למישהו בבית הספר היה מזל בשיעור כימיה לא רק לכתוב מבחנים משעממים ולחשב מסה טוחנית או לציין ערכיות, אלא גם לראות כיצד המורה עורכת ניסויים. תמיד, כחלק מהניסוי, כמו בקסם, הנוזלים במבחנות שינו את צבעם באופן בלתי צפוי, ומשהו אחר עלול להתפוצץ או להישרף יפה. אולי לא כל כך מרהיב, אבל עדיין ניסויים מעניינים שבהם נעשה שימוש בחומרים הידרופיליים והידרופוביים. אגב, מה הם ולמה הם סקרנים?
נכסים פיזיים
בשיעורי כימיה, עוברים על היסוד הבא מהטבלה המחזורית, כמו גם על כל החומרים הבסיסיים, דיברנו בהכרח על המאפיינים השונים שלהם. במיוחד נגעו בתכונות הפיזיקליות שלהם: צפיפות, מצב צבירה בתנאים רגילים, נקודות התכה ורתיחה, קשיות, צבע, מוליכות חשמלית, מוליכות תרמית ועוד רבים אחרים. לפעמים דיברו על מאפיינים כמו הידרופוביות או הידרופיליות, עם זאת, ככלל, הם לא מדברים על זה בנפרד. בינתיים, מדובר בקבוצה מעניינת למדי של חומרים שניתן להיתקל בהם בקלות בחיי היומיום. אז זה לא במקוםילמד עליהם עוד.
חומרים הידרופוביים
ניתן לקחת דוגמאות בקלות מהחיים. אז, אתה לא יכול לערבב מים עם שמן - כולם יודעים את זה. הוא פשוט לא מתמוסס, אלא נשאר צף כבועות או כסרט על פני השטח, מכיוון שהצפיפות שלו קטנה יותר. אבל למה זה ואיזה חומרים הידרופוביים אחרים קיימים?
בדרך כלל קבוצה זו כוללת שומנים, כמה חלבונים וחומצות גרעין, כמו גם סיליקונים. שמם של החומרים מגיע מהמילים היווניות הידור - מים ופובוס - פחד, אך אין זה אומר שהמולקולות מפחדות. רק שהם מעטים או בלתי מסיסים לחלוטין, הם נקראים גם לא קוטביים. הידרופוביות מוחלטת אינה קיימת, אפילו אותם חומרים שלכאורה אינם מקיימים אינטראקציה עם מים כלל, עדיין סופחים אותם, אם כי בכמויות זניחות. בפועל, המגע של חומר כזה עם H2O נראה כמו סרט או טיפות, או שהנוזל נשאר על פני השטח ולוקח צורה של כדור, שכן יש לו את הקטן ביותר. שטח פנים ומספק מגע מינימלי.
תכונות הידרופוביות מוסברות על ידי המבנה הכימי של חומרים מסוימים. זה נובע מהמשיכה הנמוכה למולקולת המים, כפי שקורה, למשל, עם פחמימנים.
חומרים הידרופיליים
השם של הקבוצה הזו, כפי שניתן לנחש, מגיע גם ממילים יווניות. אבל במקרה זה, החלק השני של פיליה הוא אהבה, וזה מאפיין בצורה מושלמת את מערכת היחסים של חומרים כאלה עם מים -"הבנה הדדית" מלאה ומסיסות מעולה. קבוצה זו, הנקראת לעיתים "קוטבית", כוללת אלכוהול פשוטים, סוכרים, חומצות אמינו וכו'. בהתאם, יש להם מאפיינים כאלה, שכן יש להם אנרגיית משיכה גבוהה למולקולת המים. באופן קפדני, למעשה, כל החומרים הינם הידרופיליים במידה רבה או פחותה.
Amphiphilicity
האם קורה שלחומרים הידרופוביים יכולים להיות בו זמנית תכונות הידרופיליות? מסתבר שכן! קבוצת חומרים זו נקראת דיפילית, או אמפיפילית. מסתבר שלאותה מולקולה יכולים להיות במבנה שלה גם יסודות מסיסים - קוטביים, וגם אלמנטים דוחי מים - לא קוטביים. לתכונות כאלה, למשל, יש כמה חלבונים, שומנים, חומרים פעילי שטח, פולימרים ופפטידים. בעת אינטראקציה עם מים, הם יוצרים מבנים על-מולקולריים שונים: חד-שכבות, ליפוזומים, מיצלות, ממברנות דו-שכבתיות, שלפוחיות וכו'. במקרה זה, מתברר כי קבוצות קוטביות מכוונות לכיוון הנוזל.
משמעות ויישום בחיים
בנוסף לאינטראקציה של מים ושמן, ישנן עדויות רבות לכך שחומרים הידרופוביים נמצאים כמעט בכל מקום. לכן, למשטחים נקיים של מתכות, מוליכים למחצה, כמו גם עור של בעלי חיים, עלי צמחים, כיסוי כיטין חרקים יש תכונות דומות.
בטבע, שני סוגי החומרים חשובים. לפיכך, הידרופילים משמשים להובלת חומרים מזינים באורגניזמים של בעלי חיים וצמחים, תוצרי קצהחליפין מופרשים גם באמצעות תמיסות של נוזלים ביולוגיים. לחומרים לא קוטביים חשיבות רבה ביצירת קרומי תאים בעלי חדירות סלקטיבית. לכן תכונות כאלה ממלאות תפקיד חשוב במהלך של תהליכים ביולוגיים.
בשנים האחרונות מדענים מפתחים יותר ויותר חומרים הידרופוביים חדשים, בעזרתם ניתן להגן על חומרים שונים מפני הרטבה וזיהום, וכך ליצור אפילו משטחים מתנקים מעצמם. ביגוד, מוצרי מתכת, חומרי בניין, זכוכית לרכב - ישנם תחומי יישום רבים. מחקר נוסף בנושא זה יוביל לפיתוח חומרים מולטיפוביים שיהפכו לבסיס למשטחים דוחי לכלוך. באמצעות יצירת חומרים כאלה, אנשים יכולים לחסוך זמן, כסף ומשאבים, וניתן יהיה גם להפחית את מידת הזיהום של הטבע עם מוצרי ניקוי. אז פיתוחים נוספים יועילו לכולם.
