Общая и биоорганическая химия

2.Молекулы ВМС имеют много разнообразных группировок и поэтому сильно взаимодействуют с молекулами растворителя и между собой, образуют большие 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 увеличением внешнего давления скорость течения раствора возрастает и структуры разрушаются.

В условиях ламинарного течения при низкой концентрации растворов полимеров, когда взаимодействие макромолекул минимально, вязкость разбавленных растворов пропорциональна массовой концентрации. Эта зависимость выражается уравнением Штаудингера:

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 определяется лишь молекулярной массой полимера. Приведенная вязкость растворов



Рис.9

Графическое определение характеристической вязкости раствора полимера полимеров при бесконечном разведении раствора, когда отсутствует взаимодействие между макромолекулами называется характеристической вязкостью или предельным числом вязкости []. На графике зависимости приведенной вязкости от концентрации раствора (рис.10 ) ей соответствует отрезок, отсекаемой прямой на ординате. Таким образом, характеристическая вязкость отражает гидродинамическое сопротивление, испытываемое молекулами полимера при движении в растворе. С увеличением молекулярной массы возрастает гибкость цепей полимеров и макромолекулы свертывающиеся в клубки, что сказывается на вязкости. Влияние этих факторов учитывает обобщенное уравнение Марка-Куна-Хаувинка: [] КМ, где ? величина, учитывающая гибкость цепей гомологического ряда полимеров в данном растворителе.

Рис.10 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 трубку. В узком колене вискозиметра есть расширение (шарик), переходящее в капилляр. Объем шарика ограничивается верхней и нижней метками. Капилляр 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 воздуха или под действием силы тяжести.

Для разбавленных растворов плотность раствора можно принять равной плотности 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. Вискозометрия широко используется для контроля технологических операций и качества продукции. Наиболее часто вискозометрию применяют для определения молекулярной 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 невозможно, т.к. белки состоят из разных аминокислот и не составляют гомологический ряд и соответственно их растворы проявляют разную вязкость. В медицинских 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

Вискозиметрическое определение молекулярной массы полиэтиленгликоля.

В зависимости от молекулярного веса полиэтиленгликоли представляют жидкости или белый кристаллический порошок. Они хорошо растворимы в воде. Полиэтиленгликоли широко используют для производства моющих средств и эмульгаторов, как защитное средство при консервировании крови и тканей в замороженном виде, в качестве связывающей основы для различных мазей. Полимергомологическая константа К для полиэтиленгликолей в воде составляет 23,05 . 10?4, а константа, характеризующая гибкость цепей 0,53 .

Задачи работы: освоить вискозиметрический метод определения молекулярной массы полимеров

Оборудование и реактивы: вискозиметр, секундомер, растворы полиэтиленгликоля.

Выполнение работы: вискозиметр промыть дистиллированной водой. Для этого налить воду в широкое колено вискозиметра и отсасывая воздух через резиновый наконечник несколько раз набрать ее в резервуар узкого колена. Осторожно освободить вискозиметр из зажима и вылить воду из широкого колена. Следить, чтобы вода не осталась в резервуаре и капилляре. Вискозиметр затем строго вертикально снова укрепить в штативе.

Далее определить время истечения растворов полиэтиленгликоля последовательно в порядке возрастания их концентрации. Для этого в широкое колено вискозиметра пипеткой внести 5мл полиэтиленгликоля.

Отсасывая воздух, осторожно набрать раствор в резервуар узкого колена. Следить чтобы в растворе не возникали пузырьки воздуха, из-за чего резко падает точность результатов. Закрывая наконечник пальцем, установить уровень раствора по верхней метке над резервуаром. Опустить палец и пользуясь секундомером измерить время вытекания раствора до уровня метки под резервуаром. Такое измерение провести с данным раствором не менее 3 раз. По окончании третьего измерения освободить вискозиметр и раствор прямо из широкого колена вылить в склянку для раствора полиэтиленгликоля данной концентрации. Затем в вискозиметр внести раствор следующей концентрации. Вначале новый раствор набрать в узкое колено и спустить, не подсчитывая время истечения, чтобы промыть резервуар и капилляр. Лишь затем провести измерения. По окончании работ с последним раствором вискозиметр тщательно промыть дистиллированной водой.

В рабочей тетради кратко изложить принципы вискозиметрического определения молекулярной массы полимеров. Привести вязкостные константы полиэтиленгликоля в воде и сведения о его строении и использовании. Описать ход работы. Для каждого раствора подсчитать среднее время истечения из 3 изме-рений, удельную и приведенную вязкости. Полученные результаты представить в таблице:

Концентрация раствора	Среднее время истечения, с
0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75

Построить график зависимости приведенной вязкости от концетрации растворов и по нему определить характеристическую вязкость полиэтиленгликоля в воде. Ей соответствует отрезок, отсекаемый прямой на ординате. После установления характеристической вязкости рассчитать молекулярную массу полиэтиленгликоля по уравнению Марка-Куна-Хаувинка:

Примеры решения задач

Пример 1. Средняя молярная масса яичного альбумина равна 44000 г/моль.

Рассчитайте осмотическое давление раствора, содержащего 10 г альбумина в 1,5 л при 25оС, учитывая, что белок находится в нейтральной форме.

Дано: М(альбумина) = 44000 г/моль m(альбумина) = 10 г V(pастворa) = 1,5 л T = 298 K Росм. ? ?	Решение: осмотическое давление растворов полимеров вычисляем по формуле: . Учитывая, что белок находится в нейтральной 111

Форме (изодинамичном состоянии), осмотическое давление рассчитываем по уравнению :

Ответ: 0,375 кПа

Пример 2. Характеристическая вязкость водного раствора поливинилового спирта при 50оС равна 1,11.10?3 м3/моль. Рассчитайте молекулярную массу полимера (K = 6,04.10?3 моль/м3, = 0,67).

Дано: [] =1,11.10?3 м3/моль T = 323 K K = 6,04.10?5 моль/м3 = 0,67 М(спирта) ? ?	Решение: в соответствии с уравнением Марка-Куна-Хаувинка: [] КМ. Отсюда: М = antlgM = 77 кг/моль или 77000 г/моль Ответ: 77000 г/моль.

Пример 3. К какому электроду будут передвигаться частицы белка (ИЭТ= 4,0) при электрофорезе в ацетатном буфере, приготовленном из 150 мл 0,1 М раствора ацетата натрия и 250 мл 0,2 М раствора уксусной кислоты (рК = 4,75)?

