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MICELLES Physical Chemistry Lab Course Assitant: Aravind Kumar Chandiran Fedora BonomiKarkour & Alicia Solano (Group A1) 7 th March 2013

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Page 1: Micelle, A1

 

MICELLES  Physical  Chemistry  Lab  Course    

 

 

 

 

 

Assitant:  Aravind  Kumar  Chandiran    

Fedora  Bonomi-­‐Karkour  &  Alicia  Solano    

(Group  A1)    

 

7th  March  2013  

 

     

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1. AIM      The   aim   of   this  manipulation   is   to   bring   out   the   formation   of   surfactant   aggregates   and   to   estimate   the  critical   micellar   concentration   CMC   of   tensioactive   agents.   Three   different   methods   will   be   employed   in  order   to   determine   the   CMC:     the   measurement   of   the   surface   tension,   of   the   conductivity   and   of   the  absorption   in   function   of   the   surfactant   concentration.   The   uncertainty   for   each   result   will   also   be  calculated.      2. THEORECTICAL  BACKGROUND    

 2.1. Surfactants  

 Surface-­‐active  agents  or  more  simply  called  surfactants  are  amphipathic  molecules.  They  are  composed  of  a  hydrophobic  tail,  generally  an  alkyl  chain,  and  a  hydrophilic  head,  which  can  be  neutral,  cationic,  anionic  or  zwitterionic.    In  an  aqueous  solution,  at  low  concentration,  monomer  surfactants  can  be  found  dissolved  in  the  bulk  or  at  the   interface.   The   first  option   is  not  energetically   favourable  due   to   the  hydrophobic  effect:   a  water   cage  surrounds   the   surfactant   tail.   Hence,   in   order   to   minimize   this   effect,   the   monomers   tend   to   form   a  monolayer  at  the  air/water  interface:  the  hydrophilic  head  remains  in  water,  whereas  the  hydrophobic  tail  is  placed  vertically  outside  the  solution  (A,  B,  figure  1).    Above   a   threshold   surfactant   concentration,   surfactants   added   to   the   solution   start   to   self-­‐aggregate   into  micelles  (C,  figure  1),  while  the  monomers  concentration  remains  constant.      

 Figure  1.  Self-­‐Assembly  mechanism  of  micelles  

   A   typical   micelle,   in   aqueous   solution,   has   the   surfactant   hydrophilic   heads   in   contact   with   the   water  molecules,   sequestering   he   hydrophobic   tails   in   the   micelle   center   so   as   to   decrease   the   unfavourable  interaction  with  the  solvent.    The  micelles   formation  modifies  some  properties  of   the  solution  such  as  the  surface  tension,  the  conductivity  or  even  the  turbidity.  Hence,  the  CMC  can  be  determined  following  these  properties  in  function  of  the  surfactant  concentration.  It  should  appear  like  a  break  in  the  tendency.      Above   the   CMC,   micelles   are   formed   spontaneously   (ΔG=ΔH-­‐ΔS<0).   But   as   the   absolute   value   of   the  micellisation  heat   is   relatively   small   (ΔH),   the  aggregation   is  mainly   an  entropic   effect   (ΔS).  However,   two  opposing   forces   are   present.   First,   the   agglomeration   of   surfactants   into   micelles   reduces   the   entropy  whereas  during  the  micellisation,   the  solvatation  cage  surrounding  the  hydrophobic   tails   is  destructed  and  that  leads  to  an  entropy  increase.  This  last  component  has  a  higher  value  and  then  gives  a  positive  entropic  balance   when   micelles   are   formed.   Hence,   in   water,   the   hydrophobic   effect   is   the   driving   force   for   the  micelle  formation.        

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  3  

   

2.2. Surface  tension      In   the  bulk,   the   intermolecular   forces  acting  on  a  molecule  (i.e.  water)  compensate  each  other.  But,  at   the   interface   air/liquid,   some   neighbouring  molecules   are   missing.   This   produces   a   resulting  force  F  pointing  towards  the  solution  (figure  2).    Therefore,   so   as   to   expand   the   surface,   a   work  must  be  done  against  the  force  F.    For  this  reason,  the  surface  tension  γ  is  defined  as  the   amount   of   force   necessary   to   expand   the  surface  of  a  liquid  by  one  unit  (eq.  1).      

                         γ =𝑑𝑤𝑑𝐴

=𝐹𝑥                            (𝟏)  

Where  𝛾  is   the   surface   tension   [N.m-­‐1],   F   is   the  force  [N]  and  x  the  length  of  the  interface  [m].      

Thus,   it   is   possible   to   determine   the   surface  tension   just   by   measuring   the   force   required   to  enlarge  a  surface  of  known  size.    

 

 Figure  2.  Origin  of  the  surface  tension.  

     

The   influence   of   a   solute   on   the   surface   tension   can   be   understood   through   the   surface   excess   Γi.   For   a  compound  i,  it  is  defined  as:  

Γ! =𝑛!!

𝐴                                                                  (𝟐)  

Where  𝛤!  is   the   surface   excess   [mol.m-­‐2],  𝑛!!  is   the  number  of  moles  of  i  at  the  surface  [mol]  and  A  is  the  surface  area  [m2].  

