До оформлення звіту про виконання роботи

Затверджено на засіданні

кафедри ХТВМС

Протокол № 11 від 30.05.2013

Дніпропетровськ ДВНЗ УДХТУ 2014

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Хімія і фізика ВМС» для студентів ІІІ курсу денної форми навчання та ІV курсу заочної форми навчання напряму підготовки 6.051301 «Хімічна технологія». «Реакції та основи фізикохімії полімерів» / Укл.: Черваков О.В., Варлан К.Є., Андріянова М.В. – Д.: ДВНЗ УДХТУ, 2014. – 40 с.

Укладачі: О.В. Черваков, д-р техн. наук

К.Є. Варлан, канд. хім. наук

М.В. Андріянова, канд. хім. наук

Відповідальний за випуск М.Я. Кузьменко, д-р хім. наук

Навчальне видання

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Хімія і фізика ВМС» для студентів ІІІ курсу денної форми навчання та ІV курсу заочної форми навчання напряму підготовки 6.051301 «Хімічна технологія». «Реакції та основи фізикохімії полімерів»

Укладачі: ЧЕРВАКОВ Олег Вікторович

ВАРЛАН Костянтин Єлисейович

АНДРІЯНОВА Марина Володимирівна

Редактор Л.М. Тонкошкур

Коректор В.П. Синицька

Підписано до друку 20.03.14. Формат 60×84 1/16. Папір ксерокс. Друк різограф.

Умов. друк. арк. 1,82. Обл.-вид. арк. 1,90. Тираж 100 прим. Зам. № 166. Свідоцтво ДК № 303 від 27.12.2000.

ДВНЗ УДХТУ, 49005, м. Дніпропетровськ, 5, просп. Гагаріна, 8

Видавничо-поліграфічний комплекс ІнКомЦентру

ЗМІСТ

Загальні вимоги до оформлення звіту про виконання роботи……...…..
Лабораторна робота 1. Вивчення полімераналогічних перетворень на прикладі іонообмінних процесів у синтетичних іонітах………………...
Лабораторна робота 2. Вивчення релаксаційних процесів у деформованих еластомерах………………………………………...……..
Лабораторна робота 3. Вивчення закономірностей процесу набрякання структурованого полімеру……………………………..……
Лабораторна робота 4. Визначення молекулярної маси полімерів віскозиметричним методом…………………………………………….....
Лабораторна робота 5. Дослідження віскозиметричних властивостей розчинів іоногенних полімерів………………………………………...….
Лабораторна робота 6. Потенціометричне дослідження розведеного розчину поліамфоліту. Визначення ізоелектричної точки желатину………………………….....
Лабораторна робота 7. Синтез і полімераналогічне перетворення стиромалю. Визначення молекулярної маси стіромалю. Віскозиметричні і потенціометричні дослідження поліелектролітів на основі стіромалю. Визначення ізоелектричної точки синтетичного поліамфоліту………………………………………………………………..
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ……………………………………...…………...


Загальні вимоги

До оформлення звіту про виконання роботи

Звіт слід оформляти з дотриманням основних вимог до технічних текстових документів щодо виконання тексту, таблиць, рисунків, формул і розрахунків.



Звіт повинен містити: назву роботи мету її виконання, короткий опис методики експериментальної і розрахункової частин роботи, таблиці, графіки, розрахунки, висновки.

Всі експериментальні та розрахункові дані надають у вигляді таблиць з дотриманням єдності системи вимірювань для всіх розмірностей.

Розрахунки приводять з необхідними поясненнями і зазначенням розмірностей використовуваних і розрахованих величин . При виконанні розрахунків рекомендується використовувати програми MathCad і Excel.

Графіки рекомендується виконувати з використанням програми Excel.

У висновках слід дати стислу характеристику результатами спостережень і розрахунків, а також зробити висновок про характер і особливості досліджуваного процесу і об'єктів.

Увага! На оцінку впливає, крім дотримання основних вимог до звіту:

– акуратність, розбірливість, орфографія і лексика викладу текстової частини;

– вдалість компонування звіту, вибору формату і масштабу (наочність) таблиць і графіків;

– чіткість і неординарність формулювань висновків.


