在化學研究中分子量的測定是一種重要的手段。特別是在高聚物研究中,由于高聚物的性能與分子量大小有密切的聯(lián)系,因此分子量的測定就更有特殊重要的意義。
由于不同物質(zhì)的分子量數(shù)值差別很大,因此對處于不同分子量范圍的物質(zhì),采用的測定方法也不相同。當物質(zhì)的分子量在500以下可采用冰點降低法,分子量在500至1000之間可采用蒸氣壓滲透法,分子量在10000以上可采用膜滲透法。這些方法都是依據(jù)稀溶液的特性,測定時應(yīng)配成稀溶液,以獲得準確的分析結(jié)果。
冰點就是液態(tài)水的蒸氣壓與固態(tài)水,(即冰)蒸氣壓相等時的溫度,水的冰點為0℃。當水中溶解有溶質(zhì)時,就產(chǎn)生冰點下降的現(xiàn)象。如含有35%氯化鈉的海水,其冰點降至-1.9℃。溶液的冰點與純?nèi)軇┍c比較,其降低的程度取決于溶液的濃度,濃度愈大,冰點下降的愈多。通常冰點下降的程度與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比(如圖16-27所示),也可用下式表示:
△Tf=Kf·cm
cm=1000·W2/(M·W1)
M=Kf·1000W2/(△Tf·W1)
式中cm為溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度。Kf為溶劑的冰點(凝固點)下降常數(shù),單位是1000克溶劑中溶解1摩爾溶質(zhì)時凝固點下降的度數(shù)(℃/mol)。W1為溶劑重量(克)。W2為溶質(zhì)重量(克)。M為溶質(zhì)分子量。
幾種常用溶劑的凝固點下降常數(shù)如表16-5所示。
為了測定分子量,必須準確測定溶液冰點下降的數(shù)值。
表16-5 幾種常用溶劑的凝固點下降常數(shù)
溶劑 | 凝固點(℃) | 熔解熱(卡/克) | 密度(克/毫升,25℃) |
凝固點下降常數(shù)(Kf) 計算值 |
凝固點下降常數(shù)(Kf) 實測值 |
水 | 0 | 79.7 | 0.997 | 1.86 | 1.86 |
苯 | 5.5 | 30.1 | 0.874 | 5.12 | 5.12 |
對于液態(tài)水,可在逐步降溫的環(huán)境中,當無振動時,其可冷至冰點以下-5℃至-8℃而不結(jié)冰呈過冷狀態(tài),一旦有一秒鐘的振動,立即由過冷狀態(tài)析出很細的冰晶,很快到達一個平衡溫度,這就指明冰點的到達。對具有較大熔解熱的溶劑(如水、苯)提供一個理想的結(jié)冰穩(wěn)定狀態(tài),而對具有低熔解熱的溶劑,僅給出一個最高溫度。當測定含有溶質(zhì)的溶液冰點時,需配制較稀的溶液(通常為0.01~0.3質(zhì)量摩爾濃度),以保證降溫時呈過冷狀態(tài),其僅在振動下才迅速結(jié)冰。若降溫時即結(jié)冰,就不能準確測其冰點,此時應(yīng)改變?nèi)芤旱臐舛龋蛊浞仙鲜鲆螅▍⒖磮D16-28)。
現(xiàn)在廣泛使用的冰點儀不是測定冰點的絕對值,而是測量溶液與純?nèi)軇┍容^的冰點下降數(shù)值。通常降溫致冷采用帕爾帖(Peltier)半導體致冷組件(圖16-29)。冰點儀的結(jié)構(gòu)見示意圖16-30。
測定時先將純?nèi)軇ㄋ虮剑┲糜跍y量池中,開動致冷裝置使其過冷,再開動攪拌器,結(jié)冰,由記錄儀記錄零點位置。然后用已知分子量的純樣品(尿素或聯(lián)苯甲酰)配成不同質(zhì)量摩爾濃度,分別重復上述操作,由記錄儀指示刻度變化,測其冰點下降數(shù)值(△T),繪制校正曲線,如圖16-31所示。
然后準確稱取一定量被測樣品(毫克)溶于一定體積(如5毫升)溶劑(水或苯)中,搖勻后,放入測量池中,測其冰點下降數(shù)值(△T),按下式可計算出被測樣品的分子量。
M=W/(V·A)
式中 W——試樣重量(毫克);
V——溶解樣品的溶劑體積;
A——根據(jù)樣品測得的△T,由校正曲線上查出的質(zhì)量摩爾濃度的數(shù)值。