摩爾電導(dǎo)法研究十二烷基硫酸鈉的聚集行為

1、廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 本科學(xué)生綜合性、設(shè)計性實驗報告實驗課程 基礎(chǔ)化學(xué)實驗物理化學(xué)實驗 實驗項目 摩爾電導(dǎo)法研究十二烷基硫酸鈉的聚集 行為 專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班級 學(xué)號 姓名 指導(dǎo)教師及職稱 張建華 開課學(xué)期至 學(xué)年 學(xué)期 時 間 年 月 日1、 實驗方案設(shè)計實驗序號實驗二十實驗項目摩爾電導(dǎo)法研究十二烷基硫酸鈉的聚集行為實驗時間2014.11.08實驗室生化樓411小組成員劉丹彤、賴珍榮、邱金甘、邱瀟薇、黃建嘉、李瑞麒1. 實驗?zāi)康?）了解表面活性劑的特性及膠束形成原理。2）用電導(dǎo)法測定十二烷基硫酸鈉的臨界膠束濃度。3）通過本課題的研究對表面活性劑產(chǎn)品的設(shè)計做出詳細評價與說明。4）復(fù)習(xí)電導(dǎo)

2、率儀的使用方法。2. 實驗研究相關(guān)領(lǐng)域簡況： 表面活性劑是一種具有兩親性質(zhì)的物質(zhì)可以顯著的改變體系表面的 性質(zhì)，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如：在紡織工業(yè)中做洗滌劑、均染劑和分散劑，在石油工業(yè)中作為驅(qū)油劑提高原油采收率或進行油田殺菌等。而臨界膠束濃度會使體系的性質(zhì)發(fā)生突變，因此研究表面活性劑的臨界膠束濃度對表面活性劑在化學(xué)化工方面的應(yīng)用有著十分重要的作用。3. 實驗原理1）表面活性劑的特性及膠束形成原理 能使溶液表面張力明顯降低的溶質(zhì)成為表面活性劑，表面活性劑分子是有親水性的極性基團（通常是離子化）和憎水性的非極性基團（具有818個碳原子的直鏈烴或環(huán)烴）所組成的有機化合物。按例子的類型分為三類：a.陰

3、離子型表面活性劑：十二烷基硫酸鈉SDSb.陽離子型表面活性劑：十二烷基三乙基溴化銨DTEABc.非離子型表面活性劑：聚乙二醇類 表面活性劑為了使自己成為溶液中的穩(wěn)定分子，有兩種途徑：一是它們以低濃度存在于某一體系中時，可被吸附在該體系表面上，采取極性基團向著水，非極性基團脫離水的表面向著空氣，形成單分子膜。二是當溶液濃度增大到一定值時，表面活性劑離子或分子不但在溶液表面聚集而形成單分子層，且在溶液本體內(nèi)部，非極性基團靠在一起，減少非極性基團接觸水，形成膠束。表面活性物質(zhì)在水中形成膠束所需的最低濃度稱為臨界膠束濃度，本次研究就是為了找出臨界膠束濃度CMC。表面活性劑在水中的行為2)表面活性劑臨界

4、膠束濃度的測定原理運用電導(dǎo)法，從溶液的物理化學(xué)性質(zhì)隨濃度變化關(guān)系出發(fā)求得。電導(dǎo)法只限于離子型表面活性劑，不限于GEMINI具有分子間強相互作用的物質(zhì)。另外，過量無機鹽存在會降低測定靈敏度，因此配置溶液應(yīng)用電導(dǎo)水。對于離子型表面活性劑溶液，當溶液濃度很稀時，電導(dǎo)的變化規(guī)律也和強電解質(zhì)一樣；但當濃度達到臨界膠束濃度時，隨著膠束的生成，電導(dǎo)率發(fā)生改變，摩爾電導(dǎo)急劇下降。這就是電導(dǎo)法測定CMC的依據(jù)。對于本次研究重在測定不同的電導(dǎo)率值，計算出相應(yīng)的摩爾電導(dǎo)率值m，然后作m-C圖，得到相應(yīng)的圖，從圖中找到轉(zhuǎn)折點便是CMC。公式：電導(dǎo)率除以溶液濃度便可得到摩爾電導(dǎo)率。電導(dǎo)率：1S/cm=10-4S/m,濃

