电导法测定水溶性表面活性剂CMC实验的改进*

陈玉焕，候安宇，张姝明，张西慧，王桂香

(1 河北工业大学，天津　300130;2 中国石油天然气管道局四公司，河北　廊坊　065000)



电导法测定水溶性表面活性剂CMC实验的改进*

陈玉焕1，候安宇2，张姝明1，张西慧1，王桂香1

(1 河北工业大学，天津300130;2 中国石油天然气管道局四公司，河北廊坊065000)

对实验操作繁琐的水溶性表面活性剂临界胶束浓度的测定做出了改进：使用恒温水浴、改变溶液配置方法和电极使用方法。以上改进使实验测定结果更加准确、可靠；避免了实验操作中大量容量瓶的清洗及润洗，使实验操作更加简单快捷；减少了表面活性剂的用量，降低实验成本；延长了电极的使用寿命，减少仪器设备的损耗。通过本实验改进加深了学生对该实验原理和方法的理解，并引导学生在遇到问题时能用变通的思维方式去寻找更加简单有效的解决方法。

十二烷基硫酸钠；临界胶束浓度；电导率；实验改进

表面活性剂作为一种工业上广泛应用的精细化工产品，具有润湿、乳化、增溶、起泡等作用，以上作用与表面活性剂的临界胶束浓度CMC(critical micelle concentration)密切相关；同时CMC也是衡量表面活性剂活性强度的重要参数。因此，CMC的测定具有重要的理论意义和实际意义。同样，对于化工类的高等院校，表面活性剂CMC的测定已经成为物理化学实验教学中的一个重要内容。

图1　表面活性剂的排列与浓度的关系

表面活性剂分子具有明显的“两亲”性质，既含有较长的(大于10～12个碳原子)烷基憎水性基团，又含有亲水的极性基团(通常是离子化的)。因此，表面活性剂分子在较低浓度的水溶液中排列状态如图1(a)所示，一部分表面活性剂分子将自动聚集于表面层，使水和空气的接触面减少；另一部分表面活性剂分子则分散在水中，以单分子或简单的聚集体的形态存在。当表面活性剂溶液的浓度足够大时(图1(b))，表面活性剂分子在液面上形成单分子膜，达到饱和；在本体水溶液中则以憎水基自相结合，形成憎水基向里亲水基向外的多分子聚集体，即胶束。表面活性剂分子开始形成胶束所需的最低浓度，称为临界胶束浓度CMC。当溶液浓度超过临界胶束浓度时(图1(c))，液面上形成紧密的定向排列的单分子膜，达到饱和状态，本体溶液中则形成不同数量的胶束。胶束的形状可以是球状、棒状或层状等。

因此，CMC是表面活性溶液性质发生显著变化的分水岭，如表面张力、电导、渗透压、浊度、光学性质等(图2)，依据以上性质的变化可以测定表面活性剂的临界胶束浓度。

图2　表面活性剂溶液的物理性质和浓度的关系

目前，物理化学实验教学中常用的方法是电导法测定水溶性表面活性剂临界胶束浓度。该实验多以十二烷基硫酸钠SDS(Sodium dodecyl sulfate)为研究对象，利用其形成胶束时溶液结构的改变而导致其物理性质，如电导率、摩尔电导率，同浓度的关系曲线出现明显的转折，从而确定CMC。

目前，利用电导法测定表面活性剂临界胶束浓度的实验中多数[1-9]需要使用大量的容量瓶配置8～14个不同浓度的溶液，通过电导率仪的温度补偿功能，分别测定其电导率，并进一步确定CMC。

但该法存在有以下不足之处：(1)温度对表面活性剂的临界胶束浓度有较大的影响。本实验中通过表面活性剂形成胶束前后电导率变化趋势的不同来确定其临界胶束浓度，因此电导率必须非常准确，特别是形成胶束前后的溶液的电导率。而在实验过程中多数采用的电导率仪的温度补偿方法，按照一定的温度系数换算出某一温度下的电导率，会对准确度要求较高的本实验会产生较大的误差，从而影响临界点的确定，导致实验误差较大。(2)表面活性剂溶液在配置过程中会产生大量的泡沫，影响移液管、容量瓶定容时体积的确定，从而影响溶液浓度的准确性，并进一步影响实验结果；且大量容量瓶的使用使得实验操作较为繁琐、复杂。(3)每测定一个样品时，都需要润洗电导池，把电极冲洗干净，并用滤纸条吸干电极上的水，否则会对样品溶液的浓度产生影响。此步骤操作必然会损伤铂电极，从而影响电极的使用寿命；同时使该实验操作更加耗时、且浪费大量的表面活性剂溶液。

