Уравнение Марка-Куна-Хаувинка: формула и расчёт
Вязкость разбавленного полимерного раствора неслучайно растёт вместе с длиной цепи: чем длиннее макромолекула, тем больше объём, который она занимает в растворе, и тем сильнее она замедляет течение жидкости. Именно эту связь строго формализует уравнение Марка-Куна-Хаувинка (МКХ), которое вот уже 80 лет остаётся главным рабочим инструментом вискозиметрии полимеров. Покрутите калькулятор ниже, чтобы почувствовать, как молярная масса и показатель альфа определяют наклон прямой на двойном логарифмическом графике, а затем мы разберём каждый элемент уравнения строго.
Формула Марка-Куна-Хаувинка
Уравнение записывается так:
где - характеристическая вязкость (дл/г), - молярная (вискозиметрическая) масса полимера (г/моль), и - константы системы «полимер-растворитель-температура».
Характеристическая вязкость определяется как предел удельной вязкости при разбавлении:
где - вязкость чистого растворителя, - вязкость раствора, - концентрация полимера (г/дл). В отличие от относительной или удельной вязкости, характеристическая не зависит от концентрации и является мерой вклада одной макромолекулы в вязкость раствора.
Если взять логарифм обеих частей, уравнение превращается в уравнение прямой:
Именно поэтому в координатах экспериментальные точки разных фракций полимера ложатся на прямую: наклон этой прямой равен , а отрезок, отсекаемый на оси ординат, даёт .
Физический смысл константы K и показателя альфа
Константа зависит от химической природы полимера, растворителя и температуры. Физически она отражает жёсткость цепи и термодинамическое сродство пары «полимер-растворитель»: чем лучше растворитель разворачивает клубок, тем меньше молярная масса при той же вязкости - и тем меньше .
Показатель Хаувинка несёт информацию о конформации макромолекулы в растворе:
- - тета-растворитель (растворитель нейтрален к сегментам, цепь ведёт себя как идеальный клубок Гаусса). Классический пример: полистирол в циклогексане при 34 °C.
- - хороший растворитель, клубок разбухает (excluded volume). Большинство гибкоцепных полимеров в хороших растворителях дают .
- - жёсткоцепные или стержнеобразные полимеры (например, некоторые полисахариды, ароматические полиамиды).

