Водоотталкивающий эффект: Гидрофобность — Википедия – Физическая водобоязнь

Гидрофобность — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Капля воды на гидрофобной поверхности травы

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.

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.

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.

  1. ↑ Aryeh Ben-Na’im
    Hydrophobic Interaction
    Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
  2. ↑ 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
  3. 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

Как добиться гидрофобного эффекта?

 

Гидрофобия — это особенность молекул, которая заключается в том, что они хотят избежать любого контакта с водой. Молекулы — гидрофобы, в большинстве случаев не являются полярными, попадая в водное пространство, они сбиваются в группы и стараются исключить молекулы воды.

Поверхность обработанная гидрофобизаторомПоверхность обработанная гидрофобизатором

Причины боязни воды зданиями

Вода способна разрушать все на своем пути. Здания и дома не исключение. Большинство строительных материалов разрушаются при контакте з жидкостью и влагой.

Основные причины гидрофобии:

  • вода способна, подмывая, разрушать составляющие компоненты цемента, из которого сделали фундамент. Это может закончится обвалом здания;
  • фасадные утеплители разваливаются при контакте с водой;
  • плохо перекрытая крыша может пропускать воду и сгнить, а потом обвалится;
  • сильная сырость в помещении может привести к появлению грибков и плесени.

Список свойств строительных материалов, которые основываются на воздействии воды на растворы:

  • водопоглощение;
  • морозостойкость;
  • влагоотдача;
  • водопроницаемость.

Материалы и их водопоглощение

Водопоглощение это свойство, когда материал способен поглощать влагу, а также удерживать ее. Показатель водопоглощения определяют за разницей веса. Сначала взвешивают сухой образец, а потом пропитывают его водой и тоже взвешивают. Разница в массе и будет этим показателем. Материал насыщается влагой до того, как заполняются все поры в местах, куда трудно попасть. Методы насыщения вещества регулируются ГОСТом.

Пределы водопоглощения очень большие в зависимости от строительного материала и какая есть гидрофобная поверхность.

Процентное отношение водопоглощения некоторых материалов:

  • гранит- 0,7%;
  • керамическая плитка-2%;
  • гидроизоляция-2%;
  • кирпич обыкновенный-20%;
  • бетон массой до 2,5 т-3%.

Насыщают материал таким образом: в кипящую воду частями загружают испытуемый образец. Он некоторое время стоит в этой воде. При таком испытании у материала происходят следующие изменения:

  • увеличивается: вес, объем и теплопроводность
  • уменьшается прочность

Для получения более точных данных, нужно тестировать материалы и в сухом и в насыщенном состоянии. Такой анализ поможет точнее предсказать как поведет себя той или иной материал при контакте с водой или влагой.

Коэффициент размягчения — это взаимоотношение данных теста над материалом в двух состояниях: сухом и насыщенном.

Водостойкими считаются те материалы у которых размягченный коэффициент больше 0,75. Все остальные материалы с коэффициентом ниже 0,75 ни в коем случае не нужно применять под влиянием воды.

Морозостойкость материалов

Если материал насытили водой, а потом заморозили и растопили и так несколько раз, а с ним ничего не произошло, он остался цел, невредим и его свойства не ухудшились то его можно считать морозостойким. Есть такие стройматериалы, которые разваливаются от контакта с водой. Причина проста: лед.

Если материал натянул воды, которая потом замерзает, то в нутрии материала образуются кристаллы льда. Если их много, то они начинают давить на стенку материала. В результате, он теряет прочность, а иногда и форму, а его стенки вполне могут пустить трещины.

Материал считается морозостойким только когда коэффициент размягчения более 0,75. Это объясняется тем, что такие материалы впитывают и поглощают очень мало воды и в них внутри нет сильного давления льда на стенки.

Такие материалы называют плотными. Если материал насыщается водой не более 85% имеющих пор, то он удовлетворительно морозостойкий. Такой материал называют пористый.

