实验报告 正负离子表面活性剂混合体系双水相性质的测定.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流实验报告 正负离子表面活性剂混合体系双水相性质的测定.精品文档.题目 正负离子表面活性剂混合体系双水相性质的测定摘要：正负离子表面活性剂混合系统的水溶液在适当条件下能够形成两个互不相溶的水相系统,这种系统称为表面活性剂双水相系统(ATPS) 。近几年双水相系统在理论领域和应用领域中被极大地关注。由于表面活性剂溶液中的胶束结构在不同的条件下组装形式不同, 这使得表面活性剂双水相系统对物质萃取的选择性具有可调节性。利用该系统萃取生物大分子物质如牛血清蛋白、胰蛋白酶等的研究已有报道。正负离子表面活性剂双水相体系是最近几年才被重视并研究的分相体系。本

2、实验通过研究十二烷基硫酸钠( SDS )/十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)/水混合体系在盐存在时的相行为、双水相分相时间以及双水相对大分子物质罗丹明B的萃取作用, 揭示影响物质在正负离子表面活性剂双水相中分配系数的主要因素,进而讨论影响正负离子表面活性剂双水相萃取作用的主要因素。关键词：正负离子表面活性剂混合体系，双水相，萃取，二烷基硫酸钠( SDS )，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)引言：（1）表面活性剂是一大类有机化合物，其分子结构特点是具有不对称性。整个分子可以分成两部分，一部分为亲油的非极性基团，叫做疏水基或亲油基，另一部分是亲水的，叫做亲水基。因此，表面活性分子具有两亲性。 表面活

3、性剂溶于水后，当其浓度很小（小于临界胶束浓度CMC）时，其在溶液中主要以单分子状态或少数几个分子聚集在一起的形式存在。当浓度超过临界胶束浓度时，表面活性剂自发聚集成胶束。胶束是体现表面活性剂性质的重要结构。实用中的表面活性剂几乎都是混合物。两种或两种以上的表面活性剂混合往往显示出更为优良的表面活性。与单一表面活性剂相比，正负离子表面活性剂混合系统形成胶束的能力大为增强，从而产生更高的表面活性，这种高表面活性必然会引起胶体与界面化学性质的突出表现。双水相就是这种体系的特殊性质之一。( 2 ) 双水相体系（ATPS）是指某些物质的水溶液在一定条件下自发分离形成两个互相不相溶的水相系统。正负离子表面

4、活性剂混合体系的水溶液在适当条件下能形成双水相。 其中1区为各向同性且澄清透明的溶液区；2区可视为不稳定区，随着表面活性剂浓度或配比的不同，该区样品可能呈现淡蓝光，乳光乳白现象，甚至出现沉淀或悬浮物，故该区现象较为复杂；3区为双水相区，简称ATPS区。左侧ATPS区阴离子表面活性剂的含量大于阳离子表面活性剂的含量，简称阴离子双水相区（ATPSa区）。右侧ATPS区阳离子表面活性剂的含量大于阴离子的，简称阳离子双水相区（ATPSc区）。两个双水相区在相图中形成近似对称的排列，且形状规则，规律明显。图为313K时H2O0.2mol/LSDS0.2mol/LCTAB系统的三元相图，相图被几个区域所分

5、割。若将区边线延长，则均可通过并交于水的顶点，这说明正负离子表面活性剂混合系统只要满足一定的配比，溶液的总浓度在一定的范围内，都能形成ATPS。ATPSa区及ATPSc区均比较狭窄，这意味着要形成ATPS，要求系统中正负离子表面活性剂必须满足严格的匹配关系 ，组成的微小变化即可决定系统ATPS的形成与否。上述体系形成双水相需要至少30h，当体系中含有盐时，十几分钟便可以观察到双水相现象，经2h双水相体系即可达到稳定状态。故实验中加入硫酸钠。经分析，双水相的一相为富表面活性剂，另一相为贫表面活性剂。两相浓度的差异造成了结构的差异，在两相中分别存在着不同的表面活性剂有序组合体，上相为液晶结构，下相

6、为胶束溶液。利用表面活性剂双水相两相结构的差异可以萃取水溶性的大分子物质，由于该体系两相都是水相，可以为被萃取物提供温和的环境，节省了有机相萃取时所带来的严重污染。( 3 ) 根据罗丹明B的结构式，分子中有亲水基与疏水基。靠疏水基与表面活性剂有序组合体的疏水区的亲和作用，罗丹明B易于被萃取到ATPS的富表面活性剂相中，所以ATPSa 区与ATPSc区双水相对罗丹明B均具有萃取作用。对于SDS/CTAB/H2O/Na2SO4的双水相系统，其pH 在中性范围，罗丹明B在ATPS 中以两性离子形式存在。但罗丹明B结构式由于N上的正电荷受两个基团的屏蔽作用，正电作用减弱，相对地羧基上的负电荷作用增强，

