61.07 Колоїдна хімія

ВПЛИВ рН НА СТУПІНЬ НАБУХАННЯ ЖЕЛАТИНИ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ІЗОЕЛЕКТРИЧНОЇ ТОЧКИ МЕТОДОМ НАБУХАННЯ

Мета роботи – визначення впливу рН середовища на швидкість і граничний ступінь набухання желатини, встановлення ізоелектричної точки желатину.

Завдання на виконання роботи

Встановити залежність швидкості, ступеня та граничного набухання ВМС від рН середовища і визначити ізоелектричну точку желатину. Для цього потрібно:

1.Приготувати розчини із заданим значенням рН.

2.Визначити прирощення маси високополімеру за певний відрізок часу.

3.Розрахувати ступінь набухання.

4.Побудувати графічну залежність ступеня набухання від часу і розрахувати швидкість набухання.

5.Побудувати графічну залежність ступеня набухання від швидкості і знайти граничний ступінь набухання.

6.Побудувати графічну залежність граничного ступеня набухання від рН розчину і визначити ізоелектричну точку желатину.

Прилади, лабораторний посуд та реактиви

Торсійні терези, технічні терези, бюкси, секундомір, фільтрувальний папір, желатин, розчини соляної кислоти різної нормальності (рН), буферні суміші.

Порядок виконання роботи

Варіант 1

1.Близькі за розмірами і масою платівки желатину, заздалегідь відмиті від домішок і низькомолекулярних фракцій, зважують на торсійних терезах і записують їх початкову масу m0.

2.Кожну зважену платівку желатину опускають в бюкс, який на 2/3 заповнений розчином з певним значенням рН. Включають секундомір і через кожні 0,5 – 2 хв. його зупиняють, виймають платівку желатину і швидко висушують її між аркушами фільтрувального паперу.

3.Зважують платівки на торсійних терезах. Масу платівок за відповідний

проміжок часу позначають m .

4. Знову занурюють платівки желатину в розчин на певний проміжок часу. Дослід продовжують, доки збільшення маси стане незначним або маса набуде сталого значення.

Опрацювання результатів

31

1. Експериментальні дані заносять до табл. 5.3.

Таблиця 5.3

Результати дослідження кінетики набухання желатину в розчинах з різним значенням рН ваговим методом

Загальний час від		Маса платівки до		Ступінь набухання
початку набухання		часу ,			mτ m0
	, хв.	m , мг			m0
2.	За даними табл.	5.3 будують криві	кінетики набухання желатину

f ( ) в розчинах з різними значеннями рН.

3.На криволійній частині кривої вибирають кілька точок, проводять дотичні та обчислюють швидкості набухання U для відповідних значень ступеня

	набухання як тангенси кутів нахилу дотичних : tg	d	U (рис. 5.1, а).
		dτ

4. Граничний ступінь набухання визначають при нульовій швидкості набухання. Будують графік в координатах ступінь набухання – швидкість набухання –U (див. рис. 5.1, б). Відрізок, відокремлений прямою на осі ординат, відповідає значенню граничного ступеня набухання (рівноважній кількості увібраної рідини) . Під час побудови графіків осі ординат мають однаковий масштаб.

5.Отримані дані щодо залежності граничного ступеня набухання від рН розчину узагальнюють в таблиці 5.4.

6.За експериментальними даними будують криву залежності граничного ступеня набухання від рН. Ізотерма набухання в ізоелектричній точці проходить через мінімум. Проводять дотичні до початкової та кінцевої ділянок графіка. Перпендикуляр, опущений на вісь абсцис з точки перетину двох

дотичних кривої набухання, вказує ізоелектричну точку рН желатину (рНіт) (рис. 5.2).

Таблиця 5.4

Залежність граничного набухання желатину від рН розчину

			Концентрація соляної				Буферні
№	Дані			кислоти			суміші
			(нормальність)
		10-1	10-2	10-3	10-4	10-5
1	рН розчину	1	2	3	4	5	6,8 9,18

2Граничний ступінь набухання

32

Рис. 5.2. Визначення ізоелектричної точки желатину

Варіант 2

Порядок виконання роботи

1.Шість близьких за масою платівок желатину зважують на торсійних терезах і записують їх початкову масу m0.

2.Кожну зважену платівку желатину опускають в бюкс, заповнений на 2/3 розчином з певним значенням рН. Платівку залишають для подальшого набухання на 40 хвилин.

3.Після набухання платівки виймають, висушують між листами фільтрувального паперу і знову зважують. Записують масу платівки желатину після набухання m.

