Дослідження властивостей розчинів поверхнево-активних речовин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНДИВІДУАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

З ДИСЦИПЛІНИ «ПРИКЛАДНА КОЛОЇДНА ХІМІЯ»

Дослідження властивостей розчинів поверхнево-активних речовин. Олеат натрію

Виконав(ла):

студент(ка) IV курсу групи 4-ХМ-А

Мельничук Олена Леонідівна

Викладач:

доцент кафедри фізичної хімії, к.х.н.

Жильцова С.В.

Вінниця - 2016



Олеат натрію - це натрієва сіль олеїнової кислоти

Хімічна формула: С17H33COONa

Т плав = 220 oC

Зовнішній вигляд - порошок білого, іноді жовтуватого кольору.

Добре розчинний у воді і гарячому етанолі, не розчиняється в ацетоні і ефірі. олеат натрій хімічний міцелярний

Входить до складу мила і миючих засобів.

Гідрофобний ефект олеата натрію грунтується на уповільненні освіти кальцієвих мил з лужними компонентами матеріалів.

Площа, яку займає молекулою олеата натрію в гранично насиченому адсорбционном шарі: 28 * 1020 м2.

Способи отримання:

Отримують сіль омиленням природних жирів і масел.

Взаємодія олеїнової кислоти з лугами, лужними металами або оксидами лужних металів:

С17H33COOН + NaOH > С17H33COONa + H2O

2С17H33COOН + 2Na > 2С17H33COONa + H2

2С17H33COOН + Na2O > 2С17H33COONa + H2O

Фізичні властивості:

Фізичні та хімічні властивості ПАР залежать від маси молекули, розташування в ній атомів, взаємодії молекул і атомів один з одним. Зазвичай виділяють три види властивостей:

1) Колігативні, які залежать тільки від загального числа молекул (обсяг, тиск, осмотичний тиск, підвищення і пониження температури).

2) Адитивні, величина яких може бути виражена як сума величин властивостей окремих атомів або групи атомів, що входять в молекулу (властивості, обумовлені молекулярними силами).

3) Конститутивні, які проявляються тільки при певному поєднанні атомів між собою (дипольні моменти, забарвлення сполук).

2. Олеат натрію - колоїдне ПАР, тому що атомів вуглецю 18 і утворює термодинамічну стійку (Ліофільні) гетерогенну дисперсну систему (асоціативні, або міцелярні колоїди).

3. Відповідно до класифікації за хімічною будовою олеат натрію є аніонним ПАР, а саме сіллю карбонової (олеїнової) кислоти.

С17H33COONa > С17H33COO- + Na +

Відповідно до класифікації за фізико-хімічним механізмом дії (класифікація П.А. Ребиндера) олеат натрію відноситься до четвертої групи, а саме є ПАР, яке володіє миючою дією. Миюча дія ПАР пов'язана із забезпеченням контакту водного розчину з гідрофобними поверхнями твердих тіл (забруднені тканини, метали та ін.). ПАР цієї групи викликає також колоїдне розчинення в ядрах міцелл практично нерозчинних забруднень (солюбілізація), що становить важливу складову в комплексі миючої дії.

Визначення величини А? виробляють графічно з експериментальних даних, використовуючи рівняння Шишковського

= 2,3ВlgK + 2.3BlgC

Ця лінійна залежність дозволяє визначити графічно всі параметри рівняння Шишковського, оскільки тангенс кута нахилу прямої дає 2,3В, а екстраполяція залежності до осі ординат дає відрізок рівний 2,3ВlgK.

2,3В = 0,0227

В = 0,0227 / 2,3 = 0,0098

Тоді, граничну адсорбцію можна визначити за формулою:



А? = В / RT

А_? =0,0098/8,314*291=4,1*10^-6 (моль/м²)

Гранична адсорбція - це кількість моль ПАР, повністю займає одиницю поверхні.

