Мембранный осмометр - Membrane osmometer

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

А мембранный осмометр это устройство, используемое для косвенного измерения среднечисловая молекулярная масса (${ displaystyle M_ {n}}$) образца полимера. Одна камера содержит чистый растворитель, а другая камера содержит раствор, в котором растворенное вещество представляет собой полимер с неизвестным ${ displaystyle M_ {n}}$. В осмотическое давление растворителя через полупроницаемая мембрана измеряется мембранным осмометром.^[1] Это измерение осмотического давления используется для расчета ${ displaystyle M_ {n}}$ за образец.

Основная операция

Низкий концентрация раствор создается путем добавления небольшого количества полимера в растворитель. Этот раствор отделяется от чистого растворителя полупроницаемой мембраной. Растворенное вещество не может проходить через полупроницаемую мембрану, но растворитель может проходить 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 можно использовать 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 Кельвин

${ displaystyle c}$, 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 ${ displaystyle M_ {n}}$ измерения, растворы не идеально разбавлены и вириальное уравнение используется для учета отклонений от идеального поведения и позволяет рассчитывать ${ displaystyle M_ {n}}$. Вириальное уравнение принимает форму, аналогичную закону осмотического давления Ван 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

Статическая мембранная осмометрия

Капиллярные трубки прикреплены как к отсекам растворителя, так и к отсекам 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, когда 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 требуется 3 или более часов после добавления растворенного вещества, чтобы статический осмометр достиг равновесия.^[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 вычислить, измерив изменение 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 ${ displaystyle$ 1000000 грамм / моль. За ${ displaystyle M_ {n}}$ выше 1 000 000 г / моль растворенное вещество слишком разбавлено для создания измеримого осмотического давления.^[1] За ${ displaystyle M_ {n}}$ ниже 30 000 грамм на моль растворенное вещество проникает через мембрану, и измерения неточны.^[2]

Другой проблемой для мембранного осмометра является ограниченное количество типов мембран. Чаще всего используется мембрана ацетат целлюлозы; однако ацетат целлюлозы можно использовать только с толуолом и водой.^[3] Хотя толуол и вода являются подходящим растворителем 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]

Рекомендации