Cooperative dynamics of didodecyldimethylammonium bromide, water, n-dodecane microemulsions [Elektronische Ressource] : a dielectric relaxation study /vorgelegt von Wolfgang Wachter

Wolfgang Wachter

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• Publié par: universitat_regensburg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 16
• Langue: Deutsch
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Extrait

Cooperative Dynamics of
Didodecyldimethylammonium
Bromide / Water / n-Dodecane
Microemulsions
A Dielectric Relaxation Study
Dissertation
zur Erlangung des
Doktorgrades der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
der Naturwissenschaftlichen Fakult¨ at IV
– Chemie und Pharmazie –
der Universit¨ at Regensburg
vorgelegt von
Wolfgang Wachter
aus Pentling
Regensburg 2007Promotionsgesuch eingereicht am: 16. November 2007
Tag des Kolloquiums: 19. Dezember 2007
Die Arbeit wurde angeleitet von: apl. Prof. Dr. R. Buchner
Prufungsaussc¨ huss: Prof. Dr. H. Krienke (Vorsitzender)
apl. Prof. Dr. R. Buchner
Prof. Dr. G. Schmeer
Prof. Dr. J. Daubmeinen ElternO sprich mir nicht von jener Datenmenge,
Bei deren Anblick uns der Geist entflieht.
¨ ¨Verhull’ mir das Relaxationsgedrange,
Das wider Willen uns zum Strudel zieht.
¨Doch helfen mag’s, dass man ans Ziel gelange,
¨Wo doch dem Forscher reine Freude bluht:
Die Mikroemulsionen, die wir sehen
Zu kennen nicht nur, sondern zu verstehen.
frei nach Johann Wolfgang von Goethe,
Faust IVorwort
Diese Dissertation entstand in der Zeit von Februar 2005 bis November 2007 am Institut fur¨
Physikalische und Theoretische Chemie der Naturwissenschaftlichen Fakult¨ at IV – Chemie
und Pharmazie – der Universit¨ at Regensburg.
An erster Stelle gilt mein herzlicher Dank meinem Doktorvater, Herrn apl. Prof. Dr.
Richard Buchner, fur¨ die Erteilung des Themas und seine großzugige¨ pers¨ onliche und
wissenschaftliche F¨ orderung. Bei meiner Arbeit gew¨ ahrte er mir ein außerordentlich hohes
Maß an akademischen Freir¨ aumen. Gleichwohl stand er mir jederzeit in allen Belangen
mit Rat und Tat zur Seite; die intensiven Diskussionen mit ihm trugen wesentlich zum
Gelingen dieser Dissertation bei.
Dem Leiter des Lehrstuhls, Herrn Prof. Dr. Werner Kunz, danke ich fur¨ seine großzugige¨
Unterstutzung.¨
In der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Glenn Hefter, Murdoch University, Perth
(Australien), durfte ich im Rahmen dieser Dissertation mehr als funf¨ unvergessliche Monate
verbringen. Ihm danke ich besonders herzlich fur¨ seine Gastfreundschaft, die lehrreiche
und pers¨ onlich bereichernde Zusammenarbeit, sein reges Interesse am Fortschreiten dieser
Arbeit und nicht zuletzt fur¨ seine Bereitschaft, mir als native speaker beim Korrekturlesen
des englischen Textes behilflich zu sein.
Meinen aktuellen und ehemaligen Kollegen in der Mikrowellen-Arbeitsgruppe, Herrn
Dipl.-Chem. Johannes Hunger, Herrn Dr. Simon Schr¨ odle und Herrn Dipl.-Chem. Alexander
Stoppa, danke ich fur¨ ihre stete Hilfsbereitschaft und die angenehme Zusammenarbeit.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Schr¨odle fur¨ die Einfuhrung¨ in die Geheimnisse der
Mikrowellen-Apparaturen bereits w¨ ahrend meiner Diplomarbeit.
Allen Mitarbeitern der Werkst¨ atten sei fur¨ die zuverl¨ assige, schnelle und gewissenhafte
Erledigung meiner Auftr¨ age gedankt. Allen Mitarbeitern des Lehrstuhls in Regensburg
und des Chemistry Departments in Murdoch danke ich fur¨ ihre Hilfsbereitschaft und die
angenehme Arbeitsatmosph¨ are.
Der Studienstiftung des deutschen Volkes, die dieses Dissertationsprojekt ¨außerst groß-
z¨ugig f¨orderte, fuhle¨ ich mich zu besonderem Dank verpflichtet. Auf ihre finanzielle Unter-
stutzung¨ konnte ich mich stets verlassen. Gleichzeitig erhielt ich bei ihren Doktoranden-
foren und Sommerakademien viele wertvolle Anregungen; die zahlreichen Gespr¨ ache mit
meinen Mitstipendiaten empfand ich als große pers¨ onliche Bereicherung.
Mein Dank gilt ferner der Deutschen Bunsen-Gesellschaft fur¨ Physikalische Chemie e.V.
f¨ur die finanzielle Unterstutzung¨ meiner Teilnahme an ihrer 105. Hauptversammlung in
Erlangen.
iPreface
This thesis has been developed from February 2005 until November 2007 at the Institute
for Physical and Theoretical Chemistry of the Faculty of Science IV – Chemistry and
Pharmacy – at Regensburg University.
First and foremost, I would like to express my gratitude to my PhD supervisor, apl.
Professor Dr. Richard Buchner, for raising the issue of my thesis and for his generous
personal and scientific support. While doing my work I enjoyed an extraordinary degree
of academic freedom. Nevertheless, he was always prepared to help me with words and
deeds; the many discussions we had were essential for the success of this thesis.