А величина, зворотна граничної адсорбції, буде давати сумарну площу поперечного перерізу одного моль молекул:

S₀=1/А_?N_А

S₀=1/4,1*10^-6 *6,02*10²³ = 4,1*10^-19 м²

Для знаходження осьової довжини молекули ПАР використовують вираз:

д= А_?М/с= 4,1*10^-6 * 304,47/2,207*10⁶=5,7*10^-10 (м)

де д - осьова довжина молекули,

М - молекулярна маса ПАР,

с - щільність ПАР.

Робота адсорбції:

W_адс = -?G_s

?G_s =RTlg(ККМ)=8,314*291*lg(2,1*10^-3)=-6478, 55 Дж/моль

W_адс = -?G_s=6478, 55 Дж/моль

Міцело-утворення - мимовільний процес, тобто зміна потенціалу Гіббса для цього процесу менше нуля. Однак основний внесок в величину ДG вносить не зміна ентальпії, незначне за величиною, а зміна ентропії TДS.

Дійсно, видалення з води в міцели вуглеводневих ланцюгів дифільних молекул розпорядчує структуру води, в результаті чого ентропія системи збільшується.

Для олеата натрію ККМ = 2,1*10^-6 моль/л.

Критична концентрація міцелоутворення (ККМ) - це концентрація, при якій в розчині протікає процес утворення міцел і істинний розчин переходить в ультрамікрогетерогенну систему.

ККМ визначають по тій точці, яка відповідає зламу на кривих залежностей властивостей розчинів від концентрації. Вважається, що при концентраціях, менших ККМ в розчинах ПАР, присутні лише молекули і залежність будь-якого властивості визначається саме концентрацією молекул. При утворенні міцел в розчинах властивість буде зазнавати різку зміну в зв'язку зі стрибкоподібним збільшенням розміру розчинених частинок. Так, наприклад, молекулярні розчини йоногенних ПАР виявляють електричні властивості, характерні для сильних електролітів, а міцелярні - характерні для слабких електролітів. Це проявляється в тому, що еквівалентна електрична провідність в розчинах йоногенних ПАР при концентраціях нижче ККМ в залежності від кореня квадратного з концентрації розчинів виявляється лінійної, що характерно для сильних електролітів, а після ККМ - залежність її виявляється типовою для слабких електролітів.

Особливо поширене визначення ККМ на підставі зміни поверхневого натягу ПАР.

Визначення ККМ кондуктометричним методом. Засновано на вимірі електропровідності водних розчинів ПАР. На кривій концентраційній залежності еквівалентної електропровідності в результаті зміни будови розчинів при збільшенні концентрації фіксується три області: поступове лінійне зниження електропровідності до ККМ, потім вище ККМ більш різке її падіння до мінімуму і подальше зростання електропровідності. Різкий злам в падаючої гілки кривої залежності еквів. електропровідності від концентрації ПАР викликаний тим, що при ККМ починається формування іонних міцел, що супроводжується утворенням хмар з противоіонів, пов'язаних з міцелами. У цьому випадку зменшується рухливість поверхнево-активних іонів, загальне число і заряд провідних частинок в системі падає, а електропровідність знижується різкіше, ніж до ККМ. Подальше зростання електропровідності пояснюється звільнення частини противоіонів в результаті перекривання іонних атмосфер при зближенні міцел і збільшенням їх розмірів з ростом концентрації ПАР.