Материалы на морозостойкость проверяют следующим образом: насыщенный водой образец помещают в морозильную камеру, дают ему замерзнуть. Потом достают и, поместив в комнатные температуры воду, дают оттаять. Такую процедуру повторяют около 150 раз, все зависит от того, какое предназначение материала в будущем.

В некоторых порах вода замораживается при очень низких температурах. Поэтому, проверку на морозостойкость нужно проводить при температуре мин – 17 градусов. Если после всех процедур строительный материал остался при своем весе, форме, не появились трещины, не полезла краска, то такой материал можно считать морозостойким. Разница в прочности материала на котором испытывали морозостойкость и контрольным образцом должна быть не больше 25%.

Существуют такие марки материалов, в зависимости от количества заморозок:

  • Мрз 200
  • Мрз 100
  • Мрз 150
  • Мрз 50
  • Мрз 35
  • Мрз 25
  • Мрз 15
  • Мрз 10

Ускоренная версия испытания на морозостойкость выглядит так: образец помещают в слабый раствор натрия сернокислотного. Когда он полностью насытится его достают и высушивают за температуры 105 градусов. Такое испытание является более серьезным и если материал его не пройдет, то единственный выход испытывать материал в камерах холода.Влияние мороза на материалыВлияние мороза на материалы

Влагоотдача

В благоприятной среде и наличии нужных условий, некоторые материалы выделяют воду. Это называют влагоотдачей. Влагоотдача определяется весом воды, который потеряет материал, если температура будет 20 градусов, а влажность 60%.

Суховоздушное состояние — это баланс, который устанавливается между воздухом и влажностью строительной конструкции.

Материал в конструкции никогда не бывает сухим. Какой-то процент влаги всегда есть.

Может быть интересно

Водопроницаемость

Когда материал пропускает воду под напором — это называется водопроницаемость. В зависимости от строения различают водонепроницаемость. Строение бывает очень плотное и с мелкими порами. И те, и другие материалы считаются водонепроницаемыми. Испытать на водонепроницаемость возможно только на специальном оборудовании.

Проверка проходит таким образом:

  • положить образец в коническую металлическую форму;
  • бока материала залить парафином;
  • подать снизу воду под сильным напором;
  • собрать в стакан все количество воды, которое пройдет через материал на другую сторону, и взвесить ее.

Для веществ, которые используют для перекрытий помещений (рубероид, черепица), влагонепроницаемость важнее всего.

Гидрофобизаторы: их назначение и классификация

Водоотталкивающие гидрофобные материалы – это единственное средство, способное справится с влагой, от которой рушатся здания. Они придают материалам эффект не смачивания водой, повышают морозостойкость и уменьшают шансы появления коррозии.

Также, они помогают сберечь материал в сыром складе, снижают водопоглощение, сохраняют материал при перевозке на стройплощадку, улучшают внешний вид.  Гидрофобы создают защитный шар на материале, который его сохраняет от внешних вредителей.

Не нужно использовать гидрофобизаторы до завершения строительных работ, так как они проникают вглубь материала лишь на 5 миллиметров и в течении работ могут стереться в зависимости от фобных поверхностей.

Виды гидрофобизации:

  • поверхностная;
  • объемная.

Поверхностная гидрофобизация это распыление гидрофизика на детали конструкции. Объемная гидрофобизация проводится так:

  • просверлить в стене длинные тоннели;
  • залить гидрофобизатор.

Наиболее эффективным считают объемную гидрофикацию, та как гидрофобность поможет уберечь здание в течении всего эксплуатационного срока и дольше.

Использование поверхностного гидрофобизатора

Их можно наносить на любую поверхность, сухую или влажную, в зависимости от цели. Гидрофобизатор поверхностного назначения можно наносить любым удобным способом.

