Hydrofilowość — definicja i przykłady — słownik internetowy biologii (2023)

Definicja hydrofilowość

Co oznacza hydrofil (lub cząsteczka hydrofilowa)?Jeśli cząsteczka jest „kochający wodę", jest znany jako 'hydrofilowy’ (rzeczownik), który posiada acharakter hydrofilowy. Natomiast jeśli cząsteczka nie lubi wody, tj. odpycha wodę, nazywa się to „hydrofobowy„. Terminy hydrofilowy i hydrofobowy są używane do opisania cząsteczek lub substancji na podstawie ich reakcji na cząsteczki wody. Stopień lub stopień, w jakim cząsteczka lub powierzchnia przyciąga wodę, nazywany jest „hydrofilowość„tej cząsteczki. Oto niektóre z najczęstszych przykładów substancji hydrofilowychcukier, sól, skrobia iceluloza.

Definicja biologii:
Hydrofilowyoznacza kochający wodę; mający powinowactwo do wody; zdolne do interakcji z wodą poprzez wiązania wodorowe.Etymologia:z greckiego hydros, czyli „woda” i philia, czyli „przyjaźń”.Porównywać: hydrofobowy

Substancje hydrofilowe mają charakter polarny. Teoria „podobne rozpuszcza się podobnie” rządzi faktem, że substancje hydrofilowe mają tendencję do łatwego rozpuszczania się w wodzie lub rozpuszczalnikach polarnych, podczas gdy substancje hydrofobowe są słabo rozpuszczalne w wodzie lub rozpuszczalnikach polarnych.

Wszyscy widzieliśmy przykład substancji hydrofilowych w naszym codziennym życiu. Każdy z nas widział, że czasami woda rozprowadza się równomiernie po powierzchni, a w niektórych przypadkach tworzy małe kropelki.

Dlaczego tak?

Dzieje się tak dlatego, że niektóre powierzchnie kochają wodę lub są hydrofilowe i dlatego woda się rozprzestrzenia, natomiast w przypadku substancji słabo hydrofilowych (lub substancji hydrofobowych) tworzy maleńkie kropelki, ponieważ powierzchnie te odpychają wodę.

Kontynuujmy czytanie kolejnych sekcji, aby dowiedzieć się, co jeszcze definiuje cząsteczkę hydrofilową.

Chemia za hydrofilowością

Cząsteczki hydrofilowe lub ugrupowania hydrofilowe są zasadniczo związkami polarnymi, które mają grupy jonowe. Polarny charakter tych hydrofilowych cząsteczek umożliwia im łatwe wchłanianie wody lub polarnego rozpuszczalnika i ostatecznie rozpuszczenie w polarnych rozpuszczalnikach, takich jak woda. Będąc polarnym rozpuszczalnikiem protonowym, woda może tworzyć wiązania wodorowe (-H—-OH-). Cząsteczki hydrofilowe mają charakter polarny i łatwo tworzą wiązania wodorowe z wodą, rozpuszczając się w niej. Warto zauważyć, że te interakcje między cząsteczką hydrofilową a wodą są faworyzowane termodynamicznie. Ogólnie rzecz biorąc, substancje hydrofilowe mogą łatwo tworzyć wiązania wodorowe z polarnymi rozpuszczalnikami, takimi jak woda i alkohol.

Z chemicznego punktu widzenia substancje hydrofilowe mają grupy jonowe (naładowane), które zawierają atomy tlenu lub azotu. Polarność substancji zwykle określa jej hydrofilowość. Niektóre z powszechnych grup funkcyjnych występujących w substancjach/powierzchniach hydrofilowych są wymienione wTabela 1.

Tabela 1: Niektóre z powszechnych hydrofilowych i hydrofobowych grup funkcyjnych

Zasadniczo hydrofilowość dowolnej powierzchni zmienia się w zależności od grupy funkcyjnej i zdolności do tworzenia wiązań wodorowych: niepolarna < polarna, brak wiązań wodorowych < polarna, wiązanie wodorowe < hydroksylowe, jonowe. Na hydrofilowość istotny wpływ ma liczba miejsc oraz struktura i gęstość obszaru międzyfazowego.

