3 Вискозиметрлердің биомолекулаларының молекулярлы массасын анықтау
Құралдар мен жабдықтар:
Көп шарикті вискозиметр, секундомер, әр түрлі концентрациялы ерітінділердің жиынтығы.
Жұмыстың мақсаты: заттың молекулярлы массасын анықтау.
η ерітіндісінің тұтқырлығы еріткіштің η0 тұтқырлығынан маңызды түрде ажыратылуы мүмкін. Осы айырмашылықтың шамасы бойынша ерітілген заттың молекулаларының қасиеттері туралы сөз айтуға болады.
шамасы
– ерітіндінің
меншікті
тұтқырлығы
деп аталады.
Ол
ерітіндінің концентрациясына байланысты.
Бірімен
бірі қатынаспайтын молекулалар үшін
меншікті тұтқырлық с
концентрациясына
пропорционалды
мұнда ηпр – ерітілген заттың келтірілген тұтқырлығы.
Биологиялық
макромолекулалар
полимерлі молекулалар болып табылады,
яғни
иілгіш, бос қосылған тізбекті молекулалар.
Олар
үшін концентрацияның өсуімен ұлғаятын
молекулалар арасындағы өзара қатынаспен
ескермеуге болмайды.
Келтірілген
тұтқырлық заттардың әр түрлі
концентрацияларында бірдей емес және
тек кіші с
сипаттамалық константалары мағынаға
ие, яғни заттың сипаттамасы ретінде т
тең
шама болуы мүмкін.
Ньютондық емес сұйықтар үшін (1 жұмыс) Ньютонның теңдеуі орындалмайды, яғни олардың тұтқырлығы g жылдамдықтың градиентіне тәуелді. Жылдамдықтың тек кіші градиенттерінде ғана сұйық ағынында тізбекті молекуланың қодырауы болмайды.
шамасы
–
сипаттамалық
тұтқырлық деп
аталады.
Ерітіндіде иілгіш тізбекті биомолекулалар гауссты түйнек формасына келеді, яғни айналу эллипсоиді түрінде келтіруге болатын ассиметриялық түйнек. Осындай молекула берілген түйнекті тіліп өтетін сұйықпен бірге айналады, яғни сұйық үшін өтіп кетпейтін болып табылады. Өтіп кетпейтін макромолекуланың сипаттамалық тұтқырлығы молекулярлы массаға тәуелді.
Белгілі бір ерітіндіде бір гомологиялық қатардағы полимерлер үшін (бір немесе бірнеше метиленді топқа ажыратылатын бірдей химиялық функциялары және біртипті құрылымы бар туыс органикалық қосылыстар топтары) келесі тәуелділік бар
(3.1)
мұнда k - тұрақты коэффициент; М - молекулярлы масса.
Деңгей көрсеткіші а полимер молекуласының формасына, домбығу деңгейіне және молекуланың өтіп кетуіне байланысты. Тұтас шартәрізді бөлшектер үшін а = 0. Макромолекуланың түйінінің ассиметриясы күшті болған сайын, соғұрлым а. үлкен. Өтіп кететін эллипсоидты үшін а = 0,5. Толығымен өтіп кететін түйін үшін а = 1. Теңдеуді (3.1) басқаша түрде жазуға болады
(3.2)
Теңдеу
(3.2) логарифмдік
координаттарда тура теңдеу болып келеді
.
Белгілі молекулярлы массалары бар бір гомологиялық қатарлы полимерлердің бірнеше ерітінділерінің сипаттамалық тұтқырлықтарын өлшеп, және тәуелділік графигін салып , k және а коэффициенттерін анықтауға болады және сипаттамалық тұтқырлық өлшенген полимердің белгілі емес молекулярды массасын табуға болады.
Қондырғыны суреттеу
Сипаттамалық тұтқырлықты анықтау үшін көп шарикті вискозиметрді пайдалануға болады (сурет 3.1).