Лабораторна робота 1

ВИВЧЕННЯ полімераналогічних перетворень НА ПРИКЛАДІ іонообмінних ПРОЦЕСІВ У СИНТЕТИЧНИХ Іонітах

Мета

Ознайомитися з основними властивостями синтетичних іонітів і прийомами роботи з ними. Отримати уявлення про характерні особливості протікання іонообмінних процесів в синтетичних полімерних іонітах. Побудувати вихідну криву сорбції.

Реактиви та матеріали:

хлорид міді гідрат – 1 г (у перерахунку на безводний продукт);

тринатрійфосфат 12-водний – 4 г (у перерахунку на 100% -й продукт);

кислота соляна 3,5%-а, чда – 150 мл;

гідроокис натрію, 4%-й водний розчин, чда – 150 мл;

0,1 N водний розчин HCl – 0,5 л;

0,1 N водний розчин NaOH – 0,5 л;

індикатор фенолфталеїн;

індикатор метилоранж;

вода дистильована – 5 л;

сульфокатіоніт КУ 2-8 – 25 см3;

аніоніт АВ-17 – 25 см3.

Посуд та інструменти:

колонка іонообмінна в збірці (див. рис.) – 2 шт.;

ємності скляні на 50 мл – 10 шт.;

бюретка на 25 мл – 2 шт.;

піпетка мірна на 10 мл – 2 шт.;

конус на 50–150 мл – 2 шт.;

циліндр мірний на 50 мл – 2 шт.;

циліндр мірний на 500 мл – 1 шт.;

склянка хімічна або мензурка на 500 мл – 2 шт.;

колба мірна на 250 мл – 2 шт.;

лійка з широким носиком – 2 шт.,

лійка Бюхнера або Шотта – 1 шт.;

вакуумний насос (водоструменевий або Комовского) – 1 шт.;

колба Бунзена – 1 шт.;

шпатель;

прут з нержавіючої сталі Ø 1,5–2 мм і довжиною 50 мм – 2 шт.

Прилади та обладнання:

штангенциркуль – 1 шт.;

лінійка вимірювальна – 1 шт.;

ваги з різновагами;

секундомір або годинник.

Порядок виконання роботи

Кондиціювання

Перед використанням всі товарні форми іонітів підлягають підготовці – кондиціюванню. Кондиціювання необхідно проводити безпосередньо у колонці, в якій іоніт буде експлуатуватися.

Сульфокатіоніт КУ 2-8. Для переводу катіоніту в Н-форму через його шар пропускають 3,5%-й водний розчин HCl у кількості 3 об'єми шару (ОШ) зі швидкістю 2–4 ОШ/год. Потім шар відмивають пропусканням дистильованої води: спочатку повільним – 3–4 ОШ протягом години, потім швидким – 3–6 ОШ протягом 10–15 хв.

Аніоніт АВ-17. Для переводу аніоніту в ОН-форму через його шар пропускають 4%-й водний розчин NaOH у кількості 4 ОШ зі швидкістю 2–4 ОШ/год. Режим відмивання аналогічний режиму для сульфокатіоніту.

Приготування робочих розчинів (елюентів)

Для роботи з КУ 2-8 готують 250 мл 0,05 N водного розчину хлориду міді. Для цього наважку 0,84 г (у перерахунку на безводний CuCl2) переносять у мірну колбу на 250 мл, розчиняють дистильованою водою і доводять об'єм до мітки.

Для роботи з АВ 17-8 готують 250 мл 0,1 N водного розчину тринатрійфосфату. Для цього наважку 3,17 г (у перерахунку на 100%-й Na3PO4∙12Н2О ) переносять у мірну колбу на 250 мл, розчиняють і доводять об'єм до мітки.

Виконання експерименту

Для встановлення середньої швидкості елюювання 6 ОШ/год попередньо калібрують дозатор. Для цього через нього відміряють точну кількість елюенту (4–5 мл), рахуючи при цьому краплі. Визначають співвідношення між кількістю крапель і об'ємом розчину, а також необхідну кількість крапель за певний час (15, 30 або 60 с), яке відповідає заданій швидкості подачі елюенту. (Наприклад, якщо за результатами замірів 4 мл розчину відповідає 120 краплям, то при ОШ 20 см3 для середньої швидкості подачі елюенту 6 ОШ/год (тобто – 120 см3/год ) необхідно дозувати 60 крапель/хв). Необхідну швидкість подачі розчину регулюють за допомогою гвинтового затиску.

