Ćwiczenie nr 4

WYZNACZANIE ROZMIARÓW CZĄSTECZEK TWORZĄCYCH

WARSTWĘ MONOMOLEKULARNĄ

I. Opis ogólny
A. Napięcie powierzchniowe cieczy może ulegać zmianie pod wpływem domieszek dodawa-
nych do tych cieczy. Dla wody substancjami powierzchniowo -czynnymi tzn. osłabiającymi jej napięcie
powierzchniowe są np. mydło, kwasy tłuszczowe, nafta, spirytus. Sybstancje powierzchniowo-czynne
dodane do cieczy gromadzą się na jej powierzchni, tworząc błonkę złożoną z jednej warstwy - war-
stwę monomolekularną.
Aby otrzymac monomolekularną warstwę kwasu stearynowego (C

18

H

36

O

2

) rozpuszczamy go w

lotnym rozpuszczalniku (benzen, heksan), a następnie kroplę roztworu upuszczamy na wodę. Roz-
twór rozpływa się równomiernie po powierzchni, a po wyparowaniu lub rozpuszczeniu się rozpuszczal-
nika pozostaje monomolekularna błonka powierzchniowa. Cząsteczki kwasu stearynowego znajdują-
ce 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 ko-
mórkowej.
B. Fakt tworzenia się warstwy monomolekularnej może być wykorzystany do wyznaczania roz-
miarów cząsteczek. W ćwiczeniu wyznaczać będziemy rozmiary cząsteczki kwasu stearynowego: dłu-
gość łańcucha, pole przekroju poprzecznego i średnicę przekroju. Sporządzamy w tym celu roztwór
kwasu stearynowego w benzenie. Aby obserwacja warstwy monomolekularnej była łatwiejsza po-
wierzchnię wody posypujemy talkiem. Cząsteczki talku nie są zwilżane przez wodę i pływają po jej po-
wierzchni. Jeżeli kroplę roztworu kwasu stearynowego upuścimy na powierzchnię wody posypanej tal-
kiem, to benzen odparowuje a 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) zajmo-
wanej przez warstwę. Znając stężenie roztworu (c) oraz objętość kropli (V) roztworu puszczonej na
powierzchnię wody, możemy wyliczyć liczbę n cząsteczek tworzących warstwę monomolekularną wg
wzoru:

n = c . N

A

. V/M [ 1 ]

gdzie: N

A

- liczba Avogadra; M = 284 g - masa molowa kwasu stearynowego.

Powierzchnia S =

π . D

śr

2

/4 zajmowana przez wartwę monomolekularną,

S = n . s

0

[ 2 ]

gdzie: s

0

- średnie pole przekroju poprzecznego cząsteczki. Z [ 1 ] i [ 2 ] wynika, że

s

0

=

π . D

śr

2

. M/( 4 c . N

A

. V) [ 3 ]

Przyjmując, że cząsteczka w przekroju ma kształt koła, możemy wyliczyc średnicę d cząsteczki:

[ 4 ]

Długość L cząsteczki kwasu stearynowego przy jej pionowym ustawieniu jest równa grubości war-
stwy monomolekularnej. Grubość warstwy otrzymujemy dzieląc objętość V

k

warstwy przez powierzch-

nię S warstwy.

L = V

k

/S [ 5 ]

Objętość warstwy równa się objętości kwasu stearynowego zawartego w kropli roztworu puszczonej
na wodę i wynosi:

V

k

= c . V /

ρ [ 6 ]

gdzie:

ρ = 0,847 g/cm

3

-- gęstość kwasu stearynowego. Po podstawieniu [ 6 ] do [ 5 ] otrzymujemy

wzór, z którego wyliczamy długość L cząsteczki:

L = V . c/ (

ρ . S) [ 7 ]

II. Przebieg ćwiczenia.
UWAGA: Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy określić powiększenie mikroskopu. W tym celu
na stoliku mikroskopu należy umieścić kartkę papieru milimetrowego i określić jaka jest wzajemna
odpowiedniość pomiędzy ilością działek na skali umieszczonej na okularze i długością na papierze
milimetrowym.
1. Napełnić płytkę Petriego wodą destylowaną, a następnie posypać powierzchnię wody równomierną
cienką warstwą talku i zamieszać bagietką.
2. Na powierzchnię wody wypipetować conajmniej 7 kropli (w różnych miejscach) roztworu kwasu
stearynowego w benzenie o stężeniu c = 1,5 . 10

-5

g/cm

3

pipetą o objętości 20 ml (20 ml = 2 . 10

-2

cm

3

).

3. Odczekać kilka minut do odparowania benzenu, a następnie zmierzyć srednice powstałych warstw
monomolekularnych, wybierając najbardziej regularne. Do obliczeń przyjąć średnią arytmetyczna z 7
pomiarów.
4. Wyliczyć powierzchnię S warstwy.
5. Według podanych wyżej wzorów wyliczyć: średnią długość (L) cząsteczki, średnią średnicę (d) czą-
steczki, pole przekroju poprzecznego (s

0

).

UWAGA: po wkropleniu kwasu stearynowego końcówki pipety przepłukać benzenem.

Wymagane wiadomości teoretyczne
1. Własności substancji amfifilnych na przykładzie kwasu stearynowego. Tworzenie warstw monomo-
lekularnych.
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.

Akademia Medyczna we Wrocławiu

Katedra Biofizyki

Ćwiczenie 4

Wyznaczanie rozmiarów cząsteczek sub-

stancji tworzących warstwę

monomolekularną

..................................................................

..................................................................

Imiona i nazwiska studentów

Podpis prowadzącego ćwiczenia

Wydział:

Data:

Grupa studencka:
Numer zespołu:

Ocena:

1. Wypełnić tabelę przyjmując, że objętość jednej kropli wynosi V= 2·10

-8

m

3

:

Średnica

warstwy

D

Średnia

średnica

warstwy

D

śr

Pole po-

wierz-

chni

S =

πD

2

śr

/4

Liczba

cząste-

czek w

warstwie

n =

cN

A

V/M

Pole przekro-

ju cząsteczki

S

0

= S/n

Średnica

przekroju

cząsteczki

d =2(S

0

/ρ)

1/2

Długość

cząsteczki

l = Vc/ρS

mm

m

mm

m

m

2

m

2

nm

2

m

nm

m

nm

1

2

3

4

5

6

7