POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ ORGANICZNEJ I PETROCHEMII INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: Badanie właściwości związków powierzchniowo czynnych Laboratorium z przedmiotu: Technologia lekkiej syntezy organicznej Kierunek: Chemia Stopień: II Semestr: I Miejsce ćwiczeń: Katedra Technologii Chemicznej Organicznej i Petrochemii s.206 Prowadzący: Agnieszka Drożdż agnieszka.drozdz@polsl.pl
1. Wprowadzenie 1.1. Właściwości środków powierzchniowo czynnych Związki powierzchniowo czynne (ZPC) zawierają w swych cząsteczkach zarówno część hydrofobową jak i hydrofilową. Część hydrofobowa to najczęściej grupa alkilowa lub alkiloarylowa. Część hydrofilowa może być jonowa lub niejonowa i znacznie różnić się budową chemiczną. Ze względu na budowę grupy hydrofilowej ZPC dzieli się na anionowe, kationowe, niejonowe i amfoteryczne. Przy niskich stężeniach SPC w roztworach wodnych cząsteczki SPC występują w postaci monomerów. Powyżej pewnego stężenia, zwanego krytycznym stężeniem micelarnym (CMC, ang. critical micelle concentration) cząsteczki SPC mogą występować zarówno w postaci monomerów, jak i asocjatów, zwanych micelami. Po przekroczeniu CMC, które jest charakterystycznego dla każdego SPC, dochodzi do całkowitego wysycenia granicznych powierzchni międzyfazowych cząsteczkami związku powierzchniowo czynnego. Wartość liczbowa CMC jest ważnym parametrem charakteryzującym właściwości substancji powierzchniowo czynnej, ponieważ określa optimum aktywności powierzchniowej minimalne stężenie surfaktanta dające maksymalne obniżenie napięcia powierzchniowego. Istotnym czynnikiem jest również temperatura. Temperatura, w której SPC rozpuszcza się w wodzie tworząc przezroczysty i izotropowy roztwór nosi nazwę krytycznej temperatury micelarnej (CMT, ang. critical micellar temperature). Tworzenie micel w roztworach rozcieńczonych jest uwarunkowane osiągnięciem stężenia i temperatury wyższych od CMC i CMT. Każdy SPC ma swój charakterystyczny CMC i CMT, jak również wykres fazowy. Wykres fazowy obrazuje warunki, w których SPC występuje w przeważającej części w postaci monomerów, micel lub w formie krystalicznej. Jak wynika z przedstawionego poniżej przykładowego wykresu fazowego, właściwości myjące detergentu, są najlepsze, kiedy stężenie detergentu w roztworze jest większe niż CMC (linia horyzontalna), a temperatura roztworu jest wyższa niż krytyczna temperatura micelizacji (CMT linia pionowa). W innych warunkach roztwór będzie zawierał detergent w formie monomeru lub w postaci krystalicznej, co wyklucza jego właściwości myjące. Rys. 1 Wykres fazowy dla SPC
Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe Cząsteczki czystej cieczy w pobliżu jej powierzchni znajdują się w niezrównoważonym polu sił. Zwyczajowo napięcie powierzchniowe na granicy faz: ciecz-gaz jest traktowane jako wielkość charakteryzująca tylko fazę ciekłą. Podobnie, cząsteczki znajdujące się na granicy dwóch nie mieszających się cieczy, znajdują się w niezrównoważonym polu sił. Każdej jednostce powierzchni odpowiada pewna ilość energii swobodnej, w wyniku, której granica faz dąży do osiągnięcia jak najmniejszej powierzchni. Występowanie, po obu stronach granicy faz, cząsteczek o niezrównoważonych siłach przyciągania, powoduje istnienie międzyfazowej energii swobodnej, czyli napięcia międzyfazowego. Jest ono zawsze mniejsze niż największe z napięć powierzchniowych cieczy tworzących dany układ. Wielkość powierzchni cieczy zależy od rodzaju cieczy oraz od kontaktującej się z nią drugiej fazy. W celu powiększenia powierzchni cieczy o wielkość da należy wykonać pracę dw określoną przez dw =qda. W równaniu tym współczynnik proporcjonalności q nosi nazwę napięcia powierzchniowego cieczy i wyraża wielkość pracy wykonanej podczas jednostkowego zwiększenia powierzchni cieczy. Napięcie to zależy od cieczy, jak również od sąsiadującego z nią ośrodka. Napięcie powierzchniowe na granicy faz ciecz-gaz traktowane jest jako wielkość charakteryzująca tylko fazę ciekłą. Napięcie powierzchniowe maleje ze wzrostem temperatury. 2. Opis ćwiczenia I. Otrzymywanie soli sodowej kwasu p-dodecylobenzenosulfonowego. Kwas p-dodecylobenzenosulfonowy neutralizuje się za pomocą wcześniej przygotowanego, schłodzonego do temperatury pokojowej, 20% wodnego roztworu NaOH w ilości niezbędnej do jego zobojętnienia. Do zlewki wprowadza się niewielką porcję r-ru NaOH i rozpoczyna się powolne wkraplanie otrzymanego kwasu sulfonowego. Zawartość zlewki miesza się za pomocą bagietki i chłodzi w łaźni z zimną wodą. W trakcie wkraplania kwasu kontroluje się ph powstającej pasty za pomocą papierka wskaźnikowego. Dozowanie r-ru NaOH oraz wkraplanie kwasu należy tak prowadzić, aby po zakończeniu wkraplania uzyskać produkt o ph obojętnym. Otrzymuje się sol sodową kwasu p-dodecylobenzenosulfonowego w postaci ok. 30% białej pasty.
I. Badanie właściwości powierzchniowo czynnych soli kwasów sulfonowych. 1. Przygotowanie roztworów. Badania właściwości powierzchniowo czynnych otrzymanej soli sodowej kwasu p- dodecylobenzenosulfonowego i laurylosiarczanu sodu prowadzi się na wodnych roztworach o odpowiednim stężeniu. Należy sporządzić następujące roztwory: 0,5 g/dm 3 soli (w postaci pasty 100%), 250 ml roztworu, 1 g/dm 3 soli (w postaci pasty 100%), 250 ml roztworu, 5 g/dm 3 soli (w postaci pasty 100%), 250 ml roztworu.4 Jeśli sól nie chce się rozpuścić to mieszaninę podgrzać. 2. Oznaczanie napięcia powierzchniowego metodą stalagnometryczną. Dla każdego roztworu badanego związku ustala się ilość kropel tworzących się przy wypływie określonej, stałej objętości roztworu. Przed właściwym pomiarem przepłukuje się stalagnometr roztworem, ktory będzie badany. Pomiar przeprowadza się co najmniej trzykrotnie i oblicza się średnią liczbę korpel. Analogiczny pomiar należy przeprowadzić dal wody. Objętość kropli wypływającej ze stalagnometru jest zależna od napięcia powierzchniowego roztworu. Znając wartość napięcia powierzchniowego wody można w łatwy sposob obliczyć napięcie powierzchniowe roztworów badanych związkow, korzystając ze wzoru: gdzie: σ napięcie powierzchniowe roztworu badanego związku, σ w napięcie powierzchniowe wody, σ w =72,6 10-3 [N/m], n w liczba kropel wody, n x liczba kropel badanej cieczy.
3. Oznaczanie dzolności pienienia i trwałości piany. W kalibrowanych cylindrach odmierza się 10 ml każdego roztworu i wytrząsa się przez 1 minutę. Po upływie 0, 1, 2, 5, 10, 20, 30 min. odczytuje się wysokość cieczy oraz wysokość cieczy wraz z panią. Pomiar jest względny i pozwala na porównanie własności poszczegolnych roztworów. II. Plyn do mycia naczyń Alkilobenzenosulfonian sodu 8g Woda destylowana do 40 cm 3 Kompozycja zapachowa (cytryna, jabłuszko) Barwnik Wymieszać w temperaturze około 40 o C