测定十二烷基三甲基溴化铵表面活性剂的临界胶束浓度

物理化学综合实验报告测定十二烷基三甲基溴化铵表面活性剂的临界胶束浓度姓名：刁金枝班级：应化124班 学号：测定十二烷基三甲基溴化铵表面活性剂的临界胶束浓度作者：刁金枝单位：应化124班 摘要：凡能显著改变表面（或界面）性质的物质都称为表面活性剂。这一类分子既含有亲油的足够长的烷基，又含有亲水的极性基团。分子既含有亲油的足够长的（大于10个碳原子）烷基，又含有亲水的极性基团。由于这种双亲结构，分子有自水中逃离水相而吸附于界面上的趋势，但当表面吸附达到饱和后，浓度再增加，表面活性剂分子无法再在表面上进一步吸附，这时为了降低体系的能量，活性剂分子会相互聚集，形成胶束。开始明显形成胶束的浓度称为临界胶束浓度（CMC）。表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)作为表面活性剂的表面活性的一种量度，是表面活性溶液性质的重要表征之一。表面活性剂的一些理化性质，如表面张力、摩尔电导率、渗透压、浊度、光学性质等在临界胶束浓度时都有显著的变化。所以通过测定发生这些显著变化时的转变点就可以得知。本文采用电导法、紫外分光光度法测定CMC。关键词：十二烷基三甲基溴化铵；CMC；电导率法；紫外分光光度法；N,N-二乙基苯胺；正文:一、 引言（一）研究背景由于表面活性剂溶液的许多物理化学性质随着胶束的形成而发生突变，如在乳液聚合、石油开采、去污、消除电影胶片的斑点及生理过程等方面都有着重要的增溶作用，且增溶作用的大小与表面活性剂的CMC有关，影晌CMC值的各种因素必然也影响到增溶作用。因此，测定CMC，掌握影响CMC的因素，对于深入研究表面活性剂的物理化学性质是至关重要的。（二）实验原理1、表面活性剂凡能显著改变表面（或界面）性质的物质都称为表面活性剂。表面活性剂分子都是由极性部分和非极性部分组成的，若按离子的类型分类，可分为三大类:阴离子型表面活性剂，如羧酸盐(肥皂)，烷基硫酸盐(十二烷基硫酸钠)，烷基磺酸盐(十二烷基苯磺酸钠)等；阳离子型表面活性剂，主要是胺盐，如十二烷基二甲基叔胺和十二烷基二甲基氯化胺；非离子型表面活性剂，如聚氧乙烯类。2、形成胶束的机理及临界胶束浓度CMC由于活性剂分子的疏水基部分对水的亲合性较弱,在稀的水溶液中,为了切断水分子间的氢键而溶解,必须稍作一些功。在不少情况下,物质在水中的溶解是由水同该物质水合的能量来补给的。由于活性剂分子的疏水基部分具有从水中排出的趋势,因此在CMC以下浓度范围内,它以单分子状态吸附在溶液表面,使界面自由能减少,体系得到稳定。在CMC以上时,由于溶液表面上的定向吸附达到饱和值,为减少界面自由能,从水中排出的意义只能形成缔合物。当活性剂在水中以单分子状溶解时,由于在疏水基部形成了冰样结构,因此应该是这部分的熵减少。这就要使疏水基尽量从水中排出,这时烃链之间发生缔合,冰样结构被破坏,回复成自由水分子。在这个过程中熵增大,形成了胶束。胶束生成,熵之所以具有较大的正值原因正如上所述。因而胶束的形成不单由于水分子与烃之间的相斥或疏水基之间的范得华力所引起的。烃链周围冰样结构的破坏是胶束形成的推动力,而胶束的形成使自由能减少,此外,离子性亲水基之间,如互相接近,则自由能增加,在整个体系自由能变为最小时形成了热力学上稳定的有一定大小的胶束。离子性表面活性剂在水中的缔合数n=5060【1】。一般认为在CMC以上时胶束与单体是共存的,胶束中的分子以半衰期为10-3s的速度不断离合集散,一面和单体保持平衡。从理论上有2种见解,一种是把胶束作为在CMC以上分离成液状的假相(pseudo phase)的相分离理论【1】,另一种则是从质量作用定律考虑的。