表面活性剂临界胶束浓度测定
表面活性剂临界胶束浓度测定
应化118班于正风1102010801
摘要本文主要介绍了表面活性剂（以SDS为例）的几种物理性质以及其临界胶束浓度的几种测定方法。包括测定原理、实验方法及方法特点, 并指出了SDS的林临界胶束浓度。对于理解表面活性剂的性质有较好的参考价值。
关键词表面活性剂; 临界胶束浓度; 测定方法; 测定原理
引言
表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)作为表面活性剂的表面活性的一种量度, 是其溶液性质发生显著变化的一个分水岭。由于表面活性剂的一些理化性质在胶束形成前后会发生突变, 因而, 可借助此类变化来表征表面活性剂的CMC。在药学领域中, 表面活性剂的大量研究工作都与各种体系的CMC测定有关。常用的CMC测定方法有表面张力法、光散射法、染料增溶性、电导率法等。但是, 不同理化性质对表面活性剂总浓度变化的响应范围和灵敏度不同, 导致用不同方法测得的CMC的值也各有不同。本文介绍CMC测定技术的原理及简单的操作方法, 提供大量的物理参数及国内外的最新研究动态, 为表面活性剂在药学中的应用与开发提供理论支持。
临界胶束浓度的形成机制进入水中的表面活性剂分子随着其碳氢链逐渐增长, 它在水中达到一定浓度时, 溶液表面张力不再下降。为了使整个溶液体系的能量趋于最低, 在溶液内部的双亲分子会自动形成极性基向水碳氢链向内的集合体, 这种集合体称为胶束或胶团(M icelle), 形成胶束所需的最低浓度称为临界胶束浓度。
图1 表面活性剂的排列情况与浓度关系
图一表示表面活性剂的浓度变化时, 表面活性剂分子在溶液表面和内部的分布情况。在浓
度很稀时, 若稍增加表面活性剂的浓度, 表面活性剂的一部分很快地聚集在水面, 使水和空
气的接触面减小, 从而使表面张力急剧下降, 如图1( a); 增大表面活性剂浓度, 达到饱和状
态时, 液面上刚刚排满一层定向排列的单分子膜, 如图1( b); 若再增加浓度, 则只能使水溶液中的表面活性分子开始以几十或几百个聚集在一起，排列成憎水基向里，亲水基向外的胶束, 如图1( c)。说明浓度
大于临界胶束浓度时，液面上早已形成紧密、定向排列的单分子膜, 达到饱和状态。若再增加表面活性剂的浓度，只能增加胶束的个数。由于胶束是亲水的, 不具有表面活性，不能使表面张力进一步降低。
图1 表面活性剂的排列情况与浓度关系在CM C附近，由于胶束形成前后，水中的双亲分子
排列情况以及总粒子数目都发生了急剧的变化，反映在宏观上，就会出现表面活性剂溶液的
理化性质(如表面张力、溶解度、渗透压、导电度、密度可溶性、去污、增溶等)发生跃
变。因此, 测定表面活性剂CMC实质就是测定表面活性剂系统的某一物理量发生突变时所对应的浓度。
图二表面活性剂溶液的一些性质与浓度的关系
临界胶束浓度的测定方法
Ⅰ电导法.
测定原理：利用电导仪测定不同浓度水溶液的电导值(也可换算成摩尔电导率), 绘电导值(或摩尔电导率)与浓度的关系图，从图中的转折点求得CMC。包括电导率法和摩尔电导率法。对离子型表面活性剂, 当溶液浓度很稀时, 表面活性剂完全解离为离子。有电流通过时，溶液中的阴、阳离子分别向电池的正、负两极移动，溶液的浓度越大, 其中的阴、阳离子数目越多，溶液的导电能力越强，电导率就越大。随着浓度上升, 电导率K 近乎线性上升; 但当溶液浓度达到CMC时，由于液体的一部分离子或分子形成了胶束, 且胶束的定向移动速率减缓, 故K的变化趋势发生显著变化。虽然K仍随着浓度的增大而上升, 但变化幅度变小。摩尔电导率m ( m =K /c )也急剧下降。因此, K-c 曲线或m-Vc 曲线的转折点即CMC 值。当转折点不明显时，可以使用摩尔电导率与浓度平方根的关系曲线，易得到明显的转折点。
方法特点：电导法的优势是取样少、操作简便、数据准确。但只限于离子性表面活性剂, 对较高表面活性的表面活性剂(即CMC很小)有很高灵敏度；过量无机盐会降低测定灵敏度, 因此, 需用电导水配制溶液。同时，电导法还可用于难溶物溶解度的测定、药物有效期的预测、药物含量的测定及乳浊型制剂类型的确定等。
Ⅱ表面张力法.
测定原理：利用表面张力仪测定不同浓度水溶液的表面张力值，绘制表面张力值与浓度的关系曲线图，从图中的转折点（非常明显的转折点）求得CMC。
方法特点：测量设备简单, 准确度较高，应用广泛。适于离子表面活性剂和非离子表面活性剂CM C的测定, 无机离子的存在也不影响测定结果。然而, 表面张力法不适合非水溶剂为溶媒的药物, 因为此种药物表面张力很小, 加入表面活性剂时, 表面张力变化不大, 故难以测定。
实验部分
1.1实验仪器和实验试剂：电导率仪，电导电极，容量瓶(100mL)，锥形瓶(10个)，移液管
JK99B自动表面张力测定仪一台，电子天平（公用）
十二烷基磺酸钠（SDS）(2x10-3)，氯化钠，电导水，恒温水浴
1.2实验方法
1.21电导法
1.取十二烷基硫酸钠在80℃烘干3h，用电子天平称取14.420gSDS于1000mL容量瓶中，放在恒温超声波溶解箱中促进溶解，配成0.5mol·L-1的十二烷基硫酸钠溶液。
2.用电导水准确配置0.0040 0.0060 0.0070 0.0080 0.0090 0.0100 0.0140 0.0160 0.0180 mol·L-1的十二烷基硫酸钠各100mL。
3.打开恒水浴调节温度至25℃。打开电导率仪。
4.用DDS-11A型电导仪从稀到浓分别测定上述溶液的电导率。用后一个待测溶液淌洗前一个溶液的电导池3次。各溶液测定时必须恒温10min，每个溶液的电导率读数三次，取平均值。列表记录各浓度溶液的电导率，最后换算成摩尔电导率。
5.调节恒温水浴槽温度至45℃。在按上述步骤测定个溶液的电导率。
6.实验结束后洗净电导池和电极，并测量水的电导率。
1.22 表面张力法
1. 取十二烷基硫酸钠在80℃烘干3h，用电子天平称取14.420gSDS于1000mL容量瓶中，放在恒温超声波溶解箱中促进溶解，配成0.5mol·L-1的十二烷基硫酸钠溶液。
2.用电导水准确配置0.0040 0.0060 0.0070 0.0080 0.0090 0.0100 0.0140 0.0160 0.0180 mol·L-1的十二烷基硫酸钠各100mL。
3.用JK99B自动表面张力测定仪分别测定每组溶液的表面张力，并记录数据，画出表面张力与浓度的关系曲线图，进而出临界胶束浓度。
结果与讨论
2.1电导法测定SDS临界胶束浓度
从图中可以看出，20℃时SDS 的临界胶束浓度大致是0.0085mol/L 。与理论值0.0098 mol/L 相差较小，相对误差为（0.0098-0.0085）/0.0098*100%=13.3%。
表二  45℃时溶液电导率与浓
度的关系从图中可以看出45℃时SDS 的临界胶束浓度大致是0.0075 mol/L ，与理论值0.0087mol/L 相差较小，相对误差为（0.0087—0.0075）/0.0087*100%=13.79%。
2.2表面张力法测SDS 的临界胶束浓度
室温：
25℃      大气压：      101.06KPa
表三  溶液表面张力与浓度的关系
由上图可以看出在室温下25℃时，SDS的CMC值为0.0023 mol/L，与理论值相差较大，相对误差达到了74%，可以判定此实验是不成功的。
总结与结论
电导率仪的使用两种方法的比较：由以上两个实验方法的测得CMC可知用电导法测得的数据相对误差较小，而用表面张力法测得的数据相对误差较大，那么误差来源有可能是以下几个方面：
1.操作过程中仪器，人工带来的不可避免的误差。比如表面张力仪的使用，铂片的去污是人的行为，除不干净很容易造成误差。
2.配制溶液的时候，称量与定容的时候也会造成误差，这是电导法和表面张力法都容易出现的。
3.测定的数据不够多，这样来确定转折点也是很片面的。
表面张力法所用仪器比较简单，只用表面张力仪测表面张力就可以了，测定步骤也很简单，数据处理也较为简单。但是本次试验用表面张力法测得数据与理论至偏差较大，可能因为测量表面张力时温度并没有恒温，而且溶液可能被污染，或者是清洗铂片不彻底。
文献值
SDS在不同温度下的CMC值
20℃：CMC=0.012 mol.L-1；
45℃：CMC=0.0087 mol.L-1。
参考文献

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