лаб. раб. 3. doc

кафедра ОРХ
ФИЗКОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Методические указания к выполнению
студентами лабораторной работы №3. «Вязкость дисперсных систем.
Определение молекулярной массы полимера вискозиметрическим
методом»
АСТРАХАНЬ 2003
1. Цель работы:
1.1.
1.2.
1.3.
Определить зависимость вязкости полимера от концентрации.
По удельной вязкости раствора ВМС рассчитать его
молекулярную массу.
Определить зависимость вязкости ВМС от температуры.
2. Теоретические основы.
Вязкостью (внутренним трением) называют свойство текучих тел
оказывать сопротивление перемещению под действием сил одних слоев
относительно других.
2.1.
Вязкость жидкостей.
Рассмотрим случай ламинарного течения жидкости по трубке, т.е.
такого течения, при котором масса жидкости делится на
параллельные, не смешивающиеся друг с другом слои, текучие с
разными скоростями, причем скорость слоев падает от оси трубки
к ее стенкам (U1<U2<U3).
x1
x3
x2
U1
U2
U3
F
Рис. 2.1.1. Схема перемещений слоев жидкости при вязком течении.
U – скорость движения слоев.
Х – расстояние слоя до стенки.
F - сила вязкого сопротивления жидкости внешней силе.
Такое течение жидкости подчиняется закону Ньютона, который
выражается в следующей формуле:
F =  * dU\dx * S
F – сила вязкого сопротивления жидкости внешней силе.
dU\dx - градиент скорости движения жидкости между слоями.
S – площадь слоя.
 - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом
вязкости.
Из уравнения (2.1.1.) найдем  и определим размерность
 = F dx\dU * 1\ S
Н*м
Н*с
2
Система СИ [] = м/с * м
=
м2 = Па*С (паскаль секунда).
Величину Па*С называют «паскаль» и обозначают Па.
дин * см
дин * с
Система С.Г.С. [] =
=П
см/с * см
м
2
2
г
(пуаз) =
с * см
Величину П называют “пуаз», обозначают «П». Ламинарное течение
жидкости по трубкам подчиняется также закону Пуазейля:
 * r4 * p * 
=
8*U*l
(2.1.2.)
где: U – объем протекающей через трубку жидкости;
r и l – радиус и длина трубки;
Р – разность давления на концах трубки;
 - время протекания объема через трубку.
Уравнение (2.1.2.) служит для определения значения: вязкости
жидкостей вискозиметрическим способом. На практике обычно
используют не абсолютные значения вязкости, для нахождения которой
необходимо знать U, , l прибора, а величину относительной (2.1.3.) и
удельной (2.1.4.) вязкости.

 - о
отн. =
уд. =
o (2.1.3.)
о
(2.1.4.)
где:  - вязкость исследуемой жидкости;
о – вязкость эталонной жидкости.
В качестве эталонной жидкости, как правило, используют воду.
2.2.
Вязкость дисперсных систем.
Законы Ньютона и Пуазейля применимы к чистым жидкостям,
разбавленным растворам низкомолекулярных веществ и
некоторым коллоидным системам. Такие жидкости называются
истинными. Растворы ВМС и коллоидов с анизодиаметрическими
(т.е. удлиненными) частицами этим законам не подчиняются, их
называют аномальными жидкостями. Вязкость этих частиц
аномально высока и, кроме того, вязкость их не является
постоянной и падает с ростом давления, под которым происходит
течение жидкости. Для растворов высокополимеров и коллоидных
с анизодиаметрическими частицами график зависимости вязкости
от давления имеет вид, показанный на рис. 2.2.1. (I), а для
истинных жидкостей (II):
h
I
II
p
РИС. 2.2.1. З
I – аномальная жидкость;
II – истинная жидкость.
В разбавленных системах падение вязкости с ростом давления
объясняется формой молекул ВМС и коллоидных частиц. Длинные
макромолекулы и частицы оказывают различное сопротивление потоку
жидкости в зависимости от их расположения. Частицы, расположенные
вдоль потока, оказывают меньшее сопротивление, чем расположенные
поперек потока. С увеличением давления и, соответственно, скорости
течения, происходит ориентация длинных частиц вдоль направления
течения потока, снижения их гидродинамической сопротивляемости и,
следовательно, вязкость раствора уменьшается.