由于表面活性剂具有双亲结构，分子有自水中逃离水相而吸附于界面上的趋势，但当表面吸附达到饱和后，浓度再增加，表面活性剂分子无法再在表面上进一步吸附，这时为了降低体系的能量，活性剂分子会相互聚集，形成胶束。开始明显形成胶束的浓度称为临界胶束浓度（CMC）。在CMC点上，由于溶液的结构改变导致其物理及化学性质(如表面张力，电导，渗透压，浊度，光学性质等)同浓度的关系曲线出现明显的转折，因此，通过测定溶液的某些物理性质的变化，可以测定CMC。CMC可看作是表面活性对溶液的表面活性的一种量度。因为CMC越小，则表示此种表面活性剂形成胶束所需浓度越低，达到表面饱和吸附的浓度越低。测定溶液临界胶束浓度的方法有多种，如表面张力法、光散射法、比色法、浊度法、电导率法等，本实验采用电导率法、紫外分光光度法（用N,N-二乙基苯胺作为探针）。3、电导法电导是表征物质导电能力的物理量，通常用G表示，其数值为电阻的倒数。 G=1/R电导的国际单位为西门子，用S表示。电导率（以表示）表示单位长度、单位面积的导体所具的电导。对电解质溶液而言，其电导率表示距离为单位距离的两极板间含有单位体积的电解质溶液时的电导。电导率的国际单位为S/m 。电导率法是测定离子型表面活性剂临界胶束浓度的一种经典方法。离子型表面活性剂在稀溶液中能电离,分别以正、负离子的形式存在,其稀溶液的性质与正常的强电解质溶液相似,溶液的电导率随浓度的上升而增加。离子型表面活性剂的导电性质在CMC前后有很大不同。在CMC之前,离子型表面活性剂分子以单个分子导电,浓度增加,电导率成正比的增大;在CMC之后,以单体分子和胶束聚集体的形式导电,增加表面活性剂浓度,电导率的增大率大大减少。在浓度一电导率图上表现为前后直线斜率的变化,两条不同斜率的直线的交点所对应的浓度即CMC【2】。4、紫外分光光度法：（1）、紫外吸收分光光谱也是确定表面活性剂CMC值得一种简单、准确的有效方法，可测定多种表面活性剂，特别是混合表面活性剂体系的CMC值。用紫外吸收分光光谱法测定CMC时，不同的溶液有不同的特征谱,将待测样品配成一定浓度的溶液,测得不同浓度下的紫外吸收波长max,绘制max与C曲线,曲线转折点处的浓度即为表面活性剂的CMC值。该方法的关键是寻找一种理想的光度探针,其max对表面活性剂聚集体微环境下的性质要很敏感,其敏感性越强,对CMC的测定越可靠。表面活性剂浓度高于CMC时,探针增溶于胶束内核的碳氢环境中,探针的最大吸收波长max接近于其在正辛烷中的值,而浓度低于CMC时,max值接近于其在水中的值。紫外吸收范围内,探针在不同表面活性剂浓度时的最大吸收波长max对表面活性剂浓度的曲线转折点即为CMC。（2）、紫外可见分光光度计的构造分光光度计按波长范围分类，波长在420700nm范围的称可见分光光度计。波长在2001000nm范围的称紫外可见分光光度计。紫外可见分光光度计是目前厂矿及学校应用比较广泛的分光光度计。分光光度计基本构造相似，是由图3所示的几个主要部件构成。 光源 单色器吸收池检测器测量系统图1 紫外分光光度计流程图（3）、N,N-二乙基苯胺(DEA)探针N,N-二乙基苯胺(DEA)探针增溶于表面活性剂胶束内心的碳氢环境中，可用作表面活性剂CMC测定的光度探针。不同浓度的表面活性剂在紫外光的照射下能够吸收不同波长的光，在表面活性剂未达到临界胶束浓度时，紫外吸光max随浓度变化平稳，当浓度达到CMC附近时，紫外吸光max出现一个大的转折，然后继续增大浓度时，紫外吸光max随着浓度增大而不断增加。而表面活性剂的CMC恰好出现在转折点处。