实验5　表面活性剂临界胶束浓度的测定

表面活性剂是一类具有两亲性结构的特殊精细化工产品。表面活性剂溶液具有形成胶束的特点，其许多物理化学性质随着胶束的形成而发生突变，故将临界胶束浓度（CMC）看作表面活性剂的一个重要特性，是表面活性剂溶液表面活性大小的量度。因此，测定CMC、掌握影响CMC的因素，对于深入研究表面活性剂的物理化学性质是至关重要的。

测定CMC的方法有很多，原则上只要溶液的物理化学性质随着表面活性剂溶液浓度在CMC处发生突变，都可以用来测定CMC。本实验采用电导法测定表面活性剂的临界胶束浓度，属于综合性实验，计划4学时完成。

实验目的

① 了解表面活性剂的特性和胶束形成原理；

② 掌握表面活性剂溶液临界胶束浓度的测定原理和方法。

实验原理

表面活性剂是一类具有明显“两亲”性质的化学物质，分子中既含有亲油的足够长的（大于8个碳原子）烃基，又含有亲水的极性基团（通常是离子化的）。表面活性剂进入水中，在低浓度时呈分子状态，并且三三两两地把亲油基团靠拢而分散在水中。当溶液浓度加大到一定程度时，许多表面活性剂的分子立刻结合成很大的集团，形成“胶束”。以胶束形式存在于水中的表面活性剂是比较稳定的。表面活性剂在水中形成胶束所需的最低浓度称为临界胶束浓度，以CMC表示。在CMC点上，由于溶液的结构改变导致其物理及化学性质（如表面张力、电导率、渗透压、浊度、光学性质等）同浓度的关系曲线出现明显的转折，如图2-4所示。这个现象是测定CMC的实验依据，也是表面活性剂的一个重要特性。

图2-4　表面活性剂的性质与浓度的关系

通常用表面张力-浓度对数图确定CMC。具体做法：测定一系列不同浓度溶液的表面张力γ，作出γ-lgc曲线，将曲线转折点两侧的直线部分延伸，相交点的浓度即为体系中表面活性剂的临界胶束浓度。此法的优点是：简单方便，对各类表面活性剂普遍适用，测定临界胶束浓度的灵敏度不受表面活性剂的类型、活性高低、存在无机盐以及浓度高低等因素影响。但是当溶液中存在少量高表面活性的杂质时，曲线出现最低点，不易确定CMC，而且所得结果有误差。另一方面，表面张力-浓度对数图曲线是否出现最低点通常被用作表面活性剂样品纯度的实验证据。

电导法只对离子型表面活性剂适用。它是测定临界胶束浓度的经典方法。具有简便的优点。确定临界胶束浓度时可以用电导率对浓度（c）或摩尔电导率对浓度的平方根（）作图，转折点的浓度即为临界胶束浓度。这种方法对于较高表面活性的离子型表面活性剂准确度较高。而对临界胶束浓度较大的则灵敏度较差。无机盐存在会影响测定。

利用某些具有光学作用的油溶性化合物作为探针来探明溶液中开始大量形成胶团的浓度是此类方法的共同原理。染料法是最早使用的方法。临界胶束浓度是指表面活性剂水溶液被水稀释过程中溶液中染料颜色发生显著变化时的浓度。染料法的一个缺点是有时颜色变化不够明显，使临界胶束浓度不易准确确定。染料法的另一个缺点是由于加入染料，可能对体系临界胶束浓度有影响，使测定结果不准确。通常对临界胶束浓度较小的表面活性剂影响较大。

浊度法与染料法类似，只是用水不溶性的烯烃（如苯等）代替染料作探针，表面活性剂对烯烃在水中的溶解性具有加溶作用。在水稀释过程中溶液浊度突然变化时的表面活性剂浓度即为表面活性剂的临界胶束浓度。由于烯烃的加溶，浊度法通常使测定的临界胶束浓度降低。

光散射法测定临界胶束浓度准确度高，并且具有通用性，但设备与操作较表面张力法复杂得多。

仪器和药品

仪器：电子天平、容量瓶、移液管、电导率仪。

药品：十二烷基硫酸钠、蒸馏水。

实验步骤

本实验选择用电导法在室温下测定十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液的表面张力。具体操作步骤如下：

① 电子天平称取适量干燥的十二烷基硫酸钠（分析纯）于100mL烧杯中，用二次蒸馏水少量溶解后在100mL容量瓶中定容配置成1.00×10^-1mol/L的溶液。

② 从上述溶液中用移液管移取少量溶液，再在100mL容量瓶中定容，配置新的溶液。依次逐级稀释，在1.00×10^-1～1.00×10^-5mol/L范围内配置8～10个不同浓度的溶液。

③ 用电导率仪从稀到浓依次测定上述溶液的电导率，每个浓度读数三次取平均值，并计算出当量电导。

④ 作出电导率-浓度曲线（或当量电导-浓度平方根曲线），在曲线拐点处即为CMC值（文献值：40℃ SDS的CMC=8.6×10^-3mol/L；25℃ SDS的CMC=8.27×10^-3mol/L）。

注意事项

① 配置表面活性剂溶液时，要在恒温条件下进行，温度变化应在5℃以内。

② 为使测量结果更准确，在设计浓度时，要注意在拐点附近多取几个值。

③ 为减少误差，要在高于克拉夫特点的温度下进行测定（高于15℃）。

④ 溶液的表面对于大气灰尘或周围的挥发性化学溶剂非常敏感，所以不要在进行测定的房间内处理挥发性的物品，全部仪器应该用保护罩保护起来。

⑤ 在测定电导率时应从稀到浓测定，以减少误差。

⑥ 在测定电导率时，注意每次测量都要对电极进行蒸馏水和测量液的洗涤。

思考题

① 为什么表面活性剂表面张力-浓度曲线有时出现最低点？

② 电导法测定表面活性剂临界胶束浓度的优势是什么？缺点是什么？

③ 非离子表面活性剂能否采用电导法测定临界胶束浓度？为什么？

④ 影响临界胶束浓度测定的因素有哪些？