內(nèi)流過毛細(xì)管的體積</

40、p><p>　　若考慮動(dòng)能校正, 粘度計(jì)算公式為:</p><p>　　2.2.3 粘度測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　SYD-265C石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定器 毛細(xì)管粘度計(jì)（烏氏，規(guī)格0.6,0.8mm）</p><p>　　2.2.4 粘度測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟</p><p>　　(1) 用電子天平稱重并

41、配制不同組成的二元混合溶液待測(cè)。</p><p>　　(2) 用標(biāo)準(zhǔn)液體標(biāo)定烏氏粘度計(jì)，得粘度計(jì)系數(shù)C1</p><p>　　(3) 通過測(cè)定不同粘度計(jì)的流動(dòng)時(shí)間（使流動(dòng)時(shí)間不少于200s）,選擇合適的品氏粘度計(jì)。</p><p>　　(4) 利用鉛垂線將粘度計(jì)調(diào)整成為垂直狀態(tài)(通過夾持器上的三個(gè)小螺釘進(jìn)行調(diào)整)，要從兩個(gè)相互垂直的方向去檢查。</p>

42、<p>　　(5) 將恒溫水浴調(diào)整到規(guī)定的溫度，將粘度計(jì)垂直固定于恒溫水浴中，將待測(cè)溶液自A管注入粘度計(jì)內(nèi)，恒溫10到15分鐘，夾緊C管上連結(jié)的乳膠管，吸上試樣進(jìn)行測(cè)量（使水浴的液面高于球G的中部放置15分鐘后，自橡皮管的另一端抽氣，使供試樣充滿球G并超過測(cè)定線m），開放橡皮管口，使供試樣在管內(nèi)自然下落，用秒表準(zhǔn)確記錄液面自測(cè)定線m下降至測(cè)定線n處的流出時(shí)間。</p><p>　　(7) 重復(fù)上述測(cè)定

43、3次，其中各次流動(dòng)時(shí)間與其算術(shù)平均值的差數(shù)不超過算術(shù)平均值的±0.5％，然后取不少于3次的流動(dòng)時(shí)間所得的算術(shù)平均值，作為試樣的平均流動(dòng)時(shí)間。</p><p>　　(8) 利用公式計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度。</p><p>　　圖2-8 烏氏粘度計(jì)</p><p>　　2.2.5 運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)定</p><p>　　采用烏氏粘度計(jì)分別測(cè)定水與N-

44、乙基哌嗪組成二元體系在293.15K、在298.15K、303.15K下的流動(dòng)時(shí)間，通過公式(3)計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度，并結(jié)合對(duì)應(yīng)的密度數(shù)據(jù)，計(jì)算了這個(gè)不同濃度組成的二元體系在上述三個(gè)溫度下的動(dòng)力粘度和過量粘度，再進(jìn)行了不同溫度下的作圖對(duì)比。從分子相互作用角度討論了這些二元體系的粘度性質(zhì)的變化規(guī)律。</p><p>　　表2-5水(1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的運(yùn)動(dòng)粘度與密度</p><p>

45、　　2.2.6 計(jì)算動(dòng)力粘度與過量動(dòng)力粘度</p><p>　　在某一恒定溫度下，測(cè)定醇與N-甲基哌嗪混合液在重力下流過已標(biāo)定好的烏氏毛細(xì)管粘度計(jì)的時(shí)間，其運(yùn)動(dòng)粘度用符號(hào)V表示：v= Cl·t (3)</p><p>　　根據(jù)公式(12)計(jì)算所得的是運(yùn)動(dòng)粘度，為此還需要通過密度進(jìn)行換算：η=ρv

46、 (4)式中η為動(dòng)力粘度，ρ為密度，v為運(yùn)動(dòng)粘度。</p><p>　　類似于過量性質(zhì)，混合物動(dòng)力粘度與相應(yīng)純組分動(dòng)力粘度線性組合之間的差ηE[12]為：</p><p>　　ηE=η-(x1η1+ x2η2) (5)</p><p>　　其中η和

47、η1、η2分別為混合物和相應(yīng)純組分的動(dòng)力粘度。</p><p>　　根據(jù)所測(cè)得的溶液的運(yùn)動(dòng)粘度和同濃度下的密度數(shù)據(jù)，利用公式(4)計(jì)算動(dòng)力粘度，利用公式(5)計(jì)算過量粘度。將動(dòng)力粘度和過量粘度列于表2-3中，并作出濃度與粘度的關(guān)系圖：圖2-3</p><p>　　表2-6 水(1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的動(dòng)力粘度與過量動(dòng)力粘度</p><p>　　圖2-9 水

48、和N-乙基哌嗪二元體系的動(dòng)力粘度</p><p>　　圖2-10 水和N-乙基哌嗪二元體系的過量動(dòng)力粘度</p><p>　　2.3 表面張力性質(zhì)</p><p>　　液體分子之間的內(nèi)聚力使得液體表面上存在著一種應(yīng)力，即液體表面張力。 液體表面張力使得液體表面猶如張緊的彈性膜，具有自發(fā)收縮的趨勢(shì)。單位長(zhǎng)度液膜上的表面張力的大小為液體的表面張力系數(shù)， 它主要受溫度和

49、液體濃度的影響[14] 表面張力是液體重要的物理性質(zhì)參數(shù), 是影各種化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一, 也化學(xué)工程計(jì)算中必不可少的基礎(chǔ)物性參數(shù)[15]。</p><p>　　2.3.1 純物質(zhì)的表面張力</p><p>　　查得純物質(zhì)的表面張力的文獻(xiàn)值如下表。</p><p>　　表2-1 純物質(zhì)的表面張力的文獻(xiàn)值</p><p>　　2.

