background image

 
 

KONTROLA JAKOŚCI SUROWCÓW I PRODUKTÓW 

W TECHOLOGII CHEMICZNEJ 

 

Ćwiczenie 10 – Wyznaczanie wartości krytycznego stężenia micelarnego surfaktantu 

na podstawie pomiarów przewodnictwa jego wodnych roztworów  

 
Napięcie  powierzchniowe  jest  to  zbiór  działających  sił  na  powierzchni  granicznej  fazy 
ciekłej  i  gazowej,  a  jest  ono  wynikiem  niezrównoważenia  sił  działających  na  cząsteczki 
znajdujące się na powierzchni cieczy i wewnątrz cieczy. Napięcie powierzchniowe wyraża się 
jednostką  mN/m,  i  jest  ono  wartością  charakterystyczna  dla  każdej  cieczy,  a  zależy  ono  od 
środowiska z którym ciecz ma kontakt oraz od temperatury. Cząsteczki cieczy, w zależności 
od  ich  położenia  w  odniesieniu  do  granicy  faz,  można  sklasyfikować  w  3  grupach  jako: 
znajdujące  się  w  fazie  gazowej  bezpośrednio  nad  powierzchnią  cieczy,  znajdujące  się  w 
warstwie  tworzącej  powierzchnię  cieczy  oraz  na  znajdujące  się  w  warstwach  odległych  od 
powierzchni cieczy na głębokości kilku średnic cząsteczek. Cząsteczki te różnią się od siebie 
nawzajem  pod  względem  ruchów  oraz  zderzeń  kinetycznych,  a  przeniesienie  cząsteczki  z 
głębi  cieczy  do  warstwy  powierzchniowej  wymaga  wykonania  pracy  wbrew  jej  sile,  co 
powoduje,  że  cząsteczki  znajdujące  się  chwilowo  na  powierzchni  mają  wyższą  energię  niż 
pozostałe w roztworze. Wielkość powierzchni cieczy zależy od rodzaju cieczy i fazy z którą 
się  ona  kontaktuje.  Napięcie  powierzchniowe  cieczy  na  granicy  dwóch  sąsiadujących  faz 
wyraża energię powierzchniową cieczy, a wielkość tego napięcia zależy od rodzaju cieczy i 
sąsiadującego z nią ośrodka. 
 
Jedną  z  podstawowych  funkcji  związków  powierzchniowo  czynnych  (ZPC)  jest  obniżanie 
napięcia  powierzchniowego  cieczy,  w  których  są  rozpuszczone,  np.  wody.  Związki 
powierzchniowo  czynne  adsorbują  się  na  powierzchni  fazy  ciekłej  w  ten  sposób,  że 
ugrupowanie hydrofilowe orientuje się do wnętrza cieczy, a grupy hydrofobowe na zewnątrz 
cieczy,  co  powoduje  obniżenie  napięcia  powierzchniowego  cieczy.  Obniżanie  napięcia 
powierzchniowego  wody  przez  ZPC  jest  funkcją  ich  stężenia  w  środowisku  wodnym.  Przy 
wzroście stężenia ZPC w wodzie napięcie powierzchniowe roztworu obniża się, do pewnego 
poziomu  i  dalszy  wzrost  stężenia  ZPC  już  nie  powoduje  spadku  jego  wartości.  Napięcie 
powierzchniowe osiąga minimum przy krytycznym stężeniu micelarnym CMC (ang. critical 
micellar  concentration
),  
które  nie  jest  ściśle  określonym  punktem  na  skali  stężeń,  ale 
obejmuje  pewien  ich  zakres  i  jest  związane  ze  zmianą  właściwości  fizykochemicznych 
rozcieńczonych  roztworów.  W  wodnych  roztworach  surfaktantów  przy  stężeniach  niższych 
od wartości CMC ich cząsteczki występują w postaci monomerów, podczas gdy w zakresie 
wyższych  stężeń  mogą  tworzyć  asocjaty  micelarne  o  różnym  kształcie,  przy  czym  przy 
stężeniach surfaktantu bliskich wartości  CMC, w roztworach tych występują  micele kuliste 
lub  niesferyczne  (cylindryczne,  usieciowane,  warstwowe),  pozostające  w  równowadze  z 
monomerami.  Do  najważniejszych  czynników  wpływających  na  zdolność  surfaktantu  do 
tworzenia miceli w wodnych roztworach należą: 