Дано: ИЭТ = 4,0 С(СН3СООН) = 0,2 моль/л V(p-pa кислоты) = 250 мл С(СН3СООNa) = 0,1 моль/л V(p-pa соли) = 150 мл рК(СН3СООН) = 4,75 Заряд белка ? ?	Решение: если ИЭТ > рН раствора, то полимер в растворе находится в виде макрокатиона (имеет положительный заряд) и перемещается к катоду. В случае, если ИЭТ < рН раствора, молекула образует полианион и при электрофорезе движется к аноду. При ИЭТ = рН она не движется. Поэтому, чтобы ответить на данный вопрос, сначала определяем рН буферного раствора:

Как следует, рН = 4,23 > ИЭТ = 4. Значит, частицы белка заряжены отрицательно и при электрофорезе будут двигаться к аноду.

7.3 УГЛЕВОДЫ

Углеводы это природные органические вещества, имеющие общую формулу Cm(H2O)n (где m, n > 3), содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. По способности к гидролизу углеводы подразделяются на моно-, ди-, олиго- (от греческого oliges - немного) и полисахариды. Ди-, олиго- и полисахариды при гидролизе расщепляются до моносахаридов.

Моносахаридами, или простыми углеводами, называются углеводы, которые не подвергаются гидролизу. Моносахаридами являются рибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза и другие. Они представляют собой сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде белые кристаллические вещества. Моносахариды, содержащие альдегидную группу называются альдозами, содержащие кетоногруппу - кетозами, например

глюкоза фруктоза (альдоза) (кетоза)

По числу атомов углерода в цепи моносахариды делятся на тетрозы (четыре атома углерода С4Н8О4), пентозы (пять атомов углерода С5Н10О5), гексозы (шесть атомов углерода С6Н12О6), гептозы (семь атомов углерода С7Н14О7) и т.д. В природе чаще всего встречаются пентозы и гексозы. Окончание -оза указывает на принадлежность соединения к классу углеводов, например:

рибоза ксилоза дезоксирибоза



Глюкоза галактоза фруктоза

Изображенные структуры получили название проекционных формул Фишера.

Для моносахаридов характерно явление циклоцепной таутомерии. Таутомерия - это способность вещества существовать в виде нескольких структурных форм (таутомеров). Молекулы моносахаридов в водных растворах могут существовать в виде открытых и в виде циклических форм. Циклическая форма образуется при переходе атома водорода от гидроксильной группы при 4-ом или 5-ом углероде к кислороду карбонильной группы, например:

В результате образуются термодинамически более устойчивые пяти- или шестичленные таутомеры данного моносахарида. Пятичленные циклические таутомеры называются фуранозами, а шестичленные - пиранозами. Для изображения циклических форм моносахаридов используют формулы Хеуорса.

фуранозный цикл пиранозный цикл

В циклических формах моносахаридов нет карбонильной группы. Атом углерода С1 в циклическом таутомере называют аномерным, а гидроксильную группу связанный с первым углеродным атомом - полуацетальной или гликозидной. В зависимости от расположения гликозидной гидроксильной группы в пространстве различают ?- и ?-аномеры. В ?-аномерах гликозидный гидроксил расположен под плоскостью цикла, а в ?-аномерах - над плоскостью цикла.

Ниже представлены циклоцепная таутомерии некоторых моносахридов.

Циклоцепная таутомерия глюкозы:

Циклоцепная таутомерия фруктозы:

Циклоцепная таутомерия рибозы:

Молекула моносахарида содержит несколько асимметрических (хиральных) атомов углерода, поэтому для моносахаридов характерно явление оптической изомерии. Например, в открытой форме молекулы глюкозы имеется 4 асимметричных атома углерода. Исходя из правила N = 2n, число стереоизомеров для нее равно 16, т.е. 8 пар оптических изомеров (энантиомеров). Энантиомеры отличают друг от друга, относя их к D- или L-ряду. Принадлежность к D- или L-ряду для моносахаридов определяется по пространственному расположению атома H и ОН-группы у последнего асимметрического атома углерода, сравнивая его с глицериновым альдегидом:

моносахарид моносахарид

D-ряда L-ряда

Углеводы D- и L-ряда являются зеркальными отражениями друг друга. Большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду.

Глюкоза в растениях образуется в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды:

СО2 + 6Н2О hv С6Н12О6 + 6О2 - 2920 кДж.

При гидролизе ди- и полисахаридов в кислой или щелочной среде (в зависимости от строения дисахарида) могут быть получены два одинаковых или два разных моносахарида. Например, в промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала или целлюлозы:

(С6Н10О5)n + nН2О H+ nС6Н12О6

Фруктозу получают гидролизом сахарозы:

С12Н22О11 + Н2О С6Н12О6 + С6Н12О6

Моносахариды могут быть получены неполным окислением многоатомных спиртов

НОСН2(НСОН)4СН2ОН НОС(НСОН)4СН2ОН

Для моносахаридов характерны реакции как многоатомных спиртов, так и карбонильных соединений.

1. Реакции со спиртами

Данные реакции протекают в кислой среде (катализатор) по гликозидному гидроксилу:

?-глюкопираноза ?-метилглюкопиранозид

2. Реакции с алкилгалогенидами

Эти реакции протекают в щелочной среде по всем гидроксильным группам молекулы моносахарида:

?-фруктофураноза ?-метил-1,3,4,6-тетраметил-фруктофуранозид

3. Реакции с фосфорной кислотой

Реакция с фосфорной кислотой может протекать по гликозидному гидроксилу и по первичноспиртовым группам (СН2ОН):

?-фруктофураноза 2-фосфат-?-фруктофуранозы



?-фруктофураноза 1,2,6-трифосфат-?-фруктофуранозы

4. Реакции с галогенангидридами карбоновых кислот

Такие реакции протекают по всем гидроксильным группам моносахаридов:

?-рибофураноза 1,2,3,5-тетраацетилрибофураноза

5. Реакции восстановления

Реакции восстановления протекают у моносахаридов в открытой форме, при этом альдегидная группа восстанавливается в спиртовую группу:

глюкоза сорбит (альдегидо-спирт) (шестиатомный спирт)

6. Реакции с гидроксидом меди (II)

В состав молекул моносахаридов входят несколько гидроксильных групп, поэтому без нагревания они реагируют с гидроксидом меди (II) как многоатомные спирты, образуя комплексное соединение ярко-синего цвета:

глюкоза комплекс меди (II)

7. Реакции окисления (на примере глюкозы)

В зависимости от окислителя и условий реакции, окислению подвергаются как альдегидная группа моносахаридов, так и спиртовые гидроксильные группы.

