Гидрофильные и гидрофобные вещества доклад
Обновлено: 19.05.2024
Следовательно, гидрофильные вещества обычно растворимы или смешиваются с водой. Однако гидрофильность, то есть ее сродство к воде и другим полярным растворителям, связана не только с самой растворимостью, но и со степенью смачиваемости, которая существует между водой и поверхностями этих веществ или материалов. .
Таким образом, гидрофильные поверхности легче намокнуть или отсыревать, чем гидрофобные, которые ненавидят воду или отталкивают ее. Первые сглаживают капли воды рядами, а вторые делают их круглыми и выступающими. Визуализация этих капель - один из основных факторов, позволяющих отличить гидрофильный материал от гидрофобного.
Концепция гидрофильности необходима для понимания химии поверхности, растворов, границ раздела фаз и амфифильного характера таких веществ, как белки и жирные кислоты.
Использование термина гидрофильный или гидрофильный
Следовательно, мы говорим о гидрофильной молекуле или гидрофильной, если ее сродство к воде очень велико по определенным соображениям. Например, сахароза - это гидрофильное соединение, что означает то же самое, что сказать, что оно является гидрофильным, поскольку его кристаллы легко растворяются в любом объеме воды.
Рассматриваемая молекула может иметь гидрофильные структурные сегменты или части, которые вполне могут состоять из углеродного скелета или просто полярной группы. Когда речь идет о группе, мы обычно говорим, что это гидрофильная группа, которая способствует гидрофильности молекулы или поверхности, к которой она принадлежит.
Характеристики гидрофильных веществ
Ковалентность
Гидрофильные вещества - это ковалентные соединения, что означает, что их единицы состоят из молекул, а не ионных сетей. Следовательно, хотя соли обычно хорошо растворяются в воде, даже в большей степени, чем многие гидрофилы, их обычно не называют таковыми, поскольку они не состоят из молекул.
С другой стороны, не все соли растворимы в воде, такие как хлорид серебра, AgCl, поэтому их нельзя отнести к гидрофильным.
Полярность
Чтобы молекула была гидрофильной, она должна иметь определенную полярность. Это возможно только в том случае, если в его структуре есть полярные группы, такие как -OH, -SH, -NH.2, -COOH и т. Д., Так что они вносят вклад в его постоянный дипольный момент и, следовательно, в его гидрофильность.
Взаимодействия
Гидрофилы известны выше других соединений из-за их способности образовывать водородные связи с молекулами воды. Обратите внимание, что упомянутые выше полярные группы обладают способностью отдавать водороды или принимать их с образованием таких мостиков, которые представляют собой особый тип диполь-дипольных взаимодействий.
Твердые состояния
Гидрофилы могут быть газообразными, жидкими или твердыми веществами, причем последние два являются наиболее распространенными.
Гидрофильные жидкости смешиваются с водой, поэтому при смешивании не будет видно двух фаз.
Между тем, гидрофильные твердые вещества растворяются в воде или очень легко впитывают ее; но, кроме того, некоторые из них могут намокнуть или стать влажными, не растворяясь вообще, поскольку, хотя их поверхность гидрофильна, их внутренняя масса не полностью. Так обстоит дело со многими полимерными материалами, такими как химически модифицированные силиконы.
Гидрофильные поверхности
Гидрофильные поверхности являются предметом изучения химии поверхностей. Они не растворяются в воде, но могут намокнуть и сгладить капли воды, которые оседают на нем. Это потому, что они имеют внешние гидрофильные группы, которые эффективно взаимодействуют с молекулами воды.
Капля воды образует с гидрофильной поверхностью контактный угол менее 90º, что означает то же самое, что и уплощенную, не очень сферическую или круглую форму.
Настолько, что капли в конечном итоге расширяются и стекают, как ряды жидкости. Например, это свойство используется для предотвращения запотевания поверхности туманом, поскольку вода почти не касается воды, которая конденсируется и скатывается вниз.
Наша кожа гидрофильна, так как капли на ней сплющиваются и скользят; кроме случаев, когда они смазаны маслом или кремом. Тогда капли воды будут круглыми и четкими, потому что поверхность временно стала гидрофобной.
