К оценке площади, приходящейся на молекулу пав в 2D-монослое, при переходе от жидко-растянутой к жидко-конденсированной фазе на поверхности вода/воздух
Е.С. Карташинская
ГУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.196
Оригинальная статья
Аннотация: Предложен метод оценки площади Ac , приходящейся на молекулу монослоя ПАВ, вначале перехода от жидко-растянутой к жидко-конденсированной фазе на основе двух теоретических моделей. Термодинамическая модель поведения дифильных монослоев с учетом неидеальности энтропии смешения позволяет оценить величину энергий Гиббса кластеризации ПАВ на основе Π-А-изотерм, полученных при различных температурах. С другой стороны квантово-химический подход также дает возможность рассчитать данный термодинамический параметр и оценить структурные особенности получаемых монослоев. Величины энергий Гиббса кластеризации малых ассоциатов ПАВ и геометрических параметров элементарных ячеек монослоев были рассчитаны ранее с помощью квантово-химического полуэмпирического метода РМ3 для восьми классов дифильных соединений: насыщенные и этоксилированные спирты, насыщенные и цис-моноеновые карбоновые кислоты, α-гидрокси- и α -аминокислоты, N -ацилпроизводные аланина и диалкилзамещенные меламина. Эти параметры были использованы в термодинамической модели с учетом неидеальности энтропии смешения для расчета величин Ac . Оцененные значения Ac адекватно отражают экспериментальную температурную зависимость для рассматриваемого фазового перехода: с ростом температуры площадь, приходящаяся на молекулу ПАВ фиксированной длины цепи, уменьшается, и, наоборот, с ростом длины цепи ПАВ при фиксированной температуре величина Ac увеличивается. Это позволяет использовать предложенный подход в прогностических целях.
Ключевые слова: дифильный монослой, энергия Гиббса кластеризации, элементарная ячейка, фазовый переход, термодинамическая модель
- Карташинская Елена Сергеевна – д.х.н., научный сотрудник отдела супрамолекулярной химии, ГУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
Ссылка на статью:
Карташинская, Е.С. К оценке площади, приходящейся на молекулу пав в 2D-монослое, при переходе от жидко-растянутой к жидко-конденсированной фазе на поверхности вода/воздух / Е.С. Карташинская // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2021. — Вып. 13. — С. 196-208. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.196.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Gaines, G.L., Jr. Insoluble monolayers at liquid - gas interfaces / G.L. Gaines, Jr. – New-York: Interscience Publishers, 1966. – xiv, 386 p.
2. Vysotsky, Yu.B. Сomputational quantum chemistry applied to monolayer formation at gas/liquid interfaces / Yu.B. Vysotsky, E.S. Kartashynska, E.A. Belyaeva et al. In book: Computational methods for complex liquid-fluid interfaces: ed. by M. Karbaschi, R. Miller, M.T. Rahni. – Boca Raton: CRC Press, 2015. – Ch. 10. – P. 199-249. DOI: 10.1201/b19337.
3. Fainerman, V.B. Equations of state for Langmuir monolayers with two-dimensional phase transitions / V.B. Fainerman, D. Vollhardt // Journal of Physical Chemistry B. – 1999. – V. 103. – I. 1. – P. 145-150. DOI: 10.1021/jp983109q.
4. Fainerman, V.B. Equation of state for the phase coexistence region of insoluble monolayers under consideration of the entropy nonideality / V.B. Fainerman, D. Vollhardt / Journal of Physical Chemistry B. – 2008. – V. 112. – I. 5. – P. 1477-1481. DOI: 10.1021/jp077372f.
5. Vollhardt, D. Thermodynamic and textural characterization of DPPG phospholipid monolayers / D. Vollhardt, V.B. Fainerman, S. Siegel // Journal of Physical Chemistry B. – 2000. – V. 104. – I. 17. – P. 4115-4121. DOI: 10.1021/jp992529s.