Примеры поверхностных гидрофобизаторов:

  • Асолин-ВС – основу составили олигомерные силоксаны.  Прекрасно защищает фасады и наклонившееся здания от влажности. Обеспечивает гидрофобный эффект. Нельзя наносить на гипс и синтетические краски. Наносят его на влажную поверхность и пока материал не насытится.
  • Бетон индеколор. Надежная защита от атмосферных газов, обеспечивает водонепроницаемость. Выглядит как краска.  Им обрабатываются готовые конструкции как снаружи, так и внутри.
  • MaksKLIR . В основу вошел силикон. Предназначен для защиты внутренней штукатурки и горизонтальных бетонных плит.
  • Полирем ВД-1725. Это грунтовка защищает окрашенные поверхности.
  • Силол жидкость с низкой вязкостью. Атмосферные изменения не имеют воздействия на него. Он, погружаясь в поры, застывает, на цвет и форму не влияет. Уменьшает водопоглощение и повышает водостойкость.
  • Гидрофобизаторы фирмы Ceresit CT 10, 11, 12. Все три представителя воспламеняются при +35 градусов. Они являются универсальными и подходят ко всему, в зависимости от назначения материала, который надо защитить.
  • Гидросил – жидкость. Без цвета, усиливает водоотталкивание, хорошо впитывается материалами. Не изменяет вид снаружи материала.
  • Антиплювиоль –грунтовка. В состав входят силиконовые смолы. Наносить исключительно на сухую поверхность. Не использовать для горизонтальных поверхностей, после обработки не красить.

Назначение объемных гидрофобизаторов

Объемные гидрофобизаторы применяют как внутренние инъекции для материалов.

Инструкция по применению объемного гидрофобизатора:

  • просверлить скважины в стенках материала, не сквозные, в порядке шахматки;
  • заполнить их малой порцией гидрофобизатора;
  • через несколько часов повторить процедуру и так повторять пока он не будет заполнен полностью;
  • замуровать заполненные отверстия цементом.

Примеры объемных гидрофобизаторов:

  • ВД 1710- водный силикатный раствор с добавками. Разбавляют водой. Предназначен для создания водоотталкивающего эффекта для всех типов материалов. Можно использовать как добавку в краску.
  • Полифлюид- жидкий раствор, без цвета. Глубоко проникает, в составе есть синтетические смолы. Не замерзает.
  • Dicom Dump – в составе метиловый силикатный раствор. Используют для кирпичей, бетона, камня.
Поверхность покрытая влагозащитной жидкостьюПоверхность покрытая влагозащитной жидкостью

Другие методы создания гидрофобного эффекта

Добится гидрофобного эффекта можно и другим методом. Для этого нужно добавлять в растворы примесь, в состав которой входит силиконовый компонент. Она усилит уже имеющиеся гидрофобные свойства и придаст новые.

Примеры примеси на силиконовой основе:

  • Латофлекс – водная дисперсия, в основе использованы акриловые смолы. Улучшает свойства нужного вещества. Предотвращает появление трещин.
  • Гидробетон –используют как примесь к бетону и цементу. Усиливает гидроизоляцию используемых образцов.
  • Асолин ДМ – уплотняет бетон, цемент и подходящие. Способствует усилению гидрофобного эффекта, предотвращает появление трещин в бетоне. Замерзает при -2 по Цельсию.
  • Сатурфикс жидкая добавка к цементным и бетонным растворам. Убавляет общее количество пор в структуре материи. Предотвращает повышение в них влаги.

Чтобы здание долго было в эксплуатации, то об этом надо позаботиться заранее. Если строить дом с нуля, то примеси для гидроизоляции помогут обеспечить срок службы дома и избежать ненужных трат в дальнейшем. Ну а если переделывать квартиру, многие профессионалы советуют не экономить на гидроизоляционных материалах, так как грибок в основном болезнь квартир. Такие методы сберегут и деньги, и здоровье всей семьи. Просто надо принять правильное решение.

 

Супергидрофобность в быту или доступные нанотехнологии / Habr

Добрый день, Хабр!

Сегодняшний краткий обзор посвящен составам, позволяющим добиться в домашних условиях супергидрфобности обрабатываемых объектов.