Примеры гидрофильных веществ
Аммиак
Аммиак, NH3, является гидрофильным, поскольку его молекула может образовывать несколько водородных связей с водой. Это делает его очень растворимым в воде как в газообразном, так и в жидком состоянии.
Щавелевая кислота
Щавелевая кислота, H2C2ИЛИ4, является гидрофильным, поскольку его твердое вещество хорошо растворяется в воде из-за водородных связей, которые он может образовывать с двумя своими группами -COOH.
Метанол
Метанол, CH3ОН является гидрофильным благодаря своей ОН-группе.
Спирты
Спирты обычно являются гидрофильными веществами, если их углеродный скелет не очень большой. Например, 1-пропанол и 2-пропанол смешиваются с водой, но это не относится к 1-бутанолу, смешиваемость которого снижена из-за его более длинной углеродной цепи.
Крахмал
Крахмал является примером гидрофильного полимера, поскольку его звенья глюкозы имеют несколько групп ОН, с которыми он образует водородные связи с молекулами воды.
Дерево
Древесина гидрофильна и, хотя она не растворяется в воде, быстро намокает, если на нее не наносить гидрофобные покрытия.
Протеин
Белки имеют полярные группы, тесно связанные с водой. Следовательно, его взаимодействие с молекулами воды эффективно. Однако это не означает, что все белки растворимы в воде, поскольку их структуры (третичные и четвертичные) играют фундаментальную роль в этом процессе растворения.
Стекло
Стекло является гидрофильным материалом, потому что, хотя оно состоит не из молекул, а из сеток SiO2 Трехмерные атомы кислорода могут принимать водородные связи из воды. Это причина того, что стеклянные очки потеют во влажной среде.
Гидрофильность и гидрофобность — два физических свойства-антагониста. Что это такое, как использовать их положительные свойства и бороться с отрицательными, как ими управлять — тема данной статьи.
Владимир Уразаев
Основные понятия
Оба термина были предложены Ж. Перреном в 1905 году. Эти термины произошли от греческих слов: hydor — вода, phileo — люблю, phobos — страх [1]. Таким образом, в дословном переводе гидрофильность означает любовь к воде, а гидрофобность — страх, неприязнь по отношению к ней. Если молекулы вещества сильно взаимодействуют с водой, например, образуя водородные связи, то говорят о его гидрофильности, а при слабом взаимодействии молекул говорят о гидрофобности. Гидрофильность присуща веществам, близким по химическому строению с водой, и, наоборот, гидрофобными свойствами обладают вещества, очень далекие от воды по своей химической структуре.
Мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия является поверхностное натяжение на границе раздела вещества и воды. Чем больше гидрофильность вещества, тем ниже поверхностное натяжение. Гидрофильность и гидрофобность поверхности количественно оцениваются краевым углом смачивания Θ. Этот угол измеряется между поверхностью и водой внутри воды (рис. 1).
Если Θ 90°, поверхность гидрофобна. На гидрофобных поверхностях вода собирается в капли (рис. 16). Гидрофобность можно рассматривать и как малую степень гидрофильности, поскольку все вещества обладают ею в большей или меньшей степени.
Углеводороды, имеющие низкую работу когезии, растекаются по большинству поверхностей, за исключением фторопласта. Поэтому олеофобность и олеофильность могут быть охарактеризованы только по углу избирательного смачивания, который измеряется при нанесении капли одной жидкости (например, масла) на поверхность раздела твердого тела с другой жидкостью (водой), рис. 1в.
Поскольку гидрофильность является характеристикой (мерой) интенсивности межмолекулярного взаимодействия воды и поверхности твердого тела, то ее степень можно количественно выразить не только краевым углом смачивания, но и дифференциальной теплотой смачивания поверхности данного тела водой или теплотой адсорбции водяного пара [2].
Понятия гидрофильности и гидрофобности применимы не только к макроскопическим телам (фазам), у которых они являются свойствами поверхности, но и к отдельным молекулам и даже к их функциональным группам. В таблице 1 приведена последовательность атомных группировок в порядке уменьшения их сродства к воде [3].