 The  surface  excess  of  a  solute  can  be  determined  experimentally  by  plotting  the  surface  tension  versus  the  logarithm10  of  the  solute  concentration  (eq.  4).  The  slope  is  then  proportional  to  the  surface  excess.      

 𝛤𝑏+ = 𝛤𝑏− = −1

2 · 2,303 · 𝑅𝑇·

𝑑𝜎𝑑𝑙𝑜𝑔10𝑐𝑏

                            𝟑  

 ↔                        𝑑𝜎 = − 2 · 2,303 · 𝑅𝑇𝜞𝒃 · 𝑑𝑙𝑜𝑔!"𝑐!                 𝟒  

 From  equation  4,  it  can  be  concluded  that  if  the  quantity  of  solute  increases  at  the  surface,  positive  surface  excess,  then  the  surface  tension  is  reduced.      More  intuitively,  it  can  be  thought  that  by  adding  surfactants  to  water,  they  spread  over  the  surface  due  to  the   repulsive   interaction   of   their   heads.   That   implies   that   some   of   the  water  molecules   are   no   longer   in  contact  with   the  air  because   they  have  been   replaced  by   the   surfactants:   this  breaks   the   surface   tension.  Moreover,   the   surface   energy   is   decreased   by   the   favourable   interaction   of   the   hydrophobic   tails,   which  stabilizes  the  surface.    

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Therefore,  before  the  CMC,  the  surface  tension  should  decrease  with  the  addition  of  surfactants.  But  once  at  the   CMC,   as   the   surface   is   saturated   with   monomeric   surfactants,   and   all   additional   surfactants   self-­‐assemble,  the  surface  tension  should  stay  constant.      Finally,  knowing  the  surface  excess  allows  to  determine  the  area  occupied  by  one  surfactant  molecule  at  the  surface  using  the  following  equation:    

𝑎!""!#$%" =1

𝛤! · 𝑁!"#$%&'#                (𝟓)  

 Where  a!""!#$%"is  the  area  [m2],  and  N!"#$%&'#  is  the  Avogadro  constant  equal  to  6.022  ·∙  1023  mol-­‐1        

2.3. Conductimetry    The  conductivity  is  the  ability  of  a  solution  to  conduct  an  electric  current  in  a  given  volume.    For  measuring  it,  an  alternating  current  is  applied  between  two  electrodes  immersed  in  a  solution  and  then,  the  resulting  voltage  is  determined.  During  this  process,  the  cations  migrate  to  the  negative  electrode  whereas  the  anions  move  to  the  positive  one.  Hence,  the  conductivity  depends  on  the  ions  mobility  and  on  their  concentration:  a  higher  concentration  of  free  ions  in  solution  leads  to  an  increase  of  the  conductivity.      Below  the  CMC,  when  surfactants  are  added  to  the  solution,  two  ions  are  liberated:  the  surfactant  head  and  the   counterion.   Therefore,   due   to   the   increase  of   charge   carriers   in   solution,   the   conductivity  will   sharply  increase.    However,   above   the   CMC,  monomers  will   start   to   aggregate   in  micelles.   Since   these   structures   are  much  larger  than  a  surfactant  monomer,  they  diffuse  more  slowly  through  the  solution  and  hence  their  mobility  is  reduced.  Therefore,  after  the  CMC,  the  addition  of  surfactants  should  still  increase  the  conductivity  but  more  slowly.      

 2.4. Spectroscopy  

 Coumarine-­‐6   (figure  3)   is   a  non-­‐polar   compound.  Then,   according   to   the   rule   “like   dissolves   like”  this  molecule  will  not  be  soluble  in  a  polar  solvent  like   pure   water.   However,   a   strategy   to   dissolve  this   compound   in   water   is   if   it   is   placed   in   a  micelle   core.   In   that   case,   the  molecule  will   only  interact   with   the   surfactants   hydrophobic   tails,  whereas   the   heads   will   solubilize   the   micelle   in  the  bulk.    

               Figure   3.   Structure   of   Coumarine-­‐6   dye.

   Hence,  before  the  CMC,  the  amount  of  coumarine-­‐6  solubilized  should  be  almost  zero.    Whereas,  above  the  CMC,  the  solubilization  should  start  and  increase  as  more  surfactants  are  added  to  the  solution.      The   amount  of   coumarine-­‐6   solubilized   in   the   solution   can  be  determined  using  UV-­‐VIS   spectroscopy   and  applying  the  Beer-­‐Lambert  law  (equation  1).  It  has  a  maximal  absorption  for  a  wavelength  of  472nm.                                                                                                                      𝑨 = 𝐥𝐨𝐠 𝑰𝒐

𝑰= 𝜺 ∗ 𝑪 ∗ 𝒍                                                                                                                  (1)  

 

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  5  

Where  A   is   the   absorbance,  𝐼!  and   I   are   the   intensities   of   the   incident   and  outgoing   light   over   the  sample,    𝜀  is  the  molar  extinction  coefficient  [L·∙mol−1·∙cm−1],  C  is  the  molar  concentration  of  the  dye  in  the  solution  [mol.L−1]  and  l  is  the  cuvette  length  [cm].    

