十二烷基硫酸钠Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) 胶束化Micellization热力学Thermodynamics数据处理与计算Data workup and Calculations

对于海报和口头报告： 请在实验完成后一周内提交您的数据处理和计算，否则将视为迟交。您可以将引言和讨论问题作为演示文稿的起点，但无需正式提交。

对于书面报告： 请在实验完成后一周内提交您的书面报告，否则将视为迟交。请查阅课程大纲以获取更多说明。

须知

○1

十二烷基硫酸钠（SDS）的CAS号为151-21-3。

○2

SDS水溶液必须在学生进行实验前24小时准备好，以确保表面活性剂分子完全溶解。

○3

固态SDS的操作最好在通风橱中进行，并佩戴安全手套。本实验对学生和教师没有其他重大危险。

○4

最好将SDS水溶液配制在带盖的100毫升玻璃瓶中。瓶口应足够宽，以便引入相应的电极进行电导率测量。这些溶液可以在不同班级的学生中重复使用数周。

○5

如“实验总结”中所述，胶束电离度α对温度T的依赖性及其在热力学计算中的纳入过去一直存在争议，这是一个有趣的课堂讨论话题。

○6

多种离子型表面活性剂可以替代SDS用于本次实验。然而，需要注意的是，不同的表面活性剂表现出不同的临界胶束浓度（CMC）温度依赖性。

○7

Phillips（Phillips, J.N. Trans. Faraday Soc., 1955, 561-569）曾报道过对平衡表达式更严格的处理方法。在那篇文章中，Phillips提出了使用胶束的“有效电荷”，并得到了与本工作中使用的平衡常数相似的数学表达式。

○8

可以通过测量不同盐含量表面活性剂溶液的电导率来评估离子强度对CMC的影响，教师可以将其视为原始实验的一种可能修改。

●实验步骤

Step1 校准电导仪。

校准电导仪。

校准文档，3个校准点for线性拟合

Step2

将SDS溶液的玻璃瓶放入水浴中，并将温度设置在10至60 °C之间。

Step3

从最稀的溶液开始测量电导率，以避免样品可能受到污染。将数据记录在表1的第一列。

T1/∘C\mathrm{T}_{1} /{ }^{\circ} \mathrm{C} T2/∘C\mathrm{T}_{2} /{ }^{\circ} \mathrm{C} Tn/∘C\mathrm{T}_{\mathrm{n}} /{ }^{\circ} \mathrm{C}
浓度1/mM1 / \mathrm{mM} κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1} κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1} ⋯\cdots κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1}
浓度2/mM2 / \mathrm{mM} κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1} κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1} ⋯\cdots κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1}
⋮\vdots ⋮\vdots ⋮\vdots ⋮\vdots
浓度n/mM\mathrm{n} / \mathrm{mM} κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1} κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1} ⋯\cdots κ/mScm−1\kappa / \mathrm{mS} \mathrm{cm}^{-1}

为每个温度生成一个数据表data table，其中包含收集到的数据。下表显示了所有温度的数据。您无需在这些特定温度下获取数据。

浓度(M) 35°C 40°C 45°C 50°C 55°C 60°C
κ(mS⋅cm−1)\kappa ( \mathrm{mS} \cdot\mathrm{cm}^{-1}) κ(mS⋅cm−1)\kappa ( \mathrm{mS} \cdot\mathrm{cm}^{-1}) κ(mS⋅cm−1)\kappa ( \mathrm{mS} \cdot\mathrm{cm}^{-1}) κ(mS⋅cm−1)\kappa ( \mathrm{mS} \cdot\mathrm{cm}^{-1}) κ(mS⋅cm−1)\kappa ( \mathrm{mS} \cdot\mathrm{cm}^{-1}) κ(mS⋅cm−1)\kappa ( \mathrm{mS} \cdot\mathrm{cm}^{-1})
0.025
0.012
0.006
0.003
0.001
0.0008

Step4

在水浴中设置另一个温度，重复步骤3。

Step5

对至少五个不同温度重复步骤3和4，并将数据记录在表1的相应列中。

●书面报告For Written Reports:

0 A标题页 (5分)：Title page

课程标题（页眉）、

title=实验标题、

author=您的姓名、实验伙伴、

date=实验日期、提交日期。

0 B摘要 (5分)：Abstract

在您完成整个报告的撰写后，

简要说明实验目的，purpose of the experiment

指出所采用的理论和实验计划，theoretical and experimental plan used

总结主要发现，main findings

并提出主要结论, major conclusions

（50至120字）。

请勿在正文main text中评估evaluate或评论结论comment on conclusions。

1 引言Introduction

用您自己的话描述实验所基于的理论背景。

包含所有引用来源的参考文献。

Q1

Discuss lipid formation into micelles using the Closed Association Model.

