Кіріспе
Коллоидтық және беттік химияда мицелдің критикалық концентрациясы (КМК) – мицеллалардың пайда болуына себеп болатын, беттік белсенді заттардың концентрациясы, ал жүйеге қосылған кез келген қосымша беттік белсенді зат мицеллалар түрінде болады. КМК – беттік белсенді заттың маңызды сипаттамасы. КМК-ға жете алмайынша, беттік кернеу беттік белсенді заттың концентрациясына қатысты күрт өзгереді. КМК-ға жеткеннен кейін, беттік кернеу салыстырмалы түрде тұрақты болады немесе төмендейтін қисықпен өзгереді. Белгілі бір дисперсанттың КМК мәні температураға, қысымға және (кейде күрт) басқа беттік белсенді заттар мен электролиттердің болуына және концентрациясына байланысты. Мицеллалар тек мицелдің критикалық температурасынан жоғары температурада ғана пайда болады. Мысалы, 25°C температурада және атмосфералық қысымда судың (қосымша заттар мен тұздарсыз) ішіндегі натрий додецил сульфаты үшін КМК мәні 8x10−3 моль/л құрайды. + Көп қолданылатын беттік белсенді заттардың КМК-сы
Беттік белсенді заттардың КМК (молярлық) Санаты
Натрий октил сульфаты 0,13 аниондық беттік белсенді зат
Натрий додецил сульфаты 0,0083 аниондық беттік белсенді зат
Натрий тетрадецил сульфаты 0,0021 аниондық беттік белсенді зат
Децил триметиламмоний бромиді 0,065 катиондық беттік белсенді зат
Додецил триметиламмоний бромиді 0,016 катиондық беттік белсенді зат
Гексадецил триметиламмоний бромиді 0,00092 катиондық беттік белсенді зат
Пента(этиленгликоль) монооктил эфирі 0,0009 бейтарап беттік белсенді зат
Пента(этиленгликоль) монодецил эфирі 0,0009 бейтарап беттік белсенді зат
Пентаэтиленгликоль монододецил эфирі 0,000065 бейтарап беттік белсенді зат
In colloidal and surface chemistry, the critical micelle concentration (CMC) is defined as the concentration of surfactants above which micelles form and all additional surfactants added to the system will form micelles. The CMC is an important characteristic of a surfactant. Before reaching the CMC, the surface tension changes strongly with the concentration of the surfactant. After reaching the CMC, the surface tension remains relatively constant or changes with a lower slope. The value of the CMC for a given dispersant in a given medium depends on temperature, pressure, and (sometimes strongly) on the presence and concentration of other surface active substances and electrolytes. Micelles only form above critical micelle temperature. For example, the value of CMC for sodium dodecyl sulfate in water (without other additives or salts) at 25 °C, atmospheric pressure, is 8x10−3 mol/L. + CMCs for common surfactants Surfactant CMC (molarity) Category Sodium octyl sulfate 0.13 anionic surfactant Sodium dodecyl sulfate 0.0083 anionic surfactant Sodium tetradecyl sulfate 0.0021 anionic surfactant Decyltrimethylammonium bromide 0.065 cationic surfactant Dodecyltrimethylammonium bromide 0.016 cationic surfactant Hexadecyltrimethylammonium bromide 0.00092 cationic surfactant Penta(ethyleneglycol)monooctyl ether 0.0009 neutral surfactant Penta(ethyleneglycol)monodecyl ether 0.0009 neutral surfactant Pentaethylene glycol monododecyl ether 0.000065 neutral surfactant
Өлшем
CMC әдетте үлгілерді өлшеу әдісіне байланысты, себебі A және B ерітіндінің өткізгіштігі, фотохимиялық қасиеттері немесе беттік кернеуі сияқты қасиеттеріне тәуелді. Егер агрегация дәрежесі монодисперсті болса, онда КМК өлшеу әдісіне байланысты емес. Ал агрегация дәрежесі полидисперсті болған жағдайда, КМК өлшеу әдісіне де, дисперсияға да байланысты болады. Эксперименттік деректерден КМК-ны анықтаудың қалыпты тәсілі – өлшенген қасиеттің графигіндегі екі түзу сызықтың қиылысуын (инфлексия нүктесін) іздеу, бұл қиылысу беттік белсенді заттың концентрациясына қатысты қарастырылады. Бұл визуалды деректерді талдау әдісі өте субъективті және бейнелеу түріне, деректердің сапасына және КМК төңірегіндегі таңдалған интервалға байланысты КМК мәндерінің әртүрлі болуына әкелуі мүмкін. Артықшылықты әдіс – эксперименттік деректерді өлшенген қасиеттің моделімен сәйкестендіру. Электр өткізгіштігі, беттік кернеуі, ЯМР химиялық ығысулары, сіңіру, өзіндік диффузия коэффициенттері, флуоресценция қарқындылығы және флуоресцентті бояулардың беттік белсенді заттар ерітінділеріндегі орташа трансляциялық диффузия коэффициенті сияқты қасиеттерге арналған сәйкес келетін функциялар ұсынылған. Бұл сәйкес келетін функциялар ерітіндідегі мономерлік және мицеллалық беттік белсенді заттардың концентрацияларына негізделген модельге құрылған, бұл КМК-ның әдістен тәуелсіз, нақты анықталған аналитикалық анықтамасын белгілейді. КМК – мицеллалардың пайда бола бастағандағы беттік белсенді заттардың көлемдегі концентрациясы. «Көлем» деген сөз маңызды, себебі беттік белсенді заттар көлем мен интерфейс арасында бөлінеді және КМК интерфейске тәуелсіз, сондықтан ол беттік белсенді заттар молекуласының сипаттамасы болып табылады. Көптеген жағдайларда, мысалы, беттік кернеуді немесе өткізгіштікті өлшеу кезінде, интерфейстегі беттік белсенді заттар мөлшері көлемдегіге қарағанда мардымсыз болады және КМК жалпы концентрацияға жуықтауға болады. Іс жүзінде КМК деректері әдетте зертханалық құралдарды пайдалану арқылы жиналады, бұл процесті ішінара автоматтандыруға мүмкіндік береді, мысалы, арнайы тензиометрлерді қолдану арқылы.
Іс жүзіндегі ескертулер
Егер беттік қабаттардың ауданы үлкен болса, интерфейстегі беттік белсенді заттың мөлшерін елемеуге болмайды. Мысалы, егер CMC-ден жоғары концентрациядағы беттік белсенді заттың ерітіндісіне ауа көпіршіктері енгізілсе, осы көпіршіктер бетке көтерілген кезде ірі көлемнен беттік белсенді заттарды алып, ерітіндінің жоғарғы бөлігіне жинақтап, көбік бағанасын құрайды, соның салдарынан ірі көлемдегі концентрация CMC-ден төмендейді. Бұл – ағын сулардан беттік белсенді заттарды алудың ең оңай әдістерінің бірі (көбікті флотацияға қараңыз). Осылайша, жеткілікті беттік ауданы бар көбіктерде мицеллалар болмайды. Эмульсиялар үшін де осыған ұқсас принцип қолданылады. Басқа жағдай жуғыш заттарда байқалады. Судағы CMC-ден жоғары концентрациядан бастап, үлкен беттік ауданы бар мата қосылғанда, беттік белсенді заттың концентрациясы CMC-ден төмендейді және тепе-теңдікте мицеллалар қалыптаспайды. Сондықтан, жуғыш заттарда ерітудің ролі шағын. Майлы ластануды байланыс бұрыштарын өзгерту және майды эмульсия түрінде бөліп шығару арқылы жоюға болады. Мұнай өнеркәсібінде, мұнайды күшті түрде алу (EOR) мақсатымен резервуарға беттік белсенді затты енгізу алдында CMC ескеріледі. CMC мәнінен төменде, май және су фазалары арасындағы беттік кернеу тиімді түрде төмендемейді. Егер беттік белсенді заттың концентрациясы CMC-ден сәл жоғары ұсталып тұрса, қосымша мөлшер резервуардағы бар тұздықпен ерігенді қамтиды. Беттік белсенді зат ең төменгі интерфейстік кернеуде (IFT) жұмыс істеуі тиіс.