Температурные зависимости молекулярной площади в 2D-монослоях ПАВ на границе вода/воздух
Е.С. Карташинская
ГБУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.408
Оригинальная статья
Аннотация: Рассмотрены зависимости величины площади Ас, приходящейся на молекулу 2D-монослоя ПАВ, в начале перехода от жидко-растянутой к жидко- конденсированной (ЖР-ЖК) фазе от температуры и длины цепи для семи классов ПАВ на межфазной поверхности вода/воздух. Для оценки Ас были использованы термодинамическая модель поведения дифильных монослоев с учетом неидеальности
энтропии смешения, а также квантово-химический подход, позволяющий оценить термодинамические и структурные параметры ассоциатов ПАВ. Рассчитанные значения Ас 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 Ас увеличивается. Средние величины углового коэффициента зависимостей Ас = f(T) для рассматриваемых классов ПАВ находятся в пределах 0,57-1,32 Å2/°С. Оценка величины (dAc/dn)T показала, что наилучшее согласие расчетных и имеющихся экспериментальных данных достигнуто
для насыщенных карбоновых кислот и диалкилзамещенных меламина. Полученные результаты позволяют использовать предложенный подход в прогностических целях.
Ключевые слова: 2D-монослой, энергия Гиббса кластеризации, элементарная ячейка, фазовый переход, термодинамическая модель
- Карташинская Елена Сергеевна – д.х.н., научный сотрудник отдела супрамолекулярной химии, ГБУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
Ссылка на статью:
Карташинская, Е.С. Температурные зависимости молекулярной площади в 2D-монослоях ПАВ на границе вода/воздух / Е.С. Карташинская // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2022. — Вып. 14. — С. 408-418. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.408.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Horn, L.W. Equilibrium and metastable states in lecithin films / L.W. Horn, N.L. Gershfeld // Biophysical Journal. – 1977. – V. 18. – I. 3. – P. 301-310. DOI: 10.1016/S0006-3495(77)85615-4.
2. Baret, J.F. The liquid-expanded and the liquid-condensed phases in amphiphile monolayers are separated by a second-order phase transition / J.F. Baret, A.G. Bois, J.J. Dupin, J.L. Firpo // Journal of Colloid Interface Science. – 1982. – V. 86. – I. 2. – P. 370-376. DOI:10.1016/0021-9797(82)90082-0.
3. Pallas, N.R. Liquid-expanded to liquid-condensed transition in lipid monolayers at the air/water interface / N.R. Pallas, B.A. Pethica // Langmuir. – 1985. – V. 1. – I. 4. – P. 509-513. DOI: 10.1021/la00064a019.
4. Barzyk, W. Orientation phase transitions of undissociated n-decanoic acid at the air/solution interface revealed by surface pressure and electric potential / W. Barzyk, K. Lunkenheime, A. Pomianowski // Advances in Colloid and Interface Science. – 2018. – V. 259. – P. 1-20. DOI: 10.1016/j.cis.2018.06.003.
5. Kato, T. Direct evidence of the enthalpy release being accompanied by first-order phase transitions of monolayers at the air/water interface by compression / T. Kato, H. Akiyama, T. Tanaka // Chemical Physics Letters. – 1991. – V. 184. – I. 5-6. – P. 455-460. DOI: 10.1016/0009-2614(91)80018-S.
6. Jalal, I. On the lack of a true thermodynamic transition between «liquid-expanded» and «liquid-condensed» fatty acid monolayer states / I. Jalal, G Zografi // Journal of Colloid and Interface Science. – 1979. – V. 68. – I. 1. – P. 196-198. DOI: 10.1016/0021-9797(79)90272-8.
7. Ruckenstein, E. On the nature of the liquid expanded/liquid condensed phase transition in monolayers of polar molecules / E. Ruckenstein // Journal of Colloid and Interface Science. – 1997. – V. 196. – I. 2. – P. 313-315. DOI: 10.1006/jcis.1997.5197.
