完整版1乙基3甲基咪唑乳酸盐离子液体的热力学研究毕业设计.docx
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完整版1乙基3甲基咪唑乳酸盐离子液体的热力学研究毕业设计
本科毕业论文（设计）
1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体的热力学性质研究
Thestudyonthermodynamicpropertiesof1-ethyl-3-methyimidazoliumlacticacidionicliquid
BohaiUniversity
摘要
离子液体（ionicliquid）是指在室温范围内（通常为100℃）呈现液态的完全由离子构成的物质体系，又称室温离子液体（roomtemperatureionicliquids）。
离子液体的最早报导可以追溯到20世纪初。
与传统的溶剂相比离子液体具有如下特点:
（1）没有显著的蒸气压
（2）具有良好的溶解能力。
（3）具有良好的导电性。
（4）具有较好的热稳定性和化学稳定性。
（5）易于与其他物质分离，可循环利用。
（6）制备简单。
作为新型的绿色溶剂和环保电解质，离子液体其具有良好的导电性、较低的熔点、宽阔的电化学窗口和可以忽略的蒸汽压等多种优点而广泛的应用于诸多领域。
因此，离子液体的合成开发与应用越来越受到化学工作者的重视，已被广泛地应用于有机合成、分离、电化学和无机物的制备中。
本文对离子液体的类别、特性、发展历史及应用前景做了总结，并以1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体为研究对象,对离子液体热力学性质进行研究。
关键词:
离子液体;绿色溶剂;环保电解质;热力学性质
Thestudyonthermodynamicpropertiesof1-ethyl-3-methylimidazoliumlacticacidionicliquid
Abstract
Ionicliquidsisinthetemperaturerange（usuallyunderthe100℃）renderedentirelybytheIoniccompositionoftheliquidmaterialsystem,alsoknownasionicliquidsatroomtemperature.Earliestreportsofionicliquidscanbetracedbacktotheearly20thcentury.ComparedwithtraditionalsolventforIonicliquid.Thirdly,withgoodelectricalconductivity.Thefourth,beeasilyseparatedwithothermaterialandcanberecycled.Thesixth,itofsimple.
AsanewtypeofGreensolventsandenvironmentallyfriendlyelectrolyte,itwidelyappliedtomanyotherareas.Sothesyntheticdevelopmentandapplicationsofionicliquidsincreasingattractedtheattentionofchemicalworkers,whichwidelyusedinorganicsynthesis,separation,electrochemistryandpreparationofinorganiccompounds.Thisarticlecharacteristics,witchdothesummarytothedevelopmentofionicliquidsanditsapplicationprospectsanddotheresearchforthe1-ethyl-3-methyllimidazoliumlacticacidionicliquidandthechemicalPropertyofionicliquid.
Keywords:
Ionicliquid;1-ethyl-3-methyllimidazoliulacticacidionicliquid;environmentallyfriendlyelectrolyte;[15]把离子液体作为溶剂应用于有机合成，产率高，选择性好。
作为溶剂的离子液体可以回收，不污染空气，也不污染水源，被人们认为是最有潜力的绿色介质，也称为二十一世纪的溶剂，已被认为是当今科学研究的前沿课题之一。
西方发达国家对离子液体研究十分重视。
2002年北大西洋公约组织在希腊的克里特岛召开的有关离子液体专家会议，制定了有关策略。
欧洲委员会制定了发展离子韩国、以及世界上著名的化学跨国公司，也不惜重金支持离子液体的研究工作，这也从另一侧面反映出离子液体的巨大工业前景。
1.6离子液体的研究前景
离子液体品种多、可设计、性能独特、应用领域广泛、应用前景乐观[16]。
近年来,以环境友好型离子液体作为绿色溶剂在分离过程、电化学和催化反应等领域的应用正受到世界各国的广泛关注。
例如,英国从事离子液体研究的Belfast[17]小组就与该国的BP化学品公司、ICI化学品和聚合物公司、英国核燃料（BNFL）公司合作,并且得到他们的资助。
法国的离子液体研究工作一开始就注意“两相操作”工艺开发,因为这样的体系中反应物和产物与离子液体不互溶,只有催化剂溶解其中,才易于将催化剂与反应基质分离,有利于均相和多相催化操作,再结合温和的反应条件,高选择性和高效率,十分有利于工业化。
美国的匹兹堡大学[18]在研究开发中将离子液体与超临界流体段Cq结合起来,研究了离子液体的纯化和回收，以及这种结合体系的各种理化性质。
然而，即便是已经发展了几个世纪的分子介质体系，人们对各物质在其中的相互作用和运动规律的认识也是有限的。
迄今为止，对离子液体这种离子介质，认识还十分粗浅，许多认识还仅限于对某些实验事实的经验性的常识性的了解，现有的实验数据还相当的缺乏，对化学过程的预测能力也很有限。
离子液体要走向工业化需逐步解决如下一些问题：
成本高、粘度高、研究分散、实验数据、毒性数据缺乏，这些问题已经引起人们的注意。
离子液体的研究已成为国际上新近发展起来的热门课题。
近年来，随着研究的日益深入，离子液体己经被开发和应用到诸多领域，例如:
有机反应的介质、催化、萃取和电化学等。
可见，它在不同领域都具有潜在的应用价值；同时其种类繁多，可以根据不同需要改变阴阳离子，来调节其物理化学性质，达到不同的目的。
因此，离子液体的研究与开发必将为“绿色化学”和“绿色工艺”开辟新的道路。
2实验药品和仪器设备
2.1实验药品
1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体
2.2实验仪器
HX-08低温恒温循环器（上海比朗仪器有限公司）
SG3电导率仪（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）
PZ-D-5型液体比重天平（上海良平仪器仪表有限公司）
NDJ-8S数显粘度计（上海方瑞仪器有限公司）
BZY系列自动表面张力仪（上海方瑞仪器有限公司）
3热力学性质的测定原理
3.1粘度测定原理
粘度是指液体对流动所表现的阻力，这种力反抗液体中邻接部分的相对运动，因而是液体流动时内摩擦力大小的一种量度。
本仪器为数显粘度计，由电机经变速带动转子作恒速旋转。
当转子在液体中旋转时,液体会产生作用在转子上的粘度力矩,该粘性力矩也越大;反之,液体的粘度越小,该粘性力矩也越小.该作用在转子上的粘性力矩由传感器检测出来,经计算机处理后得出被测液体的粘度。
本仪器采用微电脑技术，能方便地设定量程（转子号及转速）,对传感器检测到的数据进行数字处理,并且在显示屏上清晰地显示出测量时设定的转子号、转速、被测液体的粘度值及其满量程百分比值等内容。
NDJ-8S配有4个转子（1、2、3、4号）和8档转速（0.3、0.6、1.5、3、6、12、30、60转分），由此组成的32种组合，可以测量出测定范围内的各种液体的粘度。
3.2表面张力测定原理
表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。
通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。
