Hidrofobnost

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Kap rose na hidrofobnoj površini lista
Vodene kapi na hidrofobnoj površini trave

Hidrofobnost (od grč. hydro - voda i grč. phobos - strah) je fizička osobina molekula (poznatih kao hidrofobi) da se odbijaju od vodene mase.[1]

Hidrofobni molekuli su uglavnom nepolarni i stoga preferiraju druge neutralne molekule i nepolarne rastvarače. Hidrofobni molekuli u vodi se često grupišu i formiraju micele. Voda na hidrofobnim površinama manifestuje visoki ugao kvašenja.

Primeri hidrofobnih molekula su alkani, ulja, masti, i uopšte masne supstance. Hidrofobni materijali se koriste za uklanjanje ulja iz vode, upravljanje razlivenom naftom, i hemijskim separacionim procesima za razdvajanje nepolarnih od polarnih jedinjenja.

Termini hidrofoban i lipofilan se često poistovećuju. Međutim, ova dva termina nisu sinonimna. Dok su hidrofobne supstance često lipofilne, postoje izuzeci - kao što su silikoni i fluorougljenici.

Hemijska pozadina[уреди]

Sa termodinamičkog stanovišta, materija teži ka niskoenergetskom stanju, i vezivanje molekula umanjuje hemijsku energiju. Voda je elektronski polarizovana, te je u mogućnosti da formira interne vodonične veze, što joj daje mnoge od njenih jedinstvenih fizičkih svojstava. Pošto hidrofobi nisu elektronski polarizovani, i zato što oni nemaju sposobnost formiranja vodoničnih veza, voda odbija hidrofobe, i radije formira veze sa drugim molekulima vode. Taj efekat je uzrok hidrofobnih interakcija.[2] Dve nepomešane faze (hidrofilna i hidrofobna) se menjaju tako da njihove odgovarajuće površine budu minimalne. Ovaj efekat se može vizuelizovati u slučaju fenomena zvanog fazno razdvajanje.

Superhidrofobnost[уреди]

Kap na površini lista lotosa.

Superhidrofobne površine kao što su listovi biljke lotos imaju površine koje se izuzetno teško kvase. Uglovi kvašenja su veći od 150°.[3] Ovo se naziva efektom lotosa, i fizička je osobina primarno vezna za površinski napon, više nego za hemijska svojstva.

Teorija[уреди]

Tomas Jang je 1805. godine definisao ugao kvašenja θ analizirajući sile koje deluju na kapljicu fluida koja se nalazi na čvrstoj površini okružena gasom.[4]

gde su:

  • - površinski napon između čvrste podloge i gasa;
  • - površinski napon između čvrste podloge i kapljice;
  • - površinski napon između kapljice i gasa.

θ se može izmeriti koristeći goniometar.

Vencel je utvrdio da, kada je tečnost u intimnom kontaktu sa mikrostrukturisanom površinom, θ će se promeniti u θW*

gde je r odnos stvarne površine sa projektovanim područjem.[5] Vencelova jednačina pokazuje da mukrostrukturisanje površine pojačava prirodnu tendenciju površine. Hidrofobna površina (koja ima originalni ugao kvašenja veći od 90°) postaje više hidrofobna kada se mikrostrukturiše – novi ugao kvašenja postaje veći od originalnog. Međutim, hidrofilna površina (koja ima originalni ugao kvašenja manj od 90°) postaje više hidrofilna kada se mikrostrukturiše – novi ugao kvašenja postaje manji od originalnog.[6] Kesi i Bekster su otkrili da ako je tečnost suspendovana na vrhovima mikrostruktura, θ će se promeniti u θCB*:

gde je φ deo površine čvrste materije koja dodiruje tečnost.[7] Tečnost u Kesi-Bekster stanju je mnogo mobilnija nego u Vencel stanju.

Možemo predvideti da li treba da postoji Vencel ili Kesi-Bekster stanje računajući novi ugao kvašenja preko obe jednačine. Minimizacijom argumenata za slobodnu energiju, odnos koji predviđa manji novi ugao kvašenja je stanje koje je najverovatnije da postoji. Navedeno u matematičkom smislu, da bi Kesi-Bekster stanje postojalo, sledeća nejednakost mora biti tačna:[8]

Nedavni alternativni kriterijum za Kesi-Bekster stanje potvrđuje da ovo stanje postoji ako su sledeća dva kriterijuma ispunjena: (1) kontaktne linije sile preovladavaju telesne sile nepotpomognute težine kapljice i (2) mikrostrukture su dovoljno visoke da spreče tečnost koja premošćava mikrostruktura da dodirne bazu mikrostruktura.[9]

Novi kriterijum za prelazak između Vencel i Kesi-Bekster stanja nedavno je razvijen na osnovu hrapavosti površine i površinske energije.[10] Kriterijum se fokusira na sposobnost "hvatanja" vazduha ispod kapljice na grubim površinama, što bi moglo pokazati da li Vencelov ili Kesi-Beksterov model treba da bude korišćen za određenu kombinaciju hrapavosti i energije površine.

