Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL
nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci
9. Návody na cvičení předmětu Fyzika polymerů V této kapitole je uveden přehled cvičení určených pro práci v laboratoři, se speciálním softwarem nebo s generátorem náhodných čísel realizovaným pomocí hodu kostkou. 9.1 Cvičení 1: Simulace náhodné, nevratné a neprotínající se procházky pomocí hodu kostkou Cvičení navazuje na kapitolu 1 ve skriptech Fyzika polymerů. Bude simulována náhodná, nevratná a neprotínající se procházka a procvičován odhad délky řetězce R . Náhodná procházka je model dráhy v mřížovém modelu, kterou urazí chodec z výchozího bodu tak, že při každém kroku volí mezi uzly s tím, že má povolen i návrat do míst, která již jednou navštívil. Nevratná procházka je model dráhy v mřížovém modelu, kdy není povolen okamžitý (bezprostřední) návrat do stejného uzlu. Neprotínající se procházka je model dráhy v mřížovém modelu, kdy není povoleno navštívit jakýkoliv uzel dvakrát v průběhu celé procházky.
Obr. 9.1.1: Trajektorie letu hmyzu pod lampou: Na snímku lze pozorovat trajektorie letu hmyzu, které jsou vykonány náhodnou procházkou. Cíl Seznámení studentů s pojmy týkajícími se vlastností izolovaných polymerních molekul a jejich osvojení praktickým procvičováním. Studenti se seznámí s pojmy mřížový model polymerů, náhodná, nevratná a neprotínající se procházka a Centrální limitní věta. Bude procvičována simulace vzniku řetězce za pomoci náhodné, nevratné a neprotínající se procházky hodem hrací kostkou. Dalším cílem cvičení je proniknutí do problematiky odhadu velikosti polymerních řetězců pomocí koncového vektoru
a gyračního poloměru RG.
Úkoly 1. Simulace náhodné, nevratné a neprotínající se procházky hodem kostky Každý hod kostkou simuluje jeden krok procházky. Kroky zakreslujte postupně do mřížového modelu na čtverečkovaný papír. U vzniklého
řetězce zvýrazněte počáteční a konečný krok procházky. Čísla na kostce uvádějí směr kroku procházky dle následující legendy: 1 4
2 3
Padne-li na kostce hodnota 5 nebo 6, dochází k novému hodu. Proveďte simulaci procházky s 30 kroky nejprve pro náhodnou procházku, poté pro procházku nevratnou a neprotínající se a porovnejte rozdíly v délce řetězce. Odhadněte r velikost koncového vektoru jednotlivých řetězců dle vzorce R 2 = Nb 2 , kde značí polymerační stupeň a
označuje koordinační číslo mříže. Předpokládejte b = 1.
2. Odhad velikosti koncového vektoru řetězce Polyvinylalkoholu Odhadněte velikost koncového vektoru R řetězce polyvinylalkoholu (PVA) pomocí modelu náhodné procházky. Délku kovalentní C-C vazby v řetězci, tj. délku vazebného vektoru, zjistěte z tabulek nebo vyhledáváním na internetu. Je střední délka koncového vektoru závislá na dimenzi prostoru, ve kterém se náhodná procházka koná? Návod: Pro PVA (Sloviol) má polymerační stupeň N hodnotu v rozmezí 1050-1150 a délka r vazebného vektoru jednoduché kovalentní vazby mezi uhlíky v řetězci je r = b = 1,45Ǻ. 3. Ověření platnosti Centrální limitní věty Centrální limitní věta je tvrzení, které říká, že rozdělení výběrového průměru se blíží k normálnímu rozdělení. Popisuje limity pravděpodobností odchylek náhodných veličin od jejich střední hodnoty. Centrální limitní věta tedy říká, ať je rozdělení centrálního souboru jakékoliv, rozdělení střední hodnoty výběrového souboru bude vždy normální, jestliže se bude jednat o dostatečně velký výběrový soubor.