Pomiar hydrofilowości

Pomiar kąta zwilżania jest głównym parametrem służącym do ilościowego określenia hydrofilowości substancji, która dodatkowo wskazuje na zwilżalność. Substancje hydrofilowe charakteryzują się dobrą zwilżalnością. Zwilżalność to zdolność cieczy do pozostawania w kontakcie z powierzchnią stałą. Stopień zwilżalności mierzy się za pomocą kąta zwilżania. Kąt zwilżania (θ) to kąt pomiędzy powierzchnią a krawędzią kropli. Powierzchnia hydrofilowa ma kąt zwilżania (θ) <90°, podczas gdy powierzchnia hydrofobowa wykazuje kąt zwilżania (θ) >90°, jak pokazano na Figurze 1 (poniżej). Wyższy kąt zwilżania wskazuje na silniejsze oddziaływanie ciecz-ciecz niż oddziaływanie ciecz-powierzchnia, co powoduje, że materiał staje się hydrofobowy.

Jeśli ciecz rozleje się po powierzchni, zwilżając dużą powierzchnię, wówczas kąt zwilżania jest mniejszy niż 90° i uważa się, że ciecz jest hydrofilowa, czyli wodolubna (rysunek 2). Natomiast jeśli ciecz tworzy kroplę, kąt zwilżania jest większy niż 90° i jest uważany za hydrofobowy lub hydrofobowy (rysunek 2). Zwilżalność jest ważnym parametrem dla roślin i zwierząt. Liście kwiatu lotosu i liście ryżu mają niezwilżającą powierzchnię, przy czym liście pozostają suche, a kropelki wody spływają z powierzchni liści, utrzymując je przez cały czas w czystości. Niektórym zwierzętom, takim jak chrząszcze pustynne Namib, udaje się przetrwać w suchym regionie dzięki ich zdolności do wchłaniania wilgoci z otoczenia poprzez struktury hydrofilowe na powierzchni ciała.

Z powyższej dyskusji wiemy, że powierzchnie hydrofilowe mają tendencję do rozprowadzania wody po swojej powierzchni i nie pozwalają na tworzenie się kropelek wody. Ta funkcjonalność powierzchni hydrofilowych jest wykorzystywana do wytwarzania powierzchni przeciwmgielnych w przemyśle samochodowym.

Ze względu na swój hydrofilowy charakter substancja ma tendencję do wchłaniania wody poprzez działanie kapilarne. Stopień absorpcji wody przez substancję hydrofilową zależy od porowatości substancji.

Zastosowania substancji hydrofilowych

Polimery i cząsteczki hydrofilowe są szeroko stosowane w dziedzinie fizyki, chemii, inżynierii, biomedycyny, dostarczania leków, żywności, farmaceutyków, farb, tekstyliów, papieru, konstrukcji, klejów, powłok, uzdatniania wody, środków dyspergujących i zawieszających, stabilizatorów, zagęszczaczy, środki żelujące, flokulanty i koagulanty, środki błonotwórcze, środki utrzymujące wilgoć, spoiwa i smary, środki higieny osobistej, produkty budowlane, detergenty, produkty z pól naftowych i przetwórstwo minerałów itp.

Polimery hydrofilowe charakteryzują się dobrą przepuszczalnością pary wodnej dzięki grupom jonowym. Odzież lub odzież, która musi być oddychająca, składa się z włókien hydrofilowych.

Polimery hydrofilowe, takie jak celuloza, alginian i chitozan, są najszerzej stosowane w przemyśle spożywczym, gdzie stosuje się je jako środek zagęszczający, stabilizator i środek żelujący.

Dodawanie substancji hydrofilowych, takich jak związki na bazie skrobi, do doniczek z własnej uprawy. Pomaga to zmniejszyć potrzebę częstego podlewania i spożycia.

Substancje hydrofilowe mają zdolność wchłaniania i zatrzymywania wody. Hydrożele są rodzajem hydrofilowych polimerów, które są szeroko stosowane w produktach sanitarnych, inżynierii biomedycznej, bioseparacji, rolnictwie, przetwórstwie żywności i odzyskiwaniu oleju, żeby wymienić tylko kilka. Charakterystyczną właściwością tych hydrożeli jest wchłanianie wody i pęcznienie. Hydrożele hydrofilowe mają również miękki charakter i są biokompatybilne. Hydrożele to kopolimery lub homopolimery otrzymywane przez sieciowanie monomerów. Monomery te mają grupę ulegającą jonizacji lub grupę funkcyjną, która może ulegać jonizacji. Hydrożele mogą zawierać grupy słabo zasadowe, takie jak podstawione aminy, grupy słabo kwasowe, takie jak kwas karboksylowy, lub grupy silnie zasadowe i kwasowe, takie jak czwartorzędowe związki amoniowe i kwasy sulfonowe. Wszystkie te grupy jonowe sprawiają, że hydrożele są hydrofilowe. W zależności od ich zdolności do zatrzymywania wody/pęcznienia, do różnych zastosowań wykorzystuje się różne hydrożele, na przykład hydrofilowe, nieporowate, wolno pęczniejące polimery hydrożelowe do produkcji soczewek kontaktowych i sztucznych mięśni, natomiast hydrofilowe, mikroporowate, szybko pęczniejące hydrożele polimery są używane do produkcji pieluch. Poliakrylany i poliakrylany sodu to superabsorpcyjne hydrofilowe polimery hydrożelowe stosowane do produkcji pieluch. Te superchłonne hydrożele mogą pomieścić wodę w ilości odpowiadającej 100-krotności ich własnej masy.

