Визначення молекулярної маси полімерів віскозиметричним способом

Суть віскозиметричного методу ґрунтується на здатності макромолекул збільшувати в’язкість розчину із збільшенням молекулярної маси розчиненої речовини.

Для характеристики в’язкості розчину користуються величинами відносної та питомої в’язкості:

де h – в’язкість розчину; h₀ – в’язкість розчинника.

Оскільки і r=r₀ (густини розведеного розчину полімеру і розчинника приблизно однакові), то

де t₀ – час витікання певного об’єму розчинника;

t – час витікання того ж об’єму розчину.

Питома в’язкість

(1)

Встановлений слідуючий зв’язок між питомою в’язкістю розчину та молекулярною масою розчиненої речовини

(2)

де С – концентрація розчиненої речовини в г на 100 см³ розчинника;

М – молекулярна маса;

К і a – константи, що характеризують даний полімергомологічний ряд в даному розчиннику.

Величина h_пит/С називається приведеною в’язкістю [h].

Згідно рівняння (2) приведена в’язкість не повинна залежати від концентрації. Однак така закономірність спостерігається тільки в дуже розведених розчинах. Тому користуються слідуючим рівнянням:

(3)

де [h] – приведена в’язкість нескінчено розведеного розчину, що називається характеристичною в’язкістю.

Для знаходження характеристичної в’язкості користуються графічним способом: по осі ординат (у) відкладають значення h_пит/С, які визначаються дослідним шляхом для розведених розчинів полімерів, а по осі абсцис (х) – відповідні концентрації. Відрізок, що відтинається одержаною прямою на осі ординат відповідає характеристичній в’язкості.

Значення констант К і a для деяких полімерів приведені в таблиці 1.

Значення констант деяких полімерів та розчинників (для рівняння 3)

Хід роботи

Для побудови графіка h_пит/С – С необхідно одержати 6–8 експериментальних точок. Для цього розведенням вихідного розчину готують 6–8 розчинів заданих концентрацій.

Вимірюють час витікання води t₀ з допомогою капілярного віскозиметра (рис.6.1).

Для вимірювання відбирають 10 см³ води і заливають її в широке коліно віскозиметра, потім поміщають віскозиметр в термостат таким чином, щоб верхня мітка була нижче рівня води і витримують 5–7 хв. Потім грушею перетискують рідину з широкого коліна у вузьке вище мітки 1, витягнувши грушу, дають рідині вільно витікати. при проходженні рівня рідини через верхню мітку вмикають секундомір і вимикають його, коли рідина проходить через нижню мітку. Вимірювання часу витікання починають з найбільш розведеного розчину і проводять його декілька разів. Переходячи до розчину більш високої концентрації необхідно ретельно за допомогою груші усунути з візкозиметру попередній розчин, промити піпетку і віскозиметр розчином наступної концентрації, не вспінюючи розчин в приладі.

Рис.6.1.Загальний вигляд віскозиметра

Результат експерименту заносять в таблицю 2.

Далі будують графік залежності h_пит/С від С та знаходять [h]_хар як початкову ординату (рис.2). Розраховують молекулярну масу полімеру за формулою (3). Для розрахунків рівняння (3) доцільно представити у вигляді: М^a = [h]^.К.

Після логарифмування одержуємо:

Значення К і a беруть з таблиці 1.

Безпосереднє визначення абсолютного коефіцієнту внутрішнього тертя вимагає точного визначення всіх величин, які входять у формулу Пуазейля:

звідки

Тому на практиці визначається не абсолютне значення h, а її відношення до h для такого ж об’єму води, що витікає при аналогічних умовах протягом часу t_H2O. При витіканні різних рідин з одного і того ж капіляру тиск Р буде величиною змінною, так як він в кожний даний момент рівний тиску стовпчика рідини, який не витік ще. Але закон зміни цього тиску з висотою для обох рідин буде один і той же. Тому можна записати:

де Р і P_H2O - тиск витікаючої рідини і води при однакових висотах їх в капілярі. Так як тиск однакових стовпчиків двох рідин пропорційний їх густинам:

то можна записати:

звідки:

г^.см^–1с^–1 (пуаз)

Користуючись цією формулою i підставляючи значення h_Н2Ов пуазах, можна визначити h витікаючої рідини також в пуазах.

Умовно прийнявши h_Н2О при кімнатних умовах, що він рівний 1, тоді густина води також приймається рівною 1.

Практична частина роботи зводиться до визначення часу витікання досліджуваної рідини i води.

Результати дослідів записують в таку таблицю: