賀國(guó)旭,張 麗,李 光

(平頂山學(xué)院化學(xué)化工系,河南平頂山 467000）

電導(dǎo)法測(cè)定無(wú)機(jī)鹽對(duì)十二烷基磺酸鈉溶液臨界膠束濃度的影響

賀國(guó)旭,張 麗,李 光

(平頂山學(xué)院化學(xué)化工系,河南平頂山 467000）

在40 ℃時(shí)利用電導(dǎo)法測(cè)定了無(wú)機(jī)鹽 NaCl、KCl、CuCl2、ZnSO4、Fe(NO3)3及 AlCl3對(duì)十二烷基磺酸鈉(SDS)溶液臨界膠束濃度(CMC)的影響,并推導(dǎo)了表示無(wú)機(jī)鹽濃度和SDS溶液CMC值之間關(guān)系的線性方程.結(jié)果表明,隨著各種無(wú)機(jī)鹽濃度的增加,SDS溶液的CMC值降低,且不同價(jià)態(tài)的金屬無(wú)機(jī)鹽對(duì)SDS溶液CMC值的影響程度不同;相同價(jià)態(tài)的金屬無(wú)機(jī)鹽如NaCl和 KCl,以及CuCl2和ZnSO4對(duì)CMC值的影響情況相似,而三價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽Fe(NO3)3和AlCl3的影響程度相差較大.

電導(dǎo)法;無(wú)機(jī)鹽;十二烷基磺酸鈉;臨界膠束濃度;測(cè)定

Abstract:The effect of inorganic salts NaCl,KCl,CuCl2,ZnSO4,Fe(NO3)3,and AlCl3on the critical micelle concentration(CMC)of sodium dodecyl sulfonate(SDS)at 40℃was studied by using conductivity method.Several linear mathematical equations concerning the relationship of inorganic salts concentration and the CMC were deduced.Results indicate that the CMC of SDS solution decreases with the increasing concentration of inorganic salts,and the inorganic salts with different valences influence the CMC to varied extent.The inorganic salts with the same valence,like NaCl and KCl as well as CuCl2and ZnSO4,had similar effects on the CMC.But Fe(NO3)3and AlCl3had much different effects on the CMC.

Keywords:conductivity method;inorganic salts;sodium dodecyl sulfonate;critical micelle concentration;determination

十二烷基磺酸鈉(SDS)是一種無(wú)毒的陰離子表面活性劑,其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在酸性或堿性介質(zhì)中以及加熱條件下都不會(huì)分解.它有很好的脫脂能力并能夠降低水的表面張力,具有潤(rùn)濕、滲透和乳化的性能,在工業(yè)上具有廣泛的用途.

表面活性劑在一定濃度時(shí)能形成膠束,形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度,用CMC表示.臨界膠束濃度(CMC)是表征表面活性劑表面活性的重要指標(biāo)之一[1],常用的測(cè)定方法有表面張力法、電導(dǎo)法、染料法、增溶法、滲透壓法等[2].作者利用電導(dǎo)法測(cè)定了不同價(jià)態(tài)金屬無(wú)機(jī)鹽對(duì)SDS溶液CMC的影響,以期為該物質(zhì)表面性質(zhì)的研究提供一定的參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

十二烷基磺酸鈉(SDS),NaCl,KCl,CuCl2·2H2O,ZnSO4·7H2O,Fe(NO3)3·9H2O,AlCl3·6H2O 均為分析純,二次蒸餾水.DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀(上海雷茲新涇儀器有限公司);DJS-1C型電導(dǎo)電極(上?？祵庪姽饧夹g(shù)有限公司);HK-2A超級(jí)恒溫水浴(南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所);FA1604型電子天平(上海儀器天平廠).

1.2 電導(dǎo)率的測(cè)定

1.2.1 SDS溶液電導(dǎo)率的測(cè)定

準(zhǔn)確配制 12 種濃度分別為 2.0、4.0、6.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、16.0、18.0 mmol·L-1的SDS溶液.將上述溶液置于超級(jí)恒溫水槽中(40±0.1℃)恒溫15 min,用DDS-11A型電導(dǎo)率儀從稀至濃依次測(cè)定各溶液的電導(dǎo)率,并以電導(dǎo)率 k對(duì)SDS溶液濃度c作圖(圖1),從而確定其CMC值.

1.2.2 加入不同價(jià)態(tài)無(wú)機(jī)鹽后的混合溶液電導(dǎo)率的測(cè)定

準(zhǔn)確配制五組SDS與NaCl的混合溶液,在各組混合溶液中,SDS的濃度和數(shù)目要適當(dāng)選取,NaCl的濃度分別為0.4、0.8、1.0、10.0、20.0 mmol·L-1將各組溶液置于超級(jí)恒溫水槽中(40±0.1 ℃)恒溫 15 min,分別測(cè)量其電導(dǎo)率,作電導(dǎo)率 k與 SDS溶液濃度 c的關(guān)系圖,從而確定在不同濃度NaCl時(shí) SDS溶液的CMC值(表 1).