Длительное время ходит много разговоров о потенциале нанотехнологий, в частности, о нанотрубках, графене, фуллеренах и их применениям, которые способны решить все наши проблемы. Словом, очередной технологический прорыв вот-вот на носу. Однако, идут года и особых доступных «революционных» подвижек не набюлюдается. В связи с чем я и решил провести небольшое исследование западного рынка на предмет распространения новых материлов, благодаря которым можно будет упростить себе жизнь. Но обо всем по порядку.

Задача была поставлена просто: отыскать средство для покрытия поверхности для достижения максимальной гидрофобности, т.е. максимального снижения смачиваемости обработанной среды водой(в моем случае, красящей жидкостью, на основе воды). Наиболее простым, и, с точки зрения производства, выгодным, являются порошкообразные эмульсионные системы и составы, при высыхании создающие и/или оставляющие поверхность мизерной шероховатости (за счет заполнения трещин и углублений в материале частицами нанометровых масштабов) и со свойствами низкой интенсивности молекулярного взаимодействия веществ поверхностоной (нанесеной) фазы и жидкой среды.
Таким образом, задача технически состоит в том, чтобы удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела сред была чрезвычайно мала.

На данный момент существует масса средств подобного рода, начиная от автомобильных восков и покрытий типа Umbrella до средств по уходу за обувью(водоотталкивающие покрытия), однако ни одно из использованных мной средств удовлетворительного эффекта не возымело.

В этой связи я вспомнил про давнишний проект (www.neverwet.com) одной американской металлургической компании Ross Technologies и ее подразделения Ross Nanotechnologies, получивший на престижной американской выставке INPEX 2011 (The Invention & New Product Exposition) некую награду «Grand Prix Award».

Эта небольшая компания из Филадельфии производит всевозможные изделия из стали. Кризис всем дал прикурить, и руководству потребовалось срочно решать вопрос сохранности перепроизведенной продукции, в результате чего и было создано подразделение Ross Nanotechnology.

Суть материала в том, что он создает слой супергидрофобного материала на поверхности обработанного предмета. Заявляется АЖ до 175◦ краевой угол смачивания, что, в общем – то, невероятно круто.

Результаты такой низкой смачиваемости вы можете видеть на приложенных видео.

Наиболее полное видео:

и дополнительно с сайта производителя:

В итоге получаем не просто устойчивое к смачиванию водой поверхность, которой можно покрывать не только одежду и электронику, но и противообледенительную, противобактериальную, антикоррозионную самоочищающуюся поверхность. Только представьте- обрабатывать внутреннюю поверхность труб, обшивку корпуса судна, покрывать обувь для максимальной герметичности и сохранения внешнего вида, покрывать электронные платы, покрывать поверхность фюзеляжа самолетов, избегая дорогостоящей «мойки» перед каждым полетом… Идей применения материала не счесть.

И все бы ничего, но данный продукт, как оказалось, получить невозможно. Были совершены звонки, написаны различного содержания привлекательные письма. Ответ один – «Оставьте заявку на сайте, мы ее рассмотрим. Пока розничных продаж нет». Даты продаж в розницу постоянно отодвигались на сайте, что не могло не натолкнуть на сомнения, хотя бы, об экологичности и токсичнсоти продукта. С пониманием того, что в действиетности можно найти на ранке, я отправился на зарубежные форумы, площадки продаж, с надеждой, что у кого—то есть пробники или «отлито в баночку домой», но все как один ищут и никто не предлагает.

Поразмыслив немного, я решил сунуться туда, где могут производить что угодно в промышленных масштабах. Туда, где производится основная масса общедоступной(и не очень) продукции – Китай. В результате небольшого исследования промышленного химического рынка Китая, выявилась некая фабрика Liyang ZiXiLai, производящая собственное гидрофобное покрытие. После проведенных преговоров, были высланы три образца их продукции и инструкции.

Также, китайцами была дана информация о токсичности покрытия NeverWet, и о том, что это не тонкое, а довольно-таки толстое покрытие молочного цвета, что существенно ограничивает возможности применения.

