物化新实验开设课稿VIP

1、纤维素在 BmimCl 离子液体溶液中的溶解一、背景介绍纤维素是地球上最丰富的天然生物资源， 其再生速度比石化燃料快， 为人类提供了丰富的可再生资源。 纤维素是由 -葡萄糖苷键将失水 D-六环葡萄糖连接起来的线型多糖高分子， 其内部为复杂的结晶结构和无定形形态。 由于纤维素分子间和分子内存在大量取向的氢键， 导致其很难溶于水和普通有机溶剂， 极大地限制了其应用。 此外，在制备纤维素复合材料时， 纤维素的溶解和再生过程应尽量在不降解的条件下进行，而且一些传统的溶剂体系对纤维素的溶解条件相当苛刻，并且存在毒性、不可回收以及导致纤维素出现衍生化等缺点。因此，新型纤维素溶剂的开发显得尤为重要。离子液体

2、 (Ionic Liquids) 是近几十年来在 “绿色化学 ”的框架下发展起来的全新的介质和 “软 ”功能材料， 它是指在室温下或 <100 °C 温度条件下呈现液态的、基本由阴阳离子所组成的盐， 也称为低温熔融盐。 与传统的有机溶剂相比， 离子液体具有许多卓越的性质： (1)液体状态温度范围宽，且具有良好的物理和化学稳定性； (2)蒸汽压极低，不易挥发；(3) 电化学稳定性高，电化学窗口较宽；(4)对大量的无机和有机物质都表现出良好的溶解能力，且具有溶剂和催化剂的双重功能，可作为许多化学反应溶剂或催化活性载体； (5)具有较强的极性可调性和结构可设计性等。 这使得离子液体在

3、催化、 合成、分离、电化学、纳米材料、分子自组装、 CO2或 SO2捕集、生物质转化利用等方面表现出优良的应用性能，因而离子液体被誉为可替代传统有机溶剂的新型绿色溶剂， 成为世界各国学术界和化工界的一大研究热点。 而离子液体这些优异的理化特性使之有可能成为优良的纤维素溶剂。 离子液体的高粘滞性、 高导电性是其重要的物化性质， 而有机溶剂的存在会对离子液体的构成形态造成显著的影响， 从而有可能对纤维素的溶解效果产生直接的影响。 因此，研究离子液体在溶液中的粘度、 电导率对了解其构效关系、掌握离子液体对纤维素的溶解规律具有重要意义。二、对培养学生实践、创新能力的作用1、本项目依托于物理化学课程中电

4、导率及化工原理课程中粘度的部分密切相关，本项目的实践和开展有利于加强学生对溶液电导率、粘度的认识和理解，有助于培养学生“学以致用”的观念和素养，同时与课本的理论知识相得益彰，也有利于增强学生的学习兴趣；2、本项目的研究对象是咪唑类离子液体，这一科研界的研究热点对学生来讲却是一个未曾接触过的全新的概念和领域，通过本项目的开展， 学生能够有机会接触到这一前沿领域， 对激发学生科研兴趣、 开阔学生眼界都具有积极的作用。同时本项目的内容涉及有机化学、分析化学、 物理化学、化学工程等专业的理论和实验知识，综合性强，有助于全方位、多层次培养和锻炼学生的思维能力、动手能力及分析问题的能力；三、课时安排本实验

5、计划 10 学时，具体包括：1-4 学时：制备、纯化离子液体；5-6 学时：测定离子液体及溶液体系的粘度、电导率；7-10 学时：离子液体溶液溶解纤维素；四、拟达到的目标1、测定出三个溶液体系不同浓度、不同温度的粘度、电导率，绘制粘度、电导率变化曲线，分析溶液电导率随浓度和温度的变化趋势，并对比两种溶剂对离子液体影响的异同；2、比较两种离子液体的二元溶液对纤维素的溶解能力，分析溶液的电导率、粘度如何影响其对纤维素的溶解能力；3、开阔学生的视野，激发学生的科研热情，提高学生的科研素养，培养学生的创新思维和意识， 锻炼学生查阅文献、 撰写论文、 实验操作的能力及分析问题的能力；纤维素在 BmimC

