Химия ккм что это
Лекция №11.
План лекции:
5.Новые направления использования ПАВ.
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ККМ
1.строение углеводородного радикала в молекуле ПАВ;
2.характер полярной группы;
3.наличие в растворе электролитов;
Рассмотрим подробнее влияние каждого фактора.
1.Строение углеводородного радикала
Длина углеводородного радикала оказывает решающее действие на процесс мицеллообразования в водных растворах. Понижение энергии Гиббса системы в результате мицеллообразования тем больше, чем длиннее углеводородная цепь. Исследования показывают, что образование предмицеллярных ассоциатов наблюдается в поверхностно-активных электролитах с наличием в углеводородной цепи более четырех атомов углерода. Однако, в таких соединениях слабо выражено различие между гидрофильной и гидрофобной частями. В связи с этим энергия ассоциирования недостаточна, чтобы удержать молекулы от беспорядочного теплового движения и, тем самым, создать условия для мицеллообразования. Как правило, способность к мицеллообразованию свойственна молекулам ПАВ с длиной у/в радикала более 8-10 атомов углерода.
При равновесии химические потенциалы ПАВ в растворе m р и в мицелле m М равны и можно записать:
m 0 р + R Т l n ККМ = m 0 М + R Т l n аМ (11.1)
Считая мицеллу фазой чистого ПАВ, можно принять его активность в мицелле равной единице. Тогда получим:
Левая часть уравнения (11.2) представляет собой энергию переноса вещества из раствора, то есть энергию растворения. Известно, что энергия растворения соединений в воде уменьшается линейно с увеличением длины у/в радикала. Следовательно:
R Т l n ККМ = а – b n (11.3),
Для органической среды:
R Т l n ККМ = а + b n (11.4)
то есть при увеличении длины у/в радикала повышается растворимость ПАВ и возрастает ККМ. Разветвленность, непредельность и циклизация у/в радикала уменьшает склонность к мицеллообразованию и увеличивают ККМ.
2.Характер полярной группы
Характер полярной группы играет существенную роль при мицеллообразовании в водных и неводных средах. Ее влияние на ККМ отражает параметр а в уравнениях.
3.Влияние электролитов
Введение электролитов в водные растворы неионногенных ПАВ слабо влияет на ККМ и размер мицеллы. Для ионногенных ПАВ это влияние существенно. С ростом концентрации электролита мицеллярная масса ионногенных ПАВ растет. Влияние электролитов описывается уравнением:
В отсутствии электролита с = ККМ.
Введение неэлектролитов (органических растворителей) тоже приводит к изменению ККМ. При наличии солюбилизации устойчивость мицелл повышается, то есть уменьшается ККМ. Если молекулы растворителя не входят внутрь мицеллы, то они увеличивают ККМ.
Для регулирования свойств ПАВ применяют их смеси, в которых проявляются синергетические или антогонистические эффекты, то есть такие смеси могут иметь значительно более высокую или менее высокую мицеллообразующую, солюбилизирующую способности.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ККМ
Методы определения ККМ основаны на регистрации резкого изменения свойств растворов ПАВ в зависимости от концентрации (например, поверхностного натяжения, мутности, эквивалентной электропроводности, осмотического давления, показателя преломления).
ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И МОЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ
Мы уже объяснили механизм гидрофобных взаимодействий с точки зрения термодинамики. Представляет интерес объяснение моющего действия растворов ПАВ. Под моющим действием подразумевают совокупность коллоидно-химических процессов, которые приводят к удалению загрязнений в растворе. Загрязнения представляют собой маслянистые продукты (животные жиры, жирные кислоты, нефтепродукты) в смеси с другими твердыми веществами минерального и органического происхождения.
Стадии моющего действия при удалении жировых загрязнений.
Изменение энергии Гиббса в случае преодоления адгезии масляных загрязнений:
Для самопроизвольного процесса можно написать:
-( ТВ +
МВ ) +
ТМ 0, или
ТМ
ТВ +
МВ (11.7)
Для самопроизвольного удаления загрязнений необходимо, чтобы поверхностное натяжение масла s МВ и твердого тела
ТВ на границе с водой превышало
ТМ. Этот процесс осуществляется в результате адсорбции коллоидных ПАВ. Таким образом, первая и вторая стадии моющего действия связаны с поверхностными свойствами коллоидных ПАВ.
За счет механического воздействия, например при стирке, можно усилить моющее действие, особенно в тех случаях, когда не происходит самопроизвольного нарушения адгезионного взаимодействия. В этом случае под действием ПАВ адгезия частиц загрязнений снижается, что способствует удалению их механическим путем.
3.Отличительные особенности коллоидных ПАВ наиболее ощутимы на 3 стадии моющего действия, которая заключается в удержании загрязнений в жидкой среде и в предотвращении их возможного оседания на обрабатываемую поверхность.
Удержание частиц в растворе определяется целым комплексом коллоидных свойств растворов ПАВ. Прежде всего, происходит диспергирование частиц на более мелкие. Комки твердых загрязнений в результате пептизации переходят во взвешенное состояние с одновременном дроблением крупных частиц на более мелкие или разрушением агрегатов. Затем на поверхности частиц образуются адсорбционно-сольватные слои, которые препятствуют агрегации частиц и удерживают их во взвешенном состоянии, т.е. происходит образование стабилизированной суспензии. Пептизация с одновременным суспендирующим действием коллоидных ПАВ способствует удержанию твердых загрязнений.
В случае жидких жировых загрязнений возможно самопроизвольное диспергирование до мелких капель, когда дисперсная система является лиофильной. Капли масляных загрязнений образуют прямую эмульсию М ¤ В, а адсорбционные слои ПАВ способствуют удержанию их в водной среде. Кроме того, особенно для лиофобных систем, масляные загрязнения удерживаются в объеме водной среды за счет солюбилизации. По отношению к твердым загрязнениям коллоидные ПАВ способны обеспечивать стабильность суспензий и способствовать суспендированию.
Коллоидные ПАВ являются еще и пенообразователями. К пузырькам пен прилипают частицы загрязнений, и происходит удержание частиц загрязнений в растворе.
В целом именно на третьей стадии моющего действия в полной мере проявляются объемные свойства растворов коллоидных ПАВ.
В основе моющего действия лежат следующие коллоидно-химические процессы : смачивание, адгезия, адсорбция, пептизация, солюбилизация, эмульгирование, суспендирование, пенообразование.
Лекция №10.
План лекции:
Поверхностно-активные вещества получили широкое промышленное распространение. Сокращенно их называют ПАВ. Наличие гидрофильной и олеофильной частей у молекул ПАВ является характерной особенностью их строения.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ
SHAPE \* MERGEFORMAT
Не смешивается |
Плохо диспергируется |
Хорошо диспергируется |
Устойчивая эмульсия |
Высокодисперсная эмульсия |
Прозрачный раствор |
Групповые числа N различных фрагментов молекул ПАВ [1]
Лиофильные
19,1
9,4
6,8
1,3
Липофильные
–0,475
Сложные
ГЛБ поверхностно-активных веществ [1]
Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.
Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.
* Может содержать примесь мыла.
1.3.2. Критические концентрации мицеллообразования (ККМ)
Подавляющее большинство поверхностно—активных веществ, применяемых в технике и технологии, имеют ограниченную растворимость, причем переход к новому состоянию раствора при повышении его концентрации отличается уникальным своеобразием. Своеобразие заключается в том, что при достижении некоторой характерной для каждого ПАВ концентрации оно не выделяется в виде новой фазы, а образует коллоидный раствор. Эта концентрация называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Она является основной термодинамической характеристикой раствора ПАВ. Поверхностно-активные вещества, способные переходить в состояние коллоидного раствора, называются мицеллообразующими или коллоидными поверхностно-активными веществами. Особенность образующихся при этом коллоидных растворов поверхностно-активного вещества в том, что они термодинамически устойчивы, обратимы по отношению к изменению состава раствора и температуры. При валовой концентрации ПАВ большей, чем ККМ, его концентрация в молекулярной форме остается равной ККМ, а все остальное вещество находится в мицеллярной форме. Только мицеллообразующие вещества являются эффективными стабилизаторами суспензий и эмульсий, солюбилизаторами и основным компонентом моющих составов. Критическая концентрация мицеллообразования является и важнейшей технической характеристикой технических поверхностно—активных веществ (табл. 4П1.3).
Критические концентрации мицеллообразования (ККМ) типичных представителей
поверхностно—активных веществ разного типа [2]
Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.
Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.
1.3.3. Расчет количества ПАВ в дисперсной системе
Простейший расчет количества поверхностно-активного вещества, необходимого для достижения требуемого эффекта, основан на величине так называемой посадочной площадки s молекулы ПАВ. Это площадь, которую занимает одна молекула ПАВ в насыщенном адсорбционном слое этого вещества. Она определяется геометрическими размерами молекулы ПАВ и ее ориентацией в адсорбционном слое.
Для расчета количества ПАВ необходимо знать (или задать) площадь A поверхности дисперсной фазы — частиц суспензии или капель эмульсии. Как правило, максимальный эффект, в частности эффект стабилизации суспензий, эмульсий, пен, достигается за счет образования на поверхности всех частиц (капель, ячеек пены) насыщенного мономолекулярного адсорбционного слоя поверхностно-активного вещества. Для этого в системе должно содержаться, как минимум, такое количество вещества Qmin, которого достаточно для создания такого слоя на всей площади межфазной поверхности A. Оно равно:
, (2П1)
где NA = 6,023 × 10 23 1/моль — постоянная Авогадро. Фактическое количество ПАВ Q должно быть увеличено на величину порядка (V × ККМ), где V — объем дисперсионной среды, а ККМ — критическая концентрация мицеллообразования вводимого ПАВ в этой среде. При концентрации ПАВ в среде, равной его критической концентрации, гарантировано образование насыщенного адсорбционного слоя. Не рекомендуется вводить поверхностно-активное вещество в количестве большем, чем (Qmin + V × ККМ), так как это иногда ведет к понижению устойчивости дисперсной системы, возможно, за счет образования второго (лиофобизующего) адсорбционного слоя. Необходимые для указанных расчетов свойства поверхностно-активных веществ приведены в табл. 4П1.3 и 5П1.3.
Площадь s, занимаемая одной молекулой в насыщенном адсорбционном слое [2]
41
34
25
C8H17CH=CHC7H14COONa
28
33
33
34
30
32
53
58
С8Н17C6Н4O(С2Н4O)10Н
74
С8Н17C6Н4O(С2Н4O)16Н
Эмульсии / Под ред. Ф. Шермана. Л.: Химия, 1972. 448 с.
Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / Под ред. Ю.Г. Фролова, А.С. Гродского. М.: Химия, 1986. 216 с.
МИЦЕЛЛООБРАЗОВА́НИЕ
Том 20. Москва, 2012, стр. 508-509
Скопировать библиографическую ссылку:
МИЦЕЛЛООБРАЗОВА́НИЕ, самопроизвольная ассоциация (самоорганизация) молекул ПАВ в растворе с образованием термодинамически устойчивых коллоидных (наноразмерных) дисперсных систем, в которых наряду с индивидуальными молекулами (или ионами) ПАВ присутствуют ассоциаты характерного размера и строения – мицеллы (от новолатинского micella, уменьшительное от лат. mica – крошка, крупинка). В полярных растворителях образуются прямые, в неполярных – обратные (обращённые) мицеллы. Прямые мицеллы (как правило, в качестве растворителя используется вода) состоят из неполярного ядра, образованного гидрофобными радикалами, и поверхностного слоя из ориентированных к растворителю полярных групп. Прямые мицеллы – ассоциаты из десятков или сотен молекул ПАВ. Число молекул в мицелле называется числом агрегации. Обращённые мицеллы состоят из полярного ядра, образованного гидрофильными группами, а гидрофобные радикалы молекул ПАВ ориентированы в неполярную жидкую фазу. Числа агрегации обращённых мицелл малы́ по сравнению с числами агрегации прямых мицелл. Ассоциация молекул ПАВ в неполярных средах характеризуется низкой кооперативностью и приводит к образованию небольших и полидисперсных частиц. Добавление небольших количеств воды индуцирует кооперативную самоассоциацию ПАВ с образованием обращённых мицелл.
Дисперсные системы в природе и технике (стр. 9 )
| Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
К недостаткам этих ПАВ относится медленное разложение из-за наличия в их составе ароматического радикала и, как следствие, накопление, их в объектах окружающей среды. НПАВ с алкильными радикалами способны биологически разлагаться достаточно полно и быстро.
Состояние ПАВ в растворе
Истинные растворы ПАВ. Истинная растворимость ПАВ обусловлена, главным образом, увеличением энтропии при растворении и в меньшей степени энтальпийной составляющей, т. е. взаимодействием с молекулами воды. Для ионогенных ПАВ характерна диссоциация в водных растворах, благодаря чему энтропия их растворения значительна. НПАВ не диссоциируют и слабее взаимодействуют с водой, поэтому их растворимость значительно меньше при той же длине углеводородного радикала. Чаще растворение ПАВ сопровождается поглощением теплоты (∆Н>0), поэтому их растворимость увеличивается с повышением температуры. Максимально возможная концентрация, при которой коллоидные ПАВ еще находятся в неассоциированном состоянии, т. е. ККМ, невелика и изменяется в пределах моль/л.
Под мицеллой ПАВ понимают ассоциат дифильных молекул, лиофильные группы которых обращены к соответствующему растворителю, а лиофобные группы соединяются друг с другом, образуя ядро мицеллы.
Изотермы поверхностного натяжения коллоидных ПАВ отличаются от изотерм истинно растворимых
ПАВ более резким понижением σ с увеличением концентрации и наличием излома на изотерме в области чрезвычайно малых концентраций, отвечающих истинной растворимости, выше которых поверхностное натяжение остается практически постоянным. Концентрация в точке излома соответствует ККМ, выше которой в растворе самопроизвольно протекают процессы образования мицелл, и истинный раствор переходит в золь.
Поверхностную активность мицеллярных ПАВ можно оценить через ККМ с помощью соотношений
Многие ПАВ с большими углеводородными радикалами из-за плохой растворимости не образуют мицеллярных растворов. Однако при изменении температуры растворимость ПАВ может увеличиваться и обнаруживается мицеллообразование. Температуру, при которой резко увеличивается растворимость ПАВ вследствие образования мицелл, называют точкой Крафта. (1895 г.)
Процесс мицеллообразования в соответствии с законом действия масс можно выразить для неионогенных и ионогенных ПАВ с помощью уравнений
где К— противоионы; R-поверхностно-активный анион, М— мицелла, m— число радикалов R в мицелле.
Константы равновесия этих реакций будут равны соответственно
(5.3)
(5.4)
Стандартная энергия Гиббса мицеллообразования, приходящаяся на 1 моль мономера, составит
(5.5)
Подставляя вместо константы равновесия мицеллообразования ее значение из (5.3), принимая коэффициенты активности, равными единице (т. к. раствор разбавленный), а также, учитывая равенство с=ККМ, получим, например, для неионогенных ПАВ:
(5.6)
Таким образом, рассмотрение мицеллообразования с использованием закона действия масс позволяет определить термодинамические функции этого процесса по значению ККМ и активности мицелл в этой области концентраций. Часто активность мицелл принимают равной единице, однако это допущение далеко неправомерно, так как при таком условии не происходило бы растворения ПАВ (равенство активностей мицелл и макрофазы ПАВ), что противоречит эксперименту. Активность мицелл можно определить, например, методом распределения ПАВ между двумя жидкими фазами.
Термодинамическое рассмотрение процесса мицеллообразования позволяет сделать вывод о том, что с увеличением сродства молекул ПАВ к растворителю (их лиофильности) устойчивость мицелл снижается и соответственно увеличивается ККМ: молекулам ПАВ труднее собираться в мицеллу. То же самое наблюдается при повышении степени диссоциации ПАВ и росте заряда мицеллы: увеличивается энергия отталкивания одноименно заряженных лиофобных ионов, образующих мицеллы.
Строение мицелл ПАВ
При концентрациях ПАВ в водном растворе, несколько превышающих ККМ, образуются сферические мицеллы (мицеллы Гартли), Диаметр таких мицелл равен удвоенной длине молекул ПАВ. Число молекул в мицелле быстро растет в пределах узкого интервала концентраций, а при дальнейшем увеличении концентрации практически не изменяется. При этом увеличивается число мицелл. Сферические мицеллы могут содержать от 20 до 100 молекул и более. Например, мицелла додецилсульфата натрия состоит в среднем из 73 молекул.
При концентрации ПАВ в растворах примерно в 10-50 раз больше ККМ, образуются мицеллы другого строения. По мере повышения концентрации раствора размер мицелл увеличивается, и углеводородные цепи располагаются в них все более и более параллельно друг другу. Сферические мицеллы превращаются в анизодиаметрические эллипсоидальные и цилиндрические, а затем палочкообразные, ленточные и пластинчатые мицеллы, состоящие из двух слоев молекул ПАВ, обращенных друг к другу углеводородными цепями, а ионогенными группами наружу. Эти мицеллы напоминают по своему строению двухмерный кристалл и могут иметь неограниченные размеры в двух направлениях.
Пластинчатые мицеллы ионогенных ПАВ заряжены гораздо слабее, чем сферические, поскольку при сравнительно высокой концентрации ПАВ, при которой они образуются, уменьшается диссоциация ионогенных групп. Благодаря этому пластинчатые мицеллы располагаются параллельно друг другу, причем соседние мицеллы обращены одна к другой своими поверхностями, на которых находятся гидратированные полярные группы. Вследствие образования пластинчатых мицелл и их характерного расположения, достаточно концентрированные растворы способны переходить в гель, показывающий под микроскопом своеобразную структуру, состоящую как бы из лент и пленок.
Подобные системы с упорядоченным расположением молекул, обладающие оптической анизотропией и механическими свойствами (пластичностью, прочностью, тиксотропией), промежуточными между истинными жидкостями и твердыми телами, называют жидкими кристаллами. Исследование их свойств имеет большое практическое (моющие средства, консистентные смазки) и научное (биологические структуры) значение.
При дальнейшем удалении дисперсионной среды гель переходит в твердую макрофазу – кристалл (кристаллогидрат) мыла, имеющий характерное слоистое строение.
Определение ККМ
Методы определения ККМ основаны на регистрации резкого изменения физико-химических свойств растворов ПАВ в зависимости от концентрации (поверхностного натяжения σ, мутности τ, эквивалентной электропроводности λ, осмотического давления π, показателя преломления n). На кривой зависимости свойство – состав в области ККМ обычно появляется излом (рис.5.6). Одна из ветвей кривых (при более низких концентрациях) описывает свойства системы в молекулярном состоянии, а другая – в коллоидном. Абсциссу точки излома условно считают соответствующей переходу молекул в мицеллы, т. е. ККМ.
Измерение интенсивности светорассеяния позволяет не только определить ККМ, но и определять мицеллярную массу и числа ассоциации. Согласно теории светорассеяния в разбавленных коллоидных системах выполняется соотношение Дебая:
, (5.7)
где H – оптическая константа Дебая, С – концентрация раствора ПАВ, τ и τККМ – мутность раствора и мутность его при ККМ, МM – мицеллярная масса, А – второй вириальный коэффициент.
Зная молярную массу ПАВ (M), находят число ассоциации m:
(5.8)
Факторы, влияющие на ККМ
1. Влияние длины цепи ПАВ. В гомологических рядах с увеличением молекулярной массы ПАВ величина ККМ уменьшается примерно обратно пропорционально поверхностной активности. Для соседних гомологов отношение ККМ имеет значение коэффициента правила Дюкло-Траубле
3,2. Разветвленность, непредельность и циклизация углеводородного радикала уменьшает склонность к мицеллообразованию.
2. Влияние характера полярной группы. Роль гидрофильных групп в водных растворах ПАВ заключается в том, чтобы удерживать образующиеся ассоциаты в воде и регулировать их размер. Сферическая форма ионных мицелл устанавливается, если энергия ассоциирования углеводородных цепей достаточно большая и превышает энергию электростатического отталкивания между ионными группами. Гидратация противоионов, окружающих мицеллу, способствует отталкиванию, а менее гидратированые ионы легче адсорбируются на поверхности мицелл. В связи с этим наблюдается уменьшение ККМ и увеличение мицеллярной массы для катионных ПАВ в ряду Cl − > ККМ НПАВ при одинаковой гидрофобности молекул.
Для НПАВ характерен рост ККМ с увеличением числа присоединенных молекул оксида этилена.
- Химия кислоты что это
- Химия кулинарии что такое вкусная еда с научной точки зрения