Katowice 12.XII.2001

Krytyczne stężenie

powstawania miceli

Damian Łomankiewicz

IV rok chemii

1. Wstęp teoretyczny

Cząsteczkę koloidu złożonego z trudno rozpuszczalnego agregatu oraz ze związanych z nią powłok jonowych nazywamy micelą. Micele zaliczamy do koloidów asocjacyjnych, które powstają przez samorzutne połączenie się większej liczby cząsteczek w agregaty, gdy przekroczone zostanie określone graniczne stężenie roztworu. Zachowanie takie jest typowe dla roztworów mydeł i innych detergentów. W roztworach rozcieńczonych związki te występują w dyspersji molekularnej.

W miarę zwiększania stężenia własności takich roztworów, na przykład ich napięcie powierzch­niowe, lep­kość, przewodnictwo elektryczne, zmieniają się w sposób monotoniczny. Po osiągnięciu pewnego stężenia stwierdza się, że dalsze jego zwiększanie nie zmienia już własności roztworu. Przy tym stężeniu rozpoczyna się bowiem tworzenie kulistych miceli, skupiających ty­siące cząsteczek deter­gentu ustawionych grupą hydrofilową na zewnątrz, a łańcuchami węglowodo­rowymi do wewnątrz miceli.

Micela taka przypomina micelę koloidu liofobowego, będąc skupiskiem wielkiej liczby cząste­czek otoczonych warstwą jonów adsorbowanych na jej powierzchni. Równocześnie jednak jest ona silnie zhydratowana dzięki obecności grup hydrofilowych i pod tym względem przypomina czą­steczkę eukoloidu.

Obserwując zmianę przewodnictwa roztworów o danych stężeniach jesteśmy w stanie wyzna­czyć krytyczne stężenie powstawania miceli w roztworze. Przy stężeniach roztworu poniżej kry­tycznego stężenia powstawania miceli większość jonowych związków powierzchniowo czynnych zachowuje się jak silne elektrolity, tzn. wykazuje stopniowe obniżanie przewodnictwa ze stężeniem. Gdy zaczynają tworzyć się micele, to część przeciwjonów zostaje bezpośrednio związana w war­stwie adsorpcyjnej, co powoduje znaczne zmniejszenie przewodnictwa roztworu. W metodzie tej przedstawia się graficznie zależność przewodnictwa równoważnikowego Λ od pierwiastka kwa­dratowego ze stężenia roztworu lub przewodnictwa właściwego χ₀ od stężenia. Otrzymuje się dwie proste o różnym nachyleniu, przecinające się w punkcie odpowiadającym krytycznemu stężeniu powstawania miceli.

2. Obliczenia

- wyznaczanie stałej naczyńka

gdzie: R - opór

 - przewodnictwo właściwe

c [mol/dm^3]	Λ [S]	R [Ω]	 [Ω^-1m^-1]	k [m^-1]
0,1	1,18·10^-2	85,11	1,2896	109,75
0,01	1,34·10^-3	746,27	0,1413	105,45
0,001	1,58·10^-4	6329,11	0,0147	93,04

wartość średnia k: k_śr = 102,75 m^-1

przewodnictwo wody destylowanej: Λ = 1,95·10^-6 [Ω^-1]

- obliczenie przewodnictwa właściwego  i przewodnictwa równoważnikowego 

roztwór	c [mol/dm^3]	1/R [Ω^-1]	 [Ω^-1m^-1]	Λ [m^2·Ω^-1]
laurynian	1,20·10^-^2	4,58·10^-4	4,71·10^-2	3,92·10^-3	0,1095
roztwór a	9,60·10^-3	3,68·10^-4	3,78·10^-2	3,94·10^-3	0,0980
roztwór b	7,68·10^-3	3,38·10^-4	3,47·10^-2	4,52·10^-3	0,0876
roztwór c	6,14·10^-3	2,78·10^-4	2,86·10^-2	4,65·10^-3	0,0784
roztwór d	4,30·10^-3	2,28·10^-4	2,34·10^-2	5,45·10^-3	0,0656
roztwór e	2,58·10^-3	1,76·10^-4	1,81·10^-2	7,01·10^-3	0,0508
roztwór f	1,29·10^-3	9,31·10^-5	9,56·10^-3	7,41·10^-3	0,0359
roztwór g	6,45·10^-4	4,51·10^-5	4,63·10^-3	7,18·10^-3	0,0254
roztwór h	3,23·10^-4	3,31·10^-5	3,40·10^-3	1,05·10^-2	0,0180
roztwór i	1,61·10^-4	1,71·10^-5	1,75·10^-3	1,09·10^-2	0,0127

Na podstawie wykresu zależności przewodnictwa równoważnikowego od pierwiastka ze stężenie wyznaczono równania opisujące otrzymane wyniki w zakresie wysokich i niskich stężeń.

Dla niskich stężeń:

y = - 0,3010x + 0,0151

Dla wysokich stężeń:

y = - 0,0352x + 0,0076

W punkcie przecięcia się prostych opisanych tymi równaniami można odczytać krytyczne stężenie powstawania miceli:

c_CMC = 7,95·10^-4 mol/dm³

3. Wnioski i błędy

Otrzymany wykres zależności przewodnictwa właściwego od stężenia jest charakterystyczny dla elektrolitów. Dla niskich stężeń zależność jest prostoliniowa, natomiast ze wzrostem stężenia pojawiają się odchylenia spowodowane obniżeniem przewodnictwa.

Na podstawie wykresu zależności przewodnictwa równoważnikowego od pierwiastka ze stęże­nie wyznaczono krytyczne stężenie powstawania miceli. Wynosi ono 7,95⋅10^-4 mol/dm³. Z wykresu widać, że dla pewnych stężeń wartość przewodnictwa nie ulega zmianom. Świadczy to o powsta­waniu miceli, które łączą się w większe agregaty cząstek.

Otrzymane wyniki obarczone są błędami, które mogą być spowodowane niedokładnym przygoto­waniem roztworów oraz nieprecyzyjnymi pomiarami i odczytami wartości przewodnictwa. Ponadto dane tablicowe były odczytane dla temperatury 25°C, a temperatura mierzonych roztwo­rów wynosiła 17°C.

4. Oprogramowanie wykorzystane do opracowania sprawozdania:

a) Microsoft^® Word 2000

b) Microsoft^® Excel 2000

c) Edytor równań Microsoft, wersja 3.01

d) ChemSketch 4.5

Krytyczne stężenie powstawania miceli

3

---