а) окисление в щелочной среде

Окисление глюкозы в щелочной среде приводит к образованию солей глюконовой кислоты. Глюконовая кислота в щелочной среде неустойчива и подвергается деструкции углеродного скелета.

В качестве окислителей в реакцию вступают аммиачный раствор оксида серебра или гидроксид меди (II), реакции протекают при нагревании:

б) окисление в нейтральной среде

Мягкие окислители, такие как бромная вода, окисляют глюкозу до глюконовой кислоты (рибозу до рибоновой кислоты, а галактозу до галактоновой кислоты):

глюкоза глюконовая кислота

в) Окисление в кислой среде

Разбавленная азотная кислота окисляет моносахариды до двухосновных кислот. Глюкоза окисляется в глюкаровую (сахарную) кислоту, рибоза окисляется в рибаровую кислоту, галактоза окисляется в галактаровую кислоту:

Глюкоза глюкаровая кислота

8. Реакции брожения глюкозы

Брожение - процесс разложения глюкозы под действием микроорганизмов или ферментов. Различают следующие виды брожения глюкозы.

а) спиртовое брожение глюкозы:

С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2 СО2 + 70 кДж

б) молочнокислое брожение глюкозы:

С6Н12О6 2 СН3- СН-СООН

СН3

в) маслянокислое брожение гдюкозы:

С6Н12О6 СН3-СН2-СН2-СООН + 2СО2 + 2Н2

г) лимоннокислое брожение глюкозы:

С6Н12О6 +3[O] НООС-СН2-С(ОН)-СН2-СООН + 2Н2О

СООН

д) в живых организмах происходит окисление глюкозы по действием кислорода воздуха по реакции:

С6Н12О6 + 6О2 СО2 + 6Н2О + 2920 кДж

При этом выделяется энергия, которая используется организмом. Поэтому глюкоза является основным источником энергии организма.

Фруктоза (кетоноспирт), являясь изомером глюкозы, вступает во все реакции многоатомных спиртов, но в отличие от глюкозы (альдегидоспирта), не обладает восстанавливающими свойствами: не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, не окисляется Cu(OH)2.

Дисахариды состоят из остатков двух моносахаридов одинаковой или разной природы и имеют формулу С12Н22О11. К ним относят сахарозу, мальтозу, целлобиозу и лактозу. Все эти вещества представляют собой хорошо раствори-мые в воде бесцветные кристаллы сладкого вкуса.

Мальтоза состоит из двух остатков молекул глюкопиранозы, связанных между собой ?-1,4-гликозидной связью (через 1-ый и 4-ый атомы углерода):

?-глюкопираноза ?-глюкопираноза ?-мальтоза

Целлобиоза состоит из двух остатков молекул глюкопиранозы, связанных между собой ?-1,4-гликозидной связью (один остаток фиксировано находится в ? -форме):

?-глюкопираноза ?-глюкопираноза ?-целлобиоза

Лактоза образована из остатков ?-галактопиранозы и -глюкопиранозы, связанных между собой ?-1,4-гликозидной связью:

?-галактопираноза ?-глюкопираноза ?-лактоза

Сахароза образована из остатка ?-глюкопиранозы и остатка ?-фруктофуранозы, связанных между собой ?-1,2-гликозидной связью:

?-глюкопираноза + ?-фруктофураноза сахароза

Наиболее распространенным дисахаридом является сахароза (тростниковый сахар). Его получают экстракцией из сахарной свеклы или сахарного тростника. Сахароза является важным источником углеводов в пище человека.

Лактоза (молочный сахар) содержится в молоке (2 8%) и получается из молочной сыворотки.

Мальтоза (солодовый сахар) содержится в проросшенных семенах хлебных злаков и образуется при неполном гидролизе крахмала под действием ферментов.

Целлобиоза получается при неполном гидролизе целлюлозы.

Дисахариды подразделяются на два типа: восстанавливающие и невосстанавливающие. К восстанавливающим дисахаридам относят мальтозу, лактозу и целлобиозу. В молекулах мальтозы, лактозы, целлобиозы один полуацетальный (гликозидный) гидроксил остается свободным и поэтому дисахариды существуют в двух таутомерных формах, одна из которых - альдегидная. Эти дисахариды могут участвовать в реакции серебряного зеркала и восстанавливать свежеосажденный Cu (OH)2 до Cu2O, например:

C12H22O11 + Ag2O C12H22O12 + 2 Ag

C12H22O11 + 2Cu(OH)2 C12H22O12 + Cu2O + 2H2O

В молекуле сахарозы свободный гликозидный гидроксил отсутствует. В связи с этим сахароза не может раскрываться и переходить в альдегидную форму и поэтому она не обладает восстанавливающими свойствами. Поэтому сахароза невосстанавливающий дисахарид.

Дисахариды вступают во многие реакции, характерные для моносахаридов: реакции со спиртами, алкилгалогенидами, фосфорной кислотой, с галогенангидридами кислот.

Углеводы, содержащие в молекуле более 10 остатков моносахаридов, называются полисахаридами. Общая формула полисахаридов (С6Н10О5)n. Молекулярная масса природных полисахаридов, важнейшими из которых являются крахмал и целлюлоза, может быть от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Крахмал - природный полимер, образованный остатками -глюкозы. Крахмал представляет собой смесь полисахаридов амилопектина и амилозы. Амилоза - растворимый в воде линейный полисахарид, в котором остатки -глюкозы связаны между собой ?-1,4-гликозидной связью.

Линейная полимерная цепь амилозы свернута в спираль, внутри которой имеется тонкий (0,5 нм) канал, в который могут проникать некоторые молекулы. Например, при обработке крахмала йодом, туда проникают молекулы йода и окрашивают полимер в синий цвет. Эта реакция с йодом является качественной реакцией на крахмал.

Амилопектин - нерастворимый в воде полимер с разветвленным строением. В его молекуле остатки -глюкозы связаны -1,4- и -1,6- гликозидными связями:

Крахмал не растворяется в холодной воде. В горячей воде образует коллоидный раствор (клейстер). При нагревании в кислой среде крахмал гидролизуется с разрывом связей между остатками -глюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов (декстрины, затем мальтоза). Конечным продуктом гидролиза крахмала является -глюкоза:

(С6Н10О5)n + n H2O n С6Н12О6

Крахмал - ценный питательный продукт. Он входит в состав хлеба (в муке 7580%), картофеля (25%), круп и является важнейшим источником углеводов в человеческом организме. Используется в производстве глюкозы, этанола, молочной кислоты, в пищевой промышленности, в медицине.