I would like to thank the head of the institute, Professor Dr. Werner Kunz, for his
generous support.
An unforgettable part of my PhD studies was my stay in the group of Professor Dr.
Glenn Hefter, Murdoch University, Perth (Australia), where I could work for almost half
a year. I feel very much obliged to him for his warm hospitality, the most instructive and
personally enriching collaboration, his active interest in the progress of this thesis and not
least for offering me a native speaker’s expertise for proofreading the English text.
I would like to express my gratitude to my current and former colleagues in the
microwave group, Dipl.-Chem. Johannes Hunger, Dr. Simon Schrodle¨ and Dipl.-Chem.
Alexander Stoppa, for their steady support and for the enjoyable collaboration. Special
thanks go to Dr. Simon Schr¨ odle for introducing me to the mysteries of the microwave
instruments already during my diploma thesis.
Thanks to all members of the workshops for completing my orders reliably, diligently
and quickly. I would like to thank all members of the Institute at Regensburg and of the
Chemistry Department at Murdoch for their cooperativeness and the enjoyable working
atmosphere.
I feel very much obliged to the Studienstiftung des deutschen Volkes (German National
Academic Foundation) for its most generous support of this thesis. Not only could I always
rely on its financial aid, but I also had the opportunity to attend its PhD Fora and Summer
Academies, which I will remember as very stimulating experiences; the many discussions I
had with my fellow scholarship holders were of great personal value to me.
Furthermore, financial support from the Deutsche Bunsen-Gesellschaft fur¨ Physikalische
Chemie e.V. (German Bunsen Society for Physical Chemistry) for my participation in its
th105 General Meeting held at Erlangen is gratefully acknowledged.
iiContents
Introduction 1
1 Fundamentals 5
1.1 PrinciplesofElectrodynamics......................... 5
1.1.1 MaxwelandConstitutiveEquations................. 5
1.1.2 TheElectricDisplacementField.................... 6
1.1.3 WaveEquations............................. 7
1.2 DielectricRelaxation. 9
1.2.1 Polarisation............................... 9
1.2.2 Response Function of the Orientational Polarisation . . . . . . . . . 10
1.3 EmpiricalRelaxationModels.......................... 12
1.3.1 TheDebyeEquation.......................... 12
1.3.2 RelaxationTimeDistributions..................... 13
1.3.3 Superposition of Several Relaxation Processes . . . . . . . . . . . . 14
1.4 MicroscopicRelaxationModels ........................ 14
1.4.1 TheOnsagerEquation. 15
1.4.2 TheCavelEquation.......................... 15
1.4.3 The Kirkwood-Fr¨ohlichEquation................... 16
1.4.4 The Debye Model of Rotational Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.5 Microscopic and Macroscopic Relaxation Time . . . . . . . . . . . . 18
1.5 HeterogeneousDielectrics ........................... 19
1.5.1 The Dielectric Sphere in a Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2 The Effective Static Permittivity in a Suspension of Spheres . . . . 21
1.5.3 Thee Complex Permittivity in a Suspension of Spheres . . . 22
1.5.4 The Effective Pey in a Suspension of Ellipsoids . 23
1.5.5 Thee Complex Permittivity of Particles with a Shell . . . . 27
1.6 InterpretationModels.............................. 30
1.6.1 Percolation ............................... 30
1.6.2 Hydration................................ 3
1.6.3 TheElectrochemicalDoubleLayer .................. 36
ivCONTENTS v
2 Experimental 39
2.1 PreparationofSamples............................. 39
2.1.1 Treatment of Single Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.2 PreparationofMicroemulsions..................... 40
2.2 DielectricRelaxationSpectroscopy . 41
2.2.1 Methods................................. 41
2.2.2 Time-DomainReflectometry...................... 42
2.2.3 Frequency-DomainReflectometry................... 45
2.2.4 Interferometry.............................. 47
2.3 InfraredSpectroscopy.............................. 52
2.3.1 The Bouguer-Lambert-Beer Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.2 The Attenuated Total Reflectance Method . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.3 Instrumentation............................. 54
2.4 AdditionalMeasurements ........................... 54
2.4.1 Density ................................. 54
2.4.2 Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.3 RefractiveIndices 5
3 Data Analysis 57
3.1 Selection of Samples in the System DDAB/W/D . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 StudiedPhasePoints.............................. 60
3.2.1 DataSummary 60
3.2.2 Density .....