50、3.2 表面張力實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　FA1004型電子天平； 76-1A型玻璃恒溫水浴；ZL-2100型自動(dòng)界面張力儀</p><p>　　2.3.3 吊環(huán)法原理</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用吊環(huán)法測(cè)定以上各個(gè)二元體系在一定溫度下的表面張力，將一個(gè)直徑2r的鉑絲制成的內(nèi)徑2R'的圓環(huán)平置于液面，當(dāng)圓環(huán)被向上緩慢提起時(shí)，在圓環(huán)的內(nèi)外表面會(huì)形成與環(huán)

51、表面相垂直的液膜，內(nèi)外液膜表面張力的合力豎直向下與拉力平衡。</p><p>　　當(dāng)液膜被切斷的瞬間，設(shè)此時(shí)液體的表面張力為σ，總拉力與圓環(huán)重力的差為ι，則有：</p><p>　　ι=2πR'σ+2πσ（R'+ r） (2)</p><p>　　

52、如果令R = R'+ r ，則上式可以改寫為：</p><p><b>　　σ=ι/（4πR）</b></p><p>　　2.3.4 表面張力實(shí)驗(yàn)步驟</p><p>　?。?）配制不同組成的水與N-乙基哌嗪組成的二元體系溶液。</p><p>　?。?）對(duì)自動(dòng)界面張力儀進(jìn)行儀器校正、參數(shù)設(shè)定，要保證鉑環(huán)為圓

53、形，并與其相連的絲保持垂直。 </p><p>　?。?）將恒溫水浴調(diào)整到規(guī)定的溫度，把裝好試樣的錐形瓶浸在恒溫水浴中恒溫15分鐘，試驗(yàn)的溫度必須保持恒定到±0.1℃。</p><p>　?。?）取出錐形瓶并將試樣倒入樣品杯，根據(jù)自動(dòng)界面張力儀的提示測(cè)量表面張力，并記錄下來。</p><p>　?。?）重復(fù)上述測(cè)定至少3次。</p><

54、p>　　2.3.5表面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理</p><p>　　表2-8 水(1)+N-乙基哌嗪(2)二元體系的表面張力與過量表面張力</p><p>　　水和N-乙基哌嗪二元體系的表面張力性質(zhì)</p><p>　　水和N-乙基哌嗪二元體系的過量表面張力性質(zhì)</p><p><b>　　3 結(jié)果與分析</b><

55、/p><p><b>　　3.1 結(jié)果</b></p><p><b>　　3.1.1體積性質(zhì)</b></p><p>　　對(duì)數(shù)據(jù)和圖的分析,可以得到結(jié)論:</p><p>　　測(cè)定了水與N-乙基哌嗪組成的六個(gè)二元體系在不同組成和293.15K、298.15K、303.15K下的密度，計(jì)算了水+N-乙

56、基哌嗪二元體系的摩爾體積和超額摩爾體積重要體積性質(zhì)。該體系的超額摩爾體積在全濃度范圍均為負(fù)值，極小值出現(xiàn)在X1≈0.50～0.60范圍內(nèi)的富水區(qū)。</p><p>　　3.1.2體積性質(zhì)的討論</p><p>　　由圖2-6圖可知,水+N-乙基哌嗪體系的超額摩爾體積VE在全濃度范圍均為負(fù)值,由于水與N-乙基哌嗪分子交叉締合作用對(duì)VE的負(fù)貢獻(xiàn)超過了同種分子間的解締、物理和結(jié)構(gòu)因素所引起的正貢

57、獻(xiàn)，導(dǎo)致VE在全濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)為負(fù)值。</p><p><b>　　3.2.1粘度性質(zhì)</b></p><p>　　從表2-5可以看出：對(duì)于水和N-乙基哌嗪的二元體系，在恒定溫度下，都隨著水的摩爾分率的增大，二元體系的運(yùn)動(dòng)粘度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。從表2-6可以看出，在恒定溫度下，隨著水的摩爾分率的增大，二元體系的動(dòng)力粘度和過量動(dòng)力粘度也呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。

58、從圖2-9～圖2-10比較可得，含水和N-乙基哌嗪混合液的動(dòng)力粘度最大值出現(xiàn)在x=0.7附近。</p><p>　　3.2.2 粘度性質(zhì)的討論</p><p>　　分子間有氫鍵的液體，一般粘度較大。氧、氮是電負(fù)性大的原子，易與氫共價(jià)結(jié)合形成氫鍵。從是否形成氫鍵和氫鍵強(qiáng)弱的角度分析， N-乙基哌嗪分子自身不能締合。在混合溶液中，由于分子結(jié)構(gòu)對(duì)液體混合物粘度影響很大，當(dāng)液體混合物中一個(gè)組分為極

59、性或兩個(gè)組分之間有輕微締合作用時(shí),很容易在某一組成時(shí)出現(xiàn)最大或最小的混合粘度[17]。水和N-乙基哌嗪分子兩者之間卻可以通過O-H…N發(fā)生交叉締合。而且O-H…O、N-H…N和O-H…N的氫鍵相互作用能分別為-25.1、-13.2和-39.3KJ／mol[2]。由此可知O-H…N是該混合液中最強(qiáng)的分子間相互作用力。由于溶液的分子間作用力越大，溶液的粘度就越大。純N-乙基哌嗪存在微弱的N-H…N的氫鍵，分子間作用力很小，因而粘度較小。當(dāng)N

60、-乙基哌嗪中加入水，其兩者之間形成O-H…N的氫鍵，使分子間作用力增加，溶液的粘度也增大。當(dāng)水的量達(dá)到某一值時(shí)，N-乙基哌嗪中氮原子恰好全部與水中-OH形成0-H…N的氫鍵，此時(shí)粘度達(dá)到最大值。隨著水的繼續(xù)加入，一部分水與N-乙基哌嗪形成氫鍵，一部分自身形成O-H…O氫鍵，而鍵能0-H…O小于O-H…N，因此分子間作用力減弱，導(dǎo)致</p><p>　　3.3.1表面張力性質(zhì)</p><p>

61、;　　測(cè)定了水與N-乙基哌嗪組成的二元體系在不同的組成和溫度（298.15K、303.15K和308.15K）下的表面張力，計(jì)算了上述二元體系在不同的組成和溫度（298.15K、303.15K和308.15K）下的過量表面張力。得出了：</p><p>　　（1）表面張力與N-乙基哌嗪摩爾分率呈負(fù)相關(guān)性，N-乙基哌嗪摩爾分率較低的溶液其表面張力較大。這是由于當(dāng)水中加入N-乙基哌嗪后，由于他們都是有機(jī)類化合物，分子

62、間的相互作用減弱，當(dāng)它們富集于表面時(shí)，會(huì)使表面層中分子間的相互作用減弱，使溶液的表面張力降低，進(jìn)而降低表面吉布斯函數(shù)。所以這兩種物質(zhì)會(huì)自動(dòng)地富集到表面，使得醇在表面的濃度高于本體的濃度。隨著醇的摩爾分?jǐn)?shù)的增加，就會(huì)有更多的物質(zhì)富集到表面，會(huì)使表面層中分子間的相互作用越來越小，使得表面張力越來越小[8]。</p><p>　　（2）實(shí)驗(yàn)所測(cè)溶液的表面張力在不同摩爾分率下與溫度的相關(guān)性不同。當(dāng)摩爾分率很低時(shí)，表面張力

63、大小受溫度影響不大；溫度升高時(shí)，表面張力緩慢減小。當(dāng)摩爾分率增加到某個(gè)特定范圍時(shí)，表面張力在某個(gè)溫度下會(huì)出現(xiàn)最小值；大于該溫度時(shí)，表面張力隨溫度升高而增大。這是由于溫度升高時(shí)，物質(zhì)的體積膨脹，分子間的距離增加，分子間的相互作用減弱。當(dāng)溫度趨于臨界溫度時(shí)，飽和液體與飽和蒸氣的性質(zhì)趨于一致，相界面趨于消失，此時(shí)液體的表面張力趨于零。</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p&g

64、t;<p>　　通過這次實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：</p><p>　?。?）測(cè)定了水與N-乙基哌嗪組成的六個(gè)二元體系在不同組成和293.15K、298.15K、303.15K下的密度，計(jì)算了水+N-乙基哌嗪二元體系的摩爾體積和超額摩爾體積重要體積性質(zhì)。</p><p>　?。?）該體系的超額摩爾體積在全濃度范圍均為負(fù)值，極小值出現(xiàn)在X1≈0.40～0.60范圍內(nèi)的富水區(qū)。.&

65、lt;/p><p>　　（3）測(cè)定了水與N-乙基哌嗪組成的六個(gè)二元體系在不同組成和293.15K、298.15K、303.15K下的運(yùn)動(dòng)粘度，計(jì)算了水+N-乙基哌嗪二元體系的動(dòng)力粘度和過量動(dòng)力粘度，討論該二元體系的粘度性質(zhì)隨組成和溫度的遞變規(guī)律及其原因。</p><p>　?。?）測(cè)定了水與N-乙基哌嗪組成的二元體系在不同的組成和溫度（298.15K、303.15K和308.15K）下的表面張

66、力，計(jì)算了上述二元體系在不同的組成和溫度（298.15K、303.15K和308.15K）下的過量表面張力, 討論該二元體系的粘度性質(zhì)隨組成和溫度的遞變規(guī)律及其原因。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]陳新志，蔡振云，胡望明.化工熱力學(xué)[M](第二版).北京化學(xué)工業(yè)出版社,2008,9:1</p><p>

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