Критическая концентрация мицеллообразования

Концентрация поверхностно-активных веществ, выше которой образуются мицеллы

В коллоидной и поверхностной химии критическая концентрация мицеллообразования ( ККМ ) определяется как концентрация поверхностно-активных веществ, выше которой образуются мицеллы , и все дополнительные поверхностно-активные вещества, добавленные в систему, будут образовывать мицеллы. ^[1]

ККМ является важной характеристикой поверхностно-активного вещества. До достижения ККМ поверхностное натяжение сильно меняется с концентрацией поверхностно-активного вещества. После достижения ККМ поверхностное натяжение остается относительно постоянным или изменяется с меньшим наклоном. Значение ККМ для данного диспергатора в данной среде зависит от температуры, давления и (иногда сильно) от присутствия и концентрации других поверхностно-активных веществ и электролитов . Мицеллы образуются только выше критической температуры мицеллообразования . ^{[ необходима цитата ]}

Например, значение ККМ для додецилсульфата натрия в воде (без других добавок или солей) при 25 °C и атмосферном давлении составляет 8x10−3 ^моль /л. ^[2]

Описание

Сверху вниз: Увеличение концентрации поверхностно-активного вещества в воде сначала приводит к образованию слоя на поверхности. После достижения ККМ начинают образовываться мицеллы. Обратите внимание, что существование мицелл не исключает существование отдельных молекул поверхностно-активного вещества в растворе.

При введении поверхностно-активных веществ (или любых поверхностно-активных веществ) в систему они первоначально распределяются по поверхности раздела , снижая свободную энергию системы за счет: ^{[ необходима цитата ]}

1. снижение энергии интерфейса (рассчитывается как площадь, умноженная на поверхностное натяжение), и
2. удаление гидрофобных частей поверхностно-активного вещества от контакта с водой.

Впоследствии, когда покрытие поверхности поверхностно-активными веществами увеличивается, свободная энергия поверхности (поверхностное натяжение) уменьшается, и поверхностно-активные вещества начинают объединяться в мицеллы, тем самым снова уменьшая свободную энергию системы за счет уменьшения площади контакта гидрофобных частей поверхностно-активного вещества с водой. ^[4] После достижения ККМ любое дальнейшее добавление поверхностно-активных веществ будет просто увеличивать количество мицелл (в идеальном случае). ^{[ необходима цитата ]}

Согласно одному известному определению, ККМ – это общая концентрация поверхностно-активных веществ при условиях: ^[5]

если C = CMC, (d ³ /d C _t ³ ) = 0 ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \phi }$= A [ C _s ] + B [ C _m ]; т.е., говоря словами , C _s = [отдельный ион поверхностно-активного вещества], C _m = [мицеллы], а A и B — константы пропорциональности.

C _t = C _s + NC _m ; т.е. N = представляет собой количество ионов детергента на мицеллу

Измерение

ККМ обычно зависит от метода измерения образцов, так как А и В зависят от свойств раствора, таких как проводимость , фотохимические характеристики или поверхностное натяжение . Когда степень агрегации монодисперсна , то ККМ не связана с методом измерения. С другой стороны, когда степень агрегации полидисперсна , то ККМ связана как с методом измерения, так и с дисперсией. ^{[ необходима цитата ]}

Обычная процедура определения ККМ из экспериментальных данных заключается в поиске пересечения ( точки перегиба ) двух прямых линий, проведенных через графики измеренного свойства в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества. Этот метод визуального анализа данных является весьма субъективным и может привести к очень разным значениям ККМ в зависимости от типа представления, качества данных и выбранного интервала вокруг ККМ. ^[6] Предпочтительным методом является подгонка экспериментальных данных под модель измеренного свойства. Представлены функции подгонки для таких свойств, как электропроводность, поверхностное натяжение, химические сдвиги ЯМР, поглощение, коэффициенты самодиффузии, интенсивность флуоресценции и средний коэффициент трансляционной диффузии флуоресцентных красителей в растворах поверхностно-активных веществ. ^{[7] [8] [9]} Эти функции подгонки основаны на модели для концентраций мономерных и мицеллированных поверхностно-активных веществ в растворе, которая устанавливает четкое аналитическое определение ККМ, независимое от метода.

ККМ — это концентрация поверхностно-активных веществ в объеме, при которой начинают формироваться мицеллы. Слово «объем» важно, поскольку поверхностно-активные вещества распределяются между объемом и интерфейсом, а ККМ не зависит от интерфейса и, следовательно, является характеристикой молекулы поверхностно-активного вещества. В большинстве ситуаций, таких как измерения поверхностного натяжения или измерения проводимости, количество поверхностно-активного вещества на интерфейсе пренебрежимо мало по сравнению с его количеством в объеме, и ККМ можно приблизительно оценить по общей концентрации. На практике данные ККМ обычно собираются с использованием лабораторных приборов, которые позволяют частично автоматизировать процесс, например, с помощью специализированных тензиометров . ^{[ необходима цитата ]}

Практические соображения

Когда площадь поверхности раздела велика, количество поверхностно-активного вещества на границе раздела нельзя игнорировать. Если, например, в раствор поверхностно-активного вещества выше ККМ вводятся пузырьки воздуха, эти пузырьки, поднимаясь к поверхности, удаляют поверхностно-активные вещества из объема в верхнюю часть раствора, создавая столб пены и тем самым снижая концентрацию в объеме до уровня ниже ККМ. Это один из самых простых методов удаления поверхностно-активных веществ из сточных вод (см. пенную флотацию). Таким образом, в пенах с достаточной площадью поверхности раздела отсутствуют мицеллы. Аналогичные рассуждения справедливы и для эмульсий . ^{[ необходима цитата ]}

ККМ чаще всего измеряется путем построения графика зависимости поверхностного натяжения от концентрации поверхностно-активного вещества в автоматическом режиме.

Другая ситуация возникает в моющих средствах . Сначала начинают с концентраций, превышающих ККМ в воде, а при добавлении ткани с большой площадью поверхности раздела концентрация поверхностно-активного вещества падает ниже ККМ, и мицеллы не остаются в равновесии. Поэтому солюбилизация играет второстепенную роль в моющих средствах. Удаление маслянистых загрязнений происходит путем изменения контактных углов и высвобождения масла в виде эмульсии. ^{[ необходима цитата ]}

В нефтяной промышленности ККМ рассматривается до закачки поверхностно-активного вещества в пласт в отношении применения повышения нефтеотдачи (ПНП). Ниже точки ККМ межфазное натяжение между нефтяной и водной фазами больше не снижается эффективно. ^[10] Если концентрация поверхностно-активного вещества поддерживается немного выше ККМ, дополнительное количество покрывает растворение с существующим рассолом в пласте. Желательно, чтобы поверхностно-активное вещество работало при самом низком межфазном натяжении (МНТ). ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

• Моющее средство
• Мицелла
• Поверхностное натяжение
• Поверхностно-активное вещество

Ссылки

1. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «критическая концентрация мицелл». doi :10.1351/goldbook.C01395
2. Домингес, Ана; Фернандес, Аврора; Гонсалес, Ноеми; Иглесиас, Эмилия; Монтенегро, Луис (октябрь 1997 г.). «Определение критической концентрации мицелл некоторых поверхностно-активных веществ тремя методами». Журнал химического образования . 74 (10): 1227–1231. doi :10.1021/ed074p1227. ISSN  0021-9584. Архивировано из оригинала 13 марта 2023 г. . Получено 2 июня 2023 г. .
3. Holmberg, Krister (2019). «Поверхностно-активные вещества». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. стр. 1–56. doi :10.1002/14356007.a25_747.pub2. ISBN 9783527306732. S2CID  242339510.
4. Хакики, Фаризал; Махарси, Дара Аюда; Мархаендраджана, Тауфан (31 декабря 2015 г.). «Моделирование поверхностно-активного полимерного керна и анализ неопределенности, полученные в ходе лабораторного исследования». Журнал инженерных и технологических наук . 47 (6): 706–725. doi : 10.5614/j.eng.technol.sci.2015.47.6.9 . Архивировано из оригинала 20 августа 2016 г. Получено 1 июля 2016 г.
5. Филлипс Дж. Энергетика мицеллообразования. Труды Фарадейского общества 1955;51:561-9
6. Mukerjee, P.; Mysels, KJ В Критические концентрации мицелл в водных поверхностно-активных системах; NIST Национальный институт стандартов и технологий: Вашингтон, округ Колумбия, США, 1971; Том NSRDS-NBS 36
7. Аль-Суфи, Ваджих; Пиньейро, Лукас; Ново, Мерседес (15 марта 2012 г.). «Модель для концентраций мономеров и мицелл в растворах поверхностно-активных веществ: применение к данным о проводимости, ЯМР, диффузии и поверхностном натяжении». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 370 (1): 102–110. doi : 10.1016/j.jcis.2011.12.037. hdl : 10347/17083 . ISSN  0021-9797. PMID  22265231.
8. Лукас Пиньейро, Соня Фрейре, Хорхе Борделло, Мерседес Ново и Ваджи Аль-Суфи, Обмен красителей в мицеллярных растворах. Количественный анализ флуоресцентных титрований объемных и одиночных молекул. Soft Matter, 2013,9, 10779-10790, DOI: 10.1039/c3sm52092g
9. "Concentration-model for surfactants near the cmc | QBFE -USC". usc.es . Архивировано из оригинала 4 апреля 2017 г. Получено 18 декабря 2023 г.
10. Хакики, Фаризал (2014). «Критический обзор микробного повышения нефтеотдачи с использованием искусственного песчаного керна: математическая модель». Архивировано из оригинала 5 ноября 2022 г. Получено 5 ноября 2022 г.

Внешние ссылки

• Теория измерения ККМ
• ККМ и молекулярные массы нескольких моющих средств на OpenWetWare