ГУМИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА ГУМИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА И ХИМИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ:И ХИМИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ:

ВВОДНЫЙ КУРСВВОДНЫЙ КУРС

Лекция Лекция 88..Молекулярная масса макромолекул Молекулярная масса макромолекул

и методы ее определенияи методы ее определения

И.В. ПерминоваИ.В. Перминова

Химический факультет МГУ им. М.В. ЛомоносоваХимический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

СодержаниеСодержание

• Понятие о молекулярной массе и молекулярно-массовом распределении

• Способы описания распределений

• Методы определения молекулярных масс

• Проблемы определения молекулярных масс гуминовых веществ

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ПОНЯТИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫПОНЯТИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ

Молекулярная масса – это сумма масс атомов, входящих в состав данной молекулы, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.), или дальтонах (D).

1 а.е.м. = 1 D = 1/12 массы атома 12С = 1,66057·10-27 kg

Абсолютная масса молекулы Н2О (ед. СИ):

(1х2+1х16)х1,66057·10-27 kg = 29,89026 ·10-27kg

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА МАКРОМОЛЕКУЛМОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА МАКРОМОЛЕКУЛ

Все синтетические полимеры и многие природные полимеры

(за исключением белков) представляют собой смесь молекул разного размера

Понятие макромолекулы ввелГерман Штаудингер в 1920 г. –Лауреат Нобелевской премии

1953 г. за созданиемакромолекулярной химии

Полимерам присуща полидисперсность

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

МОЛЕКУЛЯРНОМОЛЕКУЛЯРНО--МАССОВОЕ МАССОВОЕ

РАСПРЕДЕЛЕНИЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ (ММР) ПОЛИМЕРОВ(ММР) ПОЛИМЕРОВ

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6

Cорг

УФ

Kd

Си

гнал

, отн.

ед

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-0.1 0.1 0.3 0.5 0.7

Cорг

УФ

Kd

Си

гнал

, отн.

ед

Узкое

Широкое ГВ

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПИСАНИЕОПИСАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙРАСПРЕДЕЛЕНИЙ ––

СТАТИСТИЧЕСКИЕСТАТИСТИЧЕСКИЕ МОМЕНТЫМОМЕНТЫ

∑ −=−

i

k

siixxfмоментйk )(

ƒi– доля измерений с

величиной xi, то есть N

i/N,

xs

– основание момента и

k – порядок момента

µ – первый момент (k = 1)

относительно начала координат

(xs

= 0).

σ2 – второй момент (k = 2)

относительно медианы (xs

= µ).

∑

∑

−

−

=

=

N

i

N

i

xN

xN

1

22

1

)(1

1

1

µσ

µ

µ- медиана, N – число измерений, xi– значение измерения,

σ2 - дисперсия

http://www.psychstat.missouristate.edu/IntroBook/sbk11.htm

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОМЕНТЫ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОМЕНТЫ И

СРЕДНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ СРЕДНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ

1

i

ii

n

n

MnM k==

∑∑

1

2

ii

2

ii

wMn

MnM

k

k==

∑∑

Mn M

n Mz

i i

3

i i

2=

∑

∑

ni– число i-тых

молекул с массой Мi

n

w

M

MP =

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СРЕДНИХ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СРЕДНИХ

МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС

n1= 10; М

1= 10 n

2= 1; М

2= 100 n

3= 1; М

3= 1000

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 2 3Log М

αn (численная доля молекул)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 2 3

αw (весовая доля молекул)

Log M

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СРЕДНИХ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СРЕДНИХ

МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС

Mn M

nn

i i

i

=

∑

∑

Среднечисленная молекулярная масса (Мn):

n1= 10; М

1= 10 n

2= 1; М

2= 100 n

3= 1; М

3= 1000

1001110

1000110011010__

=

++

×+×+×=

nM

Средневесовая молекулярная масса (Мw):

Mn M

n Mw

i i

2

i i

=

∑

∑5.8421000110011010

1000110011010222

=

×+×+×

×+×+×=

wM

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЧИСЛЕННОЙ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЧИСЛЕННОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫМОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ

Коллигативные свойства:

Зависят от количества частиц в растворе

Используются для определения Мn

Методы, основанные на законах Рауля и Вант-Гоффа:

http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/PCC/Solutions_2.htm

По давлению пара насыщенных растворов

По температуре замерзания (Криоскопия)

По осмотическому давлению (Осмометрия)

По температуре кипения (Эбулиоскопия)

Мn: зависит от общего числа молекул, а не от их размера =>

очень чувствительна к присутствию низкомол-х молекул М

n: определяют путем измерения коллигативных свойств

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЧИСЛЕННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЧИСЛЕННЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС

Измерение давления насыщенного пара(справедливо для неэлектролитов и разбавленных растворов)

Первый закон Рауля:

Относительное понижение давления пара

растворителя над раствором равно

мольной доле растворенного вещества

и не зависит от природы

растворенного вещества

:

B

A

AAx

p

pp=

−

0

0

P = poA x

A+ po

B x

B= po

B x

B+ po

A(1-x

B) =

poA- x

B(po

A – po

B)

Для 2-хкомпонентных растворов:

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМЕТОДОМ КРИОСКОПИИМЕТОДОМ КРИОСКОПИИ

Измерение понижения температуры замерзания растворов

Второй закон Рауля:

Понижение температуры замерзания

раствора ∆Tзам

прямо пропорционально

моляльной концентрации раствора:

∆Тзам

= K m

М=ω1⋅К·1000/ω

2∆Т

зам

K – криоскопическая константа растворителя;m – моляльная концентрация раствора;ω

1 и ω

2- масса растворенного вещества и растворителя, г

© С. И. Левченков

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМЕТОДОМ ЭБУЛИОСКОПИИМЕТОДОМ ЭБУЛИОСКОПИИ

Повышение температуры кипения растворов

Второй закон Рауля:

Понижение температуры замерзания

и повышение температуры кипения

разбавленного раствора нелетучего

вещества прямо пропорционально

моляльной концентрации раствора

:

∆Tк

= Tк

- T°к

= E m

E– эбулиоскопическая константарастворителя;

m – моляльная концентрацияраствора

© С. И. Левченков

К и Е имеют физическийсмысл повышения

Ткип и понижения Тзам

растворов с моляльной

концентрацией m = 1 моль/кг

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС МЕТОДОМ ОСМОМЕТРИИМЕТОДОМ ОСМОМЕТРИИ

Измерение осмотического давления разбавленных растворов

Давление, которое необходимо приложить к раствору,

чтобы предотвратить перемещение растворителя

в раствор через мембрану, разделяющую раствор

и чистый растворитель, есть осмотическое давление π.

Осмотическое давление идеальных растворов

линейно зависит от температуры и

молярной концентрации раствора С

и может быть рассчитано по уравнению: nM

RT

c=

π

lim

ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ВВОДИТСЯ ПОПРАВКА – изотонический коэфф.:

теор

зам

эксп

зам

теор

кип

эксп

кип

теор

эксп

Т

Т

Т

Тi

∆

∆=

∆

∆==

π

π

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕВЕСОВЫХОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕВЕСОВЫХМОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС

Для определения средневесовых ММ используются методы светорассеяния и ультрацентрифугирования

«Статическое» или «Рэлеевское» светорассеяние (MALLS)

позволяет напрямую измерять молекулярные массы.

Интенсивность рассеянного света (ILS

) пропорциональна

произведению концентрации рассеивающих частиц (C) и

их молекулярной массы (Mw): I

LS� C.M

w

Метод работает до ~10 нм,

потом - нужны измерения

под разными углами.

Очень чувствителен к

присутствию

больших молекул

http://www.mpip-mainz.mpg.de/documents/akwe/polymeranalytik/start-e.html

ILS

20000<Mw<500000

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМЕТОДОМ СВЕТОРАССЕЯНИЯ МЕТОДОМ СВЕТОРАССЕЯНИЯ

•Лазерный диод (670 нм)•Кюветное отделение •Кювета с магнитным волчком •Линейка фотодиодов (малые углы рассеяния)•Фотодиоды (большие углы рассеяния)•Контроллер

Лазерный анализатор размера частиц «ЛАСКА-1К»

(Люмекс, Россия)

http://www.lumex.ru/rus/products/41.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ДИНАМИЧЕСКОЕ СВЕТОРАССЕЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ СВЕТОРАССЕЯНИЕ

«Динамическое» светорассеяние (DLS), известное как

PCS – фотонно-корреляционная спектроскопия,

основано на использовании рассеянного света для

измерения скорости диффузии частиц.

Основное достоинство – возможность анализа очень

широкодисперсных образцов.

На выходе измеряются:

коэффициент диффузии Dz

гидродинамический радиус Rhz

весьма удобен для изучения аггрегационных процессов

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

Метод ультрацентрифугирования

Справа: 6-канальная ячейка для равновесного УЦ эксперимента. Загружают три пары раствор-буфер и цетрифугируют при средних скоростях, что приводит к созданию концентрационного градиента в каждом канале

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМЕТОДОМ УЛЬТРАЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ МЕТОДОМ УЛЬТРАЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ

Слева:Двухсекторная ячейка для скоростного УЦ эксперимента. Образец загружают в верхний отдел, и раствор сравнения (буфер) – в нижний. Центрифугируют при высокой скорости, создавая границу, которая двигается ко дну.