Після встановлення необхідної швидкості подачі елюенту, в мірний циліндр-приймач збирають порції елюанту і переливають кожну в окрему скляну ємність. Об’єм першої порції дорівнює кількості вільної рідини в колонці. Наступні порції збирають в кількості 20–40 мл. Об’єм кожної порції записують. Від кожної порції відбирають аліквоту 10 мл для подальшого аналізу титруванням.

При роботі з сульфокатіонітом КУ 2-8 аліквоту титрують 0,1 N NaOH в присутності індикатора метилоранжу до переходу забарвлення з червоного в жовто-помаранчевий, і далі в присутності фенолфталеїну до зафарбування розчину в рожевий колір. Записують кількість титранту до точок еквівалентності в присутності метилоранжу і фенолфталеїну. Останні проби бажано контролювати на присутність іонів міді якісною реакцією.

При роботі з аніонітом АВ 17-8 аліквоту титрують 0,1 N HCl: спочатку в присутності фенолфталеїну до знебарвлення, і далі – у присутності метилоранжу до переходу забарвлення від жовто-помаранчевого до червоного. Записують кількість титранту до точок еквівалентності в присутності фенолфталеїну і метилоранжу.

У процесі елюювання спостерігають за шаром іоніту і відзначають зміни об’єму, забарвлення, утворення і переміщення фронту сорбції. Характер змін з прив'язкою їх до кількості пропущеного через колонку елюенту фіксують.

Обробка результатів

За отриманими результатами титрування визначають концентрацію [C] кислоти (сульфокатіоніт) або основи (аніоніт) ( м-екв/см3) у пробах елюенту:

де N – нормальність титранту; V – об'єм титранту до точки еквівалентності ; Val – об’єм аліквоти.

Якщо при аналізі проб знайдено дві точки еквівалентності, то розрахунок роблять для кожної .

Будують так звану вихідну криву – графічну залежність концентрації аналізованого в елюенті іона від об’єму, що пройшов через колонку розчину. Концентрація в першій пробі відповідає нульовому об’єму, і її значення відкладають на осі ординат. Оскільки всі наступні розраховані концентрації є середніми значеннями, то на графіку їх величини слід прив'язувати до середин ділянок відповідних порцій на осі абсцис. Для наочності на графік наносять пряму, що відповідає концентрації елюенту.

Оформлення звіту

Крім загальних вимог до змісту та оформлення, звіт повинен містити короткий опис спостережень за змінами, що відбуваються з іонітом, в процесі роботи.

У висновках необхідно дати пояснення змінам, що спостерігалися, а також формі вихідної кривої і наявності двох точок еквівалентності.

Контрольні питання

1. За якими основними ознаками класифікують іоніти?

2. Якими основними показниками характеризують іоніти?

3. Які основні фізичні і хімічні властивості притаманні іонітам?

4. У чому полягає принципова відмінність катіонітів, аніонітів і амфолітів?

5. Які основні методи отримання катіонітів і аніонітів відомі?

6. У яких галузях, і яким чином застосовуються іоніти?


Лабораторна робота 2

ВИВЧЕННЯ релаксаційних процесів в деформованих Еластомерах

Мета

Вивчити залежності часів релаксації напруження і деформації в високоеластичних полімерних тілах від характеру механічного навантаження. Ознайомитися з методами кількісної оцінки характеристик структури рідкозшитих еластомерів за значеннями рівноважних деформації і напруження.

Реактиви та матеріали:

Зразки еластомерів у вигляді стрічок, джгутів або трубок з постійним поперечним перерізом товщиною 1–2 мм – 3 шт.;

Прилади та обладнання:

штатив заввишки не менше 1 м з трьома лапами і гачком;

ваги електронні з діапазоном вимірювань від 0 до 5000 г;

секундомір або таймер;

лінійка вимірювальна на 50–60 см;

штангенциркуль;

затискач з гачком – 2 шт.;

вантажі з гачками для підвішування масою 1,5–4 кг – 3 шт.

Порядок виконання роботи

Рис. 2.1.

Загальний вигляд установки для вивчення релаксації напруги і деформації представлений на рис. 2.1.

Обробка результатів

Розділ А. Величину напруження у зразку в кожен момент часу σt визначають як

(1)

де Fel(t) – еластична сила, протидіюча деформації зразка в момент часу t; S0 – початкова площа поперечного перерізу зразка.

(2)

де g – прискорення вільного падіння.