Так или иначе, в банках оказались три разные жидкости: Супергидрофобное, Супергидрофильное и некое Supersmooth покрытие.
Все жидкости были протестированы, и результат оказался далеко не таким, как заявлено. По документации, растворителем – основой оказался этиловый спирт, а частицами… Диоксид титана. Забавно, как производитель смело завил 140◦ краевого угла смачивания и долговечность покрытия. После обработки остается слегка липкая поверхность, напоминающая жировой слой на кухонных вытяжках. смачиваемость та же.



Фотографии не самые показательные, но тем не менее. это свойства поверхности спустя сутки после обработки

Справедливости ради надо сказать, что определенный эффект, все же, был достигнут, но далеко не тот, что ожидался. Фото тестов не прикладываю – водоотталкивающая способность в лучшем случае оказалась примерно такой же, как средства для покрытия стекол автомобилей – ничего, но не фонтан.

Казалось бы, вот и все – если и на китайском рынке нет адекватного качества супергидрофобных покрытий, то их можно и не искать где-либо в ближайшее время. Однако, был обнаружен клон NeverWet, зовущийся Ultra Ever Dry (UltraEverDrystore.com), а так же WaterBeader (waterbeader.com) распространяющи аналогичную смесь. При прямом контакте через почту Ultra Ever Dry выяснилось, что контора небольшая, и в ней есть русский менеджер(имя умолчу), согласившийся на пересылку в Россию набора для покрытия(минимального размера фасовки – по 1 кварту-0.9 литра). Стоимость же пересылки состава составила в районе 600 долларов США. На такой шаг я решиться не смог, поэтому оценку составу дать не могу. Недавно, также, пришло сообщение, что продукт не высылается физическим лицам. Если бы перевод был бы оформлен, сомневаюсь, что дальнейшая связь с конторой была бы продолжена. Остается лишь заметить, что данный состав является так же токсичным, и предназначен только для производственных условий.

В итоге, я продолжаю поиски решений для повседневного «домашнего» использования, хотя и подобные «токсичные» варианты меня так же устроят – есть же респираторы в конце — концов.

Надеюсь, данная статья даст общее представление по вопросу на данный момент для интересующихся.

Гидрофобность — это… Что такое Гидрофобность?

Капля воды на гидрофобной поверхности травы

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. В воде такие молекулы часто кластеризуются с образованием мицелл. Вода на гидрофобных поверхностях собирается в капли с низкими значениями угла смачивания.

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.

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 не склонные 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. В работе [3] показано, что поверхность ванадия пентоксида может переключаться между сверхгидрофобностью и сверхгидрофильностью под действием УФ излучения. Согласно этому исследованию, любую поверхность можно наделить подобным свойством путем 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 гидрофильность утрачивается.

См. также

Примечания

  1. Aryeh Ben-Na’im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
  2. 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
  3. 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

Ссылки

Есть более полная статья

Гидрофобность (гидрофобный эффект)

Гидрофобность, гидрофобный эффект, hydrophobe (от древнегреческих P21,^8,`9,`1, «вода» и `6,a2,^6,_9,`2, – «страх, боязнь») – это наблюдаемая тенденция неполярных веществ [1] соединиться в водном растворе и исключить молекулы воды. Иными словами, гидрофобность – это свойство веществ, состоящих из неполярных молекул, формировать межмолекулярные агрегаты в водной среде, и, аналогичные этому эффекту, внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия.

На макроскопическом уровне, гидрофобный эффект наблюдается, когда при смешивании, масло и вода формируют отдельные слои, или когда вода собирается в капельки на гидрофобных поверхностях, например на поверхности воска.

На молекулярном уровне, гидрофобный эффект является важной силой, отвечающей за образование биологических структур, в частности, сворачивание белков, белок-белковые взаимодействия, образование мембранных липидов [2], структуру нуклеиновых кислот [3] и взаимодействие белков [4] с малыми молекулами.

