Практикум по коллоидной химии Электроповерхностные свойства и устойчивость дисперсных систем
 Скачать 346.5 Kb.
|
Теоретическая частьПолимерные молекулы, содержащие ионогенные группы, способны к электролитической диссоциации в полярных растворителях. Полимеры, обладающие такими свойствами, называются полиэлектролитами. В отличие от низкомолекулярных электролитов, диссоциирующих на ионы примерно одинаковых размеров, молекулы полиэлектролита распадаются на полиионы (макроионы), несущие большое количество фиксированных зарядов, и множество малых ионов – противоионов. Ионогенные группы макромолекул полиэлектролитов могут иметь как основной, так и кислотный характер. В зависимости от этого различают полимерные кислоты, основания и соли. Наконец, макромолекулы полиэлектролита могут содержать одновременно как кислотные, так и основные группы. Такие полиэлектролиты называются амфотерными полимерными электролитами или полиамфолитами. К полиамфолитам относится большинство биополимеров, а также некоторые специально синтезированные вещества (например, сополимер акриловой кислоты и винилпиридина). Одним из весьма распространенных полиамфолитов является желатин – продукт переработки фибриллярного белка коллагена. В молекуле желатина содержатся остатки различных аминокислот (глицина, пролина, аргинина, лизина, глутаминоваой кислоты и др.). Эти остатки в водной среде могут давать следующие ионизированные группы: -COOH= - COO- + H+; -NH3OH = - NH3+ + OH- Полионы в зависимости от природы полиэлектролита либо принимают в растворе бесчисленное множество конформаций, либо, как, например, ряд биополимеров, имеют определенные специфические конформации. Дальнейшее изложение материала относится к полиэлектролитам с гибким полиионами. Способность полиионов к изменению конформаций определяется причинами двоякого рода: гибкостью полимерной цепи, обусловленной свободой вращения атомных групп или отдельных участков цепи вокруг одинарных связей, и наличием ионизированных групп, расположенных вдоль цепи главных валентностей. Отсюда степень набухания отдельного полииона, находящегося в растворе в виде клубка, зависит не только от обычного осмотического проникновения растворителя внутрь этого клубка, но и от взаимного отталкивания или притяжения фиксированных зарядов, образующихся вследствие диссоциации большого числа ионогенных групп. Растворы полиэлектролитов с гибкими полиионами сочетают в себе свойства растворов обычных незаряженных линейных полимеров и свойства растворов низкомолекулярных электролитов. Поэтому в растворах полиэлектролитов можно наблюдать две группы явлений: 1) полиэлектролитное набухание – изменение конформации полииона в результате взаимодействия фиксированных зарядов; 2) электрохимические явления, выражающаяся во влиянии полиионов на коэффициенты активности ионов, образовании ионных пар и т.д. При исследовании свойств растворов полиэлектролитов следует учитывать тесную взаимосвязь этих групп явлений, поскольку электрохимические свойства (обуславливающие взаимодействие полиионов с проивоионами) зависят не только от величины заряда полииона, но и от его формы. На поведении макромолекул полиэлектролитов в растворе, несомненно, сильно сказывается их сольватация, однако влияние сольватации и чисто электрических факторов трудно рассматривать раздельно. Наличие заряда на полиионах сообщает растворам полиэлектролитов ряд особых гидродинамических, электрических, оптических и других свойств. Свойства растворов полиамфолитов в сильной степени зависят от значения рН и ионой силы раствора. При низких значениях рН, вследствие подавления ионами Н+ диссоциации групп –СООН, диссоциированными будут только группы -NH3ОН и суммарный заряд z полииона будет положительным – полиамфолит в этом случае ведет себя как слабое основание. Приобретение полиионами одноименных электрических зарядов ведет к некоторому развертыванию молекулярных клубков полиамфолита и увеличению гидратации, что, в свою очередь, приводит к уменьшению мутности раствора, увеличению его вязкости и другим явлениям. При высоких значения рН, вследствие подавления ионами ОН- диссоциации групп -NH3ОН, диссоциировать будут только группы –СООН, заряд z полииона будет отрицательным и полиамфолит будет вести себя как слабая кислота. В этом случае будет наблюдаться уменьшение мутности раствора и увеличение его вязкости. Наконец, при некотором промежуточном значении рН число положительных и отрицательных