Какие вещества обладают гидрофобными свойствами
Капелька росы на гидрофобной поверхности листа
Капли воды на гидрофобной поверхности травы
Не следует путать с гидрофобией — боязнью воды.
Гидрофо́бность (от др.-греч. ὕδωρ «вода» + φόβος «боязнь, страх») — физическое свойство молекулы, «стремление» избежать контакта с водой[1]. Сама молекула в этом случае называется гидрофо́бной.
Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому вода на гидрофобной поверхности, обладающей высоким значением угла смачивания, собирается в капли. А при добавлении в воду гидрофобных жидкостей, в зависимости от плотности, они собираются в изолированные сгустки, либо распределяются по поверхности воды, как происходит с нефтью.
Гидрофобными являются молекулы алканов, масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.
Слово «гидрофобный» часто используется в качестве синонима к слову «липофильный» — «жиролюбивый», хотя это не вполне корректно. Действительно, гидрофобные вещества в целом липофильны, но среди них есть и исключения — например, силиконы, фторопласт.
Химические основы[править | править код]
Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое так не совсем корректно, так как его источником является взаимодействие гидрофильных молекул воды между собой.[2] Так, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной. Данный эффект можно наблюдать в явлении разделения фаз, происходящем, например, при расслоении водно-масляной эмульсии.
Сверхгидрофобность[править | править код]
Капля на поверхности лотоса.
Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные к смачиванию (с углом контакта с водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причем одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе. Примером сверхгидрофобного материала-биомиметика в нанотехнологии является нанопин-плёнка (англ.)русск.. Показано, что поверхность пентоксида ванадия может переключаться между сверхгидрофобностью (англ.)русск. и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения[3]. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путём нанесения на неё суспензии розеткообразных частиц V2O5, например, с помощью струйного принтера. Тут гидрофобность также вызывается межслойными воздушными полостями (разделёнными расстояниями 2.1 нм). Механизм действия УФ излучения состоит в создании пар «электрон-дырка», в которых дырки реагируют с атомами кислорода в кристаллической решетке, создавая кислородные вакансии на поверхности, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. Кислородные вакансии закрываются водой и такое поглощение воды поверхности ванадия делает её гидрофильной. При продолжительном пребывании в темноте вода замещается кислородом и гидрофильность утрачивается.
См. также[править | править код]
- Гидрофильность
- Гидрофобное покрытие
- Флотация
- Эффект сальвинии
Примечания[править | править код]
- ↑ Aryeh Ben-Na’im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
- ↑ Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): «Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls.» JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450—455. Link to abstract
- ↑ UV-Driven Reversible Switching of a Roselike Vanadium Oxide Film between Superhydrophobicity and Superhydrophilicity Ho Sun Lim, Donghoon Kwak, Dong Yun Lee, Seung Goo Lee, and Kilwon Cho J. Am. Chem. Soc.; 2007; 129(14) pp 4128 — 4129; (Communication) doi:10.1021/ja0692579
Литература[править | править код]
- Чугунов, А. О. Физическая водобоязнь / А. О. Чугунов, А. А. Полянский, Р. Г. Ефремов // Природа. — 2013. — Вып. 1169, № 1. — С. 24-34.
Ссылки[править | править код]
- Webtool to calculate and plot the hydrophobicity of proteins.
- [wetenschap.infonu.nl/scheikunde/18559-hydrofobe-interactie-chromatografie.html Hydrophobicity applied — hydrophobic interaction chromatography (dutch)]
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). Список проблемных доменов |
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Министерства здравоохранения Российской
Федерации
(ГБОУ ВПО НГМУ Минздрава России)
Кафедра медицинской химии
Реферат
ГИДРОФИЛЬНЫЕ, ГИДРОФОБНЫЕ,
АМФИФИЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА: В ПРИРОДЕ И В ОРГАНИЗМЕ
ЧЕЛОВЕКА.