图2 max与表面活性剂浓度的关系c（三）本文目标 1、了解表面活性剂临界胶束浓度（CMC）的定义及常用测定方法。2、用电导法及紫外可见分光光度法测定表面活性剂的CMC。3、培养学生用不同方法对同一问题进行研究分析的能力。二、仪器与试剂1、电导法仪器：电导率仪一台（DDS-11A型电导率仪）DJS-1型镀铂黑电极1支；恒温电导池1个；恒温槽一个（SYC-15B超级恒温水浴槽，南京桑力电子设备厂）；分析天平一台（公用）； 1000ml烧杯1个； 100ml容量瓶若干；1L容量瓶一个； 10ml移液管各1个；25ml移液管各1个。药品：十二烷基三甲基溴化铵（分析纯），蒸馏水。2。 紫外分光光度法仪器：紫外分光光度计；分析天平一台（公用；100ml容量瓶若干；1L容量瓶一个；1000ml烧杯1个；石英比色皿2个；10ml、25ml移液管各1只；超声波仪（公用）。试剂：十二烷基三甲基溴化铵 (分析纯) ，N,N-二乙基苯胺，蒸馏水。二、 实验方法溶液配制配制母液（浓度为0.04 molL 1）准确称取十二烷基三甲基溴化铵12.3336g，在1000ml大烧杯中加入适量蒸馏水溶解，避免产生气泡，在超声波仪中振荡至完全溶解，然后转入1L容量瓶中，再用少许蒸馏水洗涤烧杯三次，洗涤液也转入容量瓶中。再加蒸馏水放入超声波仪中，一段时间后取出冷却至室温，加蒸馏水至刻度，定容（注意要尽可能的避免气泡出现）。分别移取0ml，15 ml，25 ml ，30ml，35ml，40 ml，45 ml，50 ml，55ml，65 ml，75 ml，85ml，100 ml母液，转入13个100 ml容量瓶中定容并贴上标签，分别得到0.000mol/L，0.006mol/L，0.010mol/L，0.012mol/L，0.014mol/L，0.016mol/L，0.018mol/L，0.020mol/L，0.022mol/L，0.026mol/L，0.030mol/L，0.034mol/L，0.040mol/L的十二烷基三甲基溴化铵溶液。（一）、电导法1、实验步骤电导法测定(25C时)不同浓度表面活性剂的电导率调节超级恒温槽温度为26（根据超级恒温槽内部的校正我们组使用超级恒温槽的温度要调至26C才能满足实验要求）。打开电导率仪的电源开关，将“量程选择”旋钮扳到最大测量挡，将“校正-测量”开关扳到“校正”位置，将“温度补偿”旋钮调到“25”。调节“常数校正”旋钮至1。018。取适量已经配好的溶液在恒温槽中恒温15min。调至电导率仪的“测量”档，选择适当的量程依次测得以上13种浓度的十二烷基三甲基溴化铵溶液电导率，记录数据。2、实验数据记录及处理量取母液体积V/ml C mol/L K溶液 /us K /us005.650150.006571565.35250.01966960.35300.01211401134.35350.01413441338.35400.01614261420.35450.01815091503.35500.0216191613.35550.02216951689.35650.02618421836.35750.0319671961.35850.03420802074.351000.0422902284.35图3以溶液浓度为横轴，其对应的电导率为纵轴作图如下：图4联立两个直线方程解得转折点的浓度 C=0.mol/L3、误差计算查得十二烷基三甲基溴化铵的临界胶束浓度（CMC）的理论浓度为0.016 mol/L绝对误差：（0.-0.016）mol/L=-0. mol/L相对误差：|-0.|/0.016*100%=6.825%（二）、紫外分光光度法1、实验步骤打开TU-1810型紫外分光光度计开关。仪器初始化。