Значения и для конкретных систем находят экспериментально: готовят несколько фракций полимера с известными из других методов (осмометрия, светорассеяние) молярными массами, измеряют и строят прямую в координатах . Надёжные справочные таблицы - «Polymer Handbook» (Brandrup, Immergut) и базы данных NIST.
Вискозиметрическая молярная масса Mv
Обратная задача - определение молярной массы по измеренной вязкости - решается простым выражением из формулы МКХ:
Величина называется вискозиметрической молярной массой и занимает промежуточное положение между среднечисловой и среднемассовой :
Точнее, , где суммирование ведётся по фракциям. При (теоретический случай абсолютно вытянутых цепей) ; при - . Для реальных систем с вискозиметрическая масса лежит на 5-20 % ниже .
Методика вискозиметрического эксперимента
Вискозиметрический метод определения молярной массы прост в исполнении, быстр и не требует дорогостоящего оборудования - достаточно капиллярного вискозиметра (Уббелоде или Оствальда) и термостата. Схема эксперимента:
- Готовят исходный раствор полимера с концентрацией г/дл и серию разбавлений.
- Измеряют время вытекания раствора и чистого растворителя при постоянной температуре .
- Вычисляют относительную вязкость и удельную .
- Строят зависимость от (уравнение Хаггинса) или от (уравнение Крамера) и экстраполируют на .
На практике две линейные экстраполяции по Хаггинсу и Краммеру должны пересечься в одной точке на оси ординат - это . Расхождение больше 5 % говорит об ошибке в измерениях или неудачном выборе концентрационного диапазона.
Где применяют уравнение МКХ
Уравнение МКХ используют в самых разных областях:
- Контроль производства полимеров. В промышленном синтезе вязкость разбавленного раствора - быстрый оперативный показатель степени полимеризации. Вискозиметр занимает 15-20 минут против часов ГПХ.
- Калибровка гель-проникающей хроматографии. Детекторы давления или RI дают только относительные данные; детектор вязкости в паре с ГПХ позволяет строить универсальную калибровочную кривую через гидродинамический объём (теорема Флори-Фокса).
- Изучение конформации в растворе. Изменение при смене растворителя или температуры говорит о переходе «клубок-глобула» или о жёсткости цепи.
- Биополимеры. Для нативной ДНК, коллагена и полисахаридов значения указывают на высокую жёсткость цепи - важный параметр для понимания биологической функции.
Частые ошибки
- Подстановка удельной или приведённой вязкости вместо характеристической. В уравнение МКХ входит - предельная величина при . Использование при конечной концентрации занижает молярную массу.
- Перепутаны K и alpha для другой системы. Константы строго специфичны к тройке «полимер-растворитель-температура». Использование значений для ПС в толуоле при расчёте ПММА даст ошибку в молярной массе в разы.
- Неверные единицы . Если вязкость измерена в мл/г, а из таблицы - в дл/г, нужно умножить на 10 (1 дл = 100 мл). Ошибка единиц - самая частая при работе со старой литературой.
- Экстраполяция без нескольких точек. Одна концентрация не позволяет правильно экстраполировать на : нужно минимум 4-5 разбавлений, покрывающих диапазон .
- Игнорирование температурного контроля. Вязкость жидкостей резко зависит от температуры: отклонение на в вискозиметрическом опыте даёт погрешность в около 2 %, что транслируется в 3-4 % погрешности при .
FAQ
Чем вискозиметрическая масса Mv отличается от Mn и Mw? (среднечисловая) взвешивает фракции по числу молекул, (среднемассовая) - по их массе, - по -взвешенным вкладам в вязкость. Для полидисперсных образцов ; при монодисперсном образце все три совпадают.
Почему в двойных логарифмических координатах уравнение МКХ - прямая? Логарифмирование даёт , то есть линейную зависимость . Это стандартная форма прямой, где - наклон, - свободный член. Именно эта линеаризация позволяет легко определить константы из наклона и точки пересечения.
Можно ли по уравнению МКХ сравнивать полимеры разной природы? Напрямую - нет. Константы и специфичны для каждой системы «полимер-растворитель-температура». Однако при одинаковом гидродинамическом объёме полимеры подчиняются единой универсальной кривой - основе метода универсальной калибровки в ГПХ. Именно этим принципом пользуются при ГПХ-анализе с вискозиметрическим детектором.
Коротко
Уравнение Марка-Куна-Хаувинка связывает характеристическую вязкость разбавленного раствора с вискозиметрической молярной массой через два эмпирических параметра. Показатель отражает конформацию цепи в растворе: 0.5 в тета-условиях, 0.65-0.80 в хорошем растворителе. Из измеренной молярная масса находится как . Метод ценен за простоту и скорость, а логарифмическая линеаризация делает его удобным инструментом для оценки полидисперсности и конформационного состояния макромолекул.
Читайте также

230 пространственных групп симметрии: откуда берётся число
230 пространственных групп симметрии в кристаллографии: как из 32 точечных групп, 14 решёток Браве и трансляций получается ровно 230 групп Фёдорова, и зачем это нужно.

Декогеренция квантовой системы: как теряется суперпозиция
Декогеренция квантовой системы простыми словами: почему суперпозиция разрушается при взаимодействии со средой, как считать время декогеренции и чем она отличается от коллапса волновой функции.

Эффект Мейснера-Оксенфельда: вытеснение поля
Эффект Мейснера-Оксенфельда: как сверхпроводник выталкивает магнитное поле при переходе ниже критической температуры, чем он отличается от идеального проводника и при чём здесь глубина Лондона.