在化学研究中分子量的测定是一种重要的手段。特别是在高聚物研究中,由于高聚物的性能与分子量大小有密切的联系,因此分子量的测定就更有特殊重要的意义。
由于不同物质的分子量数值差别很大,因此对处于不同分子量范围的物质,采用的测定方法也不相同。当物质的分子量在500以下可采用冰点降低法,分子量在500至1000之间可采用蒸气压渗透法,分子量在10000以上可采用膜渗透法。这些方法都是依据稀溶液的特性,测定时应配成稀溶液,以获得准确的分析结果。
冰点就是液态水的蒸气压与固态水,(即冰)蒸气压相等时的温度,水的冰点为0℃。当水中溶解有溶质时,就产生冰点下降的现象。如含有35%氯化钠的海水,其冰点降至-1.9℃。溶液的冰点与纯溶剂冰点比较,其降低的程度取决于溶液的浓度,浓度愈大,冰点下降的愈多。通常冰点下降的程度与溶液的质量摩尔浓度成正比(如图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为溶质的质量摩尔浓度。Kf为溶剂的冰点(凝固点)下降常数,单位是1000克溶剂中溶解1摩尔溶质时凝固点下降的度数(℃/mol)。W1为溶剂重量(克)。W2为溶质重量(克)。M为溶质分子量。
几种常用溶剂的凝固点下降常数如表16-5所示。
为了测定分子量,必须准确测定溶液冰点下降的数值。
表16-5 几种常用溶剂的凝固点下降常数
溶剂 | 凝固点(℃) | 熔解热(卡/克) | 密度(克/毫升,25℃) |
凝固点下降常数(Kf) 计算值 |
凝固点下降常数(Kf) 实测值 |
水 | 0 | 79.7 | 0.997 | 1.86 | 1.86 |
苯 | 5.5 | 30.1 | 0.874 | 5.12 | 5.12 |
对于液态水,可在逐步降温的环境中,当无振动时,其可冷至冰点以下-5℃至-8℃而不结冰呈过冷状态,一旦有一秒钟的振动,立即由过冷状态析出很细的冰晶,很快到达一个平衡温度,这就指明冰点的到达。对具有较大熔解热的溶剂(如水、苯)提供一个理想的结冰稳定状态,而对具有低熔解热的溶剂,仅给出一个最高温度。当测定含有溶质的溶液冰点时,需配制较稀的溶液(通常为0.01~0.3质量摩尔浓度),以保证降温时呈过冷状态,其仅在振动下才迅速结冰。若降温时即结冰,就不能准确测其冰点,此时应改变溶液的浓度,使其符合上述要求(参看图16-28)。
现在广泛使用的冰点仪不是测定冰点的绝对值,而是测量溶液与纯溶剂比较的冰点下降数值。通常降温致冷采用帕尔帖(Peltier)半导体致冷组件(图16-29)。冰点仪的结构见示意图16-30。
测定时先将纯溶剂(水或苯)置于测量池中,开动致冷装置使其过冷,再开动搅拌器,结冰,由记录仪记录零点位置。然后用已知分子量的纯样品(尿素或联苯甲酰)配成不同质量摩尔浓度,分别重复上述操作,由记录仪指示刻度变化,测其冰点下降数值(△T),绘制校正曲线,如图16-31所示。
然后准确称取一定量被测样品(毫克)溶于一定体积(如5毫升)溶剂(水或苯)中,摇匀后,放入测量池中,测其冰点下降数值(△T),按下式可计算出被测样品的分子量。
M=W/(V·A)
式中 W——试样重量(毫克);
V——溶解样品的溶剂体积;
A——根据样品测得的△T,由校正曲线上查出的质量摩尔浓度的数值。