Другим распространенным в природе полисахаридом является целлюлоза (или клетчатка). Он представляет собой твердое, нерастворимое в воде волок-нистое вещество. Является основным веществом растительных клеток. Например, 50% древесины, 9598% хлопка и льна состоят из целлюлозы. Состав его такой же, как у крахмала (С6Н10О5)n. В отличие от крахмала молекулы целлюлозы имеют линейное строение, причем цепи расположены параллельно друг к другу и соединены между собой водородными связями, в так называемые волокна. Остатки -глюкозы в целлюлозе соединены между собой -1,4-гликозидной связью:



При нагревании в кислой среде целлюлоза гидролизуется до -глюкозы по схеме: целлюлозаамилоид целлобиоза-глюкоза.

Целлюлоза растворяется а аммиачном растворе Cu(OH)2 (реактив Швейцера).

Для целлюлозы характерна способность к образованию сложных эфиров. Так, при взаимодействии с азотной или уксусной кислотами в присутствии концен-трированной серной кислоты образуются соответствующие сложные эфиры:

[C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3 [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O

[C6H7O2(OH)3]n + 3nCH3COOH [C6H7O2(OCOCH3)3]n + 3nH2O

Полный нитрат целлюлозы (пироксилин) - взрывчатое вещество, его используют для приготовления бездымного пороха. Из ацетата целлюлозы изготавливают ацетатное волокно, лаки и кинопленки.

Лабораторная работа

Определение константы скорости гидролиза сахарозы

Теоретическое пояснение: гидролиз сахарозы протекает по уравнению:

С12Н22О11 + Н2О С6Н12О6 + С6Н12О6

глюкоза фруктоза

Реакция по механизму бимолекулярна, но подчиняется кинетическому уравнению первого порядка, т.к. скорость реакции зависит только от концентрации сахарозы.

Все три вещества - сахароза, глюкоза и фруктоза являются оптически активными, способными вращать плоскость поляризации.

Угол вращения плоскости поляризации зависит от концентрации веществ. При равных условиях (одинаковой концентрации веществ, толщины слоя раствора, температуры) раствор сахарозы вращает плоскость поляризации вправо ( = 66,55о), глюкоза также вправо ( = 52,5о), а фруктоза - влево ( = ?91,9о). Угол вращения данного раствора представляет сумму углов вращения отдельных веществ. Таким образом, за скоростью реакции гидролиза сахарозы можно следить по изменению угла вращения. По мере протекания реакции и увеличения концентрации фруктозы правое вращение заменяется левым (угол вращения уменьшается до нуля и становится отрицательным), поэтому эту реакцию называют инверсией сахара. Константа скорости выражается формулой:

Где о - угол вращения в начальный момент, ? угол вращения после окончания реакции, а ? в данный момент; разностьпропорциональна начальной концентрации сахарозы, ? концентрация сахарозы, прореагировавшей за время .

Задачи работы: измерение угла вращения раствора сахарозы, рассчитать константу реакции и период полупревращения.

Оборудование и реактивы: поляриметр, водяной термостат, три колбы на 50 мл, бюретки на 25 мл, термометр, электроплитка, раствор сахарозы концентрацией 20 % масс., 1 н раствор соляной кислоты, фильтровальная бумага.

Выполнение работы: установить и поддерживать заданную температуру водяного термостата. Для определения о в сухую колбу вместимостью 50 мл налить 20 мл раствора сахарозы и выдержать в термостате 10 мин. Заполнить этим раствором поляриметрическую трубку (кювету). Кювету поместить в поляриметр и измерить угол вращения. Для измерения в сухую колбу вместимостью 50 мл отмерить из бюретки 25 мл раствора сахарозы. В другую колбу налить 25 мл 1 н раствор соляной кислоты. Обе колбы выдержать в термостате 10 мин, после чего слить вместе и перемешать. Момент смешения - время начала реакции - отметить по часам с точностью до 1 мин. Этому моменту соответствует о. Поляриметрическую трубку (кювету) освободить от раствора сахарозы, сполоскать, а затем заполнить полученным раствором, термостатировать. Через каждые 10 мин, кювету вынуть, вытирать фильтровальной бумагой и измерить угол вращения . Провести 6 - 8 измерений. Для определения оставшуюся смесь перелить в колбу и довести до кипения на электроплитке, охладить, заполнить ею кювету, термостатировать 10 мин и измерить угол вращения. Результаты занести в таблицу:

Время, мин				k
10
20
30
40
50
60

В отчете привести принципиальную схему поляриметра, произвести необходимые расчеты и сделать вывод о полноте реакции.

Вопросы и задачи для самоподготовки

Что называется высокомолекулярными соединениями (ВМС)? Чем они отличаются от низкомолекулярных веществ по строению молекул?

Какие группы ВМС различают по их происхождению, последовательности соединения мономерных звеньев в макромолекулах, пространственной структуре их молекул? Привести примеры.

Какие разновидности ВМС различают по наличию заряженных групп в их молекулах?

Какие способы образования (получения) ВМС существуют?

Почему при растворении полимеров происходит их набухание? Что характеризует его величину? Как взаимосвязаны структура макромолекул и степень набухания?

Сходства и отличия растворов полимеров и лиофобных золей. Факторы устойчивости молекул полимеров в растворе. Почему молекулы ВМС в растворе более устойчивы, чем лиофобные коллоидные частицы?

Чем отличается и почему осмотическое давление растворов полимеров и низкомолекулярных веществ? Привести уравнение (Галлера) для расчёта осмотического давления растворов полимеров, пояснить все значения и показать, каким образом можно определить входящие в него параметры.

Осмотическое давление водного раствора белка с массовой концентрацией 1 кг/м3 при температуре физиологической нормы равно 292,7 Па. Определите молекулярную массу белка (коэффициент, учитывающий гибкость и форму макромолекул равен K = 1, молекула белка изодинамична).

12. Какое осмотическое давление при 37 0С создает белок плазмы крови альбумин, если концентрация его в плазме равна 4,5%, а молекулярная масса 67000 г/моль. Константа, характеризующая гибкость цепей К = 0,35. Плотность плазмы крови принять 1 г/мл. Ответ: 173 Па.

Рассчитайте осмотическое давление раствора белка с относительной молекулярной массой 10000, если его массовая концентрация равна 1 г/л, Т = 310К, молекула белка изодинамична. Ответ: 257,6 Па.

