Молекулы ПАВ, состоящие из полярной группы и неполярного углеводородного радикала, на границе раздела жидкость-газ образуют адсорбционный слой, т.е. пленку, толщиной в одну или несколько молекул. Вероятность образования такого слоя и расположение в нем молекул зависит от их концентрации. При низких концентрациях ПАВ в растворе, а, значит, и в адсорбционном слое, полярная группа дифильной молекулы погружена в воду, а ее гибкий углеводородный радикал лежит на поверхности воды, так как между молекулами воды и атомами H радикала действуют небольшие силы притяжения (водородные связи) (рис. 2.7,а). При увеличении концентрации, молекулы ПАВ сначала объединяются в агрегаты, в которых углеводородные радикалы ориентируются параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности воды (рис. 2.7,б), поскольку с увеличением концентрации ПАВ между углеводородными радикалами возрастают гидрофобные связи, которые сильнее единичных водородных, а затем и вся поверхность жидкости покрывается мономолекулярным слоем вертикально ориентированных молекул (рис. 2.7,в), образуя так называемый частокол Ленгмюра. При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ поверхностное натяжение раствора практически не изменяется.
|
|
Зная величину адсорбции Г, при образовании мономолекулярного слоя, можно вычислить площадь S0, занимаемую одной молекулой:
, где
Г∞ - предельное значение адсорбции;
NА – постоянная Авогадро, равная 6,02•1023 моль-1;
а также толщину монослоя, исходя из длины молекулы (l), рассчитав массу вещества на 1 м2:
или, учитывая, что , , где
m – масса вещества;
ρ – его плотность;
l – длина молекулы.
С другой стороны, масса вещества равна произведению предельной адсорбции (Г∞) на молярную массу ПАВ (М), т.е.:
.
Если площадь S0 будет равна 1 м2, то, приравняв оба выражения, получим:
; тогда .
Площадь S0, занимаемая молекулой, не зависит от длины углеводородной цепи, а определяется лишь количеством полярных групп дифильных молекул. Кислоты с двумя полярными группами, например, янтарная: НООС-СН2-СН2-СООН, будут занимать в два раза большую площадь, чем однополярная масляная кислота: СН3-СН2-СН2-СООН, с таким же числом атомов углерода.
Представления о толщине монослоя, площадях занимаемых молекулами ПАВ, их ориентации в насыщенном адсорбционном слое сыграли значительную роль в развитии учения о структуре и строении биологических мембран.