б — смачивание водой гидрофобной поверхности; в — избирательное смачивание гидрофобной поверхности
Гидрофильно-гидрофобное взаимодействие в пределах одной молекулы реализуется в поверхностно-активных веществах (ПАВ). Эти вещества содержат гидрофильную (полярную) группировку и гидрофобную углеводородную цепь. Соотношение между этими частями молекул ПАВ определяет их гидрофильно-гидрофобный баланс.
Гидрофильно-гидрофобным балансом должны обладать и растворители, используемые в производстве лаков, красок и покрытий на их основе. Иногда этот баланс реализуется в пределах молекул одного растворителя. Чаще используется смесь растворителей, обладающих преимущественно гидрофильными свойствами (спирты и др.) и преимущественно гидрофобными свойствами (предельные углеводороды и др.).
Кто кого
С явлениями гидрофильности и гидрофоб-ности приходится постоянно сталкиваться при реализации макро- и микротехнологий, применяемых в производстве радиоэлектронной аппаратуры. В некоторых случаях данные явления удается очень удачно использовать, в иных — подобные столкновения напоминают непримиримую борьбу.
Значительный прогресс в области полимерной химии и, как следствие, широкое использование в электронной технике материалов на основе полимеров можно только приветствовать. Благодаря этому достижения электроники стали доступны каждому. Но практически все полимеры или материалы на основе полимеров диффузионнопроницаемы. Проще говоря, вода способна преодолевать практически любые полимерные барьеры.
Следующий принципиально важный момент — электроизоляционные свойства абсолютно сухого полимера и электроизоляционные свойства полимера, содержащего воду, разнятся. Сравнение явно не в пользу последнего. Причем изменения измеряются не единицами, а порядками. Кроме того, вода обычно содержит множество примесей, в том числе и ионогенных. И чем дальше находится вода от своего гипотетического абсолютно чистого состояния, тем больше получается порядков.
Самое неприятное то, что абсолютно сухих полимеров так же, как и абсолютно чистой воды, не бывает. Каждому полимеру или материалу на основе полимеров при определенных условиях соответствует свое равновесное значение влагосодержания. Водопоглощение даже самых лучших современных базовых материалов для печатных плат (стеклотекстолитов) измеряется долями процента.
Поверхность подавляющего большинства печатных плат, как бы нам ни хотелось обратного, гидрофильна. К сожалению, эпоксидное, фенолоформальдегидное, да и большинство других полимерных связующих подложек печатных плат имеют большое сродство к воде. Явление гидрофобности наблюдается лишь на поверхности стеклотекстолита с фторопластовым (политетрафторэтиленовым) связующим (ФАФ). Вода на этой поверхности собирается в шарики, которые так и норовят скатиться с поверхности. Краевой угол смачивания равен 113°. Но массовому использованию гидрофобных диэлектрических подложек печатных плат типа ФАФ противодействует множество причин. Политетрафторэтилен примерно на порядок дороже, чем эпоксидная смола. Поэтому прежде чем использовать такие материалы, приходится много раз подумать. И размышления обычно заканчиваются тем, что стеклотекстолит с нетрадиционным связующим применяется только там, где он незаменим или почти незаменим — в высокочастотной технике.
Гидрофильные свойства поверхностей приветствуются при реализации клеевых соединений. Адгезия (от латинского adhaesio — притяжение, сцепление, прилипание) — явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз. Адсорбционная (молекулярная) теория рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими поверхностями адгезива и субстрата. С этой точки зрения очень важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными (гидрофильными) функциональными группами. В некоторых случаях даже была установлена количественная связь между адгезионной прочностью клеевого соединения и концентрацией полярных групп в адгезиве.
