强电解质溶液粘度的研究.pdf

强电解质溶液粘度的研究侯满州 李成容*王英利 封家福 詹先成 李琳丽( 四川大学华西药学院 靶向药物与释药系统教育部重点实验室 成都 610041)国家自然科学基金项目 ( 30973658) 资助2010-03-06 收稿 ， 2010-11-26 修回 ， 2010-11-30 接受摘 要 研究对强电解质溶液粘度的影响因素 ， 18 种强电解溶液在不同温度和不同浓度下的粘度测定结果显示 ， 强电解质溶液的粘度和离子强度 、温度倒数分别成指数关系 ， 符合经验公式 : lnη = lna + b/T + kI， 且粘度和电解质的电荷强度 、离子半径等相关 关键词 强电解质溶液 粘度 离子强度 温度Study on the Viscosity of Strong Electrolyte SolutionHou Manzhou， Li Chengrong*， Wang Yingli， Feng Jiafu， Zhan Xiancheng， Li Linli( Key Laboratory of Drug Targeting and Drug Delivery System of Ministry of Education，West China School of Pharmacy， Sichuan University， Chengdu 610041)Abstract The influencing factors about the viscosity of strong electrolyte solution were studied. The viscosity of18 kinds of strong electrolyte solutions were measured at different temperatures and different concentrations by theUbbelohde viscometer. The results showed the relationship between viscosity and ionic strength and reciprocaltemperature were exponential， respectively， which could be described as lnη = lna + b/T + kI， and the viscosity wasrelated to charge strength， ionic radius and some others.Keywords Strong electrolyte solution， Viscosity， Ionic strength， Temperature粘度是流变学研究中的一个重要方面 。

目前对于粘度的研究大多都集中在高分子化合物 ， 高分子溶液具有明显的粘稠现象 ， 而大多电解质溶液在一般浓度时仍是澄清状态 ， 这也是大家忽略电解质粘度研究的一个重要原因 电解质溶液粘度对药学等领域研究产生很大影响 ， 如果能对电解质溶液粘度有一个定性或定量的研究将具有很大意义 笔者发现 ， 电解质溶液的粘度随浓度增加而增大 ， 特别像氯化锂之类溶解度较大的物质在较大浓度时具有明显的粘稠状 早在 20 世纪前期 ， 国外对此有不少的研究 ， 主要有 Einstein 公式［ 1］及 Jones-Dole 方程［ 2］等 ， 此后也有学者对此作了修正［ 3 ～ 8］这些研究主要针对浓度较小的稀溶液 ， 应用范围有限 ， 且公式中参数较多 ， 但他们对公式中的参数都进行了定量或半定量 笔者通过大量的实验数据经验性表明 : 强电解质溶液粘度和离子强度 、温度倒数分别成指数关系 ，且拟合效果非常好 ， 并定性地分析了电荷数 、微粒半径和粘度的关系 1 实验部分1. 1 仪器与试剂乌氏粘度计 ( 江苏省泰兴市龙港玻璃仪器厂 ); 氯化镁 ( ≥99. 5% ) 、溴化钠 ( ≥99. 9% ) 、乙酸钠 ( ≥99% )， 购自天津市致远化学试剂有限公司 ; 氯 化 锂 ( ≥99. 2% ) 、硫 酸 锌 ( ≥99. 2% ) 、硝 酸 钠 ( ≥99. 6% ) 、硝酸镁 ( ≥99. 8% ) 、硫代硫酸钠 ( ≥99. 2% ) 、亚硫酸钠 ( ≥99. 3% ) 购自天津市科密欧化学试剂有限公司 ; 硫酸氢二钾 ( ≥99. 8% ) 、硫酸镁 ( ≥99. 8% ) 、硝酸铝 ( ≥99% ) 、乙酸锌 ( ≥99% ) 、草酸钾( ≥99. 8% ) 购自成都科龙化学试剂有限公司 ; 碳酸钠 ( ≥99. 8% ) 购自天津市博迪化学试剂有限公司 ;乙酸钾 ( ≥92% ) 、硝酸钙 ( ≥99% ) 、苯甲酸钠 ( ≥99% ) 购自天津市瑞金特化学试剂有限公司 。

·653· 化学通报 2011 年 第 74 卷 第 4 期 http: / /www. hxtb. org1. 2 实验方法1. 2. 1 溶液粘度的测定 由于电解质水溶液粘度不是很大且在流动时处于粘性层流状态 ， 所以选择简单易行的乌氏粘度计来测量 根据 Poiseulle 公式［ 1］， 乌氏粘度计的粘度修正计算公式为 :η =πR4hmgρt8lQ式中 ， Q、hm、R、l 等都由仪器所确定 ， 与式中有关常数合并为仪器常数 k， 则上式可变为 η = kρt， 由水的粘度 、密度和流出时间求得常数 k， 由常数 k 及溶液的密度和流出时间就可以求得溶液的粘度 1. 2. 2 溶液密度的测定 用 5mL 移液管分别精密量取水溶液和待测溶液 ， 电子天平称其质量分别为m水和 m溶， 根据 m水/ρ水= m溶/ρ溶， 已知水的密度为 1 ×103kg/m3， 则可以求得溶液的密度 ， 重复 3 次操作 ， 求其平均值 ( RSD 0. 99); 在同一离子强度下将粘度和温度倒数拟合 ， 也呈指数关系 ( r2>0. 98) 图 1 分别显示了在不同温度下硝酸钠 、硫酸锌 、乙酸钾溶液的粘度与其离子强度关系的拟合图 。

