Лабораторна робота
Солюбілізація вуглеводнів
Мета: Дослідити процес міцелоутворення поверхнево-активної речовини у водному розчині. Дослідити процес солюбілізації неполярної органічної речовини. Оцінити ефективність солюбілізації органічних молекул міцелярними розчинами поверхнево-активних речовин.
Теоретичні відомості
При концентраціях колоїдних поверхнево-активних речовин (ПАР) у водному розчині, що перевищують значення критичних концетрацій міцелоутворення (ККМ), спостерігається поглинання значних кількостей вуглеводнів та інших нерозчинних чи малорозчинних у воді речовин як рідких так і дрібнодисперсних. Утворюються прозорі, стійкі в часі розчини. Явище самочинного переходу в розчин нерозчинних чи малорозчинних речовин при дії незначних добавок до розчинника ПАР – називають солюбілізацією, або колоїдним розчиненням.
Якщо ПАР знаходиться у вуглеводневому середовищі, то колоїдне розчинення води в такій системі називають зворотною солюбілізацією.
Солюбілізація протікає самочинно, супроводжується зниженням вільної енергії системи і веде до термодинамічно стійких рівноважних розчинів. При достатній кількості взятого вуглеводню солюбілізація завершується утворенням насичених (при заданій концентрації ПАР і постійній температурі) розчинів. Стан рівноваги розчину ПАР (наприклад, натрієвої солі стеаринової кислоти - мила) з солюбілізованим вуглеводнем, не залежить від шляху процесу, при якому досягається дана рівновага. Так, насичений відносно вуглеводню розчин можна одержати шляхом безпосереднього насичення вуглеводнем розчину мила даної концентрації і, з іншого боку, розчиненням до тої ж концентрації попередньо насиченого вуглеводнем більш концентрованого розчину мила. Аналогічно любий проміжний ступінь насичення може бути досягнутий або введенням в розчин кількості вуглеводню, шо є недостатною для повного насичення, або відповідним збільшенням концентрації мила в насиченому розчині. В обидвох випадках стан рівноваги не залежить від того, яким способом він досягається, що свідчить про оборотність і рівноважність процесу солюбілізації. Це принципово відрізняється від його емульгування, яке зв’язано із витрачанням енергії на диспергування фаз і викликає утворення термодинамічно нестійких систем.
На різку відмінність між солюбілізацією і емульгуванням вказує також вимірювання пружності парів. В процесі солюбілізації парціальний тиск пари вуглеводню понижується, тоді коли при емульгуванні він залишається постійним і рівним пружності насиченої пари вуглеводню у чистому вигляді.
Зниження пружності парів вуглеводню при солюбілізації свідчить про те, що між солюбілізованою речовиною і милом (ПАР) відбувається взаємодія, подібна до звичайного розчинення.
Згідно сучасної теорії Мак-Бена солюбілізація масел, тобто водонероз-чинних олеофільних речовин, розчинних у неполярних середовищах, полягає у розчиненні їх у внутрішній частині міцел мила. Встановлюється рівновага розподілу солюбілізата (масла) між двома рідкими фазами – дисперсійним середовищем і колоїдною фазою міцелами, які знаходяться в рідиноподібному стані. Таким чином, солюбілізація у відомій мірі є аналогічна розподілу речовини між двома рідинами, що не змішуються.
В залежності від природи речовин можливі принаймні три способи включення молекул солюбілізату в міцели. Речовини як відомо можуть бути неполярні (насичені вуглеводні та ін.), полярні (спирти, кислоти та ін.) та такі, що не володіють наведеними вище властивостями, зокрема неіоногенні ПАР. Молекули неполярних речовин (вуглеводнів), проникаючи у міцели розчиняються в їх внутрішньому вуглеводневому середовищі і розташовуються хаотично між олеофільними радикалами молекул ПАР (рис. 1, а). Якщо ж солюбілізуються довголанцюгові молекули полярних органічних речовин (вищих спиртів, кислот, амінів), то вони розташовуються між молекулами мила орієнтуючись паралельно до них і скерованими полярними групами у водну фазу (рис. 1, б). При такому розташуванні молекул солюбілізату утворюються практично змішані міцели.
ПАР
Солюбілізат
Рис. 1. Схематичне зображення можливих способів включення молекул солюбілізату в сферичну міцелу
Можливий
також і третій спосіб включення, відомий
для неіоногенних ПАР, що містять
оксиетильoвані
групи
.
При солюбілізації фенолу і його похідних
в розчинах неіоногенних ПАР молекули
солюбілізату не проникають всередину
міцел, а закріплюються на їх поверхні,
розташовуючись всередині невпорядковано
зігнутих оксіетиленових ланцюгів (рис.
1, в).
Очевидно, гідрофільні групи молекул
фенолу взаємодіють з ефірними атомами
кисню оксіетиленових груп за рахунок
утворення водневого зв’язку.
При солюбілізації вуглеводнів в пластинчастих міцелах молекули солюбілізату проникають у внутрішній простір міцели – між шари гідрофобних ланцюгів, розсовуючи їх. Міцела розширюється відповідно до товщини прошарку олеофази (масла), що утворюється в процесі солюбілізації (рис. 2). Така картина підтверджена рентгенографічними дослідженнями, які показують, що в присутності солюбілізованого масла відстань між сусідніми шарами молекулярних ланцюгів мила збільшується.
Солюбілізація молекул полярних органічних речовин (спиртів, кислот та ін.) в пластинчастих міцелах не змінює відстані між молекулярними шарами ПАР. Відповідно, молекули солюбілізату в цьому випадку впроваджуються в шари, розташовуючись паралельно молекулярним ланцюгам мила. Так як і у випадку сферичних міцел.
Колоїдне розчинення процес тривалий. Для досягнення рівноваги необхідний контакт масляної фази з водним розчином ПАР тривалий час (не менше доби для рідких речовин). Струшування а особливо підвищення температури прискорює процес досягнення рівноваги. Наприклад, при 50-60 оС рівноважна солюбілізація рідких вуглеводнів може бути досягнута за 20-30 хв.
Рис. 2. Солюбілізація бензолу в міцелі олеату натрію
Сповільнена кінетика солюбілізації зумовлена необхідністю дифузії молекул нерозчинної чи малорозчинної у воді речовини із олеофази у внутрішню частину міцел. Процес розділяють на три етапи: 1) розчинення масла у воді; 2) дифузія молекул до поверхні міцел; 3) проникнення молекул солюбілізату всередину міцел. Підвищення температури збільшує істинну розчинність масла у воді, підвищує швидкість дифузії і полегшує проникнення солюбілізату у міцели, щільність упаковки яких знижується завдяки підвищен-ню інтенсивності теплового руху.
Співставляючи об’єми солюбілізату та солюбілізанта можна оцінити солюбілізаючу здатність ПАР в розчині s.
S= Vс/ V 100% (1)
де Vс – об’єм органічної речовини, що солюбілізується, мл; V - об’єм розчину ПАР в якому здійснюється солюбілізація, мл.
Мольну солюбілізуючу здатність SM (г/моль) даного розчину ПАР визначають розділивши отриману величину S (рівняння 1) на концентрацію ПАР в моль/л:
.
Тут С – концентрація ПАР в моль/л.
Виходячи із експериментальних даних можна також оцінити міцелярний об’єм ПАР, т.т. той об’єм неполярної органічної речовини, який поглинувся ПАР і буде міцелярним об’ємом поверхнево-активної речовини.