Гидрофобными являются молекулы жиров, алканов, масел. Материалы с гидрофобными свойствами используются, в том числе для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения неполярных и полярных и веществ.

Не совсем корректно использовать определение «гидрофобный» в качестве синонима к термину «липофильный» («жиролюбивый»). Несмотря на то, что гидрофобные вещества действительно липофильны, однако среди них есть и исключения в виде фторопласта и силиконов.

Причины гидрофобного эффекта сегодня не до конца не известны. Согласно сольвофобной теории [5] обращенно-фазовой хроматографии [6], гидрофобный эффект вызывается потерей водородных связей и высокозатратной энтропией [7] формирования впадины молекулами растворителя вокруг неполярных молекул (данные затраты можно минимизировать, собирая неполярные молекулы вместе). То есть: гидрофобные взаимодействия, в основном, являются энтропийным эффектом, вызванным разрывом динамических водородных связей между молекулами жидкой воды вследствие растворения неполярного вещества.

Углеводородная цепь или подобная ей неполярная группа или молекула способна образовывать водородные связи с водой.

Включение в воду поверхности, не способной к образованию водородных связей, вызывает разрыв 3D-сети водородных связей между молекулами воды. Для минимизации разрыва такой сети, водородные связи между молекулами воды переориентируются тангенциально к неполярной поверхности, что приводит к образованию структурированной водной «клетки» (иными словами, сольватной оболочки [8]) вокруг этой поверхности.

Существуют аминокислоты (например валин и тирозин), у которых R-группы неполярны, и, следовательно, гидрофобны. Если полипептидная цепь [9] содержит значительное количество подобных групп, то в водной среде данная полипептидная цепь стремится свернуться таким образом, чтобы гидрофобные группы сблизились максимально плотно, вытолкнув воду.

Подвижность молекул воды, формирующих указанную «клетку», ограничено. В сольватной оболочке малых молекул, подвижность уменьшается на величины порядка 10% (при растворении Xe, при комнатной температуре, подвижность уменьшается на 30%). Если говорить о длинных неполярных молекулах – вращающаяся и поступательная подвижность молекул воды в сольватной оболочке может уменьшаться в 2-4 раза. Так, при температуре 25 ° C, характерное время вращения молекул воды возрастает с 2 до 4-8 пикосекунд, что приводит к значительному уменьшению трансляционной и вращательной энтропии молекул воды, что делает процесс растворения неполярных молекул невыгодным, то есть подобный процесс повышает энергию Гиббса [10]. Если же неполярные молекулы агрегируют, поверхность их контакта с молекулами воды уменьшается, что минимизирует данный эффект.


Примечания

Примечания и пояснения к статье «Гидрофобность (гидрофобный эффект)».

При написании статьи о гидрофобности (гидрофобном эффекте) в качестве источников использовались материалы информационных и справочных интернет-порталов, сайтов новостей Cell.com, ScienceDirect.com, Nature.com, ScienceDaily.com, Phyche.ac.ru, Википедия, а также следующие печатные издания:

  • Ивенс И., Скейлак Р. «Механика и термодинамика биологических мембран». Издательство «Мир», 1982 год, Москва,
  • Камкин А. Г., Киселева И. С. «Физиология и молекулярная биология мембран клеток. Высшее профессиональное образование». Издательство «Академия», 2008 год, Москва,
  • Кустов А. В. «Гидрофобные эффекты. Структурные, термодинамические, прикладные аспекты. Достижения последних лет». Издательство «Красанд», 2013 год, Москва.

Гидрофобный эффект — Викиверситет

2.1.2. Гидрофобный эффект[править]

Основная группа белков находится в водном окружении. Между атомами O и H существует сильные водородные связи, образующиеся когда водород (H, самый простой элемент) связан с одним атомом, который притягивает электрон, и при этом приближается к другому атому, тоже притягивающему электрон. Но атом углерода (C) недостаточно сильно притягивает электрон, поэтому и не образует водородных связей.

В белках есть много аминокислот с углеводородными боковыми группами. И именно эти группы, боясь воды и убегая от нее, образуют гидрофобное ядро белковой глобулы.

