Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физикохимия растворов полимеров и композиционных полимерных материалов. Методические указания
.pdf
4. Результаты измерений и расчетов свести в табл. 11.
Время прошедшее с начала
опыта τ, мин
Уровень жидкости в
градуированной трубке n
Количество по-
глощенного рас-
творителя
Степень набухания
α, %
α
max
-α
ln(α
max
-α)
k, мин
-1
В делениях градуирован-
ной трубки ΔV=2(n–n
0
)
В граммах Q, г
Таблица 11. Результаты измерений и расчетов
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте определение процессу набухания полимера.
2. Охарактеризуйте понятия «ограниченное» и «неограниченное» набухание.
3. Покажите, какие факторы влияют на набухание полимера.
4. Объясните, что такое «полимерный композит».
5. Охарактеризуйте величину «степени» набухания полимера.
6. Объясните, как влияет форма макромолекулы на степень набухания полимера.
7. Покажите, как можно рассчитать константу скорости набухания.
8. Покажите, как влияют наполнители полимерного композита
на степень и константу скорости набухания.
41
Лабораторная работа 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОЧКИ
ПОЛИАМФОЛИТОВ
Цель работы: определить изоэлектрическую точку синтетического
или природного полиамфолита.
Приборы и реактивы: фотоэлектрический колориметр ФЭК-М; потенциометр РН-340; вискозиметр Уббелоде; раствор пищевого желатина
1%; раствор сополимера акриловой кислоты с 2-метил-5-винилпиридином (АК-2М5ВП) концентрацией 0,2 г/дл; 0,1 Н НС1; 0,1 Н КОН; кол-
бочки и пипетки на 1, 2, 5, 20 мл.
Вопросы для подготовки к коллоквиуму: полиамфолиты: определение, примеры синтетических и природных полиамфолитов; изоэлектрическая точка; особенности поведения полиамфолитов в изоэлектрическом
состоянии; конформация и электростатическое взаимодействие макромолекул полиамфолита; зависимость физико-химических свойств растворов
полиамфолита (электропроводность, вязкость, мутность) от pH среды.
Теоретическое введение
– амфотерные полиэлектролиты – полимеры, мак-
ромолекулы которых одновременно содержат кислотные и основные
группы, способные ионизироваться в растворителе. Повышенный интерес
к ним обусловлен принадлежностью к этой группе соединений биополимеров, а также практическим использованием амфотерных полиэлектролитов в качестве коагулянтов, флокулянтов, структурообразователей.
Некоторые сополимеры амфотерного характера, включающие цепи с кислотными и основными группами в различных сочетаниях, приведены в табл. 12.
в растворах полиамфолитов имеет свои особенности.
Рассмотрим в качестве примера ионизационное состояние сополимера
акриловой кислоты с 2-метил-5-винилпиридином. В среде
у сополимеров в равной степени диссоциируют карбоксильные и пиридиновые группы:
42
Таблица 12 . Примеры синтетических полиамфолитов
Название полимера, структурное звено
pH* 1 2 АК-2ВП (акриловая кислота-2-винилпиридин)
3,5-5,3
АК-2М5ВП
8,9-9,3
Диэтиламино-этилметакрилат-метакриловая кислота
(ДЭАМА-МАК)
7
ДЭАЭМА-фумаровая кислота (ДЭАЭМА-ФК)
4-6
МАК-2ВП
4-6
43
. 12
1
2
МАК-4ВП
7
МАК-2М5ВП
2-7
* Значения pH, при которых сополимер в воде нерастворим
В среде диссоциация кислотных групп значительно подав-
лена, а в результате протонизации основные группы макромолекулы имеют положительный заряд:
В среде диссоциируют кислотные группы, макромоле-
кула заряжается отрицательно:
44
Ионизационное равновесие может быть представлено следующей схемой:
Одной из особенностей полиамфолитов, обусловленных их строением, является наличие (ИЭС), т.е. области pH, в которой макромолекулы представляют собой полицвиттерионы
(полиионы, имеющие в своем составе и положительно, и отрицательно
заряженные группы). Значение pH раствора, когда средний суммарный
заряд полицвиттериона равен нулю, называется
(ИЭТ) полиамфолита. В области ИЭС разноименно заряженные
функциональные группы полимерной цепи взаимодействуют друг с другом с образованием внутримолекулярных солевых связей типа
Существует несколько способов определения ИЭТ. Например, измеряют электрофоретическую подвижность макроионов при различных
значениях pH и интерполяцией находят pH, при котором электрофоретическая подвижность равна нулю. Это и есть изоэлектрическая точка, поскольку полицвиттерион не перемещается в электрическом поле, т.е. его
суммарный заряд равен нулю. Кроме того, ИЭТ может быть определена
по изменению физико-химических свойств растворов полиамфолитов,
таких как вязкость, электропроводимость, зависимости которых от pH характеризуются минимумом в ИЭТ.