(обзор литературы)
Выполнил:
Проверил:
Содержание
Введение
Вода — одно из самых распространенных
веществ на Земле. Она покрывает большую
часть земной поверхности. Почти все живые
существа состоят в основном из воды. У
человека содержание воды в органах и
тканях варьирует от 20% (в костной ткани)
до 85% (в головном мозге). Около 2/3 массы
человека составляет вода, в организме
медузы до 95% воды, даже в сухих семенах
растений вода составляет 10—12%.
Вода обладает некоторыми уникальными
свойствами. Свойства эти настолько важны
для живых организмов, что нельзя представить
жизнь без этого соединения водорода и
кислорода.
По отношению к воде все вещества
разделяются на две группы: гидрофильные
— «любящие воду» и гидр0офобные — «боящиеся
воды» (от греч. «гидро» — вода, «филео»
— любить и «фобос» — боязнь). О свойствах
этих веществ, а так же о их значении в
природе, и пойдёт речь в нашей работе.
Гидрофильные и гидрофобные
вещества
Гидрофильные вещества (греч. «гидро» —вода, «филео» —люблю)
— это вещества, энергия притяжения которых
к молекулам воды превышает энергию водородных
связей (энергию притяжения между собой
молекул воды), поэтому многие гидрофильные
вещества хорошо растворимы в воде.
Гидрофильные в-ва интенсивно взаимодействуют с молекулами
воды. Гидрофильность характеризуется
величиной адсорбционной связи веществ
с молекулами воды, образованием с ними
неопределённых соединений и распределением
кол-ва воды по величинам энергии связи.
Гидрофильность преимущественно определяется
величиной энергии связи адсорбционного
монослоя, т. к. последующие слои связаны
с веществом гораздо слабее. Гидрофильность
может выражаться теплотой адсорбции
водяного пара или теплотой смачивания, а также работой смачивания единицы
поверхности в-ва.
Гидрофобные вещества (греч.
«гидро» — вода, «фобос» — боязнь) — вещества,
энергия притяжения молекул которых к
молекулам воды меньше энергии водородных
связей молекул воды. К числу гидрофобных
веществ относятся жиры, некоторые углеводы
(крахмал, гликоген, клетчатка), нуклеиновые
кислоты, АТФ, большинство белков, нерастворимых
в воде.
Абсолютно гидрофобных («водоотталкивающих»)
веществ нет; даже наиболее гидрофобные
— углеводородные и фторуглеродные — поверхности
адсорбируют воду. Поэтому гидрофобность
рассматривают как малую степень гидрофильности.
Г. и г. могут быть оценены, как и смачиваемость
поверхности водой (в воздушной среде),
величиной угла смачивания q: для гидрофильных
поверхностей
<90° (для абсолютно гидрофильных поверхностей
q=0); для гидрофобных поверхностей 90°<
<180° (напр., для парафина
105°). На трёхфазной границе твёрдого тела
с водой и углеводородной жидкостью при
<90° (в водной фазе) поверхность олеофобна,
т.е. не смачивается маслом, а при
=180° — предельно олеофильна.
Гидрофильными являются вещества с полярными
хим. связями: галогениды, оксиды и их гидраты,
карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты
и алюмосиликаты (глины, стекла), а также
клеточные мембраны. Чистые поверхности металлов,
углерода, полупроводников, вещества, состоящие из слабо полярных
молекул, листья растений, кожа животных,
хитиновый покров насекомых гидрофобны.
Все полярные группы, входящие в состав
молекул ПАВ — поверхностно-активных веществ — COOH, -NH2,-SO3Na и др., гидрофильны; связанные с
ними углеводородные радикалы — гидрофобны.
Амфифильные вещества
Амфифильность – свойство молекул веществ (как правило, органических), обладающих
одновременно гидрофильными и гидрофобными
свойствами. Молекулы амфифильных соединений похожи
на головастика: они состоят из длинного
углеводородного хвоста (построенного
обычно более чем из десяти СН2-групп), обеспечивающего растворимость
в неполярных средах, и полярной головы,
ответственной за гидрофильные свойства.