В радиоэлектронике, на первый взгляд, задача гораздо проще. Вопрос вроде бы уже наполовину решен. В отличие от человека печатные узлы влагу не генерируют. Они нуждаются только в защите от нее извне. Поэтому гидрофобные свойства используемых веществ обычно приветствуются, а вот с гидрофиль-ностью приходится бороться. И такая борьба пока идет с переменным успехом. Хотя в некоторых случаях влагозащитные покрытия печатных узлов также могут (должны?) быть одновременно и гидрофобными, и гидрофильными [5]. Любое реальное влагозащитное покрытие все-таки проницаемо для молекул воды, а потому оно должно быть гидрофобным по отношению к воде, проникающей в печатный узел извне, и гидрофильным по отношению к воде, отдаваемой печатным узлом в окружающую среду.
Капиллярные явления
С явлениями гидрофильности и гидрофобности тесно связаны другие явления — капиллярные. На первый взгляд, большинство окружающих нас тел представляют собой монолит. Капиллярные явления явно видны разве только при растворении кусочка сахара. На второй взгляд, практически все тела представляют собой капиллярно-пористые структуры. Различия лишь в величине радиуса капилляров, который изменяется от нескольких нм (внутримолекулярная пористость) до десятков-сотен мкм (микропоры в керамике) [6]. Для сравнения: размер молекулы воды составляет 0,27 нм.
Рис. 2. Капиллярное поднятие жидкости (а) и капиллярная конденсация (6), где: г — радиус капилляра, Θ — краевой угол смачивания, h — высота подъема жидкости, 1 — длина перемещения жидкости в капилляре
Капиллярными называют поверхностные явления на границе жидкости с другой средой, связанные с искривлением ее поверхности. При контакте жидкости с твердым телом происходит искривление поверхности раздела в результате действия межфазного натяжения. Если твердое тело смачивается (гидрофильная поверхность + вода), то силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела заставляют ее подниматься по стенке сосуда, а участок жидкости, прилегающий к твердому телу, принимает вогнутую форму. В капиллярах образуется вогнутый мениск (рис. 2а). Величина капиллярного давления (Ар) связана со средним радиусом кривизны поверхности (г) уравнением Лапласа:
где σ — поверхностное натяжение.
Искривление поверхности жидкости приводит к изменению над ней равновесного давления пара (р) по сравнению с давлением насыщенного пара над плоской поверхностью (ps). Над вогнутым мениском давление насыщенных паров воды ниже. Поэтому создаются благоприятные условия для дополнительного поглощения паров воды в результате капиллярной конденсации (рис. 26).
На основании уравнения Кельвина рассчитывают заполнение капилляров или пористых тел при капиллярной конденсации. Предельное количество воды достигается при р = ps, что отвечает плоской поверхности раздела (заполнению всех пор водой).
Пары воды адсорбируются на гидрофильных участках поверхности пор и капилляров. Большая удельная поверхность пор и капилляров способствует увеличению количества адсорбированных молекул воды, и при высоких значениях относительной влажности воздуха адсорбционные слои в узких капиллярах (порах) могут сливаться с образованием вогнутых менисков.
Если поверхность капилляров гидрофобна, то в капиллярах наблюдается выпуклый мениск. Капиллярное давление изменяет знак — становится отрицательным. Соответственно, над таким мениском наблюдается не пониженное, а повышенное давление паров воды. Объективные причины для капиллярной конденсации отсутствуют. Поэтому гидрофобизация объема диэлектрической подложки печатных плат или хотя бы ее поверхности — вековая мечта конструкторов и технологов радиоэлектронной аппаратуры.
Примеры удачного решения проблемы гидрофобизации поверхности печатных плат — использование полимерных покрытий крем-нийорганической природы и покрытий на ос-
Поверхностно-активные вещества
Обычное мыло (твердое — натриевые соли карбоновых кислот и жидкое — калиевые соли карбоновых кислот) относится к анионак-тивным ПАВ. Анионактивные ПАВ содержат в молекуле одну или несколько полярных групп
В катионактивных ПАВ поверхностной активностью обладают катионы с длинной гидрофобной цепью. Амфотерные ПАВ также содержат гидрофильную и гидрофобную части. В зависимости от величины рН среды они проявляют свойства катионактивных и анионактивных ПАВ.
