CC BY
13
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т.ХУЬ Научна сесия „Техника и технологии, естествени и хуманитарни науки", 30-31 Х 2013 Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVI.,ISSN 1311-9192, Technics, Technologies, Natural Sciences and Humanities Session, 30-31 October 2013
ДИФЕРЕНЦИАЛЕН ТЕГЛОВЕН ОСМОМЕТЪР Кирил Коликов1, Димо христозов2, Радка Колева1
1Пловдивскиуниверситет „ПаисийХилендарски" 2Университет по хранителни технологии
Резюме
В представената работа ние описваме трикамерен диференциален тегловен осмометър. Преминалата през две полупропускливи мембрани маса разтворител в разтвора се определя с помощта на електронна везна. Измерената маса служи за директно сравняване пропускливостта на различни мембрани към един и същ вид разтвори. Сравняват се и осмотични потоци на разтворител към два различни разтвора - като вид и/или концентрации. Чрез предаване на отчитаните от електронната везна стойности към компютър с подходящ софтуер директно се определя и се изписва графично разликата от плътностите на осмотичните потоци.
Ключови думи: осмоза, мембрани, осмометры, плътност на осмотичния поток.
1. Въведение
Осмозата е едностранна дифузия на разтворител към разтвор, които са разделени чрез полупропусклива преграда - мембрана. Намаляването масата, т.е. обема, на разтворителя и увеличаването масата, т.е. обема, на разтвора с течение на времето е характерна особеност на процеса осмоза. В даден момент време се получава равновесно състояние - в разтвора повече не преминава разтворител, поради изравняване на наляганията от двете страни на мембраната. В това състояние по манометричния метод разликата между хидростатичните налягания на разтвора и на разтворителя е измереното осмотично налягане [1].
В [2] е описан тегловен осмометър, в който съдът с разтвора е окачен на едното рамо на лостова везна и е потопен в разтворителя. Недостатък на този осмометър е, че има изпарение на разтворителя, който е отворен към атмосферата. Друг недостатък е, че осмозата е бавен процес, а атмосферното налягане се изменя с времето.
За първи път в [3] са предложени везнови (тегловен) метод и устройство за изследване на дифузията в течни прозрачни и непрозрачни среди. Развитата теория е пример за задълбочен подход към труден проблем, но описаното експериментално устройство е сложно и трудно реализуемо.
В [4] и [5] са описани тегловни осмометри, чрез които осмотичният процес се изследва с везна. Тези изследвания, обаче, се извършват за всяка мембрана чрез отделен експеримент. Така окачествяването на мембраните изисква много време и измерването не е достатъчно точно, поради промяна на началните условия при различните експерименти.
В настоящата работа даваме по-нататъшно развитие на тези осмометри. С описаният тук трикамерен диференциален тегловен осмометър, се измерват два осмотични потока през различни мембрани, които се сравняват във всеки момент време.
2. Трикамерен тегловен осмометър
На фиг. 1 схематично е изобразено вертикално осево сечение на предлагания от нас трикамерен диференциален тегловен осмометър, състоящ се от корпус C , плот B и
електронна везна ЕБ, вградена в В . Корпусът С на осмометъра е изработен от твърд
хомогенен материал. Приемаме, че С се състои от три еднакви камери Л1, Л и Л2 с квадратни основи, с дължина на ръба а . Техните кухини са разделени с преградни стени
и W2, преминаващи в еднакви по площ мембрани, съответно М1 и М2. Ь е тръба за изравняване на газовото налягане в камерите.
Означаваме с Q точката на контакт на С с хоризонталната повърхност на плота В , а с Р - точка на контакт на С с плочата на ЕБ. Въвеждаме дакартова координатна система Qxy, неподвижно свързана с плота В . Означаваме с , £, и - вертикални оси на симетрия, съответно на камерите Л1, Л и Л2. Точката Р лежи на .
Нека точките 01 и 02, съответно лежащи на Ц и , са центровете на масите на разтворите в Л1 и Л2; точката О е център на масата на разтворителя в А и 0С е
центърът на масата на празния корпус С , лежащи на ^. С § е означен интензитетът на гравитационното поле.
Фиг. 1. Вертикално осево сечение на съд С с три еднакви камери Л1, Л и Л2.