7、整个罗丹明B 离子表现为带负电，它更易于同阳离子双水相区带正电 的有序组合体结合，所以罗丹明B 在阳离子双水相中的分配系数远远 高于在阴离子双水相中分配系数。在阴离子双水相中，带负电的罗丹明B与带负电的有序组合体间有静电排斥作用，但由于罗丹明B的净负电性很弱，所以这种排斥作用不足以完全克服两者疏水基间的亲和作用，不能使罗丹明B从富表面活性剂相上完全挣脱出来，而只是部分地降低两者之间的结合程度， 所以ATPSa 区对罗丹明B仍具有一定的萃取作用，但较ATPSc区较弱。 通过研究十二烷基硫酸钠( SDS )/十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)/水混合体系在盐存在时的相行为以及双水相对大分子物质罗丹明

8、B的萃取作用, 然后利用721型分光光度计测量被萃取的罗丹明B的吸光度，从而通过计算不同配比下的分配系数和萃取效率来揭示影响物质在正负离子表面活性剂双水相中分配系数的主要因素,进而讨论影响正负离子表面活性剂双水相萃取作用的主要因素。1 实验部分1.1 实验内容1.1.1 仪器准备电子天平，磁力加热搅拌器，721型分光光度计，厚度规格0.5cm、1.0cm比色皿若干，干燥器，恒温水浴箱，塑料保鲜膜，剪刀，橡皮筋12个，圆柱形玻璃小瓶12个，玻璃棒4根，长吸管一支，注射器2支，100ml烧杯14个，250ml烧杯2个，100ml容量瓶2个，500ml容量瓶1个，5ml移液管2支，10 ml移液管2

9、支，刻度尺一把，洗耳球一个。试剂：SDS(分析纯，99%)，CTAB(分析纯，99%)，Na2SO4(分析纯，99%)，罗丹明B(分析纯)，蒸馏水。将12个100mL小烧杯、2支注射器、比色皿洗涤干净后，放入干燥箱中干燥，备用。1.1.2 溶液配制1）用电子天平准确称取14.243gNa2SO4固体，于100mL烧杯中加入一定量蒸馏水溶解，将磁子放入，放在磁力加热搅拌器上加热搅拌，使其充分溶解后转移至500mL容量瓶中，加蒸馏水定容、摇匀，得到0.2mol/L的Na2SO4溶液。 2） 准确称取5.768gSDS粉末，取配好的0.2mol/L的Na2SO4溶液40-50ml倒入100mL烧杯中

10、，并将烧杯置于磁力加热搅拌器上加热搅拌。缓慢加入SDS，使其溶解。全部溶解后转移至100mL容量瓶中，并将容量瓶置于40 恒温水浴中定容，恒温一段时间等泡沫消失得0.2mol/L的SDS溶液。继续恒温备用。3） 准确称取7.290gCTAB粉末，按步骤2配制溶液。1.1.3 配制双水相1）SDS和CTAB均恒温满15min后，用移液管移取2.5mLSDS和7.5mLCTAB于100mL小烧杯中，再滴加5滴罗丹明B。用玻璃棒快速搅匀，立即倒入圆柱形小瓶中，用塑料保鲜膜及橡皮筋封口，记录样品现象。2）迅速将圆柱形小瓶放入恒温箱中恒温2h。3）按照步骤1、2依下表比例移取溶液，配制其他11组混合液。

11、并放入40恒温箱中恒温。表1 SDS/CTAB体积比例表序号123456789101112SDS体积/mL2.52.72.93.13.33.56.06.26.46.66.87.0CTAB体积/mL7.57.37.16.96.76.54.03.83.63.43.23.04）观察双水相形成过程，2h后双水相达到平衡，记录下各个小瓶样品现象。1.1.4 测定吸光度1）取出1个出现双水相的圆柱形小瓶，用直尺测量上下相高度，记作h1、h2，然后放入恒温水浴中恒温。2）调节分光光度计。打开仪器开关，预热20min。将灵敏度调至1档，波长为553nm，将暗箱盖打开，调节透光率为0。将盛有蒸馏水的比色皿放入暗

12、箱，盖上箱盖，调节透光率为100。再打开箱盖调0，再盖上箱盖调100。反复调节。3）用注射器吸取上相溶液，溶液颜色深，较粘稠，则先称量100mL小烧杯中质量，去皮。再将溶液放入，记下质量m1。加一定量蒸馏水稀释，再记下质量m2。将稀释后溶液倒入比色皿中，测其吸光度1。吸光度在0.1-0.4之间即可，若吸光度大于0.4，继续稀释至吸光度在0.1-0.4范围内，记录吸光度值1，并计算其稀释倍数n1。4）按步骤3测下相吸光度1及稀释倍数n1并记录。5）将所有出现双水相的体系按照步骤3、4用同一分光光度计测出并记录它们的吸光度及稀释倍数。6）关闭电源，整理仪器。1.2 实验现象表2 恒温前后实验现象记

