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硼砂水溶液的低温热容及热化学性质研究

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第26卷第8期 2010年8月 无 机 化 学 学 报 CHINESE JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY Vo1.26 NO.8 l333.1338 硼砂水溶液的低温热容及热化学性质研究 孟庆芬1谭志诚 ,2董亚萍1 冯海涛・ 李 武t ( 中国科学院青海盐湖研究所,西宁810008) ( 中国科学院大连化学物理研究所,中国离子液体实验室和热化学实验室,大连 116023) 摘要:利用精密绝热量热仪测定了0.033 55 tool・kg一’的硼砂水溶液在78~351 K温区的热容,从实验热容测定结果得到Ti ̄Tt 溶液的凝固点为272.905 K。用最小二乘法将实验热容值对温度进行拟合,建立了该溶液的热容随温度变化的多项式方程。根据 热力学函数关系式.用此多项式方程进行数值积分.获得了以298.15 K为基准的该溶液在80~350 K温区每隔5 K的热力学函 数值,并计算出摩尔熔化焓和熔化熵分别为4.536 kJ・mol一・和16.22 J・K_1.mol~。根据溶液凝固点降低值,计算出了该溶液的活 度为0.99763。 关键词:硼砂水溶液;低温热容;热力学函数;绝热量热 中图分类号:0613.8 l:0642.3 文献标识码:A 文章编号:1001-4861(2010)08—1333—06 Low-Temperature Heat Capacities and Thermodynamic Properties of Aqueous NazB407 Solution MENG Qing—Fen TAN Zhi-Cheng 。DONG Ya—Ping FENG Hai—Tao LI Wu ( Qinghai Institute ofSdt Lakes Chinese Academy ofSciences,Xining 810008) (2China Ionic Liquid Laboratory and Thermochemisty rLaboratory Ddian Institute fChemiocal Physics,Chiesen Acdemy afScioences,Dalian,Liooning 116023) Abstract:The molar heat capacities of aqueous Na2B4O7 solution with concentration of 0.033 55 no卜kg一 were measured by a precision automated adiabatic calorimeter in the temperature range from 78 K to 35 1 K.The fusion transition at T=272.905 K was observed from the heat capacity measurements.According to the polynomial equations of heat capacity as a function of temperature and thermodynamic relationship,the thermodynamic functions(Hr--H ̄l5K)and(Sr--S ̄15 K)of the aqueous borax decahydrate solution were derived in the temperature range from about 80 to 350 K with an interval of 5 K.The molar enthalpy and entropy of the phase transition were determined to be 4.536 kJ・mol~and 16.62 J・K一 ・mol~.The activity of the solution was determined to be 0.997 63 by using the freezing point depression of the solution based on the liquid—solid phase equilibrium rule. Key words:aqueous Na2B407 solution;low—temperature heat capacity;thermodynamic function;adiabatic calorimetry 0 引 言 在溶液化学领域.热容是十分重要的基础热力 等其他热力学数据。