14
Лабораторная работа № 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ПОЛИМЕРОВ
Цель работы: Изучить методы определения вязкости растворов полимеров и вискозометрический метод определения молекулярной массы ВМС.
Теоретическая часть
Особенностью полимерных веществ является новое понятие о молекулярной массе. Для низкомолекулярных соединений значение молекулярной массы – это константа, характеризующая индивидуальность химического соединения. Изменение молекулярной массы всегда свидетельствует о переходе к другому веществу и сопровождается изменением свойств.
Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это соединения, состоящие из больших молекул и поэтому обладающие специфическими свойствами. К ВМС относятся соединения с молекулярной массой выше 5000. Молекулярная масса у ВМС может достигать значений до нескольких миллионов. ВМС называют также полимерами. Молекулы полимера состоят из большого числа повторяющихся группировок атомов, представляющих остатки или целые молекулы исходных низкомолекулярных веществ – мономера.
Молекулы полимера называют макромолекулами или полимерными цепями, которые состоят из мономерных звеньев. Число звеньев в цепи полимера называют степенью полимеризации (n).
В отличие от низкомолекулярных соединений любой образец полимера представляет собой смесь макромолекул различной длины, а, следовательно, и различной молекулярной массы. Поэтому молекулярная масса полимеров является величиной среднестатистической. Молекулярная масса связана со степенью полимеризации, т. е. с числом мономерных звеньев, из которых состоит макромолекула, формулой
Mn = n [m] , |
(1) |
где М – молекулярная масса; n – степень полимеризации; m – молекулярная масса элементарного звена.
15
Определение молекулярной массы полимера является одним из основных способов исследования высокомолекулярных соединений. Молекулярная масса полимеров может быть определена химическими или физическими методами. Химические методы основаны на определении числа концевых функциональных групп и поэтому используются главным образом для поликонденсационных полимеров. Физические методы определения молекулярной массы: криоскопический – основан на понижении температуры замерзания растворителя в присутствии полимеров; осмотический метод – основан на том, что величина осмотического давления, возникающего над раствором, пропорциональна отношению числа частиц растворенного вещества к числу частиц раствора.
Вискозометрический метод основан на определении зависимости молекулярной массы от вязкости раствора полимеров и является одним из наиболее используемых.
Относительная скорость (ηотн.) представляет собой отношение времени истечения раствора полимера (tраствора) к времени истечения растворителя
(tрастворителя).
ηотн. = |
tраствора |
. |
(2) |
|
|||
|
tрастворителя |
|
|
Удельная вязкость (ηуд.) вычисляется по формуле
ηуд. = ηотн. – 1. |
(3) |
Приведенная вязкость (η) связана с удельной вязкостью и концентрацией полимера (С) формулой
η = |
ηуд. |
. |
(4) |
|
|||
|
С |
|
|
Для растворов высокомолекулярных соединений Штаудингером установлена зависимость молекулярной массы полимера (М) от вязкости
M = |
1 |
|
ηуд. |
, |
(5) |
|
Km |
С |
|||||
|
|
|
|
где Km – константа, характерная для данного полимергомологического ряда.
16
Экспериментальная часть
Опыт 1. Определение относительной вязкости
Скорость истечения раствора определяют в вискозиметре ОствальдаПинкевича (рис. 3), с капилляром 0,7…1,0 мм.
Сначала измеряют время истечения чистого растворителя. Для этого 5 мл растворителя заливают в широкое колено вискозиметра, который погружают в термостат (20 оС) и выдерживают в нем 10…15 мин. Засасывают растворитель выше верхней метки над шариком, и жидкость начинает переливаться в широкое колено вискозиметра. Как только уровень жидкости опустится до верхней метки, включают секундомер и отмечают время, в течение которого объем растворителя от верхней до нижней метки вытекает через капилляр. Когда жидкость опустится до нижней метки 2, выключают секундомер и записывают результаты. Отчет повторяют 3…4 раза, после чего вычисляют среднее время истечения растворителя (τрастворителя). Вискозиметр вынимают, выливают растворитель. После этого описанным способом определяют скорость истечения раствора полимера (r раствора).
Рассчитайте относительную, удельную, приведенную вязкость и молекулярную массу, используя вискозиметр ВЗ- 4, по формулам (2) – (5).
Km = 2,6 104 (для растворов поливинилацетата в ацетоне и поливинилового спирта в воде).
Все результаты записывают в табл. 1.
Рис. 3. Вискозиметр Оствальда-Пинкевича
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Концентрация |
|
|
ηуд |
|
|
|
|
определения |
полимеров, |
ηотн |
ηуд |
|
M |
|
||
|
С |
|
|
|||||
|
моль/л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17
Опыт 2. Определение молекулярной массы по характеристической вязкости
Для характеристики молекулярной массы используют условный показатель – относительный прирост вязкости растворителя при введении в него полимера. Этот показатель называют характеристической вязкостью и обозначают через [η]. Характеристическая вязкость связана с величиной молекулярной массы следующим уравнением:
[η] = K Mα , |
(6) |
где К и α – постоянные, определяемые экспериментально и зависящие от формы макромолекул (αПВС = 0,78; αМВС = 0,5).
Определение характеристической вязкости производят следующим образом. Приготавливают растворы полимера концентрацией 2 %; 1 %; 0,5 %; 0,25 %. Определяют скорость истечения каждого раствора (после определения вязкости вискозиметр нужно сразу же вымыть растворителем и высу-
шить).
Результаты испытаний сводят в табл. 2, выражая концентрацию растворов в основных молях:
|
|
|
1 |
= |
C; % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
. |
|
|
(7) |
|||
|
|
|
M |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
№ опреде- |
|
Концентрация веществ |
ηотн |
ηуд |
ηуд/C |
|
[η] |
||||
ления |
|
% |
основные моли |
|
|
|
|
|
|||
1 |
С1 |
|
С1' |
|
|
|
η’отн |
η’уд |
η’уд/C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
С2 |
|
С2' |
|
|
|
η”отн |
η”уд |
η”уд/C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
3 |
С3 |
|
С3' |
|
|
|
η’’’отн |
η’’’уд |
η’’’уд/C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
4 |
С4 |
|
С4' |
|
|
|
η””отн |
η””уд |
η””уд/C |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На основании полученных данных строят прямую зависимости ηуд/C от С (рис. 4), продолжают её до пересечения с осью ординат и по полученному в точке пересечения значению ηуд/C рассчитывают молекулярную массу полимера по формуле
[η] 1/α . |
(8) |
||
M = |
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
|