Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
Измерение вязкости
Для измерения вязкости было разработано много приборов. Ниже приведено описание тех из них, которые применяются для биополимеров. Вязкость варьирует в пределах 2% на 1°С при 20°С. Таким образом, необходим очень точный контроль температуры (±0,01°С), который осуществляется при помощи термо-статированной водяной бани.
Капиллярный вискозиметр Оствальда
Этот вискозиметр состоит из капиллярной трубки с радиусом г и длиной L, через которую проходит объем V (рис. 13-6). Прибор используют следующим образом. Раствор наливают в отверстие 1 до тех нор, пока уровень жидкости не достигнет отметки Р. Затем производят подсасывание через отверстие 2 до тех пор, пока уровень жидкости не поднимется выше отметки А. Тогда подсасывание прекращают, и жидкость опускается вниз вследствие разницы в высоте двух рукавов (т. е. гидростатического давления). Время t, которое требуется для того, чтобы мениск прошел между отметками А и Б, измеряют. В результате измене-
12 12 3
РИС. 13-6.
Капиллярные вискозиметры типа Оствальда (слева) и Уббелоде (справа). Описание деталей работы смотри в тексте.
В вискозиметре Уббелоде отметки Б и В состоят из двух черточек, причем верхняя предназначается для измерения отсчета времени движения мениска от А до Б, а нижняя—от Б до В, Такая двойная отметка позволяет остановить и снова пустить секундомер, Относительные величины градиентов сдвига обычно вычисляют из констант, приведенных в описаниях приборов.
ния относительной высоты жидкости скорость протекания не постоянна. Вязкость Tj и среднее значение G выражаются как
nhgorH п SV
11 = ——— и G =-------------, (о)
1 8 LV Зтг гЧ
где h — средняя высота жидкости, g — гравитационная константа и р — плотность. Точной оценки h, г и L можно избежать,
измеряя
= = (7)
По h Ро
Преимуществом прибора является его низкая стоимость, однако он обладает теми недостатками, что нельзя изменять градиент сдвига и растворы не должны содержать пыли, чтобы не забивались тонкие капилляры.
Капиллярный вискозиметр Уббелоде
Как указывалось ранее, для того чтобы измерить [ц] при G = 0, необходимо иметь возможность варьировать и концентрацию, и сдвиг. Вискозиметр Уббелоде сконструирован с учетом этого. Как показано на рис. 13-6, в вискозиметре имеется несколько шариков так, что при понижении давления в верхнем шарике средний градиент сдвига понижается. Прибор используют следующим образом. Жидкость наливают через отверстие 1 и заполняют сосуд X. Отверстие 3 при этом закрывают и производят подсасывание через отверстие 2 до тех пор, пока жидкость не установится над отметкой А. После этого открывают отверстие 3, а отверстие 2 закрывают, что приводит к освобождению сосуда Y. Открывают отверстие 2 и определяют время прохождения мениском отметки А, Б, В и Г. Это позволяет определить вязкость при трех различных значениях G. Для изменения концентрации раствор в сосуде X можно разбавить, потому что количество жидкости в этом сосуде не определяет объема жидкости, содержащегося между А и дном капилляра. Этот прибор очень легко ломается и забивается, но он может оказаться весьма полезным до тех пор, пока не требуется очень низких значений G*. Вискозиметр Уббелоде не находит больше широкого применения и заменен вискозиметром Зимма — Крозерса.
* Ограничение для G обусловлено тем, что G в первую очередь определяется длиной и диаметром капилляра. С увеличением диаметра скорость протекания возрастает до величины, которая окажется слишком большой для измерения, т. е. мениск будет двигаться слишком быстро. Для того чтобы это компенсировать, увеличивают длину капилляра. Для очень низких градиентов сдвига требуется невообразимо большая длина.
ось вращения
3
2
4
А
В
РИС. 13-7.
Вискозиметр Куэтта: внешний цилиндр обычно вращается, а внутренний
неподвижен.
А — вид сбоку; Б — вид сверху. 1 — вращающийся внешний цилиндр; 2 — внешний цилиндр (ротор); 3 — внутренний цилиндр; 4 — кольцевой зазор, содержащий образец.
Этот прибор предназначен для применения при относительно-низких градиентах сдвига и состоит из двух концентрических цилиндров, разделенных узким кольцом, промежуток между которыми заполняется образцом (рис. 13-7). Один цилиндр закреплен неподвижно, а другой — вращается. Такая ситуация эквивалентна двум параллельным пластинам, показанным на рис. 13-1,А. Зная угловую скорость и размеры цилиндра, можно следующим образом вычислить величины, входящие в уравнение (1). Скорость слоя жидкости, прилегающего к неподвижному цилиндру, примерно равна нулю; для вращающегося цилиндра — это скорость вращения. В промежуточных слоях скорости пропорциональны радиальному расстоянию от неподвижного цилиндра. Следовательно, градиент сдвига является постоянной величиной и составляет