Мы уже косвенно касались этого принципа, когда рассматривали энтропию. При проявлении гидрофобного эффекта энтропия воды падает, потому что молекулы аминокислоты белка загораживают своей поверхностью часть пространства и тем самым угрожают порвать водородные связи воды, но только в том случае, если молекула H будет повернута к аминокислоте.

Вода не хочет жертвовать своей стабильностью, которая уменьшится если разорвутся связи. Поэтому, чтобы избежать потери H-связей, молекулы изворачиваются и частично замораживают рядом с гидрофобной поверхностью аминокислоты свободу своих тепловых движений. Образуется стабильная среда обитания белка.

Поэтому вода H-связей не теряет, но платит за это своей энтропией. При этом потеря свободной энергии на порядок меньше, чем стоила бы потеря H-связей.

Таким образом, белок не растворяется в воде и не завязывает с ней связей, то есть свободен от нее, но в тоже время вода также накладывает условия на то как должны размещаться аминокислоты в белке.

Итак, гидрофобный эффект берет на себя 90 % работы по созданию белковой глобулы, сворачивая первичную цепь во вторичные и третичные структуры белка. Правда сам по себе он не может создать твердый белок, он создает лишь расплавленную белковую глобулу, то есть гидрофобный эффект заставляет аминокислоты держаться вместе, что затем вызывает другие процессы, которые уже придают более точную форму белкам.

Гидрофобный эффект — Справочник химика 21

    Понятие сольвофобные (гидрофобные) эффекты включает два явления сольвофобную (гидрофобную) сольватацию (гидратацию) растворенных молекул L растворителем 8 и сольвофобное (гидрофобное) взаимодействие молекул Т друг с другом (иногда в иностранной литературе вместо слова взаимодействие употребляют слово связь ). Самое общее определение указанных явлений можно сформулировать с учетом исторически сложившихся представлений следующим образом. Сольватация называется сольвофобной, если изменения стандартных энтальпий и энтропий Д 5 рс процесса [c.64]
    Создание гидрофобных эффектов. [c.808]

    Накопление экспериментальных данных по свойствам растворов веществ, проявляющих гидрофильные и гидрофобные эффекты, позволило сформулировать ряд признаков «гидрофобного поведения» для большого количества термодинамических характеристик. Вещества с преимущественно гидрофобным характером взаимодействий в растворе характеризуются следующими соотношениями [23]  [c.194]

    Анализ вкладов оксиэтиленовых групп в величину Л2 и парциальный молярный объем (табл. 4.6) для эфиров 12-краун-4, 15-краун-5 и 18-краун-6 подтверждает этот вывод. Значения вкладов оксиэтиленовых групп в возрастают с увеличением размеров краун-колец, и при л > 5 они близки к значениям для соединений с открытой цепью [43]. Поэтому можно считать, что сольватационное состояние циклических оксиэтиленовых соединений с п 5 или 6 такое же, как если бы эти соединения являлись молекулами с открытой цепью. Необходимо отметить, что увеличение положительного вклада оксиэтиленовых групп в Й2 и У ф с увеличением размеров колец является причиной усиления гидрофобного эффекта. Однако присутствие двух аминогрупп в [c.204]

    Обработку каменных пород рекомендуется проводить 10%-ми растворами КОС. Растворы этой концентрации обладают хорошей проникающей способностью и создают достаточный укрепляющий и оптимальный гидрофобный эффект. [c.95]

    ГО превосходит выгодный вклад изменения энтальпии АН°зэнтропию переноса метана из циклогексановой среды в водную можно интерпретировать как результат увеличения числа водородных связей типа Н2О—Н2О в сольватной оболочке, окружающей находящуюся в растворе аполярную молекулу. Это явление также называют гидрофобным эффектом [220]. [c.54]

    Гидрофобный эффект есть единственная организующая сила, основанная на отталкивании растворителя, а не на взаимном притяжении элементов системы. Вода отталкивает неполярные молекулы, в частности, углеводороды — керосин или масло не смешиваются с водой. [c.105]

