Тема 4. Свойства высокомолекулярных веществ и их растворов 80

ПРАКТИКУМ

ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

 

 ПЯТИГОРСК, 2009

УДК: 541.1 (076.5)

ББК: 24.5.73

Л12

 

Авторы: Л.П.Мыкоц, Н.Н.Богдашев, Е.И.Распопов, С.Н.Бондарь, Т.А.Савельева, Т.Н.Сысоева, А.В.Погребняк.

Под общей редакцией заведующей кафедрой физической и коллоидной химии доц. Л.П. Мыкоц.

 

 

Рецензенты: сотрудники кафедры неорганической, физической и коллоидной химии Московской медицинской академии им. Сеченова:

- Т.В. Плетенева, профессор, доктор химических наук,

- М.А. Хачатурян, доцент, кандидат химических наук.

 

 

Печатается по решению Проблемной учебно-методической комиссии по химическим дисциплинам Департамента научно-исследовательских и образовательных медицинских учреждений Минздрава России от 16.05.1996 г.

 

Издание 2-ое, исправленное и дополненное.

 

Методическое пособие для студентов к лабораторным занятиям составлено коллективом преподавателей кафедры физической и коллоидной химии Пятигорской государственной фармацевтической академии в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта на основе «Примерной программы по дисциплине физическая и коллоидная химия для специальности 040500 - Фармация» (Москва, 2002).

Материал методического пособия включает описание лабораторных работ по разделам «Поверхностные явления. Адсорбция», «Получение и коагуляция коллоидных систем», «Свойства микрогетерогенных систем» и «Свойства высокомолекулярных веществ и их растворов».

Настоящее издание содержит краткий теоретический материал по каждой теме, перечень знаний, умений, навыков, которыми должен овладеть студент при ее изучении, описание приборов и лабораторных установок, а также все необходимые задачи с решениями и вопросы для самоподготовки студентов.

 

(с) ГОУ ВПО Пятигорская государственная фармацевтическая академия

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................ 6

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ И
ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ В ЛАБОРАТОРИИ.................................................... 7

Требования к оформлению лабораторных работ.................... 9

ПРАВИЛА ТАБУЛИРОВАНИЯ ВЕЛИЧИН...................................................... 10

ПРАВИЛА ПОСТРОЕНИЯ ГРАФИКОВ........................................................... 12

ТЕМА 1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. АДСОРБЦИЯ............................. 14

Работа 1.1. Сталагмометрическое определение поверхностного натяжения водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) и расчет размеров их молекул 22

Работа 1.2. Определение концентрации этилового спирта сталагмометрическим методом 27

Работа 1.3. Определение критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностно-активных веществ с использованием метода наибольшего давления пузырьков воздуха (по Ребиндеру).................................................................................................................. 29

Работа 1.4. Изучение адсорбции поверхностно-активных веществ на твёрдых адсорбентах 33

ТЕМА 2. ПОЛУЧЕНИЕ, УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИД-НЫХ СИСТЕМ. СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ ЛИОФОБНЫХ ЗОЛЕЙ............................................ 37

Работа 2.1. Получение лиофобных коллоидных растворов.................... 43

Работа 2.2. Определение порогов коагуляции золя гидроксида
железа (III)............................................................................................................... 50

Работа 2.3. Защитное действие высокомолекулярных веществ............ 54

ТЕМА 3. СВОЙСТВА МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ......................... 55

Работа 3.1. Получение и свойства эмульсий............................................... 63

Работа 3.2. Седиментационный анализ суспензий.................................... 69

Работа 3.3. Исследование физических свойств порошков...................... 75

Работа 3.4. Исследование гидрофильности порошков методом
пропитки................................................................................................................. 77

ТЕМА 4. СВОЙСТВА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ РАСТВОРОВ 80

Работа 4.1. Изучение кинетики набухания растительного сырья.......... 86

Работа 4.2. Влияние электролитов и неэлектролитов на набухание белка 90

Работа 4.3. Влияние pH среды на набухание белка................................... 92

Работа 4.4. Застудневание растворов высокомолекулярных

веществ................................................................................................................... 94

Работа 4.5. Определение средней молярной массы высокомолекулярных веществ вискозиметрическим методом............................................................................................... 96

Работа 4.6. Определение изоэлектрической точки полиэлектролитов (белков) вискозиметрическим методом....................................................................................................... 100

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................... 103

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.................................................................. 105

 

 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А – величина адсорбции a – 1) линейные размеры частиц 2) термодинамическая активность С – молярная концентрация D – 1) степень дисперсности   2) коэффициент диффузии d – диаметр Е – 1) напряжение   2) энергия F – сила G – свободная поверхностная энергия g – ускорение силы тяжести Н – 1) напряженность электрического поля   2) энтальпия I – интенсивность света К – 1) константа адсорбционного равновесия 2) константа скорости коагуляции k – константа Больцмана  – длина М – молярная масса m – масса NA – число Авогадро n – 1) количество вещества (моль) 2) коэффициент преломления 3) количество частиц Р – коагулирующая способность р – давление Q – объемная скорость течения R – универсальная газовая постоянная r – радиус S – 1) площадь   2) энтропия

