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:
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. http://fb.ru/article/133638/ chto-takoe-gidrofobnyie- veschestva
2.http://www.schoolhels.fi/ school/school_today/ dostigeniya/2012_2013/ nanotexnologiya/page6.htm
3.http://побиологии.рф/ Биологический-словарь/Г/265- Гидрофобные-вещества
| 1. Строение молекулы воды. | ||
|
Вода имеет полярную молекулу. Кислород как более
электроотрицательный атом оттягивает на себя общую с атомом
водорода электронную плотность к себе и потому несет частичный
отрицательный заряд; атомы водорода, от которых электронная
плотность смещена, несут частичный положительный заряд. Таким
образом, молекула воды представляет собой
диполь
,
т.е. имеет положительно и отрицательно заряженные участки. (Модель справа объемная, ее можно вращать при помощи нажатой левой кнопки мыши.) |
|
2. Водородные связи.
3. Вода как растворитель. |
alt="Your browser understands the |
По отношению к воде все практически вещества можно разделить на две группы:
1. Гидрофильные
(от греч. "филео" - любить,
имеющие положительное сродство к
воде
). Эти вещества
имеют полярную молекулу, включающую
электроотрицательные атомы (кислород,
азот, фосфор и др.). В результате
отдельные атомы таких молекул также
обретают частичные заряды и образуют
водородные связи с молекулами воды.
Примеры: сахара, аминокислоты,
органические кислоты
.
2. Гидрофобные
(от греч. "фобос" - страх,
имеющие отрицательное сродство к
воде
). Молекулы таких
веществ неполярны и не смешиваются с
полярным растворителем, каковым
является вода, но хорошо растворимы
в органических растворителях,
например, в эфире, и в жирах.
Примером могут служить линейные и
циклические углеводороды
. в т.ч.
бензол
.
|
Вопрос 2. Рассмотрите внимательно две молекулы справа. Как Вы думаете, какая из этих молекул гидрофильная, а какая - гидрофобная? Почему Вы так думаете? Не узнали ли Вы - что это за вещества? Среди органических веществ встречаются также соединения, одна часть молекулы которых неполярна и проявляет гидрофобные свойства, а другая - полярна и, следовательно, гидрофильна. |
alt="Your browser understands the | alt="Your browser understands the | ||
| Такие вещества
называются амфипатическими
. Молекула фосфотидилсерина (одного из фосфолипидов плазматической мембраны клеток, справа) может служить примером амфипатических соединений. Вопрос 3.
Рассмотрите
внимательно эту молекулу. Как Вы думаете, какая из ее частей
гидрофильная, а какая - гидрофобная? Расположите молекулу так,
чтобы это было максимально наглядно, создайте графический файл и
в нем обозначьте гидрофильный и гидрофобный участки молекулы.
4. Вода как растворитель в живых организмах.
|
alt="Your browser understands the |
Кроме того, со свойством воды как растворителя прямо связана транспортная функция внутренних жидкостей как у многоклеточных животных (кровь, лимфа, гемолимфа, целомическая жидкость), так и у многоклеточных растений.
5. Вода как реагент.
Важное значение воды связано также с ее химическими свойствами - как
обычного вещества, вступающего в химические реакции с другими
веществами. Наиболее важными являются расщепление воды под действием
света (фотолиз
) в световой фазе
фотосинтеза
, участие воды как необходимого реагента в
реакциях расщепления сложных биополимеров (такие реакции не случайно
называются реакциями гидролиза
).
И, наоборот, при реакциях образования биополимеров, полимеризации,
происходит выделение воды.
Вопрос 4.
Какую неточность в
последней фразе исправил бы химик?
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?
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, 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.
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 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 H 2 O 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 тех или иных веществ. Это связано с низким показателем притяжения к как это происходит, например, с углеводородами.
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.
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.
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 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 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 чистящими средствами. Так что дальнейшие разработки пойдут на пользу всем.
Гидроф о́бность (греч. ὕδωρ - гидро, вода и φόβος - фобос, боязнь ) — способность поверхности вещества не смачиваться с водой. Вода на поверхности гидрофобного вещества собирается в капли, которые не проникают внутрь.
Физико-химическая природа гидрофобности связана с фундаментальными термодинамическими законами, в частности стремлением системы достигнуть минимума энергии за счет выделения энергии в окружающую среду. Большинству людей не интересны такие сложные вещи, поэтому, как упрощение появилось понятие гидрофобных сил (хотя физически таких сил не существует).
Практически для создания гидрофобных поверхностей используются неполярные молекулы, которые как бы «отталкивают» воду. Аналогичный процесс можно наблюдать, когда капля жидкого масла попадает в воду.
В настоящее время явление сверхгидрофобности используется во многих нанотехнологических системах.
Гидрофобность является полезным качеством для некоторых строительных материалов (цемента, пленок), препятствуя проникновению воды. Часто теплоизоляционные материалы, например, минеральную вату, пропитывают специальными веществами, создающими гидрофобную микропленку.
Контакты с большинством растворителей и масел могут приводить к потере гидрофобности. Также она теряется при загрязнении материала. После потери гидрофобности поверхность становятся водопроницаемой.