Hydrożele hydrofilowe są podobne do macierzy zewnątrzkomórkowej i z tego powodu są szeroko badane pod kątem wytwarzania sztucznych rusztowań tkankowych. Ze względu na biokompatybilność hydrożele hydrofilowe są szeroko stosowane w zastosowaniach biomedycznych. Żelatyna jest jednym z powszechnie stosowanych hydrożeli hydrofilowych. Żelatyna jest produktem ubocznym pochodzenia zwierzęcego i składa się z białka i kolagenu podobnego do peptydu. Do przygotowania kapsułek najczęściej używa się żelatyny.

Hydrofilowy hydrożel pomaga również przyspieszyć proces gojenia się ran, dlatego są szeroko stosowane jako środek gojący rany.

Hydrożele hydrofilowe to materiały superchłonne, które są również szeroko stosowane w systemach dostarczania leków, naprawie tkanek i kosmetykach. Hydrofilowe superporowate hydrożele stosuje się jako środki rozsadzające lub środki superrozsadzające w tabletce w celu uzyskania szybkiego uwalniania leku z tabletki.

Hydrofilowość jest krytycznym kryterium absorpcji cząsteczki leku. Powszechnie wiadomo, że aby lek został wchłonięty w organizmie człowieka, lek powinien znajdować się w stanie solubilizowanym. Leki hydrofilowe mają tendencję do łatwego rozpuszczania i solubilizacji, umożliwiając w ten sposób wchłanianie leku. Zatem leki hydrofilowe posiadające odpowiednią przepuszczalność mają większe prawdopodobieństwo łatwego wchłaniania się do organizmu i wywierania działania terapeutycznego.

Substancje hydrofilowe powleka się powierzchnię wyrobów medycznych w celu zmniejszenia przylegania bakterii do powierzchni wyrobu medycznego. Polimery hydrofilowe, takie jak poliwinylopirolidon (PVP), poliuretany, kwas poliakrylowy (PAA), tlenek polietylenu (PEO) i polisacharydy są szeroko stosowane jako powłoki przeciwporostowe na urządzeniach medycznych, takich jak cewniki i stenty. Gdy tylko jakikolwiek wyrób medyczny zostanie umieszczony w organizmie, rozpoczyna się odkładanie warstwy białkowej. Z biegiem czasu warstwa ta staje się bardzo gruba i może powodować poważne skutki uboczne, mianowicie niedrożność itp. Dlatego też konieczne jest uniknięcie tworzenia się warstwy białkowej na powierzchni urządzenia medycznego. Polimery hydrofilowe działają jako środek przeciwporostowy i w ten sposób zapobiegają gromadzeniu się warstwy białka na powierzchni urządzenia medycznego. Dodatkowo te hydrofilowe polimery pomagają zmniejszyć współczynnik tarcia, umożliwiając w ten sposób łatwą instalację wyrobu medycznego w ciele.

Z podobnego powodu, ale w innym zastosowaniu, w częściach konstrukcji morskich, które są używane pod wodą, stosuje się polimery lub powierzchnie hydrofilowe. Ze względu na kompatybilność z wodą, powierzchnie hydrofilowe podlegają zmniejszonemu tarciu pod wodą, co ułatwia ich łatwe poruszanie się pod wodą.

Polimery hydrofilowe stosuje się jako środek przeciwporostowy na membranach filtracyjnych w filtracji odwróconej osmozy (RO). Polimery takie jak usieciowany poli(glikol etylenowy) (PEG), eter dimetylowy glikolu trietylenowego (triglim), na bazie celulozy itp. są stosowane w membranach filtracyjnych RO. Mając charakter hydrofilowy, polimery te umożliwiają filtrację wody przez nie i jednocześnie zapobiegają rozwojowi na nich warstwy bakteryjnej.