За розрахованими значеннями будують графічну залежність σt від t. Екстраполюючи криву на вісь ординат, знаходять значення σ0 – напруги в зразку в момент часу t = 0. Екстраполяцією кривої на її уявну горизонтальну ділянку знаходять значення рівноважної напруги у зразку σ∞.

За отриманими експериментальними даними знаходять час релаксації за допомогою рівняння Максвелла :

(3)

де σ0 і σt – відповідно напруження в початковий момент часу і в момент часу t; τ – ефективний час релаксації (час з моменту накладення на зразок постійної деформації, за яке напруга в ньому зменшується в е разів).

Для цього вираз (3) логарифмують і будують графічну залежність lnσt від t. Значення τ знаходять за тангенсом кута нахилу прямої, рівним 1/τ.

За рівноважним значенням напруги і деформації в області малих і середніх деформацій можна розрахувати такі кількісні характеристики структури рідкозшитих еластомерів, як об'ємна щільність міжвузлових відрізків макромолекулярних ланцюгів і середня маса ділянок макромолекулярних ланцюгів між вузлами зшивання. Для цього використовують формули Уолла:

(4)

де σ∞ – рівноважне напруження в зразку, Па; Ń– об'ємна щільність міжвузлових відрізків макромолекулярних ланцюгів (кількість відрізків ланцюгів між двома вузлами тривимірної сітки в одиниці об'єму еластомеру), (м–3); k – постійна Больцмана 1,38×10−23Дж/К; Т – температура, К; λ∞ – відносна довжина деформованого зразка в рівноважному стані: λ∞ = lmax/l0.:

(5)

де M– середня маса міжвузлової ділянки макромолекулярної ланцюга, кг/моль; R – універсальна газова стала, 8,31 Дж/(моль×К); ρ – густина еластомеру, кг/м3.

Розділ Б. За отриманими значеннями будують графічну залежність lt від t. Екстраполюючи криву на вісь ординат і на уявну горизонтальну ділянку кривої, визначають відповідно lt у момент часу t = 0, і рівноважне значення довжини робочої ділянки l∞.

За результатами вимірювань розраховують значення відносної деформації:

(6)

де εt – відносна деформація в момент часу t, %.

Для визначення часу релаксації деформації можна скористатися рівнянням, аналогічним рівнянню Максвелла, замінивши в ньому напруження на відповідні деформації. З урахуванням того, що використовують дані випробувань зразків під навантаженням, а не після її зняття, варто зробити застереження, що в даному випадку під часом релаксації деформації розуміють час переходу зразка з початкового миттєво-деформованого стану в стан рівноважної деформації. У цьому випадку вираз слід використовувати в такому вигляді:

(7)

де ε0 – відносна деформація при t = 0; ε∞ – рівноважна відносна деформація.

Після логарифмування і нескладного перетворення вираз набуває вигляду, що дозволяє знайти час релаксації шляхом побудови графічної залежності ln[(εt – ε0)/(ε0 – ε∞)]від t. Тангенс кута нахилу прямої дорівнює зворотній величині часу релаксації τ .

Оформлення звіту

Вимоги до змісту та оформлення звіту – загальні.

Контрольні питання

1. Які фізичні та фазові стану характерні для полімерів?

2. У чому полягає принципова відмінність фазових і фізичних станів полімерів?

3. Які внутрішні і зовнішні чинники впливають на фізичний стан полімерів?

4. Як можна визначити перехід полімеру з одного фізичного стану в інший?

5. Які основні відмінні ознаки високоеластичного стану від інших фізичних станів полімерів?

6. Якими факторами обумовлений прояв високоеластичних властивостей в полімерах?

7. Як змінюються термодинамічні властивості еластомерів при їх деформуванні?

8. Які види механічних релаксаційних явищ мають місце у високоеластичних полімерах і в чому їх суть?

9. Від чого може залежати величина механічного напруження в полімері при фіксованій величині деформації?

Лабораторна робота 3

ВИВЧЕННЯ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ ПРОЦЕСУ Набрякання СТРУКТУРОВАНОГО ПОЛІМЕРУ

Мета

Вивчити кінетичні закономірності набрякання вулканізованого каучуку в органічному розчиннику. Розрахувати середню масу ділянок макромолекулярних ланцюгів між вузлами зшивання.

Реактиви та матеріали:

розчинник: бензин (ізооктан), етилацетат або дихлоретан – 20 см3;

зразок вулканізованого каучуку – до 1 г;

шматок тонкого мідного дроту – 6–7 см;

фільтрувальний папір.

