郝長春,孫潤廣

(陜西師范大學(xué),陜西西安 710119)

“單分子油膜測分子大小”實驗探究

郝長春,孫潤廣

(陜西師范大學(xué),陜西西安 710119)

從物理化學(xué)單分子膜研究領(lǐng)域探究了“單分子油膜測分子大小”實驗,給出了單分子膜形成的過程,用大學(xué)理論知識進(jìn)一步闡釋該實驗的知識細(xì)節(jié),拓寬了實驗本身知識含量,使教學(xué)內(nèi)容更加形象、生動同時兼具科學(xué)性。

單分子油膜;分子大小;實驗探究

“油膜法測分子直徑”是物理中傳統(tǒng)而經(jīng)典的實驗,實驗中利用油酸的酒精溶液在平靜的水面上形成單分子油膜,將油酸分子看作球形,測出一定體積油酸溶液在水面上形成的油膜面積,用d=V/S計算出油膜的厚度,這個厚度就近似等于油酸分子的直徑[1]。該方法是化學(xué)實驗超分子組裝中單分子膜形成過程中常用的方法,形成的單層膜為Langmuir膜[2],該實驗中有一些細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步的闡釋和拓展,在許多方面需要給學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)以及知識的普及,進(jìn)而對實驗設(shè)計具有一定的嚴(yán)謹(jǐn)性同時兼具科學(xué)性。

1 油酸分子特點

油酸分子是生物分子中典型的雙親性分子,分子式為C17H33COOH,見圖1。

圖1 油酸的分子結(jié)構(gòu)圖

一個分子可以看成由兩部分組成:一部分是C17H33為疏水的尾部,另一部分是COOH為親水的頭部基團(tuán),當(dāng)把一滴用酒精稀釋過的油酸滴在水面上時,油酸就在水面上散開,其中的酒精溶于水并很快揮發(fā),在水面上形成近似圓形的一層純油酸薄膜,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,形成一個單分子油膜,如圖2所示。

圖2 水界面油酸單分子層形成過程

從圖2中可以看出油酸分子并不是球形分子,而是類似于柱狀長方結(jié)構(gòu),其疏水的尾部與頭部大小約為5 1,所以在計算分子大小時確切的應(yīng)該是計算結(jié)果應(yīng)該為分子的長度。

2 單分子油膜形成過程中的因素

在實驗過程中必須將水槽清晰干凈,否則容易形成不規(guī)則的形狀的油膜。同時油酸乙醇溶液必須要求油酸濃度在0.01~0.1 mg/mL,濃度太大,滴加到水界面時油酸不容易分散沉入水中形成小的液體球,雖然其密度比水小能漂浮在水面上,但是水的表面張力要想拉開油酸液滴,水的表面張力既要克服油酸的表面張力又要油酸拉開時的粘滯力[3],而水不足以克服這些力而使油酸分子鋪開。實驗過程中應(yīng)該使用微量進(jìn)樣器,加入的量一定要少,否則形成多層膜也會帶來誤差。另外配置油酸溶液時最好不選擇乙醇,因為乙醇與水互溶,當(dāng)油酸乙醇溶液滴加到水界面時,由于乙醇溶液溶解在水相中容易將油酸帶入水中形成膠束,見圖3所示,膠束停留在水相中,造成溶質(zhì)損失。所以配置油酸溶液時最好使用氯仿等不溶于水且易揮發(fā)的化學(xué)試劑作為溶劑。

圖3 單層膜形成過程中伴隨著膠束在水相中形成

3 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)該細(xì)心記錄相對應(yīng)的表面積大小,從而計算出合理的數(shù)值。從文獻(xiàn)調(diào)研科研實驗中使用原子力顯微鏡對單層膜檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),油酸分子單層膜的厚度約為3 nm,所以當(dāng)計算出分子的大小接近時說明實驗較為準(zhǔn)確,如果實驗誤差較大,則計算結(jié)果就會在數(shù)量級上出現(xiàn)偏差。

4 實驗拓展應(yīng)用

以單分子油膜實驗為基礎(chǔ)的超分子組裝科研領(lǐng)域是物理化學(xué)研究熱點領(lǐng)域之一。單層膜制備儀器為Langmuir-Blodgett(LB)膜儀,結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 LB膜儀結(jié)構(gòu)原理圖

實驗中通過滑障驅(qū)動馬達(dá)控制滑障移動,對單層膜進(jìn)行壓縮,單層膜表面壓力通過Wilhelmy吊片進(jìn)行監(jiān)測。實驗過程中通過表面壓力的大小控制單層膜的排布以及緊密程度,分析單層膜的熱力學(xué)穩(wěn)定性、粘彈性物理特性等。通過垂直方向的馬達(dá)可以將特定成分的單層膜制備在固體襯底上,制成相應(yīng)的材料,在仿生膜材料研究、分子自組裝研究、表面催化與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、生物傳感器等研究中具有重要的應(yīng)用[4,5]。

5 結(jié) 論

通過分析“單分子油膜測分子大小”實驗可以看出,基礎(chǔ)經(jīng)典的物理實驗在科研前言領(lǐng)域的應(yīng)用,反過來又指導(dǎo)物理實驗實施的過程,只有教與學(xué)互相增長才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,達(dá)到學(xué)以致用,提高學(xué)生的綜合素質(zhì),是素質(zhì)教育重要的一個環(huán)節(jié)。

[1] 段銀根.用油膜法估測分子大小[J].教學(xué)儀器與實驗,2005,21(11):23-24.

[2] 郝長春,孫潤廣.物理因素對磷脂酰膽堿單分子層影響的研究[J].原子與分子物理學(xué)報,2007,24 (5):928-936.

[3] 王作凱.怎樣做好“用油膜法估測分子的大小”的實驗[J].實驗設(shè)計與技術(shù),2006(3):26-27.

[4] 徐斌,王英,張亞非.利用LB技術(shù)采用循環(huán)壓縮方法在不同基底表面制備FePt納米離子單層膜[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2008,29(7):1317-1320.

[5] 郝長春,張蕾,孫潤廣,等.DOPC/DPPC單層膜中分子間的相互作用及形態(tài)觀測研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,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年陜西師范大學(xué)校級重點教改資助項目(14JG24)