Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование теплопроводности неводных растворов электролитов

Автор: Багаева Т.В., Танганов Б.Б., Бубеева И.А.

Журнал: Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления @vestnik-esstu

Статья в выпуске: 1 (32), 2011 года.

Бесплатный доступ

Приводится описание устройства для определения теплопроводности и теоретическая модель теплопроводности, основанная на подвижности ионов с учетом характеристик отдельных сольватированных ионов и свойств растворителя. Устройство и теоретическая модель позволяют исследовать теплопроводность жидкостей, водных и неводных растворов электролитов в интервале температур 218К-323К при различных концентрациях. Погрешность измерения теплопроводности составляет 1,5-2,5%.

Теплопроводность, электролиты, растворители

Короткий адрес: https://sciup.org/142142285

IDR: 142142285

Текст научной статьи Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование теплопроводности неводных растворов электролитов

Бурное развитие науки и техники требует основательного и всестороннего изучения физикохимических свойств веществ, находящихся в жидких состояниях. Одним из классов этих веществ являются растворы электролитов – неводные растворы неорганических солей. Одной из важных задач при изучении неводных растворов неорганических солей является исследование их теплофизических свойств, в частности теплопроводности. Особого внимания заслуживает экспериментальное исследование теплопроводности неорганических солей в таких растворителях, как этанол и бутанол, которые широко используются в производствах лакокрасочной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Вместе с тем, имеющиеся в литературе данные весьма ограничены и охватывают область температур от 25о до 60оС, почти не изучены в широком интервале изменения концентраций и не могут быть получены расчетными методами с приемлемой для практических целей точностью. Однако исследование теплопроводности неводных растворов может внести определенный вклад и в область фундаментальных исследований теории растворов и жидкого состояния вещества, установления корреляции между теплопроводностью и другими теплофизическими свойствами, в изучении структуры жидкости, в связи с чем экспериментальное исследование теплопроводности неводных растворов неорганических солей в широкой области температур и концентраций является актуальным [6].

Одна из причин того, что неводные растворы электролитов, в частности спиртовые, недостаточно исследованы, заключается в том, что они относятся к числу токсичных продуктов третьего и четвертого класса, требуют строгого соблюдения правил защиты от статического электричества, требуют герметичности, т.е. «неудобные» объекты исследования. Другая причина – в отсутствии надежных установок и теоретических моделей для экспериментального измерения и теоретического расчета коэффициента теплопроводности растворов.

Поэтому перед нами была поставлена задача экспериментального исследования теплопроводности неводных растворов неорганических солей с целью подтверждения расчетно-теоретических данных и выявления влияния температуры и концентрации на поведение теплопроводности.

Выбор метода измерения теплопроводности

Критически подойдя к рассмотрению различных стационарных методов по исследованию теплопроводности жидкостей, в частности неводных растворов электролитов в широкой области изменения параметров, мы остановили свой выбор на стационарном методе с использованием двух датчиков-преобразователей. Применение метода нагретой нити при исследовании теплопроводности растворов электролитов нежелательно, т.к. размещение нити в стеклянные или иные чехлы повышает ошибку в определении температуры и, как следствие, увеличивает погрешность определения коэффициента теплопроводности. Лучше выбрать конструкции прибора в коррозионно-стойком исполнении по отношению к агрессивным растворам при исследовании теплопроводности в широком интервале параметров. Несоблюдение этих условий приводит к изменению концентрации раствора, результатом которого является некорректность определения коэффициента теплопроводности [5].

Устройство для измерения теплопроводности

Для измерения теплопроводности растворов электролитов сотрудниками кафедры «Неорганическая и аналитическая химия» разработано устройство, работающее по стационарному методу с использованием двух датчиков-преобразователей, общая схема которого представлено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема устройства для измерения теплопроводности: 1 - пара измерительных датчиков-преобразователей, соединенных между собой; 2 - регистрирующий блок, в качестве которого может быть применен потенциометр типа Р 37-1; 3 - нормальный элемент;

4 - термостатированная измерительная ячейка с исследуемым раствором, поддерживающая постоянную температуру; 5 - жидкостный термостат, работающий от сети; 6 - контрольный термометр, в качестве которого может применяться обычный ртутный термометр; 7 - специальный микрохолодильник;

8 - блок питания

Датчики-преобразователи изготовлены из меди-константанта (медно-никелевый сплав МНМЦ 401,5) не них нанесены защитные покрытия в виде стеклянного корпуса с целью приспособления его для измерения теплопроводности жидкостей.

На разработанной установке экспериментально исследованы теплопроводности водных растворов индивидуальных и смешанных электролитов и неводных растворов электролитов. Поэтому полезная модель обладает достаточно высокой точностью получаемых данных по теплопроводности неводных растворов электролитов и может использоваться для определения теплопроводности неисследованных систем [4].

Объекты исследования

Для приготовления растворов использованы: спирт этиловый по ГОСТ 18300-87, спирт бутиловый по ГОСТ 5208-81, калий хлористый марки ХЧ по ГОСТ 4234-77, калий бромистый марки ХЧ по ГОСТ 4160-74, калий йодистый по ГОСТ 4232-74, натрий бромистый по ГОСТ 4169-66, натрий хлористый по ГОСТ 4233-77, аммоний хлористый по ГОСТ 2210-73.

Особое внимание в работе уделялось ректификации этилового спирта. Содержание основного компонента не ниже 96%.

Методика проведения эксперимента

Регулятором температуры жидкостного термостата 5 устанавливается заданный температурный режим. Измерительная ячейка 4 поддерживает постоянную температуру исследуемого раствора по патрубкам термостатирующей жидкостью из термостата 5. Температура испытываемого раствора электролита в измерительной ячейке 4 определяется по контрольному термометру 6. В измерительную ячейку 4 с исследуемым раствором помещается один из датчиков-преобразователей 1, соединенный с источником питания 8. Второй из датчиков-преобразователей 1 находится в специальном холодильнике 7 с кубиками льда. При измерениях стрелка гальванометра регистрирующего прибора 2, контролирующего тепловые потери прибора, отклоняется в ту или иную сторону. После прогрева, убедившись, что длительное время стрелка находится на нулевой отметке шкалы (т.е. отсутствуют потери тепла), проводятся замеры. За показание эксперимента исследуемого раствора принимается среднее арифметическое значение результатов испытания не менее трех образцов. Допускаемое расхождение между значениями, получаемыми для одного и того же раствора, не более 5% [4].

Описание теоретической модели теплопроводности

Значение коэффициента теплопроводности неводных растворов электролитов вычисляли как произведение [1, 3]:

я = Cv • п, где CV - теплоемкость, кал/кг • К;

П - вязкость раствора, Пз = кг/м • с .

Теплоемкость и вязкость неводного раствора электролита определяются как

C V =( 5rT - 2 h a !• N A Ц

П = 1/6 ^п • r s • b• ( 1 + r s r ⁾ ^] .

Тогда окончательное выражение для оценки коэффициента теплопроводности неводных растворов электролитов примет вид:

5RT-2 h a I- N.

2 ) A

Ц б тс • r • b - ( 1 + rjr_d )

где приведенная масса несольватированных ионов определяется как mKt • mAn

Ц =-- mKt + mAn

Здесь R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура, К ;

h to - энергия колебательного процесса «ассоциация-диссоциация»;

ze - элементарный заряд;

h - постоянная Планка;

N A - постоянная Авогадро;

r_s - радиус сольватированных ионов;
b - подвижность иона;

r_d - дебаевский радиус или параметр экранирования.

Выражение для определения подвижности:

b = z Kt • zAn ■ e² 4e • U²

5RT - 2 2

⁴ ⁿ • z Kt • z An • e² • ^C • ^NA • h²

1000 ц

x a • exp

⁴ ^п • z Kt • zAn • e ² • ^C • ^NA • h²

1000 ц • k б • T²

Исследование теплопроводности неводных растворов электролитов

Некоторые результаты экспериментального и расчетно-теоретического исследования теплопроводности показаны в таблицах 1 и 2 и на графической зависимости (рис. 2).