При використанні інтерферометричного методу ККМ визначають по точці перетину двох прямих ліній на графіку залежності Дn від концентрації ПАР, де Дn - вимірювальна різниця показників заломлення розчину і розчинника (води). Метод титрування барвників. Відомо, що колір або флуоресценція деяких барвників помітно змінюється в залежності від того, чи знаходиться барвник в розчині або всередині міцел. Зміну кольору можна спостерігати візуально або по зміні спектрів поглинання. Зміна кольору барвника фіксується при переході його з вуглеводневої фази (гідрофобна ядро міцели) в воду. Якщо при постійній концентрації барвника поступово зменшувати концентрацію колоїдного електроліту, то після досягнення ККМ забарвлення розчину помітно змінюється внаслідок зміни спектра поглинання барвника. У розчинах міцело-утворюючих ПАР існує термодинамічна рівновага між міцелами і молекулярно-розчинними ПАР. При низьких концентраціях утворюється в основному молекулярний розчин незначна кількість речовини в асоційованому стані (димери і тримери ПАР). В області з більш високою концентрацією - вище деякої критичної концентрації міцело-утворення (ККМ) - починає інтенсивне утворення міцел в розчині. При цьому концентрація розчину залишається майже незмінною.

Деякі термодинамічні параметри для ПАР можна розрахувати наступним чином. Об'єднане рівняння першого і другого законів термодинаміки для процесу міцело-утворення:



Якщо на порівняно вузькому інтервалі температур вважати значення Н і S постійними, то їх можна оцінити як параметри температурної залежності логарифма ККМ. Дійсно, якщо для міцело-утворення прийняти псевдо-фазну модель і використовувати замість активності концентрації, то:

У міцело-утворенні важливу роль відіграють електростатичні і гідрофобні взаємодії, когезия вуглеводневих радикалів і їх конформації. а також гідратація гідрофільних частин (у разі неіонних ПАР - конформація оксиетиленового ланцюжка).

Міцелярним розчинам ПАР властиво явище солюбілізації, тобто проникнення в структуру міцел молекул різних речовин не розчинних у воді або в іншому розчиннику.

Розрізняють: пряму солюбілізацію, при якій солюбілізіруются полярні речовини міцелярними розчинами ПАР в полярних розчинниках; зворотню солюбілізацію, при якій солюбілюзюются полярні речовини міцелярними розчинами ПАР в неполярних розчинниках.

Під МІЦЕЛИ ПАР розуміють ассоциат дифільних молекул, ліофільні групи яких звернені до відповідного розчинника, а ліофобні групи з'єднуються один з одним, утворюючи ядро міцели. Число молекул, що складають міцелу, називають числом асоціації, а загальну суму молекулярних мас в міцелі - міцелярної масою.

Процес розчинення речовин в міцелах ПАР називається Солюбілізація. У водних міцелярних системах солюбілізіруются речовини, нерозчинні у воді, наприклад, бензин, органічні барвники, жири. Це обумовлено тим, що ядро міцели має властивості неполярной рідини. В органічних міцелярних системах, в яких внутрішня частина міцели складається з полярних груп, солюбілізіруються полярні молекули води. Речовина, солюбілізірованних розчином ПАР, називають солюбілізат, а ПАР - солюбілізатором. Кількісно солюбілізацію характеризують значенням мольної солюбілцізації S_m - кількістю молей солюбілізата, віднесеного до 1 моль міцелярного ПАР.

Багато ПАР з великими вуглеводневими радикалами через погану розчинність не утворюють міцелярних розчинів. Однак при зміні температури розчинність ПАР може збільшитися і виявляється міцело-утворення. Температуру, при якій різко збільшується розчинність ПАР внаслідок утворення міцел, називають точкою Крафта (1896 г.).

Добавки електролітів призводять до зниження ККМ йоногенних ПАР, а значить і ККМ олеата натрію, тому що це аніоноактивні ПАР і практично не впливають на ККМ неіоногенних ПАР. При додаванні етилового спирту ККМ олеата натрію збільшує.

Міцели Гартлі: Внутрішня частина їх складається з переплетених вуглеводневих радикалів, полярні групи молекул ПАР звернені в водну фазу. Діаметр таких міцел дорівнює подвоєною довжині молекул ПАР. Число молекул в міцелі швидко зростає в межах вузького інтервалу концентрацій, а при подальшому збільшенні концентрації практично не змінюється, а збільшується кількість міцел. Сферичні міцели можуть містити від 20 до 100 молекул ПАР.