Sуд – удельная поверхность Т – температура t – время V – объем  – скорость w – работа z – заряд иона α – степень набухания Г – поверхностный избыток γ – порог коагуляции Δх – средний сдвиг частиц при броуновском движении δ – толщина двойного электрического слоя ε – диэлектрическая проницаемость ε0 – электрическая постоянная V ζ – электрокинетический потенциал φ – 1) объемная концентрация   2) электротермодинамический потенциал η – вязкость θ – 1) краевой угол смачивания 2) предел текучести ГЛБ – гидрофильно-липофильный баланс λ – длина волны ν – частичная концентрация π – 1) геометрическая константа   2) осмотическое давление ρ – плотность Σ – сумма σ – поверхностное натяжение

 

ВВЕДЕНИЕ

Методическое пособие «Практикум по коллоидной химии» включает в себя семнадцать лабораторных работ, в том числе методик измерений с использованием торсионных весов, сталагмометра, вискозиметра, прибора Позняка для оценки степени набухания, оптического микроскопа.

В описание каждой из них входят цель, устройство и принцип действия используемых приборов, ориентировочная основа действия. Работы сгруппированы в 4 блока в соответствии с тематикой курса коллоидной химии. Во введении к каждой теме приведены:

- её значение при изучении смежных дисциплин и для подготовки специалиста-провизора;

- перечень знаний, умений и навыков, которыми должен овладеть студент при её изучении;

- типовые задачи с решениями.

Заключает «Практикум по коллоидной химии» перечень рекомендуемой учебной и справочной литературы.

 

Общие указания по технике безопасности

и правила поведения в лаборатории

Перед началом работы в новом семестре студенты проходят инструктаж по технике безопасности у ведущего преподавателя и расписываются в специальном журнале.

1. В учебной лаборатории студенту необходимо занять определенное для выполнения текущей работы место и пройти в лаборантскую для получения оборудования и реактивов.

2. Лабораторные работы выполняются студентом в застегнутом (включая рукава) халате и включенной тяге.

3. Запрещается включать аппаратуру и производить химические опыты до получения инструктажа и разрешения преподавателя.

4. Перед началом работы студент обязан внимательно прочитать её описание. Возникшие затруднения необходимо разрешать с преподавателем.

5. Собрав прибор или подготовив аппаратуру для выполнения лабораторной работы, студент должен до начала работы пригласить преподавателя или лаборанта для проверки правильности и безопасности эксплуатации собранной установки. После этого разрешается приступать к работе.

6. Все лабораторные работы должны производиться в последовательности, предусмотренной в разделе «Проведение опыта». Студент обязан четко выполнять распоряжения и указания преподавателя и дежурного лаборанта, касающиеся выполнения работы.

7. При работе в лаборатории необходимо соблюдать тишину и порядок, выключить мобильную связь, поддерживать чистоту на рабочем месте.

8. При использовании реактивов необходимо обращать внимание на надписи на этикетках. Отмерять растворы следует отдельными пипетками.

9. Не допускать попадания кислот, щелочей, фенолов, органических растворителей, растворов солей на кожные покровы. При попадании – смыть под обильной струей воды. При попадании в глаза – промыть водой и обратиться в лечебное учреждение.

10.  В лаборатории категорически запрещается использовать открытое пламя, употреблять пищу и напитки, нарушать порядок проведения лабораторной работы. Все манипуляции с летучими, огнеопасными, остро пахнущими веществами (кислоты, органические растворители, фенолы) следует проводить только под тягой.

11.  После выполнения лабораторных работ студент обязан показать результаты преподавателю и привести в порядок свое рабочее место, а именно: выключить из сети электрические приборы; вымыть и ополоснуть дистиллированной водой посуду своего комплекта, помыть руки; проверить выключение воды и газа; сдать свое рабочее место дежурному студенту или лаборанту.

12.  Перед началом занятий в семестре староста группы назначает дежурных, фамилии которых преподаватель отмечает в кафедральном журнале. Дежурные студенты обычно получают у лаборанта необходимое для всей группы оборудование и литературу, а после окончания занятия – сдают их; принимают рабочие места у студентов после окончания занятия; приводят в порядок лабораторию после занятия и сдают её лаборанту.

 

Требования к оформлению лабораторных работ

При оформлении лабораторных работ к ним предъявляются следующие требования.

1. Под датой четко пишется и подчеркивается название работы, цель работы, целевые задачи, методика выполнения эксперимента.

2.  Таблицы экспериментальных данных заполняются четко, без помарок и исправлений.

3.  Если графики выполнены на отдельном листе они вклеиваются в журнал таким образом, чтобы не закрывать имеющийся на этой странице текст.

4.  Все расчеты по уравнениям, включая промежуточные результаты, обязательно должны быть приведены после описания методики эксперимента.

5.  Работа должна завершаться формулируемым студентом выводом, кратко и четко отражающим приобретенные знания, умения и навыки, например:

Выводы:

1. Освоена методика сталогмометрического определения поверхностного натяжения водных растворов ПАВ.