在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。
因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。
表面张力（surfacetension）是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。
本文采用“白金版”法进行表面张力的测定：
当感测白金版浸入到被测液体后，白金版周围就会受到表面张力的作用。
液体的表面张力会将白金板尽量的往下拉。
当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时，感测白金板就会停止向液体内部浸入。
这时候，仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将它转化为液体的表面张力值。
3.3密度测定原理
本次实验采用的是密度天平法测定离子液体在不同温度下的密度。
密度天平是有一个体积为5cm3的标准测锤浸没于液体中获得浮力而使横梁失去平衡，然后通过在横梁的V形槽里放置各种定量砝码，使横梁恢复平衡的原理，来测试该液体的比重。
3.4电导率测定原理
电解质溶液的导电能力通常用电导G来表示，它的单位是西门子，用符号S（西）表示。
若将某电解质溶液放入两平行电极之间，设电极间距离为l，电极面积为A，则电导可表示为G=K
k为该电解质溶液的电导率，其物理意义：
在两平行而相距1m，面积均为1m2的两电极间，电解质溶液的电导称为该溶液的电导率，其单位以SI制表示为S·m-1（c·g·s制表示为S·cm-1），（）为电导池常数，以Kcell表示，它的单位为m-1。
由于电极的I和A不易精确测量，因此在实验中是用一种已知电导率的溶液先求出电导池常数Kcell，然后把欲测溶液放入该电导池测出其电导值，在求出其电导率。
在讨论电解质溶液的导电能力时常用摩尔电导率（m）这个物理量。
它是指把含有1mol电解质的溶液置于相距为1m的两平行板电极之间的电导。
以m表示，其单位以SI单位制表示为S·m2·mol-1（以c.g.s制表示为S·cm-1·mol-1）。
摩尔电导率与电导率的关系：
m=（3.1）
式（3.1）中，C为该溶液的浓度，其单位以SI单位制表示为mol·m-3。
m总是随着溶液的浓度的降低而增加，对强电解质稀溶液而言，其变化规律可用科尔劳施经验公式表示：
m=Λ∞m-A（3.2）
式（3.2）中，Λ∞m是溶液在无限稀释时的极限摩尔电导率。
对特定的电解质和溶剂来说，在一定温度下，A是一个常数。
所以，将m对作图得到的直线外推至C=0处，可求得Λm∞。
对于弱电解质溶液来说，其m无法利用上式通过实验直接测得。
但我们知道，在其无限稀释的溶液中，弱电解质的α=1，每种离子对电解质的摩尔电导率都有一定的贡献，是独立移动的，不受其它离子的影响，对电解质Mv+Av-来说，即：
Λ∞m=ν+Λ∞m,++Λ∞m,-（3.3）
式（3.3）中，λ∞m+、λ∞m-分别表示正、负离子的无限稀释摩尔电导率。
它与温度及离子本性有关。
4热力学性质的测定操作
本次试验所用的离子液体是1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体。
4.1粘度的测定操作
（1）准备好被测离子液体，倒入直径不少于60mm的烧杯或平底容器中。
打开HX-08低温恒温循环器，正确控制被测液体的温度。
（2）将仪器保护架逆向旋入仪器下端头上。
（3）选好使用的转子旋入仪器方向接头上（逆时针）旋入。
注意：
转转子是必须微微向上托起万向接头，防止损坏转动轴。
（4）旋转升降钮使转子缓慢浸入被测液体，直至转子液面标志（转子上的凹槽）和液面成同一平面。
（5）再次调整好仪器水平。
（6）试样调试时的温度必须稳定，以保持显示的稳定准确。
（7）从15℃开始，每升高5℃读一次示数，通过低温恒温循环器调节升温。
直到75℃为最后一组数据。
（8）实验测定完毕，将液体倒出，清洗仪器，放到原处。
4.2表面张力的测定操作
（1）打开仪器，接通表面张力仪电源，并按动“开关键”预热30分钟。
（2）将白金板做清洗。
先用镊子夹取白金板，并用清水冲洗。
