Занятие № 2. Определение критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ с использованием метода наибольшего давления пузырьков воздуха (по Ребиндеру).
ПЛАН-КОНСПЕКТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ САМОПОДГОТОВКИ
2.1. Мицеллообразование. Критическая концентрация мицеллообразования.
Агрегация молекул в некоторых водных растворах ПАВ при определенных концентрациях (10-5 – 10-2 моль/л) называется мицеллообразованием.
ПАВ способные к мицеллообразованию относят к группе мицеллообразующих (МПАВ).
Мицеллообразующими поверхностно-активными веществами являются вещества с достаточно большими неполярными группами – высшие жирные кислоты и их соли, фосфолипиды и ряд других.
Мицеллообразование наблюдается в водных растворах дубящих веществ (танниды) и синтетических красителей (бензопурпурин, ночной голубой и др.). Благодаря большому размеру молекул красителей ассоциация их в растворах протекает в большей степени, чем в растворах мыл.
Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) – это концентрация, при которой в растворе протекает процесс образования мицелл и истинный раствор переходит в ультрамикрогетерогенную систему (золь).
Агрегат (ассоциат) дифильных молекул ПАВ, возникающий самопроизвольно при концентрации равной или немного большей ККМ называется мицеллой.
Процесс мицеллообразования обратим. При разбавлении раствора мицеллы распадаются на молекулы и ионы.
При концентрациях равных или ненамного превышающих ККМ в системе образуются сферические агрегаты («мицеллы Гартли»), содержащие от 20 до 100 молекул ПАВ.
В водных растворах полярные группы молекул ПАВ в мицеллах Гартли обращены к периферии, а неполярные – к центру мицеллы (рис.7, а). В неполярных растворителях ориентация молекул ПАВ в мицеллах противоположная (рис. 7, б).
а) б)
рис.7 а
а) мицелла в водных растворах
б) мицелла в неполярных растворителях.
При концентрациях, превышающих ККМ в 2-10 раз, сферические мицеллы могут объединяться друг с другом приобретая при этом различные формы: цилиндрические, дискообразные, палочкообразные, пластинчатые («мицеллы Мак-Бена); схематическое строение которых показано на рис. 8.
а) б)
Рис. 8.
а) мицеллы Гартли
б) мицеллы Мак-Бена
При дальнейшем увеличении концентрации (например, при испарении воды или другого растворителя) в системе может происходить образование гелеобразной структуры с потерей текучести.
2.2. Способы определения критической концентрации мицеллообразования. Свойства мицеллярных растворов.
Способы определения ККМ основаны на изменении свойств растворов ПАВ в мицеллярном состоянии: светорассеяния, показателя преломления, электропроводимости, осмотического давления, поверхностного натяжения, моющей способности и др. (рис.9).
И
зменение
область ККМ
п
араметра 1
– поверхностное
натяжение
3 2
– осмотическое давление
3 – моющая способность
2
1
Концентрация ПАВ
Рис.9.
Мицеллярным растворам ПАВ свойственно явление солюбилизации, т.е. проникновение в структуру мицелл молекул различных веществ не растворимых в воде или в другом растворителе.
Различают: прямую солюбилизацию, при которой солюбилизируются полярные вещества мицеллярными растворами ПАВ в неполярных растворителях; обратную солюбилизацию, при которой солюбилизируются полярные вещества мицеллярными растворами ПАВ в неполярных растворителях.
Солюбилизация является одним из звеньев процесса обмена веществ в жизнедеятельности организма человека и животных. Она лежит в основе самопроизвольного эмульгирования жиров солями желчных кислот при их усвоении организмом.
Солюбилизация используется при изготовлении лекарственных форм (эмульсии, суспензии и др.), а также является важнейшим фактором моющего действия мыл и других моющих средств.
При введении в концентрированные мицеллярные растворы ПАВ больших количеств нейтральных солей (например, NaCl, KNO3 и т.п.) возможно выделение ПАВ в виде осадка. Такое выделение ПАВ из растворов называется высаливанием. Высаливающее действие солей связано с отнятием ими воды от гидратных оболочек мицелл.
Высаливание применяется при мыловарении или, например, в биохимии для выделения белков из растворов.