Рассчитайте молекулярную массу полистирола, если осмотическое давление при 25оС равно 120,9 Па, а массовая концентрация равна 4,176 кг/м3, молекула белка изодинамична. Ответ: 85536 г/моль.

Молекулярная масса полимера 600000 г/моль. Вычислите осмотическое давление при 27оС раствора, если его массовая концентрация равна 6 г/л. Молекула полимера изодинамична. Ответ: 24,93 Па.

Золь амилозы содержит 5 г растворенного вещества в 1 л раствора, а осмотическое давление этого раствора при 27оС составляет 20 Па. Вычислите молекулярную массу амилозы. Ответ: 623250.

Влияние рН раствора на заряд молекул полиамфолитов. Изоэлектрическое состояние и изоэлектрическая точка полиамфолитов.

Как меняются свойства полиамфолитов при переходе их в изоэлектрическое состояние? Какими способами можно определить изоэлектрическую точку ВМС?

Исходя из следующих данных, графически определите изоэлектрическую точку желатина:

Относительная вязкость: 1,5 1,8 2,0 1,7 1,3 1,2 1,4 1,5 1,6

рН раствора 2 1,5 3 3,5 4,0 5,0 6,0 8,0 10

Исходя из данных измерения набухания, графически определите изоэлектрическую точку желатина:

Относительный объем 1 г желатина: 30 70 10 35 40 50

рН раствора 2 3 5 7 9 11

При определении ИЭТ желатина методом набухания были получены следующие результаты:

рН раствора 3,7 3,8 4,0 4,3 4,7 5,0

Степень набухания 17,17 11,46 4,51 ?0,27 ?1,48 ?0,23

Постройте график в координатах «Степень набухания - рН раствора» и определите изоэлектрическую точку желатина.

20. Будет ли происходить набухание желатина (ИЭТ = 4,7) в ацетатном буфере, приготовленном из 100 мл 0,1 М раствора ацетата натрия и 200 мл 0,1 М раствора уксусной кислоты (рК = 4,75) при 20оС?

К какому электроду будут передвигаться частицы белка (ИЭТ = 4,0) при электрофорезе в ацетатном буфере, приготовленном из 100 мл 0,1 М раствора ацетата натрия и 25 мл 0,2 М раствора уксусной кислоты (рК = 4,75)?

К какому электроду будут передвигаться частицы белка при электрофорезе, если его ИЭТ = 4, а рН раствора равен 5.

22. К какому электроду будет перемещаться при электрофорезе -лактоглобулин (ИЭТ = 5,2) в 1 М фосфатном буферном растворе (рК2 = 7,21)?

К какому электроду будет перемещаться при электрофорезе инсулин (ИЭТ = 6,0) в 0,1 М растворе соляной кислоты?

ИЭТ гемоглобина равна 6,68. К какому электроду будет передвигаться при электрофорезе гемоглобин, помещенный в буферный раствор с концентрацией ионов водорода 1,5.10?6 моль/л?

Графически определите ИЭТ сывороточного альбумина исходя из следующих данных:

рН среды 4,03 4,36 5,67 5,86 6,25 7,0

Электрофоретическая подвижность, мкм/с

0,640 0,356 0,487 0,750 1,00 1,23

Степень помутнения водного раствора казеина максимальна в буферном растворе, приготовленном смешением 25 мл 0,1М раствора СН3СООН и 20 мл 0,1 М раствора ацетата натрия. рК(СН3СООН) = 4,75. Определите ИЭТ казеина.

Высаливание полимеров, его механизм и отличие от коагуляции лиофобных золей. Чем обусловлена разная высаливающая способность ионов электролита? Что такое лиотропный ряд Гофмейстера? Практическое использование высаливания полимеров и ПАВ.

Что такое коацервация, каково её биологическое значение? Что представляет собой микрокапсулирование?

Влияние полимеров на устойчивость коллоидных частиц к коагулирующему действию электролитов. Какое значение имеет явление коллоидной защиты в организме?

В чём проявляются и чем объясняются различия в вязкости растворов полимеров и низкомолекулярных веществ?

Что такое удельная, приведенная и характеристическая вязкость растворов полимеров, каков их физический смысл и как они связаны с молекулярной массой полимера? При каких условиях выполняются уравнения Штаудингера и Марка-Куна-Хаувинка для вязкости растворов полимеров? Как определяется характеристическая вязкость растворов полимеров?

Что представляет метод определения вязкости жидкостей с помощью капиллярного вискозиметра Оствальда, каковы границы его использования?

Как определить молекулярную массу полимера вискозиметрическим методом? Дать объяснения, привести уравнения, графические построения.

При вискозиметрическом определении молекулярной массы полиэтилен-гликоля (ПЭГ) получены следующие данные:

Концентрация ПЭГ, % 0 0,5 0,75 1,0 1,25 1,50 1,75

Время истечения раствора, сек: 17 21 23 26 29 32 36

Рассчитать молекулярную массу ПЭГ. Полимергомологическая константа K = 0,0023, а константа, характеризующая гибкость цепей = 0,53.

36. При измерении вязкости растворов полимера в тетрахлорметане с помощью капиллярного вискозиметра получены следующие данные:

Концентрация, г/дм3 0 1,7 2,12 2,52 2,95 3,40

Время истечения раствора, с 97,6 115,1 120,2 124,5 129,9 134,9

К = 1,8.10-5, = 1. Рассчитать молекулярную массу полимера.

Определите молекулярную массу полимера по следующим данным (K = 4,21.104; a = 0,67):

Концентрация полимера, моль/л: 0,015 0,025 0,050

Приведенная вязкость: 1,8 2,0 2,5

Определите молекулярную массу этилцеллюлозы в толуоле по следующим данным (K = 4,21.104; a = 0,67):

Концентрация полимера, кг/м3: 2,0 6,0 8,0 10,0

Приведенная вязкость: 0,163 0,192 0,210 0,263

Время истечения из вискозиметра для 0,8%-ного раствора полимера (C5H5Cl)n равно 53 с, а время истечения растворителя 40 с. Вычислите относительную, удельную и приведенную вязкости раствора полимера.

Характеристическая вязкость водного раствора поливинилового спирта при 50оС равна 1,11.103 м3/моль. Вычислите среднюю молекулярную массу полимера (K = 6,04.105 моль/м3; = 0,67). Ответ: 77000 г/моль.

Характеристическая вязкость раствора поливинилацетата в ацетоне при 50оС равна 1,75.103 м3/моль. Вычислите среднюю молекулярную массу полимера (K = 2,87.105 моль/м3; = 0,67). Ответ: 462 кг/моль.

