電導法與最大壓差法測表面活性劑臨界膠束濃度實驗比較

張志慶，王 芳，任 超

（中國石油大學（華東）化學系，山東 青島 266580）

對于高等院校的化學專業(yè)，表面活性劑的基本知識和性質(zhì)是學生必須掌握的內(nèi)容，而且與學生畢業(yè)后的工作息息相關。但遺憾的是，雖然是理論課上重點強調(diào)內(nèi)容，但直到如今我們的物理化學實驗中仍然缺乏關于表面活性劑的實驗，學生缺乏直觀的理解，導致學生踏上工作崗位后這方面知識的不足。

臨界膠束濃度（CMC）作為表面活性劑表面活性的一種量度，其大小與表面活性劑的潤濕、乳化、增溶和起泡等作用密切相關，可以說CMC是表面活性劑溶液性質(zhì)發(fā)生顯著變化的一個“分水嶺”，因此表面活性劑的大量研究工作都與CMC值的測定有關。測定CMC的方法很多，有最大壓差法、表面張力法、電導法、染料法、增溶作用法、光散射法、光度法[1－8]等。這些方法原理上都是依據(jù)溶液的物理化學性質(zhì)隨濃度的變化關系。本文采用化學實驗室常用的兩種小型儀器——微壓差儀（最大壓差法）和電導率儀（電導法），測量了不同離子型表面活性劑的CMC，為物理化學實驗中表面活性劑CMC的測量提供參考。

1 實驗

儀器：DMP－2B型數(shù)字式微壓差測量儀（南京大學應用物理研究所）；SDPS－I型數(shù)顯導率儀（南京桑力電子設備廠）；HH－2型數(shù)顯恒溫水浴鍋（國華電器有限公司）；81－2型恒溫磁力攪拌器（上海司樂儀器有限公司）。

實驗試劑：陰離子表面活性劑：十二烷基硫酸鈉（SDS），十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）陽離子表面活性劑：十二烷基三甲基溴化銨（DTAB），十四烷基三甲基溴化銨（TTAB），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）。上述表面活性劑均為國藥集團化學試劑有限公司的分析純試劑。

2 結果與討論

電導法測量步驟見文獻[9]，最大壓差法測量步驟見文獻[10]，測量結果見圖1—圖4。

圖1 十二烷基硫酸鈉的表面張力曲線

從圖1可以看出，最大壓差法測得的SDS的表面張力（γ）曲線在0.001 1mol／L開始轉折，表明SDS的CMC為0.001 1mol／L；而電導率法測得的SDS電導率（κ）曲線在0.007 8mol／L出現(xiàn)轉折，即 CMC為0.007 8mol／L。文獻[11－12]給出的SDS的 CMC為0.008 6mol／L?？芍呻妼史y得的電導率曲線比最大壓差法測得的表面張力曲線更加準確。

從圖2可得出，最大壓差法測得的SDBS的CMC為 0.007 8mol／L，電導法測出的CMC 為0.012mol／L。文獻[11－12]給出的SDBS的 CMC為0.014mol／L。可知，電導法測出的數(shù)據(jù)與文獻值更接近。

圖2 十二烷基苯磺酸鈉的電導率曲線

對于陽離子表面活性劑DTAB、TTAB及CTAB，無論從最大壓差法測出的表面張力曲線（見圖3），還是電導法測出的電導率曲線（見圖4）都可看出，隨著疏水碳鏈碳數(shù)的增加，表面活性劑的CMC值都顯著降低。這是由于隨著碳鏈的增長，表面活性劑的疏水性增強，形成膠束所需的濃度更低。雖然這2種方法測出的基本規(guī)律是一致的，但2種方法測出的CMC數(shù)值是有差異的，采用最大壓差法與電導法測得的DTAB、TTAB及CTAB的CMC值見表1。

圖3 最大壓差法測得的DTAB、TTAB及CTAB的表面張力曲線

圖4 DTAB、TTAB及CTAB的電導率曲線

表1 最大壓差法與電導法測得的DTAB、TTAB及CTAB的CMC值比較 mol·L－1

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，電導法得出的CMC數(shù)值更接近理論值。

綜上所述，無論是對于陰離子的SDS、SDBS，還是陽離子的DTAB、TTAB及CTAB，采用電導法測得的CMC均比采用最大壓差法測得的CMC更準確，說明在物理化學的教學實驗中測表面活性劑的CMC時，電導率儀比微壓差計更可靠。

經(jīng)分析，采用最大壓差法時，由于表面活性劑的起泡性太強，豐富的泡沫極大地干擾了最大壓差法測量CMC的準確性。此外，表面活性劑在氣液界面吸附達到平衡需要一定時間，但鼓泡時間相對較短，達不到吸附平衡，使得實驗結果誤差大、重現(xiàn)性差。因而最大壓差法只能測不易起泡的、易達到吸附平衡的小分子溶液（如正丁醇）。最大壓差法確定CMC的不準確性，并不代表表面張力法測CMC的靈敏度低，事實證明，采用表面張力儀的吊片法或吊環(huán)法測得的CMC與電導率法測得的數(shù)據(jù)是吻合的。而采用表面張力儀測表面活性劑的CMC對本科實驗又不太可能實現(xiàn)，因為表面張力儀的價格相對昂貴。

采用電導率法測表面活性劑溶液的臨界膠束濃度是非常容易實現(xiàn)的。電導法是經(jīng)典方法，簡便可靠，但只限于離子性表面活性劑。此法對于有較高活性的表面活性劑準確性高，重現(xiàn)性好，對于本科生掌握表面活性劑的基本知識是十分合適的。

3 結束語

通過對電導法和最大壓差法的比較，電導率法測得的CMC數(shù)據(jù)更接近文獻值，說明電導法測定的CMC更加可靠。究其原因，對于離子型表面活性劑，直接測電導率是比較準確的，而通過最大壓差法測表面張力，表面活性劑在氣液界面上吸附達到平衡需要一定時間，但鼓泡時間相對較短，達不到吸附平衡，故數(shù)據(jù)存在的實驗誤差大些。

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