 

budowa  cząsteczki  –  długość  łańcucha  alkilowego  (w  stałych  warunkach  wzrost 
długości łańcucha obniża wartość CMC, jednocześnie utworzone micele są większe i 

background image

 
 

słabiej  zdysocjowane),  budowa  głowy  polarnej,  rodzaj  przeciwjonu  (grubszej 
warstwie hydratacyjnej odpowiada wyższa wartość CMC);  

 

skład roztworu  –  dodatek soli (dla szeregu homologicznego surfaktantów jonowych, 
wartość CMC dla ich roztworów wodnych  obecności soli zawierających jon wspólny, 
maleje wraz ze wzrostem stężenia soli), obecność nieelektrolitów; 

 

warunki zewnętrzne – temperatura roztworu (przy wzroście temperatury w przypadku 
surfaktantów  jonowych  spada  liczba  agregacji  miceli,  a  w  przypadku  surfaktantów 
niejonowych maleje liczba agregacji miceli), ciśnienie.  

 
Aktywność  powierzchniowa  surfaktantów  w  roztworach  wodnych  dla  stężeń  niższych  niż 
wartości CMC jest liniową funkcją logarytmu stężenia, a powyżej tej wartości zmienia się w 
tak  niewielkim  zakresie,  że  może  być  traktowana  jako  stała.  Wartość  napięcia 
powierzchniowego  wodnych  roztworów  jonowych  związków  powierzchniowo  czynnych, 
przy stężeniu równym CMC, w roztworach z dodatkiem soli o jonie wspólnym, maleje wraz 
ze  wzrostem  stężenia  dodanej  soli.  Aktywność  powierzchniową  surfaktanty  prezentują 
również  w  roztworach  niewodnych,  która  także  wynika  z  tendencji  surfaktantu  do 
organizowania  się  na  granicy  faz  ciecz-gaz.  Po  wprowadzeniu  do  rozpuszczalnika 
niepolarnego surfaktantu, tworzy się nowa granica faz, dlatego cząsteczki surfaktantu muszą 
się  zorganizować  względem  siebie  na  nowo,  a  ponadto  przemieścić  z  fazy  objętościowej 
cieczy  do  fazy  powierzchniowej.  Szybkość  tej  wędrówki  jest  tym  większa,  im  bardziej 
hydrofilową  głową  dysponują  cząsteczki  surfaktantu  wobec  cząsteczek  rozpuszczalnika, 
ponieważ  im  polarność  rozpuszczalnika  niższa,  tym  większa  jest  tendencja  cząsteczek 
surfaktantu  do  zmiany  orientacji  w  kierunku  powierzchni  lub  formowania  miceli 
odwróconych.  Jeśli  w  roztworach  zachodzi  proces  tworzenia  się  agregatów  micelarnych,  to 
wartość napięcia powierzchniowego tych roztworów przestawia się jako funkcję logarytmu ze 
stężenia  wobec  napięcia  powierzchniowego,  a  na  wykresie  ujmującym  te  zależności, 
obserwuje  się  zmianę  przebiegu  krzywej  (załamania  lub  przegięcia),  w  pewnym  zakresie 
stężeń,  co  świadczy  o  znalezieniu  się  związku  w  obszarze  krytycznego  stężenia.  Punkt 
przecięcia  się  2  prostoliniowych  odcinków  odpowiada  wartości  krytycznego  stężenia 
micelarnego  (CMC)  w  danych  warunkach.  Jednak  często  na  tego  rodzaju  wykresach,  przy 
stężeniu  zbliżonym  do  wartości  CMC  pojawia  się  typowe  minimum,  którego  obecność 
sugeruje,  że  poza  roztworem  surfaktantu  w  cieczy  rozpuszczone  są  także  inne  związki,  np. 
nieprzereagowane substraty użyte do jego syntezy, a które nie zostały całkowicie usunięte w 
procesie  technologicznym.  Analiza  przebiegu  zależności  na  wykresie  jest  istotna,  ponieważ 
jest  ona  prostym,  a  jednocześnie  czułym  narzędziem  pozwalającym  na  ocenę  stopnia 
czystości  analizowanego  surfaktantu.  Znajomość  dokładnych  wartości  CMC  związków 
powierzchniowo  czynnych  jest  szczególnie  ważna  przy  badaniu  zdolności  piorącej, 
solubilizacji, katalizy oraz szeregu innych ich właściwości.  
 
