5.11: Взаємодія з водою
- Page ID
- 2761
Ми можемо отримати уявлення про гідрофільну, гідрофобную/гідроапатичну та амфіпатичну природу молекул через їх поведінку, коли ми намагаємось розчинити їх у воді. Молекули, такі як цукру (вуглеводи), спирти та більшість амінокислот, в першу чергу гідрофільні. Вони легко розчиняються у воді. Молекули, як жири, відрізняються високою гідрофобністю (гідроапатичними), і вони не розчиняються значно у воді. Так чому ж різниця? Щоб відповісти на це питання, ми повинні чітко розуміти, що ми маємо на увазі, коли говоримо, що молекула розчинна у воді. Ми будемо розглядати це з двох точок зору. Перший - як виглядає розчин на молекулярному рівні, другий - як поводиться розчин з плином часу. Для початку потрібно зрозуміти, як виглядає одна вода. Через свою здатність створювати та дарувати множинні електростатичні взаємодії типу H-Bond у чотиригранному розташуванні молекули води утворюють динамічну тривимірну мережу міжмолекулярної взаємодії. У рідкій воді електростатичні взаємодії H-Bond типу між молекулами швидко розриваються і утворюються.
Щоб вставити молекулу А, відому як розчинену речовину, у цю мережу потрібно розірвати деякі електростатичні взаємодії типу H-Bond між молекулами води, відомі як розчинник. Якщо молекули А можуть здійснювати електростатичні взаємодії типу H-Bond з молекулами води, тобто якщо вона гідрофільна, то чистий вплив на вільну енергію системи мало. Така молекула розчинна у воді. Отже, що визначає, наскільки розчинна розчинна речовина. Як оцінка першого порядку, кожна молекула розчиненої речовини повинна мати принаймні один шар молекул води навколо неї, інакше вона буде змушена взаємодіяти з іншими молекулами розчинених речовин. Якщо кількість цих взаємодіючих молекул розчинених речовин досить велика, розчинена речовина більше не буде в розчині. У деяких випадках агрегати молекули розчиненої речовини можуть, оскільки вони досить малі, залишатися підвішеними в розчині. Це ситуація, відома як колоїд. У той час як розчин складається з окремих розчинених молекул, оточених молекулами розчинника, колоїд складається з агрегатів розчинених молекул в розчиннику. Ми можемо передбачити, що за інших рівних умов (нереальне припущення), чим більша молекула розчиненої речовини, тим нижча її розчинність. Можливо, ви зможете створити подібне правило для розміру частинок в колоїді.
Тепер ми можемо звернутися до концептуально складнішої ситуації, поведінки гідрофобної розчиненої молекули у воді. Така молекула не може здійснювати електростатичні взаємодії типу H-Bond з водою, тому при її введенні в воду зменшується загальна кількість електростатичних взаємодій типу H-Bond в системі - збільшується енергія системи (пам'ятайте, формування зв'язку знижує потенційну енергію). Однак виявляється, що значна частина цієї зміни «ентальпії», умовно позначається як ΔH, компенсується взаємодіями ван дер Ваальса (тобто електростатичними взаємодіями, що не пов'язані з Н-зв'язком типу) між молекулами. Як правило, чистий ентальпічний ефект мінімальний. Щось інше повинно відбуватися, щоб пояснити нерозчинність таких молекул.
Перехід до ентропії: У рідкій воді молекули зазвичай виявляються в стані, який максимізує кількість присутніх електростатичних взаємодій типу H-зв'язку. І оскільки ці взаємодії мають виразну, приблизно тетрагональну геометрію, їх присутність обмежує можливі орієнтації молекул відносно один одного. Це обмеження фіксується при замерзанні води; воно є основою для утворення кришталів льоду, чому щільність води збільшується перед замерзанням, і чому лід плаває в рідкій воді 164. За відсутності гідрофобної молекули розчиненої речовини існує багато еквівалентних способів, якими молекули рідкої води можуть взаємодіяти для отримання цих геометрично заданих орієнтацій. Але наявність розчиненої молекули, яка не може утворювати електростатичні взаємодії типу H-зв'язку, обмежує це число набагато меншою кількістю конфігурацій, що призводить до максимізації утворення H-зв'язку між молекулами води. Кінцевим результатом є те, що молекули води розташовуються обмеженою кількістю способів навколо кожної розчиненої молекули; вони знаходяться в більш впорядкованому, тобто більш неймовірному стані, ніж вони були б за відсутності розчиненої речовини. Кінцевим результатом є те, що відбудеться зниження ентропії (позначається як ΔS), міра ймовірності стану. ΔS буде негативним порівняно з розташуванням молекул води при відсутності розчиненого речовини.
Як це впливає на те, чи є розчинення молекули у воді термодинамічно сприятливим чи несприятливим. Виявляється, енергія взаємодії (ΔH) розміщення більшості розчинених речовин в розчинник знаходиться близько 0, так що саме ΔS робить різницю. Враховуючи, що ΔG = ΔH - TΔS, якщо ΔS негативний, то -T ΔS буде позитивним. ΔG термодинамічно сприятливої реакції, за визначенням, негативний. Звідси випливає, що реакція:
\[\text{water} + \text{solute} \rightleftharpoons\text{solution (water + solute)}\]
буде термодинамічно несприятливою; реакція буде рухатися вліво. Тобто, якщо ми почнемо з розчину, він відокремиться так, щоб розчинений розчин видалився з води. Як це відбувається? Молекули розчинених речовин агрегуються один з одним. Це зменшує їх вплив на воду, і тому ΔS для агрегації є позитивним. Якщо розчиненою речовиною є олія, і ми змішуємо її у воду, масло відокремиться від води, обумовлене збільшенням ентропії, пов'язаним з мінімізацією взаємодії розчин-вода. Цей же основний процес грає критичний вплив на високомолекулярні структури.
Питання, на які потрібно відповісти та обміркувати:
- З огляду на те, що ви знаєте про воду, чому лід менш щільний, ніж рідка вода?
- Складіть модель, що пов'язує розчинність молекули з гідрофільною поверхнею з об'ємом молекули?
- Використовуйте свою модель, щоб передбачити вплив на розчинність, якщо ваша молекула з гідрофільною поверхнею мала гідрофобну внутрішню частину.
- За яких умов ентропні ефекти можуть впливати на взаємодію між двома молекулами розчинених речовин?