ПАВ находят широкое применение в технологиях отмывки печатных плат и печатных узлов. По ряду объективных причин для этих целей используются неионогенные ПАВ. Неионогенные ПАВ практически вытеснили мыло из обыденной жизни. Причина в том, что анионактивные ПАВ в обычной (жесткой) воде работают не как ПАВ, а скорее, как регуляторы жесткости воды. Они высаждаются из воды кальциевыми и магниевыми солями, придающими воде жесткость. В технологиях отмывки печатных плат использование жесткой воды не приветствуется. Но остатки ионогенных ПАВ в любом случае создают на поверхности печатных плат условия для нежелательной проводимости. И удалить такие вещества с поверхности печатных плат в силу их поверхностной активности не так просто.
Причина предпочтения, которое отдается неионогенным ПАВ, кроется в их названии. Неионогенные ПАВ не диссоциируют в воде с образованием ионов. Их растворимость в во-
де обусловлена наличием в молекулах гидрофильных эфирных и гидроксильных групп чаще всего полиэтиленгликолевой цепи. Получение неионогенных ПАВ в большинстве случаев основано на реакции присоединения этиленоксида к спиртам, карбоновым кислотам, алкилфенолам и другим химическим соединениям.
Серьезную проблему представляет очистка сточных вод от ПАВ в связи с токсичностью некоторых из них и низкой скоростью разложения. По этим причинам производство неионогенных ПАВ на основе алкилфенолов (ОП-7, ОП-10 и др.) было прекращено. В настоящее время предпочтение отдано неионогенным ПАВ на основе алифатических соединений (ДС-Юидр.).
Общей мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью тела; её можно определить по теплоте смачивания (См. Смачивание), если вещество данного тела нерастворимо. Гидрофобность следует рассматривать как малую степень гидрофильности, т.к. между молекулами воды и любого тела всегда будут действовать в большей или меньшей степени межмолекулярные силы притяжения. Г. и г. можно оценить по растеканию капли воды на гладкой поверхности тела. На гидрофильной поверхности капля растекается полностью, а на гидрофобной — частично, причём величина угла между поверхностями капли и смачиваемого тела зависит от того, насколько данное тело гидрофобно. Гидрофильны все тела, в которых интенсивность молекулярных (атомных, ионных) взаимодействий достаточно велика. Особенно резко выражена гидрофильность минералов с ионными кристаллическими решётками (например, карбонатов, силикатов, сульфатов, глин и др.), а также силикатных стекол. Гидрофобны металлы, лишённые окисных плёнок, органические соединения с преобладанием углеводородных групп в молекуле (например, парафины, жиры, воски, некоторые пластмассы), графит, сера и др. вещества со слабым межмолекулярным взаимодействием.
Понятия Г. и г. применимы не только к телам или их поверхностям, но и к единичным молекулам или отдельным частям молекул. Так, в молекулах поверхностно-активных веществ (См. Поверхностно-активные вещества) различают гидрофильные (полярные) и гидрофобные (углеводородные) группы. Гидрофильность поверхности тела может резко измениться в результате адсорбции таких веществ.
Повышение гидрофильности называют гидрофилизацией, а понижение — гидрофобизацией. Оба эти явления играют важную роль при обогащении руд методом флотации (См. Флотация). В текстильной технологии гидрофилизация тканей (волокон) необходима для успешного крашения, беления, стирки и т.д., а гидрофобизация — для придания тканям водостойкости и непромокаемости (см. Гидрофобные покрытия).