8. Vysotsky, Yu.B. Temperature effect on the monolayer formation of substituted alkanes at the air/water interface: a quantum chemical approach / Yu.B. Vysotsky, E.S. Fomina, E.A. Belyaeva et al. // Journal of Physical Chemistry B. – 2012. – V. 116. – I. 30. – P. 8996-9006. DOI: 10.1021/jp303617n.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Kartashynska, E.S. Quantum chemical assessment of the molecular area corresponding to the onset of the LE–LC phase transition for amphiphilic 2D monolayers at the air/water interface / E.S. Kartashynska, D. Vollhartd // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2021. – V. 23. – P. 25356-25364. DOI: 10.1039/d1cp03511h.
14. Smith, T. Monolayers on water: I. A theoretical equation for the liquid expanded state / T. Smith // Journal of Colloid and Interface Science. – 1967. – V. 23. – I. 1. – P. 27-35. DOI: 10.1016/0021-9797(67)90081-1.
15. Rettig, W. A first-order transition between the liquid-expanded and the liquid-condensed phases in insoluble monolayers of fatty acid esters as detected by measurement of equilibrium spreading pressure / W. Rettig, F. Kuschel // Journal of Colloid and Interface Science. – 1990. – V. 140. – I. 1. – P. 169-174. DOI: 10.1016/0021-9797(90)90332-I.
16. Islam, N. Influence of temperature and alkyl chain length on phase behavior in langmuir monolayers of some ethoxylenated nonionic surfactants / N. Islam, T. Kato // Journal of Colloid and Interface Science. – 2006. – V. 294. – I. 2. – P. 288-294. DOI: 10.1016/j.jcis.2005.07.023
17. Lunkenheimer, K. Adsorption properties of soluble, surface-chemically pure n-alkanoic acids at the air/water interface and the relationship to insoluble monolayer and crystal structure properties / K. Lunkenheimer, W. Barzyk, R. Hirte, R. Rudert // Langmuir. – 2003. – V. 19. – I. 15. – P. 6140-6150. DOI: 10.1021/la034379p.
18. Gershfeld, N. The liquid condensed/liquid expanded transition in lipid films: a critical analysis of the film balance experiment / N. Gershfeld // Journal of Colloid and Interface Science. – 1982. – V. 85. – I. 1. – P. 28-40. DOI: 10.1016/0021-9797(82)90232-6.
19. Halperin, K. A study of the mechanical behavior of surface monolayers using orthogonal Wilhelmy plates / K. Halperin, J. B. Ketterson, P. Dutta // Langmuir. – 1989. – V. 5. – I. 1. – P. 161-164. DOI: 10.1021/la00085a030.
20. Moore, B.G. Phase diagram of Langmuir monolayers of pentadecanoic acid: qantitative comparison of surface pressure and fluorescence microscopy results / B.G. Moore, C.M. Knobler, S. Akamatsu, F. Rondelez // Journal of Physical Chemistry. – 1990. – V. 94. – I. 11. – P. 4588-4595. DOI: 10.1021/j100374a042.
21. Baret, J.F. The different types of isotherm exhibited by insoluble fatty acid monolayers. A theoretical interpretation of phase transitions in the condensed state / J.F. Baret, H. Hasomonay, J.L. Firpo, J.J. Dupin, M. Dupeyrat // Chemistry and Physics of Lipids. – 1982. – V. 30. – I. 2-3. – P. 177-187. DOI: 10.1016/0009-3084(82)90051-2.
22. Vollhardt, D. Thermodynamic and structural characterization of amphiphilic melamine-type monolayers / D. Vollhardt, V.B. Fainerman, F. Liu // Journal of Physical Chemistry B. – 2005. – V. 109. – I. 23. – P. 11706-11711. DOI: 10.1021/jp050796u.
23. 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. – P. 7601-7616. DOI: 10.1039/C3SM51094H.