Работа 48. Исследование процесса набухания твердых полимеров.

В этой работе необходимо определить зависимость степени набухания желатины от времени набухания. Определение степени набухания W можно производить весовым и объемным способом. В первом случае необходимо измерить вес сухой и набухшей желатины (p₀ и p_наб, соответственно); по разности этих величин находят привес в граммах на 1 г сухой желатины и рассчитывают степень набухания желатины в воде и в растворе одного из электролитов  .

Для выполнения работы получают в лаборантской два стаканчика, две проволочки и два кусочка сухой желатины. Сначала на торзионных весах поочередно взвешивают проволочки, на которые затем подвешивают по кусочку сухой желатины, после чего снова взвешивают проволочки с желатиной и таким образом определяют массу каждого из двух кусочков сухой желатины p₀ – для опыта с водой и для опыта с электролитом.

После взвешивания кусочки желатины, не снимая с проволочек, опускают каждый в свой стаканчик – один образец в воду, второй – в раствор электролита, причем зацепить проволочку за край стаканчика необходимо таким образом, чтобы вся желатина была погружена в раствор. Рекомендуется замачивать образцы с интервалом примерно в 5 минут, чтобы в дальнейшем измерения веса набухшей в воде и в электролите желатины не совпадали по времени друг с другом.

Далее через 15 минут вынимают проволочку с кусочком желатины из первого стаканчика, фильтровальной бумагой осторожно убирают излишек жидкости с поверхности желатины, не пытаясь отжимать ее, после чего взвешивают проволочку с уже набухшей желатиной. После взвешивания необходимо снова поместить образец в свой стаканчик. Через 5 минут проделывают то же самое с образцом из второго стаканчика. Полученные данные записывают в таблицы 48.1 и 48.2, соответственно. Всего необходимо выполнить по восемь измерений через каждые 15 минут для каждого образца. Работа рассчитана на два часа. По окончании работы выливают растворы из стаканчиков, проволочки возвращают в лаборантскую, желатину выбрасывают.

Набухание желатины в 0.5 M KBr. Таблица 48.1.

Время t, мин	Вес проволоки pпр, мг	Вес проволоки и сухой желатины p1, мг	Вес сухой желатины p0 = p1-pпр, мг	Вес проволоки с набухшей желатиной p2, мг	Вес набухшей желатины pнаб = p2 – pпр, мг	Степень набухания
15				220	201	1.284
30				275	256	1.91
45				330	311	2.534
60	19	107	88	378	359	3.079
75				441	422	3.795
90				465	446	4.068
105				491	472	4.364
120				523	504	4.727

По полученным данным строят две зависимости степени набухания W от времени набухания – для набухания в воде и в растворе электролита (рис. 48.1). Следует отметить, что представленные зависимости должны иметь вид усредненной плавной кривой, исходящей из начала координат.

Набухание желатины в воде. Таблица 48.2.

Время t, мин	Вес проволоки pпр, мг	Вес проволоки и сухой желатины p1, мг	Вес сухой желатины p0 = p1-pпр, мг	Вес проволоки с набухшей желатиной p2, мг	Вес набухшей желатины pнаб = p2 – pпр, мг	Степень набухания
15				248	228.5	0.442
30				292	272.5	0.720
45				327	307.5	0.940
60	19.5	178	158.5	360	340.5	1.148
75				393	373.5	1.356
90				418	398.5	1.514
105				456	436.5	1.754
120				469.5	450	1.84

Рис.48.1. Кривые набухания желатины в воде и 0.5 М растворе KBr.

Процесс набухания протекает как реакция первого порядка: , где А – постоянная, зависящая от природы полимера, W – степень набухания, - предельная степень набухания, - скорость набухания. Можно представить это уравнение в виде уравнения прямой, не проходящей через начало координат: , с помощью которого можно найти графически предельную степень набухания и константу А.

Для этого необходимо построить зависимость степени набухания W от скорости набухания . Для построения такого графика на кривых (рис. 48.1) выбирают точки, соответствующие времени набухания 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105 и 120 минут, и в каждой из этих точек проводят касательные к кривым W = f(t). Используя эту касательную как гипотенузу, строят треугольники, в каждом из которых катет, соответствующий оси времени, составляет 10 минут, и вычисляют ряд значений W и .

Результаты вычислений заносят в таблицы 48.3 и 48.4, и по этим данным строят зависимости степени набухания W от скорости набухания (рис. 48.2).

Набухание желатины в 0.5 M KBr. Таблица 48.3.

t, мин	15	30	45	60	75	90	105	120
W	1.167	1.91	2.53	3.079	3.633	4.068	4.364	4.67
W	0.333	0.234	0.202	0.167	0.133	0.11	0.1	0.067
	0.066	0.046	0.040	0.034	0.026	0.022	0.020	0.014

Набухание желатины в воде. Таблица 48.4.

t, мин	15	30	45	60	75	90	105	120
W	0.42	0.72	0.94	1.148	1.34	1.514	1.754	1.823
W	0.233	0.183	0.149	0.133	0.117	0.110	0.10	0.083
	0.023	0.018	0.015	0.013	0.012	0.011	0.010	0.008

По полученным точкам проводят усредненную прямую, причем экстраполяция этой прямой на ось ординат () даст значение , а на ось абсцисс (W = 0) – значение . Из определенных графически (с учетом масштаба) величин необходимо вычислить значение постоянной А. В нашем случае для набухания желатины в воде = 2.47, = 0.0265 и А = 0.0107; для набухания желатины в растворе бромида калия  = 5.7, = 0.074 и А = 0.013.

Рис.48.2. Определение констант процесса набухания А и .