Посуд та інструменти:

бюкси з притертими кришками на 25 мл – 2 шт;

якісно загострений ніж;

пінцет.

Прилади та обладнання:

секундомір;

мікрометр;

ваги аналітичні.

Порядок виконання роботи

1. Зразок у вигляді прямокутника попередньо вирізають з плоского шматка гуми товщиною 2–3 мм, ретельно вимірюють розміри і розраховують об’єм зразка v0.

2. На аналітичних вагах визначають початкову масу зразка m0. Потім зразок закріплюють на дроті, вільному кінцю якого надають форму напівкільця-підставки, поміщають в бюксу для зважування, бюксу закривають кришкою і визначають початкову масу зразка з дротом і бюксою .

3. Розчинник, вказаний викладачем, заливають у бюксу для набрякання. Туди ж за допомогою пінцету розміщують зразок дротяною підставкою вниз так, щоб зразок був повністю занурений в рідину та не торкався до стінок і дна бюкси. Відразу ж включають секундомір і бюксу закривають.

4. Через 5 хв після занурення зразок виймають з розчинника, видаляють залишки рідини з поверхні зразка фільтрувальним папером, одночасно зупинивши секундомір, відразу ж зразок поміщають в бюксу для зважування і щільно закривають, після чого бюксу зважують на аналітичних вагах, визначаючи масу набряклого зразка з дротом і бюксою m'1.

5. Після зважування зразок з дротяною підставкою повертають у бюксу з розчинником, як це робилося спочатку експерименту, і включають секундомір. Процедури по п. 4 повторюють і разів, де і – кількість зважувань. Причому тривалості між і-ю та (і+1)-ю витримками слід встановити 10, 15, 20, 30, 30, 30 і т.д. хв, щоб час набрякання зразка до кожного виміру ti становив відповідно 5, 15, 30, 50, 80, 110 і т.д. хв. Вимірювання закінчують, коли значення m'1.2-3 замірів практично не змінюються.

Обробка результатів

За отриманими результатами розраховують ступінь набрякання полімеру aі (в мас.%) в момент часу ti:

(1)

і будують графічну залежність ступеня набрякання від часу, знаходять значення максимального ступеня набрякання αmax. За знайденими даними графічним способом знаходять константу набухання К, використовуючи вираз:

(2)

Для цього (2) представляють в більш зручному для графічної інтерпретації логарифмічному вигляді і будують графічну залежність lg (αmax – αi)/αmaxвід ti, а К знаходять за тангенсом кута нахилу прямої, що дорівнює 0,434К.

За Флорі, середньочислову масу ділянок макромолекулярних ланцюгів між вузлами зшивання М, г/моль, можна розрахувати за формулою:

(3)

де ρ2 – густина полімеру, г/см3; φ2 – об'ємна частка полімеру; V1– парціальний мольний об'єм розчинника, см3/моль; f – функціональність сітки (у випадку вулканізованих каучуків f = 2); χ1 – константа Хаггінса (параметр взаємодії розчинника з полімером).

Величину φ2 можна розрахувати за формулою:

(4)

де mmax – маса максимально набряклого зразка полімеру, г; ρ1 – густина розчинника , г/см3.

Відповідно до теорії Флорі-Хаггінса величину χ1 можна розрахувати за допомогою виразу:

(5)

де δ1 і δ2 – відповідно параметри розчинності розчинника і полімеру (за Гільдебрандом, δі =(ΔΕ0i/Vi)0,5, де ΔΕ0i/Vi – густина енергії когезії і-го компонента суміші).

Для різних систем розчинник – полімер значення χ1 і δі можна знайти в спеціальній літературі (див. додатки), або розрахувати. Параметр розчинності рідин можна знайти через приховану теплоту пароутворення:

(6)

де I і V1 – відповідно ентальпія випаровування і мольний об'єм рідини.

Для розрахунку параметра розчинності полімерів найбільш поширеним є метод Смолла, відповідно до якого:

(7)

де ΣFj− сума мольних констант взаємодії атомних угрупувань, що входять до складової повторної ланки полімеру, (МДж/м3)0,5; ρ2 – густина полімеру, кг/м3; М2 – еквівалентна маса полімеру (маса складової повторної ланки в кг/моль ). Приклад розрахунку δ1 і δ2 наведений у додатку.