Характеристическая вязкость раствора целлюлозы в растворе гидроксида тетрааминмеди (II) при 25оС равна 6,9.103 м3/моль. Вычислите среднюю молекулярную массу полимера (K = 2,29.105 моль/м3; = 0,81). Ответ: 1150 кг/моль.

Характеристическая вязкость раствора ацетилцеллюлозы в ацетоне при 25оС равна 1,4.103 м3/моль. Вычислите среднюю молекулярную массу полимера (K = 4,3.105 моль/м3; = 0,82). Ответ: 70 кг/моль.

Характеристическая вязкость раствора полистирола в толуоле равна 2,44.103 м3/моль. Вычислите среднюю молекулярную массу полимера (K = 1,61.105 моль/м3; = 0,7). Ответ: 1303 кг/моль.

Характеристическая вязкость раствора натурального каучука в толуоле равна 4,41.103 м3/моль. Вычислите среднюю молекулярную массу полимера (K = 5,14.105 моль/м3; = 0,67). Ответ: 769 кг/моль.

Рассчитайте относительную молекулярную массу полимера, если характеристическая вязкость его равна 0,126 м3/кг, а константа K = 1,8.105, = 1. Ответ: 7000 г/моль.

При измерении вязкости растворов полимера в тетрахлорметане с помощью капиллярного вискозиметра получены следующие данные:

Концентрация, г/дм3 1,7 2,12 2,52 2,95

Приведенная вязкость 0,105 0,109 0,110 0,112

Вычислите молекулярную массу полимера. K = 1,8.105, = 1.

43. При вискозиметрическом определении молекулярной массы полиэтилен- гликоля (ПЭГ) получены следующие данные:

Концентрация ПЭГ, % 0,5 0,75 1,0 1,25 1,50 1,75

Приведенная вязкость 0,43 0,47 0,53 0,56 0,59 0,64

Рассчитать молекулярную массу ПЭГ, если полимергомологическая константа K = 0,0023, а константа, характеризующая гибкость цепей = 0,53.

44. Для определения железного числа, 0,1 мл 0,25%-ного раствора желатина добавили к 9,9 мл золя гидроксида железа (III) и затем провели серию из десяти последовательных разбавлений исходного раствора 1:2. В каждую пробирку добавили по 1 мл 10%-ного раствора хлорида натрия. В пробирках 1 - 4 изменений не наблюдалось. В пробирках 5 - 10 наблюдалось образование хлопьев. Вычислите железное число желатина.

45. Для определения золотого числа, 0,1 мл 1%-ного раствора желатина добави-ли к 9,9 мл красного золя и затем провели серию из десяти последовательных разбавлений исходного раствора 1:2. В каждую пробирку добавили по 1 мл 10%-ного раствора хлорида натрия. В пробирках 1 - 5 изменений не наблюдалось. В пробирках 6 - 10 раствор приобрел голубой оттенок. Вычислите золотое число желатина.

46. Сахароза в кислой среде гидролизуется по уравнению С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6(глюкоза) + С6Н12О6(фруктоза). Сахароза вращает плоскость поляризации вправо, смесь глюкозы и фруктозы - влево. Угол вращения пропорционален концентрации растворенных веществ. В опыте, проводившемся при 250С в 0,5н растворе HCl, изменение угла вращения плоскости поляризации () раствора сахарозы во времени () было следующее:

, мин: 0 176 352 704

, градусы 25,16 5,46 3,01 7,39 8,38

Учитывая, что инверсия сахарозы в присутствии большого избытка воды идет по первому порядку, вычислить константу скорости реакции.

47. Сахароза в кислой среде гидролизуется по уравнению С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6(глюкоза) + С6Н12О6(фруктоза). Сахароза вращает плоскость поляризации вправо, смесь глюкозы и фруктозы - влево. Угол вращения пропорционален концентрации растворенных веществ. В опыте, проводившемся при 250С в 0,5н растворе молочной кислоты, изменение угла вращения плоскости поляризации () раствора сахарозы во времени () было следующее:

, мин: 0 1435 7175 11360

, градусы 34,50 31,10 20,36 13,98 10,77

Учитывая, что инверсия сахарозы в присутствии большого избытка воды идет по первому порядку, вычислить константу скорости реакции.

48. Энергия активации реакции гидролиза сахарозы равна 114 кДж/моль. Период полупревращения при 500С равен 2,4 с. Рассчитайте константу скорости при 400С.

49. Начальный угол вращения плоскости поляризации раствора сахарозы концентрации 20 масс.%, составляет +24о; конечный - 11о. Средняя константа скорости инверсии сахарозы 0,011 мин?1. Определите угол вращения через 120 мин после начала реакции.

Глава 8. МИЦЕЛЛЯРНЫЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (СИСТЕМЫ С САМОПРОИЗВОЛЬНЫМ МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЕМ, ПОЛУКОЛЛОИДЫ)

Изучение данной темы способствует формированию следующих компетенций: ОК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-5.

Теоретическое пояснение: ряд веществ в растворе могут одновременно находиться в виде отдельных молекул и в виде скоплений молекул - коллоидных частиц или мицелл. Такие вещества называют полуколлоидами. К ним относят мыла, коллоидные поверхностно-активные вещества, дубильные вещества (танниды), некоторые органические красители. В растворах полуколлоидов поддерживается равновесие «молекулярный раствор золь гель».

Объединение молекул полуколлоидов в мицеллы начинается лишь при некоторой минимальной концентрации полуколлоида в растворе. Она называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). При ККМ свойства раствора полуколлоида (электропроводность, светорассеяние, поверхностное натяжение и др.) изменяются скачкообразно (рис.11). Это объясняется увеличением числа мицелл и сравнительным постоянством концентрации ионов или молекул полуколлоида, значит и свойств раствора полуколлоида, после достижения ККМ, несмотря на увеличение концентрации ПАВ в растворе.

Рис.11

Зависимость эквивалентной электропроводности (1), поверхностного натяжения (2), осмотического давления (3) и мутности (4) растворов мицеллярных ПАВ от концентрации

Таким образом, по точке резкого изменения свойств раствора с ростом концентрации можно определить ККМ полуколлоидов, а по ней судить о структуре молекул, поверхност-ной и солюбилизационной активности полуколлоидов. Величина ККМ зависит от соотношения гидрофильных и гидрофобных свойств молекулы полуколлоида, которое характеризуется гидрофильнолипофильным балансом. Скачкообразное изменение свойств растворов легло в основу методов определения ККМ.