 Moreover,  knowing  the  micelle  concentration  in  the  solution,  the  number  of  coumarine-­‐6  molecules  inside  one  micelle  can  be  calculated  (equation  2).                                                                                                                                                                         𝑴 = 𝑺 !𝑪𝑴𝑪

𝒗                                                                                                                                    (2)  

 Where   [M]  and   [S]  are   respectively   the  micelle  and   surfactant   concentrations   [mol.L−1],  CMC   is   the  critical  micelle  concentration  [mol.L−1]  and  v  is  the  aggregation  number.    

   3. EXPERIMENTAL  SETUP      

3.1. Solutions  preparation      Two   surfactants   are   used  during   this  work.   CTAB  (CetylTrimethylAmmonium  Bromide)   is   a   cationic  surfactant   whereas   NALS   (Lauryl   Sulfate   of  Sodium)  is  an  anionic  one  (figure  1).                              

A    B      Figure  4.  (A)  CTAB  surfactant.  (B)  NALS  surfactant.  

     So  as  to  set  up  a  concentration  gradient  (table  1),  15  solutions  are  prepared  for  each  surfactant.  A  certain  volume  is  pipetted  from  a  stock  solution,  and  completed  to  10  mL  with  water.          

NALS  Concentration  [mM]  

CTAB  Concentration  [mM]  

1   0.1  2   0.2  3   0.3  4   0.4  5   0.5  7   0.7  8   0.8  9   0.9  10   1  20   2  35   3.5  50   5  65   6.5  80   8  100   10  

Table  1.  Surfactant  concentration  in  each  solution.          

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  6  

 3.2. Surface  tension  

 The   surface   tension   γ   of   each   solution   is  measured   three   times   using   a   Du  Noüy   ring   tensiometer.  More  precisely,  this  apparatus  determines  the  force  required  for  a  platinum  ring  to  detach  from  a  liquid  surface,  that  is  to  say,  to  overcome  the  surface  tension.      First,  the  solution  is  placed  into  a  suitable  beaker.  Then,  the  ring  is  fully  submerged  into  the  solution  (1  to  4,  figure  2)  and  then  lifted  until  it  is  placed  at  the  liquid-­‐air  interface  (5,  figure  2).  Subsequently,  the   main   dial   is   set   to   zero   and   the   black-­‐and-­‐white  circle  is  calibrated.  Finally,  the  ring  is  slowly  raised   upwards   (6   to   8,   figure   2)   by   turning   the  main   dial   until   the  water   layer   breaks.   The  main  dial   shows   directly   the   surface   tension   value   in  mN/m.   Between   two   different   solution  measurements,   the   beaker   and   the   ring   are  cleaned  with  deionized  water  and  then  dried  with  a  tissue.        

 Figure   5.   Steps   to   measure   the   surface   tension  using  a  Du  Noüy  tensiometer.  

         

3.3. Conductimetry    

Before   any  measurement,   some   initial   settings  have   to  be   applied  on   the  device.   The   conductivity  meter,  with  a   cell   constant  of   0,8   cm-­‐1,   needs   to  be   calibrated  with  a  potassium  chloride   standard   solution.  And,  since   the   temperature   strongly   influences   the   conductivity   of   a   solution,   the   automatic   temperature  calibration  has  to  be  switched  on.    Then,   the   conductivities   are   measured   three   times   for   each   of   the   15   solutions   prepared   for   the   two  surfactants.  During  the  measurement,  the  cell  must  be  straight  and  completely  submerged  into  the  solution.  Between  two  different  solutions,   the  cell   is   cleaned  with  distilled  water  and   then  dried  with  an  absorbent  tissue.      

 3.4. Non-­‐polar  compound  

 One   week   before,   some   coumarine-­‐6   orange   crystals   were   added   to   the   last   group   solutions   since   the  equilibrium  between  solid  and  solubilized  coumarine-­‐6  takes  several  days  to  settle.  

Before   running   the   solution   measurements,   the   UV-­‐VIS   spectrometer   must   be   calibrated.   First,   the  spectrometer   cuvette   is   filled  with   the  most   concentrated   solution  and   its   absorbance   is  measured.   Some  parameters  are  settled:  the  integration  time  (2ms),  the  scans  to  average  (50)  and  the  boxcar  width  (20).  The  higher   the   integration   time   the   longer   the   detector   “looks”   at   the   incoming   photons.   The   scan   average  allows  to  average  consecutive  scans  so  as  to  smooth  out  noise.  And  the  boxcar  width  is  the  average  of  the  counts   from  adjacent  group  of  pixels,   so  as   to  get  a   smoother   spectrum.  Next,   a  dark   reading   is  made  by  blocking  with  a  cover  any  light  that  could  enter  the  spectrometer.  Finally,  after  changing  the  cuvette  by  one  

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filled  only  with  water,  a  blank  measurement  is  also  done.  This  calibration  needs  to  be  performed  two  times,  one  for  each  surfactant  set  of  solutions.    