并对结晶、蒸发等化工过程的 优化设计提供有用的基础数据【”。量热法可以直接 得出物质的热容及热力学特性随温度的变化关系. 学性质参数,由它可以计算出焓、熵、吉布斯自由能 收稿日期:2010—0l一21。收修改稿日期:2010—04—16。 是研究溶液热力学性质的重要实验方法。其中低温 国家“十一五”科技支撑计划(N0.2006BAB09B07) ̄I 2007年西部之光联合学者项目资助。 通讯联系人。E-mail:tzc@dicp.ac.cn 第一作者:孟庆芬,女,3O岁,助理研究员;研究方向:盐卤硼酸盐化学。 1334 无机化学学报 第26卷 绝热热量计是测定热容和研究相变最准确的量热 设备.通常可用来测定固体和液体物质从液氮点到 水沸点温区内准确的热容数据l 2l 我国青藏高原上的盐湖卤水是富含硼、锂、镁 A1 0。在77~400 K温区的摩尔热容,实验数据与标 准参考数据【l3 1之间的相对偏差在-0.30%以内 2结果与讨论 等的成分复杂的多组分水盐体系.开展有关盐水溶 液的热力学性质研究.对盐湖卤水的化学加工和综 合利用.及对新型无机贮能材料的开发均具有重要 意义。MgC1 ,CaC1 ,NaC1,Li B O 水溶液的热化学性 质已有报道 ,但有关Na ̄B40 水溶液的热化学性 质至今未见报道 在含硼体系中硼的浓度、存在形 式及与其它离子相互依存关系随温度变化的影响, 对盐湖卤水综合利用工艺的选择极为重要.本文根 据青藏高原盐湖中硼浓度实际分布范围及当地气 候变化特点.选择中等浓度0.033 55 tool・kg Na B O 水溶液作为研究试样,采用精密绝热量热 法直接测量了该体系在78~351 K较宽温度范围内 的热容,并根据实验热容数据.计算出了该溶液体 系的热力学函数.为其实际应用及有关理论研究提 供了必需的基础热力学性质数据 1实验部分 1.1样品与仪器 硼砂从ACROS ORGANICS公司购买.其化学 纯度>99.5%.溶剂为去离子水经二次蒸馏纯化制 备 配制好的溶液用甘露醇法滴定硼以确定其浓 度[8-9].试样经3次平行分析相对偏差小于0.08%.确 定量热测定所用溶液浓度为0.033 55 mo1.kg- 。 低温热容测定是用中国科学院大连化学物理 研究所热化学实验室建立的高精度全自动绝热量 热仪进行的。有关该装置的原理和结构.文献[10-12]已 有详细描述 1.2样品低温热容的测定 称取硼砂水溶液3.43661 g装入样品容器内 热容测量是以间歇式加热和连续式测温的程序进 行的,测量温度范围为78 351 K.液氮作为冷冻剂。 样品池的加热速率控制在0.2~0.4 K.rain-t.温升间 隔控制在2 4 K 热容测量过程中.内屏与样品容 器之问的温差可以自动控制在0.001 K以内.样品 容器在平衡期的温度变化率可控制在10—3~10-4 K. min~。量热实验中.包括电能和温度在内的所有测 试数据均由计算机自动采集和适时处理 为了检验该绝热量热计测量结果的可靠性 样 品热容测量前.预先测量了量热标准参考物质Ot— 2.1低温热容 样品的摩尔热容测量结果列于表1并示于图1 中 图1 硼砂水溶液的实验犀尔热答曲线 Fig.1 Experimental molar heat capacities of aqueous Na2B4O7 solution as a function of temperature 由图1可见.在78~251 K温度范围内.硼砂水 溶液的固相摩尔热容随温度的变化呈现出一条光 滑曲线.没有任何其它热异常现象及相变发生:在 251-279 K温区.出现一个明显的熔化峰,是样品的 固、液相变所引起。在T>279 K,硼砂水溶液的摩尔 热容曲线随温度升高的变化趋势较为平缓 用最小 二乘法将熔化前和熔化后的热容实验值对折合温 度进行拟合,得到以下2个多项式方程: 对于固相(78~251 K1:  ./(J・K-1.otol )=25.05465+11.05231X一 2.491 9X +2.050 37X +3.1 18 31X (1) 式中 为绝对温度, 为折合温度.一1≤ ≤1,定义 = , 和 为实验测量温区 的上限和下限值.计算时,一般取整数温度值。本文 分别取略高于实验测量温度上限f251.255 K1的数值 (252 K)为 和略低于实验测量下限温度(78.378 K)的数值(78 K)为 ,因此 =( 一165)/87,拟合曲 线的相关系数R2=O.999 66。