Ugao kvašenja je mera statične hidrofobnosti, a histerezis ugla kvašenja i ugao klizanja su dinamičke mere. Histerezis ugla kvašenja je fenomen koji karakteriše heterogenost površine.[11] Kada se pipetom stavi tečnost na čvrstu tvar, tečnost će formirati neki ugao kvašenja. Kako pipeta stavlja više tečnosti, tako će kapljica povećavati zapreminu, a ugao kvašenja će se povećavati, ali će njegova trofazna granica ostati stacionarna dok iznenada ne krene napolje. Ugao kvašenja koji je kapljica imala neposredno pre izlivanja napolje naziva se napredujući ugao kvašenja. Opadajući ugao kvašenja se sada meri pumpanjem tečnosti iz kapljice. Kapljica će smanjiti svoju zapreminu, ugao kvašenja će se smanjiti, ali njegova trofazna granica će ostati stacionarna sve dok se iznenada ne povuče unutra. Ugao kvašenja kapljice neposredno pre povlačenja unutra se naziva uzmičući ugao kvašenja. Razlika između napredujućeg i uzmičućeg ugla kvašenja naziva se histerezis ugla kvašenja i može se koristiti za karakterizaciju površinske heterogenosti, hrapavosti i mobilnosti.

Površine koje nisu homogene imaće domene koji ometaju kretanje kontaktne linije. Ugao klizanja je još jedna dinamička mera hidrofobnosti i meri se deponovanjem kapljice na površinu i naginjanjem površine dok kapljica ne počne da klizi. Uopšteno, tečnosti u Kasi-Beksterovom stanju pokazuju manje uglove klizanja i histerezis ugla kvašenja nego oni u Vencelovom stanju.

Vidi još[уреди]

Reference[уреди]

  1. ^ Ben-Naim, Arieh (1980). Hydrophobic interactions. New York: Plenum Press. ISBN 0-306-40222-X. 
  2. ^ Goss, Kai-Uwe; Schwarzenbach, René P. (2003). „Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls”. Journal of Chemical Education. 80: 450. doi:10.1021/ed080p450. 
  3. ^ Wang, Shutao; Jiang, L. (2007). „Definition of superhydrophobic states”. Advanced Materials. 19: 3423—3424. doi:10.1002/adma.200700934. 
  4. ^ Young, Thomas (1805-01-01). „III. An essay on the cohesion of fluids”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London (на језику: енглески). 95: 65—87. ISSN 0261-0523. doi:10.1098/rstl.1805.0005. 
  5. ^ Wenzel, R.N. „Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water”. Ind. Eng. Chem. 
  6. ^ de., Gennes, Pierre-Gilles (2004). Capillarity and wetting phenomena : drops, bubbles, pearls, waves. Brochard-Wyart, Françoise., Quéré, David. New York: Springer. ISBN 0387005927. OCLC 51559047. 
  7. ^ Cassie, A. B. D.; Baxter, S. (1944). „Wettability of porous surfaces”. Transactions of the Faraday Society (на језику: енглески). 40 (0): 546. ISSN 0014-7672. doi:10.1039/tf9444000546. 
  8. ^ Quéré, David (2005-09-07). „Non-sticking drops”. Reports on Progress in Physics. 68 (11): 2495—2532. ISSN 0034-4885. doi:10.1088/0034-4885/68/11/r01. 
  9. ^ Extrand, C. W. „Modeling of Ultralyophobicity:  Suspension of Liquid Drops by a Single Asperity”. Langmuir (на језику: енглески). 21 (23): 10370—10374. ISSN 0743-7463. doi:10.1021/la0513050. 
  10. ^ Zhang, Yilei; Sundararajan, Sriram (2008-02-06). „Superhydrophobic engineering surfaces with tunable air-trapping ability”. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (3): 035024. ISSN 0960-1317. doi:10.1088/0960-1317/18/3/035024. 
  11. ^ Johnson, Rulon E.; Dettre, Robert H. „Contact Angle Hysteresis. III. Study of an Idealized Heterogeneous Surface”. The Journal of Physical Chemistry (на језику: енглески). 68 (7): 1744—1750. ISSN 0022-3654. doi:10.1021/j100789a012. 

Literatura[уреди]

  • Ben-Naim, Arieh (1980). Hydrophobic interactions. New York: Plenum Press. ISBN 0-306-40222-X. 

Spoljašnje veze[уреди]