To tylko jedna z 6 stron tej notatki. Zaloguj się aby zobaczyć ten dokument.
Zobacz
całą notatkę
KRYTYCZNE STĘŻENIE MICELIZACJI SURFAKTANTU
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krytycznego stężenia micelizacji (KSM)
surfaktantu kationowego metodą konduktometryczną.
Podstawy teoretyczne
Zdolność surfaktantów (związków powierzchniowo czynnych) do tworzenia micel, czyli
wielocząsteczkowych agregatów wynika z ich specyficznej budowy. Zawierają one
fragment hydrofobowy oraz polarną grupę funkcyjną o charakterze hydrofilowym (Rys.
1).
część hydrofobowa
część hydrofilowa
Rys.1. Ogólna budowa cząsteczki surfaktantu
Ze względu na rodzaj tej ostatniej wyróżniamy surfaktanty:
1) kationowe, np. czwartorzędowe sole amoniowe
2) anionowe, np. siarczan dodecylosodowy C12H25OSO3Na (SDS)
3) o charakterze jonów obojnaczych (ang. zwitterionic surfactants)
4) niejonowe, np. alkohole posiadające łańcuch polioksoetylenowy,
RO(CH2CH2O)nCH2CH2OH
Surfaktanty zachowują się w specyficzny sposób w roztworze wodnym. Ugrupowanie o
charakterze polarnym jest silnie solwatowane przez cząsteczki wody, natomiast reszta
hydrofobowa nie wykazuje takiego powinowactwa. Odmienny charakter oddziaływań
dwóch fragmentów cząsteczki z wodą prowadzi do tworzenia różnego typu
uporządkowanych struktur. Jedną z nich jest monomolekularna warstwa na swobodnej
powierzchni wody − część hydrofilowa skierowana jest do wnętrza fazy wodnej,
natomiast hydrofobowa − w kierunku fazy gazowej (Rys. 2).
1
powietrze
woda
Rys. 2. Schemat monomolekularnej warstwy cząsteczek surfaktantu na granicy faz wodapowietrze.
W rozcieńczonych roztworach, poniżej wartości KSM (ang. critical micelle
concentration − CMC) występują wyłącznie cząsteczki monomeryczne. Po osiagnięciu
wartości KSM w głębi roztworu powstają tak zwane micele. Części hydrofobowe grupują
się tworząc wewnętrzny rdzeń agregatu, natomiast części hydrofilowe zwrócone są w
kierunku fazy wodnej. Micele mogą mieć różne kształty − najczęściej spotykane są
micele sferyczne, elipsoidalne i cylindryczne, liposomy oraz twory dwuwymiarowe, tzw.
lamelle. (Rys. 3)
Rys.3. Typowe micele tworzone przez surfaktanty (Physics and Chemistry of Interfaces,
H.-J. Butt, M. Kappl, 2003 Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA)
Micele sferyczne składają się przeciętnie z 30−100 molekuł i mają średnicę kilku
nanometrów. Średnia liczba cząsteczek tworzących micelę nazywana jest liczbą agregacji
miceli.
2
Termodynamika tworzenia miceli
Standardowa entalpia swobodna tworzenia miceli ∆GM jest parametrem
termodynamicznym charakteryzującym dany surfaktant i jest ściśle powiązana z
wartością KSM.
Dla niskich stężeń surfaktantu (poniżej KSM) jego potencjał chemiczny (µsr) zmienia się
logarytmicznie ze stężeniem (przy założeniu doskonałości roztworu), co wyrażone jest
równaniem (1) oraz przedstawione na Rys.4:
µsr = µs0 + RT lnc
(1)
gdzie µs0 - standardowy potencjał chemiczny surfaktantu w danym rozpuszczalniku
(przyjmujemy, że stanem standardowym jest stężenie 1 mol/dm3)
µs0
∆GM
µmiceli
KSM
1
stężenie
Rys. 4. Zależność potencjału chemicznego surfaktantu od stężenia.
Po osiągnięciu stężenia surfaktantu równego KSM w roztworze współistnieją cząsteczki
rozpuszczone oraz tworzące micele. W takiej sytuacji potencjały chemiczne dla stężenia
KSM cząsteczek wolnych oraz tworzących micele muszą być sobie równe (ze względu na
termodynamiczny warunek równowagi):
µmiceli=µsr(c=KSM)
(2)
gdzie µmiceli oznacza potencjał chemiczny surfaktantu tworzącego micelę, µsr(c=KSM)
oznacza potencjał chemiczny surfaktantu w roztworze (nie tworzącego miceli) przy
stężeniu KSM.
Po podstawieniu c= KSM do równania (1) otrzymujemy:
µsr(c=KSM) = µs0 + RT ln KSM
3
(3)
Na podstawie zależności (2) i (3) otrzymujemy wyrażenie na potencjał chemiczny
surfaktantu w miceli:
µmiceli = µs0 + RT ln KSM
(4)
Zauważmy, że wartość µmiceli w danej temperaturze (przynajmniej formalnie) jest stała
(µs0 oraz KSM są stałymi), a więc niezależna od stężenia. Przedstawione jest to
schematycznie na Rys. 4.
Znając wyrażenie na µmiceli możemy wyznaczyć standardową entalpię swobodną
micelizacji ∆GM.
Entalpia swobodna micelizacji równa jest różnicy potencjału chemicznego surfaktantu w
miceli i standardowego potencjału chemicznego surfaktantu w roztworze:
∆GM = µmiceli - µs0
(5)
Podstawiając wyrażenie na µmiceli z równania (4) otrzymujemy:
∆GM = RT ln KSM
(6)
Ustalając jako stan standardowy surfaktantu stężenie 1 mol/dm3 (przy założeniu
oddziaływań między cząsteczkami takich jak w roztworze nieskończenie rozcieńczonym)
∆GM oznacza pracę utworzenia miceli z (hipotetycznego) roztworu rzeczywistego o
stężeniu 1 mol/dm3.
Równanie (6) spełnione jest dla miceli z surfaktantów niejonowych. Dla surfaktantów
jonowych równanie to przyjmuje postać:
∆GM = RT(1+β ) ln KSM
(7)
gdzie β − ułamek jonów zneutralizowanych przeciwjonami (tworzących pary jonowe)
Zastosowanie metody konduktometrycznej do wyznaczania KSM surfaktantów
jonowych
Metoda konduktometryczna wykorzystuje inny charakter zależności
przewodności roztworu surfaktantu dla dwóch zakresów stężeń, tj. poniżej i powyżej
KSM. Efekt ten związany jest z różnym stopniem jonizacji substancji powierzchniowo
czynnej poniżej oraz powyżej KSM. Dla rozcieńczonych roztworów (cS
(…)
…
10,0
Wykonanie ćwiczenia
1. Włączyć termostat i nastawić temperaturę 30,0 ºC.
2. Odmierzyć pipetą miarową 50 cm3 wody destylowanej i wlać do
termostatowanego naczynia pomiarowego.
3. Włączyć konduktometr; po 5 min wprowadzić elektrodę do naczynia
pomiarowego i zmierzyć kilkakrotnie przewodność właściwą wody, do
osiągnięcia stałej wartości.
4. Włączyć mieszadło magnetyczne i dodać z biurety 1 cm3…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)