Например, удельная вязкость (ηуд) минимальна в ИЭТ, так как макромолекула принимает компактную конформацию вследствие того, что
взаимное притяжение противоположно заряженных боковых групп, когда
они присутствуют в равных количествах, преобладает над взаимным отталкиванием одноименно заряженных групп.
При удалении от ИЭТ полиион полиамфолита приобретает суммарный положительный или отрицательный заряд и стремится к разворачиванию из-за взаимного отталкивания одноименных зарядов в цепи. При
удалении от изоэлектрического состояния наблюдается возрастание вяз-
45
кости, связанное с увеличением объема полииона вследствие усиления
цистин
глютаминовая
кислота
лизин
глицин
электростатического отталкивания между его одноименно заряженными
группами. Вблизи ИЭТ в связи с образованием внутримолекулярных солевых связей происходит сильное сжатие макромолекулярного клубка,
что проявляется в уменьшении вязкости.
Как правило, большинство полиамфолитов, как природных (белков), так и синтетических, в изоэлектрической точке нерастворимы, что
сопровождается ростом оптической плотности или мутности.
Аналогично ведут себя и природные полиамфолиты, например,
белки. Белки относятся к высокомолекулярным соединениям, в состав
которых входят аминокислоты, связанные между собой пептидной связью: —CO—NH—. Общая формула аминокислот, из которых строится
макромолекула белка, имеет следующий вид:
Для аминокислоты характерно одновременное присутствие кислотной группы —СООН и основной аминогруппы —NH2 при одном и том
же атоме углерода (α-углерод). R ˗ углеводородный радикал, может содержать СООН˗, NH2˗ и NH˗группы, способные диссоциировать в растворе. Примеры аминокислот:
46
Перейдем от аминокислот к белкам. Простые белки – это полимеры,
полианион
поликатион
состоящие из набора аминокислот, соединенных пептидной связью:
В нейтральной водной среде у белка в равной степени диссоциирует
амино- и карбоксильные группы. В данном случае макромолекула содер-
жит положительно заряженные NH
+
˗группы и отрицательно заряженные
3
COO−˗группы, которые чередуются в макромолекуле белка и способны
притягиваться друг к другу.
Вследствие притяжения разноименно заряженных групп происходит сворачивание полимерной цепи в спираль:
Очевидно, что при некотором промежуточном pH раствора макромолекулы будут нести одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, средний суммарный заряд макромолекулы белка будет
равен нулю – это изоэлектрическая точка белка.
Поликатион или полианион содержат одинаково заряженные ионогенные группы, которые электростатически отталкиваются друг от друга,
что приводит к вытянутой конформации макроиона:
47
Таким образом, белок (например, желатина, казеин и др.) проявля-
№ колб
Количество введенной
0,1 Н кислоты или щело-
чи, мл
Измеряемые величины
pH Светопропускание Q, %
KOH
HCl
1 - 2,0
2 - 1,30
3 - 0,90
4 - 0,65
5 - 0,25
6 - -
7
0,24
-
8
0,38
-
ют свойства поликислоты в щелочной, полиоснования в кислой и полиамфолита в нейтральной средах.
Необходимо отметить, что белки, как и синтетические полиамфолиты, теряют растворимость в изоэлектрическом состоянии, что может быть
обнаружено при исследовании светопропускания.