After   that,   the   absorbance   for   each   solution   is   measured   at   471,8   nm   three   times   with   an   interval   of   5  seconds.  This  wavelength  corresponds  to  the  maximal  absorption  of  coumarine-­‐6.      

Between  two  different  solutions,  the  cuvette  is  rinse  with  deionized  water.    

 4. EXPERIMENTAL  RESULTS      

4.1. Surface  tension      The  CMC  is  estimated  by  plotting  the  surface  tension  versus  the  logarithm  of  the  surfactant  concentration.        

• NALS  Surfactant  

 Figure  6.  Surface  tension  in  function  of  log  [NALS].  

   The  two  linear  regressions  together  with  the  error  calculations  are  determine  following  the  procedures  located  in  the  annexes  4  and  5.  The  technique  is  more  widely  explained  in  the  reference  1.    Thus,  the  resulting  equations  are:      

Before  the  CMC:      𝜎 = −20.77 ±1.49 ∙ 𝑙𝑜𝑔   𝑁𝐴𝐿𝑆 + (57.25 ± 0.93)    

 After  the  CMC:            𝜎 = −2.60 ±0.78 ∙ 𝑙𝑜𝑔   𝑁𝐴𝐿𝑆 + (41.25 ± 1.23)  

     

y  =  -­‐20,77x  +  57,25  R²  =  0,97  

y  =  -­‐2,60x  +  41,25  R²  =  0,65  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

70  

0   0,5   1   1,5   2   2,5  

Surface  Tension  /    [m

N/m

]  

log  [NALS]  

Before  CMC  

Aker  CMC  

Lineal  (Before  CMC)  

Lineal  (Aker  CMC)  

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8  

The  CMC  is  placed  at  the  intersection  of  the  two  linear  regressions.  Then,  it  is  equal  to:    

CMCNALS=8.12    ±  0,52  mmol.L-­‐1      The  superficial  excess  before  the  CMC  at  T=293K,    can  be  calculated  using  equation  3:    

𝚪𝒃 = −𝟏

𝟐.𝟑𝟎𝟑 ∙ 𝟖.𝟑𝟏𝟒 ∙ 𝟐𝟗𝟑−𝟐𝟎.𝟕𝟕 ±𝟏.𝟒𝟗 ∙ 𝟏𝟎!𝟑 = 𝟑.𝟕𝟎   ± 𝟏.𝟒𝟗 ∙ 𝟏𝟎!𝟔  𝒎𝒐𝒍.𝒎!𝟐  

   And  the  effective  area  occupied  by  a  molecule  of  surfactant  is  determined  using  equation  5:      

𝑨𝒆𝒇𝒇 =𝟏

𝟑.𝟕𝟎 ±𝟏.𝟒𝟗 ∙ 𝟏𝟎!𝟔 ∙ 𝟔.𝟎𝟐 ∙ 𝟏𝟎𝟐𝟑= (𝟒.𝟒𝟗 ± 𝟎,𝟓𝟔) ∙ 𝟏𝟎!𝟏𝟗  𝒎𝟐  

   

• CTAB  Surfactant    

 Figure  7.  Surface  tension  in  function  of  log  [CTAB].  

 The  two  linear  regressions  are:    

Before  the  CMC:      𝜎 = −15.84 ±3.89 ∙ 𝑙𝑜𝑔   𝐶𝑇𝐴𝐵 + (42.89 ± 2.26)    

After  the  CMC:          𝜎 = −4.55 ±0.29 ∙ 𝑙𝑜𝑔   𝐶𝑇𝐴𝐵 + (37.59 ± 0.19)            

y  =  -­‐20,95x  +  39,38  R²  =  0,85  

y  =  -­‐4,0338x  +  37,193  R²  =  0,96562  

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

70  

-­‐1,5   -­‐1   -­‐0,5   0   0,5   1   1,5  

Surface  Tension  /    [m

N/m

]  

log  [CTAB]  

Before  CMC  Aker  CMC  Lineal  (Before  CMC)  Lineal  (Aker  CMC)  

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9  

From  these  two  regressions  and    equations  3  and  5,  the  following  results  have  been  calculated.      

CMCCTAB=2,75  ±  1,14mmol.L-­‐1  

𝚪𝐛 =   𝟐.𝟖𝟐 ± 𝟑.𝟖𝟗 ∙ 𝟏𝟎!𝟔  𝐦𝐨𝐥/𝐦𝟐  𝐀𝐞𝐟𝐟 = (𝟓.𝟖𝟗   ± 𝟎,𝟗𝟓) ∙ 𝟏𝟎!𝟏𝟗  𝐦𝟐  

 • Discussion  

 As   expected,   the   surface   tension   diminishes   linearly   before   the   CMC   when   the   surfactant   concentration  increases.  But  after  the  CMC,  the  conductivity  stays  approximately  constant.  The  reasons  of  this  trend  have  been  explain  in  the  theoretical  part.      The  effective  areas  obtained,   can  be   compared  with   the   theoretical   values.  Only   the   results   are   shown   in  table  2,  the  calculations  for  the  theoretical  effective  area  are  placed  in  the  annex  6.    

