Wyznaczanie

masy

molowej

polimeru

metod

ą

wiskozymetryczn

ą

Cel

ć

wiczenia: wyznaczenie lepko

ś

ciowo

ś

redniej masy cz

ą

steczkowej alkoholu

poliwinylowego (PVA)

Wprowadzenie: Lepko

ść

cieczy (

η

) to współczynnik proporcjonalno

ś

ci w równaniu

Newtona pomi

ę

dzy sił

ą

F przyło

ż

on

ą

do powierzchni A równoległej do kierunku

przepływu potrzebn

ą

do nadania płynowi gradientu pr

ę

dko

ś

ci (dv/dx):

dx

dv

A

F

η

=

Lepko

ść

jest niezale

ż

na od gradientu pr

ę

dko

ś

ci i jest wielko

ś

ci

ą

charakterystyczn

ą

dla danego płynu.

Roztwory koloidalne ze wzgl

ę

du na du

żą

wielko

ść

cz

ą

stek fazy rozproszonej maj

ą

znacznie wi

ę

ksz

ą

lepko

ść

ni

ż

roztwory wła

ś

ciwe. Pomiary lepko

ś

ci znalazły

zastosowanie do wyznaczania masy molowej, jak równie

ż

dostarczaj

ą

informacji na

temat wielko

ś

ci oraz kształtu cz

ą

stek koloidalnych. A. Einstein przedstawił wzór na

współczynnik lepko

ś

ci rozcie

ń

czonych roztworów koloidalnych, w których cz

ą

stki fazy

rozproszonej maja jednostkowy kulisty kształt i nie s

ą

otoczone przez cz

ą

steczki

rozpuszczalnika (o

ś

rodka dyspersyjnego):

)

5

,

2

1

(

0

Φ

+

=

η

η

(1)

gdzie :

η

i

η

0

– współczynnik lepko

ś

ci roztworu koloidowego i o

ś

rodka dyspersyjnego

(rozpuszczalnika),

Φ

- ułamek obj

ę

to

ś

ciowy cz

ą

steczek koloidowych.

2

1

1

V

V

V

+

=

Φ

gdzie: V

1

i V

2

– obj

ę

to

ś

ci jakie zajmuje faza rozproszona i o

ś

rodek dyspersyjny.

Równanie (1) mo

ż

na przedstawi

ć

w innej postaci:

Φ

+

=

=

5

,

2

1

0

η

η

η

wzgl

(2)

gdzie:

η

wzgl

- lepko

ść

wzgl

ę

dna.

Przekształcaj

ą

c dalej równanie (2) otrzymujemy równanie z którego mo

ż

na obliczy

ć

lepko

ść

wła

ś

ciw

ą

(3):

Φ

=

−

=

−

=

5

,

2

1

0

0

0

η

η

η

η

η

η

wł

(3)

gdzie:

η

wł

- lepko

ść

wła

ś

ciwa.

Powy

ż

szy wzór odnosi si

ę

do roztworów o małym st

ęż

eniu. Lepko

ść

wła

ś

ciwa

roztworu koloidalnego jest zale

ż

na od st

ęż

enia. Je

ż

eli znamy lepko

ść

wła

ś

ciw

ą

dla

ró

ż

nych st

ęż

e

ń

koloidu mo

ż

emy wyznaczy

ć

lepko

ść

graniczn

ą

[

η

] z zale

ż

no

ś

ci

[

η

]=f(c):

c

wł

c

η

η

0

lim

]

[

→

=

Rysunek 1. Wykres zale

ż

no

ś

ci lepko

ś

ci zredukowanej polimeru jako funkcji st

ęż

enia

Korzystaj

ą

c z pomiarów do

ś

wiadczalnych wyliczenie lepko

ś

ci granicznej pozwoli na

wyznaczenie masy molowej polimeru za pomoc

ą

wzoru Marka-Houwinka a

konkretnie jego linowej postaci (4) :

α

η

KM

]

[

=

M

K

log

log

]

log[

α

η

+

=

(4)

gdzie: K i

α

– wielko

ś

ci stałe dla danego układu polimer rozpuszczalnik, M –

lepko

ś

ciowo

ś

rednia masa molowa polimeru

Wyznaczaj

ą

c mas

ę

molow

ą

polimerów zarówno naturalnych jak i syntetycznych

nale

ż

y mie

ć

na uwadze,

ż

e mamy do czynienia z układem polidyspersyjnym w skład

którego wchodz

ą

makrocz

ą

steczki zawieraj

ą

ce ró

ż

n

ą

liczb

ę

merów st

ą

d te

ż

wyznaczana masa jest mas

ą

ś

redni

ą

.