Таблица 1

Значения теплопроводности NaBr, KI, NH 4 Cl в бутаноле ( Вт/м • К )

T,К	C,моль/ л	NaBr		KI		NH₄Cl
T,К	C,моль/ л	Часч *103 расч.	Чеп *10 эксп.	Час_ч *103 расч.	Чеп *10 эксп.	Часч *103 расч.	Чеп *10 эксп.
288	1	3699	3711	1060	1099	5619	5600
	0.5	4054	4031	1188	1202	6095	6058
	0.1	4699	4687	1436	1449	6949	6925
	0.01	5188	5149	1634	1647	7580	7561
	0.001	5371	5358	1711	1725	7815	7796
	0.0001	5432	5408	1737	1747	7894	7877
293	1	3732	3721	1071	1117	5666	5623
	0.5	4085	4060	1200	1213	6139	6093
	0.1	4724	4701	1445	1458	6981	6947
	0.01	5206	5177	1641	1658	7606	7590
	0.001	5386	5364	1716	1733	7837	7809
	0.0001	5446	5423	1742	1752	7914	7898
298	1	3765	3743	1082	1131	5712	5687
	0.5	4116	4086	1210	1227	6183	6137
	0.1	4749	4721	1454	1470	7016	6993
	0.01	5225	5201	1647	1665	7632	7603
	0.001	5401	5389	1722	1740	7859	7825
	0.0001	5460	5430	1747	1765	7934	7906
303	1	3816	3781	1093	1140	5787	5712
	0.5	4165	4127	1221	1239	6255	6189
	0.1	4794	4749	1463	1485	7080	7030
	0.01	5263	5229	1654	1673	7687	7638
	0.001	5436	5411	1727	1748	7909	7874
	0.0001	5494	5452	1751	1777	7984	7931
308	1	3843	3800	1104	1152	5823	5739
	0.5	4192	4145	1232	1245	6290	6230
	0.1	4816	4780	1472	1499	7110	7085
	0.01	5279	5247	1660	1681	7710	7683
	0.001	5451	5420	1732	1752	7930	7901
	0.0001	5508	5477	1756	1782	8003	7972
313	1	3874	3837	1115	1156	5867	5794
313	0.5	4221	4189	1242	1257	6331	6291

	0.1	4839	4800	1481	1506	7143	7115
	0.01	5297	5260	1667	1690	7734	7702
	0.001	5465	5433	1737	1760	7950	7914
	0.0001	5521	5498	1761	1788	8022	8001
318	1	3904	3876	1125	1161	5910	5831
	0.5	4250	4205	1252	1269	6371	6322
	0.1	4862	4827	1489	1519	7175	7142
	0.01	5313	5294	1673	1698	7758	7721
	0.001	5479	5445	1742	1768	7970	7932
	0.0001	5534	5507	1766	1792	8041	8020
323	1	3934	3901	1136	1165	5953	5878
	0.5	4278	4233	1262	1282	6411	6388
	0.1	4885	4851	1497	1525	7206	7193
	0.01	5330	5309	1679	1702	7781	7744
	0.001	5493	5460	1747	1773	7990	7969
	0.0001	5547	5518	1770	1796	8059	8031

Таблица 2

Температурная зависимость теплопроводности ( Вт/м • К ) NH 4 C1 в среде этанола при C = 0,1 моль / л

T,К	Часч. *103 расч.	Чсп *10 3 эксп.
288	2121	2138
293	2131	2147
298	2141	2155
303	2160	2169
308	2169	2181
313	2178	2193
318	2188	2205
323	2197	2213

Как видно из таблиц и графической зависимости, полученные расчетные данные удовлетворительно подтверждаются экспериментальными данными теплопроводности электролитов в спиртах.

Рис. 2. Графическая зависимость теплопроводности от концентрации

Из представленных в таблицах результатов можно сделать вывод о том, что теплопроводность электролитов в спиртах увеличивается при повышении температуры в исследованном диапазоне концентраций. Действительно, с повышением температуры уменьшается вязкость, нарушается структура раствора, повышается кинетическая энергия ионов и молекул, разрушаются сольватные оболочки ионов, что способствует росту теплопроводности раствора.

Также из графической зависимости видно, что теплопроводность электролитов в спиртах уменьшается с увеличением концентрации раствора во всем исследованном диапазоне температур.

Статья научная