对于液相(282~351 K): , ,(J・K ・mol )=76.045 95—0.904 3 + 1.683 6 1 2-O.204 78X3-1.000 02X (2) X=(T-317)/35,R2=O.981 81 第8期 孟庆芬等:硼砂水溶液的低温热容及热化学性质研究 表1硼砂水溶液的实验摩尔热容 Table 1 Experimental molar heat capacities of aqueous Na ̄B407 solution 1335 T/K 78.378 8O.185 82.409 84.627 86.799 /(J・K ・tool ) 12.78 l2.94 1 3.01 13.20 l3.52 T/K 184.297 187.235 190.133 193.05 1 196.o02 .m/(J・K-1.tool ) 27.62 27.69 28.1O 28.77 29.12 T/K 272.916 272.930 272.947 272.969 273.O0o cp /(J・K ・tool ) 24 145.73 24 6o9.26 26 735.03 21 091.51 lO l8O.73 88.922 90.999 93.035 95.036 97.o0o 98.926 10o.823 103.427 1O6.528 109.410 112.301 l3.85 14.16 14.5 l 14.8l 15.o7 15.40 15.74 16.07 16.56 17.05 17.43 198.956 202.543 206.092 209.008 2l1.947 214.900 217.873 220.812 223.767 226.735 229.653 29.44 29.67 29.98 30.36 30.68 31.09 31.52 31.98 32.5O 33.03 33.86 273.050 274.925 276.986 279.914 282.160 284.478 286.788 289.10o 291.410 293.724 296.O44 8 379.19 150.52 97-36 86.33 77.85 77.8l 77.68 77.43 77.36 77.5O 77.06 l15.188 118.083 12O.993 123.898 126.795 129.643 132.455 135.235 137.976 140.682 143.355 146.005 l7.83 18-39 l8.81 l9.27 l9.75 20.13 20.53 20.95 21.3l 21.70 22.10 22.50 232572 235.536 238.523 241.978 245.404 248.316 251.255 254.205 257.103 259.988 262.885 265.688 34.41 34.85 35.38 36.48 37.28 37.74 38.34 39.19 40-35 42.14 45.O7 53.96 298.361 300.684 303.010 305.339 307.665 309.994 312.321 314.648 316.972 319.296 321.620 323.940 76.96 76.98 76.63 76.43 76.42 76-32 76.17 76.07 76.O5 76.15 76.04 75.90 148.625 15ll2l1 154.5ll 157.985 22.80 23.13 23.58 24.04 268.423 271.463 272.373 272.716 85.84 190.65 580.79 1 525.24 326.262 328.580 330.896 333.213 75.85 75.80 76.o7 7614 .160.893 163.802 166.717 169.641 172.573 175.506 178.452 181.367 24-33 24.68 25.16 25.68 26.07 26.43 26.8l 27.26 272.842 272.877 272.890 272.896 272.899 272.905 272.907 272.910 4 671I38 10 581.56 17 333.53 26 754.69 105 336.75 434 431.06 58 839.26 27 O2l-30 335.526 337.833 340.140 342.442 344.740 347.030 349.3l9 351.592 75.90 75.86 75.95 75.90 75.82 75.90 75.84 75.64 2.2熔点、熔化焓及熔化熵 To=273.15 K比较,该溶液的熔点降低值为0.245 K。 由表1的热容数据和图1的热容曲线可知, 最大值所对应的温度即为熔点Tm--272.905 K.与纯水 △ 按以下公式(3)、(4) 可计算出溶液的熔化焓 和熔化熵△ : 1336 无机化学学报 第26卷 Af ̄t/m=[Q一 f Cp(s)dT-n J (1)d I HodT]/n(3) 。 i m J J 熵△ =16.62 J・K ・mol~。 该二元体系的熔化焓比水的熔化焓小.可能是 由于硼砂的加入。增大了水分子间距离.