При подальшому збільшенні концентрації ПАР міцелярна система проходить ряд рівноважних станів, що розрізняються по числах асоціації, розмірами та формами міцел. При досягненні певної концентрації сферичні міцели починають взаємодіяти між собою, що сприяє їх деформації. Ця взаємодія призводить до появи більш складних циліндричних, дископодібних, пластинчастих міцел, званих міцелами Мак-Бена.

Поява міцел Мак-Бена можна зафіксувати рентгенографічним і реологічним методами.

Міцело-утворення в наведених середовищах

Аналогічно тому, як у водних розчинах ПАР виникають міцели з орієнтацією полярних груп в сторону водної фази, в розчинах ПАР в вуглеводнях можуть утворюватися міцели з протилежного орієнтацією молекул. При формуванні таких зворотних міцел полярні групи об'єднуються в гідрофільне (олеофобним) ядро, а вуглеводневі радикали, звернені в бік спорідненої їм неполярного середовища, утворюють олеофільний оболонку, що екранує внутрішню гідрофільну частину міцели від контакту з вуглеводневої середовищем. ПАР, що утворюють міцели в неполярних розчинниках, як правило, нерозчинні у воді; баланс гідрофільних і олеофільних властивостей їх молекул різко зміщений у бік олеофільних. Ступінь асоціації молекул в зворотних міцелах виявляється значно нижче, ніж в прямих міцелах (3 - 40). Як правило, вона росте зі збільшенням вуглеводневого радикала до певної межі. Це має значною мірою «геометричні» підстави: в даному випадку ядро міцел складається з невеликих в порівнянні з вуглеводневими радикалами полярних груп. Тому необхідно для забезпечення термодинамічної стійкості міцел ступінь екранування ядра досягається при менших ступенях асоціації, тобто меншій кількості олеофільної групи на поверхні міцели.

У водному розчині олеата натрію заряд ядра буде негативним, так як неполярні групи повернені всередину. У вуглеводневому середовищі - заряд ядра буде позитивним, оскільки всередині міцели виявиться катіон натрію.

Емульсія - дисперсна система з рідким дисперсійним середовищем і рідкої дисперсної фазою

Пояснення, що зводить емульгуючю дію тільки до зниження у, далеко не узгоджується з усією сукупністю експериментальних фактів. Так, коротколанцюгові спирти і жирні кислоти з числом атомів вуглецю в ланцюзі n_С < 8 не є типовими емульгаторами. Найкращою емульгуючою здатністю володіють ПАР з n_C от 10 до 18. З подальшим зростанням довжини ланцюга емульгуюча здатність знову слабшає. Таким чином, існує деяке оптимальне співвідношення гідрофільних і ліпофільних (гідрофобних) властивостей дифільних молекул ПАР, необхідне для емульгування.

Піна - дисперсна система, що складається з бульбашок газу, розділених рідкої (або твердої) фазою.

Методи оцінки пінно-утворюючої здатності ПАР

В даний час існує ряд критеріїв для оцінки піно-утворення:

1. Властивості одинарної плівки. Ще Плато встановлено, що час життя плівки обернено пропорційно її площі поверхні, так що порівнювати піно-утворюючю здатність різних ПАР необхідно при однаковій площі поверхні плівки.

2. Час життя бульбашок. Чим менше бульбашка, тим він стійкіший.

3. Час життя піни. Для визначення часу життя або часу напіврозпаду існує ряд приладів, описаних в книзі Бікерман.

4. Висота стовпа або обсяг піни. Обидва показники є напівкількісними, так як залежать від умов отримання піни, судини, швидкості подачі газу і т. Д. В залежності від розміру бульбашок обсяг або висота стовпа піни різко змінюються. Кількісними ці показники можуть бути при обліку дисперсійного складу піни. Як і в випадку емульсії, загальна поверхня бульбашок піни є більш об'єктивною, незалежною від дослідника і методів отримання характеристикою. Однак іноді методи оцінки але висоті стовпа або обсягу піни успішно використовуються, тим більше що визначити дисперсність пін значно складніше, ніж емульсій.