使用封闭缔合模型讨论脂质形成胶束的过程。

它们的碳氢化合物尾部都缠绕在胶束的中间，而极性的头部在外面，

Q2

Visuals: include a picture of the SDS molecule and micellization scheme.

图示：包括 SDS 分子结构图和胶束化示意图。

(引用论文)

\cite{marcolongo2011thermodynamics}

Q3

Explain the thermodynamic expressions for calculating molar standard free energy ΔGˉmic0\Delta \bar{G}_{m i c}^{0}, enthalpy ΔGH‾mic0\Delta \overline{G H}_{m i c}^{0}, and entropy ΔSˉmic0\Delta \bar{S}_{m i c}^{0}.

解释计算摩尔标准自由能molar standard free energy ΔGˉmic0\Delta \bar{G}_{m i c}^{0}、焓enthalpy ΔGH‾mic0\Delta \overline{G H}_{m i c}^{0}和熵entropy ΔSˉmic0\Delta \bar{S}_{m i c}^{0} 的热力学表达式thermodynamic expressions。

Q4

Explain the conductivity equations for ionic surfactant solutions below and above the CMC.

解释离子表面活性剂溶液ionic surfactant solutions在 CMC 以下和 CMC 以上的电导率方程conductivity equations。

CMC=Critical Micelle Concentration=临界胶束浓度

Q5

Approximatethe ionic conductivity for a micelle.

近似Approximate计算胶束micelle的离子电导率ionic conductivity。

2 实验方法 (10分)：Experimental Method

○1

指出所用仪器apparatus的具体细节（例如，在255纳米处用Varian Cary-5000双光束紫外-可见-近红外分光光度计进行吸光度测量）；

○2

所用化学品的物理性质physical properties、

○3

运行次数number of runs、

○4

实验条件experimental conditions（浓度范围concentration range、温度temperature、压力pressure）。

○5

提及与讲义handout中描述的程序procedure有何修改modification。

所用仪器设备Instrumentation：

1 电导探头耦合的MicroLAB ADC=Conductimetry probe-coupled MicroLAB ADC,

MicroLab FS-522, 快速交替“电池”电压的极性，电压以大约每秒1000次的速度从+100毫伏变为-100毫伏。这使得离子保持混合状态，防止可以自由移动的离子迅速聚集到带相反电荷的极板上。一旦离子被分离并中和，外部电路中的电流就会停止，测量无法进行。

2 热电偶 Thermocouple

3 恒温液体反应器 Constant Temperature liquid Reactor,

4 控温水循环浴 T-controlled Water circulation bath.

3 数据和结果 (40分)：Data and Results

将所有用于计算结果的数据制成表格，对表格和图表进行编号并正确命名。

对您的数据进行误差分析。

提供结果和相关不确定度的典型样本计算。

对表格、图、图表和公式使用不同的编号模式。

数据处理与计算

Step1

为每个温度生成一个数据表data table，其中包含收集到的数据。下表显示了所有温度的数据。您无需在这些特定温度下获取数据。?

浓度 (M) 35°C 40°C 45°C 50°C 55°C 60°C
K (mS·cm⁻¹) K (mS·cm⁻¹) K (mS·cm⁻¹) K (mS·cm⁻¹) K (mS·cm⁻¹) K (mS·cm⁻¹)
0.025
0.012
0.006
0.003
0.001
0.0008

Step2

绘制每个温度下电导率 ( mS×cm−1\mathrm{mS} \times \mathrm{cm}^{-1} ) 随 SDS 浓度 (以 molL−1\mathrm{mol} \mathrm{L}^{-1} 为单位) 的函数图。

在每种情况下，应标明一个清晰的拐点。

该拐点下方和上方的数据应使用两种不同的线性回归进行拟合。

在 CMCCMC 以下，拟合数据的方程必须采用 Y=a′+b′X\mathrm{Y}=\mathrm{a}^{\prime} +\mathrm{b}^{\prime} \mathrm{X} 的形式，而在 CMCCMC 以上的数据，方程必须采用 Y=a+b\mathrm{Y}=\mathrm{a}+\mathrm{b} X 的形式。

=3个校准点。

Step3

通过将Step 6=第 6 点中获得的线性拟合参数代入以下表达式来计算每个温度的 CMCCMC：CMC=(a−a′)/(b′−b)C M C=\left(\mathrm{a}-\mathrm{a}^{\prime}\right) /\left(\mathrm{b}^{\prime}-\mathrm{b}\right)，

该表达式是通过求解相应的二元线性方程组得到的。

Step4

通过求解二次方程来计算胶束电离度 ( α\alpha )：

n2/3(p1−λNa+)α2+λNa+α−p2=0n^{2/3}\left(p_{1}-\lambda^{Na+}\right) \alpha^{2}+\lambda^{Na+} \alpha-p_{2}=0

