Определение критической концентрации мицеллообразования

Коллоидного ПАВ

Цель работы: Определение ККМ коллоидного ПАВ по изотерме поверхностного натяжения.

Краткое теоретическое введение

Вещества, способные при растворении уменьшать поверхностное натяжение раствора, называются поверхностно активными веществами (ПАВ). К их числу относятся химические соединения, молекулы которых содержат по крайней мере одну полярную группу (–SO₃Na, ºCOOH, –COONa, –N(CH₃)₃Cl, –COOH др.) и неполярный углеводородный радикал. Такие молекулы называются дифильными и изображаются схематически "кружком", который символизирует гидрофильную группу атомов, и длинной волнистой или прямой линией, означающей углеводородный радикал. Если полярная часть молекулы диссоциирует в водном растворе, то ПАВ называется ионогенным, если нет – то неионогенным. ПАВ, молекулы которых имеют достаточно протяжённую углеводородную цепь (более 8 атомов углерода) и хорошо гидратирующуюся полярную группу, называются коллоидными. При малых концентрациях (менее приблизительно 10^–4 моль/л) растворы таких веществ являются молекулярно-дисперсными и обладают значительной поверхностной активностью. Повышение концентрации сверх некоторой, называемой критической концентрацией мицеллообразования (ККМ), приводит к образованию мицелл – агрегатов, состоящих из нескольких десятков молекул ПАВ, находящихся в равновесии с молекулярным раствором. При данных условиях (температура, рН раствора, ионная сила и др.) коллоидному ПАВ присуще вполне определённое значение ККМ, являющееся важнейшей его характеристикой.

Коллоидные ПАВ имеют большое практическое значение. Они используются, например, для стабилизации дисперсных систем, для модифицирования свойств поверхностей, то есть для их гидрофобизации или гидрофилизации, для понижения прочности при дроблении материалов, в качестве компонентов моющих средств, в качестве одной из главных частей смазочных материалов, и т.д.

Механизм мицеллообразования близок к механизму адсорбции ПАВ: силы взаимодействия между молекулами воды больше, чем между молекулами воды и углеводородными радикалами ПАВ. Вследствие этого молекулы ПАВ выталкиваются из объёма раствора в поверхностный слой границы вода/воздух, где они получают располагаются так, что их углеводородные цепи контактируют с неполярной средой (воздухом), а полярные группы остаются в водном растворе (см. рис. 5.1). В этом заключается механизм адсорбции на границе водный раствор/воздух.

При повышении концентрации, дифильные молекулы стремятся к наиболее выгодной, с энергетической точки зрения, ориентации и обращаются своими неполярными углеводородными цепями друг к другу – возникают сферические мицеллы (рис. 5.2).

С ростом концентрации ПАВ мицеллярная система проходит ряд равновесных состояний, различающихся по числам ассоциации, размерам и форме мицелл. При достижении определённой концентрации взаимодействие сферических мицелл приводит к их деформации.

При очень высоких концентрациях, молекулы ПАВ способны образовывать жидкокристаллические фазы. Мицеллообразование сопровождается увеличением вязкости системы вплоть до потери изотропной текучести и появления анизотропных свойств.

Изменение структуры раствора при ККМ приводит к резкому изменению его физико-химических свойств, включая оптические свойства, электропроводность и др. Поверхностное натяжение раствора постоянно уменьшается с увеличением концентрации ПАВ вплоть до точки ККМ, после чего оно остаётся постоянным (см. рис. 5.4 в конце описания). Это обстоятельство положено в основу экспериментального метода определения ККМ по измерению поверхностного натяжения как функции концентрации ПАВ.

Приборы и методы измерений

Вследствие того, что коллоидные растворы ПАВ сильно пенятся при механическом движении, определение поверхностного натяжения методом наибольшего давления пузырька (как в работе № 3) для них не возможно. Поэтому в данной работе используется сталагмометрический метод. Он заключается в измерении объёма или массы m капли, отрывающейся от конца вертикальной трубки с радиусом r после медленного вытекания из неё. Отрыв капли происходит в тот момент, когда её вес Р = mg становится равным силе поверхностного натяжения, действующей по окружности конца трубки. То есть, в момент отрыва капли Р = 2p rs.

