Мембранный осмометр

Принцип работы мембранного осмометра. Вода (внизу) связана с измеряемым раствором (вверху) через мембрану, пропускающую воду.

Мембрана осмометр представляет собой устройство , используемое для косвенного измерения средней молекулярной массы (${\ displaystyle M_ {n}}$) образца полимера. Одна камера содержит чистый растворитель, а другая камера содержит раствор, в котором растворенное вещество представляет собой полимер с неизвестным${\ displaystyle M_ {n}}$. Осмотическое давление растворителя через полупроницаемую мембрану измеряют с помощью мембранного осмометре. ^[1] Это измерение осмотического давления используется для расчета${\ displaystyle M_ {n}}$ за образец.

Основная операция

Раствор с низкой концентрацией создается путем добавления небольшого количества полимера к растворителю. Этот раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой мембраной. Растворенное вещество не может проникать через полупроницаемую мембрану, но растворитель может проникать через мембрану. Растворитель течет через мембрану, разбавляя раствор. Давление, необходимое для остановки потока через мембрану, называется осмотическим давлением. ^[1] Осмотическое давление измеряется и используется для расчета${\ displaystyle M_ {n}}$.

В идеально разбавленном растворе закон осмотического давления Ван 'Гоффа может использоваться для расчета${\ displaystyle M_ {n}}$от осмотического давления. ^[1]

${\ displaystyle \ lim _ {c \ to 0} {\ Big (} {\ Pi \ over c} {\ Big)} = {{RT} \ over M_ {n}}}$

${\ displaystyle M_ {n}}$, среднечисловая молекулярная масса, масса / моль

${\ displaystyle R}$, газовая постоянная

${\ displaystyle T}$, абсолютная температура , обычно по Кельвину

${\ displaystyle c}$, концентрация полимера, масса / объем

${\ displaystyle \ Pi}$, осмотическое давление

Вириальные уравнения

На практике осмотическое давление, создаваемое идеально разбавленным раствором, было бы слишком мало для точного измерения. Для точного${\ displaystyle M_ {n}}$измерений, решения не идеально разбавлены, и вириальное уравнение используется для учета отклонений от идеального поведения и позволяет вычислить${\ displaystyle M_ {n}}$. Вириальное уравнение принимает форму, аналогичную закону осмотического давления Ван'т-Гоффа, но содержит дополнительные константы для учета неидеального поведения:

${\ displaystyle {\ Pi \ over c} = RT ({1 \ over M_ {n}} + A_ {1} c + A_ {2} c ^ {2} + A_ {3} c ^ {3} + \ точки)}$

куда ${\ displaystyle A_ {n}}$ константы и ${\ displaystyle c}$ - по-прежнему концентрация полимера 1. Это вириальное уравнение может быть представлено в различных дополнительных формах:

${\ displaystyle {\ Pi \ over c} = {A \ over M_ {n}} + Bc + Cc ^ {2} + Dc ^ {3} + \ dots}$

${\ displaystyle {\ Pi \ over c} = M_ {n} (\ Gamma _ {1} + \ Gamma _ {2} c + \ Gamma _ {3} c ^ {2} + \ Gamma _ {4} c ^ {3} + \ точки)}$

куда ${\ displaystyle B}$ и ${\ displaystyle \ Gamma}$ константы и ${\ displaystyle RTA_ {2} = B = {RT \ over M_ {n}} \ Gamma _ {2}}$.

Различные устройства мембранного осмометрии

Осмометрия статической мембраны

Капиллярные трубки прикреплены как к отсекам для растворителя, так и к отсекам для раствора. В этом случае осмотическое давление обеспечивается дополнительным давлением жидкости в отсеке для раствора. Разница в высоте жидкости в капиллярной трубке отделения для раствора по сравнению с высотой жидкости в капиллярной трубке отделения для растворителя измеряется, как только раствор достигает равновесия, для расчета осмотического давления. ^[1]

${\ displaystyle \ Pi = \ Delta H \ rho g}$

${\ displaystyle \ Pi}$, осмотическое давление

${\ displaystyle \ Delta H}$, изменение высоты

${\ displaystyle \ rho}$, плотность

${\ displaystyle g}$, ускорение силы тяжести

Главный недостаток статической осмометрии - долгое время, необходимое для достижения равновесия. Часто для достижения равновесия статическим осмометром требуется 3 или более часов после добавления растворенного вещества. ^[2]

Осмометрия динамической мембраны

В динамическом осмометре измеряется поток растворителя, и создается противодействующее давление, чтобы остановить поток. Скорость потока растворителя измеряется движением пузырька воздуха в капиллярной трубке растворителя. ^[2] Давление в отсеке для растворителя напрямую изменяется путем подъема или опускания резервуара с растворителем, соединенного с отсеком для растворителя. ^[2] Разница давлений между двумя отсеками и есть осмотическое давление. Это можно рассчитать путем измерения изменения высоты или непосредственно с помощью гибкой диафрагмы. ^[2] Поскольку давление изменяется напрямую, точное измерение осмотического давления может быть достигнуто за 10–30 минут. ^[2]

Ограничения мембранной осмометрии

Измерения мембранной осмометрии лучше всего использовать для 30 000 человек. ${\ displaystyle <M_ {n} <}$1000000 грамм / моль. Для${\ displaystyle M_ {n}}$выше 1 000 000 г / моль растворенное вещество слишком разбавлено для создания измеримого осмотического давления. ^[1] Для${\ displaystyle M_ {n}}$ниже 30 000 грамм на моль растворенное вещество проникает через мембрану, и измерения неточны. ^[2]

Еще одна проблема для мембранного осмометра - это ограниченное количество типов мембран. Наиболее часто используемая мембрана - это ацетат целлюлозы ; однако ацетат целлюлозы можно использовать только с толуолом и водой. ^[3] Хотя толуол и вода являются подходящими растворителями для многих соединений, не все полимеры смешиваются с толуолом или водой. Мембраны из регенерированной целлюлозы можно использовать для многих других растворителей, но их трудно получить. ^[3]

Ссылки