电导法测定表面活性剂临界胶束浓度(CMC)

实验课题实验课题 电导法测定表面活性剂临界胶束浓度 CMC 实验分组实验分组第一小组第一小组实验时间实验时间 2016 5 192016 5 19 13 40 2016 5 113 40 2016 5 1 18 0018 00 实验者实验者高蕊丽高蕊丽 韩慧敏韩慧敏 张秀丽张秀丽 张婷婷张婷婷 高蕊丽高蕊丽 双亚洲双亚洲 杨菊转杨菊转 要昕要昕 王辉王辉 韩强明韩强明 王爱民王爱民 赵小龙赵小龙 赵露赵露 张秀丽张秀丽 开始开始 14 14 开始开始 85 01kPa85 01kPa 室室 温温结束结束 26 26 大气大气 压压结束结束 86 20kPa86 20kPa 一 实验目的与要求 1 了解表面活性剂的特性及胶束形成原理 2 用电导法测定十二烷基硫酸钠的临界胶束浓度 3 掌握电导率仪的使用方法 二 实验仪器及药品 仪器 DDS 307 型电导率仪 2 台 电导电极 2 支 恒温水浴 1 套 500mL 容量瓶 4 只 100mL 容量瓶 12 只 试剂 0 050mol L 十二烷基硫酸钠 分析纯 0 050mol L 十二烷基苯磺酸钠 分析纯 0 050mol L 十六烷基三甲基溴化铵 分析纯 0 050mol L 十二烷基三甲基溴化铵 分析 纯 氯化钾 分析纯 电导水 三 实验原理 1 表面活性剂的特性及胶束形成原理 能使溶液表面张力明显降低的溶质称为表面活性剂 表面活性剂分子是由亲水性的极 性基团 通常是离子化 和憎水性的非极性基团 具有 8 18 个碳原子的直链烃或环烃 所组成 的有机化合物 按离子的类型可将其分为三大类 1 阴离子型表面活性剂 如羧酸盐 肥皂 C17H35COONa 烷基硫酸盐 十二烷基硫酸钠 CH3 CH2 SO4Na 烷基磺 酸盐 十二烷基苯磺酸钠 CH3 CH2 11C6H5SO3Na 等 2 阳离子型表面活性剂 主要是胺盐 如十二烷基二甲基叔胺盐酸盐 叔胺盐 CH3 CH2 11N CH3 2 HCL 和十二 烷基二甲基苄基氯化铵 季铵盐 C12H23 CH3 2 C6H5CH2 NCL 3 非离子型表面活性剂 如聚乙二醇类 HOCH2 CH2OCH2 NCH2OH 表面活性剂为了使自己成为溶液中的稳定分子 有可能采取两种途径 一是当它们以低浓度存在于某一体系中时 可被吸附在该体系的表面 上 采取极性基团向着水 非极性基团脱离水的表面而向着空气 形成定向排列的单分子 膜 从而使表面吉布斯自由能明显降低 二是当溶液浓度增大到一定值时 表面活性剂离 子或分子不但在溶液表面聚集而形成单分子层 而且在溶液本体内部表面活性剂的非极性 基团相互靠在一起 以减少非极性基团与水的接触面积 当溶液浓度增大到一定程度时 许多表面活性物质的分子立刻聚集成很大的基团 形成 胶束 如图 4 16 所示 表面活 性物质在水中形成胶束所需要的最低浓度称为临界胶束浓度 critical micelle concentration 以 CMC 表示 随着表面活性剂在溶液中浓度的增加 球形胶束还有可能变 成棒形胶束 以致层状胶束 如图 4 17 所示 后者可用来制造液晶 它具备各向异性的性 质 在 CMC 点上 由于溶液的结构改变 导致其物理和化学性质 如表面张力 电导 渗透 压 浊度 光学性质等 与浓度的关系曲线出现明显转折 如图 4 18 所示 这个现象是测 定 CMC 的实验依据 也是表面活性剂的一个重要特征 CMC 是表面活性剂的一种重要特征 CMC 越小 则表示这种表面活性剂形成胶束所需浓 度越低 达到表面 界面 饱和吸附的浓度越低 只有溶液浓度稍高于 CMC 时 才能充分发挥 表面活性剂的作用 如润湿 乳化 发泡 增溶 洗涤等重要作用 目前表面活性剂广泛 用于石油 纺织 农药 采矿 食品 民用洗涤等各个领域 2 表面活性剂临界胶束浓度的测定原理 测定 CMC 的方法很多 原则上只要是溶液的物理化学性质随着表面活性剂溶液浓度在 CMC 处发生突变 都可以利用来测定 CMC 常用的测定方法有电导法 表面张力法 光散射 法 比色法 染料吸附法 浊度法 增溶法 等 这些方法原理上都是从溶液的物理化学性 质随浓度变化关系出发求得的 电导法是经典方法 简便可靠 只限于离子型表面活性剂 此法对于有较高活性的表面活性剂准确性高 但过量无机盐存在会降低测定灵敏度 因此 配制溶液应该用电导水 电导法测定离子表面活性剂的 CMC 相当方便 在溶液中对电导有贡献的主要是带长链 烷基的表面活性剂离子和相应的反离子 而胶束的贡献则极为微小 从离子贡献大小来考虑 反离子大于表面活性剂离子 当溶液浓度达 CMC 时 由于表面活性剂离子缔合成胶束 反 离子固定于胶束的表面 它们对电导的贡献明显下降 同时由于胶束的电荷被反离子部分 中和 这种电荷量小 体积大的胶束对电导的贡献非常小 所以电导急剧下降 即对于离 子型表面活性剂溶液 当溶液浓度很稀时 电导的变化规律也和强电解质一样 但当溶液 浓度达到临界胶束浓度时 随着胶束的生成 电导率发生改变 摩尔电导率急剧下降 这 就是电导法测定 CMC 的依据 本实验利用电导率仪测定不同浓度的十二烷基硫酸钠水溶液的电导率值 计算出相应 的摩尔电导率 m 然后作 m C 图 得相应的曲线 曲线上转折点对应的浓度即为 CMC 四 实验步骤四 实验步骤 