用上述相同的方法分別測(cè)定加入不同濃度的 KCl,CuCl2,ZnSO4,Fe(NO3)3和AlCl3后SDS溶液的CMC值.

2 結(jié)果與討論

2.1 SDS溶液CMC值的確定

離子型表面活性劑在稀溶液中分別以正負(fù)離子的形式存在,它們的稀溶液性質(zhì)與正常的強(qiáng)電解質(zhì)溶液相似,溶液的電導(dǎo)率隨濃度的增加而增大[3].圖1表明,隨著SDS溶液濃度的增加,電導(dǎo)率k呈正比增大,在0.011 4 mol·L-1處斜率發(fā)生變化,出現(xiàn)一轉(zhuǎn)折點(diǎn),此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度即為SDS溶液的CMC值.

2.2 一價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽對(duì)SDS溶液CMC值的影響

由圖2～圖6得出加入不同濃度NaCl后SDS溶液的CMC值,如表1所示.表2為加入不同濃度 KCl后SDS溶液的CMC值.由表1與表2可知,SDS溶液的CMC值隨NaCl和 KCl濃度的增加均降低,如NaCl的濃度由0.4 mmol·L-1增加到 20 mmol·L-1時(shí),SDS溶液的 CMC由 10.8 mmol·L-1降到 5.6 mmol·L-1.無(wú)機(jī)鹽對(duì)SDS溶液CMC值的影響主要是金屬離子的影響,而SDS是陰離子表面活性劑與金屬離子所帶的電荷相反,無(wú)機(jī)鹽的加入通過靜電相互作用壓縮離子表面活性劑的離子氛厚度,減少它們之間的靜電排斥作用來(lái)施加影響[4];另一方面增加了表面活性劑的反離子濃度,能壓縮表面活性劑的雙電層,使表面活性劑分子極性頭基上所帶的電荷對(duì)周圍分子極性頭基的作用力范圍減弱[5].因此無(wú)機(jī)鹽的存在可以使表面活性劑分子更易聚集形成膠束,從而導(dǎo)致其CMC值降低.

從表1與表2還可以看出,NaCl和 KCl的濃度c對(duì)SDS溶液CMC值的影響情況相似,并且以lnCMC對(duì)lnc作圖成一條直線,相關(guān)系數(shù) R分別為0.997 5和0.998 7,直線方程分別用式(1)和(2)表示

圖1 SDS溶液濃度-電導(dǎo)率圖Fig.1 The curve of the relationship between SDS concentration and conductivity

圖 2 NaCl濃度為 0.4 mmol·L-1時(shí)SDS溶液濃度-電導(dǎo)率圖Fig.2 The curve of the relationship between SDS concentration and conductivity

圖 3 NaCl濃度為 0.8 mmol·L-1時(shí)SDS溶液濃度-電導(dǎo)率圖Fig.3 The curve of the relationship between SDS concentration and conductivity

圖 4 NaCl濃度為 1.0 mmol·L-1時(shí)SDS溶液濃度-電導(dǎo)率圖Fig.4 The curve of the relationship between SDS concentration and conductivity

圖 5 NaCl濃度為 10.0 mmol·L-1時(shí)SDS溶液濃度-電導(dǎo)率圖Fig.5 The curve of the relationship between SDS concentration and conductivity

圖 6 NaCl濃度為 0.02 mol·L-1時(shí)SDS溶液濃度-電導(dǎo)率圖Fig.6 The curve of the relationship between SDS concentration and conductivity

表1 加入不同濃度NaCl后SDS溶液的CMC值(40℃)Table 1 The CMC of SDS with various concentrations of NaCl(40℃)

表2 加入不同濃度 KCl后SDS溶液的CMC值(40℃)Table 2 The CMC of SDS with various concentrations of KCl(40℃)

2.3 二價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽對(duì)SDS溶液CMC值的影響

表3與表4分別為加入不同濃度CuCl2和ZnSO4后SDS溶液的CMC值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CuCl2和Zn-SO4的存在使SDS溶液的CMC值明顯降低,且其降低作用比一價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽NaCl和 KCl更為顯著.由于溶液中的反離子,主要是影響了表面活性劑的擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu),減弱了十二烷基磺酸根離子之間的排斥作用力,壓縮了表面活性離子頭,使雙電層平均厚度變薄,更易吸附于表面,從而使CMC值降低[3].在這個(gè)過程中靜電作用占主導(dǎo)地位,無(wú)機(jī)鹽中的金屬離子可以作為SDS溶液的反離子而接近帶電荷的SDS膠束的表面.價(jià)態(tài)越高,其靜電作用越大,越易于接近帶電荷的SDS膠束的表面,更易于降低帶電膠束之間的排斥作用,使SDS溶液的CMC值降低越明顯[6].