2. Графической интерпретацией экспериментальных данных найден предельный поверхностный избыток Г_∞.

3. Рассчитаны: площадь (S), толщина, объем занимаемый молекулой ПАВ в адсорбционном слое.

 

Правила табулирования величин, элементарные математические сведения и физико-химические константы

Экспериментальные данные для удобства обработки заносятся в таблицы (табулируются). При этом следует руководствоваться следующими правилами:

· В заголовки столбцов должны быть четко вписаны названия и размерности приводимых величин.

· Данные, относящиеся к растворам одного и того же вещества с различной концентрацией, следует располагать сверху вниз в порядке возрастания концентрации. Название растворителя следует располагать в первой строке столбца.

a	а	а´102
0,017	1,7´10-2	1,7
0,038	3,8´10-2	3,8
0,045	4,5´10-2	4,5
0,069	6,9´10-2	6,9

· Если в одной графе приводятся величины с одинаковым десятичным множителем, его удобнее вынести в заголовок столбца. При этом знак степени, в которую возводится число 10, меняется на противоположный (табличное равенство а´10²=1,7 подразумевает, что а=1,7´10^-2). Пример равнозначной записи данных приведен в таблице. При этом степень точности характеризуется числом значащих цифр (нуль впереди или после других чисел не является значащей цифрой, т.е. в числе 0,00239 только три значащих цифры – 2, 3 и 9, а в числе 23,9800 – четыре). Например, если число 456,395 необходимо представить с точностью до двух значащих чисел, то пишут 4,6×10². До трех – 4,56×10². До четырех – 4,564×10² и т.д. Если в требованиях по представлению чисел содержится фраза «до двух значащих цифр после запятой», то пишут, соответственно, 4,56×10². Т.е. следует различать понятия общего числа значащих цифр и их же числа, но после запятой.

· при любых математических операциях с числами следует сохранять число значащих цифр после запятой, как у числа с минимальным их количеством (т.е. при сложении, например, 124,8 + 18,456 + 0,00456, результат следует записывать не так: 143,26056, а так: 143,3).

· необходимо соблюдать правила округления – если стоящая за округляемой цифра больше «5», то округляемая цифра увеличивается на единицу (24,77 > 24,8); меньше «5» – не изменяется (24,44 > 24,4); равна «5» – стоящая перед округляемой цифрой нечетная цифра повышается на единицу (24,75 > 24,8), а четная – уменьшается на единицу (2,65 > 2,6).

· если действия проводятся с числами в степенной форме, удобнее, если количество значащих цифр до запятой должно будет равно одному (пример неправильной операции – 34,5×10^-3×0,234×10⁴, пример правильной операции – 3,45×10^-2×2,34×10³). Также числа могут преобразовываться так, чтобы показатели степени были одинаковыми (34,5×10³ + 0,234×10⁴ = 34,5×10³ + 2,34×10³ = (34,5 + 2,34)×10³ = 3,684×10⁴).

· напоминаем, что логарифм – это показатель степени, в которую надо возвести основание логарифма, чтобы получить данное число. Пример: 10³=1000 – логарифм тысячи по основанию десять равен трем; ln10=2,303 – логарифм десяти по натуральному основанию равен 2,303.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

Число Авогадро	NA	6,02252 х 1023 моль-1
Число Фарадея	F	96487 Кл/моль
Константа Больцмана	k	1,3804х 10-23Дж/К
Универсальная газовая постоянная	R	8,314 Дж/моль·К 1,98725 кал/моль·К 0,082057 л·атм/ моль·К

Правила построения графиков

В большинстве лабораторных работ по физической химии для получения необходимых для расчетов величин используется графический метод. Поскольку точность численных величин, определяемых этим методом, зависит от правильности построения графика, рекомендуется руководствоваться следующими правилами:

· график строится, как правило, на миллиметровой (координатной) бумаге.

· для обозначения осей координат должны использоваться общепринятые обозначения величин с обязательным указанием их размерности (если она имеется). Значение независимой переменной откладывается по оси абсцисс, зависимой - по оси ординат.

· масштаб выбирается так, чтобы изображение (собственно график) по возможности занимало все координатное поле.

· на осях координат ставятся через равные промежутки отметки, соответствующие кратным масштабным числам. Во избежание неточностей при отсчете и загромождения графика на осях координат не отмечаются точки, соответствующие экспериментальным данным.

· экспериментальные точки наносятся на координатное поле остро заточенным карандашом. Они должны быть ясно видны, даже если на них накладывается линия. При необходимости точки, принадлежащие разным функциям, могут быть выделены цветом, конфигурацией (например, , о) и т. п. Как правило, точки не соединяются посторонними линиями с осями координат.

Если это специально не оговорено или не диктуется характером исследуемой зависимости, экспериментальные точки соединяются плавными усредняющими кривыми, проводимыми с помощью лекал, или усредняющими прямыми, проводимыми по линейке. Если есть возможность, то при достаточном числе точек линия может быть проведена с помощью обработки данных на ЭВМ.

Пример построения графика зависимости поверхностного натяжения раствора от концентрации поверхностно-активного вещества (изотерма поверхностного натяжения):