		Опрацювання результатів
1.	Експериментальні дані заносять в таблицю 5.5.
									Таблиця 5.5
Залежність граничного ступеня набухання желатину від рН розчину
				Концентрація соляної				Буферні суміші
№	Дані				кислоти
				(нормальність)
		10-1		10-2	10-3	10-4	10-5
1	рН розчину	1		2	3	4	5	6,8	9,18
2	Маса платівок до
	набухання, m0, мг

3Маса платівок після набухання, m, мг

4Граничний ступінь

набухання,

m m

m0 0

33

2. Будують криву залежності граничного ступеня набухання від рН. Ізотерма набухання в ізоелектричній точці проходить через мінімум. Проводять дотичні до початкової та кінцевої ділянок графіка. Перпендикуляр, опущений на вісь абсцис з точки перетину двох дотичних кривої набухання, вказує ізоелектричну точку рН желатину (рНіт) (рис. 5.2).

Питання для самоперевірки

1.Дайте визначення високомолекулярних речовин. Природні та синтетичні ВМС, приклади.

2.Які особливості будови молекул ВМС?

3.Які властивості розчинів ВМС притаманні істинним, а які колоїдним розчинам? Які специфічні властивості розчинів ВМС?

4.Що таке набухання? Обмежене та необмежене набухання, приклади.

5.Що називається ступенем набухання? Як його можна розрахувати?

6.Охарактеризуйте чотири стадії набухання.

7.Наведіть рівняння, що описує швидкість набухання. Охарактеризуйте графічний метод знаходження граничного ступеня набухання та константи швидкості набухання.

8.Що таке граничний ступінь набухання? Як його можна визначити?

9.Ваговий метод визначення ступеня набухання.

10.Як розраховують швидкість набухання?

11.Які чинники впливають на набухання ВМС?

12.Охарактеризувати вплив на набухання ВМС природи полімера та розчинника, в‟язкості розчинника, молекулярної маси ВМС.

13.Як впливає температура на швидкість та ступінь набухання?

14.Як впливає рН середовища на набухання ВМС?

15.Що таке ізоелектричний стан білка? Як визначити ізоелектричну точку желатину за ступенем набухання?

16.Що називається висолюванням? Його вплив на набухання ВМС.

17.Охарактеризувати вплив додавання спирту в розчин на ступінь набухання желатину.

Лабораторна робота № 6

ВИЗНАЧЕНЯ ЗВ`ЯЗАНОЇ ВОДИ ІНДИКАТОРНИМ РЕФРАКТОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ

Мета роботи – ознайомлення з методикою визначення кількості води, що зв`язується гідрофільними ВМС.

Теоретичні відомості

Зв`язаною вважається вода, розташована на межі поділу фаз і приєднана до макромолекул ВМС за механізмом водневого зв‟язку. Гідрофільними

34

називають ВМС, що утворюють водневий зв`язок з водою. З усіх видів міжмолекулярної взаємодії Н-зв`язок є найміцнішим і його енергія досягає 20– 30 кДж/моль води. Тому властивості води, зв`язаної ВМС, відрізняються від властивостей вільної води.

Властивості ВМС значною мірою залежать від вмісту зв‟язаної та вільної води, тобто від наявних форм зв‟язку води з полімерами. Вода має різні види зв‟язку із високомолекулярними речовинами: від самого міцного, обумовленого молекулярними силами, до чисто механічного утримання вологи на поверхні дисперсних частинок.

Зв‟язана вода має наступні відмінні властивості. Вона замерзає при більш низьких температурах, які можуть досягати –15 –20 0С. Густина і в‟язкість зв‟язаної води більші, ніж у вільної води, а діелектрична проникність – менша. Зв‟язана вода не може бути розчинником для інших речовин.

Особливою властивістю зв‟язаної води є її дуже слабка рухливість, що обумовлює здатність набухлих білкових драглів зберігати форму.

Кількість зв‟язаної води визначається гідрофільністю ВМС. Гідрофільність – це кількість зв‟язаної води, що припадає на 100 г

абсолютно сухої речовини ВМС.

Чим вища спорідненість макромолекули ВМС до води, тим вища їх гідрофільність і тим більше зв‟язаної води містить ВМС. Так, в желатині кількість зв‟язаної води у два рази вище маси сухої речовини, а в агар-агарі – в чотири рази.

Методи визначення кількості зв`язаної води базуються на використанні її властивостей. Зв`язану воду визначають за теплотою змочування ВМС, за густиною зв`язаної води, за діелектричною проникністю, за зниженням температури замерзання, за властивістю зв‟язаної води не бути розчинником для інших речовин.