В этом случае поверхностное натяжение исследуемого раствора можно вычислить по формуле:

, (5.1)

где s ₀, – поверхностное натяжение растворителя (дистиллированной воды), Р ₀ и m ₀ – вес и масса одной её капли.

Сталагмометр представляет собой стеклянную трубку с резервуаром для жидкости. Трубка в нижней части сталагмометра имеет малый внутренний диаметр, но сравнительно большой внешний диаметр на нижнем конце, на который натекает капля и с которого она отрывается. Узкий внутренний диаметр определяет медленное (равновесное) натекание капли, а внешний диаметр – размер, который достигает капля перед отрывом от конца. Рис. 5.3 показывает схему сталагмометра с висящей каплей.

Для определения среднего веса капли, сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью выше метки в верхней его части, и позволяют жидкости вытекать. Когда мениск жидкости опускается до верхней метки, начинают счёт капель, и заканчивают его, когда весь объём V сталагмометра опорожняется. Вес одной капли:

, (5.2)

где N – число капель, за которое опорожняется объём сталагмометра, r – плотность жидкости.

Сначала определяют среднюю массу m ₀ капли жидкости с известным поверхностным натяжением и известной плотностью, например дистиллированной воды (при 20 °С s ₀ = 72,75×10^–3 Н/м, r = 1,00 г/см³). Далее определяют среднюю массу капли исследуемого раствора. Поверхностное натяжение раствора вычисляют по формуле 5.1.

Для получения правильных результатов, каждая капля в момент отрыва должна находиться в механическом равновесии со сталогмометром, а также в равновесии жидкость/пар с окружающим воздухом. Для обеспечения этого, скорость натекания и капания должна быть малой (не более одной капли в минуту). Если капание происходит быстрее, то скорость натекания снижают, регулируя давление в сталагмометре над уровнем жидкости. С этой целью, на верхний конец сталагмометра надевают резиновую трубку с винтовым зажимом или стеклянным краном.

Последовательность выполнения работы

1. Из исходного водного раствора олеата натрия (С₁₇Н₃₃СООNa) с концентрацией 1,00 г/л готовят серию разбавлений согласно табл. 5.1.

Таблица 5.1

№ раствора
Объём исходного раствора, мл
Объём добавляемой воды
концентрация c, г/л	1,00	0,5	0,3	0,1	0,05	0,02	0,01

2. Последовательно определяют число капель дистиллированной воды, а затем растворов олеата натрия (начиная с малых концентраций), за которое вытекает объём V жидкости в сталагмометре. Каждый опыт по счёту числа капель повторяют 3 раза.

Обработка и оформление результатов

1. Полученные экспериментальные данные заносят в таблицу (см. табл. 5.2). Вычисляют поверхностное натяжение растворов по уравнениям 5.1 и 5.2, из которых следует:

так как объём сталагмометра V во всех измерениях одинаков, а плотности r разбавленных водных растворов ПАВ практически равны плотности r ₀ чистой воды (растворителя) при одной и той же температуре. (Поверхностное натяжение воды s ₀ при комнатной температуре указано в табл. 5.2.)

2. На миллиметровой бумаге строят график зависимости поверхностного натяжения s от логарифма концентрации lg c (рис. 5.4). Определяют логарифм ККМ олеата натрия по точке перегиба на кривой и вычисляют ККМ.

Таблица 5.2

с, г/л	число капель, N	среднее число, N ср	s, мДж/м²
0(вода)				(N ₀)	72,8

Контрольные вопросы

1. Особенности коллоидных ПАВ, и их классификация.

2. Изобразите адсорбцию ПАВ на а) поверхности раствора ПАВ в органическом растворителе (масло) или неорганическом растворителе (сероуглерод) и б) поверхности водного раствора ПАВ.

3. Критическая концентрация мицеллообразования.

4. Изменение физико-химических и других свойств.

5. Моющее действие и моющие средства.

Литература

Зимон А.В., Балакирев А.А., Дехтяренко Н.Г., Бабак В.Г., Аксёнов В.Н. Коллоидная химия. Лабораторный практикум. Часть 1. М: ВЗИПП 1986, Лаб. работа 5.

Зимон А.Д. Коллоидная химия. М: Агар, 2007.

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М: Химия, 1975, Глава 13.

РАБОТА № 6

Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!