仪器进行自检,大约需要如果自检各项都正常后 ，进入工作界面，预热半小时后，便可进入以下操作。分别将13组100ml的容量瓶中的溶液转移至50ml的容量瓶中，然后在每个50ml容量瓶中滴加2ul N,N-二乙基苯胺,将容量瓶置于超声波仪中，使N,N-二乙基苯胺完全溶解到溶液中，最后将溶液恒温15min。光谱扫描。根据屏幕菜单提示进入光谱扫描。设置光谱扫描参数：波长范围（先输长波再输短波，一般设置为200nm到400nm）；测光方式 Abs；扫描速度 快速；采样间隔（一般1nm或0.5nm）；记录范围（一般为 0-1）。单击Return退出参数设置。基线校正:选择基线校正按键，在样品池中加入蒸馏水作为参比溶液，基线校正完后单击存入基线，取出参比溶液。扫描倒掉取出的参比溶液，在比色皿中加入0.006molL 1的十二烷基三甲基溴化铵溶液。单击START进行扫描，当扫描完毕后，单击F2,输入阀值1检出图谱的峰值，测量溶液的最大吸收波长。取出比色皿，换用下一个浓度的溶液，充分润洗。测定0.010molL 1的十二烷基三甲基溴化铵溶液的最大吸收波长。以此类推，依次测量其他浓度溶液的最大吸收波长。测量完毕后，关闭开关，取下电源插头，取出样品池洗净、放好，盖好比色皿箱室盖和仪器。2、实验数据记录及处理量取母液体积V/ml C mol/L max /nm00249.5150.006253250.01254.5300.012256350.014258400.016258.5450.018260500.02261550.022260.5650.026261750.03261850.0342611000.04261.5图5以溶液浓度为横轴，其对应的max为纵轴作图如下：图6由表5和表6可得：在实验温度为25的条件下，由紫外法测得溶液在浓度为0.02molL-1和0.022molL-1之间，其最大波长发生变化，取其中间值作为次条件下十二烷基三甲基溴化铵的CMC的值为0.021molL - 1 。3、误差计算查得十二烷基三甲基溴化铵的临界胶束浓度（CMC）的理论浓度为0.016 mol/L绝对误差：（0.021-0.016）mol/L=0.005 mol/L相对误差：|0.005|/0.016*100%=31.25%四、结论在CMC点上，由于溶液的结构改变导致其物理及化学性质(如表面张力，电导，渗透压，浊度，光学性质等)同浓度的关系曲线出现明显的转折，根据实验图像在转折点处：电导法测得的十二烷基三甲基溴化铵的临界胶束浓度（CMC）的值为0.01481 mol/L紫外分光光度计测得的十二烷基三甲基溴化铵的临界胶束浓度（CMC）的值为0.021molL - 1五、结果讨论（横向及纵向分析）1、实验误差：在溶液的配制中产生些许气泡，因为十二烷基三甲基溴化铵溶于水中一摇晃就会起泡泡，导致读数不精确。在超声波中气泡不消失，或溶解不完全会使母液本体中的溶液浓度偏低，从而产生了实验误差。配置不同溶度的溶液时可能存在着移取溶液的不准确，是配置的溶液又引入了误差。仪器本身也存在误差，且实验作图时也引入了大量误差。2、通过分析实验数据，由图4可知，有些点有点偏离线性关系，出现这种误差的原因可能是：电导率仪读数时存在一定的偏差。实验中温度不稳定，温度对电导率也有一定的影响。3、通过分析实验数据，由图5、6可知实验测量值与理论值偏差较大，造成这么大的误差可能的原因有：在进行紫外实验时，加入的N,N-二乙基苯胺未能和溶液混合均匀也有可能引入实验误差。加入N,N-二乙基苯胺的量对实验结果也有影响。溶液中存在杂质对实验的影响非常大，很可能造成多峰值，无法确定最大峰值。4、对比电导法与紫外分光光度计法