Найбільш розповсюдженим методом визначення зв‟язаної води є індикаторно-рефрактометричний. Суть цього методу полягає в тому, що вода, зв`язана гідрофільними ВМС, не є розчинником для інших речовин. Якщо в розчин сахарози концентрацією С0 внести наважку сухого крохмалю, концентрація розчину підвищиться до концентрації Ср внаслідок вибіркової адсорбції крохмалю до води. Отже, розчин сахарози показує (індукує) на цю вибірковість. Речовину – ”індикатор” підбирають таким чином, щоб вона слабко взаємодіяла з ВМС.

Початкову і рівноважну концентрації розчину “індикатора” цукру визначають рефрактометром.

Якщо в наважці повітряно-сухого крохмалю m з вологістю А % міститься

	вода в кількості	A m	, г, то у разі занурення наважки у розчин сахарози
		100

відбувається додаткове зволоження крохмалю. Маса води, що її вбирає наважка

крохмалю з розчину індикатора, становить B CP C0 , г, де В – маса розчину

CP

сахарози, доданої до наважки крохмалю. Загальна кількість води х, зв`язаної наважкою крохмалю, становить:

35

	x	A m	B	Cp	C0	.	(6.1)
		100		Cp

Мірою гідрофільності називають кількість зв‟язаної води, що припадає на одиницю маси абсолютно сухої речовини. Якщо маса сухої речовини у грамах n, то у взятій наважці:

	n m	A m	,	(6.2)
		100

тоді гідрофільність W, виражена у відсотках до наважки сухої речовини,

	W	x	100%.	(6.3)
		n

Завдання на виконання роботи

1.Приготувати розчин сахарози концентрацією, вказаною викладачем і уточнити її на рефрактометрі.

2.Виміряти концентрацію розчину сахарози після його контакту з крохмалем.

3.Розрахувати гідрофільність крохмалю.

Прилади, лабораторний посуд та реактиви

Рефрактометр, технічні терези, бюкс з кришкою, хімічна склянка з паличкою, відстійник, крохмаль, сахароза.

Порядок виконання роботи

1.Розчин сахарози масою 20 г заданої концентрації готують у хімічній склянці, користуючись технічними терезами.

2.Концентрацію приготовленого розчину уточнюють за рефрактометром і позначають як С0.

3.Для приготування наважки крохмалю зважують порожній бюкс з паличкою і кришкою, потім насипають у нього 3 – 4г крохмалю і знову зважують бюкс.

4.При перемішуванні в бюкс з крохмалем вливають 5 – 8 мл розчину сахарози. Бюкс зважують і ставлять у відстійник.

5.Після освітлення верхньої частини суспензії відбирають піпеткою кілька краплин розчину для рефрактометричного визначення рівноважної концентрації Ср.

Опрацювання результатів

1.Загальну кількість води, зв`язану крохмалем, визначають за формулою (6.1).

2.Гідрофільність крохмалю визначають за формулою (6.3).

3.Порівнюють одержану величину гідрофільності з довідниковою.

36

Оцінка похибки вимірювань

Загальна похибка визначення гідрофільності складатиметься з похибок: вимірювання концентрації розчину цукрози рефрактометром

0,2 % 2 = 0,4 %;

вагових вимірів технічними терезами

0,1 % 5 = 0,5 %.

Отже, загальну похибку проведення експерименту можна прийняти такою, що дорівнює ~1 %.

Питання для самоперевірки

1.Що називається зв‟язаною водою?

2.Що таке водневий зв`язок?

3.Яка природа гідрофільності ВМС (природних і синтетичних)?

4.Охарактеризуйте властивості зв`язаної води.

5.Які види зв‟язку води вам відомі?

6.Які Ви знаєте методи визначення зв`язаної води?

7.Що таке гідрофільність? Як її можна розрахувати?

8.Як розрахувати кількість води, зв‟язаної наважкою крохмалю?

9.Як підбирається речовина-індикатор в індикаторнорефрактометричному методі визначенням зв‟язаної води?

37

Лабораторна робота № 7

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ КЛЕЙСТЕРИЗАЦІЇ КРОХМАЛЮ ВІСКОЗИМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ

Мета роботи – використання методу віскозиметрії для визначення в‟язкості та температури клейстеризації різних видів крохмалю.

Завдання для виконання роботи:

1.Визначити час витікання ( ) суспензії крохмалю з масовою часткою сухих речовин 1% при різній температурі за допомогою капілярного віскозиметра Оствальда.

2.Побудувати графік f (t) і за точкою мінімуму визначити

температуру клейстеризації крохмалю.