Рис. 2.2.2. Схема ориентации молекул дисперсной фазы при течении
жидкости.
В более концентрированных системах под действием молекулярных сил
сцепления образуются структуры. Длинные макромолекулы полимеров
или коллоидные частицы, сцепляясь по концам, образуют
пространственные структурные сетки, которые сильно загущают
раствор (рис. 2.2.3.).
Рис. 2.2.3. Схема образования структурированного раствора.
При течении раствора структура начинает разрушаться тем
сильнее, чем выше давление. Поэтому вязкость таких коллоидных
систем падает с повышением давления до тех пор, пока вся структура не
окажется разрушенной. После этого раствор течет, подчиняясь законам
Ньютона и Пуазейля. Аномальную вязкость в этом случае можно
назвать структурной вязкостью.
Вязкость дисперсной системы увеличивается с ростом
содержания дисперсной фазы (с увеличением концентрации раствора),
т.к. частицы дисперсной фазы оказывают дополнительное
сопротивление течению
 = о(1 + к) (2.2.1.) или
 - о = К
о
(2.2.2.)
где  и о – вязкость коллоидных растворов и чистой дисперсной среды;
 - объемная доля дисперсной в общем объеме системы;
К – константа, определяемая формой частиц (для сферических = 2,5)
Этот закон устанавливает линейную зависимость вязкость от
концентрации (кривая I, рис. 2.2.4.)
h уд
II
I
Рис. 2.2.4. Зависимость вязкости от объемной доли дисперсной фазы
для бесструктурного (I) и структурированного (II) золей.
Для структурированных систем закон Эйнштейна не соблюдается. Для
них наблюдается более сильное возрастание вязкости с ростом
концентрации (кривая II, рис. 2.2.4.). Вязкость растворов ВМС (в
отличие от коллоидных растворов) зависит еще и от молекулярной
массы полимеров (М), увеличиваясь с ее увеличением при С = const,
Штаудингер пришел к следующему выражению, связывающему
вязкость раствора полимера с его концентрацией и молекулярной
массой:
уд. = К * М * С (2.2.3.) или уд.
С = К * М (2.2.4.)
где: К – постоянная для определенного полимергомологического ряда;
С – весовая концентрация;
М – молекулярная масса полимера.
Исходя из уравнения Штауденгера, можно заключить, что
величина уд/С, называемая приведенной вязкостью не должна зависеть
от концентрации, на самом деле взаимодействие макромолекул в
растворе приводит к тому, что происходит возрастание приведенной
вязкости с ростом концентрации (рис. 2.2.5.)
h
уд\ С
x
x
x
x
[h]
C
рис. 2.2.5. Зависимость приведенной вязкости от концентрации
раствора.
Исключить влияние концентрации можно путем экстраполяции к
значению С = 0.
lim уд. \ С = [] (2.2.5.)
Полученная таким образом величина [] – называется
характеристической вязкостью (рис. 2.2.5.) Она представляет собой
приведенную вязкость бесконечно разбавленного раствора и не
включает взаимодействия между молекулами.
Уравнение Штаудингера применимо в предельном случае,
выполняющемся лишь при отсутствии взаимодействия между
макромолекулами и при их полном выпрямлении. В настоящее время
предложено более точное уравнение, учитывающее влияние указанных
факторов:
[] = К * М а (2.2.6.)
где: «К» и «а» - константы, характерные для данного
полимергомологического ряда в определенном растворителе.
Для вычисления молекулярной массы прологарифмируем уравнение
(2.2.6.)
lg [] = lgK + a lgM
lg[] - lgK
lgM =
a
(2.2.7.)
Величину [] определяем графическим способом. Для этого находят
несколько значений удельной вязкости уд. раствора ВМС при
различных концентрациях (формула 2.1.4.). Вычисляют приведенную
вязкость ую/с, строят график зависимости уд./с от С и находят []
путем продолжения линии до пересечения с осью ординат (рис. 2.2.5.).