Лабораторная работа

Определение критической концентрации мицеллообразования методом измерения поверхностного натяжения

Задачи работы: определение ККМ методом измерения поверхностного натяжения.

Оборудование и реактивы: 0,05 М раствор олеата калия, дистиллированная вода, пипетки, сталагмометр, стаканчик.

Выполнение работы: из исходного 0,05 М раствора олеата калия приготовить ряд разбавленных растворов. Каждый раствор меньшей концентрации готовить из предыдущего раствора большей концентрации. Концентрации и смешиваемые объемы растворов и воды указаны в таблице. Сталагмометрическим методом определить поверхностное натяжение растворов (описание метода см. на стр.78), результаты занести в таблицу:

Концентрация раствора, моль/л	Логарифм концентра-ции, lgC	Объем предыдущего раствора, мл	Объем воды, мл	Число капель, N	Поверхностное натяжение, , мДж/м2
Вода					(Н2О) = 72,56
50	1,7
10	1,0	5	20
5	0,7	25	25
2	0,3	20	30
1	0	25	25

Порядок оформления работы: выполнить работу, записать ход работы. Построить график зависимости поверхностного натяжения раствора от логарифма концентрации. По графику определить ККМ.

Вопросы и задачи для самоподготовки

Какие вещества называют полуколлоидами и почему?

Какие общие закономерности прослеживаются в строении молекул полу-коллоидов? Дайте объяснения, приведите примеры.

В чём состоит необычность физических свойств растворов полуколлоидов, как её объясняет гипотеза коллоидных электролитов Мак-Бэна?

Что такое критическая концентрация мицеллобразования полуколлоидов, как она связана со структурой молекул полуколлоидов?

Какую структуру имеют мицеллы полуколлоидов?

Почему некоторые коллоидные поверхностно-активные вещества называют жидкими кристаллами?

Какие параметры характеризуют величину мицелл полуколлоидов? От чего она зависит?

У какого коллоидного ПАВ ? олеата калия (С17Н33СООК) или стеарата калия (С17Н35СООК) будут наибольшими мицеллярная масса и мицеллярное число?

Что такое солюбилизация в растворах полуколлоидов, чем она обусловлена, каково значение этого явления?

Какие вещества в организме проявляют свойства полуколлоидов? Каково значение в жизнедеятельности имеет образование ими коллоидных мицелл?

Как используют полуколлоиды в технологических процессах, в быту, в медицине и фармации?

Для определения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) додецилсульфата натрия (C12H25OSO3Na) измеряли поверхностное натяжение его растворов разной концентрации. Получены следующие результаты:

Концентрация раствора, ммоль/л: 1,0 1,4 2,0 3,2 5,0 7,0 10,0 20,0

Логарифм концентрации 0 0,15 0,3 0,5 0,7 0,85 1,0 1,3

Поверхностное натяжение, мДж/м2 54 50 45 40 36,8 36,4 36,3 36,2

Определите ККМ додецилсульфата натрия.

При определении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) олеата натрия в октиловом спирте получены следующие результаты:

Концентрация раствора, моль/л: 0,025 0,05 0,06 0,075 0,100

Мутность раствора 2 10 55 59 56

Построить график зависимости мутности от концентрации, определить ККМ олеата натрия в октиловом спирте.

При определении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) олеата натрия в амиловом спирте получены следующие результаты:

Концентрация раствора, моль/л: 0,2 0,5 0,8 1,1 1,2 1,6

Мутность раствора 1 4 5 5,5 70 65

Построить график зависимости мутности от концентрации, определить ККМ олеата натрия амиловом спирте.

При определении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) олеата натрия в гексиловом спирте получены следующие результаты:

Концентрация раствора, моль/л: 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Мутность раствора 2 5 40 60 69 65

Построить график зависимости мутности от концентрации,определить ККМ.

16. С помощью осмотического метода определите критическую концентрацию мицеллообразования додецилсульфоновой кислоты исходя из следующих данных:

Концентрация раствора, моль/л: 0,0025 0,01 0,022 0,04 0,06 0,09

Осмотический коэффициент, f 0,97 0,93 0,44 0,24 0,20 0,15

Построить график зависимости осмотического коэффициента () от концентрации, определить ККМ додецилсульфоновой кислоты.

17. Вычислить мицеллярную массу сульфомыла, считая форму его мицелл сфе-рической. Величина коэффициента диффузии в воде при Т = 295 K равна 1,246.10?10 м2/с, плотность вещества 1,136.10?3 кг/м3, вязкость среды 1.10?3 Н.с/м2. Ответ: 14,94 кг/моль.

Глава 9. МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Изучение данной темы способствует формированию следующих компетенций: ОК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-5.

Теоретическое пояснение: микрогетерогенные системы представляют разновидность дисперсных систем, в которых частицы тонкоизмельченного вещества размером 10?6 - 10?4 м (дисперсной фазы) равномерно распределены в однородной (дисперсионной) среде из молекул или атомов другого вещества. В отличие от коллоидных систем, микрогетерогенные системы агрегативно и седиментационно неустойчивы: частицы склонны к объединению и оседанию. По сочетанию дисперсной фазы и дисперсионной среды различают аэрозоли (жидкость - газ, твердое тело - газ), эмульсии (жидкость - жидкость), пены (газ - жидкость, газ - твердое тело) и системы с твердой дисперсионной средой.

Эмульсиями называют дисперсные системы, образованные двумя взаимно нерастворимыми жидкостями. Для придания системе устойчивости вводят поверхностно-активные вещества ? эмульгаторы. Различают прямые (неполярная жидкость диспергирована в полярной; обозначается М/В) и обратные (полярная жидкость диспергирована в органической жидкости; В/М) эмульсии. По концентрации дисперсной фазы эмульсии делят на разбавленные ( < 0,1%), концентрированные (0,1% < < 74%) и высококонцентрированные ( > 74%).

Эмульсии можно получить методами конденсации или диспергирования. Тип эмульсии зависит от природы эмульгатора. Для стабилизации прямой эмульсии применяют эмульгатор с гидрофильными свойствами, например, мыла щелочных металлов. Стабилизирующее действие мыла на прямые эмульсии связано структурно-механическим фактором и образованием заряда на поверхности капель. Аналогично, эмульгатор с гидрофобными свойствами будет стабилизировать обратные эмульсии. Без эмульгаторов относительно устойчивыми могут быть только сильно разбавленные эмульсии, в которых объемная доля дисперсной фазы не превышает 0,1%.

Тип эмульсии определяют методами разбавления, окрашивания непрерывной фазы, слияния капли, измерения электропроводности.

