Anar al contingut

Hidrófobo

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Hidrófobo
Gota de rocío sobre un full que presenta hidrofobia.

Archiu:Hydrophoby2.webm

En fisicoquímica, la hidrofobicidad és la propietat física d'una molècula que és aparentment repelida per una massa d'aigua (coneguda com a hidrofòbica).[1] Pel contrari, les hidrófilas són atretes per l'aigua.

Les molècules hidrofòbiques tendixen a ser no polars i, per tant, preferixen atres molècules neutres i dissolvents no polars. Com les molècules d'aigua són polars, els hidrófobos no es dissolen be entre elles. Les molècules hidrofòbiques en l'aigua solen agrupar-se, formant micelas. L'aigua sobre superfícies hidrofòbiques mostrarà un alt àngul de contacte.

Eixemples de molècules hidrofòbiques són els alcanos, els olis, les grasses i les substàncies grasses en general. Els materials hidrofòbics s'utilisen per a l'eliminació de petròleu de l'aigua, la gestió de derrames de petròleus i els processos de separació química per a eliminar substàncies no polars dels composts polars.[2]

Hidrofòbic s'utilisa a sovint indistintament en lipofílico, "amant de la grassa". No obstant, abdós térmens no són sinònims. Encara que les substàncies hidrofòbiques solen ser lipofílicas, hi ha excepcions, com les silicona i els fluorocarbonos.

El terme hidrófobo prové del grec antic ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), "tindre por a l'aigua", construït ( grec ὕδωρ (húdōr) aigua i φόβος (phóbos) por}}.[3]

Fonaments fisicoquímicos

[editar | editar còdic]
Artícul principal → Efecte hidrofòbic.


En el cas de soluts menuts, l'interacció hidrofòbica és principalment un efecte entrópico originat per l'interrupció dels enllaços d'hidrogen altament dinàmics entre les molècules d'aigua líquida pel solut no polar, fent que l'aigua forme una estructura pareguda a un clatrato al voltant de les molècules no polars. Esta estructura formada està més altament ordenada que les molècules d'aigua lliures degut a que les molècules d'aigua s'organisen per a interactuar lo més possible en si mateixes (minimisant aixina la ruptura d'enllaços hidrogen), i per lo tant dona lloc a una pèrdua d'entropía en l'interfaç. Açò fa que les molècules no polars s'agrupen per a reduir la superfície exposta a l'aigua, incrementant aixina la entropía del sistema.[4][5] De tal modo, les dos fases inmiscibles (hidrofílica front a hidrofòbica) canviaran de manera que la seua corresponent àrea interfacial serà mínima. Este efecte pot visualisar-se en el fenomen denominat separació fase.


Per la seua banda, per a soluts no polars de major tamany, que no poden ser adequadament “clatrados” per la ret d'enllaços d'hidrogen de l'aigua, la ruptura de dits enllaços es torna inevitable, implicant un alt cost entálpico. En condicions ambientals, esta transició des d'un règim dominat per la entropía a un atre regit per l'entalpia ocorre al voltant d'un tamany de 1 nm, reflectint un canvi en el comportament de l'energia lliure d'hidratació, que passa d'escalar en el volum del solut a dependre de l'àrea superficial exposta.[6][7]

En este context, s'ha propost una definició molecular quantitativa de la hidrofobicidad, basada en el cost energètic que implica per a un sistema induir defectes d'enllaços d'hidrogen en la seua capa d'hidratació. Segons este enfocament, un sistema es considera hidrofòbic si no conseguix compensar els enllaços d'hidrogen absents en una energia a lo manco tan favorable com el cost de generar dit defecte en l'aigua pura, valor conegut com a Llindar d'Interacció de Defecte (DIT), estimat en aproximadament −6 kJ/mol (al voltant del 30% de l'energia típica d'un pont d'hidrogen). Este criteri coincidix en el llindar clàssic de l'àngul de contacte de 90°, lo que supon una justificació molecular de la transició al comportament hidrofòbic.[8][9]

Adicionalment, el DIT permet determinar els règims d'omplit, omplit parcial i buidat en aigua confinada a nanoescala, segons quants dels llocs d'interacció de la molècula d'aigua (dels 4 llocs tetraèdrics disponibles) excedixquen dit llindar. Este anàlisis per a quantificar la hidrofobicidad o el mullat pot realisar-se per mig d'un indicador estructural, l'índex V4S, que revela l'existència de dos estats d'interacció inherentemente preferencials per a l'aigua.[10]

Superhidrofobicidad

[editar | editar còdic]
Gota d'aigua sobre un full d'una planta de loto.