冲洗时应注意与水流保持一定的角度。
原则上为了让水清洗干净板的表面，且不能让水流使得板变形。
（3）用酒精灯灼烧白金板，一般与水平面成45度进行，直到让白金板变红为止。
时间为20-30秒。
注意事项：
通常用水清洗即可，但遇到有机液体或其他污染物用水无法清洗时，请用丙酮清洗或者用20%的盐酸加热15分钟进行清洗。
然后用水清洗烧红即可。
（4）在样品皿中加入被测液体，将被测样品放于样品台上。
（5）观察液晶显示屏是否为零，如果不为零，则先按清零，准备工作就绪。
（6）用手旋转升降旋钮，使其缓慢上升。
当白金板接触到被测液体液面时，液面发生波纹：
即刻停止升降台上升。
此时，在液体液面张力的作用下，显示屏上的数字会逐渐变大，白金板脱离一次被测液面，就完成一次操作。
（7）利用低温恒温循环器升温，从15℃开始测量，没升高5℃进行一次读数，直到70℃为最后一组数据。
（8）测量完毕，倒出液体。
清洗仪器，放回原处。
注意:
做重复性操作时，一定不要理会表面张力显示的残留数值，即不要去进行去皮工作，一般情况下，只有超过mNm时才会要求重新清洗白金板。
在正式做测试前应熟悉以下注意事项：
（1）测试前应确保主机预热30分钟。
（2）使用前，应将所测的吊钩、白金板挂至吊钩上，按去皮做好归零处理。
（3）每次测试前应确保白金板的干净。
（4）第一次使用或者使用一段时间后对张力仪进行满量程校正。
（5）测试高挥发性液体时，应加快测试过程。
4.3密度的测定操作
（1）天平的安装与调整：
将盒内各种零件顺次取出。
将测锤，弯头温度表和玻璃量筒用酒精擦净，再将支柱紧定螺钉旋松，托架升至适当高度后旋紧螺钉。
横梁置于托架之玛瑙刀座上，然后按照装置图所示，分别将小钩、测锤等安装到位。
用钩码挂于横梁右端的小钩上。
旋动水平调整脚，使横梁上的指针尖与托架指针尖两尖对准，以示平横。
天平安装后，检查各部件位置是否正确，待横梁正常摆动后方可认为安装完毕。
（2）校密度正：
将密度计中盛入纯水，弯头温度表放在密度计中并连接好控温装置。
恒温槽设定温度在10℃开启电源。
每升高5℃读取一次弯头温度表上的读数从10℃测到40℃.此时纯水的密度校正完毕
（3）形槽和小钩上。
注意事项：
天平开箱拆包后，首先要做好清洁工作，尤其是各刀刃及玛瑙刀座，应用手帕，软刷等小心地将其擦干净，严禁使用粗布，硬刷，防止擦伤撞坏仪器零件，影响计量性能。
天平应安放在温度约20℃的室内，不能安放在但方向受热或受冷的地方。
同时避开气流、震动、强力磁源等影响放置的工作台必须牢固稳定。
4.4电导率的测定操作
（1）开机。
检查仪器外观是否正常，电极是否浸泡于电极帽中，检查电池仓内是否有电池。
（2）长按【Read】键下面的【开关机】键打开仪器，预热30min。
（3）将电导电极冲洗干净，放入标准校准液中，按【Cal】键，仪器自动判断终点。
如需手动终点判断按【Read】，仪表显示屏锁定并显现标准值。
接受校准值并返回样品测量，按【Read】键。
（4）样品测量。
校准结束后，即可进行测量，将电极放在本实验样品1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体中并按【Read】以开始测量，小数点闪动。
显示屏显示样品的电导率值。
自动测量终点A是仪表的默认设置。
当传感器输出稳定后，显示屏自动固定，并显现。
按住Read键，可以在自动和手动测量终点模式之间切换。
要手动测量一个终点，可按【Read】，显示屏锁定并显现自动测量终点算法的原理是：
当所测样品的电导率值与6秒内仪表测得的电导率平均值之差不超过0.4%时确定为测量终点。
（5）按【Mode】键选择电导率进行测量。
将温度控制在15℃-70℃进行测定，每升高5℃，测一次电导率值。
（6）测量完毕，用纯化水冲洗电极，用滤纸吸干。
（7）关机。
按【开关机】键关闭仪器，切断电源。
5结果讨论
5.1粘度实验数据与结果讨论
温度t℃
粘度mpa.s
温度t℃
粘度mpa.s
15
298
50
49
20
224
55
38
25
174
60
31
30
138
65
29
35
108
70
27
40
83
75
26
45
62
表5.1：
不同温度下离子液体粘度数据
图5.1粘度-温度数据图