5、度：1mol/L,摩爾電導(dǎo)率：10-1S*m2/mol(本次實驗有可能運用)。十二烷基硫酸鈉水溶液的物理性質(zhì)和濃度的關(guān)系4.實驗問題1、探究溫度對CMC的影響，設(shè)置恒溫池的溫度為25、30、35、40、45、50。2、探究有機溶劑對CMC的影響，選用乙醇，在25條件下設(shè)置體積分數(shù)為2%、4%、6%、8%、10%、12%。5.實驗儀器與試劑儀器DDS-11A型電導(dǎo)率儀2臺，電導(dǎo)電極2支，CS501型恒溫水浴2套，1000ml容量瓶2個、分析天平1個、250ml大燒杯4個、玻璃棒6支、帶鉤錐形瓶24個、膠頭滴管6個、10ml移液管4條、20ml移液管6條、100ml容量瓶24個、標簽紙若干試劑十二

6、烷基硫酸鈉固體、無水乙醇、電導(dǎo)水（自來水）、蒸餾水6.實驗裝置圖 7.實驗方法步驟及注意事項a.探究溫度對SDS的CMC的影響1) 打開電導(dǎo)儀電源，預(yù)熱15分鐘2) 配制0.050mol/L十二烷基硫酸鈉（M=288）溶液3) 準確稱量80干燥3h后的十二烷基硫酸鈉(SDS) 14.694g（以98%計算）溶于干燥的250mL燒杯中，加入蒸餾水攪拌溶解。待冷卻到室溫后轉(zhuǎn)入1000mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，定容為原始溶液備用，此原始溶液濃度為0.050mol/L。4) 溶液配制分別量取0.050mol/L原始溶液4mL、8mL、12mL、14mL、16mL、18mL、20mL、24mL、

7、28mL、32mL、36mL、40mL至100ml容量瓶中，加水至100mL定容。各溶液濃度分別為0.002mol/L、0.004mol/L、0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol/L、0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L5) 調(diào)節(jié)恒溫槽水溫至（250.1）將CS501型恒溫水浴設(shè)置溫度為25，打開攪拌與加熱按鈕，對水進行恒溫256) 用蒸餾水洗電導(dǎo)池和電導(dǎo)電極三次（注意不要直接沖洗電極，以保護鉑黑），再用待測液洗3次，向250ml錐形瓶中加入適量的0.00

8、2mol/L待測液，插入電導(dǎo)電極，恒溫10min。7) 將電導(dǎo)率儀的“量程選擇”旋鈕扳到最大測量擋，將“校正測量”開關(guān)扳到“校正”位置，將“溫度補償”調(diào)到25。根據(jù)電極上標明的電極常數(shù)，調(diào)節(jié)“常數(shù)校正”旋鈕至1.0。將“校正測量”開關(guān)扳到“測量”位置，調(diào)節(jié)“量程選擇”旋鈕,根據(jù)儀器顯示數(shù)字的有效數(shù)字確定適當量程。此時，所顯示的數(shù)值為該溶液電導(dǎo)率。8) 將“校正-測量”開關(guān)扳到“校正”位置，倒掉250ml錐形瓶中的溶液，用下一個較濃十二烷基硫酸鈉的溶液(0.004mol/L)淌洗電導(dǎo)池和電導(dǎo)電極三次，向250ml錐形瓶倒入適量該溶液，插好電極，恒溫15min后，按步驟6和7測定其電導(dǎo)率。如此按由

9、稀到濃的順序，測定其他濃度（0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol/L、0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L）十二烷基硫酸鈉溶液的電導(dǎo)率。 9) 用去離子水將電導(dǎo)池和電導(dǎo)電極洗凈，按步驟7）測水的電導(dǎo)率。調(diào)節(jié)恒溫水浴升溫，按1)-10)步驟測定在30、35、40、45下的上述系列濃度梯度的SDS溶液和去離子水的電導(dǎo)率，并記錄數(shù)據(jù)于表中。b.探究有機溶劑無水乙醇對SDS的CMC的影響1) 準確稱量80干燥3h后的十二烷基硫酸鈉(SDS) 14.694g（以98