Obr. 9.1.2: Graf závislosti pravděpodobnosti P (R, N ) na R pro jednorozměrnou náhodnou procházku. Tři křivky jsou vyneseny pro b = 1 , σ = 1 a různé počty kroků N.
Pomocí hodu kostkou realizujte třicetkrát jednorozměrnou náhodnou procházku o deseti krocích na jednorozměrné mříži o velikosti mřížové konstanty b = 1 . Sudá čísla generovaná hodem kostkou považujte za krok vpravo a lichá interpretujte jako krok vlevo. Do grafu r vyneste závislost četnosti procházek na hodnotě koncového vektoru R . Rozlišujte přitom kladné i záporné hodnoty koncových vektorů. Vytvořený graf porovnejte s teoretickou 1 x 2 předpovědí uvedenou ve vztahu (1.6b), tj. P1 ( X , N ) = exp − . 2 Nσ 2 2πN Protokol z 1. cvičení 1. Objasněte pojmy: mřížové modely polymerů, mřížová konstanta, náhodná procházka, nevratná procházka, neprotínající se procházka, koncový vektor, gyrační poloměr, Centrální limitní věta, normální rozdělení, náhodná veličina, pravděpodobnost. 2. Uveďte alespoň tři příklady, kde je možné se v přírodě setkat s náhodnou procházkou. 3. Vypracujte zprávu ze cvičení, uveďte získané výpočty a výsledky úloh. 9.2 Cvičení 2: Simulace náhodné, nevratné a neprotínající se procházky pomocí simulačního programu Cvičení navazuje na kapitolu 1 ve skriptech Fyzika polymerů. Studenti se seznámí s programem umožňujícím simulace náhodných procházek. Ve všech programech je použito stejné rozhraní pro ovládání i zobrazování informací a vizualizaci. V okně, které se zobrazí při spuštění každého programu, si uživatel nastaví požadovaný počet kroků procházky, a pokud je to vzhledem k typu programu možné a vhodné, počet opakování těchto procházek. V programech je také omezen minimální i maximální možný počet kroků procházek. Při nastavení hodnoty, ležící mimo tento interval je nastavena nejbližší možná limitní hodnota. Po následném spuštění vizualizace se provede požadovaný počet procházek s uživatelem zadanými parametry. A následně podle struktury a typu programu se provedou a vykreslí, případně vypíší, potřebné údaje. Po skončení běhu programu je možné z programového menu znovu nastavit parametry vizualizace a simulaci opět spustit. Rychlost simulace je možné regulovat pomocí směrových tlačítek klávesnice, kde šipka nahoru simulaci zrychluje a naopak šipka dolu simulaci zpomaluje.
Obr. 9.2.1: Výstup programu simulujícího náhodnou procházku s počtem opakování 10 a počtem kroků 50.
Cíl Seznámení studentů se simulačním programem umožňujícím jednoduchým způsobem simulaci náhodných, nevratných a neprotínajících se procházek po zadání vstupních parametrů uživatelem do průvodního okna. Úkoly 1. Stanovte střední velikost koncového vektoru náhodné, nevratné a neprotínající se procházky pro polymerní řetězce o různých délkách a porovnejte jednotlivé střední velikosti koncového vektoru pro následující hodnoty: • Počet kroků procházky = 10, počet opakování = 5 • Počet kroků procházky = 30, počet opakování = 10 Porovnejte jednotlivé simulace v závislosti na střední velikosti koncového vektoru, na prostorovém uspořádání a na počtu segmentů protínajících se v jednom uzlu mříže. 2. V simulačním programu „Náhodná procházka na dvourozměrné mříži se zobrazením statistické funkce“ vyhodnoťte jednotlivé získané výstupy pro následující soubory hodnot: • Počet kroků procházky = 50, počet opakování = 10 • Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 10 • Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 30 Získané výstupy pro jednotlivé procházky porovnejte a okomentujte. 