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

Рис. 4

Наповерхностьчистойводы помещаюткрупинкикамфары,которая очень слабо, но всё же растворима в воде. Камфара – вещество поверхностноактивное,апотомуповерхностноенатяжениераствораменьше, чемуводы.Посколькукрупинкикамфарыимеютнеправильнуюформу, растворение их на разных участках протекает с разной скоростью: быстрее на участках с выступами и медленнее на гладких участках. Вследствиеэтогоконцентрациярастворакамфарывводеоказываетсясразных сторон крупинки неодинаковой.

Различиевконцентрациирастворавблизиразличныхсторонкрупинкикамфарынарушаетравновесиедействующихнанеёсилповерхностного натяжения. В результате крупинки камфары начинают совершать беспорядочное движение по поверхности воды.

Если на поверхность воды, по которой движутся крупинки камфары, поместить некоторое количество молекул жирной кислоты, то движение крупинок замедлится. Когда жирной кислоты будет введеностолько,чтонаповерхностиобразуетсямонослой,движение полностьюпрекратится.Кусочкикамфарыбудутнеподвижнолежать на поверхности «щётки».

Для выполнения опыта жирную кислоту растворяют в спирте. Этот растворкапляминаносятнаводу.Спиртулетучивается, ажирнаякислота остаётсянаповерхностиводы.Знаяконцентрациюрастворасиизмерив количество капель раствора n, которые необходимы для прекращения движения камфары, можно судить о массе введённой кислоты:

где m – масса одной капли раствора.

Послеопределениямассыкислотыможновычислить,какоеколиче-

6

ЕслиизвестнаплощадьповерхностижидкостиS,толегкоподсчитать, какую площадь занимает одна молекула в монослое. Ясно, что на долю одной молекулы приходится площадь, равная

s 0 = S/N. (6)

Толщинамонослоя,аследовательноиразмермолекулыL,вычисляется по формуле (3).

3.Порядок работы

1.Измеритьштангенциркулемвнутреннийдиаметрцилиндрического сосуда, в который будет налита вода. Найти среднее значение диаметра D, вычислить площадь сосуда S (рис. 5). Результаты записать в таблицу «Опытные данные».

2.Заполнитьсосуднадветретиводой.Наповерхностьводынасыпать несколько крупинок камфары.

Нельзяприкасатьсярукамиккамфареивнутреннейповерхностисосуда!

3.Растворкислотынабратьвпипеткуи,капаярастворнаповерхность воды,определить,какаяпосчётукапляполностьюпрекратитдвижение камфары,тоестьзавершитсозданиемонослоя.Записатьвтаблицучисло капель n.

4. Взвесить чистый бюкс или часовое стекло и определить его массу М1.Пипеткойнабратьвнегоn1 =30капельрастворакислотыи,взвесив, найти массу бюкса с кислотой М2. Определить массу одной капли:

m = (M2 – M1)/n1.

5.ПодсчитатьмолярнуюмассуμжирнойкислотыСН3(СН2)16СООН, используя периодическую таблицу Менделеева.

6. Используя формулы (3), (5) и (6) вычислить величины L, N, s0.

Рис. 5

7

Опытные данные

μ = ……. С = 2,5 10−4;NA = 6,023 1023моль−1.

Результаты опыта:

N = …….число молекул, создавших монослой молекул жирной кислоты;

s0 = …….площадь сечения молекулы жирной кислоты, см2; L = …….длина молекулы жирной кислоты, см.

Найти погрешности определения величин N, s0 и L.

4.Контрольные вопросы

1.Что представляет собой монослой?

2.Какие вещества называются поверхностно-активными? Как образуется монослой жирной кислоты на поверхности жидкости?

3.Объяснитепричинубеспорядочногодвижениякрупиноккамфары на поверхности воды.

4.Как в данной работе определяются площадь поперечного сечения

идлина молекул жирной кислоты?

Библиографический список

1.Трофимов, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2007.

2.Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 1. Механика. Молекулярная физика / И. В. Савельев. – М., 2005.

8