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Полезное
Смотреть что такое "Гидрофильность и гидрофобность" в других словарях:
Гидрофильность и гидрофобность — (от греч. hydor вода и philia любовь или phуbos боязнь, страх * a. wetting ability hydrophoby; н. Hydrophilie und Hydrophobie; ф. hydrophilite et hydrophobie; и. hidrofilia e hidrofobia) понятия, характеризующие сродство веществ или… … Геологическая энциклопедия
ГИДРОФИЛЬНОСТЬ И ГИДРОФОБНОСТЬ — (от греч. hydor вода, phileo люблю, phobos боязнь, страх), понятия, характеризующие сродство тв. тела к воде, обусловленное силами межмолекулярного взаимодействия и обнаруживающееся в явлениях смачивания. Г. и г. частный случай лиофильности и… … Физическая энциклопедия
Гидрофильность — (от др. греч. ὕδωρ вода и φιλία любовь) характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой. Наряду с гидрофобностью… … Википедия
Гидрофобность — Капелька росы на гидрофобной поверхности листа … Википедия
Лиофильность и лиофобность — (от греч. lýo растворяю, philéo люблю и phóbos страх) характеристики способности веществ или образуемых ими тел к межмолекулярному взаимодействию с жидкостями. Интенсивное взаимодействие, т. е. достаточно сильное взаимное притяжение… … Большая советская энциклопедия
ЛИОФИЛЬНОСТЬ И ЛИОФОБНОСТЬ — (от греч. lyo растворяю, philed люблю и phobos страх), характеристики межмолекулярного взаимодействия в ва и среды (напр., воды, углеводорода), в к рой оно находится. В случаях, когда средой служит вода, используют обычно термины гидрофильность и … Химическая энциклопедия
Амфифильность — (иначе дифильность) свойство молекул веществ (как правило, органических), обладающих одновременно лиофильными (в частности, гидрофильными) и лиофобными (гидрофобными) свойствами[1]. Содержание 1 Описание 2 Иллюстрация … Википедия
Гидрофильные коллоиды — дисперсные системы, в которых диспергированное вещество взаимодействует с дисперсной средой (водой). См. Гидрофильность и гидрофобность … Большая советская энциклопедия
Гидрофобные коллоиды — дисперсные системы, в которых диспергированное вещество не взаимодействует с дисперсной средой (водой). См. Гидрофильность и гидрофобность … Большая советская энциклопедия
Гидрофобные покрытия — тонкие слои несмачивающихся водой веществ на поверхности гидрофильных материалов. Г. п. часто называют водоотталкивающими, что неправильно, т.к. молекулы воды не отталкиваются от них, а притягиваются, но крайне слабо (см. Гидрофильность и … Большая советская энциклопедия
Деление веществ на группы по отношению к воде
Гидрофильность, наряду с гидрофобностью, относится к отдельным молекулам, их группам, атомам, ионам. Также этими свойствами характеризуют твердые тела. Обе группы веществ имеют важное значение в природе и хозяйственной деятельности. Изучение гидрофильности и гидрофобности веществ в составе клетки — предмет изучения биохимии.
Группы соединений по отношению к воде:
Клетки содержат несколько тысяч веществ, участвующих в биохимических реакциях. Многие из них могут протекать только в водных растворах. Поэтому растворимость играет важную роль в осуществлении всех биохимических процессов.
Гидрофильные соединения
Гидрофильными веществами являются:
- многие минеральные соли и кислоты;
- низшие карбоновые кислоты;
- моносахариды;
- аминокислоты;
- низшие спирты.
Молекула воды является диполем: на атоме кислорода сосредоточен отрицательный, на атомах водорода — положительный заряд. В гидрофильных частицах тоже есть противоположно заряженные участки. Частицы таких соединений обладают высокой энергией притяжения к молекулам Н2О. Вода создает гидратную оболочку, окружающую высокомолекулярные соединения (белки, полисахариды). Гидрофильность веществ проявляется в интенсивном взаимодействии, высокой смачиваемости и способности хорошо впитывать воду.
Гидрофобные соединения
Углеводороды, нуклеиновые кислоты, некоторые белки, уголь, сажа, сера хорошо растворимы в органических растворителях, например, в эфире. Легко определить, какие из перечисленных веществ являются гидрофобными. Это соединения, которые не растворяются в воде (полярном растворителе).
Примеры гидрофобных веществ:
- животный жир, растительное масло и другие липиды;
- высшие карбоновые кислоты;
- нуклеиновые кислоты;
- большинство белков;
- полисахариды.
Энергия притяжения многих белков, липидов, полисахаридов, нуклеиновых кислот к молекулам воды меньше энергии водородных связей Н2О. Из представленных соединений гидрофобными являются преимущественно высокомолекулярные вещества. Они не взаимодействуют с водой, но в небольших количествах адсорбируют ее. Поэтому абсолютно гидрофобных веществ не бывает.
Читайте также: