間二甲苯與醋酸混合液密度黏度的測定及關聯(lián)

王冬梅,馬沛生

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

隨著計算機的廣泛使用，基礎數據在工程技術上的應用顯得更為重要.密度和黏度是重要的化工基礎數據，為確定工藝流程和設備設計所需的傳質、傳熱、自控等各種參數提供了依據；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構信息.文中測定了間二甲苯與醋酸二元混合物系在298.15～343.15K溫度之間整個組成范圍內的密度和黏度數據，分別計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方程進行了回歸，混合黏度用Andrade方程進行了關聯(lián). 用分子結構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 實驗過程

1.1 儀器和試劑

德國產BP210S 電子天平；501型超級恒溫槽；烏氏黏度計；精度為0.01s的電子秒表；日本產DensistySpecific Gravity Meter DA505型U形振動管密度計.

為了核對間二甲苯與醋酸的純度和實驗方法的準確性,測定了它們在298.15K和常壓下的密度與黏度，與文獻值進行了比較，如表1所示，間二甲苯與醋酸的實驗值與文獻值符合得很好，即實驗所用儀器和測定方法可靠.

表1 間二甲苯與醋酸在298.15K 下的密度、黏度性質

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 密度的測定

純組分和混合物的密度通過U形振動管密度計測定. 首先用去離子二次蒸餾水和干空氣對密度計進行校正，測量池的溫度讀數精確到±0.01K，密度測量時儀器的誤差為±1×10-5g·cm-3.

1.4 黏度的測定

利用烏氏黏度計測量黏度，恒溫水浴的溫度通過計算機控制，誤差為±0.1K，然后用精密溫度計讀取溫度，精度為±0.01K，液體流過黏度計毛細管的時間用精度為±0.01s 的電子數字秒表讀取. 每個數據點至少進行3次重復實驗，每兩次實驗的差值不大于0.05s，取3次測量的平均值作為最終實驗結果.黏度的測量精度為±0.003mPa·s.液體的黏度為

(1)

式(1)中η表示液體的粘度，ρ表示所測液體的密度，t是液體的流動時間，k和θ分別為粘度計常數和Hagenbach校正因子.

2 結果及討論

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量結果列于表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，但不與溫度呈線性關系.

利用密度數據可以計算超額摩爾體積，公式為

(2)

式(2)中：x為摩爾分數；M為摩爾質量，g·mol-1；ρ為密度，g·cm-3；下標1和2 分別表示純組分間二甲苯和醋酸；ρ12是溶液的密度.其計算結果列于表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的關系

表2 間二甲苯與醋酸二元混合溶液的密度測定值

表3 間二甲苯與醋酸二元混合溶液的黏度測定值

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，不同溫度下超額摩爾體積VE的變化趨勢相似，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作用、物理作用和結構特性三方面的貢獻[6]. 化學作用主要指兩種分子之間形成氫鍵則產生VE；物理作用是指分子之間的色散力、誘導力和取向力的不同而影響分子之間的距離進而使溶液產生VE；結構特性是指由于兩種分子的結構不同影響分子的排列而產生溶液的VE.

根據Redich-Kister方程[7]，超額摩爾體積VE與組成的關系按式(3)關聯(lián)，其關聯(lián)結果列于表5中.

(3)

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

表5中的平均相對誤差由式(4)計算而得，

(4)

與超額摩爾體積的計算方法相似，溶液黏度和按純組分的黏度與摩爾分率計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.其計算結果列于表6中.

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

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方程進行回歸的系數及平均相對誤差

在研究的溫度范圍內，△η在不同溫度下隨摩爾分數的變化情況如圖2所示.η是溶液的傳遞性質，是液體流動時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均為負值，且隨溫度增加其絕對值減小.

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.

混合溶液的黏度隨溫度的變化關系用Andrade公式[8]進行關聯(lián)，

(7)

式(7)中A、B為關聯(lián)參數.

計算結果列于表8中，可知各組成關聯(lián)的相關系數接近于1，即Andrade 公式適用于本溶液黏度的關聯(lián).

表8 間二甲苯(1)—醋酸(2)體系混合黏度按Andrade方程關聯(lián)的結果

3 結語

作者測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 方程進行了回歸，混合黏度與溫度的關系用Andrade公式進行了關聯(lián).

參考文獻：

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[8]馬沛生.化工數據[M]. 北京:中國國石化出版社,2003.