Surfactant   𝐀𝐞𝐟𝐟,𝐞𝐱𝐩  [𝐦𝟐]   𝐀𝐞𝐟𝐟,𝐭𝐡  [𝐦𝟐]  NALS   (4.49 ± 0,56) ∙ 10!!"   1,064!!"  CTAB   (5.89   ± 0,95) ∙ 10!!"   6,807.10!!"  

Table  2.  Comparative  table  between  the  experimental  and  theoretical  values  for  the  effective  area.    Some  conclusions  can  me  made  looking  at  table  2.  First,  the  experimental  values  are  for  the  two  surfactants  higher  than  the  theoretical.  This  implies,  that  the  effective  area  occupied  by  a  hydrophilic  head  at  the  surface  is  bigger  than  the  disk  used  to  describe  it.  Moreover,  even  if  the  error  for  NALS  is  very  large  (322%),  the  experimental  and  theoretical  values  have  the  same  magnitude.  The  same  idea  applies  to  CTAB.  Finally,  as  expected,  the  area  occupied  by  a  sulphate  (NALS)  is  lower  than  the  area  occupied  by  a  quaternary  amine.  

 4.2. Conductimetry  

 In  order  to  determine  the  CMC  for  each  surfactant,  the  conductivity  is  plotted  versus  the  surfactant  concentration.    

• NALS  Surfactant    

                                   

 Figure  8.  Conductivity  in  function  NALS  concentration.  

y  =  42,68x  +  31,63  R²  =  0,9938  

y  =  17,72x  +  238,9  R²  =  0,99829  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

0   20   40   60   80   100   120  

Cond

uc\v

ity  /  [μ

S.cm

-­‐1  ]    

NALS  Concentra\on  /  [mmol.L-­‐1  ]  

Before  CMC  Aker  CMC  Linear  regression  before  CMC  Linear  regression  aker  CMC  

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10  

 The  two  linear  regressions  calculated  are:    

Before  the  CMC:      𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 = 42,7 ±  1,51 𝑁𝐴𝐿𝑆 + (31,6 ± 7,39)    

After  the  CMC:          𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 = 17,7 ±  0,26 𝑁𝐴𝐿𝑆 + (238 ± 15,8)    And  again,  the  CMC  is  placed  at  the  intersection  of  the  two  linear  regressions:    

CMCNALS=8,31  ±  0,86  mmol.L-­‐1      

• CTAB  Surfactant    

 Figure  9.  Conductivity  in  function  CTAB  concentration.  

 The  two  linear  regressions  calculated  are:    

Before  the  CMC:      𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 = 73,3 ±  7,31 · 𝑁𝐴𝐿𝑆 + (4,13 ± 2,16)    

After  the  CMC:          𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 = 15,5 ± 0,33 · 𝑁𝐴𝐿𝑆 + (53,5 ± 1,99)    And  again,  the  CMC  is  placed  at  the  intersection  of  the  two  linear  regressions:    

CMCCTAB=  0,86  ±  0,12  mmol.L-­‐1    

• Discussion    Again,  the  hypothesis  exposed  about  the  conductivity  trend  in  the  theoretical  part  is  demonstrated  by  the  experimentation.  As  expected,  the  curve  slope  before  the  CMC  is  bigger  than  the  curve  slope  after  the  CMC.    

y  =  73,3x  +  4,13  R²  =  0,98226  

y  =  15,5x  +  53,5  R²  =  0,99769  

0,00  

50,00  

100,00  

150,00  

200,00  

250,00  

0,00   2,00   4,00   6,00   8,00   10,00   12,00  

Cond

uc\v

ity  /  [μ

S/cm

 ]  

CTAB  Concentra\on  /  [mmol/L]  

Before  CMC  

Aker  CMC  

Linear  regression  before  CMC  

Linear  regression  aker  CMC  

Page 11: Micelle, A1

   

11  

 4.3. Non-­‐polar  compound  

   

• NALS  Surfactant  

 Figure  10.  Coumarine-­‐6  concentration  in  function  of  log[NALS]    

 The  two  linear  regressions  calculated  are:    

Before  the  CMC:     𝐶𝑜𝑢𝑚𝑎𝑡𝑖𝑛𝑒 − 6 = −1,91 ± 0,55 · 10!! · 𝑙𝑜𝑔 𝑁𝐴𝐿𝑆 + 4,46 ± 0,26 · 10!!    