Розрахувавши Mі розділивши отримане значення на М2, отримують середню ступінь полімеризації ділянок макромолекулярних ланцюгів між вузлами зшивання.

Оформлення звіту

Вимоги до оформлення звіту – загальні.

Контрольні питання

1. У чому полягають особливості та основні відмінності розчинення полімерів від їх низькомолекулярних аналогів?

2. У чому полягають основні особливості процесів розчинення і набрякання полімерів?

3. Які фактори впливають на ступінь набрякання полімерів?

4. Якими термодинамічними параметрами можна охарактеризувати сумісність розчинника і полімеру?

5. Якими кількісними характеристиками і як можна оцінити якість розчинника відносно до полімеру?

6. Що таке перший і другий віріальні коефіцієнти відповідно до теорії розчинності Флорі-Хаггінса, їх практичне значення?

7. Що таке константа Хаггінса. У чому полягає її практичне значення?

8. Що таке параметр розчинності і густина енергії когезії, їх фізичний зміст?

Додаток

Таблиця 3.1 – Параметри розчинності деяких розчинників та полімерів

Розчинник δ (Мдж/м3)0,5 Полімер δ (Мдж/м3)0,5
н-Гексан 14,6 Політетрафторетилен 12,5
Діетиловий ефір 14,8 Полісилоксан 14,6
н-Октан 15,1 Поліізобутилен 15,8
н-Пропилбензол 17,3 Поліетилен 15,9
Етилацетан 18,2 Поліізопрен 16,3
Бензол 18,3 Полібутилметакрилат 17,6
Хлороформ 18,6 Полістирол 18,2
Дихлоретан 19,6 Поліметилметакрилат 18,6
Тетрагідрофуран 19,8 Полівінілацетат 18,8
Нітробензол 20,0 Полівінілхлорид 19,1
Ацетон 20,2 Поліетилентерефталат 20,2
Диметилформамід 24,2 Епоксидна смола 21,8
Етанол 25,4 Поліоксиметилен 22,0
Метанол 29,0 Полігексаметиленадипінат 27,2
Вода 46,4 Поліакрилонітрил 30,8

Таблиця 3.2 – Залежність χ1 для розчинів поліізобутилену в н-пентані від об’ємної долі полімеру (φ2) та температури

25°С 55°С
φ2 χ1 φ2 χ1
0,297 0,364 0,380 0,496 0,612 0,744 0,550 0,566 0,575 0,687 0,627 0,630 0,381 0,495 0,613 0,748 0,576 0,634 0,627 0,633

Таблиця 3.3 – Залежність χ1 для розчинів полістиролу в дихлоретані від молекулярної маси

М∙104 χ1 М∙104 χ1
2,37 13,8 50,7 0.434 0,454 0,468 161,0 178,0 0,457 0,478

Таблиця 3.4 – Константи молекулярного притяжіння за Смоллом при 25°С

Група F (Мдж∙м3)1/2/моль [(кал∙см3)1/2/моль] Група F (Мдж∙м3)1/2/моль [(кал∙см3)1/2/моль]
>С< - 190 (- 93) феніл 1503 (735)
>СН2< 231 (135) фенілен 1345 (658)
СН 57 (28) 6-членний цикл 195-215 (95-105)
–СН3 438 (214) 5-членний цикл 215-235 (105-115)
=СН2 388 (190) нафтіл 2312 (1146)
–СН= 227 (11) –H (у різних варіантах) 164-205 (80-100)
–(СН)СН3 –Si– (силікони) - 78 (38)
–С≡С– 454 (222) –S– 460 (225)
–С≡СН 583 (285) –SН 460 (225)
спряження 40-60 (20-30) –СN 838 (410)
–СF2 307 (150) –ONO2 ~900 (~440)
–СF3 560 (274) –ON2 ~900 (~440)
–Сl 510-550 (250-270) –C(O)NH– ~900 (~440)
–Br 695 (340) –C(O)NH2 ~900 (~440)
–J 869 (425) –OC(O)NH– ~900 (~440)
–O– 143 (70) –CH(OH)– ~900 (~440)
простий ефір >C=O 562 (275) –CH(COOCH3)– ~900 (~440)
кетон –C(O)–О– 634 (310) –CH(ОCOCH3)– ~900 (~440)
складний ефір –С≡N 838 (410) ≡PO4 ~1020 (~500)

Задача.Перевірити розрахунком можливість розчинення поліакрилонітрилу у диметилформаміді.