    СН,-групп. Гидрофобный эффект определяется свойствами воды — гидрофобные вещества безразличны к неполярным органическим растворителям. [c.106]

    Следует отметить, что наши сведения о строении и структуре растворов неэлектролитов во многом еще не ясны и в деталях противоречивы. Поэтому главным направлением развития исследований в этой области является выяснение общих закономерностей. В этом отношении важную роль играет изучение так называемых гидрофобных эффектов, обусловленных упрочнением связи между молекулами воды при растворении в ней неполярных молекул, неэлектролитов с гидрофобными группами или солей тетраалкил-аммония. Основные особенности гидрофобного взаимодействия проявляются уже при концентрациях добавок неэлектролита, меньших 0,2, а наиболее характерные — при концентрации меньше 0,1 мол. доли. [c.19]


    Вплоть до начала 1970-х годов при чтении литературы по гидрофобным эффектам складывалось впечатление, что обнаружено принципиально новое явление, не вписывающееся в рамки известных представлений физики жидкого состояния. Трудно сказать, почему это было так. Возможно, потому, что эксперимент принадлежал химикам, а физики еще не создали, как и по сей день, теории, из уравнений которой можно было бы сразу получить анализ всех допустимых вариантов поведения бинарных систем. Однако к концу 1970-х годов этот странный туман рассеялся и стало ясно, что он возник из-за путаницы в двух положениях возможности описания гидрофобных эффектов стандартными методами статистической механики и детальной наглядной расшифровки молекулярного механизма возникновения сольвофобных эффектов, наблюдаемых по макроскопическим свойствам растворов. Было понято, что существование сольвофобных эффектов представляет ничуть не большее отклонение от нормы, чем сосуществование сильных и слабых электролитов в одном и том же растворителе. Хотя вопрос, почему одни сильные, а другие слабые, вполне естествен, тем не менее все знают, что для описания свойств их растворов применяется один и тот же общий метод, построенный на общих принципах. По этим причинам не существует и, строго говоря, не может существовать теории сольвофобных эффектов, есть лишь их теоретические исследования. [c.65]

    Избежать осложняющего интерпретацию учета уравнений (54) и (55) можно в случае, если молекула Ь обладает сферической симметрией поля. Этому условию идеально удовлетворяют только атомы благородных газов. Простота молекулярного строения обеспечивает также возможность применения теорий, справедливых для простых объектов. Поэтому изучение растворимости аргона давно стало инструментом познания или по крайней мере сравнения свойств различных растворителей. Наиболее обширный материал накоплен в этой области фундаментальными исследованиями Г.А. Крестова и его школы. Важнейший с позиций рассматриваемого здесь вопроса результат этих исследований состоит в обнаружении минимума на температурной зависимости растворимости аргона в ряде многоатомных спиртов [59], известного и для растворов аргона в воде. Авторы [59] заключили, что условием минимума растворимости является не особенность структуры воды, а наличие у, нее пространственной сетки водородных связей, имеющейся также и в исследованных ими спиртах, структура которых, конечно, не аналогична структуре воды. Таким образом, если считать, что особенность водных растворов связана с гидрофобными эффектами, то можно сделать вывод, что в спиртовых растворах обнаружены сольвофобные эффекты. Интерпретация растворимости аргона в бинарных растворах 8 + Ь в целом сложнее из-за необходимости учитывать не только взаимодействие Аг—Аг, но и взаимодействие Аг—Ь, и понимая необходимость усреднения по ориентациям Ь, тем не менее из ее изучения оказывается возможным получить выводы. [c.89]

    Стадия П. Сольватация частиц газа и сопровождающие ее гидрофобные эффекты, включая структурные изменения растворителя ван-дер-вааль-совское взаимодействие молекул газа с окружающими молекулами растворителя гидрофобное взаимодействие между молекулами газа (этот вклад при малой концентрации газа может не учитываться).  

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о