Контроль за процессами ассоциации и связывания противоионов методом ЯМР

Полная характеристика самоассоциации молекул ПАВ должна включать зависимости концентраций всех частиц от общей концентрации ПАВ. Поскольку невозможно измерить концентрации всех мицелл с разными числами агрегации, прибегают к оценке некоторых подходящих средних величин. Зададим концентрации молекулярно растворенного и находящегося в мицеллах ПАВ, а также концентрации связанных и свободных противоионов и гидратацию мицелл. С помощью ПАВ - и противоионоселективных электродов можно оценить активности ПАВ и противоионов, что дает информацию о распределении между мицеллярным и несвязанным состояниями. Еще более полную информацию можно получить при измерении коэффициентов самодиффузии молекул ПАВ, мицелл ПАВ, противоионов и молекул воды. В настоящее время такую информацию можно получить в одном быстром эксперименте с использованием метода ЯМР. В качестве поясняющего примера на рис. приведены результаты измерений для дихлорацетата дециламмония. KKM этого ПАВ составляет 26 мм.

Коэффициенты самодиффузии представляют собой средневзвешенные величины по различным окружениям, поэтому

Зависимости коэффициентов самодиффузии ионов поверхностно-активного вещества, противоионов, молекул воды и мицелл от общей концентрации поверхностно-активного вещества в системе, где с, DnC соответственно обозначают долю молекул в определенном окружении, коэффициент самодиффузии и концентрацию.

Значение Df_ree определяют из измерений при С меньших ККМ, a A_mc - для образцов, в которых молекулы заключены в мицеллы. В исследованиях, результаты которых представлены на рис., чтобы избежать влияния на процесс мицеллообразования, использованы низкие концентрации плохо растворимого тетраметилсилана. Поскольку мицеллы представляют собой довольно большие образования, значения их коэффициентов самодиффузии гораздо меньше соответствующих величин для молекулярно растворенных ПАВ.

Как видно из рис., коэффициенты самодиффузии различных молекул сильно отличаются друг от друга при концентрациях ПАВ, значительно превышающих ККМ. Молекулы воды менее всего ассоциированы с мицеллами, тогда как молекулы TMC локализованы в мицеллах в гораздо большей степени. Результаты количественного анализа, вытекающие из измерений диффузии ПАВ и противоионов, представлены на рис.

Отметим некоторые важные закономерности, характерные для мицеллообразования ионных ПАВ.

1. С хорошим приближением можно считать, что все молекулы ПАВ ниже KKM находятся в молекулярно растворенном состоянии.

2. При концентрациях выше KKM концентрация молекулярно растворенного ПАВ уменьшается и может достигать значений, существенно меньших ККМ.

3. Концентрация свободных противоионов увеличивается с ростом суммарной концентрации ПАВ сильнее при концентрациях ниже ККМ, чем при концентрациях выше ККМ.

4. Соотношение концентраций связанных с мицеллами противоионов и ПАВ в мицелле определяет степень связывания противоинов:

Зависимости концентраций мицелл и свободных ионов ПАВ и противоионов от суммарной концентрации ПАВ, в - степень связывания противоионов.

Очень важно, что в остается постоянной величиной при увеличении мицеллярной концентрации на порядки. Обычно это объясняют конденсацией противоионов на мицелле. Это означает, что ассоциация противоионов с мицеллой растет до определенного уровня, обеспечивающего некоторую эффективную плотность заряда мицеллы, а затем остается практически постоянной. В этих условиях ассоциация противоионов с мицеллой не зависит от концентрации мицелл, а также концентрации вводимого электролита и от температуры. Явление конденсации противоионов характерно для любых систем с высокой плотностью заряда, включая полиэлектролиты и заряженные поверхности, что хорошо объясняется с позиций электростатической теории.