WYZNACZANIE ROZMIARÓW

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W ZAKŁADZIE BIOFIZYKI Ćwiczenie 6 WYZNACZANIE ROZMIARÓW MAKROCZĄSTECZEK

2 I. WSTĘP TEORETYCZNY Procesy zachodzące między atomami lub cząsteczkami w skali molekularnej składają się w rezultacie na wynik procesu w skali makroskopowej, możliwej do obserwacji gołym okiem. Liczba cząsteczek biorących udział w procesie na skalę makroskopową jest olbrzymia, dlatego układy tego rodzaju są nazywane makroskopowymi układami cząsteczek. Obserwowane w przyrodzie zmiany stanów skupienia materii należą również do procesów w makroskopowych układach cząsteczek. Zależnie od warunków ciśnienia i temperatury materia może występować w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Każdy z tych stanów cechuje się charakterystycznym stopniem uporządkowania i wartością energii cząsteczek materii. Ciecze różnią się od gazów przede wszystkim wielokrotnie większą liczbą cząsteczek w jednostce objętości. Zjawiska dyfuzji i ruchów Browna są dowodem, że molekuły cieczy stale poruszają się. Cząsteczki cieczy wykonują bezładne ruchy, dzięki czemu nie tworzą sztywnej sieci (charakterystycznej dla ciał stałych). Ruch ten nie jest jednak zupełnie swobodny, lecz ograniczony działaniem sił międzycząsteczkowych, które stanowią jakby więzy utrzymujące molekuły cieczy w określonej objętości. Nie pozwalają one cząsteczkom cieczy na dowolne rozprzestrzenianie się, tak charakterystyczne dla stanu gazowego. Cząsteczki cieczy pozostają zawsze w sferze działania sąsiednich molekuł. Wiele zjawisk potwierdza, że nie tylko między molekułami tego samego ciała, lecz również różnych ciał działają siły przyciągania. Siły, jakimi przyciągają się wzajemnie cząsteczki tego samego ciała, nazywamy siłami spójności, a siły, jakimi przyciągają się cząsteczki różnych ciał, nazywamy siłami przylegania. Działaniem sił spójności i przylegania tłumaczy się wiele różnych właściwości cieczy, np. istnienie w cieczach napięcia powierzchniowego, tworzenie menisku wklęsłego i wypukłego, zjawisko włoskowatości, tworzenie kropel. Napięcie powierzchniowe cieczy zmierza zawsze do nadania cieczy najmniejszej powierzchni. Wiadomo, że najmniejszą powierzchnię przy danej objętości posiada kula. To wyjaśnia tworzenie się kropel cieczy. 1

3 Kwas stearynowy (rys.1.) jest jednym z podstawowych składników tłuszczy naturalnych. Jest to związek zawierający prosty łańcuch węglowy. Rys.1. Wzór strukturalny cząsteczki kwasu stearynowego. Kwas stearynowy jest substancją krystaliczną, nie mającą zapachu ani smaku, temperaturze topnienia 69,3 C. Kwas stearynowy jest nierozpuszczalny w wodzie, a rozpuszczalny w alkoholu i rozpuszczalnikach niepolarnych. Występuje w tłuszczach roślinnych i zwierzęcych w postaci estrów z gliceryną. II. OPIS BUDOWY STANOWISKA Do przeprowadzenia ćwiczenia niezbędne są: kuweta z wodą destylowaną, podkładka z podziałką milimetrową, talk, kwas stearynowy, pipeta. Wymieniony zestaw pomiarowy przedstawiono na rysunku 2. podkładka z podziałką milimetrową pipeta kuweta z wodą TALK ROZTWÓR KWASU STEARYNOWEGO Rys.2. Zestaw do przeprowadzenia pomiaru rozmiarów makrocząsteczek tworzących warstwę monomolekularną 2

4 Talk służy w tym przypadku do utworzenia na powierzchni wody cienkiej warstwy, umożliwiającej obserwację monomolekularnej warstwy kwasu stearynowego. III. PRZEBIEG ĆWICZENIA 1.Umieścić naczynie na papierze milimetrowym. 2.Napełnić naczynie wodą destylowaną, a następnie posypać powierzchnię wody talkiem. Delikatnie dmuchając rozprowadzić talk równomiernie na powierzchni wody. 3.Utworzyć w kilkunastu miejscach warstwę monomolekularną kwasu stearynowego. W tym celu należy za pomocą mikropipety o pojemności V p = 20 µl ostrożnie nanieść kroplę roztworu kwasu stearynowego o stężeniu c = 5mM/l w metanolu. 4.Wybrać 10 różnych powierzchni, które są zbliżone kształtem do powierzchni kolistej i zmierzyć średnicę (d 1 ) powstałych warstw monomolekularnych, a następnie obliczyć średnią wartość średnicy (d). 5.Obliczyć średnią powierzchnię (S) warstwy monomolekularnej 2 d S = π 4 6.Wyznaczyć liczbę kropli (N) roztworu kwasu stearynowego w metanolu w objętości pipety (V p ). 7.Obliczyć objętość jednej kropli (V k ) roztworu kwasu stearynowego w metanolu V k = 8.Obliczyć liczbę cząsteczek (n) kwasu stearynowego, które tworzą warstwę monomolekularną. n = cn V A k gdzie: c stężęnie roztworu kwasu stearynowego w metanolu, c = 5 mm/l, N A liczba Avogadro, N A = 6,02٠10 23 l/mol = 60,2٠10 28 l/kmol V p N 3

5 V k objętość jednej kropli 9.Obliczyć powierzchnię A przypadającą na jedną cząsteczkę S A = n 10.Obliczyć długość (L) cząsteczki kwasu stearynowego cvk M L = ρ S gdzie: c stężenie molowe kwasu stearynowego w metanolu V k objętość jednej kropli M masa molowa kwasu stearynowego M = 284,5 g/mol = 284٠10-3 kg/m 3 ρ gęstość roztworu stearynowego ρ = 0,847 g/cm 3 = 0,847٠10 3 kg/m 3 11.Wyniki pomiarów zestawić w tabeli. Lp. d 1 [m] d[m] S[m 2 ] V p [µl] N V k [m 3 ] n A[m 2 ] D[m] L[m] IV. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ 1. Krótki wstęp teoretyczny. 2. Cel przeprowadzonego ćwiczenia. 3. Tabelę z wynikami pomiarów. 4

6 4. Objaśnienie symboli stosowanych w sprawozdaniu. 5. Wyniki obliczeń wraz ze wzorami i podstawieniami określonych wartości pomiarowych do wzorów. 6. Dyskusję i wnioski. V. PYTANIA KONTROLNE 1. Definicja masy atomowej i cząsteczkowej. 2. Masa molowa i stężenie molowe. 3. Siły spójności i adhezji. 4. Makrocząsteczki. LITERATURA 1. J.Karniewicz, T.Sokołowski: Podstawy fizyki laboratoryjnej; Politechnika Łódzka H. Szydłowski: Pracownia fizyczna; PWN, Warszawa T. Drapała: Podstawy chemii; Wydawnictwa Szkolne i pedagogiczne, Warszawa J. Czerwiński, Z. Orlik, W. Żmigrodzka: Fizyka; Wydawnictwa Szkolne i pedagogiczne, Warszawa