Выполнение работы
Вариант 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЭТ ПО СВЕТОПРОПУСКАНИЮ РАСТВОРОВ
ЖЕЛАТИНЫ
1. Приготовить 250 мл 1% раствора желатины в воде, растворяя ее
при перемешивании и нагревании до температуры 40°С (не выше). Раствор профильтровать.
2. Отобрать пипеткой по 20 мл отфильтрованного раствора желати-
ны и поместить в восемь пронумерованных колбочек емкостью 50 мл.
3. Добавить из микропипетки при перемешивании кислоту или ще-
лочь (согласно табл. 13).
4. Измерить pH растворов с помощью рН-метра (согласно инструкции). Измерить светопропускание растворов на ФЭК-М (согласно инструкции). Результаты измерений занести в табл. 13.
Таблица 13. Экспериментальные данные по изучению зависимости
светопропускания растворов желатины от pH
48
5. Построить график зависимости Q (светопропускание в процен-
№ колб
Количество введенной
0,1 Н кислоты или ще-
лочи, мл
Измеряемые величины
ηуд
КОН
HCl
pH
Время исте-
чения раство-
ра τ, с
1 - 2,0
2 - 1,30
3 - 0,90
4 - 0,65
5 - 0,25
6 - -
7 0,24
-
8 0,38
-
тах) от pH. Определить pH, соответствующее изоэлектрическому состоянию (рН
). Сделать выводы по работе.
иэт
Вариант 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЭТ ПО ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ЖЕЛАТИНЫ
1. Приготовить 250 мл 1% раствора желатины в воде, растворяя ее
при перемешивании и нагревании до температуры 40°С (не выше). Раствор профильтровать.
2. Отобрать пипеткой по 20 мл отфильтрованного раствора желатины и поместить в восемь пронумерованных колбочек емкостью 50 мл.
3. Добавлением кислоты или щелочи (согласно табл. 14) из микропипетки при перемешивании довести растворы в колбах до нужных
значений pH.
4. Результаты эксперимента и расчетов занести в табл. 14. Построить график зависимости (ηуд) растворов желатины от pH и определить pH, соответствующее изоэлектрическому состоянию (pH
ИЭТ
). Сде-
лать выводы по работе.
Таблица 14. Экспериментальные данные по изучению зависимости
вязкости (ηуд) растворов желатины от pH среды
49
Вопросы для самоконтроля
1. Приведите определение «полиамфолита (ПАФ)».
2. Назовите примеры полиамфолитов.
3. Дайте определение изоэлектрического состояния полиэлектролита и изоэлектрической точки.
4. Объясните, каким способом можно определить изоэлектрическую точку (ИЭТ) полиамфолита.
5. Охарактеризуйте конформацию макромолекулы ПАФ в изоэлектрическом состоянии.
6. Объясните, что происходит с макромолекулой ПАФ при
уменьшении и увеличении pH от ИЭТ.
7. Дайте определение «полианиона», «поликатиона» и «цвиттериона».
8. Объясните, почему удельная вязкость раствора полимера возрастает при изменении pH от ИЭТ.
Лабораторная работа 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБМЕННОЙ ЕМКОСТИ КАТИОНИТА
Цель работы: установить функциональную зависимость обмен-
ной емкости катионита КУ-I от pH раствора.
Приборы и реактивы: колбы емкостью 250 смЗ (9 шт), аппарат
для встряхивания, бюретки для титрования на 50 мл, водяная баня,
пипетки на 1, 2, 5, 20, 50 мл, pH-метр pH-410, 0,1 Н титрованный раствор КОН, 0,2Н раствор КС1, катионит КУ-I в Н± форме, технические
весы.
Вопросы для подготовки к коллоквиуму: ионный обмен; класси-
фикация ионитов; реакции ионного обмена, уравнение Никольского;
обменная емкость катионита; применение ионного обмена.
Теоретическое введение
называется способность веществ, имеющих
подвижные ионы, обменивать их на другие ионы того же знака в растворе. Вещества, способные к ионному обмену, называются
Подавляющее большинство ионитов – твердые, практически нерастворимые соединения с сетчатой, или пространственной, структурой.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]