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