Лукина И.Г., Зарубин Д.П., Козлова Л.В. Коллоидная химия. Лабораторный практикум - файл n1.doc

Лукина И.Г., Зарубин Д.П., Козлова Л.В. Коллоидная химия. Лабораторный практикум
скачать (982 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc982kb.10.09.2012 11:03скачать

n1.doc

  1   2   3   4



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

(образован в 1953 году)



Кафедра органической, физической и коллоидной химии




Дистанционное



хим.орг. – 5.03.260201.зчн.плн.

хим.орг. – 5.03.260202.зчн.плн.

хим.орг. – 5.03.260203.зчн.плн.

хим.орг. – 5.03.260204.зчн.плн.

хим.орг. – 5.03.260401.зчн.плн.

хим.орг. – 5.03.260504.зчн.плн.

хим.орг. – 5.03.260302.зчн.плн.

хим.орг. – 5.03.260501.зчн.плн.


хим.орг. – 5.03.260201.зчн.скр.

хим.орг. – 5.03.260202.зчн.скр.

хим.орг. – 5.03.260203.зчн.скр.

хим.орг. – 5.03.260204.зчн.скр.

хим.орг. – 5.03.260401.зчн.скр.

хим.орг. – 5.03.260504.зчн.скр.

хим.орг. – 5.03.260302.зчн.скр.

хим.орг. – 5.03.260501.зчн.скр.

обучение

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ




Лабораторный практикум

для студентов технологических специальностей

полной заочной, сокращенной заочной и вечерней

форм обучения



Москва - 2008



УДК 547
© Авторы: И.Г. Лукина†, Д.П. Зарубин, Л.В. Козлова. Коллоидная химия. Лабораторный практикум. –М., МГУТУ, 2008

Исправленное и обновленное издание практикума: Лукина И.Г., Зарубин Д.П., Евтушенко А.М., Павлов А.Н. Коллоидная химия. Лабораторный практикум. -М., МГТА, 2001. Состоит из описаний 8 лабораторных работ по коллоидной химии и приложений. Содержит 25 рисунков и 14 таблиц. Предназначен для прохождения студентами заочных формы обучения (полной и сокращенной) в период сессии.

Составители: Зарубин Дмитрий Павлович, к.х.н., доцент

Козлова Лилия Вениаминовна, к.х.н., доцент

Рецензент: Антипов Владимир Николаевич, к.х.н., доцент, и.о. зав. каф. (кафедра физической и коллоидной химии Московского государственного университета прикладной биотехнологии)

Редактор: Свешникова Н.И.


© Московский государственный университет технологий и управления, 2008

109004, Москва, Земляной вал, 73

Предисловие
Лабораторный практикум предназначен для студентов заочной и вечерней форм обучения факультета технологического менеджмента.

Коллоидная химия – одна из фундаментальных наук, которая, будучи общеобразовательной, является важной теоретической базой для дальнейшего изучения многих технологических дисциплин, включая пищевую технологию. Она традиционно тесно связана с технологиями пищевой промышленности, так как пищевые технологии являются, фактически, технологиями переработки и (или) получения дисперсных систем.

Настоящий практикум предназначен для ознакомления студентов с классическими методами исследования дисперсных систем и способами изучения поверхностных явлений, для получения студентами необходимых навыков экспериментальной работы, для более полного усвоения и закрепления теоретического материала.

Описание каждой работы в практикуме содержит следующие разделы:

 цель работы,

 краткое теоретическое введение,

 описание приборов и методов измерений,

 последовательность выполнения работы,

 указания по обработке и оформлению результатов измерений.

Все работы содержат также контрольные вопросы, по которым студент может оценить степень своей теоретической подготовки к защите лабораторной работы.
Содержание


Лабораторные работы

стр.

1. Определение среднего размера частиц суспензии методом седиментации ....................................................................................................


04

2. Определение молекулярной массы полимера в растворе методом измерения вязкости ..................................................................................


09

3. Адсорбция на границе жидкость/газ ..................................................