6. Fainerman, V.B. Equation of state for insoluble monolayers of aggregating amphiphilic molecules / V.B. Fainerman, D. Vollhardt, V. Melzer // Journal of Physical Chemistry. – 1996. – V. 100. – I. 38. – P. 15478-15482. DOI: 10.1021/jp960523m.
7. Csonka, G.I.The origin of the problems with the PM3 core repulsion function / G.I. Csonka, J.C. Ángyán / Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. – 1997. – V. 393. – I. 1-3 – P. 31-38. DOI: 10.1016/S0166-1280(96)04872-5.
8. Vysotsky, Yu.B. Quantum chemical analysis of thermodynamics of the 2d cluster formation of odd n-alcohols at the air/water interface / Yu.B. Vysotsky, V.S. Bryantsev, V.B. Fainerman, D. Vollhardt // Journal of Physical Chemistry B. – 2002. – V. 106. – I. 43. – P. 11285-11294. DOI: 10.1021/jp021352q.
9. Fomina, E.S. On hexagonal orientation of fatty alcohols in monolayers at the air/water interface: quantum-chemical approach / E.S. Fomina, Yu.B. Vysotsky, E.A. Belyaeva et al. // Journal of Physical Chemistry C. – 2014. – V. 118. – I. 8. – P. 4122-4130. DOI:10.1021/jp409911a.
10. Kartashynska, E.S. Quantum-chemical analysis of hexagonal crystalline monolayers of ethoxylated nonionic surfactants at the air/water interface / E.S. Kartashynska, Y.B. Vysotsky, E.A. Belyaeva, et al. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2014. – V. 16. – I. 45. – P. 25129-25142. DOI: 10.1039/C4CP04081C.
11. Fomina, E.S. Quantum chemical analysis of the thermodynamics of 2D cluster formation of 2 -hydroxycarboxylic acids at the air/water interface / E.S. Fomina, Yu.B. Vysotsky, D. Vollhardt, V.B. Fainerman, R. Miller // Soft Matter. – 2013. – V. 9. – I. 31. – P. 7601-7616. DOI: 10.1039/C3SM51094H.
12. Ivanova, A. Hydrophilic interactions between organic and water molecules as models for monolayers at the gas/water interface / A. Ivanova, A. Tadjer, N. Tyutyukov, B. Radoev // Journal of Physical Chemistry A. – 2005. – V. 109. – I. 8. – P. 1692-1702. DOI: 10.1021/jp044646f.
13. Monteiro, N.K.V. Hydrogen − hydrogen bonds in highly branched alkanes and in alkane complexes: a DFT, ab initio, QTAIM, and ELF study / N.K.V. Monteiro, C.L. Firme // Journal of Physical Chemistry A. – 2014. – V. – 118. – I. 9. – P. 1730-1740. DOI: 10.1021/jp500131z.
14. Vollhardt, D. Effect of hydroxyl group position and system parameters on the features of hydroxystearic acid monolayers / D. Vollhardt, S. Siegel, D.A. Cadenhead // Langmuir. – 2004. – V. 20. – I. 18. – P. 7670-7677. DOI: 10.1021/la049345b.
15. Majewski, J. Uncompressed crystalline monolayers of alcohols CnH2n+1OH(n=13 - 31) on water and their role as ice nucleators / J. Majewski, R. Popovitz-Biro, W. G. Bouwman et al // Chemistry A European Journal. – 1995. – V. 1. – I. 5. – P. 304-311. DOI: 10.1002/chem.19950010507.
16. Karakashev, S.I. Equilibrium adsorption of surfactants at the gas-liquid interface / S.I. Karakashev, A.V. Nguyen, J.D. Miller // In book: Interfacial processes and molecular aggregation of surfactants. Advances in Polymer Science. – V. 218; ed. by R. Narayanan. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. – P. 25-55. DOI: 10.1007/12_2008_161.