Ол Оставальд вискозиметрінен (2 жұмыс) ұзынырақ капиллярдың болуымен ерекшеленеді. Бұл сұйықтың өтіп кету уақытын нақты өлшеуге мүмкіндік береді. Одан басқа, үш шариктің болуы жылдамдықтың әр түрлі градиенттерін құруға мүмкіндік береді.
Сурет 3.1
Жылдамдық градиенті вискозимерде сұйықтың көтерілу деңгейіне байланысты, яғни шариктердің толтырылуына. Әрбір шарик үшін жылдамдықтардың градиенттерінің мәндері құрылғыға жалғасатын кестеде көрсетіледі. Жұмысты орындау үшін белгісіз молекулярлы массасы бар бір гомологиялық қатардың екі биополимерлердің ерітінділерін дайындау қажет. Әрбір заттың ерітінділері үш концентрацияда дайындалады.
Тұтқырлықты көпшарикті вискозиметрмен өлшеу Оствальд вискозиметрімен сияқты жүргізіледі (2 жұмыс).
Жұмысты орындау тәртібі
1 Жылдамдықтың әр түрлі градиенттерінде g үш концентрациялы биополимер ерітінділерінің тұтқырлығын өлшеңіз η.
2
Ерітінділердің келтірілген тұтқырлықтарын
анықтаңыз
(берілген
температурада еріткіштің тұтқырлығын
η0
анықтамалықтан
алыңыз).
3
Тәуелділік графиктерін құрыңыз
(сурет
3.2) және экстраполяция жолымен
үш
концентрацияда
табыңыз.
Сурет 3.2
4 Тәуелділік
графиктерін құраңыз
(сурет
3.3) және
экстраполяция жолымен сипаттамалық
тұтқырлықты табыңызы
.
Өлшеулер
мен есептеулердің нәтижелелерін 3.1
кестеге енгізіңіз.
Сурет 3.3
Кесте 3.1
с, кг/м3 |
g, с-1 |
τ1, с |
τ2, с |
τ3, с |
, с |
η, кг/(м·с) |
ηпр, м3/кг |
η0пр, м3/кг |
[η], м3/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 1-5 тапсырмаларын басқа екі биополимерлер үшін қайталаңыз.
7 Логарифмдік
координаттарда тәуелділік графигін
салыңыз
осы
ерітінділер үшін (сурет
3.4).
8 Салынған график бойынша белгісісіз полимердің М молекулярлы массасын және берілген гомологиялық қатардың а = tg α және k коэффициенттерін анықтаңыз.
Сурет 3.4
Сұрақтар мен тапсырмалар
1 Ерітіндінің тұтқырлығы деп не аталады?
2 Ерітіндінің сипаттамалық тұтқырлығы деп не аталады?
3 Ерітіндінің сипаттамалық тұтқырлығын қалай анықтауға болады?
4 Сипаттамалық тұтқырлық заттың молекулярлы массасымен қалай байланысты?
5 Теңдеуде (3.1) а коэффициенті неге тәуелді?
6 Көп шарикті вискозиметрдің ерекшеліктері қандай?
7 Заттың келтірілген тұтқырлығы деп не аталады?
8 Тұтқырлы сұйық үшін Ньютон теңдеуін жазыңыз.
9 Қандай сұйықтықтар ньютондық деп аталады?
Өздік бақылау үшін тапсырмалар
1 Ньютондық сұйық аталады:
а) тұтқырлығы жылдамдықтың градиентіне тәуелді тұтқырлық;
б) тұтқырлығы ағыс жылдамдығына тәуелді;
в) Ньютон теңдеуіне бағынбайтын;
г) тұтқырлығы жылдамдықтың градиентіне тәуелді емес тұтқырлық.
2 Ерітіндінің меншікті тұтқырлығын анықтау үшін формуланы көрсетіңіз ηуд (η – ерітіндінің тұтқырлығы, η0 - еріткіштің тұтқырлығы):
а)
;
б)
;
в)
;
г)
;
д)
.
3 Келтірілген тұтқырлықтың СИ бірлігін көрсетіңіз:
а) Па·с;
б) кг/м3;
в) Н/м2;
г) м3/кг;
д) өлшемсіз шама.