16

4. Адсорбция на твёрдой поверхности. Молекулярная адсорбция из растворов ...................................................................................................


22

5. Определение критической концентрации мицеллообразования коллоидного ПАВ .....................................................................................


25

6. Смачивание твёрдых поверхностей ....................................................

29

7. Определение среднего размера коллоидных частиц методом турбидиметрии ...............................................................................................


34

8. Набухание высокомолекулярных соединений ..................................

39

Приложения




1. Правила представления результатов измерений и вычислений ......

44

2. Графическая обработка результатов измерений ...............................

48



РАБОТА № 1

Определение среднего размера частиц методом седиментации

в гравитационном поле
Цель работы: Определение среднего размера частиц суспензии методом измерения скорости седиментации в гравитационном поле.
Краткое теоретическое введение
Метод заключается в измерении скорости осаждения частиц в жидкой среде. Зависимость скорости оседания сферических частиц в жидкости, обладающей вязкостью , под действием силы тяжести от их радиуса r позволяет определить размеры частиц, распределение частиц по размерам, а также подсчитать их удельную поверхность. В условиях установившегося движения со скоростью v вес частицы в жидкости Р = (4/3)r3(0)g равен силе вязкого сопротивления жидкости, определяемого законом Стокса F = 6rv (где - плотность вещества частицы, 0 – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения).

Из условия равенства Р = F получим

. (1.1)

Подставив значение скорости v = H/t в уравнение (1.1), где Н – расстояние, на которое перемещаются частицы (рис. 1.1) за время оседания t, получим

. (1.2)

Обозначив В = , запишем окончательно для радиуса частиц r:

r = (1.3)

Уравнение (1.2) получено для одной частицы сферической формы. Чтобы уравнение было применимо ко всей совокупности частиц, должно выполняться условие независимости движения каждой частицы. Поэтому используют достаточно разбавленные системы (с объёмной долей дисперсной фазы 0,5 - 1 %), которые при необходимости могут быть стабилизированы с помощью поверхностно-активных веществ.

Метод седиментации в поле тяжести применим к дисперсным системам с размерами частиц от 0,1 до 100 мкм. Время оседания частиц с размером 0,1 мкм в большинстве жидкостей составляет более суток. Для частиц с меньшими размерами могут образовываться седиментационно-устойчивые коллоидные системы вследствие равновесия между нисходящим потоком седиментации и восходящим потоком диффузии, появляющимся вследствие градиента концентрации по высоте. Использование центробежного поля (в центрифугах или ультрацентрифугах), то есть увеличение g в 103 до 106 раз и более, позволяет использовать метод седиментации для коллоидных систем и даже для растворов высокомолекулярных соединений.

В монодисперсной системе, то есть в системе, где все частицы имеют одинаковые форму и размер, все частицы оседают с одинаковой скоростью, и относительный вес осадка q(t) на дне сосуда (или на чашечке динамометра) увеличивается пропорционально времени t, если в начальный момент времени они перемешаны равномерно по всему объёму сосуда. В этом простейшем случае кривая зависимости веса осадка от времени (седиментационная кривая) характеризуется прямолинейным участком ОА и изломом в точке А, соответствующим полному осаждению частиц за время tmах (рис. 1.2). Радиус частиц r находят по формуле (1.3) подстановкой в неё значения tmах.

Большинство суспензий, с которыми мы имеем дело на практике, являются полидисперсными, то есть характеризуются некоторым распределением частиц по размерам. Типичная кривая седиментации полидисперсной системы показана на рис. 1.3. Эта кривая несёт информацию о функции распределения частиц по размерам F(r), которая изображена на рис. 1.4 (в конце описания работы). Отношение площади заштрихованного участка под кривой (рис. 1.4) к площади под всей кривой (равной 100 %) численно равно Q2

(1.4)

Вместе с тем относительное %-ое содержание Q2 фракции частиц с размерами, заключенными в пределах от r2 до r3, определяется разностью величин Q3 и Q2 (см. рис. 1.3), отсекаемых касательными к кривой седиментации, соответствующих t3 и t2:

-Q2 = Q3Q2
Приборы и методы измерений
Для измерений массы осадка в этой работе применяются цифро-показывающие весы, имеющие приспособление (крюк) в нижней части для подвешивания чашечки весов. Весы устанавливаются с помощью штатива над суспензией, и чашечка погружается в неё на глубину H (см. рис. 1.1 в начале описания).
Последовательность выполнения работы
1. Опустить чашечку весов в дисперсионную среду, определить её вес, внимательно следя за тем, чтобы чашечка не касалась стенок цилиндра. Измерить расстояние H от поверхности жидкости до дна чашечки с помощью полоски миллиметровой бумаги и записать его в лабораторный журнал.

2. Осторожно вывести чашечку из жидкости, высыпать порошок крахмала (или другой порошок, по указанию преподавателя) и тщательно перемешать суспензию (движениями мешалки вверх и вниз не вызывая вращения жидкости вокруг оси цилиндра).

3. По окончанию перемешивания, немедленно ввести чашечку весов в суспензию и включить секундомер.

4. Производить измерения массы чашечки с осадком на ней (m + m0) через интервалы времени t, причем в течение первых 4-6 минут измерения проводить через каждые 30 секунд, и далее через 1-2 минуты (так, чтобы показания весов увеличивались не более чем на 5…10 мг при каждом последующем измерении). Измерения прекращают, когда показания весов остаются неизменными (в пределах ±1 мг) в течение 2 или более минут.




Обработка и оформление результатов
1. Результаты измерений заносят в таблицу 1.1 (см. образец).

Показания секундомера в минутах и секундах заносят в столбец 1 ; их пересчитывают в секунды и записывают в столбце 2. Показания весов записывают в столбце 3 как m + m0, причем массу пустой чашечки (m0) записывают в строке, соответствующей нулевому моменту времени. Из этих показаний вычитают вес пустой чашечки, m0, и получают массу осадка. Эти результаты заносят в столбец 4. Относительную массу осадка суспензии, q %, находят как отношение каждого значения m в столбце 4 к максимальному значению mmax, отвечающему последнему результату измерений, то есть

.

2. На основании полученных данных строят кривую седиментации в координатах q (%) - t (с) на миллиметровой бумаге (рис. 1.3).
Таблица 1.1.


t , мин

t , с

m + m0 , мг

m , мг

q , %

1

2

3

4

5

0

0

…( m0)

0

0





….
















3. Проводят касательную к кривой седиментации через точку 0 (прямая 0А на рис. 1.3) и определяют значение tmin, при котором касательная 0А отрывается от кривой. Определяют значение tmax , при котором q достигает 100 %. Время от tmin до tmax делят на n частей (n = 610) так, чтобы полученные интервалы были более узкими в области наиболее быстрого изменения крутизны кривой седиментации. (Количество интервалов n, на которое практически возможно разбить кривую при обычном формате миллиметровой бумаги А4 зависит от характеристик распределения частиц по размерам). Эти значения времени, ti, записывают в таблицу, присвоив i = 0 времени tmin (см. табл. 1.2 в качестве примера).

4. Строят касательные линии к кривой седиментации при значениях времени ti (i = 1…n) и продлевают их до пересечения с осью q. На оси q находят значения Qi отсекаемые касательными (см. рис. 1.3) и заносят их в таблицу 1.2. Перед проведением этих построений рекомендуется ознакомиться с методами построения касательных в Приложении 2.2.
Таблица 1.2


i

ti

ri

Qi

ri

Qi

Fi

0



















1








































5. Затем вычисляют значения радиуса ri для каждого времени седиментации ti и заносят их в табл. 1.2. Для вычисления коэффициента В в уравнении 1.3 следует принять (если не указано преподавателем иначе) = 1.0110–3 Пас, g = 9.81 м/с2, 0 = 1.00103 кг/м3. Плотность вещества дисперсной фазы, , указывается преподавателем дополнительно.