减弱了分 m|Tm 式中, 为所用样品的物质的量, 为比开始熔化温 度略低的某一温度点, 为比终止熔化温度略高的 子问氢键作用力.从而使其熔化焓减小 2.3热力学函数 某一温度点,Q为将样品和样品池从温度 加热到 温度 需要的热量, 为样品的熔化相变温度, 利用热容随温度变化的多项式方程.可以计算 出80~350 K温区内各温度点的舒平热容值 将摩 尔热容多项式方程进行数值积分。可以得到给定温 度下相对于参考温度298.15 K的热力学函数值 表 2给出了80~350 K温区每隔5 K的舒平热容值以 及热力学函数值 在该温区某给定温度(73T.摩尔 (s)为样品从 到 温区的固相摩尔热容,cp(1)为 样品从 到 温区的液相摩尔热容, 为空样品 池的热容 将实验数据代入以上公式计算得到硼砂 水溶液摩尔熔化焓△ =4.536 kJ・tool一,摩尔熔化 表2硼砂水溶液的舒平热容及热力学函数值 Table 2 Smoothed heat capacities and thermodynamic functions of aqueous NazU407 solution 第8期 盂庆芬等:硼砂水溶液的低温热容及热化学性质研究 l337 续表2 热容与热力学函数的关系式为: 其中△ 为在 下过冷纯水和纯冰的摩尔恒压热 r H广日29&l5l(=J容差,0=Tr—To为溶液冰点下降值。将(9)代入(8)中得 J  29815 K (5) 到: , s下_5298 15 K=J d (6) J 29815 K m a ̄ H-ln :一 一J 0一尺(y,rn一 a q o (由熵函数的数据可知,随着温度的升高。该液 r71d (10)1UJ  体的熵值明显增大。从热力学的观点来看.温度升 直接积分得: 高,溶液中分子、离子的热运动程度增加.混乱度随 AfHl~m 一 一 .I (To)O之增大.熵值亦增大 + + 一【(m 1n 一+ + 二 )【)(11)儿J 2.4溶液的活度【临l司 从文献ll 5l查得△f ( =6 009.5 J・tool~,从文 硼砂水溶液在冰点温度下固一液相平衡.两相 献 查得过冷纯水和纯冰的比热容差值AG= 化学势相等可得: (4.216—2.060)kJ・kg ・K一,将其换算成摩尔热容后, (s) A 尺71n (7) 一并代人方程(11)计算得到0.033 55 tool・kg一。硼砂 式中下角标A代表溶剂水,aA为溶剂的活度, e为 水溶液的活度aA=O.99763。 纯溶剂即纯水的化学势.尺为气体常数 引用Gibbs. Helmholz公式并作积分则可得到: 参考文献: r, A H ̄n = dr, (8) 【1】POramo R,Zouine M,Casanova C.上Chem.Eng.Data, 2002,47:441—448 其中Af日 为在溶液的冰点温度下冰融化成溶液中 [2】Suga H.Thermochim.A cta,2000,355:69—82 溶剂水的摩尔熔化热,To为纯水的冰点, 为溶液 [3]Phutela R C,Pitzer K S.上Solution Chem.,1983,12(3):201— 的冰点。△f 的数值与温度有关: 207 [4]Akinfiev N N,Mironenko M V,Grant S A. Solution Chem., △ 日 :△ ( 一ago (9) 2001,30(12):1065—1080 I338 无机化学学报 第26卷 【5】Chmarzynski A,Piekarski H. Therma1.A noo.,1992,38: 2019—2025 【6】Zhang Z H,Yin G Y,Tan Z C,et a1. Solution Chem., 2006,35:1347—1355 【7】Zhang Z H,Tan Z C,Yin G Y,et a1. Chem.Eng.Data, 2007,52(3):866—870 【8】Zhang A Y,Yao Y,Yang J M,et a1. Chem.Thermodyn., 2Oo5.37:101—109 [9]Qinghai Institute of Salt Lakes,Chinese Academy of Sciencesf中国科学院青海盐湖所1.Anooysis Method for Bines and Salts.2nd Ed.(卤水和盐的分析方法.2版). Beijing:Science Press,1988.55—57 【10]Tan Z C,Shi Q,Liu B P,et a1. Therm.Ano/.Co/.,2008, 92:367—374 (11]TAN Zhi—Che“g(谭志诚),LIU Bei—Ping( ̄0JJg平),YAN Jun— Biao( ̄,君彪),et a1. 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