3. Розрахувати в‟язкість суспензії крохмалю при кімнатній температурі.

Прилади, лабораторний посуд та реактиви

Капілярний віскозиметр Оствальда, термометр, водяна баня, технічні терези, склянка, піпетка, скляна паличка, секундомір, крохмаль (картопляний, пшеничний, кукурудзяний, рисовий), вода.

Порядок виконання роботи

1.Готують 20 см3 суспензії крохмалю з масовою часткою сухих речовин 1 % (рівноважна вологість різних видів крохмалю різна).

2.Збирають експериментальну установку (рис. 7.1).

3.У широке коліно віскозиметра Оствальда (1) наливають 10 см3 дистильованої води. Грушею через гумову трубку (3) затягують повітря так, щоб рідина піднялася вище верхньої мітки віскозиметра (а-а). Після цього дають рідині вільно витікати з капіляру віскозиметра (2) під дією власної ваги.

Вмомент, коли меніск води перетинає верхню мітку віскозиметра (а-а), вмикають секундомір і вимикають його, коли меніск збігається з нижньою міткою віскозиметра (в-в). Дослід повторюють тричі і визначають середнє

значення часу витікання води ( 0) при кімнатній температурі. Контролюють температуру за допомогою термометра (4) (рис. 7.1).

4. Віскозиметр закріплюють у штативі і занурюють у водяний термостат (5), який розташовується на електричній плитці. Термометр прилаштовують поряд з віскозиметром у термостаті та вмикають плитку. Визначають час витікання води ( 0) при підвищенні температури до 80 С через кожні 5-10 С.

38

5. Виливають дистильовану воду з віскозиметра і заливають у нього 20 см3 суспензії крохмалю заданої концентрації. Визначають час витікання суспензії ( s) спочатку при кімнатній температурі, а потім при її підвищенні до 50 С через кожні 10 С, а далі до температури 80 С через кожні 5 С. Дані вимірювань заносять в робочу таблицю.

Рис. 7.1. Установка для вимірювання в‟язкості

Опрацювання результатів

1. За експериментальними даними будують графічну залежність часу витікання води і суспензії крохмалю від температури. Водна суспензія крохмалю при нагріванні до температури клейстеризації тече як нормальна ньютонівська рідина (рис. 7.2, крива 2а). Її в‟язкість з підвищенням температури зменшується, як і в‟язкість води (рис. 7.2, крива 1). Ця закономірність порушується при температурі, близькій до температури клейстеризації крохмалю, вище якої плинність системи зменшується, утворюється клейстер структурована система, в‟язкість якої зростає з підвищенням температури.

2. Проводять дотичні до спадаючої та зростаючої частин кривої 2 (рис. 7.2). З точки перетину дотичних опускають перпендикуляр на вісь температур. Одержане значення температури відповідає температурі клейстеризації даного крохмалю tк (рис.7.2).

39

Рис. 7.2. Залежність часу витікання води (1) та суспензії крохмалю (2) від температури

3. В‟язкість суспензії крохмалю при кімнатній температурі визначають за рівнянням Оствальда:

s	0	s		s		,	(7.1)
			0		0

де 0 і s – час витікання відповідно води і суспензії; с; 0 і s – густина відповідно води і суспензії, кг/м3; 0 – в‟язкість води за даної температури, мПа с. Густину та в‟язкість води за даної температури визначаємо за табл. 1, 2 (див. у додатку).

4. Густину суспензії s визначають експериментально пікнометричним методом, або розраховують за рівнянням Холодного:

	s	0		C		0	C	,	(7.2)
			100			k 100

де к – густина крохмалю (1,47 103 кг/м3); С – концентрація суспензії, %. 5. Отримане значення температури клейстеризації певного виду

крохмалю порівнюють з довідниковими даними.

Аналіз результатів

1. При підвищенні температури водних крохмальних суспензій понад 30С відбувається часткове руйнування водневих зв‟язків між молекулами в зерні крохмалю, зростає гідратація полісахаридів крохмалю амілози та амілопектину, що веде до зміни мікроструктури зерна. При подальшому підвищенні температури амілоза частково дифундує у розчин, а амілопектин залишається в нерозчинному вигляді. Проте з підвищенням температури зерна крохмалю руйнуються, полісахариди кристалічної частини зерна переходять у розчин і починається клейстеризація. Точка екстремуму (мінімуму) на кривій

s f (t)	відповідає температурі клейстеризації крохмалю. За цієї
температури	утворюється в‟язкий розчин високомолекулярних сполук,
	40