Если все величины в правой части уравнения 1.3 взяты в основных единицах системы СИ, то радиус будет получен в метрах. Удобнее вычислять радиус в микрометрах (микронах), для чего уравнение 1.3 следует записать в виде:

. (1.7)

6. Вычисляют значения ri = ri–1ri, Qi = Qi–1Qi и Fi = Qi/ri (i = 1…n) и заносят в таблицу 1.2. Заметьте, что число n вычисленных приращений (ri, Qi, Fi,) должно быть на 1 меньше числа вычисленных значений ri.

7. Строят гистограмму распределения Fi по ri, как показано рис. 1.4, при этом значения Fi приписываются интервалам riri–1 (i = 1…n). Гистограмма полидисперсных систем обычно имеет один максимум. Если полученная гистограмма имеет два или более максимума, это свидетельствует о неточности графических построений (либо касательные проведены не точно, либо кривая седиментации имеет перегибы, то есть вторая производная 2q/t2 меняет знак вдоль кривой). В этом случае график следует переделать.

8. Через середины ступеней на гистограмме проводят кривую распределения по размерам F(r), определяют радиус, соответствующий максимуму распределения, и принимают его в качестве среднего.

9. В качестве вывода из работы указать средний радиус частиц, а также минимальный и максимальный радиусы.
Контрольные вопросы
1. Что называется седиментацией? При каких условиях частицы оседают вниз, и при каких всплывают вверх в поле тяжести земли?

2. Что называется золем, суспензией и эмульсией?

3. Как классифицируются дисперсные системы по размерам частиц?

4. Что принято называть седиментационной устойчивостью и седиментационной неустойчивостью дисперсий? На чем основан метод дисперсионного анализа в данной работе – на устойчивости или неустойчивости дисперсии к седиментации?

5. Какие силы действуют на частицы дисперсии при седиментации.

6. На каких предположениях основан данный метод определения размеров частиц? (Назвать предположения, которые могут быть справедливы или не справедливы в зависимости от условий эксперимента).

7. Каков наибольший размер частиц, доступный для определения данным методом? От чего он зависит?

8. Каков наименьший размер частиц, который можно определить данным методом? От чего он зависит?

10. Какую форму седиментационной кривой следует ожидать для монодисперсной суспензии? Какую форму следует ожидать для бидисперсной суспензии (смесь двух монодисперсных систем с разными радиусами частиц)?

11. Как определить из кривой седиментации содержание каждой из фракций в бидисперсной системе (то есть, состоящей из двух монодисперсных фракций)?

12. Что называется седиментационно-диффузионным равновесием?

13. Что называется барометрическим законом распределения?


Литература
Зимон А.В., Балакирев А.А., Дехтяренко Н.Г., Бабак В.Г., Аксёнов В.Н. Коллоидная химия. Лабораторный практикум. Часть 1. М: ВЗИПП 1986, Лаб. работа 1.

Зимон А.Д. Коллоидная химия. М: Агар, 2007 .

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М: Химия, 1975, Глава 3.


РАБОТА № 2
Определение молекулярной массы полимера в растворе

методом измерения вязкости
Цель работы: Определение молекулярной массы поливинилового спирта.
Краткое теоретическое введение
Вязкость является свойством жидкостей и газов оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно других частей при деформации. В физической и коллоидной химии под вязкостью понимают коэффициент внутреннего трения между слоями жидкости или газа при их ламинарном течении, то есть при сдвиговой деформации (хотя в других науках могут рассматриваться и другие виды вязкого трения). Сдвиговая вязкость воспринимается как способность жидкости течь: жидкости с высокой вязкостью текут с трудом (смолы, тугоплавкие расплавы), тогда как жидкости с низкой вязкостью легко подвижны (вода, диэтиловый эфир).