Les superfícies superhidrofóbicas, tals com els fulls de la planta de loto, són aquelles que és extremadament difícil que es mullen. Els ànguls de contacte d'una gota d'aigua són majors a 150°.[11] Açò es denomina efecte loto, i és una propietat física relacionada en la tensió de interfase, més que una propietat química.

Teoria

[editar | editar còdic]

En 1805, Thomas Young va definir l'àngul de contacte θ en analisar les forces que actuen sobre una gota de decorregut que es troba sobre una superfície sòlida i està rodejada per un gas.[12]

Una gota líquida sobre una superfície sòlida i rodejada per gas. L'àngul de contacte, θC, és l'àngul format pel líquit en la frontera a on les tres fases sòlida, líquida i gaseosa es intersecan.
Una gota que descansa sobre una superfície sòlida i està rodejada per un gas forma un àngul de contacte característic θ. Si la superfície sòlida és rugosa i el líquit està en contacte íntim en les asperezas sòlides, la gota està en estat de Wenzel. Si el líquit descansa sobre la part superior de les asperezas, es troba en l'estat de Cassie-Baxter.
γSG =γSL+γLGcos⁡θ

a on

γSG  = tensió de interfase entre el sòlit i el gas
γSL  = Tensió de interfase entre el sòlit i el líquit
γLG  = Tensió de interfase entre el líquit i el gas

θ es medix utiliziando un goniómetro d'àngul de contacte.

Wenzel va determinar que quan el líquit es troba en contacte íntim en una superfície microestructurada, θ canvia a θW*

cos⁡θW*=rcos⁡θ

a on r és la relació entre l'àrea real i l'àrea proyectada.[13] L'equació de Wenzel mostra que el microestructurado d'una superfície amplifica la tendència natural d'una superfície. Una superfície hidrofòbica (una que posseïx un àngul de contacte original major que 90°) és més hidrofòbica si es microestructura– el seu nou àngul de contacte és major que l'original. No obstant, una superfície hidrofílica (una que té un àngul de contacte original menor que than 90°) es transforma en menys hidrtofílica si li la microestructura – el seu nou àngul de contacte passa a ser menor que l'original.[14] Cassie i Baxter que si el líquit es troba suspés dalt de microestructura, θ es modifica a θCB*:

cos⁡θCB*=φ(cos⁡θ+1)−1

a on φ és la fracció d'àrea del sòlit que toca el líquit.[15] Estat de líquit Cassie–Baxter és més mòvil que l'estat Wenzel.

Podem predir si l'estat Wenzel o Cassie-Baxter deu existir calculant el nou àngul de contacte en abdós equacions. Per un argument de minimisació de l'energia lliure, la relació que va predir el nou àngul de contacte més chicotet és l'estat que més provablement existixca. Dit en térmens matemàtics, per a que existixca l'estat de Cassie-Baxter, la següent desigualtat deu ser certa.[16]

Un criteri alternatiu recent per a l'estat de Cassie-Baxter afirma que l'estat de Cassie-Baxter existix quan es complixen els següents 2 criteris:1) Les forces de la llínea de contacte superen les forces del cos del pes de les gotes no soportades i 2) Les microestructura són lo suficientment altes com per a evitar que el líquit que puentea les microestructura toque la base de les mateixes.[17]

Recentment s'ha desenrollat un nou criteri per al canvi entre els estats de Wenzel i Cassie-Baxter basat en la rugosidad de la superfície i l'energia superficial.[18] El criteri se centra en la capacitat d'atrapar aire baix gotes de líquit en superfícies rugosas, lo que podria indicar si es deu utilisar el model de Wenzel o el de Cassie-Baxter per a certa combinació de rugosidad i energia de la superfície.