3. Определяне разликата от масите на преминалия разтвор през мембраните
В началния момент време / = 0 в камерите Л1 и Л2 се наливат разтвори с маси
съответно т1 и т2, а в Л - разтворител с маса т . В зависимост от целта на експеримента разтворите може да са еднакви или различни по вид и/или концентрация.
Избираме Q за отправна точка, а Qv = - за отправна ос. Нека § = |§|; тС е масата на празния корпус С и т0 е редуцираната маса, отчетена с ЕБ. Тогава върху корпуса С с течностите в него, действат следните сили тегло: т1§ - с нулево рамо спрямо Q ; т§ - с рамо а ; т2§ - с рамо 2а; тС§ - с рамо а ; силата реакция на ЕБ т0§ - с рамо 2а. 88
Тъй като C е в равновесие, то за моментите на силите получаваме
mCg.a + m1 g.0 + mg.a + m2 g.2a = m0 g 2a
или
mC + m + 2m2 = 2m0.
Ако ml, m2 и m' са масите, съответно в A1, A2 и A , а mt е показанието на ES в
момента ' > 0, то аналогично получаваме равенството
(2)
От (1) и (2) следва, че
mC + m' + 2m'2 = 2mt.
2Amt = Am + 2Am2,
(3)
където Amt = m0 - mt, Am = m - m', Am2 = m2 - m'2.
Съгласно закона за запазване на масите Am = -(Am, +Am2 ), където Am, = m1 - m[. Тогава от (3) получаваме, че
Am2 - Am, Amt =-2-1.
(4) 2
4. Определяне разликата между осмотичните потоци
От формула (4) следва, че ако ES показва Amt > 0, то Am2 > Am,, т.е. в контейнера A2 е проникнал повече ратворител отколкото в A,, и обратно. Тогава чрез ES можем да намерим разликата между осмотичните потоци J'2 и Jпрез M, и M2, а именно
AJ = J2 - J'' , ' 21 S'
(5) S'
където S е работното лице на всяка от двете мембрани M, и M2.
При един и същ вид разтвори, ако Am > 0 , то J2 > J,, т.е. мембраната M2 има по-
голяма пропускливост от M, по маса разтворител до момента ' и обратно. Може да се сравняват и плътностите на два осмотични потока при два различни разтвора.
Окачествяването на мембрани чрез формула (5) става спрямо мембрана еталон с добре изучено пропускане на разтворителя.
5. Заключение
Съществено предимство на предложения от нас трикамерен тегловен осмометър е,
че разликата на плътностите AJ' на осмотичните потоци при използваните стандартни двукамерни осмометри трябва да се определя чрез два отделни експеримента, което дава отклонение от точността на измерване, спрямо трикамерния осмометър.
Друго съществено предимство е, че намирането разликата между осмотичните потоци
AJ във всеки момент време ' може да се компютъризира.
Възможността за лесно регистриране чрез изписване на данните с помощта на
компютър, правят описаният тегловен осмометър много полезен в изследователската осмометрична практика: за изследване на осмотичните процеси - динамични и равновесни, и за окачествяване на мембрани по пропускливост. Конструкцията на описания осмометър е проста и с невисока цена.
Признателност
Резултатите от настоящите изследвания се публикуват с финансовата подкрепа на Фонд „Научни изследвания" към МОН по договор № ТО 1/2.
Литература
1. Belyaev, A.P., Kuchuk, V.I., Physical and colloid chemistry. Moscow GЭOTAR-Media (2012).
2. Duncan, J.S., Introduction to Colloid and Surface Chemistry, Third Edition, Oxford University Press, 40 (1991).
3. Krystev, G.A., Dakova, D.I., Dimitrov, V.S., The barycentric method for the determination of the diffusion coefficient of colloidal particles, Colloid Journal, 60, 4, 449-455 (1998).
4. Kolikov, K., Dakova, D., Hristozov, D., Bozhkov S., New weighing osmotic method and device. Scientific Researches of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv, Series B, Natural Sciences and the Humanities, 13, 101-108 (2012).
5. Kolikov, K., Hristozov, D., Koleva, K., Determining the osmotic pressure using an electronic scale, Science and Technologies, 3, 3, 126-130 (2013).