Для понимания сути вязкого течения удобно представить жидкость между двумя плоскопараллельными пластинами. Одна из пластин (верхняя на рис. 2.1) движется со скоростью v под действием силы F, приложенной к каждой площадке S пластины, а другая (нижняя) неподвижна. Благодаря межмолекулярным силам сцепления между слоями жидкости, верхний слой влечёт за собой движение нижних слоёв, но слои перемещаются с разными скоростями : от максимальной скорости, v, у верхней пластины, до нулевой скорости у нижней пластины. Это распределение характеризуется количественно градиентом скорости (или скоростью сдвига) = dv/dz, где z – расстояние от верхней пластины до рассматриваемого слоя (по вертикальной оси координат). Связь между силой F и градиентом скорости даётся уравнением Ньютона

(2.1а)

или в более короткой записи

 = , (2.1б)

где = F/S – напряжение сдвига (иначе называемое касательным или тангенциальным напряжением). Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом динамической вязкости, или просто вязкостью.

Большинство чистых жидкостей подчиняются закону Ньютона, то есть они показывают прямую пропорциональность между и . Чтобы подчеркнуть это, их называют ньютоновскими. Однако некоторые жидкие системы характеризуются нелинейной зависимостью между и , особенно в области высоких скоростей сдвига. Соответственно, их принято называть неньютоновскими.

Вязкости различных жидкостей могут различаться значительно. Например, при комнатной температуре вязкость воды составляет 1,0010–3 Пас, а глицерина 1,45 Пас.

Если в объёме жидкости находятся твёрдые частицы, размер которых больше размера молекул жидкости, но существенно меньше расстояния между пластинами (или – меньше диаметра капилляра в капиллярном вискозиметре ; см. ниже об устройстве вискозиметров), то эти частицы влияют на измеряемую вязкость благодаря тому что занимают некоторый объём, внутри которого нет течения и, соответственно, нет распределения скоростей течения. Этот исключенный из течения объём является причиной повышения вязкости суспензий и эмульсий в сравнении с чистой дисперсионной средой. Его принято называть гидродинамическим объёмом частиц. В случае компактных частиц (то есть, не содержащих внутренних полостей или неровностей на поверхности) гидродинамический объём совпадает с геометрическим объёмом "сухих" частиц. Для разбавленных суспензий таких частиц, справедливо уравнение Эйнштейна, выведенное им теоретически

 = 0(1 + k) (2.2)

где 0 - вязкость чистой дисперсионной среды, - доля объёма суспензии, занятая суспендированными частицами (  1), k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы частиц. Для жестких шарообразных частиц коэффициент k составляет 5/2 (то есть 2,5 ровно), тогда как для других форм он превышает 2,5 и зависит от их относительных размеров, определяющих степень отклонения от сферической формы. В частности, для эллипсоида вращения коэффициент k зависит от отношения главных полуосей эллипсоида. Кроме того, в случае анизометрических частиц уравнение (2.2) может выполняться только при предельно малых скоростях сдвига. С увеличением скорости сдвига анизометрические частицы (например, палочки) имеют тенденцию ориентироваться вдоль направления течения, из-за чего вязкость снижается с увеличением скорости сдвига. То есть, такие суспензии являются неньютоновскими. В случае частиц, деформируемых при течении, например капель эмульсии, коэффициент k имеет значения меньшие, чем 2,5.

В области объёмного содержания более 2 об. % (  0,02) вязкость суспензий обычно описывается эмпирическим уравнением вида

 = 0(1 + k + k22), (2.3)

где k имеет то же значение, что в уравнении Эйнштейна (2.2), а k2 является эмпирическим параметром, который для большинства суспензий находится в пределах от 7 до 14.

Уравнение (2.3) часто преобразуют таким образом

= k + k22 , (2.4)

где отношение /0 принято называть относительной вязкостью, а отношение (0)/0 называют удельной вязкостью. Удельная вязкость имеет смысл приращения относительной вязкости благодаря присутствию дисперсных частиц. Удельная вязкость в расчете на единицу концентрации называется приведённой вязкостью. Как следует из уравнения (2.4), приведённая вязкость должна быть линейной функцией объёмной доли :

= k + k2 . (2.5)

В такой форме записи, уравнение (2.5) используется для нахождения коэффициентов k и k2 из экспериментальных значений вязкости и объёмной доли. В случае частиц твёрдого вещества, не набухающего и не реагирующего с растворителем, объёмная доля может быть найдена как отношение весовой концентрации (например, г/л) к плотности данного твёрдого вещества.

Предполагается, что аналогичные уравнения справедливы для растворов полимеров. Однако, в отличие от суспензий, объёмная доля макромолекул полимера в растворе не известна, так как она не может быть вычислена из характеристик сухого вещества (из его весовой концентрации и "сухой" плотности). Для этого есть несколько причин. Во-первых, макромолекулы полимеров являются не совсем компактными. Они содержат полости, которые могут удерживать некоторое количество растворителя, и имеют не гладкую поверхность. Во-вторых, макромолекулы обычно не настолько велики (в отличие от частиц суспензий), чтобы пренебречь количеством растворителя в сольватной оболочке, окружающей внешнюю поверхность частицы и связанной с ней. Наконец, макромолекулы полимеров в большей или меньшей степени набухают в растворителях. В связи с этим гидродинамический объём макромолекул не равен геометрическому и не может быть определён с достоверностью. С другой стороны, форма макромолекул является слишком сложной или недостаточно определённой для теоретического вычисления коэффициентов в уравнениях, связывающих вязкость с концентрацией.

По этим причинам, в уравнениях для вязкости растворов полимеров используются другие характеристики системы. Вместо объёмной доли используется весовая концентрация, с, выражаемая обычно в г/л или в граммах на 100 см3 раствора (то есть, в граммах на 1 децилитр, дл, раствора). Зависимость от весовой концентрации, с, в большинстве случаев следует уравнению Хаггинса

= [] + K2[]2c (2.6)

где [] называется характеристической вязкостью, а K2 – константой Хаггинса. Константа Хаггинса равна 2,0 для глобулярных (сферических) жестких макромолекул и приблизительно 0,3 – 0,5 для гибкоцепных макромолекул в форме спутанного клубка. Характеристическая вязкость имеет смысл удельного объёма полимера в растворе при бесконечном разбавлении. В уравнении (2.6) она играет ту же роль, что коэффициент k в уравнении (2.5), но имеет единицу измерения л/г или дл/г, тогда как коэффициент k является безразмерным. Её получают экстраполяцией концентрационной зависимости (2.6) к нулевой концентрации. То есть, характеристическая вязкость определяется как предел приведённой вязкости при концентрации раствора, стремящейся к нулю



Характеристическая вязкость связана с молекулярной массой полимера, М, по уравнению Марка-Хаувинка:

[] = K (2.7)

где K и - эмпирические (опытные) параметры, являющиеся постоянными для данной системы полимер/растворитель при данной температуре. Значения K обычно лежат в диапазоне 10–2 –10–5 дл/г, а величина составляет от 0 до 2. Показатель характеризует степень свёрнутости цепных макромолекул и позволяет судить об их конформационном состоянии. В частности, он принимает следующие значения

= 0 для компактных сферических частиц,

= 0,6 – 0,8 для гибких макромолекул в форме спутанного клубка,

= 1 для жестких, приблизительно плоских макромолекул (в форме пластины или диска),

= 2 для жестких макромолекул в форме стержня или палочки.

Следует заметить, что показатель = 0 означает независимость характеристической вязкости от молекулярной массы сферических макромолекул. Это согласуется с уравнением Эйнштейна (2.2), по которому приведённая вязкость в разбавленном растворе является постоянной величиной, не зависящей от размера частиц суспензий:

(2.2а)
Приборы и методы измерений
Для измерения вязкости жидкостей и газов применяются различные методы, которые в совокупности называются вискозиметрией. В лабораторной практике наиболее часто встречаются вискозиметры следующих конструкций: капиллярные, ротационные, и шариковые (основанные на методе падающего шарика или, реже, на методе вдавливания шарика).

