1. Asszociációs kolloidok Az asszociációs kolloidok molekulái aszimmetrikus (un. amfipatikus) felépítésőek. Ezek a poláris fıcsoportot és apoláris molekularészt (8-nál nagyobb szénatomszámú alkil láncot) egyaránt tartalmazó molekulák vagy ionok kettıs affinitásuak, a poláris és apoláris fázisokhoz egyaránt vonzódnak un. amfifil jellegőek. A vízben oldott amfifil molekulák ill. ionok felhalmozódnak (adszorbeálódnak) a poláris/apoláris fázisok (pl. víz/levegı, víz/olaj, víz/grafit) határfelületén, úgy orientálódva, hogy a legfolytonosabb átmenetet valósítsák meg a fázisok között csökkentve ezzel a határfelületi szabadenergiát (Hardy-Harkins elv). Az amfifil vegyületek egy adott oldószerben, többnyire vízben való oldásával egyensúlyi oldatok keletkeznek. Megfelelı oldószerben és hımérsékleten a töményebb oldatokban kolloid mérető asszociátumok (micellák) keletkeznek, ha a tenzidkoncentráció nagyobb a kritikus micellaképzıdési koncentrációnál (c.m.c.). (1.1. táblázat és 1.1. ábra). A micellaképzıdési egyensúlyban az asszociációs szám nagy, jellemzıen 30-100 egyedi amfifil molekulából/ionból alakul ki egy micella. 1.1. ábra Amfifil molekulák önrendezıdése Az amfipatikus vegyületek oldódásával megbomlik a vízmolekulák közötti kölcsönhatás (Wvíz-víz). A molekula hidrofil része jól hidratálódik, ez a kölcsönhatási energia (Whidrofil-víz) nagyságrendileg azonos a vízmolekulák közöttivel. A hidrofób csoport vízmolekulákkal való kölcsönhatása jóval kisebb mértékő (Whidrofób-víz), így felírható Whidrofób-víz Whidrofil-víz # Wvíz-víz Az oldatba került amfifil egységek növekvı koncentrációjával a poláris fıcsoportok hidratációja nem képes kompenzálni a vizes oldatban került hidrofób rész által okozott vízvíz kölcsönhatás megbomlását, így szők koncentráció intervallumon belül az amfifil egységek kedvezı orientációjú asszociátumai spontán képzıdnek csökkentve ezáltal a rendszer szabadenergiáját. Az önként végbemenı folyamatban kialakult micellák szerkezete vizes oldatokban olyan, hogy amfifil egységek apoláris része a micellamag belsı, a poláris fıcsoportja pedig a vizes fázis felé fordul. A micellaképzıdés egyensúlyi folyamat, a keletkezı kolloid oldat valódi termodinamikai egyensúlyban van. A micellaképzıdés különbözı termodinamikai modellekkel írható le. A kölcsönhatási energiaváltozások alapján kimutatható, hogy a micellaképzıdés és az amfifil molekulák víz/levegı (L/G) és víz/olaj (L/L) határfelületeken való felhalmozódásának és irányított elhelyezkedésének hajtóereje közel azonos. Vízben oldott felületaktív anyagok már kis koncentrációban nagy mértékben csökkentik a felületi (L/G) és határfelületi (L/L) feszültséget; a határfelületen közel telített monomolekulás réteg keletkezik, a vizes fázisban pedig kialakulnak a micellák.
