WYZNACZANIE KRYTYCZNEGO STĘŻENIA MICELIZACJI (CMC) Z POMIARÓW PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było wyznaczenie krytycznego stężenia micelizacji (minimalnego stężenia, przy którym tworzą się micele), jednym z wielu sposobów; tu akurat wykorzystano przewodnictwo elektryczne roztworu, zmierzone za pomocą konduktometru.

Przebieg ćwiczenia:

Aparatura i odczynniki: konduktometr, naczyńko konduktometryczne, szkło laboratoryjne (zlewki, kolby miarowe, szklane bagietki, pipety); woda 2-krotnie destylowana, 0,01 M roztwór KCl, stały chlorek dodecylopirydyniowy.

Wykonanie:

1. Sporządzono 250 cm3 roztworu chlorku dodecylopirydyniowego o stężeniu 0,05 M. W tym celu odważono 3,554 g stałej substancji, przeniesiono ją do kolby miarowej na 250 cm3, rozpuszczono w wodzie, dopełniono do kreski i ostrożnie wymieszano.

2. Wyjściowy roztwór rozcieńczono w mniejszych kolbkach (50 cm3) i otrzymano stężenia: 0,006 M, 0,008 M, 0,010 M, 0,012 M, 0,014 M, 0,016 M, 0,018 M, 0,02 M, 0,022 M, 0,024 M.

3. Za pomocą konduktometru zmierzono przewodnictwo wody, KCl i roztworów surfaktantu (od najniższego stężenia do najwyższego). Wyniki zestawiono w tabeli 1.

Opracowanie wyników:

Temperatura śr = 24 [°C]
Stężenie roztworu [M]
Woda 0 %
0,1 M KCl
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
0,022
0,024

Tabela 1: Wyniki pomiaru przewodnictwa elektrycznego i obliczone przewodnictwo właściwe

Wyznaczono stałą naczyńka pomiarowego ze wzoru (1):

$$k = \frac{\kappa_{\text{KCl}}}{L_{\text{KCl}}}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{1}{\text{cm}} \right\rbrack$$

Wartość κ_KCl odczytano z tabeli (rozdział „Zależność przewodnictwa od stężenia”) dla temperatury 297 K:

κ_KCl = 0,001386 [1/Ω*cm]

L_KCl = 0,001275 [S]

Zatem:

k = 1,087059 [1/cm]

Przekształcając odpowiednio wzór (1) wyprowadzono zależność pozwalającą obliczyć κ roztworów surfaktantu:

$$\kappa_{\text{surf}} = k \times L_{\text{surf}}\text{\ \ }\left\lbrack \ \frac{1}{\Omega \times cm} \right\rbrack$$

Podstawiając do wzoru dane pomiarowe i przemnażając je przez wyliczoną stałą k otrzymano wyniki, które zestawiono w tabeli 1.

Krytyczne stężenie micelizacji dla roztworu surfaktantu odczytano z wykresu 1:

Wykres 1: Zależność przewodnictwa właściwego od stężenia roztworu surfaktantu

Literaturowe CMC dla temperatury 298 K wynosi 0,015 mol/dm³.

Doświadczalnie wyznaczone CMC dla temperatury 297 K wynosi w przybliżeniu 0,017 mol/dm³.

Wnioski:

Krytyczne stężenie micelizacji, czyli najniższe stężenie, przy którym obserwuje się agregację surfaktantu w roztworze, wyznacza się korzystając z właściwości fizycznych związków powierzchniowo-czynnych. W przeprowadzanym doświadczeniu wykorzystano pomiary przewodnictwa wodnych roztworów chlorku dodecylopirydyniowego o różnych stężeniach. Związek ten w wodzie dysocjuje i zachowuje się jak silny elektrolit.

Wykres 1 ilustruje zależność przewodnictwa od stężenia roztworu. Obserwowano ciągły wzrost przewodnictwa w miarę jak zwiększało się stężenie roztworu chlorku, lecz do pewnego momentu, w którym nastąpiło skokowe zmniejszenie się przyrostów przewodnictwa (rosło ono dalej, ale już nie w tak znacznym stopniu, jak przy niższych stężeniach). W tym momencie nastąpiło przekroczenie CMC i cząsteczki surfaktantu zaczęły tworzyć micele, co znacząco wpłynęło na obniżenie przewodnictwa.

CMC literaturowe (298 K) = 0,015 mol/dm3, natomiast te wyznaczone eksperymentalnie (w temperaturze 297 K) – odczytane z wykresu – około 0,017 mol/dm3.

Doświadczalne krytyczne stężenie micelizacji jest nieco wyższe od tablicowego. Zależność temperaturowa nie odgrywa tu większej roli, ponieważ znaleziono przypadki substancji, których CMC wzrastało, malało, a nawet wzrastało i malało jednocześnie wraz ze wzrostem temperatury . Micele, czyli koloidalne twory mają właściwości fizyczne znacznie odbiegające od właściwości kationów surfaktantu. Wartości CMC uzyskane drogą analizy różnych pomiarów właściwości fizykochemicznych nie muszą być absolutnie zgodne – zazwyczaj zgodne są dla surfaktantów o niskich wartościach CMC niż dla tych z wysoką wartością CMC.

Bibliografia:

[1] T.Bieszczad, M.Boczar, D.Góralczyk, W.Jarzęba, A.M.Turek, „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej”, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2000.