Рішення. Молекулярна маса елементарного ланцюга поліакрилонітрилу –СН2–CНСN– М0 = 53, а густина ρп = 1,15 г/см3. Диметилформамід НСОN(СН3)2 має М0 = 73 та ρр = 0,9443 г/см3.

Прихована теплота його пароутворення Lе = 11370 кал/моль.

Розрахуємо параметр розчинності полі акрилонітрилу. Відповідно до табл. даними γ(–СН2-) = 133; γ(=СН-) = 28; γ(–С≡N) = 410.

Тому Σγі = 133 + 28 + 410 = 571.

Відповідно до рівнянням (2.19) можна записати:

δп = 571∙1,15/53 = 12,4 (кал/см3)0,5 = 24,8∙103 (Дж/м3)0,5.

Розрахуємо параметр розчинності диметилформаміду. Відповідно до формули (2.16) маємо:

δр = ((11370-1,987*298)/(73/0,9443))1/2 = 11,8 (кал/см3)0,5.

Порівняємо величини δп та δр.

δп – δр = 0,6 (кал/см3)0,5, що суттєво менше 2,0 (кал/см3)0,5. Тобто, поліакрилонітрил розчиняється у диметилформаміді. Це підтверджується експериментально.

Лабораторна робота 4

ВИЗНАЧЕННЯ МОЛЕКУЛЯРНОЇ МАСИ ПОЛІМЕРІВ ВІСКОЗИМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ

Мета

Отримати навички роботи з віскозиметром витікання. Освоїти віскозиметричний метод дослідження розведених розчинів полімерів на прикладі визначення молекулярної маси.

Реактиви та матеріали:

водорозчинний полімер (полівініловий спирт, поліоксіетилен, карбоксиметилцелюлоза, поліакриламід, поліакрилова кислота тощо) – 2–3 г;

вода дистильована – 1 л;

трубки гумові Ø 5–8 мм:

– довжиною 30–-40 см – 2 шт.,

– довжиною 4–6 см – 3 шт.;

фільтр паперовий – 1 шт.

Посуд і інструменти:

колба мірна на 50–250 мл – 1 шт.;

промивна склянка – 1 шт.;

піпетка на 5 мл – 2 шт.;

піпетка 20 або 25 мл – 1 шт.;

калька або годинникове скло – 1 шт.;

лійка скляна з вузьким носиком – 1 шт.;

лійка Шотта з великопористим фільтром – 1 шт.;

лійка скляна з широким носиком – 1 шт.;

стакан на 50 мл – 2 шт.;

віскозиметр Уббелоде з діаметром капіляра 0,5–0,8 мм – 1 шт.;

шпатель – 1 шт.;

груша гумова – 1 шт.;

шприц одноразовий на 20 мл – 2 шт.

Прилади та обладнання:

водяна баня – 1 шт.;

електроплитка – 1 шт.;

ваги аналітичні з важками;

секундомір – 1 шт.

Порядок виконання роботи

Опис установки

Основною частиною установки є віскозиметр Уббелоде (на рисунку 4.1 затемнений). Він складається з циліндричного резервуара 1 для досліджуваної рідини, який верхньою частиною з'єднаний з широкою трубкою 2 для заливу і відбору рідини. Нижньою частиною резервуар через U-подібне коліно з'єднаний з трубкою 3 для вирівнювання тиску над коліном з атмосферним, трубкою 4, що представляє собою калібрований капіляр, з'єднаний верхнім кінцем послідовно з двома шароподібними резервуарами: вимірювальним 5, і допоміжним 6. Між шароподібними резервуарами, а також між вимірювальним резервуаром і входом у капіляр нанесені риски а і б для виконання замірів .

Рис. 4.1

До верхніх кінців трубок 3 і 4 приєднані еластичні гумові трубки 7 і 8. Вільні кінці гумових трубок з'єднуються зі шприцом, що легко від'єднується: трубка 7 – для пневматичного перемішування рідини в резервуарі 1, трубка 8 – для затягування рідини в резервуари 5 і 6.

Віскозиметр повинен бути розташований у скляній циліндричній ємності 10 з гладкими стінками (як правило, це ємність для паперової хроматографії), залитій водою, що термостатується. Ємність обладнана контактним термометром 11, підключеним до блоку керування термостата, контрольним термометром 12, пристроєм, що перемішує 13 і термостатуючим пристроєм 14, з'єднаним із зовнішнім контуром ультратермостату 15.

