Материал: Механика и молекулярная физика. Лабораторная работа № 11. Определение размеров молекул жирных кислот методические указания к лабораторной работе для студентов всех направлений подготовки

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра физики

МЕХАНИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

__________________________________

Лабораторная работа № 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ МОЛЕКУЛ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Методические указания к лабораторной работе для студентов всех направлений подготовки

Санкт-Петербург

2018

Рассмотрены и рекомендованы к изданию Отделением естественнонаучного и гуманитарного образования

Санкт-Петербургскогогосударственноголесотехническогоуниверситета 27 января 2018 г.

Составители:

кандидат физико-математических наук, доцент Г. И. Полищук, кандидат физико-математических наук, доцент Л. П. Казакова

Отв. редактор кандидат физико-математических наук, доцент А. Б. Былев

Рецензент

кафедра физики СПбГЛТУ

Механикаимолекулярнаяфизика.Лабораторнаяработа№11.Опре- делениеразмеровмолекулжирныхкислот:методическиеуказанияклабораторной работе для студентов всех направлений подготовки / сост.: Г. И. Полищук, Л. П. Казакова.– СПб.: СПбГЛТУ, 2018. – 8 c.

Методические указания к лабораторной работе по разделу «Механика и молекулярная физика» предназначены для студентов всех направлений подготовки и форм обучения, изучающих курс физики.

Темплан 2018 г. Изд. № 172

1. Введение

Молекулой или структурной единицей вещества называют наи-мень-

шуючастицуэтоговещества,сохраняющуювсеегохимическиесвойства. Размер молекулы L имеет порядок 10−10 ÷ 10−9 м.

Слойвеществатолщинойводнумолекулуназываютмономолекуляр- ным или сокращенно монослоем.

Представим плоский монослой площадью S. Объём V такого монослоя будет

Сдругой стороны, если известна масса этого монослоя M

иплотность вещества ρ, то

Из равенств (1) и (2) следует, что размер молекулы

L = M/ρS. (3)

Тоесть,знаяплощадьмонослояS,егомассуM иплотностьвещества,по формуле (3) можно вычислить размер молекулы L.

Монослой можно создать искусственно. Известно, что капли некоторых жидкостей, упав на свободную поверхность другой, не смешивающейся с ними жидкости, расплываются по этой поверхности вплоть до образования пятна толщиной в одну молекулу.

Еслиизвестнымассакапли,плотностьиплощадьобразовавшегося пятна, то по формуле (3) можно оценить размер молекулы такой жидкости. Однако измерение площади пятна проблематично: оно может быть трудно наблюдаемым, неправильной формы и т. д.

Поэтомудляоценкиразмерамолекулповерхностно-активныхвеществ1 (книмотносятсяижирныекислоты)используетсядругойметод.Создаётся

монослой, площадь которого S совпадает с площадью сосуда, в котором он формируется. А измерение площади сосуда не представляет труда.

Именно этот метод применяется в данной лабораторной работе для оценки размера молекулы жирной кислоты.

1 Поверхностно-активныминазываютвещества,добавлениекоторыхкрас- творителюуменьшаетегоповерхностноенатяжение.Дляводыэтоспирты,жирные кислоты, мыла и др.

3

2. Цель работы и методика эксперимента

Целью настоящей работы является определение размеров молекулы жирной кислоты.

Структура молекулы жирной кислоты имеет следующий вид:

Молекула состоит из полярной карбоксильной группы СООН («голова» молекулы) и углеродной цепочки – полярного углеводородного радикала («хвост» молекулы).

Нарис.1и2изображенымолекулярныемоделидвухжирныхкислот– олеиновой и стеариновой.

Олеиновая кислота (цис-октадецен-9-овая кислота)

(СН2)7СOOН

Н

Рис. 1

Стеариновая (октадекановая) кислота СН3(СН2)16СООН

Рис. 2

4

На молекулярной модели олеиновой кислоты виден изгиб цепи по связиС=С,препятствующейплотной упаковке молекул.

В углеродной цепи стеариновой кислоты отсутствуют изгибы, поэтому её молекулы способны к плотной параллельной укладке.

Когда молекула жирной кислоты попадает в воду, молекулами воды притягиваетсякарбоксильнаягруппа, а углеродная цепочка располагается над поверхностью воды (рис. 3).

Такоерасположениемолекулвповерхностномслоеэнергетическинаиболее выгодно – ориентация молекул полярной группой к полярной фазе (полярной жидкости), а неполярной – кнеполярнойфазе(газуилинеполярной жидкости).

Прималойконцентрациираствора тепловоедвижениенарушаеториентациюмолекул.Ноеслимолекулвведено достаточно много, то они располага-

ются вплотную друг к другу, образуя на поверхности воды сплошной одномолекулярный слой, напоминающий своей структурой частокол или жёсткую щётку (рис. 4).

Очевидно, что толщина этого мономолекулярного слоя (монослоя) равнадлинеуглеводороднойцепочки,тоестьпочтиравнадлинемолекулы. Если в воду введено количество поверхностно-активного вещества, превышающее то, которое необходимо для создания монослоя, то излишек выпадает в осадок в виде «микролинз» или кристалликов.

Еслиизвестноколичествомолекул,создавшихмонослой,иплощадь поверхностижидкости,томожносделатьзаключениеоплощади,занимаемойодноймолекулой,тоестьоплощадипоперечногосеченияуглероднойцепочкиs0.Сдругойстороны,знаятолщинумонослоя,можносудить о длине молекулы L.

Чтобы определить, какое количество жирной кислоты необходимо длясозданиянаповерхностиводымонослоя,применяетсяследующий метод.

5