Значения констант «К» и «а» для некоторых полимеров приведены в
приложении I.
2.3.
Способы определения вязкости полимеров.
Существует несколько способов определения вязкости:
I. С помощью вискозиметра Освальда;
II. Капиллярного вискозиметра:
III. Методом падающего шарика.
2.3.1. Определение вязкости при помощи вискозиметра Освальда.
Устройство вискозиметра приведено на рис. 2.3.1.1.
1
4
2
7
8
6
3
1,2 – сообщающиеся трубки;
3,4,5 – расширение трубок;
6 – капиллярная трубка;
7,8 – метки.
Рис. 2.3.1.1. Капиллярный вискозиметр.
Абсолютное значение  для жидкости, протекающей через капилляр,
определяется уравнением Пуазейля (2.1.2.). Для расчета  необходимо
значение констант прибора r, l, U.
где r и l – радиус и длина капилляра.
U – объем протекающей жидкости.
Проще определить вязкость по отношению к эталонной жидкости,
например, воде.
Запишем уравнение Пуазейля для исследуемой жидкости и для воды:
 * r4 * Pж *  ж
= 8*U*l
 * r4 * PH2O * rH2O
H2O = 8 * U * l
где: Рж и РН2О – время истечения жидкости и воды.
ж
Рж * ж
отн. = Н2О = РН2О * Н2О
Если жидкости движутся под действием силы тяжести, то отношение Рж.
/РН2О можно заменить отношением плотностей: dж/dН2О
Для сильно разбавленного раствора принимаем
dж = dН2О, тогда
отн = ж /Н2О
(2.3.1.1.)
уд = ж - Н2О/ Н2О
( 2.3.1.2.)
Таким образом, определение удельной и относительной вязкости
сводится к измерению времени протекания через капилляр
определенного объема исследуемой жидкости и воды.
Для определения времени истечения заполняют жидкостью через
трубку 2 расширитель до половины объема. Затем с помощью груши,
надеваемой на трубку 1, перекачивают жидкость из расширителя 3
таким образом, чтобы заполнить расширение 4 и частично 5.
Отсоединяют грушу, при этом жидкость протекает через капилляр 6 и
колено в расширитель 3. При перехождении уровня жидкости через
метку 7 включают секундомер, при прохождении через метку 8
выключают его. Измерение времени протекания жидкости производят
не менее 3-х раз. При этом измерении начинают с эталонной жидкости,
а затем растворов, начиная с раствора меньшей концентрации. При
переходе от раствора низшей концентрации к раствору более высокой
концентрации нужно тщательно удалить из вискозиметра прежний
раствор и промыть вискозиметр раствором следующей концентрации.
2.3.2. Определение вязкости при помощи гемовискозиметра.
Устройство прибора на рис. 2.3.1.
1
7
4
3
9
Рис. 2.3.2.1. Гемовискозиметр
До начала работы по определению вязкости необходимо промыть
пипетки раствором аммиака, дистиллированной водой и высушить. От
чистоты капилляра зависит точность показаний. Далее кран 3 ставят в
положение, при котором он соединяет правую пипетку 1 с
наконечником 9, перекрывают кран 3. Это надо сделать так, чтобы в
столбике воды не было пузырьков воздуха и разрывов. Затем наполняют
левую пипетку до нулевой отметки исследуемым раствором. Ставят
прибор на стол, поворачивают кран 3, присоединяя правую пипетку с
тройником и энергично, но осторожно, втягивают ртом воздух из обоих
пипеток, отчего столбик раствора и воды начинает двигаться вперед с
разными скоростями. При переходе столбика исследуемого раствора к
значению «1» дальнейшее втягивание воздуха прекратить. Удельная
вязкость раствора будет равна разности между значением шкалы, до
которого дошел столбик и единицей.
2.3.3. Определение вязкости методом падающего шарика (метод
Стокса).
Прибор для определения вязкости по Стоксу состоит из стеклянной
трубки длиной 35-40 см, нижнее отверстие которой плотно закрыто
пробкой. На трубке имеются две кольцевые метки.
1
4
2
3
5
Рис. 2.3.3.1.
1. Стеклянная трубка.
2,3. Кольцевые метки.
4. Металлический шарик.
5. Пробка.
Трубку заполняют исследуемой жидкостью и закрепляют в
вертикальном положении. В трубку с жидкостью опускают
металлический шарик. В момент прохождения шарика через верхнюю
метку трубки включают секундомер, в момент прохождения шарика
через нижнюю метку секундомер включают. Опыт повторяют для
каждой жидкости не менее 3-х раз. Значения отн и уд определяют по
формулам (2.3.1.1.) и (2.3.1.2.).
3.Материальное обеспечение.
3.1. Раствор полимера определенной концентрации. Дистиллированная
вода.
3.2. Оборудование: вискозиметр, толстостенный стакан, бюретка,
пипетка емкостью 50 – 100 мл, секундомер.
4.Указания по технике безопасности.
При выполнении работы необходимо соблюдать правила по ТБ при
работе с приборами, стеклянной посудой, хим. реактивами.
5.Рабочее задание и методические рекомендации по его применению.
5.1. Определение зависимости вязкости от концентрации.
Из раствора полимера исходной концентрации С, приготавливают 5
растворов заданных концентраций по 30 мл каждого. Для расчета
объема исходного раствора необходимого для приготовления 30 мл,
используют следующую формулу:
CЗ * 30
V=
Со
где: СЗ – заданная концентрация полимера;
Со – исходная концентрация полимера
Объем исходного раствора и воды, необходимые для приготовления
растворов заданной концентрации, вносят в таблицу 5.1.1.
Отмерив из бюретки рассчитанные объемы исходного раствора
полимера, добавляют в них из бюретки воду до объема 30 мл и растворы
перемешивают. Определяют вязкость растворов одним из описанных
методов. Результаты экспериментов вносят в таблицу 5.1.1.
Вычерчивают кривую изменения вязкости с изменением концентрации
и делают выводы.
5.2. Определение молекулярной массы полимера.
Используя данные предыдущего задания, рассчитывают приведенную
вязкость уд./С.
Строят график зависимости уд./С от С и определяют
характеристическую вязкость (см. рис. 2.2.5.). Рассчитывают
молекулярную массу полимера по формуле (2.2.7.). Значения «К» и «а»
берут из приложения 1.
К = 4,6 * 10-5 а = 0,67
Таблица 5.1.1.
С, г/100 мл
U1, объем исх.р-ра
U2, объем воды, мл
Время истечения, ,
сек.
Н2Од.
1
2
3
ср, сек
УД = - о / о
УД / С
Строим график УД/С = f (C)
5.3. Определение зависимости вязкости от температуры.
Определяют время истечения воды при комнатной температуре. Затем
определяют время истечения раствора, поместив вискозиметр в воду со
льдом при t = 0 оС и в воду при 20о, 40о, 60оС.
Рассчитывают относительную вязкость отн. и вычерчивают
относительную вязкость от температуры. Результаты зависимости
вязкости от температуры. Результаты эксперимента заносят в таблицу.
5.3.1.
температура, С
истечен. ср. сек Н2О
истечен. ср. сек р-р
0
20
40
60
Контрольные вопросы.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Что понимают под вязкостью?
Каковы основные законы ламинарного течения жидкости?
Единицы измерения вязкости?
В чем заключается особенность вязкости растворов ВМС и
коллоидных растворов?
Какова зависимость вязкости дисперсной системы от концентрации
дисперсной фазы?
Как зависит вязкость раствора ВМС от молекулярной массы?
Что называют приведенной и характеристической вязкостью?
Каковы способы определения вязкости?
ЛИТЕРАТУРА.
7.1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии М., 1975, с. 323-330, 459465.
7.2. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л., 1984, с. 265-266.
7.3. Писаренко А.П., Поспелова К.А., Яковлев А.Г. Курс коллоидной
химии. М., 1964, с. 214-218.
7.4. Балезин С.А. Практикум по физической и коллоидной химии. М.,
1980, с. 245-252.