Действие капиллярных вискозиметров основано на измерении времени истечения определённого объёма жидкости из капиллярной трубки. Для данного капиллярного вискозиметра время истечения пропорционально отношению вязкости к плотности испытуемой жидкости. Это подразумевает, что при определении динамической вязкости точные измерения времени истечения должны сопровождаться измерением плотности жидкости, , при данной температуре. Если плотность жидкости не известна, то по времени истечения определяют так называемую кинематическую вязкость, которая представляет отношение /.

В ротационных вискозиметрах измеряется крутящий момент или угловая скорость вращения одного из двух соосных цилиндров (или других тел), в зазоре между которыми находится испытуемая жидкость. Этим методом получают непосредственно динамическую вязкость. Наконец, по методу падающего шарика измеряют время падения калиброванного шарика в исследуемой жидкости. В основе этого метода лежит зависимость коэффициента трения сферического тела от вязкости среды, в которой он движется (уравнение Стокса). Измерения этим методом также требуют дополнительного определения плотности жидкости.

Капиллярные вискозиметры наиболее удобны для жидкостей с низкими значениями вязкости, тогда как шариковые – для жидкостей с высокой вязкостью. Ротационные вискозиметры могут использоваться в широком диапазоне значений .

В настоящей работе измерения проводятся с помощью капиллярного вискозиметра (рис. 2.2). Вискозиметр представляет собой стеклянное изделие – трубку сложной конфигурации, вдоль оси которой имеется капиллярный канал с расширениями 2 и 3. Исследуемую жидкость поднимают выше метки М1 (приблизительно до середины резервуара 2) пониженным давлением в узкой трубке 1 или повышенным давлением в широкой трубке 5, и дают ей свободно течь под действием собственного веса. При этом измеряют время, за которое мениск жидкости опускается от метки М1 до метки М2.

Время истечение жидкости от метки М1 до метки М2 в данном вискозиметре зависит только от вязкости и плотности жидкости. Если t0, 0 и 0 - время истечения, вязкость и плотность одной жидкости, используемой в качестве калибровочной, а t, и - аналогичные значения другой жидкости, то для данного вискозиметра они находятся в пропорции:

. (2.8)

В правой части её стоит отношение кинематических вязкостей. Если исследуемая жидкость является разбавленным раствором, а калибровочная жидкость – чистым растворителем этого раствора, то плотности жидкостей будут различаться пренебрежимо мало в отличие от значений их вязкости, которые более чувствительны к присутствию растворённого вещества. При этом условии можно принять = о и найти относительную вязкость раствора из уравнения (2.8) как отношение времён истечения

. (2.9)

Настоящая работа основана на этом приближении.
Последовательность выполнения работы
1. Готовят не менее 5 разбавлений с содержанием полимера от некоторого максимального (не более 1 вес.%) до 0 % (чистая вода). Перед началом измерений растворы должны иметь одинаковую температуру. Для этого их помещают в термостат. Состав растворов записывают в журнал.

2. Для измерения времени истечения очередного раствора, на отводную трубку 6 (рис. 2.2) надевают резиновый шланг. Затем, зажав пальцем широкую трубку 5 и перевернув вискозиметр, погружают кончик узкой трубки 1 в жидкость в сосуде и засасывают её (с помощью груши или водоструйного насоса) до метки М2, следя за тем, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха.

Когда уровень жидкости достигает метку М2 точно, вискозиметр поднимают над жидкостью и быстро переворачивают в нормальное положение. Осушают внешние стенки трубки 1 фильтровальной бумагой.

Вискозиметр устанавливают в термостат так, чтобы резервуар 2 был ниже уровня рабочей жидкости в термостате. Выдержав вискозиметр в термостате не менее 15 минут, поднимают исследуемую жидкость в нём приблизительно до одной трети высоты резервуара 2. Затем дают жидкости течь свободно, и засекают время прохождения уровня жидкости от метки М1 до метки М2 с помощью секундомера.