Leczenie implantów dentystycznych kwasem fluorowym przeprowadza się w celu zwiększenia hydrofilowości implantów dentystycznych. Skutkuje to skróceniem czasu gojenia, łatwym osadzeniem implantu, a także mocnym zakotwiczeniem implantu.

Istnieje grupa cząsteczek, które mają w swojej strukturze zarówno część hydrofilową, jak i hydrofobową, takie cząsteczki są znane jako cząsteczki amfipatyczne. Najpowszechniejszą kategorią takich cząsteczek są powszechnie znane środki powierzchniowo czynne. Jednakże udział lub wielkość części hydrofilowej i hydrofobowej w cząsteczce środka powierzchniowo czynnego określa jego naturę jako „ugrupowań hydrofilowych” lub „ugrupowań hydrofobowych”. W zależności od ich charakteru, cząsteczki środków powierzchniowo czynnych są wykorzystywane w różnorodnych zastosowaniach. Skala znana jako „Równowaga hydrofilowo-lipofilowa” lub skala HLB służy jako wskazówka do zrozumienia podstawowej natury cząsteczek środków powierzchniowo czynnych i odpowiedniego ich wykorzystania. Zatem skala HLB pomaga zrozumieć powinowactwo cząsteczki środka powierzchniowo czynnego do rozpuszczalnika. W przypadku, gdy cząsteczka środka powierzchniowo czynnego wykazuje większe powinowactwo do wody lub rozpuszczalnika polarnego, jest ona klasyfikowana jako „reszty hydrofilowe”, natomiast jeśli cząsteczka środka powierzchniowo czynnego wykazuje większe powinowactwo do rozpuszczalników niepolarnych lub lipofilowych, jest klasyfikowana jako hydrofobowa lub lipofilowa. Środki powierzchniowo czynne są bardzo ważne i krytyczne dla formułowania i stabilizacji emulsji. Skala HLB została wprowadzona przez Griffina i zwykle mieści się w przedziale 0-20. Kategoryzację cząsteczek surfaktantów w oparciu o skalę HLB przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2: Skala HLB do charakteryzacji środków powierzchniowo czynnych

Niższa wartość HLB wskazuje na hydrofobowy lub hydrofobowy charakter środków powierzchniowo czynnych, podczas gdy wyższa wartość HLB wskazuje na wodolubny lub hydrofilowy charakter środków powierzchniowo czynnych. Monostearynian glikolu propylenowego, mono- i diglicerydy, monoglicerydy mleczowane i monoglicerydy bursztynylowane to tylko niektóre z niewielu środków powierzchniowo czynnych należących do kategorii hydrofobowych lub lipofilowych środków powierzchniowo czynnych, które mają HLB poniżej 10 i mogą być stosowane do stabilizacji W/ O emulsje. Estry kwasu diacetylowinowego i monoglicerydów, polisorbatów i lecytyny to tylko niektóre przykłady hydrofilowych środków powierzchniowo czynnych, które można stosować do stabilizacji emulsji O/W. Co ciekawe, jeden z najczęściej stosowanych środków powierzchniowo czynnych, laurylosiarczan sodu, ma wartość HLB wynoszącą 40. Te środki powierzchniowo czynne są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.

Przykłady substancji hydrofilowych

Oto niektóre z typowych przykładów substancji hydrofilowych:

• Białko
• Keratyna
• Wełna
• Bawełna
• Krzemionka
• Gips
• Etery glikolu polietylenowego
• Amid poliakrylowy
• Poliuretany z eterem glikolu polietylenowego
• Alkohol poliwinylowy (PVA)
• Polisacharydy (np. celuloza) i ich pochodne (np. hydroksypropylometyloceluloza, hydroksyetyloceluloza i karboksymetyloceluloza sodowa)
• Żelatyna, agar, agaroza, algin
• Alkohole
• Cyklodekstryny
• poli-N-winylopirolidon (PVP)
• Guma guar, guma ksantanowa
• Skrobia
• Pektyna
• Dekstran
• Karagen
• Inulina
• Chitozan
• Albumina

Spróbuj odpowiedzieć na poniższy quiz, aby sprawdzić, czego do tej pory nauczyłeś się na temat hydrofilowości.

Następny