10、%計算）溶于干燥的250mL燒杯中，加入蒸餾水攪拌溶解。待冷卻到室溫后轉(zhuǎn)入1000mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，定容做原始溶液備用，此原始溶液濃度為0.050mol/L。2) 溶液配制 分別量取0.050mol/L原始溶液4mL、8mL、12mL、14mL、16mL、18mL、20mL、24mL、28mL、32mL、36mL、40mL至100ml容量瓶中，向容量瓶中加入2ml無水乙醇，然后向100ml容量瓶加水至100mL定容。各溶液濃度分別為0.002mol/L、0.004mol/L、0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol

11、/L、0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L并且乙醇含量為2%。同理，分別加入4ml、6ml、8ml、10ml、12ml無水乙醇于100ml容量瓶，然后定容100ml。各溶液濃度分別為0.002mol/L、0.004mol/L、0.006mol/L、0.007mol/L、0.008mol/L、0.009mol/L、0.010mol/L、0.012mol/L、0.014mol/L、0.016mol/L、0.018mol/L、0.020mol/L并且乙醇含量為4%、6%、8%、10%、12%。3) 將CS501型恒溫水浴設(shè)置溫度

12、為25，打開攪拌與加熱按鈕，對水進行恒溫254) 接通電源前，先觀察表針是否指向零，如果不指向零，機械調(diào)零。將校正、測量檔開關(guān)置于“校正”位置。插接電源線，打開電源線，預(yù)熱3分鐘。將量程開關(guān)打到最大，然后逐漸減少。當被測量液體電導(dǎo)率低于300S/cm時，選用“低周”，即選用*103一下的量程，反之就用“高周”。5) 將2）定容后的溶液全部轉(zhuǎn)移至250ml錐形瓶中,將250ml錐形瓶放入25恒溫池中，恒溫5min。將電導(dǎo)電極放入錐形瓶的溶液中測量其電導(dǎo)率。并記錄于表中。注意事項：1、溶液配制過程中，每一組人用同一條移液管，減少系統(tǒng)誤差；2、DDS-11A型電導(dǎo)率儀的指針盡量指在表盤的中央；3、若

13、SDS約為100%純凈取14.419g；4、定容時注意不要超過刻度線；5、配制溶液必須保證表面活性劑完全溶解；6、電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率隨溫度的變化而改變，因此，在測量時應(yīng)保持被測體系必須處于恒溫條件下；7、使用前，先清洗電導(dǎo)電極，清洗時兩個鉑片不能有機械摩擦?？捎秒妼?dǎo)水淋洗?？捎秒妼?dǎo)水淋洗，然后后將其豎直，用濾紙輕吸，將水吸凈，但不能用濾紙擦鉑片。使用過程中其電極片必須完全浸入所測的溶液中。使用完后，電極必須保持干燥；8、注意電導(dǎo)儀應(yīng)由低到高的濃度順序測量樣品的電導(dǎo)率。8.數(shù)據(jù)處理a. 作出摩爾電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系圖，從圖中轉(zhuǎn)折點得出臨界膠束濃度值。b. 查文獻值，計算相對誤差。十二烷基硫酸鈉(S

14、DS)的理論CMC值：25為8.2*10-3mol/L、40為8.7*10-3mol/L。c. 根據(jù)計算吉布斯自由能，通過查找文獻，吉布斯自由能小于0，且=0.555。9.問題討論1、通過計算相對誤差，分析實驗誤差有可能出現(xiàn)的步驟，對有可能出現(xiàn)的誤差步驟提出更好的改進方法；2、對文獻進行比對，驗證我們的綜合性實驗是否與文獻的結(jié)論相符；3、從實驗結(jié)果分析溫度、乙醇的用量、無機鹽離子Ca2+對SDS的CMC的影響。10.參考文獻1呂建曉,王 棟,周集體,鄭攀峰.EMF和電導(dǎo)率法對SDS膠束體系熱力學(xué)性質(zhì)研究.大連理工大學(xué)學(xué)報.第46卷第5期.2 0 0 6年9月.2肖進新,肖寒,藍亭,暴艷霞, 趙

