实验九　不溶物铺展单分子膜

一、实验目的

1.学习单分子膜的概念，了解不溶物单分子膜的各种状态。

2.学习溶剂挥发法制备不溶物铺展单分子膜的方法。

3.学习用一种简易方法粗略地测定两亲性水不溶有机物的分子截面积。

二、实验原理[1，2]

表面活性剂分子具有亲水-亲油的独特双亲结构。通常，水溶性表面活性剂的亲水基团具有较强的亲水性。而另一类双亲分子如长链脂肪酸、脂肪醇等，其亲水基的亲水性相对较弱，不足以使整个分子溶于水。但如果将它们溶于易挥发溶剂，再滴于洁净的水面上，则能在水面上铺展。当溶剂挥发后，剩下双亲化合物形成一层不溶性薄膜，称为不溶物单分子膜，或叫铺展单分子膜。由于此薄膜仅有一个分子的厚度，因此又称为单分子层。能在水面形成单分子膜的物质称为成膜物质，它们在液面上作定向排列，亲水基向着水相而疏水基则远离水相；当排列紧密时，分子几乎呈直立状态，每个分子所占的面积几乎就是分子的截面积。因此利用单分子膜实验能测定成膜物质的分子截面积：

式中，a∞为成膜物质的分子面积；A为单分子膜的总面积；M为成膜物质的分子量；W为成膜物质的质量，g；N0为Avogadro常数。

若成膜物质的密度已知（设为d），则可求出成膜物质的分子长度δ：

单分子膜具有二维压力，称为表面压。一旦水面上存在单分子膜，水的表面张力即显著下降。纯水的表面张力与成膜后水的表面张力之差即为表面压。测定成膜后水的表面张力即可计算出表面压。表面张力测定同样可采用Whilhemy吊片法和Du Noüy吊环法。

为了形成单分子膜，通常不能将成膜物质直接加在水面上，而是将其溶于易挥发溶剂如苯、石油醚中，配成极稀的溶液，逐滴滴于水面上。待溶剂挥发后，成膜物质的分子就在水面上铺展开来。监控滴加到洁净水面上每滴溶液挥发至完全的时间。通常，水面上铺展单分子膜的局部形成时，每滴溶液均滴加在洁净的水表面，溶液挥发比较迅速；但是，当水面被铺展单分子膜占据至饱和时，滴加溶液的挥发速度急剧减慢，挥发至完全的时间急剧增加。若以滴加溶液体积V（mL）为横轴，液滴挥发时间t（s）为纵轴，将得到如图1所示的图形。

三、实验仪器和试剂

正方形玻璃框（面积约300cm2），秒表，100mL容量瓶（4只），电子分析天平（精度1mg），大号搪瓷盘，小号搪瓷盘，微量酸式滴定管，刻度钢尺（精确刻度到毫米），去离子水，滑石粉，硬脂酸，十八醇，棕榈酸，胆固醇和苯。

四、实验步骤

1.溶液配制

准确称取硬脂酸（或者十八醇、棕榈酸和胆固醇）0.100g，溶于苯中稀释到100mL。吸取此溶液10mL稀释到100mL，则溶液的浓度为c=0.1mg·L-1。将溶液贮存于磨口瓶中，置于阴凉处，以防止溶剂挥发而导致溶液浓度变化。

2.准备洁净水面

取一个小搪瓷盘洗净烘干，并趁热将已预先熔化的石蜡倒满搪瓷盘的边缘，力求均匀平整。再取一个大些的搪瓷盘，将小搪瓷盘放于其中，注满蒸馏水，使水面略高于盘边。均匀轻洒少许滑石粉于小搪瓷盘的一端水面，然后将滑石粉轻轻吹向另一端并流出小搪瓷盘。重复操作三次，由此除去水面上的不洁物、油污等，达到清洁水面的目的（实验中要严格防止水面被其他油脂污染）。

用玻璃框固定成膜面积（正方形或长方形），一般不小于300cm2。用钢尺准确测量边长，计算所围的面积。

3.铺展

将配好的硬脂酸等的苯溶液注入微量滴定管中，然后逐滴滴在围成的水面上，最好不要滴在固定的地方。每滴入1滴，仔细观察苯的挥发及硬脂酸的铺展，用秒表测量每1滴溶液中苯挥发完全所需要的时间，同时记下溶液的体积。直至挥发时间明显变长，此时认为水面上成膜物质铺展单分子膜达到饱和。重复清洁水面和铺展操作3～6次。

五、数据记录与处理

1.以滴加的溶液体积为横坐标，以每滴溶剂挥发时间为纵坐标作图（如图1所示）。从曲线上找到苯挥发时间突变时滴加的总体积V（mL）。

2.已知十八醇、硬脂酸、棕榈酸和胆固醇的分子量分别为270.5、284.5、256.4和386.7，密度分别为0.8124g·cm-3、0.847g·cm-3、0.849g·cm-3和1.067g·cm-3。此外，所滴加溶液的浓度已知，依据“二、实验原理”部分的相关公式即可求出成各膜物质的分子截面积a∞和分子长度δ。

六、思考题

1.对所得实验结果进行分析比较，并给予适当的讨论和解释。

2.本实验项目完成过程中有哪些因素可能导致实验误差？

3.铺展单分子膜的可能应用领域有哪些？

七、参考文献

［1］江南大学自编.溶液表面化学实验（讲义）.

［2］北京大学化学系胶体化学教研室.胶体与界面化学实验.北京：北京大学出版社，1993.