7.2. Вязкость растворов высокомолекулярных соединений

Теоретическое пояснение: вязкостью или внутренним трением жидкости называется ее сопротивляемость течению. Внутреннее течение обусловлено силами притяжения между молекулами жидкости. При спокойном течении все слои её движутся параллельно и не перемешиваются. Такое течение жидкости называется послойным или ламинарным (от латинского lamina – слой). При увеличении скорости движения отдельные слои начинают перемешиваться. Такое течение с завихрениями называется турбулентным.

Вязкость жидкостей и растворов зависит от температуры. С повышением температуры силы притяжения между молекулами уменьшаются и вязкость снижается. Вязкость раствора зависит и от концентрации вещества, т.к. моле-кулы или частицы растворенного вещества оказывают дополнительное сопро-тивление течению. Для низкомолекулярных веществ обычно соблюдается простая линейная зависимость между концентрацией раствора и удельной вязкостью. Удельная вязкость представляет относительный прирост вязкости растворителя при добавлении к нему полимера: .

Где h − вязкость раствора, h₀ − вязкость растворителя.

При одинаковой химической структуре молекул вязкость растворов возрас-тает с увеличением молекулярной массы. Это объясняется тремя причинами:

1.Молекулы высокомолекулярных соединений подобны длинным гибким цепям, свернутым в клубки. Такие молекулы оказывают наибольшее сопротив-ление течению, если располагаются поперек потока. При увеличении скорости потока макромолекулы в различной степени распрямляются и ориентируются вдоль потока. Вязкость раствора снижается.

2.Молекулы ВМС имеют много разнообразных группировок и поэтому силь-но взаимодействуют с молекулами растворителя и между собой, образуют боль-шие сольватные оболочки, которые создают дополнительные сопротивления движению макромолекул в растворе и обусловливают высокую вязкость.

3.Физическое взаимодействие макромолекул приводит к возникновению пространственных структур. Из-за этого вязкость раствора полимера повышается непропорционально концентрации. Структурообразование может привести к тому, что раствор потеряет текучесть и превращает в гель. Поэтому аномально высокая вязкость растворов полимера называют структурной вязкостью. С уве-личением внешнего давления скорость течения раствора возрастает и структуры разрушаются.

108

В условиях ламинарного течения при низкой концентрации растворов поли-меров, когда взаимодействие макромолекул минимально, вязкость разбавленных растворов пропорциональна массовой концентрации. Эта зависимость выражается уравнением Штаудингера: h_уд=КМС.

Где К − константа полимергомологического ряда, т.е. величина постоянная для полимеров любой молекулярной массы, состоящих из данного мономера. По уравнению Штаудингера молекулярная масса полимера определяет прирост удельной вязкости на единицу концентрации раствора: = КМ. Эта величина называется приведенной вязкостью. Она не зависит от концентрации и опреде-ляется лишь молекулярной массой полимера. Приведенная вязкость растворов

Рис.10. графическое определение характеристической вязкости раствора полимера

полимеров при бесконечном разведении раствора, когда отсутствует взаимодействие между макро-молекулами называется характеристической вязкостью или предельным числом вязкости [h]. На графике зависимости приведенной вязкости от концентрации раствора (рис.10 ) ей соответствует отрезок, отсекаемой прямой на ординате. Таким образом, характеристическая вязкость отражает гидродинамическое сопротивление, испытывае-мое молекулами полимера при движении в растворе.

С увеличением молекулярной массы возрастает гибкость цепей полимеров и макромолекулы свертывающиеся в клубки, что сказывается на вязкости. Влия-ние этих факторов учитывает обобщенное уравнение Марка-Куна-Хаувинка: [h] = КМ^a, где a − величина, учитывающая гибкость цепей гомологического ряда полимеров в данном растворителе.

Рис.11. Вискозиметр Оствальда: 1 – расширение, 2 − широкое колено, 3 − риски (верхний и нижний метки), 4 – резервуары, 5 − капилляр

Разработаны различные методы и приборы для измерения вязкости. Обычно вязкость определяют по методу шарика и капиллярным вискозометром. Для жидкостей с малой вязкостью наиболее просто определение ее капиллярными вискозиметрами. Простейший капиллярный вискозиметр Оствальда (рис.11) представляет − образную стеклянную труб-ку. В узком колене вискозиметра есть расширение (шарик), переходящее в капилляр. Объем шарика ограничивается верхней и нижней метками. Капил-ляр внизу переходит в широкое колено вискози-метра, в которое заливается исследуемая жидкость. При определении вязкости жидкость насасывают в шарик ограниченный метками. Измеряют время истечения определенного объема жидкости через капилляр в широкое колено под давлением сжатого

109

воздуха или под действием силы тяжести.

Для разбавленных растворов плотность раствора можно принять равной плот-ности растворителя. Тогда отношение вязкостей (относительная вязкость раствора) будет определяться просто отношением времени истечения раствора и растворителя: . Зная вязкость растворителя легко вычислить вязкость раствора.

Определение вязкости жидкостей называется вискозометрией. Вискозомет-рия широко используется для контроля технологических операций и качества продукции. Наиболее часто вискозометрию применяют для определения молеку-лярной массы полимеров. В медико-биологических исследованиях определение вязкости растворов белков и нуклеиновых кислот позволяет определить форму их молекул, степень денатурации, молекулярную массу нуклеиновых кислот. Определить молекулярную массу белков вискозометрическим методом невоз-можно, т.к. белки состоят из разных аминокислот и не составляют гомологи-ческий ряд и соответственно их растворы проявляют разную вязкость. В меди-цинских исследованиях иногда определяют вязкость крови. При эритремии вследствие ненормально большого числа эритроцитов вязкость крови повышена, что обуславливает перегрузку сердца. При кровопотерях, частых переливаниях крови плазмозаменяющими растворами может развиться гидремия − разжижение крови.

Лабораторная работа