Для поднятия жидкости могут применяться два приёма. По одному из них, на узкую трубку надевают резиновый шланг и подсоединяют его к водоструйному насосу. По другому, отводную трубку зажимают пальцем, и через широкое отверстие 6 увеличивают давление в левом колене. (Для этого может применяться резиновая груша.Но важно иметь в виду, что в обычной медицинской груше могут быть частицы талька или резины. Если эти частицы попадают в капилляр вискозиметра, то вискозиметр выходит из строя.)

3. Результаты измерений для каждого состава раствора записывают в лабораторный журнал и вычисляют среднее значение времени истечения из трёх результатов.

4. Последовательно проводят измерения времени истечения всех растворов, начиная с чистой воды и заканчивая наиболее концентрированным раствором.
Обработка и оформление результатов
1. Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу (в качестве примера см. табл. 2.1; составы, указанные в таблице необязательно соответствует тем, которые используются). Если исходные содержания полимера даны в вес.%, то их численные значения могут быть записаны в единицах концентрации г/100 см3 (т.е. г/дл), поскольку плотности разбавленных растворов приблизительно равны 1 г/см3. Вычисляют относительную, удельную и приведённую вязкости в соответствующих строках табл.1. В качестве времени t0 принимается среднее время истечения чистой воды (содержание полимера 0 вес.%).
Таблица 2.1


с , г/дл

0

0,0313

0,0625

0,125

0,250

0,500

t1













t2













t3













tср















1













0


























2. По данным приведённой вязкости и концентрации найти параметры уравнения (2.6), [] и K2[]2. Для этого следует построить график зависимости приведённой вязкости от концентрации (см. рис. 2.3). Экстраполяцией графика к с = 0 находят характеристическую вязкость, [], как отрезок, отсекаемый по оси ординат. Из графика вычисляют также угловой коэффициент уравнения (2.6), b = K2[]2, из которого вычисляют константу Хаггинса, K2, с использованием найденной характеристической вязкости, K2 = b/[]2.

3. С помощью уравнения (2.7) и найденной характеристической вязкости вычисляют молекулярную массу полимера. Если в работе использован поливиниловый спирт, то в качестве параметров уравнения (2.7) следует принять K = 5,610–4 и = 0,67. (Если использован другой полимер, то необходимые данные должны быть даны преподавателем.)

4. В качестве вывода из работы указать найденные величины характеристической вязкости, константы Хаггинса и молекулярной массы полимера.

Контрольные вопросы
1. Как влияют коллоидные частицы или молекулы полимера на вязкость жидкости?

2. Что называют относительной, удельной и приведённой вязкостью?

3. Напишите теоретическое уравнение для вязкости разбавленных суспензий шарообразных частиц.

4. От чего зависит приведённая вязкость разбавленных суспензий шарообразных частиц?

5. Может ли зависеть вязкость суспензии от градиента скорости течения в вискозиметре? В каких случаях такую зависимость следует ожидать?

6. Можно ли применить уравнение Эйнштейна (для вязкости разбавленных суспензий) к разбавленному раствору глобулярного белка?

7. Что называется характеристической вязкостью раствора или суспензии?

8. Какой физический смысл имеет характеристическая вязкость? (Какое свойство макромолекул в растворе она представляет?)

9. От каких свойств полимера в растворе зависит характеристическая вязкость?

10. Как определить характеристическую вязкость раствора полимера экспериментально?

11. Какие типы вискозиметров используются в лабораторной практике?
Литература
Зимон А.В., Балакирев А.А., Дехтяренко Н.Г., Бабак В.Г., Аксёнов В.Н. Коллоидная химия. Лабораторный практикум. Часть 1. М: ВЗИПП 1986, Лаб. работа 2.

Зимон А.Д. Коллоидная химия. М: Агар, 2007 .

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М: Химия, 1975, Глава 10.

  1   2   3   4


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации