Результаты исследования кинетики набухания полимера

Время измерения t, мин	Уровень жидкости h, мм	Объём поглощенной жидкости V,	Степень набухания , %

Общий вывод

Лабораторное занятие № 12.

«Получение устойчивых эмульсий и пен, выявление роли стабилизаторов»

Цель работы: получение и определение типа разбавленных эмульсий; обращение фаз в эмульсии бензол – вода, получение и определение типа разбавленных эмульсий; обращение фаз в эмульсии бензол - вода.

 

Задание 1 - выполнить следующие опыты и сделать соответствующие выводы.

Опыт 1.

Получение эмульсин. Выполнение опыта. Приготовьте три пробирки и налейте в первую 5 ми воды, во вторую - 5 мл раствора мыла, в третью- 5 мл раствора белка. Добавьте в каждую пробирку по 3-5 капель растительного масла и взболтайте содержимое. Наблюдайте образование и относительную скорость разрушения эмульсий.

Опыт 2.

Получение пен. Выполнение опыта. Налейте в колбочку 10-15 мл воды и через капиллярную трубочку продувайте воздух. Повторите опыт, заменив моду раствором мыла. В каком случае образуется пена? К полученной пене добавьте 1-2 капли изоамилового спирта. Как это повлияет на устойчивость пены? Объясните, почему в чистой поде пена не образуется, а образуется в растворе мыла? Какова роль изоамилового спирта?

Опыт 3.

Получение и обращение эмульсин. Выполнение опыта.

1) Берут две колбы на 100 мл, в одну наливают 10 мл 3%-го раствора Ь0Щ&, натрия в воде и 10 мл бензола, окрашенного метиленовой синью. В другую колбу наливают 10 мл дистиллированной воды и 10 мл бензола. Обе колбы энергично встряхивают до получения однородной эмульсии. Затем обе колбы оставляют в покое на некоторое время. В первой колбе эмульсия остается устойчивой, во второй наблюдается быстрое расслоение жидкостей (разрушение эмульсии). Дайте объяснение различной устойчивости полученных эмульсий. Для определения типа образовавшейся эмульсии из колбы, в которой не было расслоения, помещают каплю на предметное стекло (при этом необходимо избегать пены) и определяют под микроскопом, что окрашено. Тип эмульсии можно определить к методом слияния капель.

2) К остатку эмульсии в той же колбе приливают несколько купель концентрированного раствора хлорида кальция. Тщательно взбалтывают содержимое колбы и определяют тип эмульсии, под микроскопом. В отчете необходимо нарисовать схемы строения полученных в обоих случаях эмульсий с указанием ориентировки молекул эмульгаторов на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Контрольные вопросы:

1.Какие системы относят к микрогетерогенным системам? Что общего у них с коллоидными системами?

2.Что такое эмульсия? Какова их классификация?

3.Объясните причину неустойчивости эмульсий.

4.Какие требования предъявляют к эмульгатору?

5.Нарисуйте схему расположения молекул эмульгатора на Капельке дисперсной фазы в эмульсиях М/В и В/М.

6.В чем сущность явления обращения фаз эмульсии?

7.Назовите методы определения типа эмульсии.

Дополнительное задание:

Выбрать правильный ответ и пояснить его:

1) К каким системам относятся коллоидные растворы?

а) к гомогенным системам;

б) к микрогетерогенным;

в) к гетерогенным.

2) Для каких эмульсий белки являются эмульгаторами?

а) "масло в воде";

б) "вода в масле";

в) оба ответа правильные;

г) правильного ответа нет.

3) К какому типу эмульсий относится майонез?

а) М/В;

б) В/М;

в) оба ответа правильные;

г) правильного ответа нет.

Задание 2 - выполнить следующие опыты и сделать соответствующие выводы.

Опыт 1.

Получение эмульсин. Выполнение опыта. Приготовьте три пробирки и налейте в первую 5 ми воды, во вторую - 5 мл раствора мыла, в третью- 5 мл раствора белка. Добавьте в каждую пробирку по 3-5 капель растительного масла и взболтайте содержимое. Наблюдайте образование и относительную скорость разрушения эмульсий.

Опыт 2.

Получение пен. Выполнение опыта. Налейте в колбочку 10-15 мл воды и через капиллярную трубочку продувайте воздух. Повторите опыт, заменив моду раствором мыла. В каком случае образуется пена? К полученной пене добавьте 1-2 капли изоамилового спирта. Как это повлияет на устойчивость пены? Объясните, почему в чистой поде пена не образуется, а образуется в растворе мыла? Какова роль изоамилового спирта?