3. V simulačním programu „Nevratná procházka na dvourozměrné mříži se zobrazením statistické funkce“ vyhodnoťte jednotlivé získané výstupy pro následující soubory hodnot: • Počet kroků procházky = 50, počet opakování = 10 • Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 10 • Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 30 Získané výstupy pro jednotlivé procházky porovnejte a okomentujte. Porovnejte získané výsledky s výsledky z předchozího úkolu. 4. V simulačním programu „Vztah gyračního poloměru a koncového vektoru“ zjistěte jaký je vztah mezi gyračním poloměrem a koncovým vektorem ideálního řětezce pro následující hodnoty: • Počet kroků procházky = 5, počet opakování = 10 • Počet kroků procházky = 10, počet opakování = 10 • Počet kroků procházky = 10, počet opakování = 20 5. V simulačním programu „Korelace vazebných vektorů nevratné procházky“ proveďte simulace pro následující hodnoty: • Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 10 • Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 30 Získané grafy mezi sebou porovnejte a okomentujte. 6. V simulačním programu „Pravděpodobnost realizace neprotínající se procházky“ porovnejte pravděpodobnosti získaných neprotínajících se procházek pro hodnoty: • Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 10
• •
Počet kroků procházky = 100, počet opakování = 30 Počet kroků procházky = 200, počet opakování = 10
Protokol z 2. cvičení: 1. Objasněte pojmy: polymerační stupeň, vazebný vektor, poziční vektor, elementární objem, Gaussův řetězec, efektivní délka vazby. 2. Uveďte vztah mezi gyračním poloměrem a koncovým vektorem. 3. Zpracujte výsledky získané simulačními programy v rámci 2. Cvičení. 4. Porovnejte jednotlivé střední velikosti koncového vektoru náhodné procházky pro polymerní řetězce o různých délkách. Uveďte a okomentujte získané grafy. Porovnání proveďte také pro nevratnou a neprotínající se procházku. 9.3 Cvičení 3: Seznámení s historií polymerů Cvičení navazuje na úvodní kapitolu ve skriptech Fyzika polymerů. Ačkoliv je vznik a rozvoj polymerních materiálů spojován s druhou polovinou 20. století, prvotní polymery byly pravděpodobně používány již dávno před naším letopočtem. Byly objeveny polymerní materiály, jejichž stáří je odhadováno přibližně na 40.000 let př. n. l. Roku 1496 byl do Evropy přivezen kaučuk, jehož vulkanizace sírou je datována do roku 1844. Přibližně o 20 let později Alexander Parkes připravil první syntetický plast parkesin. Převrat ve vývoji polymerních materiálů učinil Hermann Staudinger se svojí myšlenkou polymerních řetězců na počátku 20. stol, což mělo za následek významný rozvoj všech důležitých polymerních materiálů. Cíl: Seznámení studentů s historií polymerních materiálů, s vývojem polymerů a s významnými představiteli. Úkoly: Připravte si krátkou prezentaci (délka max.5min) na jedno z následujících témat: • • • • • • • • • •
Polymery – úvod do polymerních materiálů Historie polymerů – prvotní polymery, kaučuky Tepelné chování polymerů Alexander Parkes Hermann Staudinger Walace H. Carothers Paul J. Flory Otto Wichterle Ludwig Boltzmann Pierre-Gilles de Gennes
Protokol z 3. cvičení 1. Uveďte reakce, které mají za následek vznik polymerů, a stručně popište jejich průběh. Napište ke každé reakci alespoň dva polymery, které danou reakcí vznikají. 2. Popište tepelné chování polymerů, uveďte a objasněte stěžejní teploty. 3. Do kterého roku je datován termín „polymer“ a kdo jej navrhl? 4. Který významný chemik navrhl teorii polymerních řetězců?