1 原始溶液的配制 准确称取四个表面活性剂在 80 干燥 3h 用电导水准确配制成 0 050mol L 的原始溶 液 2 溶液的配制 分别量取 0 050mol L 原始溶液 4mL 8mL 12mL 14mL 16mL 18mL 20mL 24mL 28mL 32mL 36mL 40mL 稀释至 100mL 各溶液的浓度分别为 0 002mol L 0 004mol L 0 006mol L 0 007mol L 0 008mol L 0 009mol L 0 010mo l L 0 012mol L 0 014mol L 0 016mol L 0 018mol L 0 020mol L 见图 1 1 所示 图 1 1 溶液的配置 图 1 2 25 恒温加热 图 1 3 电导率仪的校正 3 恒温槽恒温至 25 0 1 0C 见图 1 2 所示 4 电导率仪的校正 见图 1 3 所示 5 测定电导电极常数 Kcell 首先用蒸馏水洗净烧杯和电极 在烧杯中装入适量的 0 Olmol L 的 KCL 标准溶液 由 教材后附录中查出测定温度下 0 01mol L 的 KCL 标准溶液的电导率值 接下来进行校准仪 器 温度采用不补偿方式 量程选择开关指向 待仪器读数稳定后 调节常数补偿 旋钮 使仪器显示值与标准溶液的电导率值一致 最后量程选择开关指向 检查 仪器 的显 示值即为该电极的电极常数 如 显示值为 92 6 S cm 则该电极的电极常数为 0 926 显 示值为 102 2 S cm 则该电极的电极常数为 1 022 6 溶液电导率的测定 用电导率仪从稀溶液到浓溶液分别测定电导率 用后一个溶液荡洗接触过前一个溶液 的 电导电极和容器 3 次以上 各溶液测定前必须恒温 10min 每个溶液的电导率读数 3 次 取 平均值 7 调节恒温水浴温度至 40 0 05 oC 重复上列步骤 4 5 测定 40 0 时 各 溶液的电导率 8 实验结束后洗净电导池和电极 测量电导水的电导率 五 五 实验注意事项实验注意事项 1 配制的溶液须保证表面活性剂完全溶解 2 电解质溶液的电导率随温度的变化而改变 因此 在测量时应保持被测体系处于 恒温条件下 3 使用前 先清洗电导电极 清洗时两个铂片不能有机械摩擦 可用电导水淋洗 然后将其竖直 用滤纸轻吸 将水吸净 但不能用滤纸擦铂片 使用过程中其电极片必须 完全浸人到所测的溶液中 使用完后 电极必须保持干燥 4 注意电导率仪应由低到高的浓度顺序测量样品的电导率 十二烷基硫酸钠质量 7 202g 十二烷基苯磺酸钠质量 8 720g 十二烷基三甲基溴化铵质量 7 703g 十六烷基三甲基溴化铵质量 9 109g 水的电导率 0 44 103 S cm 0 78 10 S cm 1 十二烷基硫酸钠 25 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 103 us cm 0 240 360 480 540 580 620 640 780 860 920 981 34 k s m 0 02 4 0 0360 0480 0540 0580 0620 0640 0780 0860 0920 0980 134 m 10 3 s m2 mol 12987 77 26 86 46 56 15 85 46 7 40 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 103 us cm 0 310 500 63 0 70 0 76 0 82 0 891 001 101 221 301 34 K s m 0 0310 0500 0630 0700 0760 0820 0890 1000 1100 1220 1300 134 m 10 3 s m2 mol 15 512 5 10 5 109 59 18 98 37 857 67 26 7 2 十二烷基苯磺酸钠 25 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 10 3 us cm 1 352 202 903 313 734 114 415 235 916 417 027 31 K s m 0 1350 2200 2900 3310 3730 4110 4410 5230 5910 6410 7020 731 m 10 3 s m2 mol 67 555 048 347 346 645 744 143 642 240 139 036 6 40 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 103 us cm 1 81 2 93 3 914 324 755 225 656 817 418 118 769 27 K s m 0 1810 2930 3910 4320 4750 5220 5650 6810 7410 8110 8760 927 m 10 3 s m2 mol 90 573 265 261 759 458 056 556 852 950 748 746 4 3 十二烷基三甲基溴化铵 25 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 103 us