6.1. Общие сведения

Ленгмюр показал, что многие нерастворимые в воде амфифильные вещества (АМФВ), которые представляют собой несимметричные органические молекулы, содержащие гидрофобный «хвост» и гидрофильную «голову» (рис. 35), способны спонтанно растекаться по водной поверхности и снижать ее поверхностное натяжение за счет образования монослоя. Дело в том, что нелетучее вещество, нерастворимое в жидкости, растекается по ее поверхности, если силы адгезии между молекулами вещества и жидкости больше сил сцепления между молекулами этого вещества. Количественное условие растекания жидкости В по жидкости А можно выразить через коэффициент растекания

S _b/a =У_а –(У_в + У_ав) (6.1)

где S _b/a— коэффициент растекания жидкости В по жидкости А; У_а и У_в — коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей; У_ав — коэффициент поверхностного натяжения на границе их раздела.

Если S_B/A > О, происходит самопроизвольное растекание, если S_B/A < 0, жидкость В остается на поверхности жидкости А в виде линз. Например, в случае растекания стеариновой кислоты по поверхности воды адгезия ее молекул, содержащих полярную карбоксильную группу, к полярным молекулам воды больше сцепления между молекулами самой кислоты. Поэтому молекулы стеариновой кислоты при растекании будут притягиваться гидрофильными карбоксильными группами («головами») к молекулам воды. Поскольку неполярные углеводородные цепи очень слабо притягиваются к молекулам воды, молекулы стеариновой кислоты ориентируются почти вертикально, причем гидрофобные (не обладающие сродством к воде) метильные группы («хвосты») оказываются наверху. Однако на практике описанный критерий следует применять с осторожностью.

В зависимости от внешних условий характерно существование различных состояний локализованного на границе раздела «субфаза-газ» монослоя АМФВ, отличающихся величиной молекулярных ассоциатов, плотностью упаковки амфифильных молекул и степенью их упорядочения. Мономолекулярные пленки на поверхности жидкости могут находиться в различных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Эти состояния характеризуются разной энергией взаимодействия между молекулами поверхностно-активного вещества (ПАВ). В «расширенных» монослоях молекулы АМФВ отдалены друг от друга на расстояния, значительно превышающие их размеры, и потому относительно слабо взаимодействуют между собой; углеводородные радикалы не имеют преимущественной ориентации, их расположение варьируется от строго вертикального до почти горизонтального. С помощью подвижного барьера Б (рис. 36) монослой поджимается до получения сплошной твердой пленки, в которой углеводородные радикалы ориентированы почти вертикально («частокол Ленг-мюра»).

Рис. 35. Молекула амфифильного поверхностно-активного вещества с

полярной головой и неполярным гидрофобным углеводородным хвостом

Рис. 36. Схема нанесения моно- и мультислоев нерастворимых АМФВ по классической методике Ленгмюра-Блоджетт

При постоянной температуре Т состояние монослоя нерастворимого АМФВ задается величиной поверхностного давления π в соответствии с изотермами сжатия π-S, отражающими соотношение между величиной поверхностного давления барьера (π) и удельной молекулярной площадью (S).