Jemand in der Schule hatte das Glück, im Chemieunterricht nicht nur langweilige Tests zu schreiben und die Molmasse zu berechnen oder die Wertigkeit anzugeben, sondern auch zuzusehen, wie der Lehrer Experimente durchführt. Als Teil des Experiments änderten die Flüssigkeiten in den Reagenzgläsern wie von Zauberhand unvorhersehbar ihre Farbe, und etwas anderes konnte explodieren oder wunderbar brennen. Vielleicht nicht so spektakuläre, aber dennoch interessante Experimente, bei denen hydrophile und hydrophobe Substanzen verwendet werden. Übrigens, was sind sie und warum sind sie neugierig?
Physikalische Eigenschaften
Im Chemieunterricht haben wir beim Durchgehen des nächsten Elements aus dem Periodensystem sowie aller Grundstoffe zwangsläufig über ihre verschiedenen Eigenschaften gesprochen. Insbesondere wurden ihre physikalischen Eigenschaften angesprochen: Dichte, Aggregatzustand unter Normalbedingungen, Schmelz- und Siedepunkte, Härte, Farbe, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und vieles mehr. Manchmal wurde über Eigenschaften wie Hydrophobizität oder Hydrophilie gesprochen, aber in der Regel wird darüber nicht gesondert gesprochen. Mittlerweile handelt es sich um eine recht interessante Stoffgruppe, der man im Alltag leicht begegnen kann. Es ist also nicht fehl am Platzmehr über sie erfahren.
Hydrophobe Stoffe
Beispiele lassen sich leicht aus dem Leben nehmen. Man kann also kein Wasser mit Öl mischen – das weiß jeder. Es löst sich einfach nicht auf, sondern bleibt als Bläschen oder Film auf der Oberfläche schweben, da seine Dichte geringer ist. Aber warum ist das so und welche anderen hydrophoben Substanzen gibt es?
Normalerweise umfasst diese Gruppe Fette, einige Proteine und Nukleinsäuren sowie Silikone. Der Name der Substanzen kommt von den griechischen Wörtern hydor – Wasser und phobos – Angst, was aber nicht bedeutet, dass die Moleküle Angst haben. Es ist nur so, dass sie wenig oder vollständig unlöslich sind, sie werden auch als unpolar bezeichnet. Eine absolute Hydrophobie existiert nicht, selbst solche Substanzen, die anscheinend überhaupt nicht mit Wasser interagieren, adsorbieren es immer noch, wenn auch in vernachlässigbaren Mengen. In der Praxis sieht der Kontakt eines solchen Materials mit H2O aus wie ein Film oder Tropfen, oder die Flüssigkeit bleibt auf der Oberfläche und nimmt die Form einer Kugel an, da sie am kleinsten ist Oberfläche und bietet minimalen Kontakt.
Hydrophobe Eigenschaften werden durch die chemische Struktur bestimmter Substanzen erklärt. Dies liegt an der geringen Anziehungskraft des Wassermoleküls, wie es beispielsweise bei Kohlenwasserstoffen der Fall ist.
Hydrophile Substanzen
Der Name dieser Gruppe kommt, wie Sie sich vielleicht denken können, auch von griechischen Wörtern. Aber in diesem Fall ist der zweite Teil von Philia Liebe, und dies charakterisiert perfekt die Beziehung solcher Substanzen zu Wasser -vollständiges "gegenseitiges Verständnis" und hervorragende Löslichkeit. Diese Gruppe, die manchmal als "polar" bezeichnet wird, umfasst einfache Alkohole, Zucker, Aminosäuren usw. Dementsprechend haben sie solche Eigenschaften, da sie eine hohe Anziehungsenergie für das Wassermolekül haben. Genau genommen sind alle Stoffe mehr oder weniger hydrophil.
Amphophilie
Kommt es vor, dass hydrophobe Stoffe gleichzeitig hydrophile Eigenschaften haben können? Es stellt sich heraus, ja! Diese Stoffgruppe wird diphil oder amphiphil genannt. Es stellt sich heraus, dass dasselbe Molekül in seiner Struktur sowohl lösliche - polare als auch wasserabweisende - unpolare Elemente enth alten kann. Solche Eigenschaften haben beispielsweise einige Proteine, Lipide, Tenside, Polymere und Peptide. Bei der Wechselwirkung mit Wasser bilden sie verschiedene supramolekulare Strukturen: Monoschichten, Liposomen, Mizellen, Doppelschichtmembranen, Vesikel usw. In diesem Fall erweisen sich polare Gruppen als zur Flüssigkeit hin orientiert.
Sinn und Anwendung im Leben
Neben der Wechselwirkung von Wasser und Öl spricht vieles dafür, dass hydrophobe Substanzen fast überall zu finden sind. So haben saubere Oberflächen von Metallen, Halbleitern sowie Tierhaut, Pflanzenblättern, Chitinhüllen von Insekten ähnliche Eigenschaften.
In der Natur sind beide Stoffarten wichtig. So werden Hydrophile beim Transport von Nährstoffen in tierischen und pflanzlichen Organismen als Endprodukte eingesetztAustausch werden auch mit Lösungen biologischer Flüssigkeiten ausgeschieden. Unpolare Substanzen sind von großer Bedeutung bei der Bildung von Zellmembranen mit selektiver Permeabilität. Deshalb spielen solche Eigenschaften im Ablauf biologischer Prozesse eine wichtige Rolle.
Wissenschaftler haben in den letzten Jahren immer neue hydrophobe Substanzen entwickelt, mit denen es möglich ist, verschiedenste Materialien vor Benetzung und Verschmutzung zu schützen und so sogar selbstreinigende Oberflächen zu schaffen. Bekleidung, Metallprodukte, Baustoffe, Autoglas – die Anwendungsgebiete sind vielfältig. Die weitere Beschäftigung mit diesem Thema wird zur Entwicklung multiphober Substanzen führen, die die Basis für schmutzabweisende Oberflächen werden. Durch die Herstellung solcher Materialien können Menschen Zeit, Geld und Ressourcen sparen, und es wird auch möglich sein, den Verschmutzungsgrad der Natur durch Reinigungsmittel zu verringern. Weiterentwicklungen kommen also allen zugute.