Stabilność  powstających  w  roztworach  miceli  wynika  ze  wzajemnej  kompensacji  dwóch 
czynników:  przyciągania  między  łańcuchami  alkilowymi  oraz  odpychania  wynikającego  z 
oddziaływań  elektrostatycznych/sterycznych  pomiędzy  hydratowymi  grupami  polarnymi 
obecnymi  na  powierzchni  powstających  micel.  Jonowe  i  niejonowe  surfaktanty  zawierające 
długi  łańcuch  alkilowy  wykazują aktywność powierzchniową  w roztworach wodnych już w 

background image

 
 

niewielkich stężeniach, ale efekt powierzchniowy surfaktantów zależy od ilości oraz budowy 
ich cząsteczek lub jonów występujących w roztworze w formie monomerycznej. Oznacza to, 
że utworzone w roztworze micele surfaktantu nie biorą udziału w aktywności międzyfazowej, 
więc  można  przypuszczać,  że  każdy  czynnik  wpływający  na  powstawanie  lub  rozpad 
agregatów  micelarnych  w  wodnych  rozworach  surfaktantów  wpływa  na  ich  aktywność 
powierzchniową. Wzrost ogólnego stężenia surfaktantu w roztworach powoduje tworzenie się 
większych miceli, przy czym liczba ich agregacji wrasta liniowo, ze wzrostem ich stężenia, a  
szybkość  wzrostu  liczby  agregacyjnej  (przy  stężeniach  wyższych  niż  wartości  CMC)  jest 
różna i tym większa im głowa polarna zawiera mniej ugrupowań metylowych. W przypadku 
wodnych  roztworów  soli  wyższych  homologów  surfaktantów  jonowych  w  zależności  od 
stężenia  dodanej  soli  z  jonem  wspólnym  mogą  tworzyć  się  2  rodzaje  miceli:  przy  niskich 
stężeniach  kuliste  struktury  podstawowe  (Menger,  1973)  pozostające  w  równowadze  z 
monomerami oraz micele cylindryczne, których długość zależy od stężenia soli w roztworze 
(im wyższe stężenie tym dłuższe), a które współistnieją w roztworze z micelami kulistymi i 
monomerami,  przy  stężeniach  przekraczających  stężenie  progowe.  Wg.  Tanforda  promień 
węglowodorowego  rdzenia  miceli  kulistej  odpowiada  długości  łańcucha  alkilowego 
surfaktantu  i  zależy  od  liczby  atomów  węgla  w  tym  łańcuchu,  natomiast  objętość  łańcucha 
alkilowego surfaktantu również zależy od liczby atomów węgla. 
 
Kształt kulisty miceli jest uśrednionym w czasie i po różnych konfiguracjach przestrzennych 
kształtem  asocjatów  miceli  w  roztworach,  ponieważ  w  rzeczywistości  ma  on  charakter 
dynamiczny
,  w  odróżnieniu  od  klasycznego  statycznego  modelu  miceli  (Hartley,  1836). 
Model dynamiczny zakłada, że w tej samej chwili, łańcuch hydrofobowy jednej z cząsteczek 
surfaktantu  może  być  powyginany,  a  inny  wyprostowany,  a  także,  że  jedna  cząsteczka 
wbudowuje  się  w  micelę  (przechodzi  z  fazy  objętościowej  roztworu  do  obszaru  miceli), 
podczas gdy inna opuszcza micelę i staje się wolnym monomerem (ucieka z miceli). Z uwagi 
na to, w obszarze pojedynczej miceli kulistej, cząsteczki surfaktantów mogą występować w 
różnych stanach:  

 

odsłaniać  łańcuch  hydrofobowy,  co  umożliwia  bezpośredni  kontakt  cząsteczek 
substancji  niepolarnych  z  łańcuchami  hydrofobowymi,  a  tym  samym  wiązanie 
cząsteczek  hydrofobowych  przez  obszary  asocjatów  micelarnych,  a  nawet  atomy 
węgla  łańcucha  hydrofobowego  położone  terminalnie,  co  powoduje,  że  mogą  one 
znajdować się w bezpośrednim kontakcie z cząsteczkami rozpuszczalnika polarnego; 

 

sąsiadujące  cząsteczki  surfaktantów  mogą  współistnieć  w  tworzeniu  zagłębień  w 
części  przypowierzchniowej  agregatu  micelarnego,  co  sprawia,  że  cząsteczki 
rozpuszczalnika mogą penetrować wnętrze micel.  

 
Zmiana kształtu miceli z kulistej na cylindryczną w roztworach wodnych surfaktantów może 
nastąpić  przez  dodanie  do  układu  związków  hydrofobowych  lub  kosurfaktanów  o  dużej 
objętości  łańcucha  hydrofobowego  i  małej  wartości  pola  przekroju  poprzecznego  (np. 
alkoholi  alifatycznych),  dodatek  soli/wymianę  przeciwojnów  wywołującego  zmniejszenie 
pola przekroju poprzecznego surfaktantu, lub podniesienie temperatury układu dla roztworów 
niejonowych surfaktantów/obniżenie temperatury dla jonowych surfaktantów, a także poprzez 
wzrost stężenia surfaktantu w roztworze.  

background image

 
 

Postępowanie  analityczne  obejmuje  wyznaczenie  CMC  jonowych  związków 
powierzchniowo czynnych n podstawie pomiarów przewodnictwa elektrolitycznego wodnych 
roztworów przewodników drugiego rodzaju (roztworów elektrolitów), czyli konduktometria. 
Metoda  ta  zalicza  się  do  technik  elektroanalitycznych,  które  charakteryzują  się  dużą 
czułością, selektywnością, precyzją, wiarygodnością, prostym sposobem przygotowania prób 
i  krótkim  czasem  trwania  analizy.  Dodatkową  zaletą  tej  metody  jest  niski  koszt 
wykorzystywanej aparatury oraz brak potrzeby stosowania organicznych dodatków mogących 
wpływać  na  wartości  CMC.  Konduktometria  opiera  się  na  pomiarach  przewodnictwa 
elektrolitycznego  lub  oporu  roztworu  elektrolitu,  którego  wartość  ulega  zmianie  wraz  ze 
zmiana stężenia jonów obecnych w roztworze. Przewodnictwo elektrolityczne (konduktancja) 
polega  na  skierowanym  przenoszeniu  ładunku  elektrycznego  przez  dodatnie  i  ujemne  jony 
obecne w roztworze, a ponadto zależy od ruchliwości jonów, stężenia elektrolitu, temperatury 
roztworu oraz obecności innych związków w formie zdysocjowanej. Miarą konduktancji jest 
przewodnictwo właściwe, które oblicza się ze wzoru:  

𝜅 =

𝑙

𝑅 ∙ 𝑆

=

1
𝜌

  

gdzie  R  to  opór  elektrolitu  [Ω]  o  przekroju  S  [m

2

]  i  długości  l  [m],  a  ρ  to  opór  właściwy 

[Ωm].  

Z  otrzymanych  pomiarów  wykreśla  się  zależność 
przewodnictwa 

wodnych 

roztworów 

związku 

powierzchniowo  czynnego  od    jego  stężenia  w 
roztworach wodnych, a za punkt CMC uznaje się punkt 
załamania krzywej na wykresie. Ta technika pomiarowa 
znajduje  zastosowanie  w  oznaczaniu  zawartości 
surfaktantów  jonowych  w  ściekach  oraz  w  kontroli 
przebiegu  procesów  przemysłowych  wykorzystujących 
tą grupę surfaktantów. 

 

 

 

Wyznaczanie wartości krytycznego stężenia micelarnego SDS na podstawie 

pomiarów przewodnictwa elektrolitycznego jego wodnych roztworów 

 

Celem  ćwiczenia  jest  wyznaczenie  krytycznego  stężenia  micelarnego  wodnych  roztworów 
dodecylosiarczanu 

sodu, 

na  podstawie  wyników  pomiarów  ich  przewodnictwa 

elektrolitycznego.  
 
Odczynniki i roztwory: 

  dodecylosiarczan sodu (m = 288,38 g/mol) 

 

roztwór wodny SDS o stężeniu 0,02 mol/dm

3

 

  12 roztworów wodnych SDS o stężeniu w zakresie 0,005 – 0,02 mol/dm

3

 

 

background image

 
 

Aparatura: 

  konduktometr 

 
Szkło i materiały: 

 

kolb miarowa o pojemności 500 cm

3

 

 

12 kolb miarowych o pojemności 100 cm

3

 

  korki teflonowe do kolb miarowych  

  pipety szklane wielomiarowe 

 

Sposób przeprowadzenia eksperymentu 

Należy przygotować wyjściowy roztwór wodny SDS o wartości 0,02 mol/dm

3

 i objętości 500 

cm

3

 w kolbie miarowej. Kolejno, w kolbach miarowych na 100 cm

3

, przygotować szereg 12 

rozcieńczeń  wodnych  o  stężeniach  w  zakresie  od  0,02  do  0,005  mol/dm

3

.  Należy 

przeprowadzić  dwukrotne  pomiary  przewodnictwa  każdego  roztworu  w  naczynku 
termostatowanym,  w  temp.  25 

o

C  (każdy  roztwór  termostatować  ok.  1  minuty).  Pomiary 

przygotowanych  roztworów  należy  przeprowadzić  w  kolejności  od  najniższego  stężenia  do 
najwyższego, aby uniknąć zafałszowania rezultatów w wyniku zabrudzenia przygotowanego 
stężenia resztkami roztworu o wyższym stężeniu pozostałymi w naczynku pomiarowym.  

 

W  takcie  zajęć  należy  prowadzić  notatki  laboratoryjne  w  formie  protokołu  z 
przeprowadzonego eksperymentu, w którym powinny się znaleźć następujące elementy: data 
przeprowadzenia  eksperymentu,  tytuł  ćwiczenia,  cel  prowadzenia  eksperymentu, 
wykorzystane odczynniki i ich objętości/masy, przebieg doświadczenia oraz obserwacje 
dotyczące  pienienia  każdego  roztworu
.  Tak  przygotowany  protokół  z  podpisem 
prowadzącego  zajęcia  należy  dołączyć  do  sprawozdania  z  ćwiczeń,  w  którym  oprócz 
elementów  zawartych  w  protokole,  należy  przeprowadzić  obliczenia,  na  podstawie  których 
następnie  sporządzić  wykres  zależności  przewodnictwa  roztworów  od  ich  stężenia, 
wyznaczyć  wartość  CMC,  a  następnie  porównać  otrzymany  rezultat  z  wartością 
literaturową, oraz wnioski dotyczące przeprowadzonego eksperymentu. Sprawozdanie należy 
dostarczyć prowadzącemu w ciągu 2 tygodni od wykonania ćwiczenia.  
 

Literatura 
1.  Przondo  J.,  2007,  Związki  powierzchniowo  czynne  i  ich  zastosowanie  w  produktach  chemii 
gospodarczej, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, str. 138 - 148 
2. Anastasiu S., Jelescu E., 1973, Środki powierzchniowo czynne, WNT, Warszawa 
3.  Zieliński  R.,  2009,  Surfaktanty  budowa,  właściwości,  zastosowanie,  Wydawnictwo  Uniwesrsytetu 
Ekonomicznego w Poznaniu, Poznań, str. 18 – 107.  
4. Holmberg K., Jonsson B., Kronberg B., Lindman B., 2003, Surfactans and plymers in aqueous solutions, John 
Wiley & Sons Ltd., Chichester.  
5. Abramzon  A.A,  Zajcenko  L.P., Fajngold S.I., 1988, Powierchnostno-aktiwnyje  wieszciestwa. Sintez, analiz, 
swojstwa, primienienie. Chimia, Leningrad.  
6. Shinoda K., Yamaguchi T., Hori R., 1961, Bull. Chem. Soc. Jpn., 34, 237. 
7. Elworthy P.H., MacFarlane C.B., 1962, Journal of Pharmacy and Pharmaceuticals, 14, 100T. 
8. Elworthy P.H., Mysels K.J., 1966, Journal of Colloid Interface Sciences, 21, 331.  

background image

 
 

9.  Błaszczak  J.,  Skrzypczak  A.,  2001,  w  Czwartorzędowe  sole  amoniowe  i  obszary  ich  zastosowań  w 
gospodarce, pod red. R. Zieliński, Wydawnictwo Intytutu Technologii Drewna w Poznaniu, Poznań, str. 201.  
10 . Tanford C., 1980, The hydrophobic effect. Formation  of  micells and biologicl  membranes,  wud 2, Wiley, 
Nowy Jork. 
11. Menger F.M., 1979, Acc. Chem. Res., 12, 111. 
12. Menger F.M., 1979, J. Phys. Chem., 83, 893. 
13. Hartley G.S., 1936, Aqueous solutions of paraffin chain salts, Hermann & Cie, Paryż.  
14. Offen H.W., 1980, Rev. Phys. Chem. Jpn., 50, 97.  
15. Joshi J.V., Aswal V.K., Bahadur P., Goyal P.S., 2002, Current Sci., 83, 1, 47. 
16  Murkerjee  P.,  Mysels  K.J.,  1971,  Critical  micelle  concentration  of  aqueous  surfactant  system,  Natl.  Bur. 
Stand., Washington. 
17. Benrraou M., Bales B.L., Zana R., 2003, J. Phys. Chem. B, 107, 13432. 
18. Hiemenz P.C., 1977, Principles of colloid and surface chemistry, Marcel Dekker, Nowy Jork.