Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В коллоидной и поверхностной химии , то критическая концентрация мицелл ( CMC ) определяется как концентрация поверхностно -активных веществ , выше которой мицеллы образуют и всех дополнительных поверхностно -активных веществ , добавленных в систему будет образовывать мицеллы. [1]

КМЦ - важная характеристика поверхностно-активного вещества. Перед достижением ККМ поверхностное натяжение сильно изменяется с концентрацией поверхностно-активного вещества. После достижения ККМ поверхностное натяжение остается относительно постоянным или изменяется с меньшим наклоном. Значение CMC 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 мицелл .

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

Описание [ править ]

Сверху вниз: увеличение концентрации поверхностно-активного вещества в воде сначала приводит к образованию слоя на поверхности. После достижения мицеллы КМЦ начинают формироваться. Обратите внимание, что наличие мицелл не исключает существования отдельных молекул поверхностно-активного вещества в растворе.

После введения поверхностно-активных веществ (или любых поверхностно-активных материалов) в систему они сначала разделятся на поверхность раздела , уменьшая свободную энергию системы за счет:

  1. снижение энергии границы раздела (рассчитывается как площадь, умноженная на поверхностное натяжение), и
  2. удаление гидрофобных частей ПАВ от контакта с водой.

Впоследствии, когда покрытие поверхности поверхностно-активными веществами увеличивается, свободная энергия поверхности (поверхностное натяжение) уменьшается, и поверхностно-активные вещества начинают агрегироваться в мицеллы, таким образом снова уменьшая свободную энергию системы за счет уменьшения площади контакта гидрофобных частей поверхностно-активного вещества с водой. [3] По достижении CMC любое дальнейшее добавление поверхностно-активных веществ просто увеличит количество мицелл (в идеальном случае).

Есть несколько теоретических определений CMC. Одно хорошо известное определение заключается в том, что КМЦ - это общая концентрация поверхностно-активных веществ при следующих условиях: [4]

если C = CMC, (d 3 F / d C t 3 ) = 0
F = a [мицелла] + b [мономер]: функция раствора поверхностно-активного вещества
C t : общая концентрация
a , b : пропорциональные константы

CMC обычно зависит от метода измерения образцов, поскольку a и b зависят от свойств раствора, таких как проводимость и фотохимические характеристики. Когда степень агрегации монодисперсная , то ККМ не имеет отношения к методу измерения. С другой стороны, когда степень агрегации полидисперсная , то КМЦ относится как к методу измерения, так и к дисперсии.

Обычная процедура определения ККМ на основе экспериментальных данных заключается в поиске пересечения двух прямых линий, проведенных на графиках зависимости измеренного свойства от концентрации поверхностно-активного вещества. Этот метод визуального анализа данных очень субъективен и может привести к очень разным значениям CMC в зависимости от типа представления, качества данных и выбранного интервала вокруг CMC. [5] Предпочтительным методом является сопоставление экспериментальных данных с моделью измеренного свойства. Были 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. [6] [7] [8] Эти функции соответствия основаны на модели концентраций мономерных и мицеллизированных поверхностно-активных веществ в растворе, которая устанавливает четко определенное аналитическое определение КМЦ, независимо от метода.

ККМ - это концентрация поверхностно-активных веществ в объеме, при которой начинают формироваться мицеллы. Слово « объемный» важно, потому что разделение поверхностно-активного вещества между объемом и поверхностью раздела и КМЦ не зависит от поверхности раздела и, следовательно, является характеристикой молекулы поверхностно-активного вещества. В большинстве ситуаций, таких как измерения поверхностного натяжения или измерения проводимости , количество поверхностно-активного вещества на границе раздела пренебрежимо мало по сравнению с объемом в объеме, и КМЦ можно приблизительно оценить по общей концентрации.

Есть важные ситуации, когда межфазные области велики, и нельзя пренебрегать количеством поверхностно-активного вещества на границе раздела. Если, например, пузырьки воздуха вводятся в раствор поверхностно-активного вещества над КМЦ, эти пузырьки, поднимаясь на поверхность, вытягивают поверхностно-активные вещества из основной массы в верхнюю часть раствора, создавая столб пены и тем самым снижая концентрацию. оптом до ниже CMC. Это один из самых простых способов удаления ПАВ из сточных вод ( пенная флотация ). Таким образом, в пенах с достаточной площадью поверхности раздела мицелл не будет. Аналогичные рассуждения справедливы и для эмульсий .

График CMC
КМЦ чаще всего измеряют путем построения графика зависимости поверхностного натяжения от концентрации поверхностно-активного вещества при автоматическом измерении.

Другая ситуация возникает с моющими средствами . Первоначально начинают с концентраций выше, чем КМЦ в воде, и при добавлении ткани с большой межфазной площадью и ожидании равновесия концентрация поверхностно-активного вещества опускается ниже КМЦ, и мицеллы не остаются. Следовательно, солюбилизация играет незначительную роль в моющих средствах. Удаление маслянистого грунта происходит путем изменения краевых углов смачивания и выделения масла в виде эмульсии.

В нефтяной промышленности КМЦ рассматривается перед закачкой поверхностно-активного вещества в пласт в связи с применением повышения нефтеотдачи (EOR). Ниже точки CMC межфазное натяжение между масляной и водной фазами больше не снижается эффективно. [9] Если концентрация поверхностно-активного вещества поддерживается немного выше CMC, дополнительное количество покрывает растворение с существующим рассолом в резервуаре. Желательно, чтобы поверхностно-активное вещество работало при самом низком межфазном натяжении (IFT).

Моделирование и наборы данных [ править ]

Растет интерес к моделированию мицелл для промышленного применения. [10] [11] Надежность некоторых экспериментальных данных была поставлена ​​под сомнение некоторыми авторами, которые предложили стандартные наборы данных. [12] Также были предприняты попытки использовать машинное обучение и другие статистические модели для прогнозирования CMC. Некоторые из этих попыток статистического прогнозирования также основывались на наборах данных из литературы. [13] [14]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Критическая концентрация мицелл ». DOI : 10,1351 / goldbook.C01395
  2. ↑ Ана Домингес, Аврора Фернандес, Ноэми Гонсалес, Эмилия Иглесиас и Луис Монтенегро «Определение критической концентрации мицелл некоторых поверхностно-активных веществ тремя методами», Journal of Chemical Education, Vol. 74 № 10 октября 1997 г., стр. 1227–1231 (pdf)
  3. ^ Hakiki, Ф., Maharsi, Д. и Marhaendrajana, Т. (2016). Моделирование заводнения керна поверхностно-активное вещество-полимер и анализ неопределенностей по результатам лабораторных исследований . Журнал инженерных и технологических наук. 47 (6): 706-724. DOI : 10.5614 / j.eng.technol.sci.2015.47.6.9
  4. ^ Филлипс Дж. Энергетика мицеллообразования. Труды общества Фарадея 1955; 51: 561-9
  5. ^ Mukerjee, P .; Mysels, KJ В критических концентрациях мицелл водных систем поверхностно-активных веществ; Национальный институт стандартов и технологий NIST: Вашингтон, округ Колумбия, США, 1971; Vol. НСРДС-НБС 36
  6. ^ Аль-Суфи В., Пиньейро Л., Ново М. Модель для концентраций мономеров и мицелл в растворах поверхностно-активных веществ: применение к данным по проводимости, ЯМР, диффузии и поверхностному натяжению. J. Colloid Interface Sci. 2012; 370: 102-10, DOI: 10.1016 / j.jcis.2011.12.037
  7. ^ Лукас Пиньейро, Соня Фрейре, Хорхе Борделло, Мерседес Ново и Ваджих аль-Суфи, Обмен красителей в мицеллярных растворах. Количественный анализ объемного флуоресцентного титрования и флуоресцентного титрования отдельных молекул. Мягкая материя, 2013,9, 10779-10790, DOI: 10.1039 / c3sm52092g
  8. ^ www.usc.es/fotofqm/en/units/single-molecule-fluorescence/concentration-model-surfactants-near-cmc
  9. ^ Хакики, Фаризал. Критический обзор методов повышения нефтеотдачи пластов с использованием искусственного песчаника: математическая модель l. Бумага IPA14-SE-119. Материалы 38-й конференции и выставки IPA, Джакарта, Индонезия, май 2014 г.
  10. ^ Уильям C, Джордан, Кирк E, Уоррен, Патрик B, Норо, Массимо G, Брей, Дэвид Дж, Андерсон, Ричард Л., К стандартному протоколу для моделирования мицелл, Журнал физической химии B, 2016, [1]
  11. ^ Вишняков, Алексей, Ли, Мин-Цунг, Неймарк, Александр V, Прогнозирование критической концентрации мицелл неионных поверхностно-активных веществ с помощью моделирования динамики диссипативных частиц, Журнал писем по физической химии 2013, [2]
  12. ^ Свуп, Уильям C, Джонстон, Майкл, Эндрю, Дафф, Эндрю Ян, МакДонах, Джеймс Л., Андерсон, Ричард Л., Альва, Габриэла, Тек, Энди Т., Машино, Александр П. Задача согласовать экспериментальные мицеллярные свойства ДНК Семейство неионных поверхностно-активных веществ. Журнал физической химии B 2019. [3]
  13. ^ МакДонах, Дж., Свуп, У., Андерсон, Р.Л., Джонсон, Массачусетс, и Брей, Д.Д. Что может сделать оцифровка для инноваций и разработки сформулированных продуктов ?. ChemRxiv 2019. [4]
  14. ^ Huibers, PD, Lobanov, VS, Katritzky, AR, Shah, DO, & Karelson, M. Прогнозирование критической концентрации мицелл с использованием подхода количественной взаимосвязи структуры и свойств. 1. Неионные поверхностно-активные вещества. Langmuir, 1996. [5]

Дальнейшее чтение [ править ]

  • SA Baeurle, J. Kroener, "Моделирование эффективных взаимодействий мицеллярных агрегатов ионных поверхностно-активных веществ с потенциалом Gauss-Core", Journal of Mathematical Chemistry . 36, 409-421 (2004).

Внешние ссылки [ править ]

  • Теория измерения CMC
  • КМЦ и молекулярная масса нескольких моющих средств в OpenWetWare