乙二醇水溶液沸點(diǎn)測(cè)定及討論

李其華 雷春華 曹小妹

（湖南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)使用的防凍液大多是乙二醇-水型防凍液[1]，其主要技術(shù)指標(biāo)除了抗凍性(冰點(diǎn))外，還包括沸點(diǎn)、防腐性等[1-2]。關(guān)于不同濃度乙二醇-水型防凍液的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)，不同文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)表述參差不齊，有＞106℃[2-3]、108℃[3-4]，甚至110℃[4]以上等等。為了探尋防凍液沸點(diǎn)與乙二醇濃度的關(guān)系，利用常壓蒸餾裝置測(cè)定不同濃度乙二醇水溶液的沸點(diǎn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和討論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與器材

乙二醇 去離子水 蒸餾裝置 (蒸餾燒瓶 冷凝管 溫度計(jì)及套管 接液管) 量筒 燒杯

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 乙二醇水溶液的配制及其濃度換算

量筒量取V mL 乙二醇于燒杯中加適量水?dāng)嚢杈鶆蚝?，倒入另一量筒中加水定容?00 mL。記錄水量V＇/mL ≈m(H2O)/g。按下式計(jì)算其質(zhì)量摩爾濃度ρ1/mol·kg-1。結(jié)果見(jiàn)表1。

上式中d為乙二醇密度，1.11 g·mL-1；M為乙二醇的摩爾質(zhì)量，62.1g·mol-1

表1 100 mL 乙二醇水溶液的配制及濃度換算

1.2.2 常壓蒸餾測(cè)定不同濃度乙二醇水溶液的沸點(diǎn)

利用常壓蒸餾裝置[5]分別測(cè)定表1 中不同濃度乙二醇水溶液的沸點(diǎn)，就某一樣品溶液，其沸點(diǎn)是指在常壓下加熱液體至沸騰并且有蒸餾液滴下時(shí)溫度計(jì)顯示的數(shù)據(jù)。由于乙二醇蒸氣壓低、難揮發(fā)，隨著液體沸騰、水蒸氣的蒸出，乙二醇水溶液濃度增大，其沸點(diǎn)亦會(huì)逐漸升高[6]。為了尋求乙二醇水溶液的沸點(diǎn)與濃度之間的關(guān)系，除了觀察和記錄每一濃度乙二醇水溶液的初始沸點(diǎn)外，每一樣品溶液在120～190℃范圍內(nèi)（設(shè)定10℃溫度區(qū)間）到達(dá)某指定溫度即停止加熱蒸餾，量取鎦液體積并通過(guò)再次蒸餾的方式根據(jù)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)確認(rèn)蒸餾液的成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度乙二醇水溶液的初始沸點(diǎn)

測(cè)定結(jié)果顯示，不同濃度乙二醇水溶液的初始沸點(diǎn)一致，均為100℃，即溶劑水的沸點(diǎn)。為什么沒(méi)有表現(xiàn)出沸點(diǎn)升高[6]的規(guī)律？溶液的沸點(diǎn)與分子結(jié)構(gòu)和分子間作用力密切相關(guān)[7]。乙二醇和水分子除普通的分子間作用力外還存在氫鍵，具體有水分子間的氫鍵、水和乙二醇分子間的氫鍵、乙二醇分子內(nèi)及乙二醇分子間的氫鍵等多種形式，氫鍵的作用能不同，破壞氫鍵需要提供的能量亦不同，而且，溶液的沸騰并不能破壞體系內(nèi)所有的氫鍵[7]。顯然，給不同濃度的乙二醇水溶液加熱，最開(kāi)始破壞的是水分子間的氫鍵，相當(dāng)于給純粹的溶劑水加熱，所以顯示初始沸點(diǎn)均為100℃。

隨著加熱繼續(xù)，水分子與乙二醇分子間氫鍵也遭到破壞，溶液沸點(diǎn)逐漸升高。因?yàn)閷?duì)任一濃度樣品溶液在100～190℃范圍內(nèi)收集的鎦液再次用常壓蒸餾測(cè)定其沸點(diǎn)，Tb 均顯示為水的100℃，據(jù)此認(rèn)定，給不同濃度乙二醇水溶液加熱，沒(méi)有破壞乙二醇分子內(nèi)以及乙二醇分子間形成的氫鍵，乙二醇仍留在蒸餾瓶?jī)?nèi)。

2.2 乙二醇水溶液的沸點(diǎn)與濃度的關(guān)系

取任一濃度乙二醇水溶液30 mL 進(jìn)行蒸餾，至沸點(diǎn)Tb/℃時(shí)停止加熱，量取餾液體積（其mL 數(shù)≈蒸出H2O 的質(zhì)量/g）。由30 mL 蒸餾液中乙二醇的物質(zhì)的量及瓶?jī)?nèi)殘留的水的質(zhì)量，可計(jì)算蒸餾瓶?jī)?nèi)殘存的乙二醇溶液濃度ρ2/mol·kg-1，結(jié)果列于表2。

表2 乙二醇水溶液的沸點(diǎn)與濃度的關(guān)系

結(jié)合表1、表2 的相關(guān)數(shù)據(jù)，乙二醇水溶液的沸點(diǎn)與濃度之間關(guān)系可以粗略表述為：

質(zhì)量摩爾濃度ρ(乙二醇) 在7～26 mol·kg-1 范圍內(nèi)，溶液初始沸點(diǎn)Tb 均為100℃；繼續(xù)加熱蒸餾到～120℃，ρ(乙二醇)=70～90 mol·kg-1；Tb ≈130℃，ρ(乙二醇)=100～350 mol·kg-1；加熱蒸餾至140～190℃，瓶?jī)?nèi)殘存液為純粹乙二醇。

3 展望

對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，本文對(duì)乙二醇水溶液的沸點(diǎn)與濃度的關(guān)系僅僅是有了初步的結(jié)論，要得到規(guī)范的定量表達(dá)式，后續(xù)工作任重而道遠(yuǎn)。接下來(lái)需要先解決的問(wèn)題是：在乙二醇水溶液中按防凍劑要求添加緩蝕劑、消泡劑、防霉劑等[2]，再利用常壓蒸餾裝置測(cè)定其沸點(diǎn)，從理論上探討并總結(jié)其規(guī)律。

［1］許洪國(guó).汽車(chē)運(yùn)用工程[M].4 版.北京:人民交通出版社，2009.

［2］張延風(fēng)，孫樹(shù)軍.發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液不完全手冊(cè)[J].汽車(chē)維修與保養(yǎng)，2007，10:81～83.

［3］桑軍凱，王亞俊.防凍液使用中的10 個(gè)誤區(qū)[J].汽車(chē)維修技師，2012，12:114～115.

［4］姚明.防凍液的正確選擇與使用[J].汽車(chē)運(yùn)用，2012，1:32～33.

［5］羅一鳴，唐瑞仁.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)與指導(dǎo)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2013.

［6］魏祖期，劉德育.基礎(chǔ)化學(xué)[M].8 版.北京:人民衛(wèi)生出版社，2013.

［7］張振斌.HF 沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于H2O 沸點(diǎn)理論探討[J].張掖師專(zhuān)學(xué)報(bào):綜合版.1997，14(1):115-116.