Лабораторная работа №6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ В РАСТВОРЕ ПАВ

Лабораторная работа №6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ В РАСТВОРЕ ПАВ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:
Дисперсные
термодинамической
системы
делят
на
устойчивостью,
лиофильные,
и
обладающие
лиофобные,
которые
термодинамически неустойчивы к агрегации, но могут быть устойчивы
кинетически.
Типичными
представителями
лиофильных
дисперсных
систем
являются растворы коллоидных ПАВ (ассоциативные коллоиды) и растворы
полимеров (молекулярные коллоиды). В растворах коллоидных ПАВ
мицеллы образуются вследствие ассоциации дифильных молекул. При
ассоциации лиофильные части молекул ПАВ (имеющие большое сродство к
растворителю) располагаются на периферии мицеллы, внутри нее находятся
лиофобные части молекул.
По способности ПАВ диссоциировать в водных средах, поверхностноактивные вещества классифицируют на ионогенные и неионогенные.
Ионогенные ПАВ диссоциируют в водных растворах, и их, в свою очередь,
подразделяют на анионные, катионные и амфолитные. Соответствующее
строение имеют двойные электрические слои мицелл, образованных разными
ПАВ. Hапример, анионные ПАВ в воде образуют мицеллы с отрицательно
заряженным ядром и положительно заряженными противоионами.
Мицеллообразование в растворах коллоидных ПАВ является наиболее
термодинамически выгодным процессом по сравнению с процессами
образования истинного раствора или разделения фаз. Это обусловлено
переходом углеводородной или полярной части дифильных молекул ПАВ в
подобную им по полярности фазу. Hапример, полярные группы молекул
ПАВ обращаются к воде, поскольку они гидратированы, а углеводородные
радикалы
выталкиваются
из
водной
фазы.
Оба
этих
процесса
сопровождаются выделением теплоты, что способствует уменьшению
энергии Гиббса системы.
Способность ПАВ к образованию мицелл в существенной степени
зависит от
длины
углеводородного
радикала.
ПАВ
с
небольшими
углеводородными радикалами, например низшие спирты, кислоты и их соли,
находятся в растворе в молекулярно-дисперсном состоянии при любых
концентрациях. Такие ПАВ называются истинно растворимыми. ПАВ,
способные
к
мицеллообразованию
в
жидких
средах,
называются
коллоидными. Они имеют большие углеводородные радикалы, от их
размеров зависит значение концентрации, выше которого образуются
мицеллы (критическая концентрация мицеллообразования, ККМ). Чем
длиннее углеводородный радикал у ПАВ, тем меньше растворимость ПАВ в
воде и тем ниже ККМ. Между мицеллами и молекулярно растворенными
молекулами ПАВ существует динамическое равновесие:
истинный раствор ↔ золь
При концентрациях, незначительно превышающих ККМ, мицеллы
имеют сферическую форму. С ростом концентрации мицеллы начинают
взаимодействовать, образуя более крупные мицеллы цилиндрической,
дискообразной,
палочкообразной,
формироваться
уменьшается
пластинчатой
жидкокристаллические
с
уменьшением
формы.
структуры.
гидратации
Затем
могут
Значение
ККМ
противоионов.
Введение
электролитов (индифферентных) снижает ККМ у ионогенных ПАВ и слабо
влияет на ККМ неионогенных ПАВ. Введение неэлектролитов (органических
растворителей) при наличии солюбилизации приводит к повышению
устойчивости мицелл, т.е. к уменьшению ККМ в водных растворах ПАВ.
При отсутствии солюбилизации ККМ увеличивается за счет усиления
растворяющей способности среды.
Существует много методов определения ККМ. Все они основаны на
резком
изменении
физико-химических
свойств
растворов
ПАВ
(светопропускания,
поверхностного
показателя
натяжения,
преломления,
осмотического
электропроводности)
при
давления,
переходе
от
молекулярного раствора к мицеллярному. Концентрации ПАВ, при которых
наблюдаются перегибы на графиках "свойство-состав", соответствуют ККМ.
Кондуктометрическое определение ККМ основано на измерении
концентрационной зависимости электропроводности растворов ионогенных
ПАВ. В области концентраций до ККМ зависимости удельной и
эквивалентной электропроводности от концентрации ПАВ соответствуют
аналогичным зависимостям для растворов средних по силе электролитов.
