Зрозуміло, що ми не зможемо безпосередньо вимірю ть таку малу частинку речовини. Ми проведемо досвід, з якого шляхом простих розрахунків можна визначити розмір молекул. Ви, звичайно, бачили на поверхні води тонкі кольорові плівки, утворені нафтопродуктами (мастила, дизельне паливо і т. П.). Колір тонких плівок виникає через накладення світлових променів, відбитих від верхньої і нижньої поверхонь плівки - таке явище називається інтерференцією світла. ПотоЙ ж причини переливаються всіма кольорами веселки мильні бульбашки.
Явище інтерференції ви будете вивчати на уроках фізики. А зараз нас цікавить товщина плівки -! Зи ніколи не замислювалися, наскільки вона ййїкіія? Визначити товщину плівки дуже просто: треба її обсяг розділити на площу поверхні. Ще стародавні мореплавці помітили, що якщо на поверхню води вилити рослинне масло, то воно розтечеться дуже великою плямою (тоді ж з'явилося досить дивна думка про те, що таким способом можна «втихомирити» море під час бурі). Ймовірно, вперше виміряв площу масляної плями на воді видатний американський вчений і дипломат Бенджамін Франклін (1706- 1790), зображення якого красується на стодолларовой купюрі. Його найвідоміше винахід - громовідвід (вірніше, блискавковідвід). У 1774 році Франклін поїхав до Європи, щоб залагодити черговий конфлікт між Англією і США. У вільний від переговорів час він експериментував з олійними плівками на поверхні води. На його подив, одна ложка рослинного масла розтеклася по всій поверхні невеликого ставка. Якщо ж налити па воду не рослинне, а невязке машинне масло, пляма від нього буде не таким великим: одна крапля дає коло діаметром близько 20 см. Площа такої плівки дорівнює приблизно 300 см3, обсяг однієї краплі - близько 0,03 см3. Отже, товщина плівки дорівнює 0,03 см1 / 300 см3 = 0,0001 см = 0,001 мм - 1 мкм. Тисячна частка міліметра - це дуже мала величина, не у всякий мікроскоп розгледиш годину Тичко такого розміру.
Але чи є у нас гарантія, що молекули машинного масла розтеклися по воді в один шар? Адже тільки в цьому випадку товщина плівки буде відповідати розміру молекул. Такої гарантії у нас немає, і ось чому. Молекули, що входять до складу машинного масла, називають гідрофобними (в перекладі з грецького «гідрофобні» - «бояться води»). Вони досить добре «зчіплюються» між собою, дуже неохоче - з молекулами води. Якщо речовина, подібне машинному маслу, налити на поверхню води, воно утворює на ній досить товсту (по молекулярним мірками) плівку, що складається з сотень і навіть тисяч молекулярних шарів. Крім того, що подібні розрахунки цікаві і самі по собі, вони мають велике практичне значення. Наприклад, до цих пір не вдається уникнути аварій величезних танкерів, що перевозять нафту за тисячі кілометрів від місця її видобутку. В результаті такої аварії в море може вилитися величезна кількість нафти, що згубно позначиться на живих організмах. Нафта більш в'язка в порівнянні з машинним маслом, тому її плівка на водній поверхні може виявитися трохи товщі. Так, в одній з аварій вилилося 120 000 тон нафти, яка покрила площу 500 км3. Як показує нескладний розрахунок, середня товщина такої плівки дорівнює 200 мкм. Товщина плівки залежить як від сорту нафти, так і від температури води: в холодних морях, де нафту робиться густішою, плівка товщі, в теплих морях, де нафта стає менш в'язкою, - тонше. Але в будь-якому випадку аварія великого танкера, коли в море потрапляють десятки тисяч тонн нафти, - це катастрофа. Адже якщо вся пролита нафту розтечеться тонким шаром, то утворюється пляма величезній площі, і ліквідувати таку плівку надзвичайно важко.
А чи можна змусити речовина розтікатися по воді так, щоб утворився всього один шар молекул (така плівка називається мономолекулярної)? Виявляється, це можливо, тільки замість машинного масла або нафти треба взяти іншу речовину. Молекули такого речовини повинні на одному кінці мати гак звану гидрофильную (т. Е. «Водолюбних») групу атомів, а на іншому кінці - гидрофобную. Що буде, якщо речовина, що складається з таких молекул, помістити на поверхню води? Гідрофільна частина молекул, прагнучи розчинитися у воді, буде тягнути молекулу в воду, тоді як гідрофобна частина, яка води «боїться», буде наполегливо уникати контакту з водою.
В результаті такого взаємного «нерозуміння» молекули (якщо їх злегка «подужати» збоку за допомогою планочки) вишикуються па поверхні води так, як показано на рис. 3.1: їх гідрофільні кінці втоплені в воду, а гідрофобні стирчать назовні.
\ 6666666666И /
Мал. 3.1. Так орієнтуються на кордоні вода-повітря молекули поверхнево-активних речовин, утворюючи «частокіл Ленгмюра» - по імені американського хіміка і фізика Ірвінга Ленгмюра (1881-1957), який в 1916 році створив теорію будови таких шарів на поверхні рідин
Речовини, які поводяться таким чином, називають поверхнево-активними. До них відносяться, наприклад, мило та інші миючі засоби; олеїнова кислота, яка входить до складу соняшникової олії; паль-мітіновий спирт, який входить до складу пальмової олії і китового жиру. Розтікання таких речовин по поверхні води дає значно тонші плівки, ніж машинне масло. Це явище було відомо давно, подібні досліди проводили ще в XVIII столітті. Нотолько в кінці XIX - початку XX століття в результаті експериментів, проведених англійським фізиком Джоном Вільямом Релєєм (1842-1919), німецьким фізиком Вільгельмом Конрадом рент- геном (1845-1923) і рядом інших вчених, було показано, що товщина плівки може досягати таких малих розмірів, які можна порівняти з розмірами окремих молекул.
В одному з таких дослідів англійський хімік Нейл Кенсінгтон Адам