碘钟实验

由于表面活性剂溶液的许多物理化学性质随着胶束的形成而发生突变（图Ⅱ—17—１），故将CMC看作表面活性剂大小的量度。因此，测定CMC，掌握影响CMC的因素，对于深入研究表面活性剂的物理化学性质是至关重要的。
测定CMC的方法很多，原则上只要使溶液物理化学性质随着表面活性剂溶液浓度在CMC处发生突变，都可以利用来测定CMC，常用的测定的方法有以下四种：
表面活性剂进入水中，在低浓度时呈分子状态，并且三三两两地把亲油基团靠拢而分散在水中。当溶液浓度加大到一定程度时，许多表面活性物质的分子立刻结合成很大的集团，形成”胶束”。以胶束形式存在于水中的表面活性物质是比较稳定的。表面活性物质在水中形成胶束所需的最低浓度称为临界胶束浓度（critical micelle concentration），简称CMC。CMC可看作是表面活性对溶液的表面活性的一种量度。因为CMC越小，则表示此种表面活性剂形成胶束所需浓度越低，达到表面饱和吸附的浓度越低。也就是说只要很少的表面活性剂就可起到润湿、乳化、加溶、起泡等作用。在CMC点上，由于溶液的结构改变导致其物理及化学性质(如表面张力，电导。渗透压，浊度，光学性质等)同浓度的关系曲线出现明显的转折，如图1所示。因此，通过测定溶液的某些物理性质的变化，可以测定CMC。
随着表面活性剂在溶液中浓度的增长，球形胶束可能转变成棒形胶束，以至层状胶束，如图1所示。后者可用来制作液晶，它具有各向异性的性质。
本实验利用DDSJ-308A型电导率仪测定不同浓度的十二烷基硫酸钠水溶液的电导值(也可换算成摩尔电导率)，并作电导值(或摩尔电导率)与浓度的关系图，从图中的转折点求得临界胶束浓度。
仪器和试剂
Apparatus and Reagent
DDS—ⅡＡ型电导率仪
恒温槽
容量瓶
Leabharlann Baidu移液管
氯化钾十二烷基硫酸钠（用乙醇经２—３次重结晶提纯）
电导水
实验步骤
Procedure
1、电导率的测定。
见本教材仪器九
2、安装好恒温槽，温度调到25±0.1℃。
3、用25ml容量瓶精确配制浓度范围在３×10－3—３×10－2mol·-l８—10个不同浓度的十二烷基硫酸钠水溶液。配制时最好用新蒸出的电导水。
用相同方法进行其他组溶液的实验，记住每次加淀粉指示剂均为2ml。
表2－21－1“碘钟”反应实验试剂配制计划
编号(NH4)2S2O8溶液体积/ml(NH4)2SO4溶液体积/mlKI溶液体积/mlNa2S2O3溶液体积/ml
110645
210465
310285
4100105
582105
664105
746105
式中：к是Ａ＝１m2、Ｌ＝1m的电导，称作比电导或电导率，其单位为Ω－１·m－１；L/A称作电导常数。
电导率к和摩尔电导Λ有下列关系
Λ为1mol电解质溶液的导电能力，Ｃ为电解质溶液的摩尔浓度。
Λ随电解质浓度而变，对强电解质的稀溶液
Λ0为浓度无限稀时的摩尔电导，Ａ为常数。
对于离子型表面活性剂溶液，当溶液浓度很稀时，电导的变化规律也和强电解质一样；但当溶液浓度达到临界胶束浓度时，随着胶束的生成，电导率发生改变，摩尔电导出现转折，这就是电导法测CMC的依据。
3、溶液中离子强度为何影响反应速率?实验中加入(NH4)2SO4的作用是什么?
目的要求Purposes and Demand
1.掌握电导法测定表面活性剂溶液的临界胶束浓度（CMC）的原理和方法。
2.加深对表面活性剂对溶液性质理解
实验原理Principle
在表面活性剂溶液浓度很稀时，当浓度增大到一定值时，表面活性剂离子或分子将发生缔合，形成胶束（或称胶团）。对于某表面活性剂，其溶液开始形成胶束的浓度称为该表面活性剂的临界胶束浓度（critical micelle concentration），简称CMC。
[编辑]注意事项1.碘钟反应速率与温度有关
2.丙溶液会随室温降低，碘酸钾以晶体析出，微热又溶解。甲溶液不宜放置太久，否则过氧化氢分解失效而导致实验失败。
3.不可随意更改药品用量
“碘钟”反应
Ⅰ、目的要求
用初速法测定过硫酸根与碘离子的反应速率常数和反应级数。
Ⅱ、仪器与试剂
混合反应器10mL、5mL移液管10mL刻度移液管
Ⅴ、数据处理
取实验编号1、2、3、4的数据，以ln[1/△t]对ln[I-]作图，从所得直线斜率求n；取实验编号4、5、6、7的数据，以ln[1/△t]对ln[S2O82-]作图，从所得直线斜率求m。
Ⅵ、思考题
1、用反应初速法测定动力学参数有何优点?
2、本实验是否符合保持其中一种反应物浓度不变的条件?
Ⅳ、实验步骤
1．按照表2－21－1所列数据将(NH4)2S2O8溶液及(NH4)2SO4溶液放入反应器a池，并加2mL 0.5％淀粉指示剂；将KI溶液及Na2S2O3。溶液加入b池。在25℃恒温10 min后，用洗耳球将b池溶液迅速压入a池，当溶液压入一半时即开始记时，并可来回吸压一次使混合均匀。观察蓝色出现即停止记时。
3.打开恒温水浴调节温度至25℃或其它合适温度。开通电导率仪。
4.用0.001 mol·L-1KCl标准溶液标定电导池常数。
5.用DDSJ-308A型电导仪从稀到浓分别测定上述各溶液的电导率。用后一个溶液荡洗前一个溶液的电导池3次以上，各溶液测定时必须恒温10min，每个溶液的电导率读数3次，取平均值。列表记录各溶液对应的电导率,换算成摩尔电导率。
三、仪器与试剂
DDSJ-308A型电导率仪1台（附带电导电极1支），容量瓶(100mL) 12只，氯化钾(分析纯)，恒温水浴1套，十二烷基硫酸钠(分析纯)，容量瓶(1000mL)1只，电导水。
四、实验步骤
1.用电导水或重蒸馏水准确配制0.01 mol·L-1的KCl标准溶液。
2.取十二烷基硫酸钠在80℃烘干3h，用电导水或重蒸馏水准确配制0.002，0.004，0.006，0.007，0.008，0.009，0.010，0.012，0.014，0.016，0.018，0.020 mol·L-1的十二烷基硫酸钠溶液各100 mL。
电导法测定表面活性剂的临界胶束浓度
一、实验目的及要求
1．用电导法测定十二烷基硫酸钠的临界胶束浓度。
2．了解表面活性剂的特性及胶束形成原理。
3．掌握电导率仪的使用方法。
二、实验原理
具有明显”两亲”性质的分子，即含有亲油的足够长的(大于10-12个碳原子)烃基，又含有亲水的极性基团(通常是离子化的)，由这一类分子组成的物质称为表面活性剂，如肥皂和各种合成洗涤剂等，表面活性剂分子都是由极性部分和非极性部分组成的，若按离子的类型分类，可分为三大类:①阴离子型表面活性剂，如羧酸盐(肥皂)，烷基硫酸盐(十二烷基硫酸钠)，烷基磺酸盐(十二烷基苯磺酸钠)等；②阳离子型表面活性剂，主要是胺盐，如十二烷基二甲基叔胺和十二烷基二甲基氯化胺；③非离子型表面活性剂，如聚氧乙烯类。
3.配置丙溶液：称取10.75g碘酸钾溶于适量热水中，再加入20mL2mol/L硫酸溶液酸化。转移入250mL容量瓶里，稀释到刻度，得到0.2mol/L碘酸钾和0.08mol/L硫酸的混合溶液。
4.将甲、乙、丙三组溶液以等体积混合在锥形瓶中，这混合溶液分别含过氧化氢1.2mol/L、丙二酸0.05mol/L、硫酸锰0.0067mol/L、碘酸钾0.067mol/L、淀粉0.01%。混合后，反应液由无色变为蓝紫色，几秒后褪为无色，接着又称琥珀色变逐渐加深，蓝紫色又反复出现，几秒后又消失，这样周而复始地呈周期性变化。这种振荡反应，又叫“碘钟反应”。振荡周期约为8秒，反复振荡能持续10多分钟。
6.实验结束后洗净电导池和电极，并测量水的电导率。
五、注意事项
1.电极不使用时应浸泡在蒸馏水中，用时用滤纸轻轻沾干水分，不可用纸擦拭电极上的铂黑（以免影响电导池常数）。
2.配制溶液时，由于有泡沫，保证表面活性剂完全溶解，否则影响浓度的准确性。
3. CMC浓度有一定的范围。
六、数据记录与处理
1.计算各浓度的十二烷基硫酸钠水溶液的电导率和摩尔电导率。
如果选择一系列初始条件，测出对应于析出碘量为△[I2]的蓝色出现时间△t，则反应的初始速率是：
设各初始条件下每次加的硫代硫酸钠量不变，即△[I2]为常数，则
将(2－21－5)式代入(2－21－3)式取对数：
因此，保持[I－]不变，以ln[1/△t]对ln[S2O82-]作图，从所得直线斜率可求得m；保持[S2O82-]不变，以ln[1/△t]对ln[I-]作图，可求得n。再根据(2-21-3)，(2-21-4)式，可求得反应速率常数K。
4、从低浓度到高浓度依次测定表面活性剂溶液的电导率值。每次测量前电极都得用待测溶液冲洗２—３次。
实验数据记录和处理
Data Records and Data Processing
1、计算各浓度的十二烷基硫酸钠水溶液的电导率和摩尔电导率。
2、将数据列表，作к—c图，由曲线转折点确定临界胶束浓度CMC值。
2.将数据列表，做κ-c图与λm—c图，由曲线转折点确定临界胶束浓度CMC值。
七、思考题
1.若要知道所测得的临界胶束浓度是否准确，可用什么实验方法验证之？
2.溶液的表面活性剂分子与胶束之间的平衡同浓度和温度有关，试问如何测出其热能效应ΔH值？
下面介绍一个简单的碘钟实验
[编辑]实验药品29%过氧化氢溶液、丙二酸、硫酸锰、可溶性淀粉、碘酸钾、1mol/L硫酸
[编辑]实验步骤1.配置甲溶液：量取97mL29%的过氧化氢溶液，转移入250mL容量瓶里，用蒸馏水稀释到刻度，得3.6mol/L过氧化氢溶液。
2.配置乙溶液：分别称取3.9g丙二酸和0.76g硫酸锰，分别溶于适量水中。另称取0.075g可溶性淀粉，溶于50mL左右沸水中。把三者转移入250mL容量瓶里，稀释到刻度，得到含0.15mol/L丙二酸、0.02mol/L硫酸锰、和0.03%淀粉的混合溶液。
直到S2O32－消耗完，游离碘遇上淀粉即显示蓝色。从反应开始到蓝色出现所经历的时间，即可作为反应初速的计量。由于这一反应能自身显示反应进程，故常称为“碘钟”反应。
1．反应级数和速率常数的确定
当温度和溶液的离子强度一定时，（2－21－1)式的速率方程可写成：
在测定反应级数的方法中．反应初速法能避免反应产物干扰，求得反应物的真实级数。
1、电导法
利用离子型表面活性剂水溶液电导率随浓度的变化关系，从电导率（к）对浓度（c）曲线或摩尔电导率曲线上转折点求CMC。此法仅对离子型表面活性剂适用而对CMC值较大，表面活性低的表面活性剂因转折点不明显而不灵敏。
2、表面张力法
测定不同浓度下表面活性剂溶液的表面张力，在浓度达到CMC时发生转折。以表面张力（σ）和表面活性剂溶液浓度的对数（lgc）作图，由曲线的转折点来确定CMC。
图1 十二烷基硫酸钠水溶液的物理性质和浓度的关系
这个特征行为可用生成分子聚集体或胶束来说明，当表面活性剂溶于水中后，不但定向地吸附在溶液表面，而且达到一定浓度时还会在溶液中发生定向排列而形成胶束。表面活性剂为了使自己成为溶液中的稳定分子，有可能采取的两种途径：一是把亲水基留在水中，亲油基伸向油相或空气;二是让表面活性剂的亲油基团相互靠在一起，以减少亲油基与水的接触面积。前者就是表面活性剂分子吸附在界面上，其结果是降低界面张力，形成定向排列的单分子膜，后者就形成了胶束。由于胶束的亲水基方向朝外，与水分子相互吸引，使表面活性剂能稳定溶于水中。
秒表0.100mol•dm-3 (NH4)2S2O8(K2S2O8)溶液0.005mol•dm-3Na2S2O3标准溶液
0.100 mol•dm-3KI溶液0.100mol•dm-3 (NH4)2SO4(K2SO4)溶液0.5％淀粉指示剂
Ⅲ、实验原理
过硫酸根与碘离子的反应式如下：
如事先同时加入少量硫代硫酸钠标准溶液和淀粉指示剂，则(2-21-1)式产生的碘便很快被还原为碘离子：
３、染料法
基于有些染料的生色有机离子吸附于胶束之上，其颜色发生明显的改变，故可用染料作用指示剂，测定最大吸收光谱的变化来确定临界胶束浓度。
４、增溶法
利用表面活性溶液对有机物增溶能力随浓度的变化，在CMC处有明显的改变来确定
本实验采用电导法测定表面活性剂溶液的临界胶束浓度。
对于一般电解质溶液，其导电能力由电导Ｇ，即电阻的倒数（1/R）来衡量。若所用电导管电极面积为Ａ，电极间距为Ｌ，用此管测定电解质溶液电导，则