5. Jaký polymer se skrývá pod názvem „Nylon“ a která společnost jej uvedla na trh? Uveďte také rok. 6. Jaký významný objev učinil Otto Wichterle a do kterého roku je objev datován?¨ 9.4 Cvičení 4. Modelování v programu ChemSketch Cvičení navazuje na 1. Kapitolu skript Fyzika polymerů. Studenti budou seznámeni s programem ChemSketch. Jedná se o speciální software zabývající se vizualizací molekul a polymerních řetězců. Program umožňuje jednoduchým způsobem kreslit strukturní vzorce molekul, následně je schopen provést jejich trojrozměrnou optimalizaci a také vizualizaci v doprovodném modulu 3D Viewer. Cíl Seznámení studentů s prostředím programu ChemSketch a s jeho uživatelským ovládáním. Vytváření jednoduchých molekul nízkomolekulárních látek i složitějších polymerních řetězců vybraných syntetických a přírodních polymerů, budou vzájemně porovnávány uvedené polymery. Zjišťování délek jednotlivých vazeb, porovnávání délek vazeb v závislosti na použitých prvcích, ovlivňování velikosti polymerního řetězce složením polymeru.
Obr. 9.4.1: Vizualizovaný řetězec polyvinylalkoholu Úkoly 1. Nakreslete v programu ChemSketch molekulu vody, polyetylenu, polyvinylalkoholu a fruktózy. Jednotlivé strukturní vzorce optimalizujte a proveďte jejich vizualizaci v modulu 3D Viewer. Polyetylen:
Polyvinyl alkohol:
Fruktóza:
OH
CH2 CH2
CH n
CH2 n
2. V prostředí modulu 3D Viewer změřte délky vazeb mezi jednotlivými atomy a jejich svírající úhly.
Protokol ze 4. cvičení 1. Vysvětlete pojmy: nízkomolekulární látka, makromolekulární látka, polymerační stupeň, konfigurace x konformace (fyzikální x chemický přístup) 2. Objasněte pojem Lennard – Jonesovy potenciály. 3. Co jsou fraktály? Uveďte alespoň 3 příklady, kde je možné se s fraktály setkat. 4. Uveďte možné typy vazeb mezi atomy v molekule a jejich energetické hodnoty. 5. Nakreslete v programu ChemSketch molekulu vody, strukturní vzorec polyetylenu, polyvinylalkoholu a fruktózy. 6. Uveďte získané hodnoty délky vazeb mezi jednotlivými prvky v polymerních řetězcích a velikosti jimi svírajících úhlů.
9.5 Cvičení 5: Příprava polymerních roztoků Cvičení navazuje na kapitolu 1 a 2 ve skriptech Fyzika polymerů. Je zaměřeno na přípravu polymerních roztoků rozpouštěním polymeru v rozpouštědlech se zaměřením na různé typy polymerních materiálů s rozdílnou dobou rozpouštění. Rozpouštění polymerů bude srovnáváno s rozpouštěním jednoduchých cukrů, jakými je např. fruktóza nebo sacharóza. Cíl Cílem cvičení je pochopení problematiky rozpouštění polymerních materiálů s důrazem kladeným na volbu vhodného rozpouštědla. Budou připravovány roztoky různých koncentrací v závislosti na volbě rozpouštědel. Dále bude provedeno srovnání s rozpouštěním monomerů. Úkoly 1. Připravte následující roztoky dle uvedených receptů. Odvažte zvlášť polymer a zvlášť rozpouštědlo. • Roztok polyetylenoxidu (PEO), Mw = 8000, koncentrace 5hm%, množství 10g (2x) o 0,5 g PEO o 9,5 g destilované vody • PEO, Mw = 200 000, koncentrace 5hm%, množství 10g (2x) o 0,5 g PEO o 9,5 g destilované vody • PEO, Mw = 400 000, koncentrace 5hm%, množství 10g (2x) o 0,5 g PEO o 9,5 g destilované vody • PEO, Mw = 8000, koncentrace 15hm%, množství 10g (2x) o 1,5 g PEO o 8,5 g destilované vody • PEO, Mw = 200 000, koncentrace 15hm%, množství 10g (2x) o 1,5 g PEO o 8,5 g destilované vody • PEO, Mw = 400 000, koncentrace 15hm%, množství 10g (2x) o 1,5 g PEO o 8,5 g destilované vody • PEO, Mw = 8000, koncentrace 5hm%, množství 5g (1x) o 0,25 g PEO