针对以上实验方法中所存在的不足之处，本实验从实验装置、溶液配置、测定中电极使用等方面做出改进，以在保证良好实验结果的前提下，可以简化实验操作、缩短实验时间，同时减少仪器设备和试剂的损耗。

1　实　验

1.1仪器与试剂

DDSJ-308A型电导率仪1台，DJS-1型铂电极1支，SYP-Ⅲ恒温水浴1套，干燥单管电导池2个，25 mL移液管2个、5 mL和10 mL移液管各1个，十二烷基硫酸钠(分析纯)，电导水。

1.2实验步骤

将十二烷基硫酸钠于80℃在干燥箱中烘干3 h后，准确称量28.8380 g干燥的十二烷基硫酸钠并稀释至5000 mL，此母液浓度为0.02 mol·L-1，留做备用。打开恒温水浴调节温度至25℃，开通电导率仪，预热20分钟。用移液管准确量取30 mL电导水于干燥单管电导池中，依次加入4 mL、4 mL、5 mL、4 mL、4 mL、4 mL十二烷基硫酸钠母液，另一干燥的单管电导池中加入30 mL十二烷基硫酸钠母液，并依次加入0 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、8 mL电导水，形成一系列不同浓度的十二烷基硫酸钠溶液，在水浴中恒温后按照浓度从小到大的顺序测定其电导率，每2 min读1次，平行读3次，取其平均值。

2　结果与讨论

2.1实验装置的改进

本实验中通过表面活性剂形成胶束前后电导率变化趋势的不同来确定其临界胶束浓度，因此电导率必须非常准确，特别是形成胶束前后的溶液的电导率。而电导率仪的温度补偿功能多按照一定的温度系数进行转换，对准确度要求较高的本实验会产生较大的误差，影响临界点的确定。因此，本实验改进中通过使用恒温水浴避免了电导率仪温度补偿操作对电导率数值所产生的影响，从而保证临界胶束浓度的准确性。

2.2溶液配置方法的改进

事先配置好浓度为0.02 mol·L-1表面活性剂溶液作为母液，实验操作中不同浓度的待测样品则通过以下方式配置：用移液管准确量取30 mL电导水于干燥单管电导池中，依次加入4 mL、4 mL、5 mL、4 mL、4 mL、4 mL十二烷基硫酸钠母液；另一干燥的单管电导池中加入30 mL十二烷基硫酸钠母液，并依次加入0 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、8 mL电导水，震荡混合均匀后形成一系列不同浓度的十二烷基硫酸钠溶液，在水浴中恒温后按照浓度从小到大的顺序测定其电导率。此改进避免了大量容量瓶的使用、清洗和后期电导测定过程中的润洗步骤，使实验操作更加简单，从而显著地缩短了实验时间。同时在实验过程中还可以根据数据采集密度的需要灵活地设置、调节溶液的浓度。

2.3实验测定过程的改进

因以上溶液配置方法的改进，在样品电导率测定时，每一个样品测定完毕业后，电极无需清洗，可直接于电导池中测定下一个混合均匀且已恒温的样品。此改进缩短了实验操作时间，且不会因电极冲洗是否干净、电导水是否擦拭干净而影响溶液浓度，同时避免了因滤纸擦拭对电极造成的损耗，从而延长其使用寿命。

图3　25℃时不同浓度的十二烷基硫酸钠溶液的电导率及拟合结果

样品编号c×102/(mol/L)κ/(×10-3S/m)c-κ直线拟合结果(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

按照以上改进方法，本实验测得25℃十二烷基硫酸钠在纯水中的临界胶束浓度为8.096×10-3mol·L-1(表1、图3)，与文献报道值[8-12]7.8×10-3～8.6×10-3mol·L-1基本一致。

因此，本报道中对电导法测定水溶性表面活性剂临界胶束浓度的改进，使得该实验操作更加简单、快速、结果更准确，同时延缓了电极的使用寿命。

3　结　论

通过本实验方法的改进，显著地缩短了实验教学工作时间，降低了仪器设备和试剂的损耗，同时使学生能够从本实验操作的改进中更加系统、透彻地理解本实验内容，并引导学生在遇到问题时能用变通的思维方式去寻找更加简单有效的解决方法。

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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

河北工业大学教育教学改革研究项目(201504013)。

陈玉焕，女，副教授，主要从事绿色化学方面的应用基础研究。

O647.2

B

1001-9677(2016)06-0130-03