1.1. táblázat Felületaktív anyagok (tenzidek) kritikus micellaképzıdési koncentrációja vízben Vegyülettípus Ionos tenzidek n- dodecil -SO4Na lauril-szulfát (NaDS, SDS) n- dodecil -N(CH3)3Br n- dodecil -COOK n- dodecil -SO3Na n- dodecil -NH3Cl Na-oleát Na-dodecil-benzol-szulfonát (NaDBS) n-hexadecil-piridinium-bromid (HDPBr, M~402) n-hexadecil-piridinium-bromid (HDPCl, M~358) Nemionos tenzidek n- dodecil -O(CH2CH2O)4H n- dodecil -O(CH2CH2O)7H n- dodecil -O(CH2CH2O)9H n- dodecil -O(CH2CH2O)12H Tween 20 v. Polysorbate 20 (polioxietilén(20)szorbitán-monolaurát) w ~ 1227 g/mol, HLB 16,7
Tween 40 v. Polysorbate 40 (polioxietilén(20)-
c.m.c., mmol/l vízben 25 oC-on 6,7-8,4 14,4 12,5 10,0 14,0 1,0 (pH~7.5) 0,35 g/l 1,2 mmol/kg 0,7-0,75; 0,6 0,6-0,7 ; 0,9 0,04 0,08 0,10 0,14 0,0804 mmol/l → 0,0987 g/l (21oC) 0,060 0,027
szorbitán-monopalmitát) w ~ 1282 g/mol, HLB 15,6
Tween 80 v. Polysorbate 80 (polioxietilén(20)szorbitán-monooleát) w ~ 1310, HLB 15 Span 20 (szorbitán-monolaurát) w~346,5, HLB 8,6 Span 40 (szorbitán-monopalmitát) w~402,6, HLB 6,7
0,012 oldhatatlan oldhatatlan
Az asszociációs kolloidok eredetük szerint lehetnek: - természetes anyagok: koleszterin, lecitin, epesavak és sóik, - szintetikus anyagok: szappanok, tenzidek, - egyes szerves szinezékek: metilénkék, kongóvörös. Molekulaszerkezetük szerint különbözı típusúak lehetnek: - anionos (a hidrofób csoport az anion része), - kationos (a hidrofób csoport a kation része), - nemionos (a hidrofób részhez nem-disszociáló hidrofil rész kapcsolódik), - amfoter (a hidrofil rész ikerionos természető, betainok). Az amfipatikus molekulák hidrofilitásának (vízhez való affinitásának) ill. lipofilitásának (olajhoz való affinitásának) mértékét a HLB-érték jellemzi (hidrofil-lipofil egyenleg). A HLB a tenzidek oldhatóságán alapuló 0 és 20 közötti empírikus skálán változhat, a molekula szerkezet ismeretében a csoportértékekbıl számolható. Minél nagyobb a HLB értéke, annál polárisabb a molekula. Az apoláris rész méretének növekedésével jelentısen nı az asszociációs hajlam. Normál alkilláncú tenzidek homológsorában az alkillánc szénatomszáma (nC) és a c.m.c. között lg c.m.c. = A – B nC összefüggés van, ahol A és B a homológsoron belül állandó. A poláris csoportok számának növekedése a molekula hidrofilitását és a c.m.c.-t is növeli. Az oldott elektrolitok jelenléte és növekvı koncentrációjuk csökkenti a tenzidek c.m.c.-jét.
A micellák mérete és szerkezete az oldat fizikai (pl. optikai) és fizikai-kémiai (pl. vezetıképesség, viszkozitás) tulajdonságait befolyásolja. Megkülönböztetünk kismérető gömb, hengeres, lemezes szerkezető micellákat és nagyobb mérető mezomorf vagy kristályos szerkezető, anizometrikus nagymicellákat (1.1. ábra). Szappanoldatokban például az oldatkoncentrációtól és a hımérséklettıl függıen alakulnak ki gömbalakú, hexagonális vagy lamellás szerkezető micellák (1.2. ábra).
1.2. ábra A hımérséklettıl és oldatkoncentrációtól függı micella alakzatok A hımérséklet hatása ionos és nemionos tenzidek viselkedésére nagyon különbözı. Ionos tenzidek oldhatósága a hımérséklet növelésével kezdetben kismértékben, az ún. KRAFFT-ponttól kezdve pedig meredeken nı, mert az oldatkoncentráció elérte a c.m.c.-t, az oldott tenzidbıl micellák képzıdnek és újabbak oldódnak nagy mennyiségben. A hımérséklet növekedésével a nemionos tenzidek vizes oldataiban keletkezı micellák mérete nı, egy jellemzı hımérséklet, a felhısödési pont (cloud-point) elérésekor az oldhatóság csökken, az oldat zavarossá válik, fázisszeparáció játszódik le. A hımérséklet növekedésével az etilénoxid-lánc és a vízmolekulák közötti hidrogénhíd kötések felszakadnak, csökken a hidratáció. Érdekes a c.m.c. változása a hımérséklettel. Ionos tenzideknél a hımérséklet növekedésével csökken az asszociációs hajlam, de számos rendszerben egy minimum elérése után növekszik. Nemionos tenzidek esetében a c.m.c. mindig csökken a hımérséklet emelkedésével. Az asszociációs kolloidok fizikai-kémiai tulajdonságai híg vizes oldatokban a nem asszociáló vegyületekkel analóg változást mutatnak. Növekvı tenzidkoncentrációval azonban jellegzetesen eltérnek, elhajló, ill. törésponttal rendelkezı görbék adódnak (1.3. ábra). A tenzidoldat koncentrációjának növekedésével a felületi feszültség meredek csökkenése a c.m.c.-nél megszőnik, mivel az egyedi tenzidmolekulák/ionok koncentrációja a c.m.c. felett közel állandó, így a felületi réteg borítottsága már nem változik. Az ekvivalens vezetıképesség csökkenésének az az oka, hogy a micellában levı tenzidionok töltése a micella körül felhalmozódó ellenionok által árnyékolt. A fajlagos vezetés a c.m.c. alatt a tenzidionok számának, a c.m.c. felett pedig már csak a micellák számának növekedésével arányosan növekszik. Az oldott egységek számával arányos (kolligatív) tulajdonságok, pl. az ozmózisnyomás, a fagyáspont a c.m.c. felett a vártnál jóval kisebb mértékben változik, mivel a micellaképzıdéssel a nagy asszociáció szám miatt az oldatban levı egységek száma alig nı.
1.3. ábra A felületaktív anyagok fizikai-kémiai tulajdonságainak változása a koncentrációval
A c.m.c. meghatározása a fizikai-kémiai tulajdonságok koncentráció függésének mérésével történhet. A gyakorlatban gyakran használják a felületi feszültség-mérés módszerét (1. és 2. feladat). Az ionos tenzideknél használható a fajlagos vezetıképesség koncentráció függésének mérése. Gyors, de az elıbbieknél kevésbé pontos a szinezék módszer, amely azon a jelenségen alapszik, hogy megfelelı festéket tartalmazó felületaktív anyag oldatok színe jellegzetesen megváltozik, ha elérjük a c.m.c.-nek megfelelı koncentrációt. Olyan indikátort kell választani, amelyben a festı ion töltése ellentétes a felületaktív anyag micellájának töltésével. Anionaktív anyag c.m.c.-jét pozitív töltéső festékkel (pinacianol-klorid, rodamin 6 G), kationaktív anyagét pedig anionos festékkel (eozin, fluoreszcein) becsülhetjük. Az asszociációs kolloidokra jellemzı, hogy vízben nem vagy rosszul oldódó apoláris anyagok nagyobb mennyiségét is képesek átlátszó (transzparens) kolloid oldatban tartani. Ez a jelenség a szolubilizáció. Az asszociációs kolloid micellái struktúrájukban foglalják a rosszul oldódó anyagok molekuláit (1.4. ábra). Növelve az oldandó anyag mennyiségét, egyre több apoláris molekulára egyre kevesebb tenzid molekula jut, és egy bizonyos arány felett már zavaros diszperzió (emulzió vagy szuszpenzió) keletkezik. A szolubilizáció tehát átmenetnek tekinthetı a molekuláris oldás és a diszpergálás között. Különösen jelentıs az élı szervezet zsiradék-transzportja szempontjából, továbbá a vízben oldhatatlan zsírok, olajok, toxikus fenolok oldatba vitelénél. A szolubilizációt a kérdéses szilárd anyag vagy folyadék oldatba vitt mennyiségével jellemezhetjük. Ha a felületaktív anyag optikailag tiszta oldatához növekvı mennyiségben adagoljuk a szolubilizálandó anyagot, az oldat kissé zavaros lesz. Ennek mértéke akkor nı meg számottevıen, amikor a felületaktív anyag micellái a bevitt anyag beépítésére már nem képesek és a szolubilizálandó anyag részecskéire, ill. cseppjeinek felszínére szorulva az így keletkezett lényegesen nagyobb részecskékbıl álló diszperziót stabilizálják. A jelenséget szabad szemmel vagy fotometriával a fényátbocsátás vagy fényelnyelés alapján, valamint fényszórással vagy a zavarosság nefelometriás mérésével követhetjük. A különféle szerkezető szolubilizátumok különbözı mértékben csökkentik vagy növelik a c.m.c.-t, attól függıen, hogy a micella melyik részébe épülnek be (1.4. ábra). Ezért a c.m.c. szolubilizációval történı meghatározása csak közelítı értéket szolgáltat. Szemipoláris szerves molekulák úgy épülnek be a micellákba, hogy poláris részük az ionos tenzidek hidrofil csoportjai között helyezkedik el, ennek következtében csökkentik az elektrosztatikai taszítást és a micellaképzıdés munkáját. 1.4. ábra Különbözı típusú szolubilizátumok az ionos és nemionos tenzidek micelláiban A felületaktív anyagok fontos tulajdonsága, hogy a különféle határfelületeken orientáltan adszorbeálódnak. Ennek következménye, hogy jelenlétükben az egymással nem elegyedı folyadékok emulgeálhatók, valamint segítségükkel a szilárd anyagok különféle folyadékokkal nedvesíthetıvé, így azokban szuszpendálhatóvá válnak. Szilárd anyagok nedvesedése széles határok között módosítható amfifil molekulák irányított adszorpciójával. A tenzideket hidrofóbizáló, diszpergáló, emulgeáló, habképzı, stb. hatásuk miatt számos iparágban (élelmiszer-, gyógyszer-, textil-, kıolaj-, papír-, építıanyag- és lakkipar, flotálás) használják.
Tenzidek felületi feszültség csökkentı hatása Folyadékok felületi feszültsége egyszerően mérhetı a cseppsúly-módszerrel. A gyakorlatban a híg oldatoknál relatív módszerként alkalmazható sztalagmométeres mérés terjedt el széles körben. A pipetta hegyérıl, cseppentırıl, kapilláris végérıl lecseppennı folyadékcseppek a felületi feszültségüktıl és sőrőségüktıl függı nagyságú cseppeket alkotnak. A lassan növekvı folyadékcsepp az r sugarú kapilláris peremérıl akkor szakad le, ha súlya (F) egyenlıvé válik a kapilláris peremén a felületi feszültségbıl (γ) adódó erıvel (F = 2rπ γ). A ρ sőrőségő csepp m tömegének vagy V térfogatának mérésével a felületi feszültség kiszámítható: 2rπ γ = Φ m g = Φ V ρ g. A Φ korrekciós tényezıre azért van szükség, mert nem teljes csepp szakad le és a görbült felület két oldala között nyomáskülönbség lép fel. A kísérletileg meghatározható Φ értéke 0.6 és 1.2 között változik. Relatív módszerként alkalmazva a korrekciós tényezı kiküszübölhetı. Igy pl. ha megmérjük egy cseppentıbıl vagy pipettából lecseppenı x csepp víz tömegét és ugyanannyi cseppét a híg vizes oldatokból is, felírható Φ g mvíz /x = 2rπ γvíz Φ g moldat /x = 2rπ γoldat Az egyenletek hányadosát képezve, az oldat felületi feszültsége (γoldat) kiszámolható a víz felületi feszültségének (γvíz = 72 mN/m, 25oC-n) ismeretében: γoldat = γvíz moldat / mvíz Sztalagmométert vagy Donnan pipettát (1. 5. ábra) használva azonos térfogatú (V) folyadékokból keletkezı cseppek számát (n) meghatározva számolható a híg oldatok felületi és határfelületi feszültsége. A víz és az oldat esetén számolt cseppszámokkal (nvíz és noldat) felírható: 2rπ γvíz = Vρvíz g /nvíz 2rπ γoldat = Vρoldat g /noldat ahol ρvíz és ρoldat a víz és az oldat sőrősége. Az egyenletek hányadosát képezve kifejezhetı az oldat felületi ill. határfelületi feszültsége, ha eltekintünk a víz és a híg oldatok sőrőségének különbségétıl: γoldat = γvíz nvíz /noldat
1.5. ábra A sztalagmométer (bal oldal) és a Donnan-pipetta (jobb oldal) sematikus ábrája
Figyelem! Az 1.3. feladatot nem kell elvégezni. Az 1.1., 1.2. és 1.4. feladatokat két hallgató végzi párhuzamosan. Kezdje az egyik hallgató az 1.1. és 1.2. feladatokat, a másik pedig az 1.4. feladatot. A gyakorlat félidejében cseréljenek, folytassák a még el nem végzettekkel. 1.1. feladat Híg tenzid oldatok hatása a víz felületi feszültségére Eszközök: 1 db cseppentı v. mikropipetta, 4 db kupakos edény, 4 db 25 ml-es fızıpohár, 2 db 10 ml-es osztott pipetta, 0,01 g pontosságú mérleg Anyagok: Ismert koncentrációjú tenzid vizes oldata. Pl. 100 mmol/l NaDS, 50 mmol/l Naoleát, 10 mmol/l HDPCl v. HDPBr. Használja ugyanazt a tenzidoldatot az 1.2. feladatnál is! Mérje le a bemérıedényeket 0,01 g pontosságú mérlegen. Hígítsa fel a választott tenzidoldatot az 1.1. táblázatban lévı c.m.c.-jét közelítı koncentrációjúra. Pl. a 100 mmol/l NaDS oldatot 10-szeresre, azaz 10 mmol/l-ra, mivel az NaDS c.m.c.-je 6-8 mmol/l; az 50 mmol/l Na-oleátot 20-szorosra, azaz 2,5 mmol/l-ra, mivel az Na-oleát c.m.c.-je 1 mmol/l. A hígított tenzidoldatból készítsen hígítási sort (pl. 10x, 5x, 2x) a fızıpoharakba. Mérjen le 4 db kupakos edényt 0,01 g pontossággal. Öblítse át a cseppentıt desztillált vízzel legalább 10szer. Cseppentsen 20 csepp desztillált vizet az egyik kupakos edénybe és zárja le, majd a leghígabb oldattal átöblítve a cseppentıt, cseppentsen abból is 20 cseppet a másik kupakos edénybe és zárja le. Ismételje meg a töményebb oldatokkal is. Mérje le a a folyadékokat tartalmazó lezárt kupakú edényeket. Határozza meg a folyadékok tömegét 0,01 g pontossággal. FONTOS: Ne mosogassa el az eszközöket mosogatószerrel! A cseppentést mindig a desztillált vízzel kezdve a hígabbtól a töményebb oldatok felé haladva végezze! Számítsa ki az oldatok becsült felületi feszültségét. Az adatokat foglalja össze táblázatban: tenzidoldat koncentráció, mmol/l
20 csepp oldat tömege, g
0
becsült felületi feszültség, mN/m 72,0 (25oC)
Értelmezze a felületi feszültség változását!
Kritikus micellaképzıdési koncentráció meghatározása 1.2. feladat Kritikus micellaképzıdési koncentráció meghatározása konduktometriás titrálással Eszközök: 1 db 250 ml-es fızıpohár, 1 db 25 ml-es büretta, 1 db 100 ml-es fızıpohár, 1 db állvány bürettafogóval, 1 db 250 ml-es mérıhenger, 1 db mágneses keverı, 1 db konduktométer és vezetıképességi elektród. Anyagok: Ismert koncentrációjú tenzid vizes oldata. Használja ugyanazt a tenzidoldatot az 1.1. feladatnál is! Mérjen ki 200 ml desztillált vizet egy mérıhengerrel, öntse egy 250 ml-es fızıpohárba és állítsa mágneses keverıre. Merítse a pohárban lévı vízbe az állványba fogott elektródot. Töltse fel a bürettát az ismert koncentrációjú tenzid oldattal és állítsa úgy be, hogy a csapja könnyen hozzáférhetı legyen. Kapcsolja be a konduktométert és a keverıt, majd adagoljon a bürettából 0,5 ml részletekben tenzidoldatot a desztillált vízhez és minden adag után olvassa
le a fajlagos vezetés értékét. Ez utóbbi az oldat koncentrációjának növelésével kezdetben nagyobb, majd kisebb mértékben nı. A mérést a büretta teljes térfogatának beadagolása után fejezze be. A számolt és mért adatokat foglalja össze táblázatban: Oldattérfogat, ml
ctenzid, mmol/l
δ, mért mS/cm vagy µS/cm
200 200,5 Ábrázolja a fajlagos vezetést (pl. µS/cm mértékegységben) a tenzid koncentráció függvényében. A két eltérı meredekségő görbeszakaszra fektessen egyenest és hosszabbítsa meg ıket, a metszéspontjukból állapítsa meg a c.m.c.-t és adja meg mmol/l egységben. Kritikus micellaképzıdési koncentráció meghatározása felületi feszültség méréssel 1.3. feladat Oldatok felületi feszültségének meghatározása Eszközök: Traube-féle sztalagmométer infúziós szerelékkel, állvány dióval és fogóval, 8 db 50 ml-es fızıpohár, 1 db 50 ml-es mérılombik, 1 db 25 ml-es hasas pipetta. Anyagok: ismert koncentrációjú törzsoldat, alkohol, aceton. Készítsen az ismert koncentrációjú törzsoldat ismételt 2-szeres hígításával hígítási sorozatot 25 ml térfogatban a következıképpen: 25 ml oldatot pipettázzon a mérılombikba és hígítsa desztillált vízzel 2-szeresre, homogenizálja és vegyen ki a hígított oldatból 25 ml-t az 50 ml-s fızıpohárba; a mérılombikban maradt 25 ml oldatot hígítsa ismét 2-szeresre, homogenizálja és vegyen ki belıle 25 ml-t; még 4-szer ismételje meg a hígítást. Öntsön ~25 ml-t az ismert koncentrációjú törzsoldatból és desztillált vízbıl is a kis poharakba és állítsa a 8 poharat csökkenı koncentráció (törzsoldat, 2-, 4-, 8-, 16-, 32-, 64-szeres hígítás és desztillált víz) szerint sorba. A mérést a desztillált vízzel kezdje és a hígabb oldatoktól a töményebbek felé haladjon. A töményebb oldattal történı mérés elıtt a sztalagmométert öblítse át a kérdéses oldattal. Fogja állványba a sztalagmométert (1.5. ábra bal oldal) függılegesen. Vigyázzon a készülék tisztaságára! Az alsó csiszolt végéhez ne érjen se az ujjával, se más idegen anyaggal. A felületi feszültség mérés reprodukálhatóságát a legcsekélyebb szennyezés kedvezıtlenül befolyásolja. Ha a csiszolt korongot a víz nem jól nedvesíti (a leszakadó cseppek szabálytalanok), akkor alkoholos papírvattával tisztítsa meg. Szívjon fel a sztalagmométerbe desztillált vizet az infúziós szerelék mőanyagcsövén keresztül, ügyelve arra, hogy a sztalagmométerbe légbuborék ne kerüljön és a mőanyagcsıbe folyadék ne jusson. Az infúziós szerelék görgıjének megnyitásával indítsa meg a csepegést és állítsa be a sebességét úgy, hogy 3-5 másodpercenként szakadjon le egy csepp. Ilyen csepegési sebességnél az idı elegendı ahhoz, hogy a növekvı csepp felületén az adszorpciós réteg kialakuljon. Határozza meg a vízbıl és a különbözı koncentrációjú oldatok azonos mennyiségébıl (V térfogatából) keletkezı cseppek számát (nvíz és 7-féle noldat). Válassza mindig a sztalagmométer legfelsı és legalsó jele közötti mennyiséget. Mivel nem valószínő, hogy az azonos térfogatból éppen egész számú cseppek képzıdnek, a sztalagmométer beosztással ellátott részeit kalibrálni kell, azaz meg kell határozni, hogy egy cseppnek hány beosztás felel meg. A cseppszámlálás során jegyezze fel a meniszkusz állását a számlálás kezdetén (felsı beosztás) és végén (alsó beosztás), közben pedig számolja meg hány egész csepp képzıdött az adott térfogatú folyadékból. A feljegyzett felsı és alsó beosztásokból a kalibráció
segítségével számolja ki a tört cseppek számát és adja a egész cseppek számához. A kalibrálást és a cseppszámlálást azonos mérés keretében végezze. Számítsa ki a γoldat = γvíz nvíz /noldat összefüggéssel az oldatok felületi feszültségét. Az adatokat foglalja össze táblázatban: koncentráció c, mol/l
log c
0
-
cseppszám
cseppszám
cseppszám
n1
n2
n3
cseppszám átlag ()
felületi feszültség γ, mN/m 72,0
Ábrázolja az oldatok felületi feszültségét az oldat koncentrációjának logaritmusa függvényében. Felületaktív anyagok mérése esetén, ha a felületi feszültség a vizsgált koncentráció-intervallumban határértéket ér el, akkor a γ vs. log c függvényen a két jellemzı görbeszakaszhoz húzott egyenesek metszése alapján adjuk meg a kritikus micellaképzıdési koncentrációt (c.m.c.-t). Vízben rosszul oldódó vegyületek szolubilizációja tenzidoldatokban 1.4. feladat: Szalicilsav szolubilizálhatóságának vizsgálata Eszközök: 4 db 100 ml-es ERLENMEYER-lombik, 1 db 25 és 4 db 100 ml-es fızıpohár, 1 db 10 és 1 db 50 ml-es hasas pipetta, 1 db 100 ml-es mérılombik, 1 db 10 ml-es büretta, 1 db BUNSEN-állvány bürettafogóval, 2 db tölcsér, ultrahangos kád, kanál. Anyagok: Nemionos felületaktív anyagok (Tween 20: polietilénoxid(20)-szorbitánmonolaurát, Tween 40: polietilénoxid(20)-szorbitán-monopalmitát), szalicilsav (M = 138,12 g/mol, oldhatóság vízben 20 oC-on 0.2 g/100 ml), 4 db szőrıpapír, 0,1 mol/l HCl (standardizált, koncentrációja c=0,1* fHCl a korrekciós faktorral (fHCl) számolható) és 0,1 mol/l NaOH-oldatok, fenolftalein, metil-narancs indikátorok. Készítsen a választott tenzidbıl egy adott (4 és 6 g/100 ml közötti) koncentrációjú 100 ml törzsoldatot desztillált vízzel. FONTOS: A tenzidek könnyen oldódnak vízben, de intenzíven habzanak, ne rázogassa a mérılombikot a jelretöltés elıtt. A mérılombikba közvetlenül bemért tenzidet csak a jelre töltés után homogenizálja a vízzel. Készítsen a törzsoldat ismételt 2-szeres hígításával hígítási sorozatot 50 ml térfogatban a következıképpen: pipettázzon ki 50 ml oldatot a mérılombikból az elsı Erlenmeyer lombikba (kétjelő pipetta használatánál a jel alatt maradt oldatot tegye vissza a mérılombikba!), a maradék 50 ml-t hígítsa desztillált vízzel 2-szeresre, homogenizálja és vegyen ki 50 ml-t a hígított oldatból a második Erlenmeyer lombikba; a hígítást még 2-szer ismételje meg. Adagoljon egy vegyszeres kanálnyi (~0,6 g) szilárd szalicilsavat a vizes tenzidoldatokhoz. Az oldódás és a szolubilizáció elısegítése érdekében, állítsa a lombikokat hidegvízzel szintig töltött ultrahangos kádba és 5 percen át kezelje ultrahanggal. A kezelés alatt az oldatok kissé felmelegszenek és opálássá válnak, a kádból kivéve hőtse le az oldatokat jeges vízzel (állítsa a lombikokat jeges vizes kádba ~10 percre, idınként kevergetve), majd legalább ~10 perc állás után a feleslegben maradt szalicilsavat a 100 ml-es fızıpohárba történı szőréssel távolítsa el, végül a szobahımérsékletre melegedett oldatokat analizálja. FONTOS: Csak kristálytiszta szőrletek alkalmasak további analízisre. Ha a szőrlet zavaros, akkor folytatni kell a jeges vizes hőtést és kitisztulás után ismét szőrni kell.
A kristálytiszta szőrletekben oldott, ill. szolubilizált szalicilsav koncentrációját a következı módon határozza meg: vegyen 3-szor 10 ml-es aliquot részletet szőrletekbıl az elmosogatott Erlenmeyer lombikokba. Tegyen 1-1 csepp fenolftalein indikátort az oldatokhoz és a standardizált ~0,1 mol/l NaOH-oldattal egyenletes keverés mellett a fenolftalein színváltozásáig, a halvány rózsaszín megjelenéséig titrálja. FONTOS: A fenolftalein érzékeny a CO2-ra, intenzív rázogatással elısegítjük a CO2 beoldódását a lúgos oldatba, amit a halvány rózsaszín szín eltőnése jelez. Ismételje meg a titrálást és átlagolja az eredményeket. Végezze el a mennyiségi meghatározást a másik három szőrlettel is. A ~0,1 mol/l NaOH oldatot az ismert ~0,1 mol/l koncentrációjú (c=fHCl*0,1 mol/l) HCl oldat segítségével metil-narancs indikátor jelenlétében standardizálja. A lúgoldat pontos koncentrációját is megadhatja korrekciós faktorral (cNaOH = fNaOH*0,1 mol/l). A semlegesítési reakciót (HSal + NaOH W NaSal + H2O) felírva állapítsa meg a NaOH és a szalicilsav mólarányát. Számolja ki a szőrletek szalicilsav tartalmát. A fogyott NaOH térfogatát és a pontos koncentrációját (cNaOH = fNaOH * 0,1 mol/l) felhasználva számítsa ki a teljes – oldott és szolubilizált – szalicilsav koncentrációját (mol/10 ml ill. g/10 ml és g/100 ml egységekben) mind a 4 tenzidoldatban a szalicilsav moltömegének (M = 138,12 g/mol) figyelembe vételével. A szalicilsav vízben való oldhatósága ~0,2 g/100 ml szobahımérséleten. Az eredményeket foglalja össze táblázatban: Hígítás
ctenzid g/100 ml
0,1*fNaOH mol/l NaOH fogyás, ml 1 2 3 Átlag
A szolubilizált szalicilsav mennyisége g/10 ml g/100 ml
mol/10 ml
Ábrázolja a szalicilsav koncentrációját a tenzidkoncentráció függvényében, mindkét anyagra g/100 ml egységben. A függvény tengelymetszete (nulla tenzid koncentrációra extrapolált szalicilsav koncentráció) a szalicilsav oldhatóságát, meredeksége pedig a szolubilizációs kapacitást adja g szalicilsav/g tenzid egységben. Értelmezze az eredményeket! Ellenırzı kérdések: 1.1. Milyen szerkezetőek asszociációs kolloidok molekulái? Mik az asszociáció molekulaszerkezeti feltételei? 1.2. Mit jelent az amfifil jelleg? 1.3. Csoportosítsa az asszociációs kolloidokat eredetük szerint; írjon 1-1 példát! 1.4. Csoportosítsa a tenzideket molekulaszerkezetük szerint; írjon 1-1 példát! 1.5. Mit nevezünk micellának? Milyen körülmények között keletkeznek micellák a felületaktív anyagok oldataiban? 1.6. Mit jellemez a HLB-érték? Értelmezze a HLB skálát! 1.7. Hogyan változik az ionos és a nemionos tenzidek oldhatósága a hımérséklettel? 1.8. Sorolja fel a felületaktív anyagok legfontosabb tulajdonságait! 1.9. Hogyan lehet a felületi feszültség csökkentı hatást egyszerően mérni és számolni? 1.10. Mi a c.m.c.? Hogyan lehet meghatározni? 1.11. Milyen fizikai-kémiai tulajdonságok megváltozásával lehet meghatározni a c.m.c.-t? 1.12. Magyarázza a tenzidoldatok felületi feszültség koncentrációfüggését! 1.13. Magyarázza a tenzidoldatok fajlagos vezetıképességének koncentrációfüggését! 1.14. Mi a szolubilizáció? Hogyan lehet meghatározni a szolubilizált mennyiséget? 1.15. Hogyan helyezkedhetnek el a különbözı típusú szolubilizátumok az ionos és nemionos tenzidek micelláiban?
