電導法測定水溶性表面活性劑CMC實驗的改進*

陳玉煥，候安宇，張姝明，張西慧，王桂香

(1 河北工業大學，天津　300130;2 中國石油天然氣管道局四公司，河北　廊坊　065000)

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電導法測定水溶性表面活性劑CMC實驗的改進*

陳玉煥1，候安宇2，張姝明1，張西慧1，王桂香1

(1 河北工業大學，天津300130;2 中國石油天然氣管道局四公司，河北廊坊065000)

對實驗操作繁瑣的水溶性表面活性劑臨界膠束濃度的測定做出了改進：使用恒溫水浴、改變溶液配置方法和電極使用方法。以上改進使實驗測定結果更加準確、可靠；避免了實驗操作中大量容量瓶的清洗及潤洗，使實驗操作更加簡單快捷；減少了表面活性劑的用量，降低實驗成本；延長了電極的使用壽命，減少儀器設備的損耗。通過本實驗改進加深了學生對該實驗原理和方法的理解，并引導學生在遇到問題時能用變通的思維方式去尋找更加簡單有效的解決方法。

十二烷基硫酸鈉；臨界膠束濃度；電導率；實驗改進

表面活性劑作為一種工業上廣泛應用的精細化工產品，具有潤濕、乳化、增溶、起泡等作用，以上作用與表面活性劑的臨界膠束濃度CMC(critical micelle concentration)密切相關；同時CMC也是衡量表面活性劑活性強度的重要參數。因此，CMC的測定具有重要的理論意義和實際意義。同樣，對于化工類的高等院校，表面活性劑CMC的測定已經成為物理化學實驗教學中的一個重要內容。

圖1　表面活性劑的排列與濃度的關系

表面活性劑分子具有明顯的“兩親”性質，既含有較長的(大于10～12個碳原子)烷基憎水性基團，又含有親水的極性基團(通常是離子化的)。因此，表面活性劑分子在較低濃度的水溶液中排列狀態如圖1(a)所示，一部分表面活性劑分子將自動聚集于表面層，使水和空氣的接觸面減少；另一部分表面活性劑分子則分散在水中，以單分子或簡單的聚集體的形態存在。當表面活性劑溶液的濃度足夠大時(圖1(b))，表面活性劑分子在液面上形成單分子膜，達到飽和；在本體水溶液中則以憎水基自相結合，形成憎水基向里親水基向外的多分子聚集體，即膠束。表面活性劑分子開始形成膠束所需的最低濃度，稱為臨界膠束濃度CMC。當溶液濃度超過臨界膠束濃度時(圖1(c))，液面上形成緊密的定向排列的單分子膜，達到飽和狀態，本體溶液中則形成不同數量的膠束。膠束的形狀可以是球狀、棒狀或層狀等。

因此，CMC是表面活性溶液性質發生顯著變化的分水嶺，如表面張力、電導、滲透壓、濁度、光學性質等(圖2)，依據以上性質的變化可以測定表面活性劑的臨界膠束濃度。

圖2　表面活性劑溶液的物理性質和濃度的關系

目前，物理化學實驗教學中常用的方法是電導法測定水溶性表面活性劑臨界膠束濃度。該實驗多以十二烷基硫酸鈉SDS(Sodium dodecyl sulfate)為研究對象，利用其形成膠束時溶液結構的改變而導致其物理性質，如電導率、摩爾電導率，同濃度的關系曲線出現明顯的轉折，從而確定CMC。

目前，利用電導法測定表面活性劑臨界膠束濃度的實驗中多數[1-9]需要使用大量的容量瓶配置8～14個不同濃度的溶液，通過電導率儀的溫度補償功能，分別測定其電導率，并進一步確定CMC。

但該法存在有以下不足之處：(1)溫度對表面活性劑的臨界膠束濃度有較大的影響。本實驗中通過表面活性劑形成膠束前后電導率變化趨勢的不同來確定其臨界膠束濃度，因此電導率必須非常準確，特別是形成膠束前后的溶液的電導率。而在實驗過程中多數采用的電導率儀的溫度補償方法，按照一定的溫度系數換算出某一溫度下的電導率，會對準確度要求較高的本實驗會產生較大的誤差，從而影響臨界點的確定，導致實驗誤差較大。(2)表面活性劑溶液在配置過程中會產生大量的泡沫，影響移液管、容量瓶定容時體積的確定，從而影響溶液濃度的準確性，并進一步影響實驗結果；且大量容量瓶的使用使得實驗操作較為繁瑣、復雜。(3)每測定一個樣品時，都需要潤洗電導池，把電極沖洗干凈，并用濾紙條吸干電極上的水，否則會對樣品溶液的濃度產生影響。此步驟操作必然會損傷鉑電極，從而影響電極的使用壽命；同時使該實驗操作更加耗時、且浪費大量的表面活性劑溶液。

針對以上實驗方法中所存在的不足之處，本實驗從實驗裝置、溶液配置、測定中電極使用等方面做出改進，以在保證良好實驗結果的前提下，可以簡化實驗操作、縮短實驗時間，同時減少儀器設備和試劑的損耗。

1　實　驗

1.1儀器與試劑

DDSJ-308A型電導率儀1臺，DJS-1型鉑電極1支，SYP-Ⅲ恒溫水浴1套，干燥單管電導池2個，25 mL移液管2個、5 mL和10 mL移液管各1個，十二烷基硫酸鈉(分析純)，電導水。