• •
o 9,75 g chloroformu Roztok fruktózy o koncentraci 5hm%, množství 10g (2x) o 0,5 g fruktózy o 9,5 g destilované vody Roztok fruktózy o koncentraci 15hm%, množství 10g (2x) o 1,5 g fruktózy o 8,5 g destilované vody
2. Po odvážení všech materiálů smíchejte polymery s rozpouštědly a umístěte na magnetická míchadla. Polovinu připravovaných roztoků zahřívejte. Pozorujte proces rozpouštění polymerů v závislosti na čase a teplotě. Subjektivní metodou ohodnoťte jednotlivé použité materiály, porovnejte probíhající procesy, délku rozpouštění, vhodnost volby rozpouštědel. 3. Na podložní sklíčko umístěte kapku čirého polyvinylalkoholu a přidejte kapku polyvinylalkoholu obarveného červeným potravinářským barvivem. Spojte obě kapaliny pomocí jehly. Pozorujte mísení polymerů v časové závislosti. Protokol z 5. cvičení 1. Vysvětlete pojmy: polymerní roztok, polymerní tavenina, dobré rozpouštědlo, špatné rozpouštědlo, Globule, Gaussovo klubko, Θ – teplota, parametr rozpustnosti, ideální směs, kritická koncentrace 2. Uveďte a objasněte Boltzmannovu rovnici 3. Popište přípravu polymerních roztoků použitých na cvičení, vysvětlete princip křížového pravidla. 4. Okomentujte proces rozpouštění připravených materiálů, uveďte délku rozpouštění jednotlivých roztoků v závislosti na zvolených procesních parametrech. 5. Vyhodnoťte proces mísení čirého a obarveného polyvinylalkoholu v závislosti na čase.
9.6 Cvičení 6: Elektrostatické zvlákňování polymerních roztoků Elektrostatické zvlákňování je proces výroby nanovlákenných struktur z polymerního roztoku (příp. taveniny) za působení vysokého elektrického pole.
Obr. 9.6.1: Elektrostatické zvlákňování z kovového hrotu
Cíl Hlavním cílem cvičení je seznámení studentů s výrobou nanovláken pomocí metody elektrostatického zvlákňování. V rámci cvičení budou nastavovány procesní podmínky ovlivňující samotný proces elektrostatického zvlákňování i výslednou nanovlákennou strukturu. Úkoly 1. Zakreslete a popište schéma elektrostatického zvlákňování z kovového hrotu. 2. Umístěte polymerní roztok polyetylenoxidu o různých koncentracích a molekulových hmotnostech na zvlákňovací elektrodu a pozorujte průběh elektrostatického rozprašování/zvlákňování v závislosti na změnách procesních parametrů (vzdálenost elektrod, přiváděné napětí). Parametry uveďte do tabulky. Protokol z 6. cvičení 1. Vysvětlete pojmy: elektrostatické zvlákňování, elektrostatické rozprašování, nanovlákna 2. Uveďte hlavní procesní parametry elektrostatického zvlákňování včetně jednotek 3. Vypracujte stručnou zprávu o zvlákňovaných materiálech, okomentujte zvlákňovací proces při nastavení různých procesních podmínek. 4. Objasněte, proč u některých zvolených roztoků docházelo k elektrostatickému zvlákňování a u některých pouze k elektrostatickému rozprašování.
9.7 Cvičení 7: Brownův pohyb Cvičení navazuje na kapitolu č. 5 ve skriptech Fyzika polymerů. Brownův pohyb je nepřetržitý neuspořádaný pohyb mikroskopických částic nacházejících se v kapalném nebo plynném prostředí, viz (Obr. 9.7.1). Mikroskopický pohyb těchto částic je způsoben molekulami okolního prostředí, které do částic nepřetržitě narážejí. Intenzita pohybu částic závisí na jejich velikosti (menší částice mají za následek vyšší intenzitu) a také na teplotě, přičemž se vzrůstající teplotou dochází k intenzivnějšímu pohybu částic.
Obr. 9.7.1: Příklad trajektorie Brownova pohybu vykonaného částicí ve zředěném roztoku: Mikroskopická částice je znázorněna černou barvou, šedé body znázorňují molekuly okolního prostředí.
Cíl Seznámení studentů s pojmem Brownův pohyb, ověření Brownova pohybu částic ve velmi zředěném roztoku. Úkoly 1. Připravte si kádinku se studenou a kádinku s horkou vodou. Do kádinek kápněte červené potravinářské barvivo a pozorujte. Experimenty porovnejte a okomentujte. 2. Do zkumavky s destilovanou vodou kápněte několik kapek mléka tak, aby vznikl slabě koncentrovaný roztok. Umístěte zkumavku s roztokem do laboratorního stojanu ve vzdálenosti přibližně 2 m od bílé plochy v zatemněné místnosti. Do laboratorního stojanu upevněte laserové ukazovátko a umístěte ukazovátko do těsné blízkosti zkumavky tak, aby prosvěcovalo spodní část zkumavky na bílou plochu, viz (Obr. 9.7.2). Pozorujte promítnutý obraz. 3. Roztok zahřejte a opakujte experiment. Pozorujte promítnutý obraz. Pokud došlo ke změnám, pokuste se objasnit. 4. Připravený roztok umístěte pod optický mikroskop a pozorujte. 5. Do kádinky s destilovanou vodou přidejte několik zrnek pylu. Tuto směs umístěte pod optický mikroskop a pozorujte.
Obr. 9.7.2: Princip laboratorní úlohy pozorování Brownova pohybu ve velmi zředěném roztoku. Protokol ze 7. cvičení 1. Vysvětlete pojmy: Brownův pohyb, difůze, ekvipartiční teorém. 2. Vezmete-li šálek horké vody a šálek studené vody a do obou šálků umístíte sáček s čajem, ve kterém případě dojde k rychlejšímu obarvení vody čajem? Objasněte. 3. Vypracujte zprávu z laboratorního cvičení, porovnejte a okomentujte jednotlivé experimenty
9.8 Cvičení 8: Viskozita polymerních roztoků Makromolekulární látky patří do skupiny tzv. ne-newtonovských kapalin, což jsou kapaliny, které se neřídí newtonovým zákonem. Viskozita těchto látek závisí na vazkém napětí, na
rozdíl od tzv. Newtonovských kapalin, u nichž viskozita na vazkém napětí nezávisí. U newtonovských kapalin (převážně nízkomolekulární látky) dochází k jejich deformaci působením tlaku průběžně, bez závislosti na jeho velikosti. Tyto látky se řídí Newtonovým zákonem
kde τ je tečné napětí, µ značí dynamickou viskozitu a
vyjadřuje gradient rychlosti. Na
rozdíl od newtonovských kapalin se kapaliny ne-newtonovské neřídí Newtonovým zákonem, tečné napětí není v přímé závislosti s gradientem rychlosti. Existují kapaliny, které mají časově závislou složkou deformace. Tyto kapaliny mění zdánlivou viskozitu s dobou působení napětí. Cíl Měření viskozity ne-newtonovských kapalin o různých molekulových hmotnostech pomocí Höpplerova viskozimetru, viz (Obr. 9.8.1) a pozorování odlišného chování kapaliny v závislosti na působící deformaci. Höpplerův viskozimetr patří mezi tzv. viskozimetry tělískové, neboť viskozita kapalin je určována z rychlosti pádu tělesa (kuličky) ve zkoumané kapalině.
Obr. 9.8.1: Höpplerův viskozimetr Úkoly 1. Do roztoku kukuřičného škrobu rozpuštěného ve vodě umístěte lžičku nejprve pomalým pohybem a poté opakujte pohyb značně rychleji. Pozorujte změny chování kapaliny v závislosti na rychlosti prováděné deformace. Pokuste se toto chování vysvětlit. 2. Seznamte se s prací na Höpplerově viskozimetru. 3. Nastavte teplotu okolního media na 20°C. 4. Vezměte polymerní roztok o nejnižší molekulové hmotnosti, umístěte jej do viskozimetru, vložte měřící tělísko (ocelovou kuličku) o dané hustotě a hmotnosti a odečítejte čas, kdy kulička projde mezi vyznačenými ryskami. Měření opakujte 3x.
5. Postupně proměřte celou škálu dodaných polymerních roztoků. Zaznamenejte si získané údaje. 6. Pomocí hustoměru stanovte hustotu jednotlivých zkoumaných polymerních roztoků. 7. Stanovte viskozity zkoumaných polymerních roztoků pomocí následujícího vztahu: , kde
je viskozita zkoumané kapaliny,
značí konstantu kuličky,
hustotu kuličky,
hustotu kapaliny, čas, kdy kulička projde mezi vyznačenými ryskami na viskozimetru. Protokol z 8. Cvičení 1. Vysvětlete pojmy: Viskozita, molekulová hmotnost, Newtonovské/ne-newtonovské kapaliny a uveďte alespoň 3 příklady obou druhů kapalin. 2. Uveďte další možné známé způsoby měření viskozity kapalin. 3. Vypracujte zprávu ze cvičení, do protokolu uveďte hodnoty viskozity získané z měření.
9.9 Cvičení 9: Osmotický tlak Cvičení navazuje na kapitolu 2 ve skriptech Fyzika polymerů. Částice mají tendenci se samovolně pohybovat z míst o vyšším potenciálu do míst s nižším potenciálem. Máme-li systém rozdělený na dvě části polopropustnou membránou, lze osmotický tlak chápat jako tlak způsobující prostup molekul polopropustnou membránou z místa o nižší koncentraci do místa s vyšší koncentrací částic. Cíl Cílem cvičení je seznámení studentů s principem osmotického tlaku pomocí experimentu s vejcem a pomocí laboratorního osmometru s polopropustnou membránou, viz (Obr. 9.9.1).
Obr. 9.9.1: Princip měření osmotického tlaku pomocí osmometru s polopropustnou membránou
Úkoly 1.
Kouzlení s vejcem • Vložte vejce do kádinky s octem tak, aby bylo celé ponořeno. Nechte působit do druhého dne, poté vejce z kádinky vyjměte. • Popište, co se s vejcem stalo, diskutujte. • Vložte vejce do kádinky s koncentrovaným roztokem kuchyňské soli. Proces pozorujte. Po několika hodinách vejce z kádinky vyjměte a okomentujte, k čemu došlo. • Vejce vložte do kádinky s čistou vodou, nechte působit několik hodin, proces pozorujte. • Vyjměte vejce a okomentujte, k čemu došlo.
2.
Osmometr s polopropustnou membránou • Do baňky osmometru vložte 1 lžičku chloridu sodného • Přes baňku osmometru napněte navlhčenou polopropustnou membránu a utěsněte několika gumičkami. • Do zátky zasuňte skleněnou trubici • Do baňky osmometru nalijte vodu přibližně 2 – 3mm od okraje • Uzavřete osmometr zátkou se skleněnou trubicí • Opatrně za pomoci krouživých pohybů rozpusťte chlorid sodný v osmometru • Naplňte kádinku čistou vodou • Osmometr upněte do stojanu a ponořte do kádinky s čistou vodou tak, aby obě hladiny byly ve stejné výšce. • Označte výšku hladiny roztoku ve skleněné trubici • Pozorujte pohyb roztoku ve skleněné trubici Protokol z 9. cvičení
1. Vysvětlete pojmy: izolovaný systém, entropie, difuze, volná energie, osmotický tlak, Gibbsova volná energie 2. Uveďte, kde je možné se setkat s osmotickým tlakem (alespoň tři příklady) 3. Vypracujte zprávu z laboratorního cvičení, okomentujte proces.
