Sprawozdanie z ćwiczenia nr 5 Data wykonania ćwiczenia: 09.01.2012
Data oddania sprawozdania: 16.01.2012
Tytuł ćwiczenia:
Wyznaczanie izotermy błonki monomolekularnej metodą Wilhelmy’ego.
Wykonujący ćwiczenie: Sagan Paweł
Wstęp
Napięcie powierzchniowe jest to praca (W), jaką należy wykonać nad układem ciecz-gaz, aby zwiększyć powierzchnię międzyfazową (s) o jednostkę. Współczynnik proporcjonalności (ɣ) nosi nazwę napięcia powierzchniowego. Możemy to zapisać za pomocą wzoru: ɣ=$\frac{W}{s}$
Siły napięcia powierzchniowego (F), działają statycznie do powierzchni, a ich wypadkowa jest wprost proporcjonalna do długości krawędzi (l) styku ciecz-ciało stałe:
F=gl lub pop przekształceniu ɣ=$\frac{F}{l}$ [$\frac{N}{m^{2}}$]
Napięcie powierzchniowe jest wielkością charakterystyczną dla danej cieczy. W wyniku działania sił przylegania na granicy ciecz-ciało stałe i sił napięcia powierzchniowego następuje zakrzywienie powierzchni cieczy i tworzy się menisk. Ciecz tworząca menisk wywiera dodatkowe ciśnienie ⧍P skierowane do środka krzywizny menisku. Wartość tego ciśnienia określona jest wzorem Laplace’a: ⧍P=$\frac{2g}{r}\text{\ \ \ }$,gdzie r to promień krzywizny powierzchni cieczy
Błonka molekularna to warstwa o grubości jednej cząsteczki zbudowana z substancji powierzchniowoczynnej np. na powierzchni cieczy- wody .Substancje afirmowane zbudowane są z części hydrofilowej (dążącej do kontaktu z wodą) zawierającej atomy tlenu i części hydrofobowej (unikającej wody), najczęściej w postaci łańcucha lub pierścienia węglowodorowego. Do substancji powierzchniowoczynnej należą m.in. detergenty, kwasy tłuszczowe, alkohole.
Właściwością charakterystyczną dla błonek molekularnych jest ciśnienie powierzchniowe, definiowane jako różnica powierzchniowego czystej wody, g0 i wody z naniesioną błonką, gb
Π=g0-gb
Błonki monomolekularne można ściskać za pomocą specjalnych barier przez co zmniejsza się powierzchnia przypadająca na poszczególne cząsteczki, w ten sposób rośnie ciśnienie powierzchniowe. Początkowo zachowują się jak dwuwymiarowe gazy w miarę zmniejszania powierzchni, zgodnie z równaniem:
ΠO=kT, gdzie k- stałą Boltzmanna, T- temperatura
Taki stan nazywamy stanem błonki gazowej, a zależność ciśnienia powierzchniowego od powierzchni przypadającej na cząsteczkę nosi nazwę izotermy błonki monomolekularnej Dalsze ściskanie błonki powoduje łączenie cząsteczek i utworzenie się błonki ciekłej, a dalsze ściskanie wzrost ciśnienia powierzchniowego. Przy maksymalnym zbliżeniu się do siebie cząsteczek tworzących błonkę następuje przejście do błonki skondensowanej, co powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia przy bardzo niewielkim zmniejszeniu powierzchni. Powodować to może przejście błonki ze stanu błonki gazowej do skondensowanej, a zbyt silne ścieśnienie powoduje załamanie błonki. Znając podstawowe parametry błonki można obliczyć rozmiary cząsteczek, długość i pole powierzchni. W ten sposób Gorter i Grendel że powierzchnia błonki utworzonej z lipidów wyekstrahowanych z erytrocytów jest dwukrotnie większa od łącznej powierzchni błon użytych erytrocytów. Technikę błonek monomolekularnych wykorzystuje się do budowy modeli błon biologicznych, tworząc błonki asymetryczne, wbudowywać kanały i pompy jonowe.
Do pomiarów dynamicznych błonek molekularnych stosuje się metody:
Metoda Langmuira:
Błonkę monomolekularną formuje się na podłużnej teflonowej wanience i ściska się ją za pomocą barier przesuwanych bardzo wolno wzdłuż krawędzi naczynia. Pływająca przegroda oddziela czystą wodę od wody z naniesioną błonką.Miarą ciśnienia powierzchniowego jest siła jaką należy przyłożyć, aby utrzymać przegrodę w stałej pozycji.
Metoda Wilhelmy`ego:
Błonkę monomolekularną formuje się na podłużnej teflonowej wanience i ściska się ją za pomocą barier przesuwanych bardzo wolno wzdłuż krawędzi naczynia. Zanurza się papierową płytkę prostopadle do powierzchni cieczy. Płytka przymocowana jest do ramienia wagi. Wychylenie wagi jest proporcjonalne do działającej na płytkę siły.Miarą ciśnienia powierzchniowego jest siła wypychania płytki do góry- im ciśnienie jest wyższe tym bardziej jest wypychana płytka.