Чим вище гідрофільність, тим більше число ГЛБ

Роботами Девіса встановлена кількісна залежність ГЛБ від складу і структури ПАР. Кожна структурна одиниця вносить свій вклад в числа ГЛБ.

Для гідрофільних груп:

- СООК - 21,1;

- СООNa - 19,1;

- СООН - 2,4;

- ОН - 1,9;

= О - 1,3

N 9,4

Для гідрофобних груп:

СН -, - СН2 -, - СН3, = С = - 0,475

Числа ГЛБ по Гриффину становлять для олеата натрію:

ГЛБ_ПАВ = 7 + У (ГЛБ _{г.фил.гр}) + У (ГЛБ _{г.фоб.гр})

ГЛБ_ПАВ = 7 +19,1-17*0,475=18,025

В 0,01 М р-ре NaCl:

G₁ = 8,314*293*ln (5,13) = 3983,12 Дж/моль

tg =-q/R=-453

q=8,314*453=3766,24 Дж/моль

S₁=(H-G)/T=(3766,24 - 3983,12)/293 = - 0.740 Дж/моль*К

В 0,02 М р-ре NaCl:

G₂ = 8,314*293*ln(0,76) = -668,53 Дж/моль

tg =-q/R=-1586

q=8,314*1586=13186 Дж/моль = 13,186 кДж/моль

S₁=(H-G)/T=(13,186 + 0,669)/293 = 0,047 кДж/моль*К



Висновок

Олеат натрію -- неорганічне з`єднання, соль натрія і олеїнової кислоти з формулой NaC₁₈H₃₃O₂, світло-зелені або жовті кристали, розчинні у воді..

Нейтралізація олеїнової кислоти рідким натрієм:

Олеат натрію утворює світло-зелені або жовті кристали ромбічної сингонії, параметри комірки a = 0,50 нм, b = 4,48 нм, c = 0,40 нм, Z = 2.

Розчиний у воді та етанолі.

Компонент миючих засобів .

Компонент текстильно - допоміжних засобів .

Емульгатор .

Флотореагент



Список використаної літератур

1. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. -- 2-е изд., испр. -- М.-Л.: Химия, 1966. -- Т. 1. -- 1072 с.

2. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. -- 3-е изд., испр. -- Л.: Химия, 1971. -- Т. 2. -- 1168 с.

3. Химический энциклопедический словарь / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. -- М.: Советская энциклопедия, 1983. -- 792 с.

4. Химический энциклопедический словарь. -- М.: Советская энциклопедия, 1983

5. Левченков С.И. - Лекции по физической и коллоидной химии - М.: Просвещение, 2000

6. Равич-Щербо М.И. Физическая химия. - М.: Эксмо, 1999

7. Агафонова Е.И. Практикум по физической и коллоидной химии. М.: Новая книга, 2001

8. Петрянов И.В. Вездесущие аэрозоли. - М. Педагогика, 1996

9. Фукс Н.А.. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. - М.: Эксмо, 2009

10. Перельман Я.Я. Анализ лекарственных форм. Практическое руководство. М.:Медгиз, 2003

11. Воюцкий А.А. Курс коллоидной химии. М.:Медкнига, 2000

12. Лисичкин Н.В. Химия привитых поверхностных соединений. - М.:Новая книга, 2003

13. Эткинс П., Дж. де Паула Физическая химия. В 3 частях. - М.: Мир, 2007

14. Барановский В.И. Квантовая механика и квантовая химия. - М.:Промиздат, 2007

15. Салем Р.Р. Физическая химия. Начала теоретической электрохимии. - М.:Мир, 2010

16. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики. - М.:Мир, 2008

Размещено на Allbest.ru