зарядов будет одинаковым и полиамфолит будет вести себя подобно обычному незаряженному полимеру. Значение рН, при котором суммарный заряд равен нулю называется изоэлектрической точкой. Изоэлектрическая точка является основной электрохимической константой полиамфолита. В изоэлектрическом состоянии раствор полиамфолита, очевидно, должен обладать максимальной мутностью и минимальной вязкостью. Изоэлектрическую точку можно найти прямым путем методами потенциометрического титрования или электрофореза. В последнем случае изоэлектрическая точка определяется как такое значение рН, при котором электрофоретическая подвижность u полиионов равна нулю. Изоэлектрическая точка желатина обычно лежит при значениях рН от 4,8 до 5,1. Это объясняется тем, что желатин является более сильной кислотой, чем основанием. Поэтому для достижения изоэлектрического состояния желатина в растворе должно содержаться некоторое количество свободной кислоты, подавляющее избыточную диссоциацию кислотных групп. Положение изоэлектрической точки можно определить также и косвенно, путем исследования от рН свойств, определяющихся зарядом, а отсюда и формой полииона в растворе – вязкости, набухания, осмотического давления, светорассеяния. Кривая, характеризующая зависимость этих свойств от рН, в изоэлектрической точке обнаруживает четко выраженный экстремум. Методика проведения работыДля проведения работы необходимы: Фотоэлектроколориметр-нефелометр ФЭНК-57 или термостатированная установка для определения вязкости раствора. Колбы емкостью 500 и 100 мл. Водяная баня. Воронки и фильтровальная бумага. Бюретка. Пипетки емкостью 25 мл. Желатин высокой степени чистоты. Соляная кислота, 0,1 н. раствор. Гидроокись натрия, 0,1 н. раствор. Готовят 300 мл 1%-ного раствора желатина в воде. Для этого навеску желатина помещают в колбу емкостью 500 мл, заливают необходимым количеством дистиллированной воды и оставляют для набухания 20-30 мин, после чего колбу помещают на водяную баню для растворения набухшего желатина. Во избежании термолиза желатина воду в бане не следует доводить до кипения. Процесс растворения желатина можно ускорить, взбалтывая раствор в колбе. Раствор желатина фильтруют горячим и охлаждают до комнатной температуры. С помощью пипетки отбирают 25 мл раствора желатина в восемь предварительно пронумерованных колб емкостью 100 мл. В эти же колбы вводят указанные в табл. 2.8. объемы 0,1 н. раствора соляной кислоты или гидроокиси натрия для придания растворам нужного значения рН. Приготовленные таким образом растворы желатина имеют значения рН = 311. Далее путем измерения (по указанию преподавателя) мутности или вязкости полученных растворов определяют изоэлектрическую точку желатина Таблица 2.8. Измерение рН растворов желатина при введении 0,1 н. растворов HCl или NaOH Номер колбыОбъем раствора HCl, млОбъемё раствора NaOH, млрН1 2 3 4 5 6 7 82,35 1,69 1,12 0,59 - - - -- - - - - 0,15 0,38 1,993,0 3,5 4,0 4,5 5,1 7,0 9,0 11,0Примечание. Количество введенной кислоты или раствора щелочи может меняться в зависимости от свойств взятого для работы желатина. Это количество указывается преподавателем. Определение изоэлектрической точки желатина по мутности его растворов При помощи фотоэлектроколориметра-нефелометра измеряют мутность приготовленных растворов желатина. Устройство прибора и порядок работы на нем описаны в работе 4. По окончании измерений строят кривую зависимости светопропускания исследуемых растворов желатина от и рН и по минимуму на этой кривой определяют значение рН, соответствующее изоэлектрической точке. Объясняют форму полученной кривой. Определение изоэлектрической точки желатина по вязкости его растворов Вязкость свежеприготовленных растворов желатина измеряют с помощью вискозиметра Оствальда или Уббелоде. Методика определения вязкости растворов приведена в работе 6. По данным измерения времени истечения растворов и чистого растворителя (дистиллированной воды) 0 рассчитывают относительную и удельную вязкость исследованных растворов желатина. Экспериментальные и расчетные данные записывают в таблицу (табл.2.9). Таблица 2.9. Форма записи данных, полученных при измерении вязкости растворов желатина с различным рН Номер колбырН раствораВремя истечения раствора , сотнуд По полученным данным строят кривую зависимости удельной вязкости от рН исследуемых растворов и по минимуму на кривой находят изоэлектрическую точку. Дают объяснение найденной зависимости. |