After  the  CMC:           𝐶𝑜𝑢𝑚𝑎𝑡𝑖𝑛𝑒 − 6 = 1,06 ± 0,12 · 10!! · 𝑙𝑜𝑔 𝑁𝐴𝐿𝑆 + −9,05 ± 1,78 · 10!!    And  again,  the  CMC  is  placed  at  the  intersection  of  the  two  linear  regressions:    

CMCNALS=  7,65  ±  0,64mmol.L-­‐1    

y  =  1,06.10-­‐2  x  -­‐  9,05.10-­‐3    R²  =  0,90495  

y  =  -­‐1,91.10-­‐4x  +  4,46.10-­‐4    R²  =  0,80059  

0,00  

0,00  

0,00  

0,01  

0,01  

0,01  

0,01  

0,01  

0,02  

0,00   0,50   1,00   1,50   2,00   2,50  

[Coumarine-­‐6]  /  [m

mol/L]  

log  [NALS]    

Before  CMC  After  CMC  Lineal  (After  CMC)  Linear  regression  before  CMC  

Page 12: Micelle, A1

   

12  

 Figure  11.  Coumarine-­‐6  concentration  in  function  of  Micelle  concentration  for  NALS    

 The  regression  curve  is:    

𝐶𝑜𝑢𝑚𝑎𝑡𝑖𝑛𝑒 − 6 = 1,17 ± 0,42 · 10!! · [𝑀𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒𝑠] + 1,01 ± 0,76 · 10!!    Therefore,  in  a  micelle  composed  by  100  NALS  surfactants,  there  is  only  one  (1,17  rounded  to  1  molecule)  molecule  of  coumarine-­‐6  placed  inside  the  micelle.      

• CTAB  Surfactant  

 Figure  12.  Coumarine-­‐6  concentration  in  function  of  log[CTAB]    

y  =  0,0117x  +  0,001  R²  =  0,97733  

0,00  

0,00  

0,00  

0,01  

0,01  

0,01  

0,01  

0,01  

0,02  

0,00   0,20   0,40   0,60   0,80   1,00   1,20   1,40  

[Cou

marine-­‐6]  /  [m

mol/L]  

[Micelles]  /  [mmol/L]    

Serie2  Linear  regression  

y  =  1E-­‐06x  +  9E-­‐05  R²  =  0,0002  

y  =  0,0017x  +  0,0008  R²  =  0,88738  

0,000  

0,001  

0,001  

0,002  

0,002  

0,003  

0,003  

-­‐1,50   -­‐1,00   -­‐0,50   0,00   0,50   1,00   1,50  

[Cou

marine-­‐6]  /  [m

ol/L]  

log  [CTAB]    

Before  CMC  Aker  CMC  Linear  regression  before  CMC  Linear  regression  aker  CMC  

Page 13: Micelle, A1

   

13  

 The  two  linear  regressions  calculated  are:    

Before  the  CMC:     𝐶𝑜𝑢𝑚𝑎𝑡𝑖𝑛𝑒 − 6 = 1,31 ± 4,13   · 10!! · 𝑙𝑜𝑔 𝐶𝑇𝐴𝐵 + 8,99 ± 4,60 · 10!!    

After  the  CMC:           𝐶𝑜𝑢𝑚𝑎𝑡𝑖𝑛𝑒 − 6 = 1,74 ± 0,25 10!! · 𝑙𝑜𝑔 𝐶𝑇𝐴𝐵 + 7,86 ± 1,64 · 10!!    And  again,  the  CMC  is  placed  at  the  intersection  of  the  two  linear  regressions:    

CMCCTAB=  0,40  ±  0,25mmol.L-­‐1    

 Figure  13.  Coumarine-­‐6  concentration  in  function  of  Micelle  concentration  for  CTAB  

   The  linear  regression  curve  is:    

𝐶𝑜𝑢𝑚𝑎𝑡𝑖𝑛𝑒 − 6 = 2,10 ± 0,40 · 10!! · [𝑀𝑖𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒𝑠] + 5,82 ± 6,23 · 10!!    Therefore,  in  a  micelle  composed  by  100  NALS  surfactants,  there  are  two  (2,10  rounded  to  2  molecule)  molecules  of  coumarine-­‐6  placed  inside  the  micelle.      

• Discussion    As  expected,  the  solubilisation  of  Coumarine-­‐6  only  starts  after  the  CMC.  Hence,  before  the  CMC,  the  absorbance  is  almost  zero.  That  implies  that  there  is  no  dye  solubilized  in  the  solution.  Only  after  the  CMC,  the  absorbance  and  hence  the  dye  concentration  increases  linearly  when  the  surfactant  concentration  increase.      Figure  11  and  12  don’t  show  a  linear  trend.  Instead,  they  seem  to  follow  a  logarithmic  trend.  The  reason  for  this  is  can  only  come  from  handling  errors  during  the  experiment.      

y  =  0,0007ln(x)  +  0,0041  R²  =  0,94973  

y  =  0,021x  +  0,0006  R²  =  0,70899  

0,0000  

0,0005  

0,0010  

0,0015  

0,0020  

0,0025  

0,0030  

0,00   0,02   0,04   0,06   0,08   0,10   0,12  

[Cou

marine-­‐6]  /  [m

ol/L]  

 [Micelle]    /  [mmol/L]    

Data  set  Logarithmic  regression  Lineal  regression  

Page 14: Micelle, A1

   

14  

 5. METHODS  COMPARISON  AND  SOURCE  ERRORS      

  CMC  [mM]  (relative  error  %)     Surface  tension   Conductivity   Non-­‐polar  compound   Theoretical  value  

