“单分子油膜测分子大小”实验探究

郝长春,孙润广

(陕西师范大学,陕西西安 710119)

“单分子油膜测分子大小”实验探究

郝长春,孙润广

(陕西师范大学,陕西西安 710119)

从物理化学单分子膜研究领域探究了“单分子油膜测分子大小”实验,给出了单分子膜形成的过程,用大学理论知识进一步阐释该实验的知识细节,拓宽了实验本身知识含量,使教学内容更加形象、生动同时兼具科学性。

单分子油膜;分子大小;实验探究

“油膜法测分子直径”是物理中传统而经典的实验,实验中利用油酸的酒精溶液在平静的水面上形成单分子油膜,将油酸分子看作球形,测出一定体积油酸溶液在水面上形成的油膜面积,用d=V/S计算出油膜的厚度,这个厚度就近似等于油酸分子的直径[1]。该方法是化学实验超分子组装中单分子膜形成过程中常用的方法,形成的单层膜为Langmuir膜[2],该实验中有一些细节需要进一步的阐释和拓展,在许多方面需要给学生进行引导以及知识的普及,进而对实验设计具有一定的严谨性同时兼具科学性。

1 油酸分子特点

油酸分子是生物分子中典型的双亲性分子,分子式为C17H33COOH,见图1。

图1 油酸的分子结构图

一个分子可以看成由两部分组成:一部分是C17H33为疏水的尾部,另一部分是COOH为亲水的头部基团,当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时,油酸就在水面上散开,其中的酒精溶于水并很快挥发,在水面上形成近似圆形的一层纯油酸薄膜,其中C17H33部分冒出水面而COOH部分留在水中,油酸分子直立在水面上,形成一个单分子油膜,如图2所示。

图2 水界面油酸单分子层形成过程

从图2中可以看出油酸分子并不是球形分子,而是类似于柱状长方结构,其疏水的尾部与头部大小约为5 1,所以在计算分子大小时确切的应该是计算结果应该为分子的长度。

2 单分子油膜形成过程中的因素

在实验过程中必须将水槽清晰干净,否则容易形成不规则的形状的油膜。同时油酸乙醇溶液必须要求油酸浓度在0.01~0.1 mg/mL,浓度太大,滴加到水界面时油酸不容易分散沉入水中形成小的液体球,虽然其密度比水小能漂浮在水面上,但是水的表面张力要想拉开油酸液滴,水的表面张力既要克服油酸的表面张力又要油酸拉开时的粘滞力[3],而水不足以克服这些力而使油酸分子铺开。实验过程中应该使用微量进样器,加入的量一定要少,否则形成多层膜也会带来误差。另外配置油酸溶液时最好不选择乙醇,因为乙醇与水互溶,当油酸乙醇溶液滴加到水界面时,由于乙醇溶液溶解在水相中容易将油酸带入水中形成胶束,见图3所示,胶束停留在水相中,造成溶质损失。所以配置油酸溶液时最好使用氯仿等不溶于水且易挥发的化学试剂作为溶剂。

图3 单层膜形成过程中伴随着胶束在水相中形成

3 实验数据处理

实验数据处理过程中应该细心记录相对应的表面积大小,从而计算出合理的数值。从文献调研科研实验中使用原子力显微镜对单层膜检测结果发现,油酸分子单层膜的厚度约为3 nm,所以当计算出分子的大小接近时说明实验较为准确,如果实验误差较大,则计算结果就会在数量级上出现偏差。

4 实验拓展应用

以单分子油膜实验为基础的超分子组装科研领域是物理化学研究热点领域之一。单层膜制备仪器为Langmuir-Blodgett(LB)膜仪,结构见图4所示。

图4 LB膜仪结构原理图

实验中通过滑障驱动马达控制滑障移动,对单层膜进行压缩,单层膜表面压力通过Wilhelmy吊片进行监测。实验过程中通过表面压力的大小控制单层膜的排布以及紧密程度,分析单层膜的热力学稳定性、粘弹性物理特性等。通过垂直方向的马达可以将特定成分的单层膜制备在固体衬底上,制成相应的材料,在仿生膜材料研究、分子自组装研究、表面催化与化学反应动力学、生物传感器等研究中具有重要的应用[4,5]。

5 结 论

通过分析“单分子油膜测分子大小”实验可以看出,基础经典的物理实验在科研前言领域的应用,反过来又指导物理实验实施的过程,只有教与学互相增长才能激发学生的学习兴趣,达到学以致用,提高学生的综合素质,是素质教育重要的一个环节。

[1] 段银根.用油膜法估测分子大小[J].教学仪器与实验,2005,21(11):23-24.

[2] 郝长春,孙润广.物理因素对磷脂酰胆碱单分子层影响的研究[J].原子与分子物理学报,2007,24 (5):928-936.

[3] 王作凯.怎样做好“用油膜法估测分子的大小”的实验[J].实验设计与技术,2006(3):26-27.

[4] 徐斌,王英,张亚非.利用LB技术采用循环压缩方法在不同基底表面制备FePt纳米离子单层膜[J].高等学校化学学报,2008,29(7):1317-1320.

[5] 郝长春,张蕾,孙润广,等.DOPC/DPPC单层膜中分子间的相互作用及形态观测研究[J].高等学校化学学报,2013,34(10):2340-2346.

The Exp loration of“M easuring M olecular Size by Single-M olecule Oil Film Experiments”

HAO Chang-chun,SUN Run-guang
(Shaanxi Normal University,Shanxi Xi’an 710119)

It has explored the"measuring molecular size by single-molecule film”experiment from the perspective of the physical and chemicalmonolayers research,and showed the process ofmonolayer formation. Meanwhile,we further explained the details of the experiment based on college theoretical knowledge.This article has also broadened the knowledge content and makes the teachingmore vivid and scientific.

single-molecule oil film;molecular size;experiment exploration

G 642

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.017

1007-2934(2015)06-0058-02

2015-05-07

2014年陕西师范大学校级重点教改资助项目(14JG24)