Wykonanie ćwiczenia
Do wykonania ćwiczenia przygotowany został układ pomiarowy który składał się z:
Układu napędowego
Przegrody
Wanienki
Osłony
Płytki z bibuły filtracyjne
Detektora
Miernika małych sił
Rejestratora
Po przygotowaniu się do ćwiczenia (założenia ubioru ochronnego, przygotowaniu wody destylowanej, kwasu stearynowego, acetonu, waty) wyjęliśmy wanienkę i przegrodę z osłony, po czym umyliśmy ją strumieniem wody destylowanej, nasączonym na wacie acetonem, następnie heksanem, acetonem i opłukaliśmy wodą destylowaną. Powtórzyliśmy tą czynność dwukrotnie, a następnie umieściliśmy wanienkę w osłonce a przegrodę w lewym brzegu wanny. Następnie wycięliśmy papierową płytkę z bibuły o wymiarach 2x2,5cm. W narożniku krótkiego boku zrobiliśmy igłą otwory i przymocowaliśmy ją do cienkiego drutu zaczepionego do detektora małych sił. Po czym napełniliśmy wanienkę wodą destylowaną z lekkim meniskiem wypukłym. Następną nasza czynnością było nabranie za pomocą pipety 20μl 2,5mM roztworu kwasu stearynowego i wlanie go bardzo delikatnie do wanienki.
Włączyliśmy miernik małych sił i rejestrator. Następnie odczekaliśmy 10 min. i ustawiliśmy jego wskazówkę na kresce oznaczającej siłę 0,3 G. Równolegle odczekaliśmy 30 min, aż metanol wyparuje z powierzchni wanienki. Włożyliśmy pisak do rejestratora i ustawiliśmy go 2cm. od prawego brzegu skali. Włączyliśmy przesuw papieru, napęd obserwując co się dzieje z pisakiem. Po boku kartki na której rejestrator wykazywał zmianę sił działających na błonę pisaliśmy co 1cm dokładne położenie przegrody. Po zakończeniu obserwacji wyłączyliśmy napęd. Zanotowaliśmy pozycje przegrody, wyłączyliśmy rejestrator i miernik małych sił. Wyjęliśmy wanienkę z przegrodą, z osłony umyliśmy je woda destylowaną a następnie powtórzyliśmy czynności z punktu pierwszego.
Obserwacje
Zależność ciśnienia powierzchniowego ∏ od pola powierzchni przypadającej na 1 cząsteczkę –s.
Obliczenia:
Obliczenia dotyczące liczby cząsteczek tworzących błonkę:
N = n*NA
C=$\frac{n}{V}$ , n= C * V, gdzie: V- objętość, n- liczba moli, C- stężenie molowe, NA-Liczba Avogadro N- liczba cząsteczek tworzących błonę
Dane:
C=2,5mM=0,0025M
NA=6,02*1023
V=20μl=0,00002dm3
Obliczenia:
N=0,0025*6.02*1023*0,00002=3,01*1016
b= 29cm
S=$\frac{6cm \times 29cm}{3,01*1016}$=5,78073*10-15
∏= 0,7cm*0,01G/4cm=0,00175G
b= 28cm
S=$\frac{6cm \times 28cm}{3,01*1016}$=5,05813*10-15
∏= 0,45cm*0,01G/4cm=0,001125G
b= 27cm
S=$\frac{6cm \times 27cm}{3,01*1016}$=5,38205*10-15
∏= 0,69cm*0,01G/4cm=0,001725G
b= 26 cm
∏= 0,7cm*0,01G/4cm=0,00175G
b=25cm
∏= 0,75*0,01G/4cm=0,001875G
b=24 cm
∏= 0,71*0,01G/4cm=0,001775G
b=23cm
∏= 0,65*0,01G/4cm=0,001625G
b=22cm
∏= 0,7cm*0,01G/4cm=0,00175G
b=21cm
∏= 0,9cm*0,01G/4cm=0,00225G
b=20cm
∏= 0,85cm*0,01G/4cm=0,002125G
b=19cm
∏= 1cm*0,01G/4cm=0,0025G
b=18cm
∏= 0,95cm*0,01G/4cm=0,002375G
b=17cm
∏= 1,1cm*0,01G/4cm=0,00275G
b=16cm
∏= 1,23cm*0,01G/4cm=0,003075G
b=15cm
∏= 1,38cm*0,01G/4cm=0,00345G
b=14cm
∏= 1,27cm*0,01G/4cm=0,003175G
b=13cm
∏= 1,3cm*0,01G/4cm=0,00325G
b=12cm
∏= 1,4cm*0,01G/4cm=0,0035G
b=11cm
∏= 1,55cm*0,01G/4cm=0,003875G
b=10cm
∏= 1,75cm*0,01G/4cm=0,004375G
b=9cm
∏= 2cm*0,01G/4cm=0,005G
b=8cm
∏= 2,27cm*0,01G/4cm=0,005675G
b=7cm
∏= 2,47cm*0,01G/4cm=0,006175G
b=6cm
∏= 2,4cm*0,01G/4cm=0,006G
b=5cm
∏= 2,55cm*0,01G/4cm=0,006375G
b=4cm
∏= 2,7cm*0,01G/4cm=0,00675G
b=3cm
∏= 2,85cm*0,01G/4cm=0,007125G
b=2cm
∏= 2,9cm*0,01G/4cm=0,00725G
Powierzchnia jednej cząsteczki kwasu stearynowego:
3,01*1016-liczba cząsteczek
13,5cm*6cm=81 cm2-Pole powierzchni przy którym nastąpiło załamanie błonki
$$P = \frac{81\text{cm}^{2}}{3,01 \times 10^{16}} = 26,91 \times 10^{- 16}\text{cm}^{2}$$
Wnioski
Załamanie błonki następuje bardzo gwałtownie co obserwuje się wychyleniem pisaka rejestratora. Liczba cząsteczek tworzących błonę monomolekularną jest równa 3, 01 × 1016. Ciśnienie powierzchniowe przypadające na pole powierzchni jednej cząsteczki jest duże. Pole powierzchni przypadające na jedną cząsteczkę jest bardzo małe rzędu 26, 91 × 10−16cm2