При концентрации, соответствующей ККМ, на графиках зависимости
наблюдается излом, обусловленный образованием сферических ионных
мицелл. Подвижности ионных мицелл меньше подвижности ионов и, кроме
того, значительная часть противоионов находится в плотном слое
Гельмгольца, что существенно уменьшает электропроводность раствора
ПАВ. Поэтому при увеличении концентрации ПАВ больше ККМ,
эквивалентная электропроводность более резко уменьшается, а возрастание
удельной электропроводности значительно ослабляется. По изменению
удельной электропроводности можно также определить ККМ.
ЦЕЛЬ
РАБОТЫ:
Определить
ККМ
в
растворе
ПАВ
кондуктометрическим методом и методом нефелометрии.
Вопросы коллоквиума
1. Классификация мицеллообразующих ПАВ.
2. Мицеллообразование в растворах ПАВ. Строение мицеллярных
коллоидов.
3. Что
называют
ККМ?
Факторы,
концентрацию мицеллообразования.
4. Методы определения ККМ.
5. Солюбилизация в растворах ПАВ.
влияющие
на
критическую
. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
1. Кондуктометр.
2. Hефелометр.
3. Колбы емкостью 50 мл, 8 шт.
4. Пипетки емкостью 1 мл, 0,5 мл.
5. Раствор олеата натрия, 0,033 моль/л.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Из исходного 0,033 моль/л раствора олеата натрия готовят серию
растворов более низкой концентрации. Для этого в колбу на 50 мл наливают
5 мл исходного раствора олеата натрия и доводят объем до метки
дистиллированной водой, получают раствор с концентрацией 3,3 ·10-5 моль/л.
Последующие растворы готовят согласно таблице 1.
Данные для приготовления растворов олеата натрия заданной
концентрации:
Таблица 1
Концентрация
получаемого раствора
Объем воды, мл
олеата натрия, моль/л
Объем 0.033 М раствора
олеата натрия, мл
3.3·10-3
45
5.0
1.7·10-3
47.4
2.6
6.6·10-4
49
1.0
3.3·10-4
49.5
0.5
1.7·10-4
49.75
0.25
6.6·10-5
49.9
0.1
3.3·10-5
49.95
0.05
1.7·10-5
49.975
0.025
1.Кондуктометрический метод
Растворы для кондуктометрического определения ККМ готовят
непосредственно
перед
измерением
электропроводности
(для
предотвращения гидролиза ПАВ). В кондуктометрический стаканчик
наливают раствор олеата натрия, погружают в него электроды и измеряют
удельную электропроводность растворов, начиная с наиболее разбавленного.
Рассчитывают эквивалентную электропроводность λ по формуле:
λ = χ/С, Cм·м2/моль,
где С – концентрация раствора в моль/м3. Результаты записывают в
таблицу 2. Строят график зависимости λ - (-lgСПАВ) и χ - (-lgCПАВ) и по ним
находят ККМ.
2 Hефелометрия
Готовят к работе нефелометр. Hастройка прибора заключается в
установке 0 и 100% светопропускания. В качестве нулевого раствора
используют
дистиллированную
воду.
Все
измерения
проводятся
с
использованием желтого светофильтра. В кювету наливают раствор олеата
натрия до метки и измеряют интенсивность светопропускания. Измерения
проводят, начиная с более разбавленного раствора. Данные заносят в табл. 2.
С, моль/м3
-lgC
·м2/моль
/м
I, мА
натрия, мл
раствора олеата
Объем 0.033М
Объем воды, мл
натрия, моль/л
раствора олеата
получаемого
Концентрация
Таблица 2
1.7∙10-5
4.77
3.3∙10-5
4.48
6.6∙10-5
4.18
1.7∙10-4
3.77
3.3∙10-4
3.48
6.6∙10-4
3.18
1.7∙10-5
2.77
3.3∙10-3
2.48
Строят график зависимости интенсивности светопропускания от
логарифма концентрации раствора ПАВ.
Литература
1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия, 1984.
2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1989.
3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1976.
4. Захарченко В.А. Коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1989.