Опыт 3.

Получение и обращение эмульсин. Выполнение опыта.

1) Берут две колбы на 100 мл, в одну наливают 10 мл 3%-го раствора Ь0Щ&, натрия в воде и 10 мл бензола, окрашенного метиленовой синью. В другую колбу наливают 10 мл дистиллированной воды и 10 мл бензола. Обе колбы энергично встряхивают до получения однородной эмульсии. Затем обе колбы оставляют в покое на некоторое время. В первой колбе эмульсия остается устойчивой, во второй наблюдается быстрое расслоение жидкостей (разрушение эмульсии). Дайте объяснение различной устойчивости полученных эмульсий. Для определения типа образовавшейся эмульсии из колбы, в которой не было расслоения, помещают каплю на предметное стекло (при этом необходимо избегать пены) и определяют под микроскопом, что окрашено. Тип эмульсии можно определить к методом слияния капель.

2) К остатку эмульсии в той же колбе приливают несколько купель концентрированного раствора хлорида кальция. Тщательно взбалтывают содержимое колбы и определяют тип эмульсии, под микроскопом. В отчете необходимо нарисовать схемы строения полученных в обоих случаях эмульсий с указанием ориентировки молекул эмульгаторов на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Контрольные вопросы:

1.Какие системы относят к микрогетерогенным системам? Что общего у них с коллоидными системами?

2.Что такое эмульсия? Какова их классификация?

3.Объясните причину неустойчивости эмульсий.

4.Какие требования предъявляют к эмульгатору?

5.Нарисуйте схему расположения молекул эмульгатора на Капельке дисперсной фазы в эмульсиях М/В и В/М.

6.В чем сущность явления обращения фаз эмульсии?

7.Назовите методы определения типа эмульсии.

Дополнительное задание:

Выбрать правильный ответ и пояснить его:

1) К каким системам относятся коллоидные растворы?

а) к гомогенным системам;

б) к микрогетерогенным;

в) к гетерогенным.

2) Для каких эмульсий белки являются эмульгаторами?

а) "масло в воде";

б) "вода в масле";

в) оба ответа правильные;

г) правильного ответа нет.

3) К какому типу эмульсий относится майонез?

а) М/В;

б) В/М;

в) оба ответа правильные;

г) правильного ответа нет.

Общий вывод

Лабораторное занятие № 13.

«Изучение процессов набухания и студнеобразования»

Теория. На приборе Догадкина получают зависимость объёма бензина, поглощенного каучуком, от времени набухания t. Вычисляют степень набухания каучука в каждый момент времени. Полученные данные вводят в ЭВМ и методом наименьших квадратов в предположении о кинетике первого порядка находят константу скорости набухания k.

Строят графики в координатах = f(t) и = f(t), где - максимальная (предельная) степень набухания каучука. Через опытные точки на графике = f(t) проводят прямую, определяют тангенс угла наклона = k прямой и сравнивают полученное значение к с вычисленным на ЭВМ.

Скорость растворения веществ друг в друге определяется скоростью взаимной диффузии. Растворение полимеров обычно протекает очень медленно. Медленность установления равновесия в системе полимер - растворитель обуславливает существование явления, характерного только для полимеров - набухания (см. методическое указание [2] главу 14).

Набухание - это поглощение полимером низкомолекулярной жидкости или её пара, сопровождающееся увеличением объёма полимера и изменением конформации (формы) его макромолекул.

Коэффициенты диффузии макромолекул полимера и молекул растворителя различаются в тысячи раз. Поэтому при соприкосновении полимера с низкомолекулярным растворителем молекулы жидкости быстро проникают в фазу полимера, а огромные макромолекулы за это время не успевают перейти в фазу растворителя, т.е. прежде чем раствориться, полимер набухает. Следовательно, набухание - это как бы одностороннее смешение, при котором полимер играет роль растворителя, а вещество, в котором он набухает - растворенного вещества.

Различают ограниченное и неограниченное набухание. Неограниченное набухание - это набухание, самопроизвольно переходящее в растворение. Оно аналогично неограниченному смешению жидкостей, например, воды и этилового спирта. Так неограниченно набухает каучук в бензине (образуется резиновый клей).

При ограниченном набухании самопроизвольного растворения полимера не происходит, т. е. макромолекулы полностью не отделяются друг от друга. Образуются две сосуществующие фазы: раствор низкомолекулярной жидкости в полимере и чистая низкомолекулярная жидкость (если полимер совсем не растворяется) или разбавленный раствор полимера в жидкости. Эти фазы отделены друг от друга явно видимой поверхностью раздела и находятся в равновесии.

Следует различать ограниченное набухание полимеров линейного и сетчатого строения. Для линейных полимеров этот процесс аналогичен ограниченному смешению жидкостей: при определенных условиях (температура, концентрация компонентов) набухание ограниченное, но при изменении условий оно может стать неограниченным. Например, желатин при комнатной температуре ограниченно набухает в воде, а при нагревании до 35°С растворяется неограниченно.

Если в полимере имеется пространственная сетка, образованная химическими связями, то макромолекулы не могут быть разделены (без деструкции) друг от друга. Поэтому сетчатые полимеры могут набухать лишь ограниченно, образуя студни и гели.

Состояние набухшего полимера характеризуют степенью набухания :

где m - масса набухшего полимера, - масса исходного образца до набухания. Следовательно, численно равна массе жидкости, поглощенной одним граммом полимера. Для определения степени набухания необходимо измерить массу жидкости g, поглощенную полимером массой :

Здесь V - объём поглощенной жидкости, - плотность жидкости.

В процессе набухания изменяется во времени.

При ограниченном набухании достигает предельного значения и далее не изменяется. Максимальная или равновесная степень набухания определяется природой полимера и растворителя (сродством между ними) и частотой пространственной сетки полимера (если она имеется).

Скорость набухания лимитируется скоростью диффузии растворителя в фазу полимера и для полимеров, находящихся в исходном высокоэластическом состоянии, может быть описана кинетическим уравнением первого порядка:

где k - константа скорости набухания, - степень набухания в момент времени t.

Интегрирование уравнения (14.3) дает

Таким образом, опытные точки по зависимости а от времени в координатах = f(t) должны группироваться вдоль прямой с тангенсом угла наклона, равным k.

Исследование кинетики набухания проводят на приборе Догадкина. Прибор представляет собой U-образную трубку с двумя резервуарами - 1 и 2. Колена трубки проградуированы в кубических сантиметрах. Пробка 3 полая внутри, в стенках пробки и шлифа 4 имеются отверстия, которые могут совмещаться при повороте пробки, резервуар 1 при этом сообщается с атмосферой.

Образец полимера подвешивают на крючок 5. Растворитель, в котором осуществляют набухание полимера, наливают в трубку и отмечают исходный уровень жидкости по шкале на колене трубки.

Затем пробку устанавливают так, чтобы отверстия в пробке и шлифе совпали. Нагнетая воздух, при открытом кране 6, перемещают растворитель из резервуара 2 в резервуар 1 так, чтобы полимер был полностью покрыт жидкостью. Поворачивают пробку, отсоединяя резервуар 1 от атмосферы, и закрывают кран 6.

Через заданный интервал времени вновь открывают кран 6, совмещают отверстия в пробке и шлифе и перепускают растворитель из резервуара 1 в резервуар 2. Измеряют уровень жидкости h по шкале на стенке трубки. Степень набухания вычисляют по уравнению (14.2), определяя объём жидкости V как разность ( - h).

Порядок выполнения работы

В прибор Догадкина наливают жидкость, в которой планируют провести набухание полимера (бензин, толуол и др.), в таблицу 14.1 записывают исходное значение уровня жидкости . Образец полимера - вулканизированный каучук массой подвешивают на крючок 5. Далее определяют объём растворителя - V, поглощенный за время t. Измерения V проводят через 5-10 мин, увеличивая промежутки времени по мере набухания до 20-30 мин. Результаты измерений записывают в табл. 14.1. Опыт заканчивают, когда объём жидкости перестаёт изменяться (набухание завершилось). Достигнутая при этом степень набухания и есть .

По уравнению (14.2) вычисляют степень набухания в каждый момент времени. Полученные данные вводят в ЭВМ и рассчитывают опытные значения и . Методом наименьших квадратов определяют константу скорости набухания k, а затем - расчетные значения .

Строят графики в координатах = f(t) и = f(t). Ha последний в виде точек наносят опытные значения , a через расчетные значения (достаточно нанести две точки) проводят прямую. Определяют тангенс угла наклона = k прямой и сравнивают полученное значение k с вычисленным на ЭВМ.

Таблица 14.1