Пены, как и эмульсии, могут образовываться и существовать только в присутствии пенообразователей - веществ, подобных эмульгаторам.

Лабораторная работа

Свойства эмульсий и пен

Задачи работы: получение и изучение свойств эмульсий и пен, определение типа эмульсии, проведение обращения фаз эмульсии.

Оборудование и реактивы: 0,05 М раствор олеата калия, 0,3 М раствор Na3PO4, дистиллированная вода, 1%-ный спиртовый раствор касторового масла, краситель судан I, 2%-ный раствор СаСl2, октиловый спирт, фильтровальная бумага, пробирки, микроскоп, предметное стекло.

Опыт 1. Получение разбавленной эмульсий

Выполнение работы: в пробирку налить 6 мл воды и 2 мл 1%-ного спиртового раствора касторового масла, встряхнуть и наблюдать образование эмульсии.

Объяснить, почему получается эмульсия без применения эмульгатора.

Опыт 2. Получение эмульсий с различными эмульгаторами

Выполнение работы: взять три пробирки. В первую пробирку пипеткой внести 5 мл воды, во вторую - 5 мл 0,05 М олеата калия, в третью пробирку - 5 мл 0,3 М раствора фосфата натрия. В каждую пробирку добавить по 0,5 м масла и взболтать смесь. Наблюдать образование эмульсий и определить относительную скорость их разрушения. Объяснить различную устойчивость полученных эмульсий. Устойчивую эмульсию оставить для следующего опыта.

Опыт 3. Установление типа эмульсий методами смачивания бумаги и растворимости красителей

Выполнение работы: в пробирку с устойчивой эмульсией, полученном во втором опыте, внести стеклянной палочкой 2 - 3 крупинки красителя (судан I), растворяемого в масле и окрашиваемого его в красный цвет. Пробирку несколько раз встряхнуть и выполнить два опыта.

В первом случае каплю окрашенной эмульсии нанести стеклянной палочкой на полоску фильтровальной бумаги. Учитывая, что капля эмульсии типа М/В сразу всасывается бумагой и на бумаге появляется жирное окрашенное пятно, а в случае обратной эмульсии (эмульсии типа В/М) её капля не всасывается бумагой, определить тип эмульсии.

Во втором случае каплю эмульсии нанести на предметное стекло и рассмотреть в микроскопе при небольшом увеличении (7х10).

Зарисовать картину, наблюдаемую в микроскопе. Определить тип эмульсии. Дать объяснения полученным результатам.

Опыт 4. Обращение эмульсии типа «масло/вода» в эмульсию типа «вода/масло»

Выполнение работы: в 0,5 мл масла растворить 2 - 3 крупинки судана I. Доба-вить в пробирку 5 мл 0,05 М раствора олеата калия и тщательно перемешать смесь. Полученную эмульсию разлить поровну в две пробирки.

В одну из пробирок добавить 0,5 мл 2%-ного раствора хлорида кальция и перемешать смесь. После небольшого отстаивания пипеткой осторожно собрать избыток воды (нижний неокрашенный слой) так, чтобы в пробирке остался окрашенный слой масла. Добавить в пробирку дополнительно 2 мл масла и перемешать смесь. Капли обеих эмульсий рассмотреть под микроскопом. Определить тип эмульсий по окрашиванию фаз. Зарисовать микроскопические картины эмульсий. Записать результаты и объяснить механизм обращения фаз эмульсий под действием хлорида кальция.

Опыт 5. Получение и разрушение пены

Выполнение работы: в две пробирки налить по 1 мл 0,05 М раствора олеата калия и разбавить его водой примерно в 5 раз. Встряхивая пробирки, взбить мыльную пену. Одну из пробирок оставить для сравнения. В другую пробирку по стенке добавить 2 - 3 капли октилового спирта. Наблюдать разрушение пены у стенки пробирки, где стекали капли октилового спирта. Объяснить механизм понижения прочности пены под действием октилового спирта.

Порядок оформления работы: записать ход работы, результаты и их объяснение, сделать выводы.

Примеры решения задач

Пример 1. Вычислить общую площадь раздела фаз в 1 м3 20%-ной эмульсии, учитывая, что размер сферических капель составляет 2.10?5 м.

Дано: (масла) = 20% r(капли) = 2.10?5 м V(эмульсии) = 1 м3 S ? ?	Решение: 1) вычисляем общий объем масла в эмульсии: V(масла) = V(эмульсии). = 1.0,2 = 0,2 м3. 2) вычисляем объем одной капли масла:

.

3) рассчитываем число частиц в эмульсии:

4) вычисляем поверхность одной капли:

Sч = 2r2 = 2.3,14.(2.10?5)2 = 25,12.10?10 м2

5) рассчитываем общую площадь всей дисперсной (масляной) фазы:

S = Sч.N = 25,12.10?10.5,97.1012 = 15000 м2

Ответ: 15000 м2.

Вопросы и задачи для самоподготовки

Что представляют собой микрогетерогенные системы? Отличительные признаки. Классификация микрогетерогенных систем по агрегатному состоянию фаз.

Что такое аэрозоли? Каковы особенности их физических свойств? Каково значение аэрозолей в технике, быту, в развитии заболеваний и их лечении?

Что такое порошки, каковы их отличительные особенности как дисперсных систем? Слёживаемость и распыляемость порошков.

Что представляют собой суспензии? Как они получаются? Каковы их отличительные особенности как дисперсных систем? Практическое значение суспензий и паст.

Что такое эмульсии, каковы условия их существования, какими способами они образуются? Как классифицируют эмульсии? Привести примеры.

Какими способами определяют тип эмульсии?

После добавления к эмульсии водорастворимого соединения - метиленового голубого при рассматривании её под микроскопом на голубом фоне видны бесцветные кружки разной величины. Установите тип эмульсии. Ответ обосновать.

Установите тип эмульсии, если после добавления к эмульсии красного красителя (судан I), растворимого в масле, при рассматривании её под микроскопом на светлом фоне видны кружки красного цвета разной величины. Ответ обосновать.

Каковы свойства эмульсий?

10. Какие факторы обеспечивают устойчивость эмульсий?

11. Что такое эмульгаторы? Какие вещества и в каких случаях могут быть эмульгаторами?

12. Почему гидрофильные эмульгаторы стабилизируют прямые эмульсии, а гидрофобные ? стабилизируют обратные эмульсии? Ответ обосновать.

13. Что такое обращение фаз эмульсий, какие причины его вызывают, как используется это явление?