间二甲苯与醋酸混合液密度黏度的测定及关联

王冬梅,马沛生

(1.通化师范学院 化学系,吉林 通化 134000;2.天津大学 化工学院,天津30072)

随着计算机的广泛使用，基础数据在工程技术上的应用显得更为重要.密度和黏度是重要的化工基础数据，为确定工艺流程和设备设计所需的传质、传热、自控等各种参数提供了依据；混合黏度的变化△η和超额体积VE可使人们了解二元混合液中分子之间的作用以及分子本身的结构信息.文中测定了间二甲苯与醋酸二元混合物系在298.15～343.15K温度之间整个组成范围内的密度和黏度数据，分别计算出了超额摩尔体积和混合黏度的变化，超额摩尔体积用Redlich-kister方程进行了回归，混合黏度用Andrade方程进行了关联. 用分子结构及分子之间存在的作用力解释了超额体积和混合黏度的变化随温度和组成的变化规律.

1 实验过程

1.1 仪器和试剂

德国产BP210S 电子天平；501型超级恒温槽；乌氏黏度计；精度为0.01s的电子秒表；日本产DensistySpecific Gravity Meter DA505型U形振动管密度计.

为了核对间二甲苯与醋酸的纯度和实验方法的准确性,测定了它们在298.15K和常压下的密度与黏度，与文献值进行了比较，如表1所示，间二甲苯与醋酸的实验值与文献值符合得很好，即实验所用仪器和测定方法可靠.

表1 间二甲苯与醋酸在298.15K 下的密度、黏度性质

1.2 溶液的配制

二元混合物通过容量瓶称重法配制，电子天平的精度0.1mg，在配制过程中首先称取所需量的间二甲苯，在不接触容量瓶的情况下，用注射器直接注入醋酸，摇匀即可，摩尔分率的误差小于1×10-4.

1.3 密度的测定

纯组分和混合物的密度通过U形振动管密度计测定. 首先用去离子二次蒸馏水和干空气对密度计进行校正，测量池的温度读数精确到±0.01K，密度测量时仪器的误差为±1×10-5g·cm-3.

1.4 黏度的测定

利用乌氏黏度计测量黏度，恒温水浴的温度通过计算机控制，误差为±0.1K，然后用精密温度计读取温度，精度为±0.01K，液体流过黏度计毛细管的时间用精度为±0.01s 的电子数字秒表读取. 每个数据点至少进行3次重复实验，每两次实验的差值不大于0.05s，取3次测量的平均值作为最终实验结果.黏度的测量精度为±0.003mPa·s.液体的黏度为

(1)

式(1)中η表示液体的粘度，ρ表示所测液体的密度，t是液体的流动时间，k和θ分别为粘度计常数和Hagenbach校正因子.

2 结果及讨论

间二甲苯与醋酸组成的混合液在不同组成和不同温度下的密度和黏度测量结果列于表2、表3中.

由表2和表3可知，不同组成下的间二甲苯与醋酸混合液的密度随着温度的升高均匀下降，且各组成下的密度均与温度呈很好的线性关系，不同组成下的混合液的黏度随着温度的升高也呈明显的下降趋势，但不与温度呈线性关系.

利用密度数据可以计算超额摩尔体积，公式为

(2)

式(2)中：x为摩尔分数；M为摩尔质量，g·mol-1；ρ为密度，g·cm-3；下标1和2 分别表示纯组分间二甲苯和醋酸；ρ12是溶液的密度.其计算结果列于表4.

不同温度下超额摩尔体积随组成的变化曲线如图1所示.

图1 间二甲苯—醋酸体系的超额摩尔体积VE与间二甲苯摩尔分率x1的关系

表2 间二甲苯与醋酸二元混合溶液的密度测定值

表3 间二甲苯与醋酸二元混合溶液的黏度测定值

表4 间二甲苯与醋酸二元混合溶液在不同温度及组成下的VE

由图1可知，在所有组成范围内的超额摩尔体积VE均为正值，且在不同温度下的等温线都存在一极大值点，不同温度下超额摩尔体积VE的变化趋势相似，但在组成相同的情况下，随着温度的增加，VE越来越大.

二元溶液的VE主要来自组分的化学作用、物理作用和结构特性三方面的贡献[6]. 化学作用主要指两种分子之间形成氢键则产生VE；物理作用是指分子之间的色散力、诱导力和取向力的不同而影响分子之间的距离进而使溶液产生VE；结构特性是指由于两种分子的结构不同影响分子的排列而产生溶液的VE.

根据Redich-Kister方程[7]，超额摩尔体积VE与组成的关系按式(3)关联，其关联结果列于表5中.

(3)

式(3)中：х1和х2分别表示间二甲苯和醋酸的摩尔分数；Ai是方程的回归系数.

表5中的平均相对误差由式(4)计算而得，

(4)

与超额摩尔体积的计算方法相似，溶液黏度和按纯组分的黏度与摩尔分率计算的差即混合黏度的变化

△η=η12-(x1η1+x2η2)

(5)

式(5)中η12、η1、η2分别表示溶液的粘度和纯组分1、2 的粘度.其计算结果列于表6中.

表5 间二甲苯(1)—醋酸(2)体系的VE按Redich-Kister方程进行回归的系数及平均相对误差

表6 间二甲苯与醋酸二元混合溶液在不同温度及组成下的混合黏度的变化

表7 间二甲苯(1)—醋酸(2)体系的△η按Redich-Kister方程进行回归的系数及平均相对误差

在研究的温度范围内，△η在不同温度下随摩尔分数的变化情况如图2所示.η是溶液的传递性质，是液体流动时分子层之间单位面积上的黏滞力，也是分子之间作用力的反映.由图2可知，在所有的组成下，△η均为负值，且随温度增加其绝对值减小.

图2 间二甲苯—醋酸体系的混合黏度与间二甲苯摩尔分率x1的关系

(6)

式(6)中：x1、x2分别表示间二甲苯和醋酸的摩尔分率；Ai是方程的回归系数.

混合溶液的黏度随温度的变化关系用Andrade公式[8]进行关联，

(7)

式(7)中A、B为关联参数.

计算结果列于表8中，可知各组成关联的相关系数接近于1，即Andrade 公式适用于本溶液黏度的关联.

表8 间二甲苯(1)—醋酸(2)体系混合黏度按Andrade方程关联的结果

3 结语

作者测定了间二甲苯与醋酸二元混合物系在不同温度及组成下的密度和黏度并计算了该体系的超额体积和混合黏度的变化，将超额体积和混合黏度的变化按Redlich-kister 方程进行了回归，混合黏度与温度的关系用Andrade公式进行了关联.

参考文献：

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[8]马沛生.化工数据[M]. 北京:中国国石化出版社,2003.