6、l 离子液体及其溶液中的溶解1、实验目的：(1) 了解离子液体的概念及基本性质特点；(2) 了解离子液体溶液溶解纤维素的优势及基本原理 ;(3) 熟悉离子液体合成及表征方法；(4) 掌握离子液体溶液电导率、粘度的测定方法；2、实验原理：已有研究表明， 离子液体能够作为一种新型的纤维素溶剂， 具有污染小、 效率高、制备简单、可循环使用等优点，离子液体之所以能溶解纤维素，是由于其中的离子，特别是阴离子， 能够与纤维素形成氢键， 从而破坏了纤维素自身的分子内氢键。当离子液体与其他溶剂形成溶液体系后， 由于溶剂与离子液体之间特殊的相互作用， 会导致阴阳离子之间静电力的强弱发生变化， 从而影响离子液体对

7、纤维素的溶解性能。另一方面， “结构决定性质，性质反映结构 ”，溶剂与离子液体之间的相互作用决定了溶液的微观结构， 并最终导致溶液的宏观性质， 如粘度、电导率，表现出特征性的变化，以电导率为例，若溶液的电导率增大，则表示溶液中游离态的离子浓度增加， 也就是说溶剂分子能够介入离子液体的阴、 阳离子之间，离子间的静电作用被削弱， 而离子与纤维素的结合能力得以增强， 那么对纤维素的溶解能力也会提升。 同时，粘度也是制约离子液体溶解能力的另外一个重要因素。 离子液体的高粘滞性是其重要特性之一。 而如果加入溶剂能够降低离子液体的粘度，则会增强离子的运动能力，则更有利于纤维素的溶解。利用实验计算出的纤维素

8、溶解率， 可以比较纯离子液体与溶液对纤维素溶解能力的强弱，而测定溶液电导率及粘度可以帮助我们分析导致这种区别的内在原因。此外两种溶液体系也不尽相同， 据文献报道， 介电常数较高的溶剂对离子液体结构及性质的影响更显著，由于介电常数 DMSO> 乙醇，所以 BmimCl/ DMSO 溶液中电导率和粘度的变化会更加突出， 也会造成两种溶液对纤维素的溶解能力有所区别。3、仪器、设备及药品恒温磁力搅拌器、 真空干燥箱、电子分析天平、 乌氏粘度计、 电导率仪、恒温槽、旋转蒸发仪、红外光谱仪、 核磁共振波谱仪、 圆底烧瓶、恒压滴液漏斗、 冷凝管、锥形瓶、磁子等。微晶纤维素， N- 甲基咪唑，氯代正丁烷

9、，二甲亚砜（DMSO）、无水乙醇、蒸馏水4、实验步骤：(1) 离子液体的制备及表征BmimCl 离子液体的制备：按照下列反应方程式利用一步法制备该离子液体：具体步骤如下：将氯代正丁烷（1.2mol）与甲基咪唑（ 1mol）加入圆底烧瓶中， 磁力搅拌下 100（油浴）回流 2 个小时。旋转蒸发除去过量的氯代正丁烷。热产物为浅黄色透明液体，冷却后为白色固体。可采用红外光谱、核磁共振波谱对其结构进行表征；(2) 溶液的配制：采用电子分析天平称重法， 在锥形瓶中配制不同浓度的 BmimCl/ DMSO 和 BmimCl/ 乙醇两个二元溶液体系；(3) 电导率、粘度的测定：利用电导率仪及乌氏粘度计测定同

10、一温度下纯离子液体及每一份溶液的电导率及粘度，测量时采用恒温槽对溶液进行控温；(4) 离子液体溶液溶解纤维素： 称取某一浓度的 BmimCl/ DMSO 溶液若干于圆底烧瓶中，加入微晶纤维素（ m 纤维素 ： m 离子液体 =0.1），80油浴加热且磁力搅拌， 1小时后取出进行高速离心分离， 上层清液为离子液体纤维素溶液， 下层沉淀为未溶解的纤维素，将下层沉淀取出用去离子水冲洗， 再次离心分离，如此重复四次，将所得下层沉淀置于 60真空干燥箱中干燥 2 小时，取出称重，即为未溶解的纤维素质量。可计算出纤维素的溶解率 :纤维素总质-量未溶解纤维素质量溶解率（1）纤维素总质量(5)取浓度相同的BmimCl/ 乙醇溶液，重复步骤4，根据公式（ 1）计算溶液中纤维素的