Таким образом, амфифильные соединения
одновременно «любят» и воду (то есть являются
гидрофильными), и неполярные растворители
(проявляют гидрофобные свойства).
В зависимости от типа гидрофильной группы
выделяют амфифильные соединения, несущие
заряженную катионную или анионную функциональную
группу, и амфифильные соединения с незаряженной функциональной группой. Абсолютное
большинство известных органических соединений
несут более чем одну заряженную функциональную
группу. Примером таких веществ являются
макромолекулярные соединения — белки,
липопротеиды, блок-сополимеры и т.д. Наличие
у молекул белка третичной структуры,
образующейся в результате внутримолекулярных
взаимодействий функциональных групп
(полярных или неполярных) между собой,
само по себе демонстрирует амфифильную
природу этих соединений.
Другим примером амфифильных соединений является большинство лекарственных
средств, молекулы которых сочетают в
себе набор определенных функциональных
групп, необходимых для эффективного связывания
с рецептором-мишенью.
Амфифильные соединения играют особую
роль в живой природе. Ни одно животное или растение не может существовать
без них. Именно из амфифильных молекул
состоит мембрана клетки, которая отделяет
живой организм от враждебной внешней
среды. Именно такие молекулы составляют
внутренние органнелы клетки, участвуют
в процессе ее деления, задействованы
в обмене веществ с окружающей средой.
Амфифильные молекулы служат нам пищей
и образуются в наших организмах, участвуют
во внутренней регуляции и цикле желчных
кислот. Наш организм содержит более 10%
амфифильных молекул. Именно поэтому синтетические
поверхностно-активные вещества могут
быть опасны для живых организмов и, например,
способны растворить мембрану клетки
и привести к ее гибели.
Заключение
В природе оба вида веществ имеют
важное значение. Можно найти немало подтверждений
тому, что гидрофобные вещества встречаются
едва ли не повсеместно. Так, чистые поверхности
металлов, полупроводников, а также кожа
животных, листья растений, хитиновый
покров насекомых обладают подобными
свойствами. В свою очередь, гидрофилы
используются в транспорте питательных
веществ в организмах животных и растений,
конечные продукты обмена также выводятся
при помощи растворов биологических жидкостей.
Неполярные вещества же имеют серьезное
значение в формировании клеточных мембран,
имеющих избирательную проницаемость.
Именно поэтому подобные свойства играют
важную роль в протекании биологических
процессов. В последние годы ученые разрабатывают
все новые гидрофобные вещества, при помощи
которых можно защитить различные материалы
от смачивания и загрязнения, создавая
таким образом даже самоочищающиеся поверхности.
Одежда, металлические изделия, стройматериалы,
автомобильные стекла — сфер применения
множество. Дальнейшее изучение этой темы
приведет к разработке мультифобных веществ,
которые станут основной для грязеотталкивающих
поверхностей. Создав подобные материалы,
люди смогут сэкономить время, средства
и ресурсы, а также появится возможность
снизить степень загрязнения природы
чистящими средствами. Так что дальнейшие
разработки пойдут на пользу всем.
Список литературы
1. https://fb.ru/article/133638/chto-takoe-gidrofobnyie-veschestva
2.https://www.schoolhels.fi/school/school_today/dostigeniya/2012_2013/nanotexnologiya/page6.htm
3.https://побиологии.рф/Биологический-словарь/Г/265-Гидрофобные-вещества
4.https://www.tepka.ru/biologia10-11/2.html
Кое-кому в школе повезло на уроках химии не только писать скучные контрольные и вычислять молярную массу или указывать валентность, но и смотреть на то, как учитель проводит опыты. Неизменно в рамках эксперимента как по волшебству жидкости в пробирках непредсказуемо меняли цвет, а еще что-нибудь могло взорваться или красиво сгореть. Пожалуй, не так эффектны, но все равно интересны опыты, в которых используются гидрофильные и гидрофобные вещества. Кстати, что это и чем они любопытны?
Физические свойства
На уроках химии, проходя очередной элемент из периодической таблицы, а также все основные вещества, обязательно шла речь об их различных характеристиках. В том числе затрагивались их физические свойства: плотность, агрегатное состояние в нормальных условиях, температура плавления и кипения, твердость, цвет, электропроводность, теплопроводность и многие другие. Иногда шла речь о таких характеристиках, как гидрофобность или гидрофильность, однако отдельно, как правило, об этом не говорят. Между тем это достаточно интересная группа веществ, с которой легко можно столкнуться в повседневной жизни. Так что нелишним будет узнать о них больше.
Гидрофобные вещества
Примеры легко можно взять из жизни. Так, нельзя смешать воду с маслом — это известно всем. Оно просто не растворяется, а остается плавать пузырьками или пленкой на поверхности, поскольку его плотность меньше. Но почему так и какие существуют еще гидрофобные вещества?
Обычно к этой группе относят жиры, некоторые белки и нуклеиновые кислоты, а также силиконы. Название веществ происходит от греческих слов hydor — вода и phobos — страх, но это не значит, что молекулы боятся. Просто они являются мало или совсем нерастворимыми, их еще называют неполярными. Абсолютной гидрофобности не бывает, даже те вещества, которые, казалось бы, совсем не взаимодействуют с водой, все-таки адсорбируют ее, хоть и в ничтожных количествах. На практике же контакт такого материала с H2O выглядит в виде пленки или капелек, либо жидкость остается на поверхности и принимает форму шара, поскольку он имеет наименьшую площадь поверхности и обеспечивают минимальный контакт.
Гидрофобные свойства объясняются химической структурой тех или иных веществ. Это связано с низким показателем притяжения к молекуле воды, как это происходит, например, с углеводородами.
Гидрофильные вещества
Название этой группы, как уже несложно догадаться, тоже происходит от греческих слов. Но в данном случае вторая часть philia — любовь, и это прекрасно характеризует отношения таких веществ с водой — полное «взаимопонимание» и прекрасная растворимость. В эту группу, иногда называемую «полярной», относятся простые спирты, сахара, аминокислоты и т. д. Соответственно, они обладают такими характеристиками, поскольку имеют высокую энергию притяжения к молекуле воды. Строго говоря, вообще-то все вещества являются гидрофильными в большей или меньшей степени.
Амфифильность
А бывает ли так, что гидрофобные вещества могут одновременно иметь и гидрофильные свойства? Оказывается, да! Эту группу веществ называют дифильными, или амфифильными. Оказывается, одна и та же молекула может иметь в своей структуре как растворимые — полярные, так и водоотталкивающие — неполярные элементы. Такими свойствами, например, обладают некоторые белки, липиды, поверхностно-активные вещества, полимеры и пептиды. При взаимодействии с водой они образуют различные надмолекулярные структуры: монослои, липосомы, мицеллы, бислойные мембраны, везикулы и т. д. Полярные группы при этом оказываются ориентированными к жидкости.
Значение и применение в жизни
Помимо взаимодействия воды и масла, можно найти немало подтверждений тому, что гидрофобные вещества встречаются едва ли не повсеместно. Так, чистые поверхности металлов, полупроводников, а также кожа животных, листья растений, хитиновый покров насекомых обладают подобными свойствами.
В природе оба вида веществ имеют важное значение. Так, гидрофилы используются в транспорте питательных веществ в организмах животных и растений, конечные продукты обмена также выводятся при помощи растворов биологических жидкостей. Неполярные вещества же имеют серьезное значение в формировании клеточных мембран, имеющих избирательную проницаемость. Именно поэтому подобные свойства играют важную роль в протекании биологических процессов.
В последние годы ученые разрабатывают все новые гидрофобные вещества, при помощи которых можно защитить различные материалы от смачивания и загрязнения, создавая таким образом даже самоочищающиеся поверхности. Одежда, металлические изделия, стройматериалы, автомобильные стекла — сфер применения множество. Дальнейшее изучение этой темы приведет к разработке мультифобных веществ, которые станут основной для грязеотталкивающих поверхностей. Создав подобные материалы, люди смогут сэкономить время, средства и ресурсы, а также появится возможность снизить степень загрязнения природы чистящими средствами. Так что дальнейшие разработки пойдут на пользу всем.
Капелька росы на гидрофобной поверхности листа
Капля воды на гидрофобной поверхности травы
Не следует путать с гидрофобией — боязнью воды.
Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой[1]. Сама молекула в этом случае называется гидрофобной.
Гидрофобные молекулы обычно неполярны и «предпочитают» находиться среди других нейтральных молекул и неполярных растворителей. Поэтому вода на гидрофобной поверхности, обладающей высоким значением угла смачивания, собирается в капли. А при добавлении в воду гидрофобных жидкостей, в зависимости от плотности, они собираются в изолированные сгустки, либо распределяются по поверхности воды, как происходит с нефтью.
Гидрофобными являются молекулы алканов, масел, жиров и других подобных материалов. Гидрофобные материалы используются для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения полярных и неполярных веществ.
Слово «гидрофобный» часто используется в качестве синонима к слову «липофильный» — «жиролюбивый», хотя это не вполне корректно. Действительно, гидрофобные вещества в целом липофильны, но среди них есть и исключения — например, силиконы, фторопласт.
Химические основы
Согласно термодинамике, материя стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает химическую энергию. Молекулы воды поляризованы и способны образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое так не совсем корректно, так как его источником является взаимодействие гидрофильных молекул воды между собой.[2] Так, две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной. Данный эффект можно наблюдать в явлении разделения фаз, происходящем, например, при расслоении водно-масляной эмульсии.
Сверхгидрофобность
Капля на поверхности Лотоса.
Сверхгидрофобные материалы имеют поверхности, чрезвычайно несклонные к смачиванию (с углом контакта с водой, превышающим 150°). Многие из подобных материалов, обнаруженных в природе, подчиняются закону Кассье и являются двухфазными на субмикронном уровне, причем одним из компонентов является воздух. Эффект лотоса основан на этом принципе. Примером сверхгидрофобного материала-биомиметика в нанотехнологии является нанопин-пленка (англ.)русск.. Показано, что поверхность пентоксида ванадия может переключаться между сверхгидрофобностью (англ.)русск. и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения[3]. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путём нанесения на неё суспензии розеткообразных частиц V2O5, например, с помощью струйного принтера. Тут гидрофобность также вызывается межслойными воздушными полостями (разделёнными расстояниями 2.1 нм). Механизм действия УФ излучения состоит в создании пар «электрон-дырка», в которых дырки реагируют с атомами кислорода в кристаллической решетке, создавая кислородные вакансии на поверхности, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. Кислородные вакансии закрываются водой и такое поглощение воды поверхности ванадия делает её гидрофильной. При продолжительном пребывании в темноте вода замещается кислородом и гидрофильность утрачивается.
См. также
- Гидрофильное покрытие
- Гидрофильность
- Флотация
- Эффект сальвинии[en]
Примечания
- ↑ Aryeh Ben-Na’im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
- ↑ Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): «Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls.» JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450—455. Link to abstract
- ↑ UV-Driven Reversible Switching of a Roselike Vanadium Oxide Film between Superhydrophobicity and Superhydrophilicity Ho Sun Lim, Donghoon Kwak, Dong Yun Lee, Seung Goo Lee, and Kilwon Cho J. Am. Chem. Soc.; 2007; 129(14) pp 4128 — 4129; (Communication) DOI:10.1021/ja0692579
Литература
- Чугунов, А. О. Физическая водобоязнь / А. О. Чугунов, А. А. Полянский, Р. Г. Ефремов // Природа. — 2013. — Вып. 1169, № 1. — С. 24-34.
Ссылки
- Webtool to calculate and plot the hydrophobicity of proteins.
- Hydrophobicity applied — hydrophobic interaction chromatography (dutch)