15、振國.SDS及其與十二烷基三乙基溴化銨混合體系在礦化水中的表面活性.化學(xué)學(xué)報.2004年第62卷第4 期,351 354.2004年.3趙劍曦.表面活性劑水溶液的電導(dǎo)率研究方法和一些特征數(shù)據(jù)的提取.物理化學(xué)學(xué)報.2010, 26(10):2589-2596.4尚宏利.金屬鹽對雙子表面活性劑臨界膠束濃度的影響.化學(xué)進展.2011年第30期曾刊.5舒夢,陳萍華等.十二烷基硫酸鈉的臨界膠束濃度的測定及影響分析.化工時刊.第28卷第3 期.2014年3月.6陳平初李武客.為什么要引入摩爾電導(dǎo)率.大學(xué)化學(xué).第20卷第5期.2005年10月.7Wajih Al-Soufi,Lucas Pieiro,Mer

16、cedes Novo.A model for monomer and micellar concentrations in surfactant solutions:Application to conductivity, NMR, diffusion, and surface tension data.Journal of Colloid and Interface Science 370 (2012) 102110.8Imidazolium-based ionic liquids as modulators of the critical micelle concentration of

17、SDS.教師對實驗方案設(shè)計的意見簽名： 年 月 日 不同濃度SDS 的電導(dǎo)率隨溫度的變化圖2、 實驗報告1、實驗原始數(shù)據(jù)探究溫度對SDS的CMC的影響編號123456V（SDS)/mL4812141618C(SDS)mol/L0.0020.0040.0060.0070.0080.009編號溫度/電導(dǎo)率k/*單位：S/cm1250.1870.3390.4600.5110.5600.6012300.2070.3790.5100.5620.6210.6623350.2380.4100.5700.6260.7010.7394400.2600.4500.6300.7100.7700.8105450.28

18、20.4880.6880.7810.8700.9206500.3020.5390.7720.8410.9501.020編號789101112V（SDS)/mL202428323640C(SDS)mol/L0.010.0120.0140.0160.0180.020 編號溫度/電導(dǎo)率k/* 單位：S/cm1250.642 0.741 0.821 0.920 0.990 1.060 2300.720 0.820 0.920 1.010 1.110 1.152 3350.830 0.931 1.000 1.110 1.220 1.250 4400.830 1.030 1.130 1.250 1.350

19、 1.390 5451.010 1.130 1.240 1.360 1.480 1.600 6501.080 1.190 1.351 1.470 1.610 1.710 探究有機溶劑無水乙醇對SDS的CMC的影響V(醇)/% C(SDS)=0.05mol/L編號123456V（SDS)/mL4812141618C(SDS)mol/L0.0020.0040.0060.0070.0080.009編號V(醇)/mLC(醇)/%電導(dǎo)率k/*單位：S/cm1220.2410.3410.4210.4890.5200.5502440.2390.3350.4200.4910.5000.5393660.2100

20、.3400.4390.4590.4990.5404880.1450.2960.3620.3960.4180.448510100.1400.3010.3610.3980.4050.426612120.1190.2410.3110.3500.4120.421V(醇)/% C(SDS)=0.05mol/L編號789101112V（SDS)/mL202428323640C(SDS)mol/L0.010.0120.0140.0160.0180.020編號V(醇)/mLC(醇)/%電導(dǎo)率k/*單位：S/cm1220.5590.6200.7010.7580.8170.8802440.5200.5990.67

21、00.7420.7790.8453660.5090.5780.6700.6990.7700.8304880.4630.5600.6420.6860.7460.821510100.4790.5410.6190.6820.7220.798612120.4590.5380.5960.6920.7500.761添加了乙醇時對SDS 的臨界膠束濃度的影響根據(jù)（其中k的單位為 ，c的單位為，所以摩爾電導(dǎo)率m的單位為），畫出“溫度對SDS的CMC影響”的圖。2、數(shù)據(jù)處理 根據(jù)“探究溫度對SDS的CMC的影響”得到的原始數(shù)據(jù)，用origin軟件進行處理（畫圖），得到以下數(shù)據(jù)：不同溫度對應(yīng)的十二烷基硫酸鈉的CM

22、C：溫度T/CMC（SDS）mol/L250.0077300.0079350.0080400.0084450.0089500.0103 查相關(guān)文獻，得到，十二烷基硫酸鈉（SDS）的理論CMC值：25為mol/L,40為mol/L。相對誤差：25:(7.7-8.2)/8.2*100%=-6.1%40:(8.4-8.7)/8.7*100%=-3.4% 根據(jù)“探究有機溶劑無水乙醇對SDS的CMC的影響”得到的原始數(shù)據(jù)，用origin軟件進行處理（畫圖），得到以下數(shù)據(jù)：不同乙醇的體積分數(shù)對應(yīng)十二烷基硫酸鈉的CMC：乙醇體積分數(shù)%CMC（SDS）mol/L20.008340.009260.009580.