NALS   8.12    ±  0,52  (14,5%)   8,31  ±  0,86  (12,5%)   7,65  ±  0,64  (19,4%)   9,5  

CTAB   2,75  ±  1,14  (198%)   0,86  ±  0,12(0,6%)   0,40  ±  0,25  (5%)   0,92  

 With  method  giving  the  lowest  relative  error  is  the  conductivity.  The  surface  tension  seems  to  give  better  results  than  the  solubility  method.  However,  the  relative  error  for  the  CTAB  CMC  with  the  surface  tension  method  is  extremely  large  (198%)  and  should  not  be  taken  into  account.      The  common  error  source  for  the  three  methods  comes  mainly  from  the  manipulation  error  (i.e.  Solution  preparation)  and  from  the  instrumental  errors  (i.e.  errors  in  the  pipette  volumes).  Moreover,  the  temperature  changes  can  affect  the  measures.      The  surface  tension  method  requires  the  platinum  ring  to  be  in  a  perfect  state.  That  was  not  the  case  during  this  practical  work:  the  ring  was  totally  ben  don  one  side.  Moreover,  the  presence  of  bubbles  could  also  affect  the  measures.      To  obtain  accurate  results  with  the  conductivity  method,  the  electrodes  must  be  perpendicular  over  the  surface.  Besides,  it  could  be  a  good  idea  to  agitate  the  solution  to  obtain  a  homogenous  one,      Finally,  for  the  last  method,  some  crystals  were  present  in  the  CTAB  solution.  The  probably  have  affected  the  absorption  measurements.        6. CONCLUSION      The  CMC  of  two  different  surfactants,  NALS  and  CTAB,  has  been  determined  through  three  different  techniques:  the  surface  tension,  the  conductivity  and  the  solubilisation  of  an  non-­‐polar  compound.  Moreover,  some  other  properties  like  the  effective  area  occupied  by  the  hydrophilic  head  of  a  surfactant  and  the  quantity  of  non-­‐polar  molecules  placed  inside  one  micelle  after  the  CMC  have  been  calculated.    The  conductivity  method  gives  the  most  accurate  results  and  is  also  the  faster  one.  Whereas  the  superficial  tension  method  takes  a  lot  of  time.    The  CMC  could  also  have  been  determined  using  other  solution  properties  like  the  osmotic  pressure  and  the  turbidity.                      

Page 15: Micelle, A1

7. ANNEXES

7.1  Surface  tension  method:  experimental  data

 [NALS]  [mM]   Average  surface  tension  [mN.m-­‐1]  

1   57,37  2   50,33  3   46,83  4   46,73  5   42,93  7   38,57  8   37,33  9   38,60  10   38,40  20   37,90  35   37,07  50   38,07  65   37,57  80   35,50  100   35,17  

   

 [CTAB]  [mM]   Average  surface  tension  [mN.m-­‐1]  

0,1   56,27  0,2   55,27  0,3   54,40  0,4   49,67  0,5   48,13  0,7   42,33  0,8   38,43  0,9   37,97  1   37,33  2   35,77  3,5   34,77  5   34,87  6,5   33,67  8   33,67  10   33,10  

 

 7.2  Conductivity  method:  experimental  data  

 

 [NALS]  [mM]   Average  conductivity  [μS.cm-­‐1]  

1   76,67  2   116,67  3   170,00  4   188,33  5   238,33  7   340,00  8   371,67  9   420,00  10   430,00  20   570,00  35   840,00  50   1150,00  65   1366,67  80   1633,33  100   2041,67  

   

 [CTAB]  [mM]   Average  conductivity  [μS.cm-­‐1]  

0,1   8,15  0,2   21,50  0,3   24,67  0,4   35,00  0,5   44,00  0,7   53,33  0,8   62,00  0,9   65,33  1   67,33  2   84,67  3,5   110,00  5   128,33  6,5   158,33  8   178,33  10   206,67  

 

         

         

Page 16: Micelle, A1

7.3  Non-­‐polar  compound  method:  experimental  data    

[NALS]  [mM]   Average  Absorption   [Coumarine-­‐6]  [mM]   [Micelle]  [mM]  1   2,57·∙10-­‐2   4,58·∙10-­‐4   -­‐6,63·∙10-­‐2  2   2,13·∙10-­‐2   3,81·∙10-­‐4   -­‐5,38·∙10-­‐2  3   1,80·∙10-­‐2   3,21·∙10-­‐4   -­‐4,13·∙10-­‐2  4   2,07·∙10-­‐2   3,69·∙10-­‐4   -­‐2,88·∙10-­‐2  5   1,73·∙10-­‐2   3,10·∙10-­‐4   -­‐1,63·∙10-­‐2  7   4,30·∙10-­‐2   7,68·∙10-­‐4   8,75·∙10-­‐3  8   8,57·∙10-­‐2   1,53·∙10-­‐3   2,13·∙10-­‐2  9   7,57·∙10-­‐2   1,35·∙10-­‐3   3,38·∙10-­‐2  10   5,67·∙10-­‐2   1,01·∙10-­‐3   4,63·∙10-­‐2  20   2,47·∙10-­‐1   4,40·∙10-­‐3   1,71·∙10-­‐1  35   2,12·∙10-­‐1   3,79·∙10-­‐3   3,59·∙10-­‐1  50   4,33·∙10-­‐1   7,74·∙10-­‐3   5,46·∙10-­‐1  65   5,70·∙10-­‐1   1,02·∙10-­‐2   7,34·∙10-­‐1  80   6,65·∙10-­‐1   1,19·∙10-­‐2   9,21·∙10-­‐1  100   8,00·∙10-­‐1   1,43·∙10-­‐2   1,17  

