物化新實驗開設

1、纖維素在BmimCl離子液體溶液中的溶解一、背景介紹纖維素是地球上最豐富的天然生物資源，其再生速度比石化燃料快，為人類提供了豐富的可再生資源。纖維素是由-葡萄糖苷鍵將失水D-六環(huán)葡萄糖連接起來的線型多糖高分子，其內(nèi)部為復雜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和無定形形態(tài)。由于纖維素分子間和分子內(nèi)存在大量取向的氫鍵，導致其很難溶于水和普通有機溶劑，極大地限制了其應用。此外，在制備纖維素復合材料時，纖維素的溶解和再生過程應盡量在不降解的條件下進行，而且一些傳統(tǒng)的溶劑體系對纖維素的溶解條件相當苛刻，并且存在毒性、不可回收以及導致纖維素出現(xiàn)衍生化等缺點。因此，新型纖維素溶劑的開發(fā)顯得尤為重要。離子液體 (Ionic Liqui

2、ds)是近幾十年來在“綠色化學”的框架下發(fā)展起來的全新的介質(zhì)和“軟”功能材料，它是指在室溫下或 <100 °C 溫度條件下呈現(xiàn)液態(tài)的、基本由陰陽離子所組成的鹽，也稱為低溫熔融鹽。與傳統(tǒng)的有機溶劑相比，離子液體具有許多卓越的性質(zhì)：(1)液體狀態(tài)溫度范圍寬，且具有良好的物理和化學穩(wěn)定性；(2)蒸汽壓極低，不易揮發(fā)； (3) 電化學穩(wěn)定性高，電化學窗口較寬；(4)對大量的無機和有機物質(zhì)都表現(xiàn)出良好的溶解能力，且具有溶劑和催化劑的雙重功能，可作為許多化學反應溶劑或催化活性載體；(5)具有較強的極性可調(diào)性和結(jié)構(gòu)可設計性等。這使得離子液體在催化、合成、分離、電化學、納米材料、分子自組裝、C

3、O2或SO2捕集、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用等方面表現(xiàn)出優(yōu)良的應用性能，因而離子液體被譽為可替代傳統(tǒng)有機溶劑的新型綠色溶劑，成為世界各國學術(shù)界和化工界的一大研究熱點。而離子液體這些優(yōu)異的理化特性使之有可能成為優(yōu)良的纖維素溶劑。離子液體的高粘滯性、高導電性是其重要的物化性質(zhì)，而有機溶劑的存在會對離子液體的構(gòu)成形態(tài)造成顯著的影響，從而有可能對纖維素的溶解效果產(chǎn)生直接的影響。因此，研究離子液體在溶液中的粘度、電導率對了解其構(gòu)效關(guān)系、掌握離子液體對纖維素的溶解規(guī)律具有重要意義。二、對培養(yǎng)學生實踐、創(chuàng)新能力的作用1、本項目依托于物理化學課程中電導率及化工原理課程中粘度的部分密切相關(guān)，本項目的實踐和開展有利于加強學生

4、對溶液電導率、粘度的認識和理解，有助于培養(yǎng)學生“學以致用”的觀念和素養(yǎng)，同時與課本的理論知識相得益彰，也有利于增強學生的學習興趣；2、本項目的研究對象是咪唑類離子液體，這一科研界的研究熱點對學生來講卻是一個未曾接觸過的全新的概念和領(lǐng)域，通過本項目的開展，學生能夠有機會接觸到這一前沿領(lǐng)域，對激發(fā)學生科研興趣、開闊學生眼界都具有積極的作用。同時本項目的內(nèi)容涉及有機化學、分析化學、物理化學、化學工程等專業(yè)的理論和實驗知識，綜合性強，有助于全方位、多層次培養(yǎng)和鍛煉學生的思維能力、動手能力及分析問題的能力；三、課時安排本實驗計劃10學時，具體包括：1-4學時：制備、純化離子液體；5-6學時：測定離子液體

5、及溶液體系的粘度、電導率；7-10學時：離子液體溶液溶解纖維素；四、擬達到的目標1、測定出三個溶液體系不同濃度、不同溫度的粘度、電導率，繪制粘度、電導率變化曲線，分析溶液電導率隨濃度和溫度的變化趨勢，并對比兩種溶劑對離子液體影響的異同；2、比較兩種離子液體的二元溶液對纖維素的溶解能力，分析溶液的電導率、粘度如何影響其對纖維素的溶解能力；3、開闊學生的視野，激發(fā)學生的科研熱情，提高學生的科研素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和意識，鍛煉學生查閱文獻、撰寫論文、實驗操作的能力及分析問題的能力；纖維素在BmimCl離子液體及其溶液中的溶解1、實驗目的：(1) 了解離子液體的概念及基本性質(zhì)特點；(2) 了解離子

6、液體溶液溶解纖維素的優(yōu)勢及基本原理;(3) 熟悉離子液體合成及表征方法；(4) 掌握離子液體溶液電導率、粘度的測定方法； 2、實驗原理：已有研究表明，離子液體能夠作為一種新型的纖維素溶劑，具有污染小、效率高、制備簡單、可循環(huán)使用等優(yōu)點，離子液體之所以能溶解纖維素，是由于其中的離子，特別是陰離子，能夠與纖維素形成氫鍵，從而破壞了纖維素自身的分子內(nèi)氫鍵。當離子液體與其他溶劑形成溶液體系后，由于溶劑與離子液體之間特殊的相互作用，會導致陰陽離子之間靜電力的強弱發(fā)生變化，從而影響離子液體對纖維素的溶解性能。另一方面，“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”，溶劑與離子液體之間的相互作用決定了溶液的微觀結(jié)構(gòu)，并最終

7、導致溶液的宏觀性質(zhì)，如粘度、電導率，表現(xiàn)出特征性的變化，以電導率為例，若溶液的電導率增大，則表示溶液中游離態(tài)的離子濃度增加，也就是說溶劑分子能夠介入離子液體的陰、陽離子之間，離子間的靜電作用被削弱，而離子與纖維素的結(jié)合能力得以增強，那么對纖維素的溶解能力也會提升。同時，粘度也是制約離子液體溶解能力的另外一個重要因素。離子液體的高粘滯性是其重要特性之一。而如果加入溶劑能夠降低離子液體的粘度，則會增強離子的運動能力，則更有利于纖維素的溶解。利用實驗計算出的纖維素溶解率，可以比較純離子液體與溶液對纖維素溶解能力的強弱，而測定溶液電導率及粘度可以幫助我們分析導致這種區(qū)別的內(nèi)在原因。此外兩種溶液體系也不

8、盡相同，據(jù)文獻報道，介電常數(shù)較高的溶劑對離子液體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響更顯著，由于介電常數(shù)DMSO>乙醇，所以BmimCl/ DMSO溶液中電導率和粘度的變化會更加突出，也會造成兩種溶液對纖維素的溶解能力有所區(qū)別。3、儀器、設備及藥品恒溫磁力攪拌器、真空干燥箱、電子分析天平、烏氏粘度計、電導率儀、恒溫槽、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、紅外光譜儀、核磁共振波譜儀、圓底燒瓶、恒壓滴液漏斗、冷凝管、錐形瓶、磁子等。微晶纖維素，N-甲基咪唑，氯代正丁烷，二甲亞砜（DMSO）、無水乙醇、蒸餾水4、實驗步驟：(1) 離子液體的制備及表征BmimCl離子液體的制備：按照下列反應方程式利用一步法制備該離子液體：具體步驟如下：將

9、氯代正丁烷（1.2mol）與甲基咪唑（1mol）加入圓底燒瓶中，磁力攪拌下100（油?。┗亓?個小時。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去過量的氯代正丁烷。熱產(chǎn)物為淺黃色透明液體，冷卻后為白色固體?？刹捎眉t外光譜、核磁共振波譜對其結(jié)構(gòu)進行表征；(2) 溶液的配制：采用電子分析天平稱重法，在錐形瓶中配制不同濃度的BmimCl/ DMSO和BmimCl/乙醇兩個二元溶液體系；(3) 電導率、粘度的測定：利用電導率儀及烏氏粘度計測定同一溫度下純離子液體及每一份溶液的電導率及粘度，測量時采用恒溫槽對溶液進行控溫；(4) 離子液體溶液溶解纖維素：稱取某一濃度的BmimCl/ DMSO溶液若干于圓底燒瓶中，加入微晶纖維素（m纖維素：m離子液體=0.1），80油浴加熱且磁力攪拌，1小時后取出進行高速離心分離，上層清液為離子液體纖維素溶液，下層沉淀為未溶解的纖維素，將下層沉淀取出用去離子水沖洗，再次離心分離，如此重復四次，將所得下層沉淀置于60真空干燥箱中干燥2小時，取出稱重，即為未溶解的纖維素質(zhì)量?？捎嬎愠隼w維素的溶解率: （1）(5)取濃度相同的BmimCl/乙醇溶液，重復步驟4，根據(jù)公式（1）計算溶液中纖維素的溶解率