cm 0 270 44 0 600 67 0 740 820 901 101 201 271 291 32 K s m 0 0270 0440 0600 0670 0740 0820 0900 1100 1200 1270 1290 132 m 10 3 s m2 mol 13 511 010 09 579 259 119 09 178 577 947 176 6 40 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 103 ms cm 0 350 570 770 870 961 071 151 411 561 671 751 76 K s m 0 0350 0570 0770 0870 0960 1070 1150 1410 1560 1670 1750 176 m 10 3 s m2 mol 17 514 312 8312 4312 011 8911 511 7511 1410 449 728 8 4 十六烷基三甲基溴化铵 25 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 102 ms cm 0 94 1 001 051 071 111 121 151 201 251 301 351 49 K s m 0 00940 010 01050 01070 0111 0 0112 0 01150 0120 01250 0130 01350 015 m 10 3 s m2 mol 4 72 51 751 531 391 241 151 00 890 810 750 75 40 时的实验数据 编号 123456789101112 浓度 10 3mol l 2 004 006 007 008 009 0010 012 014 016 018 020 0 K 102 ms cm 0 160 220 240 260 280 300 340 400 410 450 470 50 K s m 0 0020 00220 00240 00260 0030 0030 00340 004 0 0041 0 00450 0047 0 005 m 10 3 s m2 mol 0 80 550 40 370 380 330 340 330 290 280 260 25 25oC 十二烷基硫酸钠的 CMC 0 009mol L 40OC 十二烷基硫酸钠的 CMC 0 009mol L 0 0000 0050 0100 0150 020 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 平均电导率 c1 mol L 0 009 0 77 0 0000 0050 0100 0150 020 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 平均电导率 c1 mol L 0 009 1 063 25oC 十二烷基苯磺酸钠的 CMC 0 01mol L 40oC 十二烷基苯磺酸钠的 CMC 0 01mol L 0 0000 0050 0100 0150 020 0 2 4 6 8 10 12 14 平均电导率 c1 mol L 0 01 6 62 0 0000 0050 0100 0150 020 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 平均电导率 c mol l 0 01 8 803 25oC 十二烷基三甲基溴化铵的 CMC 0 01mol L 40oC 十二烷基三甲基溴化铵的 CMC 0 01mol L 0 0000 0050 0100 0150 020 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 平均电导率 c1 mol L 0 01 1 2 0 0000 0050 0100 0150 020 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 平均电导率 c1 mol L 0 01 1 405 25oC 十六烷基三甲基溴化铵的 CMC 0 008mol L 40oC 十六烷基三甲基溴化铵的 CMC 0 10mol L 0 0000 0050 0100 0150 020 0 00 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 0 12 0 14 0 16 0 18 0 20 平均电导率 c1 mol L 0 008 0 14 0 000 0 002 0 004 0 006 0 008 0 010 0 012 0 014 0 016 0 018 0 020 0 022 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 平均电导率 c mol l 0 01 0 4266 七 思考与讨论七 思考与讨论 1 实验中影响临界胶束浓度的因素有哪些 答 1 表面活性结构的影响 疏水基相同 离子型表面活性剂的 CMC 比非离子型表面活性剂大 大约两个数量级 同系物中 疏水链长增加 CMC 下降 碳氟链表面活性剂的临界胶团浓度显