Bezzobotnov 等人 (1) 提出的一种代数关系，其形式为：

T(∘C)=0.28−5.3×105n−7/3+7.5T\left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right)=0.28-5.3 \times 10^{5} n^{-7/3}+7.5

可用于根据 Benrraou 等人 (2) 报告的实验值内插或外推 nn 值。

然而，这个方程被 Xinhua Xu (5) 修正过。

修正电离度α\alpha方程：

T/∘C=−0.34n+4.91×105n−7/3+13.8\begin{equation*} T /{ }^{\circ} \mathrm{C}=-0.34 n+4.91 \times 10^{5} n^{-7 / 3}+13.8 \tag{4} \end{equation*}

λNa+\lambda^{Na+} 的值可以用无限稀释溶液中的值 λ∞Na+\lambda_{\infty}^{Na+} 来近似。

一个与温度 T(∘C)\mathrm{T}\left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right) 呈线性关系，形式为：

λ∞Na+=22.2+1.13T\lambda_{\infty}^{Na+}=22.2+1.13 T

的方程可用于内插 Benson 和 Gordon (3) 报告的文献值。

Step5

绘制 CMCCMC 和 α\alpha 随温度变化的图。

Step6

使用表达式 (4) 将 ln⁡CMC\ln C M C 拟合Fit为 T(K)T(K) 的函数：

ln⁡CMC=A+BT+C/T\ln C M C=A+B T+C / T

必须使用绝对温度Absolute temperatures而不是摄氏温度centigrade temperatures。

Step7

用线性方程linear equation拟合Fit α\alpha 随温度的变化关系dependence。

Step8

推导Derive在第 6 点和第 7 点获得的拟合表达式fit expressions的解析形式analytical form。

并使用“实验总结”中的方程 4、5 和 6 计算 ΔGˉmic 0\Delta \bar{G}_{\text {mic }}^{0}、ΔHˉmic 0\Delta \bar{H}_{\text {mic }}^{0}、ΔGS‾mic 0\Delta \overline{G S}_{\text {mic }}^{0}

Step9

对您的数据进行误差分析error analysis。

Step10

将结果制成表格Tabulate results并与文献值literature values进行比较。

4 讨论与结论Experimental Method

Q1

Explain why, at room temperature, ΔSˉmic 0\Delta \bar{S}_{\text {mic }}^{0} is positive, despite the fact that the surfactant adopts a more ordered configuration when it is organized in micellar entities?

解释为什么在室温下，尽管表面活性剂在组织成胶束实体时呈现出更有序的构型，ΔSˉmic 0\Delta \bar{S}_{\text {mic }}^{0} 仍然是正值？

Q2

为什么 ΔSˉmic 0\Delta \bar{S}_{\text {mic }}^{0} 随温度升高而降低？

Why ΔSˉmic 0\Delta \bar{S}_{\text {mic }}^{0} decrease as temperature increases?

Q3

胶束化过程是焓驱动过程还是熵驱动过程？

Is the micellization process an enthalpy driven or an entropy driven process?

Q4

误差讨论。

Error discussion.

5 参考文献 (10分)：References

参考文献格式因期刊而异，期刊会指定引用的格式。以下引用指南是针对《物理化学杂志》的。在这种格式中，您应按其在文本中出现的顺序对引用进行顺序编号，并在报告末尾提供这些参考文献的列表，如下例所示。

○ a. 引用文章：

(1) Giancarlo L, Fang H., Avila L., Fine, L., Flynn G. Journal of Chemical Education 2000, 77, 66.

○ b. 引用书籍：

(2) Szafran, Z.; Pike, R.; Singh, M. Microscale Inorganic Chemistry, John Wiley & Sons, Inc Publishers: New York, 1991.

○ c. 引用多位作者书籍中的章节：

(3) Avila, L.; Fine, L. Infrared spectroscopy and education. In Handbook of vibrational spectroscopy; Chalmers, J. M., Griffiths, P. R., Eds.; John Wiley & Sons, Ltd.: Chichester, UK, 2002; Vol. 4; pp 3207.

○1 Bezzobotnov, V. Y.; Borbély, S.; Cser, L.; Faragó, B.; Gladkih, I. A.; Ostanevich, Y. M.; Vass, Sz. J. Phys. Chem. 1988, 92, 5738-5743.

○2 Benrraou, M.; Bales, B. L.; Zana, R. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13432-13440.

○3 Benson, G. C.; Gordon, A. R. J. Chem. Phys. 1945, 13, 473-474.

○4 Marcolongo, J. P.; Mirenda, M. J. Chem. Ed. 2011, 88, 629-633.

○5 Xinhua X. J. Chem. Ed. 2016, 93, 1499-1500.