分析误差如下：
（1）仪器本身存在着一定的系统误差。
（2）在测定的过程中空气流动。
（3）控温装置没有稳定便开始测量，也影响粘度的测量。
由实验表格可看出，常温下其黏度较大（是水的几十倍）。
离子液体的粘度随着温度的升高，黏度降低。
即1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体的粘度随着稳定升高而降低
5.2表面张力实验数据与结果分析
温度t℃
表面张力mNm
温度t℃
表面张力mNm
15
53.6
45
43.7
20
52
50
42.1
25
50.2
55
40.3
30
48.6
60
38.5
35
47.1
65
36.3
40
45.4
70
35.3
表5.2：
不同温度下离子液体表面张力数据
图5.2表面张力-温度数据图
由表5.2：
表面张力-温度数据和由表面张力-温度数据图1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体表面张力随温度变化曲线可知，离子液体1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐离子液体的表面张力和温度亦呈线性递减关系，其表面张力随温度的升高而减小。
分析误差如下：
（1）在实验过程中，仪器本身存在一定的系统误差。
（2）仪器显示数值还有微小幅度变化就记录下数据。
5.3密度实验数据与结果讨论
表5.3：
不同温度下离子液体密度数据
温度t℃
（gcm3）
温度t℃
（gcm3）
20
1.3618
55
1.3370
25
1.3598
60
1.3341
30
1.3566
65
1.3318
35
1.3531
70
1.329
40
1.3485
75
1.3278
45
1.3441
80
1.3251
50
1.3409
图5.3密度-温度数据图
通过上面-t曲线可以看到同一种离子液体的表面张力随温度的升高而下降.误差分析如下：
（1）仪器本身存在着一定的系统误差。
（2）在测定密度的过程中室内有一定的气流，使密度天平平衡有一定的偏差。
5.4电导率实验数据与结果讨论
表5.4不同温度下离子液体电导率数据
温度t℃
电导率mscm
温度t℃
电导率mscm
15
16.24
45
27.30
20
18.28
50
29.2
25
20.30
55
30.7
30
22.30
60
32.5
35
23.90
65
34.0
40
25.60
70
35.5
图5.4电导率-温度数据图
通过上面电导率-温度数据和由表5.4：
电导率—温度数据图可知同一种离子液体的表面张力随温度的升高而下降。
分析误差如下：
（1）在实验过程中，仪器本身存在一定的系统误差。
（2）电导率仪显示数值还有微小幅度变化就记录下数据。
结论
离子液体的独特性质使它在实验室和工业规模可以作为常规有机溶剂的绿色替代溶剂。
离子液体通过改变阳离子、阴离子、侧链可调的性质为化学家合理设计理想的溶剂提供了宽广的空间。
主要特点是:
几乎无蒸汽压,用其代替高挥发的有机溶剂能够实现清洁生产,在蒸馏、分离等操作过程中不会流失,可以循环使用;可通过不同阴、阳离子的组合来调节离子液体的物理和化学性质,即可以设计离子液体;具有很宽的液态温度范围,为那些反应温度过高而不能在有机溶剂中进行的反应提供良好的反应介质;高的热稳定性和化学稳定性（AlCl3型离子液体除外）;溶解能力强,对无机和有机材料均能表现出良好的溶解性能和宽的电化学窗口等等。
离子液体以其自身优势吸引许多科研工作者积极投身于对它的研究和开发。
随着研究的深入和创新性成果的不断涌现,阻碍离子液体发展的一些问题也会得到解决,如离子液体的成本偏高问题,随着离子液体在更多领域的应用,离子液体生产规模的扩大,其成本必定会有所降低;另外离子液体可循环使用,工业生产的成本也会下降。
相信离子液体的应用前景将是十分乐观的。
但由于离子液体价格相对昂贵、用量相对较大而限制了其广泛应用。
因此，在研究离子液体应用的同时，如何降低离子液体的用量和提高其使用效率也成为离子液体进入实际应用之前迫切需要解决的问题。
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