1.2實驗步驟

將十二烷基硫酸鈉于80℃在干燥箱中烘干3 h后，準確稱量28.8380 g干燥的十二烷基硫酸鈉并稀釋至5000 mL，此母液濃度為0.02 mol·L-1，留做備用。打開恒溫水浴調節溫度至25℃，開通電導率儀，預熱20分鐘。用移液管準確量取30 mL電導水于干燥單管電導池中，依次加入4 mL、4 mL、5 mL、4 mL、4 mL、4 mL十二烷基硫酸鈉母液，另一干燥的單管電導池中加入30 mL十二烷基硫酸鈉母液，并依次加入0 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、8 mL電導水，形成一系列不同濃度的十二烷基硫酸鈉溶液，在水浴中恒溫后按照濃度從小到大的順序測定其電導率，每2 min讀1次，平行讀3次，取其平均值。

2　結果與討論

2.1實驗裝置的改進

本實驗中通過表面活性劑形成膠束前后電導率變化趨勢的不同來確定其臨界膠束濃度，因此電導率必須非常準確，特別是形成膠束前后的溶液的電導率。而電導率儀的溫度補償功能多按照一定的溫度系數進行轉換，對準確度要求較高的本實驗會產生較大的誤差，影響臨界點的確定。因此，本實驗改進中通過使用恒溫水浴避免了電導率儀溫度補償操作對電導率數值所產生的影響，從而保證臨界膠束濃度的準確性。

2.2溶液配置方法的改進

事先配置好濃度為0.02 mol·L-1表面活性劑溶液作為母液，實驗操作中不同濃度的待測樣品則通過以下方式配置：用移液管準確量取30 mL電導水于干燥單管電導池中，依次加入4 mL、4 mL、5 mL、4 mL、4 mL、4 mL十二烷基硫酸鈉母液；另一干燥的單管電導池中加入30 mL十二烷基硫酸鈉母液，并依次加入0 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、8 mL電導水，震蕩混合均勻后形成一系列不同濃度的十二烷基硫酸鈉溶液，在水浴中恒溫后按照濃度從小到大的順序測定其電導率。此改進避免了大量容量瓶的使用、清洗和后期電導測定過程中的潤洗步驟，使實驗操作更加簡單，從而顯著地縮短了實驗時間。同時在實驗過程中還可以根據數據采集密度的需要靈活地設置、調節溶液的濃度。

2.3實驗測定過程的改進

因以上溶液配置方法的改進，在樣品電導率測定時，每一個樣品測定完畢業后，電極無需清洗，可直接于電導池中測定下一個混合均勻且已恒溫的樣品。此改進縮短了實驗操作時間，且不會因電極沖洗是否干凈、電導水是否擦拭干凈而影響溶液濃度，同時避免了因濾紙擦拭對電極造成的損耗，從而延長其使用壽命。

圖3　25℃時不同濃度的十二烷基硫酸鈉溶液的電導率及擬合結果

樣品編號c×102/(mol/L)κ/(×10-3S/m)c-κ直線擬合結果(1)0.23530.179(2)0.42110.270(3)0.60470.356(4)0.72340.409(5)0.82350.455R2=0.9996a=70.86b=468.20(6)0.90910.475(7)1.07140.524(8)1.25000.578(9)1.42860.623(10)1.62160.676(11)1.81820.732(12)2.00000.784R2=0.9995a=222.93b=280.38

按照以上改進方法，本實驗測得25℃十二烷基硫酸鈉在純水中的臨界膠束濃度為8.096×10-3mol·L-1(表1、圖3)，與文獻報道值[8-12]7.8×10-3～8.6×10-3mol·L-1基本一致。

因此，本報道中對電導法測定水溶性表面活性劑臨界膠束濃度的改進，使得該實驗操作更加簡單、快速、結果更準確，同時延緩了電極的使用壽命。

3　結　論

通過本實驗方法的改進，顯著地縮短了實驗教學工作時間，降低了儀器設備和試劑的損耗，同時使學生能夠從本實驗操作的改進中更加系統、透徹地理解本實驗內容，并引導學生在遇到問題時能用變通的思維方式去尋找更加簡單有效的解決方法。

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Experimental Improvement on Determination of Critical Micelle Concentration of Soluble Surfactant by Conductometric Method

CHEN Yu-huan1,HOU An-yu2,ZHANG Shu-ming1,ZHANG Xi-hui1,WANG Gui-xiang1

(1 School of Chemical Engineering and Technology,Hebei University of Technology,Tianjin 300130;2 NO.4 Company,China Petroleum Pipeline Bureau,Hebei Langfang 065000,China)

Experimental improvement on determination of critical micelle concentration of surfactant was made by thermostat and improving solution preparation and electrode using.Compared with conventional method,these improvements greatly reduced the loss of electrode and regents.Experimental process was much simpler and the results were more accurate.Experiment innovation ability of students was improved and the understanding on working mechanism was also strengthened.

sodium dodecyl sulfate；critical micelle concentration；conductivity；experimental improvement

河北工業大學教育教學改革研究項目(201504013)。

陳玉煥，女，副教授，主要從事綠色化學方面的應用基礎研究。

O647.2

B

1001-9677(2016)06-0130-03