Micelles in Physical Chemistry Laboratory. Surfactant Catalyzed Oxidation of Glycine by Acidic Permanganate

Micellar catalysis is an essential part of theoretical and experimental curricular. The sodium dodecylsulfate (SDS) catalyzed reaction between glycine and potassium permanganate in acidic medium is an ideal kinetic experiment for the secondary and undergraduate physical chemistry laboratory, to show the effect of micellar catalysis on rate of the reaction. The reaction is conducted both with and without SDS to observe the rate enhancement in the presence of surfactant. To show surfactant catalysis a plot between k and [SDS] is plotted. As surfactant catalysis is observed even before the critical micelle concentration of SDS, this pre-micellar catalysis can be understood in the light of positive co-operativity. The value of positive cooperative index (n) has been found to be 2.37. Further, dependence of the reaction rate on substrate and oxidant concentrations is also discussed. The reaction follows pseudo-first-order kinetics. The overall reaction is second order, with first-order dependence on both glycine and permanganate concentrations. The theory of surfactant catalysis is also discussed. With the conditions specified in the experiment, total reaction times are in 3~4 hours lab session, thus allowing several data sets to be acquired in a single laboratory period. Preparation of solutions and procedure is also given in detail.

미셀 촉매 작용은 이론과 실험 화학 교과내용에서 중요한 부분이다. 산성 용액에서 도데실황산 나트륨(SDS)을 촉매로 한 글리신과 과망가니즈산 칼륨의 반응은 미셀 촉매 작용을 보여주는 반응속도론적 실험으로 적합하며, 고등학교와 대학 학부과정의 물리화학실험에서 사용할 수 있다. 본 연구에서는 이 반응이 계면활성제 존재하에서 반응속도가 빨라지는 것을 관찰하기 위하여 SDS를 넣지 않은 경우와 넣은 경우 모두 실험을 진행하였고, 얻어진 k를 [SDS]에 대하여 도시하였다. SDS의 임계 미셀 농도 이하에서부터 계면활성제에 의한 촉매 효과가 관찰되었는데, 이 선-미셀 촉매 효과는 양의 협동효과에 의한 것임을 알 수 있다. 얻어진 양의 협동지수(n)는 2.37이다. 또한 기질과 산화제의 농도에 따른 반응속도 변화도 논의하였다. 반응은 유사 일차 반응으로 진행되었으며, 글리신과 과망가니즈산 이온의 농도에 각각 일차 반응으로 나타나 전체 반응 차수는 이차 반응이었다. 반응 시간은 3~4시간으로 한 실험 시간에 몇 개의 실험 데이터를 얻을 수 있다. 용액 제조와 실험 과정에 대해서 자세히 기술하였으며, 또한 계면활성제에 의한 촉매 작용의 이론도 논의하였다.