   

[CTAB]  [mM]   Average  Absorption   [Coumarine-­‐6]  [mM]   [Micelle]  [mM]  0,1   5,33·∙10-­‐3   9,52·∙10-­‐5   -­‐3,33·∙10-­‐3  0,2   6,67·∙10-­‐3   1,19·∙10-­‐4   -­‐2,22·∙10-­‐3  0,3   4,00·∙10-­‐3   7,14·∙10-­‐5   -­‐1,11·∙10-­‐3  0,4   3,00·∙10-­‐3   5,36·∙10-­‐5   0  0,5   3,33·∙10-­‐3   5,95·∙10-­‐5   1,11·∙10-­‐3  0,7   5,33·∙10-­‐3   9,52·∙10-­‐5   3,33·∙10-­‐3  0,8   7,33·∙10-­‐3   1,31·∙10-­‐4   4,44·∙10-­‐3  0,9   2,87·∙10-­‐2   5,12·∙10-­‐4   5,56·∙10-­‐3  1   3,07·∙10-­‐2   5,48·∙10-­‐4   6,67·∙10-­‐3  2   9,83·∙10-­‐2   1,76·∙10-­‐3   1,78·∙10-­‐2  3,5   1,10·∙10-­‐1   1,97·∙10-­‐3   3,44·∙10-­‐2  5   1,19·∙10-­‐1   2,12·∙10-­‐3   5,11·∙10-­‐2  6,5   1,22·∙10-­‐1   2,18·∙10-­‐3   6,78·∙10-­‐2  8   1,25·∙10-­‐1   2,23·∙10-­‐3   8,44·∙10-­‐2  10   1,28·∙10-­‐1   2,29·∙10-­‐3   1,07·∙10-­‐1  

   7.5  Linear  Regression    For  a  linear  relation  between  two  variables:    

y = a + bx    Then,  the  constants  a  and  b  are  given  by:    

Page 17: Micelle, A1

   

17  

 

 

Page 18: Micelle, A1

   

18  

7.5  Error  analysis    

• CMC      The  CMC  is  calculated  with:  

CMC =10a2−a1b1−b2

"

#$

%

&'

   Where  a2,  a1  are  the  y-­‐intercepts  and  b1,  b2  are  the  curve  slopes.  Obviously,  the  index  1  refers  to  the  regression  before  the  CMC,  whereas  the  index  2  refers  to  the  regression  after  the  CMC.    

 It  can  be  set  x  equal  :    

a2 − a1b1 + b2

= x  

 Thus,  the  standard  deviation  over  the  CMC  is  determined  by:      

δCMC( )2 =∂CMC∂x

$

% &

'

( ) 2

δx( )2 = 10x ln10( )2δx( )2  

δx( )2 = ∂x∂A!

"#

$

%&2

δA( )2 + ∂x∂B!

"#

$

%&2

(δB)2 = 1B!

"#

$

%&2

δA( )2 + −AB2

!

"#

$

%&2

δB( )2  

   Where  :    

A=a2-­‐a1  and  B=b1+b2  

And,    

δA( )2 = δa2( )2 + δa1( )2

δB( )2 = δb2( )2 + δb1( )2  

   

• Surface  excess    

δΓ( )2 =∂Γ

∂ dσ /d logCsurf( )&

' ( (

)

* + +

2

⋅ δ dσ /d logCsurf( )( )2

= −1

2 ⋅ 2.303RT&

' (

)

* + 2

⋅ δslope( )2

     

• Surfactant  effective  area    

∂aeff( )2

=∂aeff∂Γ

$

% &

'

( ) ⋅ δΓ( )2 = −

1Γ2N

$

% &

'

( ) 2

⋅ δΓ( )2  

 7.6  Theoretical  effective  area    If  we  consider  the  hydrophilic  head  of  a  surfactant  to  occupy  an  area  simplified  by  a  disc,  the  effective  area  can  be  calculated  using  bond  lengths  and  angles.      

• NALS  

Page 19: Micelle, A1

   

19  

 Knowing  that:    

𝑟!"  =  1.485  Å    𝑟!!  =  1.066  Å  

 Thus,  

𝐴!"",!! = 𝜋. 𝑟!" + cos 180º − 109,5º · 𝑟!" ! = 1,064!!"𝑚!      • CTAB  

 Knowing  that:      

𝑟!"=  1.472  Å        

Thus,    𝐴!"",!! = 𝜋. 𝑟! = 𝟔,𝟖𝟎𝟕.𝟏𝟎!𝟐𝟎𝒎𝟐