Warstwa monomolekularna
Transkrypt
Warstwa monomolekularna
Ćwiczenie nr 4 WYZNACZANIE ROZMIARÓW CZĄSTECZKI KWASU TŁUSZCZOWEGO METODĄ MONOWARSTWY I. Opis teoretyczny 1. Napięcie powierzchniowe cieczy może ulegać zmianie pod wpływem domieszek dodawanych do tych cieczy. Dla wody substancjami powierzchniowo czynnymi, tzn. osłabiającymi jej napięcie powierzchniowe są np. mydło, kwasy tłuszczowe, nafta, spirytus. Substancje powierzchniowo czynne dodane do cieczy gromadzą się na jej powierzchni, tworząc błonkę złożoną z jednej warstwy - warstwę monomolekularną. Aby otrzymać monomolekularną warstwę kwasu stearynowego (C18H36O2) rozpuszczamy go w lotnym rozpuszczalniku (benzen, heksan), a następnie kroplę roztworu upuszczamy na wodę. Roztwór rozpływa się równomiernie po powierzchni, a po wyparowaniu lub rozpuszczeniu się rozpuszczalnika pozostaje monomolekularna błonka powierzchniowa. Cząsteczki kwasu stearynowego, znajdujące się na granicy faz woda - powietrze ustawiają się grupami polarnymi (COOH) w wodzie, a łańcuch węglowodorowy „sterczy” w powietrzu. Tego rodzaju struktury stanowią podstawę budowy błony komórkowej. 2. Fakt tworzenia się warstwy monomolekularnej może być wykorzystany do wyznaczania rozmiarów cząsteczek. W ćwiczeniu wyznaczać będziemy rozmiary cząsteczki kwasu stearynowego: długość łańcucha, pole przekroju poprzecznego i średnicę przekroju. Sporządzamy w tym celu roztwór kwasu stearynowego w benzenie. Aby obserwacja warstwy monomolekularnej była łatwiejsza powierzchnię wody posypujemy talkiem. Cząsteczki talku nie są zwilżane przez wodę i pływają po jej powierzchni. Jeżeli kroplę roztworu kwasu stearynowego upuścimy na powierzchnię wody posypanej talkiem, to benzen odparowuje, zaś cząsteczki kwasu stearynowego rozprzestrzeniają się po powierzchni wody, odsuwając przed sobą talk. Po pewnym czasie utworzy się kolista, monomolekularna warstwa kwasu stearynowego. Mierzymy średnicę takiej warstwy (D) i wyliczamy pole powierzchni (S) zajmowanej przez warstwę. Znając stężenie roztworu (c) oraz objętość kropli (V) roztworu puszczonej na powierzchnię wody, możemy obliczyć liczbę n cząsteczek tworzących warstwę monomolekularną wg wzoru: cN AV [1] n= M gdzie: NA - liczba Avogadra; M = 284 g - masa molowa kwasu stearynowego. Powierzchnia S = π. Dśr2 /4 zajmowana przez wartwę monomolekularną, S = n . s0 [2] gdzie: s0 - średnie pole przekroju poprzecznego cząsteczki. Z [1] i [2] wynika, że π ⋅ D śr2 ⋅ M s0 = [3] 4c ⋅ N A ⋅ V Przyjmując, że cząsteczka w przekroju ma kształt koła, możemy obliczyć średnicę d cząsteczki: [4] s d= 0 Długość L cząsteczki kwasu stearynowego w jej pionowym ustawieniu jest równa grubości warstwy monomolekularnej. Grubość warstwy otrzymujemy dzieląc objętość Vk warstwy przez powierzchnię S warstwy. L = Vk/S [5] Objętość warstwy równa się objętości kwasu stearynowego zawartego w kropli roztworu puszczonej na wodę i wynosi: c⋅V Vk = [6] ρ gdzie: ρ = 0,847 g/cm3 -- gęstość kwasu stearynowego. Po podstawieniu [6] do [5] otrzymujemy wzór, z którego wyliczamy długość L cząsteczki: L= c⋅V S⋅ ρ [7] II. Przebieg ćwiczenia. 1. Napełnić płytkę Petriego wodą destylowaną, a następnie posypać powierzchnię wody równomierną cienką warstwą talku i zamieszać bagietką. 2. Na powierzchnię wody przenieść pipetą co najmniej 7 kropli (w różnych miejscach) roztworu kwasu stearynowego w benzenie o stężeniu c = 1,5 . 10-5 g/cm3 pipetą o objętości V = 20μl (20μl = 2 . 10-2 cm3). 3. Odczekać kilka minut do odparowania benzenu, a następnie zmierzyć średnice powstałych warstw monomolekularnych, wybierając najbardziej regularne. Do obliczeń przyjąć średnią arytmetyczną z 7 pomiarów. 4. Obliczyć powierzchnię S warstwy. 5. Według podanych wyżej wzorów obliczyć: średnią długość (L) cząsteczki, średnią średnicę (d) cząsteczki, pole przekroju poprzecznego (s0). Wymagane wiadomości teoretyczne 1. Własności substancji amfifilnych na przykładzie kwasu stearynowego. Tworzenie warstw monomolekularnych. 2. Wpływ tych substancji (amfifilnych) na wielkość napięcia powierzchniowego. 3. Siły oddziaływania między cząsteczkami - napięcie powierzchniowe i ciśnienie powierzchniowe. 4. Zależność ciśnienia powierzchniowego od wielkości powierzchni warstwy monomolekularnej. 5. Podaj przykłady występowania warstw monomolekularnych i praktyczne zastosowanie. PROPONOWANA LITERATURA 1. B. Kędzia; Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki. 2. A. Pilawski; Podstawy biofizyki. 3. R. Glaser; Wstęp do biofizyki. 4. L. Sobczyk, A. Kisza; Chemia fizyczna dla przyrodników. Akademia Medyczna Wrocław Katedra Biofizyki Zakład Biofizyki Ćwiczenie 4 Wyznaczanie rozmiarów cząsteczki kwasu tłuszczowego metodą monowarstwy ....................................................... ....................................................... Imiona i nazwiska studentów Wydział: Podpis prowadzącego ćwiczenia Data Stopień zaliczenia Grupa studencka: Grupa ćwiczeniowa: 1. Wypełnić tabelę przyjmując, że objętość jednej kropli wynosi V= 2·10-8 m3: Średnica warstwy D Średnia średnica warstwy Dśr Lp. mm 1 2 3 4 5 6 7 m mm m Pole powierz-chni S= πD2śr /4 m2 Liczba cząsteczek w warstwie n= cNAV/M Pole przekroju cząsteczki S0 = S/n m2 nm2 Średnica przekroju cząsteczki d= 2(S0/π)1/2 m nm Długość cząsteczki l = Vc/ρS m nm