电导法与最大压差法测表面活性剂临界胶束浓度实验比较

张志庆，王 芳，任 超

（中国石油大学（华东）化学系，山东 青岛 266580）

对于高等院校的化学专业，表面活性剂的基本知识和性质是学生必须掌握的内容，而且与学生毕业后的工作息息相关。但遗憾的是，虽然是理论课上重点强调内容，但直到如今我们的物理化学实验中仍然缺乏关于表面活性剂的实验，学生缺乏直观的理解，导致学生踏上工作岗位后这方面知识的不足。

临界胶束浓度（CMC）作为表面活性剂表面活性的一种量度，其大小与表面活性剂的润湿、乳化、增溶和起泡等作用密切相关，可以说CMC是表面活性剂溶液性质发生显著变化的一个“分水岭”，因此表面活性剂的大量研究工作都与CMC值的测定有关。测定CMC的方法很多，有最大压差法、表面张力法、电导法、染料法、增溶作用法、光散射法、光度法[1－8]等。这些方法原理上都是依据溶液的物理化学性质随浓度的变化关系。本文采用化学实验室常用的两种小型仪器——微压差仪（最大压差法）和电导率仪（电导法），测量了不同离子型表面活性剂的CMC，为物理化学实验中表面活性剂CMC的测量提供参考。

1 实验

仪器：DMP－2B型数字式微压差测量仪（南京大学应用物理研究所）；SDPS－I型数显导率仪（南京桑力电子设备厂）；HH－2型数显恒温水浴锅（国华电器有限公司）；81－2型恒温磁力搅拌器（上海司乐仪器有限公司）。

实验试剂：阴离子表面活性剂：十二烷基硫酸钠（SDS），十二烷基苯磺酸钠（SDBS）阳离子表面活性剂：十二烷基三甲基溴化铵（DTAB），十四烷基三甲基溴化铵（TTAB），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。上述表面活性剂均为国药集团化学试剂有限公司的分析纯试剂。

2 结果与讨论

电导法测量步骤见文献[9]，最大压差法测量步骤见文献[10]，测量结果见图1—图4。

图1 十二烷基硫酸钠的表面张力曲线

从图1可以看出，最大压差法测得的SDS的表面张力（γ）曲线在0.001 1mol／L开始转折，表明SDS的CMC为0.001 1mol／L；而电导率法测得的SDS电导率（κ）曲线在0.007 8mol／L出现转折，即 CMC为0.007 8mol／L。文献[11－12]给出的SDS的 CMC为0.008 6mol／L。可知由电导率法测得的电导率曲线比最大压差法测得的表面张力曲线更加准确。

从图2可得出，最大压差法测得的SDBS的CMC为 0.007 8mol／L，电导法测出的CMC 为0.012mol／L。文献[11－12]给出的SDBS的 CMC为0.014mol／L。可知，电导法测出的数据与文献值更接近。

图2 十二烷基苯磺酸钠的电导率曲线

对于阳离子表面活性剂DTAB、TTAB及CTAB，无论从最大压差法测出的表面张力曲线（见图3），还是电导法测出的电导率曲线（见图4）都可看出，随着疏水碳链碳数的增加，表面活性剂的CMC值都显著降低。这是由于随着碳链的增长，表面活性剂的疏水性增强，形成胶束所需的浓度更低。虽然这2种方法测出的基本规律是一致的，但2种方法测出的CMC数值是有差异的，采用最大压差法与电导法测得的DTAB、TTAB及CTAB的CMC值见表1。

图3 最大压差法测得的DTAB、TTAB及CTAB的表面张力曲线

图4 DTAB、TTAB及CTAB的电导率曲线

表1 最大压差法与电导法测得的DTAB、TTAB及CTAB的CMC值比较 mol·L－1

从表1的数据可以看出，电导法得出的CMC数值更接近理论值。

综上所述，无论是对于阴离子的SDS、SDBS，还是阳离子的DTAB、TTAB及CTAB，采用电导法测得的CMC均比采用最大压差法测得的CMC更准确，说明在物理化学的教学实验中测表面活性剂的CMC时，电导率仪比微压差计更可靠。

经分析，采用最大压差法时，由于表面活性剂的起泡性太强，丰富的泡沫极大地干扰了最大压差法测量CMC的准确性。此外，表面活性剂在气液界面吸附达到平衡需要一定时间，但鼓泡时间相对较短，达不到吸附平衡，使得实验结果误差大、重现性差。因而最大压差法只能测不易起泡的、易达到吸附平衡的小分子溶液（如正丁醇）。最大压差法确定CMC的不准确性，并不代表表面张力法测CMC的灵敏度低，事实证明，采用表面张力仪的吊片法或吊环法测得的CMC与电导率法测得的数据是吻合的。而采用表面张力仪测表面活性剂的CMC对本科实验又不太可能实现，因为表面张力仪的价格相对昂贵。

采用电导率法测表面活性剂溶液的临界胶束浓度是非常容易实现的。电导法是经典方法，简便可靠，但只限于离子性表面活性剂。此法对于有较高活性的表面活性剂准确性高，重现性好，对于本科生掌握表面活性剂的基本知识是十分合适的。

3 结束语

通过对电导法和最大压差法的比较，电导率法测得的CMC数据更接近文献值，说明电导法测定的CMC更加可靠。究其原因，对于离子型表面活性剂，直接测电导率是比较准确的，而通过最大压差法测表面张力，表面活性剂在气液界面上吸附达到平衡需要一定时间，但鼓泡时间相对较短，达不到吸附平衡，故数据存在的实验误差大些。

（References）

[1] 王新红，戴兢陶，顾云兰.光度法研究十二烷基硫酸钠的临界胶束浓度[J].实验技术与管理，2011，28（9）：46－49.

[2] 张庆轩，杨国华，张志庆.物理化学[M].北京：化学工业出版社，2011.

[3] 曹红燕，李建平，董超.最大气泡法测定溶液表面张力的实验探讨[J].实验技术与管理，2006，23（8）：39－41.

[4] 张志庆，徐桂英，叶繁，等.十二烷基甜菜碱／十二烷基硫酸钠复配体系的表面活性[J].物理化学学报，2001，17（12）：1122－1125.

[5] 高红旗，丁晓岚，许强.测量液体表面张力的装置[J].实验技术与管理，2007，24（8）：59－60.

[6] Fainerman V B，Petkov J T，Miller R.Surface dilational viscoelasticity of C14EO8micellar solution studied by bubble profile analysis tensiometry[J].Langmuir，2008，24（13）：6447－6452.

[7] 李新宝，徐丽，孟校威.稳态荧光探针法测定三聚季铵盐表面活性剂的胶束聚集数[J].物理化学学报，2005，21（12）：1403－1406.

[8] 董姝丽，徐桂英.激光光散射和电子自旋共振技术研究十二烷基硫酸钠与聚乙烯吡咯烷酮的相互作用[J].化学学报，2004，62（7）：674－679.

[9] 程世贤.电导滴定法测定离子型表面活性剂浓度[J].广州化工，2000，28（2）：32－35.

[10] 刘金河，杨国华，张在龙，等.物理化学实验[M].东营：中国石油大学出版社，2007.

[11] 赵国玺.表面活性剂物理化学[M].北京：北京大学出版社，1991.

[12] 陈宗淇，王果庭，徐桂英.胶体与界面化学[M].北京：高等教育出版社，2001：231－233.