L'àngul de contacte és una mida de hidrofobicidad estàtica, i histéresis de l'àngul de contacte i l'àngul d'esmonyida són mides dinàmiques. La histéresis de l'àngul de contacte és un fenomen que caracterisa l'heterogeneïtat de la superfície.[19] Quan una pipeta injecta un líquit sobre un sòlit, el líquit formarà cert àngul de contacte. A mida que la pipeta injecta més líquit, la goteta aumentarà de volum, l'àngul de contacte aumentarà, pero el seu llímit trifásico permaneixerà estacionario fins que de sobte alvanç cap a l'exterior. L'àngul de contacte que tenia la goteta immediatament abans d'alvançar cap a l'exterior es denomina àngul de contacte d'alvanç. L'àngul de contacte de reculada es medix ara bombejant el líquit de nou fòra de la gota. La gota disminuirà de volum, l'àngul de contacte disminuirà, pero el seu llímit trifásico permaneixerà estacionario fins que retrocedixca sobtadament cap a l'interior. L'àngul de contacte que tenia la gota immediatament abans de retrocedir cap a l'interior es denomina àngul de contacte de reculada. La diferència entre els ànguls de contacte d'alvanç i reculada es denomina histéresis de l'àngul de contacte i pot utilisar-se per a caracterisar l'heterogeneïtat, la rugosidad i la movilitat de la superfície.[20] Les superfícies que no són homogénees tindran dominis que impedixen el moviment de la llínea de contacte. L'àngul d'esmonyida és una atra mida dinàmica de la hidrofobicidad i es medix depositant una gota sobre una superfície i inclinant la superfície fins que la gota comence a esgolar-se. En general, els líquits en estat Cassie-Baxter presenten ànguls d'esmonyida i histéresis de l'àngul de contacte més baixos que els que es troben en estat Wenzel.Plantilla:Cn


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York, ISBN 0-306-40222-X
  2. ↑ Akhavan B, Jarvis K, Majewski P«Hydrophobic Plasma Polymer Coated Silica Particles for Petroleum Hydrocarbon Removal».ACS Appl. Mater. Interfaços.5(17)
    8563-8571.doi:10.1021/am4020154.
  3. ↑ Liddell, H.G. & Scott, R. (1940). A Greek-English Lexicon. revised and augmented throughout by Sir Henry Stuart Jones. with the assistance of. Roderick McKenzie. Oxford: Clarendon Press.
  4. ↑ Bioquímica, Cengage Learning, pp. 31-35. ISBN 978-1133106296.
  5. ↑ Silverstein TP (1998). “La verdadera raó per la que l'oli i l'aigua no es mesclen”. Journal of Chemical Education 75 (1): 116-346. Bibcode: 1998JChEd..75..116S.
  6. ↑ Patel AJ et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108(43), 17678–17683 (2011), https://doi.org/10.1073/pnas.1110703108
  7. ↑ Rajamani S et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 9475–9480 (2005), https://doi.org/10.1073/pnas.0504089102
  8. ↑ Loubet NA, Vert AR & Appignanesi GA, J. Chem. Phys. 160, 064502 (2025), https://doi.org/10.1063/5.0276390
  9. ↑ Accordino SR, Menendez CA, Loubet NA, Alarcon LM & Appignanesi GA, J. Phys.: Condens. Matter 37, 305101 (2025), https://doi.org/10.1088/1361-648X/adebd4
  10. ↑ Loubet NA, Vert AR & Appignanesi GA, J. Chem. Phys. (2024), https://doi.org/10.1063/5.0203989
  11. ↑ Wang S, Jiang L(2007).«Definition of superhydrophobic states».Advanced Materials.19(21)
    3423–3424.doi:10.1002/adma.200700934.
  12. ↑ (1805).«An Essay on the Cohesion of Fluids».Phil. Trans. R. Soc. Lond..95
    65–87.doi:10.1098/rstl.1805.0005.
  13. ↑ (1936).«Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water».Ind. Eng. Chem..28(8)
    988–994.doi:10.1021/ie50320a024.
  14. ↑ de Gennes, Pierre-Gilles (2004). Capillarity and Wetting Phenomena. ISBN 0-387-00592-7.
  15. ↑ Baxter AB, Cassie S(1944).«Wettability of Porous Surfaces».Trans. Faraday Soc..40
    546–551.doi:10.1039/tf9444000546.
  16. ↑ (2005).«Gotes no pegajosas».Reports on Progress in Physics.68
    2495-2532.doi:10.1088/0034-4885/68/11/R01.
  17. ↑ Extrand CW(2005).«Modeling of ultralyophobicity: Suspensió de gotes de líquit per una sola asperidad».Langmuir.21(23)
    10370-10374.doi:10.1021/la0513050.
  18. ↑ Zhang YL, Sundararajan S(2008).«Superhydrophobic engineering surfaces with tunable air-trapping ability».Journal of Micromechanics and Microengineering.18(3)
    035024.
  19. ↑ Johnson RE, Dettre RH (1964). “Histéresis de l'àngul de contacte”. J. Phys. Chem. 68 (7): 1744-1750. doi:10.1021/j100789a012.
  20. ↑ Laurén, Susanna. «com/how-to-measure-contact-angle-hysteresis ¿Cóm medir la histéresis de l'àngul de contacte?» (en en-us).
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Hidrófobo&oldid=789894»