Odczynniki i sprz

ę

t laboratoryjny: Woda destylowana, wodny roztwór polialkoholu

winylowego o st

ęż

eniu 1g/100 cm

3

, 5 kolb (25 cm

3

), wiskozymetr, pipety, gruszka

gumowa.

Wykonanie i przedstawienie wyników pomiarów

1. Z roztworu wyj

ś

ciowego alkoholu poliwinylowego o st

ęż

eniu 1g/100 cm

3

przygotowa

ć

25 ml roztworów o nast

ę

puj

ą

cych st

ęż

eniach: 0,2; 0,4; 0,6 oraz

0,8 g/100 cm

3

.

2. Do wiskozymetru Ostwalda nale

ż

y wla

ć

20 cm

3

wody. Powoli zasysaj

ą

c

pompk

ą

podnie

ść

menisk cieczy ponad górn

ą

kresk

ę

nacechowan

ą

na

kapilarze wiskozymetru. Pomiar czasu przepływu nale

ż

y wykona

ć

trzykrotnie.

Nale

ż

y zanotowa

ć

warto

ś

ci z dokładno

ś

ci

ą

do setnej sekundy.

3. Analogiczne pomiary nale

ż

y wykona

ć

dla roztworów o st

ęż

eniach 0,2-

1,0g/100 cm

3

. Podczas zasysania roztworów w wiskozymetrze nale

ż

y zwróci

ć

uwag

ę

aby roztwory PVA nie były spienione.

4. Obliczy

ć

lepko

ść

wzgl

ę

dn

ą

roztworów z równania (2):

0

0

t

t

wz

=

=

η

η

η

gdzie:

η

-lepko

ść

roztworu,

η

0

-lepko

ść

rozpuszczalnika, t - czas przepływu

roztworu, t

0

-czas przepływu wody.

5. Na podstawie warto

ś

ci lepko

ś

ci wzgl

ę

dnej nale

ż

y obliczy

ć

warto

ś

ci lepko

ś

ci

wła

ś

ciwej (

η

wł

) oraz zredukowanej (

η

zr

).

1

0

0

−

=

−

=

wz

wł

η

η

η

η

η

c

c

wz

wł

zr

1

−

=

=

η

η

η

gdzie: c- st

ęż

enie roztworu

Wyniki nale

ż

y umie

ś

ci

ć

w tabeli.

Roztwór

[g/100cm

3

]

Czas przepływu [s]

Warto

ść

ś

rednia

SD

I

II

III

woda

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Roztwór

[g/100 cm

3

]

Lepko

ść

wzgl

ę

dna

Lepko

ść

wła

ś

ciwa

Lepko

ść

zredukowana

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

6. Wykona

ć

wykres zale

ż

no

ś

ci lepko

ś

ci zredukowanej od st

ęż

enia

η

zr

=f(c). Z

warto

ś

ci przeci

ę

cia wyznaczamy lepko

ść

graniczn

ą

[

η

].

7. Z postaci liniowej równania Marka-Houwinka obliczy

ć

lepko

ś

ciowo

ś

redni

ą

mas

ę

cz

ą

steczkow

ą

polimeru

M

K

log

log

]

log[

α

η

+

=

gdzie:

α

i K to warto

ś

ci stałe i wynosz

ą

odpowiednio 0,63 oraz 0,734*10

-3

[100cm

3

/g]. S

ą

one charakterystyczne dla układu polimer-rozpuszczalnik układu

PVA-woda.

Masa cz

ą

steczkowa dla alkoholu poliwinylowego powinna wyj

ść

w zakresie

26300-30000.

Bibliografia

1. Hermann T.: Chemia fizyczna, podr

ę

cznik dla studentów farmacji i analityki

medycznej, PZWL, Warszawa 2007.

2. Atkins P., de Paula J.: Physical Chemistry, Oxford University Press, Oxford

2006

3. Revue Roumaine de Chemie, 2009, 54, 981-986.

4. Saxena S.K.: Polivinyl Alcohol (PVA) Chemical and Technical Assessment

(CTA). 61

st

JECFA.