13、录表序号恒温前现象恒温后现象1粉红色悬浊液同实验前无明显变化2粉红色悬浊液出现分层，但下层很少，无法测量3粉红色悬浊液同实验前无明显变化4粉红色悬浊液同实验前无明显变化5粉红色悬浊液液体分上下两相，上相分别红色乳状物且体积较大，下相为澄清溶液体积较小6粉红色悬浊液同实验前无明显变化7粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化8粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化9粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化10粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化11粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化12粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化1.3实验数据记录与处理1.3.1根据A=KbC，其中k为吸光系数，单位L/(gcm),b为液层

14、厚度（通常为比色皿的厚度），单位cm ， c为溶液浓度，单位mol/l求的分配系数DD=Ca/Cb=(n1C1)/(n2C2)=(n1A1)/(n2A2)1.3.2萃取效率E=(CaV1)/(CaV1+CbV2)100%=（n1A1V1）/(n1A1V1+n2A2V2)100%=（n1A1h1）/(n2A2h2)100%表3 出现双水相实验数据记录表序号h1/cmh2/cmn1n2A1A215.50.56.1061.840.440.284表4实验数据处理结果表序号分配系数D萃取效率E15.14198.26%2 实验结果分析与讨论2.1 实验结果在编号1-12的圆柱形小瓶之中，只有CTAB过量的

15、阳离子双水相区中的2、5号小瓶内出现双水相，且5号瓶最明显。阴离子双水相区并没有出现双水相现象。测定吸光度时温度不同，测得通体样品的吸光度也不同。经过对分配系数与萃取绿的计算发现，分配系数越大，萃取率越高。另外，在实验过程中，将混合体系从恒温水槽中取出后不久，体系中出现白色乳状物，放回水槽后，体系又回复原有的透明均相状态。推之，温度对混合体系的稳定性有重要影响，测吸光度时，应该先恒温至40，然后马上测量。2.2 理论分析 图1为SDS/CTAB/H2O 系统含0.2mol/LNa2SO4时的拟三元相图。在相图中存在两个ATPS区，根据各区表面活性剂配比的差异，分别称为阴离子双水相区(ATPSa

16、)与阳离子双水相区(ATPSc)。对于ATPSa 区，由于阴离子表面活性剂SDS过量， 混合表面活性剂带负电；对于ATPSc 区，阳离子表面活性剂CTAB 过量，混合表面活性剂带正电。由于两个ATPS区的双水相组成及微观结构的差异，它们的萃取分离行为是不同的。根据图2罗丹明B的结构式，分子中有亲水基与疏水基。靠疏水基与表面活性剂有序组合体的疏水区的亲和作用，罗丹明B易于被萃取到ATPS的富表面活性剂相中，所以ATPSa 区与ATPSc区双水相对罗丹明B均具有萃取作用。对于SDS/CTAB/H2O/Na2SO4的双水相系统，其pH 在中性范围，罗丹明B在ATPS 中以两性离子形式存在。但由于N上

17、的正电荷受两个基团的屏蔽作用，正电作用减弱，相对地羧基上的负电荷作用增强整个罗丹明B 离子表现为带负电，它更易于同阳离子双水相区带正电的有序组合体结合，所以罗丹明B 在阳离子双水相中的分配系数远远高于在阴离子双水相中分配系数。在阴离子双水相中， 带负电的罗丹明B与带负电的有序组合体间有静电排斥作用，但由于罗丹明B的净负电性很弱，所以这种排斥作用不足以完全克服两者疏水基间的亲和作用，不能使罗丹明B从富表面活性剂相上完全挣脱出来，而只是部分地降低两者之间的结合程度， 所以ATPSa 区对罗丹明B仍具有一定的萃取作用，但较ATPSc区较弱。2.3 实验失败原因分析1）在溶液配制过程中，SDS仅出现些

18、许泡沫，配制的实际浓度与理论浓度之间存在误差；CTAB随着配制时间推移黏度越来越大，在移取过程中有很较大量的残留，使其配制有较大误差。2）实验室温度偏低可能对实验结果带来误差。3）实验设计中将SDS和CTAB相图看错，导致实验配比弄反了4）在测定吸光度过程中，对上下相的稀释倍数可能对实验结果带来误差。3.结论1)温度对混合体系的稳定性有重要影响；溶液配比是造成本次实验失败的主要原因。2)物质带负电，其在阳离子表面活性剂混合双水相体系中的分配系数就大。该结果验证了阴离子双水相系统富表面活性剂相有序组合体带负电;阳离子双水相系统富表面活性剂相有序组合体带正电。3)分配系数越大，萃取率越高。参考文献

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