17. Kjaer, K. Synchrotron X-ray diffraction and reflection studies of arachidic acid monolayers at the air-water interface / K. Kjaer, J. Als-Nielsen, C.A. Helm, P. Tippman-Krayer, H. Moehwald // Journal of Physical Chemistry. – 1989. – V. 93. – I. 8. – P. 3200-3206. DOI: 10.1021/j100345a063.
18. Vysotsky, Yu.B. Quantum chemical analysis of the thermodynamics of 2D cluster formation of n -carboxylic acids at the air/water interface / Yu.B. Vysotsky, D.V. Muratov, F.L. Boldyreva et al // Journal of Physical Chemistry B. – 2006. – V. 110. – I. 10. – P. 4717-4730. DOI: 10.1021/jp055804l.
19. Vollhardt, D. Effect of unsaturation in fatty acids on the main characteristics of langmuir monolayers / D. Vollhardt // Journal of Physical Chemistry C. – 2007. – V. 111. – I. 18. – P. 6805-6812. DOI: 10.1021/jp0704822.
20. Vysotsky, Yu.B. Thermodynamics of the clusterization process of cis isomers of unsaturated fatty acids at the air/water interface / Yu.B. Vysotsky, E.A. Belyaeva, D. Vollhardt, E.V. Aksenenko // Journal of Physical Chemistry B. – 2009. – V. 113. – I. 13. – P. 4347-4359. DOI: 10.1021/jp808834a.
21. Wiedemann, G. Disorder in Langmuir monolayers. 1. Disordered packing of alkyl chains / G. Wiedemann, G. Brezesinski, D. Vollhardt, H. Möhwald // Langmuir. – 1998. – V. 14. – I. 22. – P. 6485-6492. DOI: 10.1021/la980188o.
22. Weissbuch, I. Separation of enantiomers and racemate formation in two-dimensions crystals at the water surface from racemic α -amino acid amphiphiles: design and structure / I. Weissbuch, M. Berfeld, W. Bouwman, et al // Journal of American Chemical Society. – 1997. – V. 119. – I. 5. – P. 933-942. DOI: 10.1021/ja9613926.
23. Nandi, N. Effect of molecular chirality on the morphology of biomimetic Langmuir monolayers / N. Nandi, D. Vollhardt // Chemical Review. – 2003. – V. 103. – I. 10. – P. 4033-4075. DOI: 10.1021/cr0006674.
24. Kartashynska, E.S. Quantum-chemical analysis of condensed monolayer phases of N-alkanoyl-substituted alanine at the air/water interface / E.S. Kartashynska, Yu.B. Vysotsky, V.B. Fainerman, D. Vollhardt // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2018. – V. 546. – P. 346-359. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2018.03.027.
25. Vollhardt, D. Thermodynamic and structural characterization of amphiphilic melamine-type monolayers / D. Vollhardt, V. B. Fainerman, F. Liu // Journal of Physical Chemistry. – 2005. – V. 109. – I. 23. – P. 11706-11711. DOI: 10.1021/jp050796u.
26. Vysotsky, Yu.B. Quantum-chemical description of the thermodynamic characteristics of clusterization of melamine-type amphiphiles at the air/water interface / Yu.B. Vysotsky, A.A. Shved, E.A. Belyaeva, et al. // Journal of Physical Chemistry B. – 2009. – V. 113. – I. 40. – P. 13235-13248. DOI: 10.1021/jp904598k.
27. Vysotsky, Yu.B. Quantization of the molecular tilt angle of amphiphile monolayers at the air/water interface / Yu.B. Vysotsky, E.S. Kartashynska, E.A. Belyaeva, D. Vollhardt // Journal of Physical Chemistry C. – 2015. – V. 119. – I. 10. – P. 5523-5533. DOI: 10.1021/jp5130298.
28.Bibo, A.M. Phase diagrams of monolayers of the long chain fatty acids / A.M. Bibo, I.R. Peterson // Advanced Materials. – 1990. – V. 2. – I. 6-7. – P. 309-311. DOI: 10.1002/adma.19900020608.