表3 加入不同濃度CuCl2后SDS溶液的CMC值(40℃)Table 3 The CMC of SDS with various concentrations of CuCl2(40℃)

表4 加入不同濃度ZnSO4后SDS溶液的CMC值(40℃)Table 4 The CMC of SDS with various concentrations of ZnSO4(40℃)

由表3與表4還可以看到,CuCl2和ZnSO4的濃度c對(duì)SDS溶液CMC值的影響情況相似,并且以lnCMC對(duì)lnc作圖成一條直線,相關(guān)系數(shù) R分別為0.999 2和0.998 2,直線方程分別用式(3)和式(4)表示.

2.4 三價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽對(duì)SDS溶液CMC值的影響

表5與表6分別為加入不同濃度 Fe(NO3)3和AlCl3后SDS溶液的CMC值.表中數(shù)據(jù)顯示,隨著 Fe(NO3)3和AlCl3濃度的增加SDS溶液的CMC值均降低,相同濃度時(shí)Fe(NO3)3對(duì)SDS溶液的CMC值的影響比AlCl3大.另外,表中數(shù)據(jù)還顯示,三價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽Fe(NO3)3對(duì)SDS溶液CMC值的影響大于同一濃度的一價(jià)和二價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽的影響.這是由于三價(jià)金屬離子帶有更多的電荷,比一價(jià)和二價(jià)金屬離子更易降低帶電膠束之間的排斥作用,因此其對(duì)SDS溶液CMC值的降低作用更顯著.AlCl3屬于三價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽,雖然在溶液中也完全電離,但其對(duì)SDS溶液的CMC值的影響還不如二價(jià)金屬無(wú)機(jī)鹽CuCl2和ZnSO4,可能是由于其共價(jià)型結(jié)構(gòu)與離子化合物的差別所致.

表5 加入不同濃度Fe(NO3)3后SDS溶液的CMC值(40℃)Table 5 The CMC of SDS with various concentrations of Fe(NO3)3(40℃)

表6 加入不同濃度AlCl3后SDS溶液的CMC值(40℃)Table 6 The CMC of SDS with various concentrations of AlCl3(40℃)

Fe(NO3)3和AlCl3的濃度c對(duì)SDS溶液CMC值的影響程度雖然不同,但分別以lnCMC對(duì)lnc作圖均成一條直線,相關(guān)系數(shù) R分別為0.998 3和0.999 5,直線方程分別用式(5)和式(6)表示.

3 結(jié)論

1)不同價(jià)態(tài)金屬無(wú)機(jī)鹽的加入,均使SDS溶液的CMC值降低;同種濃度的不同無(wú)機(jī)鹽,除了AlCl3之外,價(jià)態(tài)越高,對(duì)SDS溶液CMC值的降低作用越明顯,三種不同價(jià)態(tài)金屬無(wú)機(jī)鹽對(duì)SDS溶液CMC值的影響程度依次為NaCl

2)不同價(jià)態(tài)金屬無(wú)機(jī)鹽的濃度c對(duì)SDS溶液CMC值的影響均符合關(guān)系式lnCMC=A+Blnc,在本實(shí)驗(yàn)中,表面活性劑種類、溫度、溶劑等條件一定時(shí),A、B值與金屬離子價(jià)態(tài)有關(guān).

[1]魏西蓮,尹寶霖,高博生,等.電導(dǎo)法測(cè)定聚合物對(duì)陽(yáng)離子表面活性劑臨界膠束濃度的影響[J].聊城師院學(xué)報(bào),2000,13(1):55-58.

[2]朱云云,周長(zhǎng)山,林清枝.表面活性劑臨界膠束濃度測(cè)定方法的研究[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(bào),1996,20(增刊):141-142.

[3]蔣萍初,白旻.離子型表面活性劑臨界膠束濃度的研究[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào),1994,23(1):43-51.

[4]魯潤(rùn)華,郝京誠(chéng),汪漢卿.添加劑對(duì)十二烷基磺酸鈉溶液性質(zhì)影響的研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,1997,9(3):285-288.

[5]張雪勤,蔡怡,楊亞江.兩性離子/陰離子表面活性劑復(fù)配體系協(xié)同作用的研究[J].膠體與聚合物,2002,20(3):1-5.

[6]馬利靜,周卯星,敬登偉,等.溫度及無(wú)機(jī)鹽對(duì)LMEE和SDS混合溶液表面張力的影響[J].精細(xì)化工,2004,21(2):108-111.

Influence of inorganic salt on critical micelle concentration of sodium dodecyl sulfonate solution determined by conductivity method

HE Guo-xu,ZHANG Li,LI Guang

(Department of Chemistry and Chemical Engineering,Pingdingshan Institute,Pingdingshan467000,Henan,China)

O 647.2

A

1008-1011(2011)02-0068-04

2010-10-08.

平頂山學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2008011).

賀國(guó)旭(1980-),男,講師,主要從事物理化學(xué)的教學(xué)與科研工作.