Виконання експерименту

3.1. Мірною піпеткою на 20–25 мл за допомогою гумової груші відбирають відфільтрований розчин полімеру і заливають у віскозиметр через широку трубку 2. Розчин слід виливати з піпетки по стінці трубки щоб уникнути небажаного піноутворення. Перед подальшими процедурами вміст резервуара 1 термостатують не менше 5 хв.

3.2. Вільний кінець трубки 8 натягують на сопло шприца так, щоб з'єднання було герметичним, але його можна було легко роз'єднувати великим пальцем руки, у якій тримають шприц. Вільний кінець трубки 7 згинають, відсікаючи контакт трубки 3 із зовнішньою атмосферою. Згин разом зі шприцом тримають в одній руці. Плавно висуваючи вільною рукою шток шприца, заповнюють розчином трубку 4 до верху резервуара 6. Потім від'єднують гумову трубку 8 з сопла шприца, після чого відпускають згин трубки 7.

Увага! Слід дотримуватися зазначеного порядку відновлення контакту трубок з зовнішньою атмосферою щоб уникнути проскакування бульбашок повітря в капіляр, що буде призводити до неправильних результатів вимірювань.

Потім попередньо підготовленим секундоміром вимірюють час витікання розчину, тобто час проходження меніска між ризиками а і б.

Маніпуляції та заміри за п. 3.2 повторюють не менше 5 разів. Значення замірів записують. Прийнятними слід вважати результати зі збіжністю ± 0,2 с.

3.3. Піпеткою на 5 мл, на широкий кінець якої надіті коротка гумова трубка і шприц, відбирають з резервуара 1 віскозиметра точно 5 мл розчину. Іншою піпеткою в віскозиметр додають точно 5 мл розчинника, знижуючи тим самим концентрацію розчину полімеру.

З’єднавши шприц з трубкою 7, і затиснувши вигин трубки 8, плавно продувають повітря зі шприца через U-подібне коліно і резервуар, тим самим перемішуючи розчин для вирівнювання концентрації у всьому об'єму. Не слід допускати піноутворення. Виконують не менше 5 продувань.

Отриманий в резервуарі 1 розчин термостатують не менше 5 хв, і виконують операції з п. 3.2.

3.4. Потім всі процедури з п. 3.3 виконують не мене 3-х разів (тобто кількість концентрацій, для яких виконують вимірювання, повинна бути не менше 5). Відбір розчину і додавання розчинника виконують різними піпетками! Після цього віскозиметр звільняють від розчину, ретельно промивають спочатку звичайним, а потім – фільтрованим розчинником, і встановлюють відповідно до п.2.

Увага! При виконанні процедур за п. 3.4 стежать за тим, щоб рідина не потрапила в трубки 7 і 8, що призведе до неправильних результатів. В іншому випадку рідину з трубок потрібно видалити.

3.5. У віскозиметр заливають 20–25 мл фільтрованого розчинника, витримують не мене 5 хв і повторюють процедури за п. 3.2, визначаючи час витікання чистого розчинника.

Обробка результатів

Для кожної концентрації розчину і дистильованої води знаходять час витікання як середнє арифметичне здійснених вимірів, відкинувши значення, що явно випадають.

За середнім значенням часів витікання для кожної концентрації полімеру розраховують зведену в'язкість :

(1)

де ηзвi– зведена в'язкість i-го розчину, дл/г; τpi– час витікання i -го розчину; τ0 – час витікання розчинника; Сi – концентрація i-го розчину, г/дл.

Будують графічну залежність від Ci, усереднюючи її прямою лінією (це краще виконати за допомогою програм Excel, Maple або Mathcad). По ординаті прямої, що відповідає Ci = 0 знаходять величину характеристичної в'язкості [η], де

(2)

Середнєв'язкісну молекулярну масу лінійних полімерів визначають за допомогою емпіричного рівняння Марка-Куна-Хувінка:

(3)

де К і α – константи, що характеризують систему полімер–розчинник у конкретних умовах. Значення констант можна знайти у довідковій літературі, наприклад у [2].

Підставивши [η], К і α в (3), знаходять значення η.

Оформлення звіту

Додатково до загальних вимог у висновках дати трактування причин залежності наведеної в'язкості від концентрації розчинів полімерів.

Контрольні питання




3924796418996923.html
3924850923366715.html
    PR.RU™