表 1 给出了在 25 ℃ 时各个溶液离子强度和粘度指数关系拟合的相关系数值 ，由表 1 可以得到在 25 ℃ 条件下不同溶液在不同离子强度下的粘度 图 1 不同温度下溶液离子强度和粘度的关系Fig. 1 The relationship between ionic strength and viscosity of solution at different temperatures左 : 硝酸钠 ; 中 : 硫酸锌 ; 右 : 乙酸钾2. 2 溶液离子强度及温度对粘度的影响2. 2. 1 离子强度对粘度影响 强电解质溶液在温度一定的情况下粘度表达式可以写成 : η = η0exp( k’I)， η0为不同温度下水的粘度 ， k’为常数 以硝酸钠溶液为例 ， 在 20、25、30、35、40、45 和 49℃ ， 离子强度和粘度的关系式分别为 : η = 9. 480exp( 0. 1053I) 、η = 8. 695exp( 0. 1072I) 、η = 7. 620exp( 0. 1054I) 、η·753·http: / /www. hxtb. org 化学通报 2011 年 第 74 卷 第 4 期=6. 925exp( 0. 1027I) 、η = 6. 318exp( 0. 1051I)， η = 5. 824exp( 0. 1046I) 、η = 5. 458exp( 0. 1037I)， 当离子强度为零 ， 即浓度为零时 ， 此时的粘度即为水的粘度 ( 即为计算值 )， 其数值如表 2 所示 ， 结果与对应温度下水粘度的文献值［ 10， 11］数值大致相同 。

可见同一物质在不同温度下 k’值变化较小 ， 只受溶液本身属性的影响 表 1 在 25℃时不同溶液的指数表达式 η = a’exp( k’T) 的系数值Tab. 1 The values of a’and k’in the exponential equation at 25℃溶液 a’/( pa·s) K’/( L/mol) r2MgCl29. 208 0. 1032 0. 9992LiCl 8. 433 0. 1403 0. 9983ZnSO49. 357 0. 1144 0. 9954NaNO38. 695 0. 1072 0. 9929CH3CO2K 9. 149 0. 1593 0. 9967Mg( NO3)29. 088 0. 08058 0. 9976K2HPO39. 020 0. 0846 0. 9736Na2CO38. 547 0. 1847 0. 9976Na2S2O39. 184 0. 08593 0. 9974Na2SO38. 749 0. 1643 0. 9985K2C2O48. 862 0. 06876 0. 9968Ca( NO3)28. 412 0. 1082 0. 9929NaBr 8. 907 0. 1067 0. 9967C6H5CO2Na 8. 856 0. 4066 0. 9996( CH3CO2)2Zn 9. 121 0. 1923 0. 9953MgSO48. 799 0. 1256 0. 9982CH3CO2Na 8. 988 0. 2766 0. 9984Al( NO3)38. 629 0. 1271 0. 9967表 2 水在不同温度下的粘度Tab. 2 The viscosity of water at different temperatures温度 文献值 /( 10－ 4pa·s) 计算值 /( 10－ 4pa·s)20℃ 10. 02 9. 88025℃ 8. 904 8. 69530℃ 7. 975 7. 82035℃ 7. 194 6. 92540℃ 6. 529 6. 51845℃ 5. 960 5. 82449℃ 5. 561 5. 4582. 2. 2 温度对粘度的影响 在离子强度一定的情况下粘度表达式可写成 : η = a*exp( b*/T) 。

以硝酸钠溶液为例 ， 离子强度在 13. 763、11. 398、9. 979、5. 196、0mol/kg 时 ， 粘度和温度的表达式分别为 : η =0. 036exp( 1844 /T) 、η = 0. 030exp ( 1858 /T) 、η = 0. 038exp ( 1759 /T) 、η = 0. 029exp ( 1850 /T) η =0. 016exp( 1877 /T)， 可见同一物质在不同浓度下 b*值变化较小 2. 1. 3 离子强度和温度对粘度的综合影响 上面两个表达式分别考虑离子强度和温度对粘度的影响 ，综合上面两个式子 ， 粘度与浓度 、温度的关系可表述为 η = aexp( b/T) exp( kI)， 对其取对数 ， 即得 lnη =lna + b/T + kI， a、b、k 分别为常数 由此式可见 ， lnη 分别和 T－ 1、I 呈线性关系 以硫酸锌为例 ， 将实验得到的 lnη 对 T－ 1和 I 作二元线性回归 ， 结果为 : lnη = － 4. 940 + 2147 /T + 0. 1095I( r2= 0. 9944)， 以 lnη·853· 化学通报 2011 年 第 74 卷 第 4 期 http: / /www. hxtb. org图 2 lnη 对 T－1和 I 的拟合结果Fig. 2 The fitting results isabout ln η， T－1and I对 T－ 1和 I 作图 ， 所有点基本在同一个方面上 ( 图 2)， 说明此式作为一个经验公式 ， 有较好的拟合效果 。

笔者试图考虑温度对 k 的影响与离子强度对 b 的影响 ， 把 k看作温度倒数原线性函数 ， 把 。