23、0114100.0117120.0129根據(jù)計算吉布斯自由能，通過查找文獻，吉布斯自由能小于0，且=0.555溫度T/Kcmc(SDS)mol/L吉布斯自由能/J2980.0077 -3857.4910 3030.0079 -3922.1067 3080.0080 -3986.7355 3130.0084 -4051.3280 3180.0089 -4115.9116 3230.0103 -4180.4068 由結(jié)果可以得出，在實驗范圍內(nèi)，吉布斯自由能均為負值，表明膠束化過程可以自發(fā)進行。3、結(jié)果與討論a. 由“不同濃度SDS 的電導(dǎo)率隨溫度的變化圖”可以計算出SDS 的CMC 值，其結(jié)果見表

24、“不同溫度對應(yīng)的十二烷基硫酸鈉的CMC”。由表“不同溫度對應(yīng)的十二烷基硫酸鈉的CMC” 中數(shù)據(jù)可以看出: 在一定的溫度范圍內(nèi)( 25-50) ，隨著溫度的升高，CMC 增大，其CMC 的增大幅度不是很大，這可能是因為溫度的升高不利于離子型的表面活性劑分子聚集成膠束，膠束的穩(wěn)定性減小，使得表面活性劑難以進入膠束，致使CMC 上升。另外可能是溫度的升高，可以使憎水基周圍的水結(jié)構(gòu)破壞、妨礙膠束的形成，也使CMC 上升。b. 由“添加了乙醇時對SDS 的臨界膠束濃度的影響”可以計算出加入乙醇后SDS的CMC值，并且對比“不同濃度SDS 的電導(dǎo)率隨溫度的變化圖”可知，在289 K 下，短鏈極性醇的加入，

25、使得SDS 的CMC 值隨乙醇的加入量隨體積比從0% 12% 增大而增大。這可能是由于乙醇濃度的增加，溶劑性質(zhì)的改變，使得表面活性劑的溶解度增大，從而使CMC 上升; 也可能是乙醇與水分子發(fā)生強烈的作用，特別是形成氫鍵，破壞水的結(jié)構(gòu)，使溶液的其他物理性質(zhì)也發(fā)生改變，消弱了表面活性劑的憎水效應(yīng)和膠束形成能力，不利于膠束作用的形成，使CMC 上升。c. 在實驗范圍內(nèi)（298K323K），吉布斯自由能均小于0，說明十二烷基硫酸鈉在不同溫度下的CMC時，SDS的膠束化均自發(fā)進行。4. 結(jié)論 通過采用摩爾電導(dǎo)法對十二烷基硫酸鈉（SDS）的臨界膠束濃度（CMC）進行了測定。探討了溫度和乙醇等對臨界膠束濃度

26、的影響，在25-50隨著溫度的升高，CMC 增大; CMC 值隨乙醇的加入量隨體積比從0%12%（以2%為梯度）增大而增大。通過文獻給予的值（0.555），計算出的吉布斯自由能均小于0，初步驗證該實驗中發(fā)生的SDS膠束化為自發(fā)過程，驗證了文獻的正確性。三實驗總結(jié)1、本次實驗成敗及其原因分析本次實驗做得比較成功。優(yōu)勢： 做實驗之前，做了比較多的準備工作。像，閱讀了一些文獻，對本次實驗有比較好的理解。不足： 從“探究溫度對SDS的CMC的影響”的數(shù)據(jù)處理來看，相對誤差比較大，25、40都大于1%。造成這個的原因：系統(tǒng)誤差；配制溶液時，固體物質(zhì)還沒有完全溶解在水中；配制時由于產(chǎn)生泡沫，影響定容；測量時并不是“由低到高”測量；測量兩個電導(dǎo)率（部分）之間，并沒有用電導(dǎo)水清洗干凈及吸干；溫度波動對電導(dǎo)率的測量造成影響。2、 本實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及改進措施本人認為本實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于配制溶液以及測量電導(dǎo)率。如果