Не нужно путать гидрофобность и водонепроницаемость. Например, полиэтилен является водонепроницаемым, поэтому пленка из него, даже смоченная спиртом или сильно загрязненная (но без дырок), не будет пропускать воду. Гидроизоляционная пленка, основанная на гидрофобности поверхностного слоя и свободно пропускающая воздух, будет служить только до тех пор, пока внешний слой не потеряет гидрофобность, например, от микрочастиц пыли.
Термин гидрофильность (производное от древнегреческих слов «вода» и «любовь») является характеристикой интенсивности взаимодействия вещества с водой на молекулярном уровне, то есть способность материала усиленно впитывать влагу, а также высокой смачиваемости воды поверхностью вещества. Это понятие можно отнести и к твёрдым телам, как свойство поверхности, и к отдельным ионам, атомам, молекулам и их группам.
Гидрофильность характеризует величина связи адсорбционной молекул воды с молекулами вещества, при этом образуются соединения, в которых количество воды распределяется по значениям энергии связи.
Гидрофильность присуща веществам, имеющим ионные кристаллические решётки (гидроксиды, оксиды, сульфаты, силикаты, глины, фосфаты, стёкла и пр.), имеющим полярные группы -ОН, -NO 2 , -СООН, и др. Гидрофильность и гидрофобность - частные случаи взаимодействия веществ с растворителями (лиофильность, лиофобность).
Гидрофобность можно рассматривать в качестве малой степени гидрофильности, потому что действие межмолекулярных сил притяжения всегда будет более или менее присутствовать между молекулами любого тела и воды. Гидрофильность и гидрофобность можно различить по тому, как растекается капля воды на теле с гладкой поверхностью. Капля растечется полностью на поверхности гидрофильной, и частично - на гидрофобной, при этом на значение угла, образующегося между поверхностью смачиваемого материала и капли, влияет степень гидрофобности данного тела. Гидрофильными являются вещества, в которых сила молекулярных (ионных, атомных) взаимодействий довольно большая. Гидрофобными являются металлы, которые лишены оксидных плёнок, соединения органические, имеющие углеводородные группы в молекуле (воски, жиры, парафины, часть пластмасс), графит, сера и прочие вещества, обладающие слабым взаимодействием на межмолекулярном уровне.
Понятия гидрофильность и гидрофобность применяются как по отношению к телам и их поверхностям, так и относительно единичных молекул или отдельных частей молекул. Например, в молекулах поверхностных активных веществ находятся полярные (гидрофильные) и углеводородные (гидрофобные) соединения. Гидрофильность поверхностной части тела способна резко поменяться вследствие адсорбции подобных веществ.
Гидрофилизацией называют процесс повышения гидрофильности, а гидрофобизацией – процесс ее понижения. Эти явления имеют большую значимость в косметической промышленности, в текстильной технологии для гидрофилизации тканей (волокон) для улучшения качества стирки, беления, крашения и т.д.
Гидрофильность в косметике
Парфюмерно-косметической промышленностью производятся гидрофильные кремы и гели , которые защищают кожу от загрязнений, не растворяемых водой. В составе таких продуктов находятся гидрофильные составляющие, образующие пленку, предотвращающую проникновение водонерастворимых загрязняющих веществ в поверхностный слой кожного покрова.
Гидрофильные кремы производятся из эмульсии, которая стабилизирована подходящими эмульгаторами или с основой вода-масло-вода, масло-вода. Кроме того, к ним можно отнести дисперсные коллоидные системы, в которых стабилизированы гидрофильные поверхностно-активные компоненты, и состоящие из водно-диспергированных или водно-гликолевых смешанных растворителей жирных высших кислот или спиртов.
Гидрогели (гидрофильные гели) готовятся из основ, состоящих из воды, смешанного неводного или гидрофильного растворителя (этиловый спирт, пропиленгликоль, глицерин) и гидрофильного образователя гелей (производные целлюлозы, карбомеры).
Гидрофильные свойства кремов и гелей:
· быстро и хорошо впитываются;
· питают кожу;
· после их применения не остается ощущение жирности;
· очищают кожу;
· укрепляюще воздействуют на кожу;
· снижают действие отрицательных факторов внешней среды;
· помогают коже поддерживать естественную способность к регенерации.
Гидрофильные кремы и гели предназначены, чтобы защитить кожу при работе с несмешивающимися с водой маслами, мазутом, нефтью, красками, смолами, графитом, сажей, органическими растворителями, охлаждающе-смазочными растворами, строительной пеной и многочисленными иными слабоагрессивными веществами. Также они незаменимы при починке автомобиля, ремонте квартиры, при строительстве, на даче при работе с удобрениями и землей.
Компанией «КоролёвФарм» осуществляется производство различных типов парфюмерно-косметической продукции , в том числе гидрофильных и гидрофобных кремов. Предприятие является контрактным производителем и осуществляет все стадии производства: разработку рецептур, сертификацию, постановку на производство, серийный выпуск продукции. Производственная площадка оснащена современным оборудованием.
Предприятие сертифицировано на соответствие требованиям