Скоростное УльтраЦентрифугирование (СУЦ) и Равновесное УльтраЦентрифугирование (РУЦ)

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА УЛЬТРАЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯУЛЬТРАЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ

Метод СУЦ позволяет определять гидродинамические свойства: коэффициент седиментации s,

константу диффузии D игидродинамический радиус, Rh,

иногда – молекулярную массу, М

Метод РУЦ позволяет определять т/д параметры: Мw, константы ассоциации.Достоинство РУЦ: найденные значения Мw не зависят от формы молекул: в состоянии сед. равновесия силы седиментации и диффузии уравновешеныи молекулы не двигаются!

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКОЕ ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС

Relative viscosity:

Speсific viscosity

Reduced viscosity

The intrinsic viscosity [n]:

Уравнение Марка-Куна-Хаувинка:[η] = KMα

где K и α - константы Марка-Куна-Хаувинка,

Для каждого сочетания полимер—растворитель – свои константы.

Наличие характеристической вязкости -это иногда единственный способ сказать,

является ли полученное веществополимером или нет

[ ] redc

sp

red

rsp

r

c

t

tt

t

t

ηη

ηη

ηη

η

ηη

0

0

0

00

lim

1

→

=

=

−=

−

=

==

•

Ubbelohde

viscometer

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССАМАССА

Для определения вискозиметрической ММ необходимо знать – или определить из значений

гидродинамических радиусов –K и α - константы Марка-Куна-Хаувинка

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС МЕТОДОМ ГЕЛЬМЕТОДОМ ГЕЛЬ--ХРОМАТОГРАФИИХРОМАТОГРАФИИ

Молекулярная масса вычисляется по гидродинамическому объему с использованием калибровочных веществ

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС МЕТОДОМ ГЕЛЬМЕТОДОМ ГЕЛЬ--ХРОМАТОГРАФИИХРОМАТОГРАФИИ

Порядок эксклюзии: сначала выходят большие молекулы, затем - маленькие

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

Сложная смесь молекул дает перекрывающиеся пики- образуется ММ распределение (ММР)

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

КАЛИБРОВКА КОЛОНКИ УЗКИМИ КАЛИБРОВКА КОЛОНКИ УЗКИМИ СТАНДАРТАМИСТАНДАРТАМИ

Пример: калибровка колонки полистиролами в диапазоне 2.8 млн - 2800 дальтон

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ПОСТРОЕНИЕ КАЛИБРОВОЧНОЙ КРИВОЙПОСТРОЕНИЕ КАЛИБРОВОЧНОЙ КРИВОЙ

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

РЕАЛЬНЫЕ КАЛИБРОВОЧНЫЕ КРИВЫЕРЕАЛЬНЫЕ КАЛИБРОВОЧНЫЕ КРИВЫЕ

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

УНИВЕРСАЛЬНАЯ КАЛИБРОВОЧНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ КАЛИБРОВОЧНАЯ КРИВАЯКРИВАЯ

[η] M � Vt

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

0 < Kd < 1

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ ММРПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ ММР

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

РАСЧЕТ СРЕДНИХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС РАСЧЕТ СРЕДНИХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАСС

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ПОЛОЖЕНИЕ СРЕДНИХ НА КРИВОЙ ММРПОЛОЖЕНИЕ СРЕДНИХ НА КРИВОЙ ММР

http://www.forumsci.co.il/HPLC/gpc3.html

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

НАШ ГЕЛЬНАШ ГЕЛЬ--ХРОМАТОГРАФХРОМАТОГРАФ

ABIMED-HPLC-system

sampler

pump

UV-detector

column

controller

collector

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ИНТЕРПРЕТАЦИЯИНТЕРПРЕТАЦИЯДАННЫХ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДАННЫХ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ

МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССМОЛЕКУЛЯРНЫХ МАССГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ ––

СУПЕРЗАДАЧАСУПЕРЗАДАЧАСОВРЕМЕННОЙ НАУКИСОВРЕМЕННОЙ НАУКИ

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

ВЫВОДЫВЫВОДЫ

1. Определение молекулярных масс полимерных соединений представляет собой сложную, многоуровневую проблему.

2. Залогом получения правильной информации о молекулярной массе полимера является выбор адекватного экспериментального метода.

3. При интерпретации результатов по определению молекулярных масс особое внимание должно уделяться ограничениям и диапазонам применимости метода.

4. Определение молекулярных масс гуминовых веществ осложнено их высокой полидисперсностью и отсутствием адекватных стандартов.

5. Необходимо применение комплекса различных методов определения молекулярных масс.

СПАСИБО ВСЕМ!

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

Следующая лекция:

LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITYLOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY

Молекулярно-массовый состав гуминовых веществ - 2

30.03.2006, 15:30, ком. 429

Обсуждение статьи:

R.Sutton and G. Sposito: “Molecular structure in soil humic substances: the new view”

Environ. Sci. Tehnol. 2005: Vol. 39(23), 9009-9015