הידרופיליות

הידרופיליות (hydrophilicity) (מיוונית: ύδρο, הידרו – מים; φιλια, פיליה – ידידות, אהבה) מתארת את התכונה הפיזיקלית של שטח הפנים של חומר להתקשר למים: בדרך כלל מולקולות הידרופיליות מסיסות במים ובכל ממס קוטבי אחר. מים מתפשטים על משטח הידרופילי בשכבה היוצרת לחות אחידה ולא מתכנסת לטיפה.

התכונה האופיינית למולקולה הידרופילית היא כח תאחיזה חזקה בינה ובין שטח הפנים של הנוזל תוך יצירת קשרי מימן או קשרי ון - דר - ואלס. הנקרא אדהזיה וגורם לפיזור אחיד במים יותר מאשר בשמן או בממסים הידרופוביים אחרים. בחומרים הידרופוביים, הקוהזיה חלשה יותר מכוח המשיכה של פרודות החומר עצמו, הנקרא קוהזיה. הנוזל יוצר טיפה כדורית על המשטח ההידרופובי. (תמונה 1).

 הבחנה בין הידרופיליות ומסיסות 

 הגדרה 
הידרופיליות: מתייחסת למגע בין שטח הפנים של חומר כלשהו למים כאשר הקוהזיה חזקה יותר מהאדהזיה של הנוזל. ממוזער|(תמונה 1) תגובה הידרופובית של שטח העלה לטיפת מים.
ממוזער|(תמונה 2) השפעת מתחלב: עלה הידרופובי הופך להידרופילי. טרמיט (schedorhinotermes.sp) נצמד לעלה של לימון שהורטב בחומר מתחלב. האדהזיה מצמידה את כנפי הטרמיט לעלה והעלה הופך הידרופילי.
מסיסות: היא תהליך של פיזור מולקולות או אטומים של חומר מומס אחד בתוך חומר ממס ונוצרת תמיסה. מסיסות היא תהליך כימי. הנובע מתכונות הממס (למשל מים) להתקשר בקשרי מימן או קשר כימי אחר (קשר יוני) כתוצאה מהמטענים החשמליים של מולקולה. תמיסה היא נוזל אחיד (הומוגני) שבו מפוזרות בצורה שווה מולקולות של המומס והממס, אף כי תכונות הממס והמומס נשמרות, וניתן להפריד ביניהם על-ידי אידוי המים, תהליך ההמסה בדרך כלל הוא אנדוגני - דורש השקעת אנרגיה, ישנם חומרים שתהליך ההמסה שלהם הוא אקסוגני תגובת המסה עלולה להיות אקסותרמית (כמו גבס, חומצה גופרתית, חומצה חנקתית וסודה קאוסטית). הקוטביות של מולקולת המים, גורמת ליצירת יונים המגיבים בתהליכים כימיים עם יונים אחרים (חיובי ושלילי).
חומרים הידרופובים יכולים לייצר תמיסות עם חומרים הידרופובים אחרים כמו עם שמנים, או ממסים על בסיס אורגני (בנזין, נפט וכדומה). מכיוון שבחומרים הידרופוביים נוצרת במים ממברנה המפרידה ביו מולקולות המים למולקולות השמן, לא נוצרת תגובה כימית והתמיסה היא אמולסיה - שבה טיפות זעירות של השמן (מיצלות) מפוזרות בתחליב בתוך המים.

 הכוחות הפועלים ביחסים הידרופיליים 
 קוהזיה (Cohesion) 
הגדרה: קוהזיה היא הכוח הקושר בין מולקולות הנוזל. הכוחות בנוזלים הידרופובים הם כוחות בין-מולקולריים הנקראים כוחות ואן-דר-ואלס, המבוססים על משיכה הדדית בין מולקולרית של מטען חשמלי חיובי למטען שלילי. בנוזלים הידרופוביים (כמו שמן) הכוחות הם בעיקר קשרי מימן וכוחות התלכיד (מיצלות).

מתח הפנים (Surface Tension): בנוזלים שלהם קוהזיה גבוהה ביחס לגז המשיק להם (כמו אוויר), נוצרת שכבה שמהווה ממברנה הנצמדת לנוזל.(תמונה 3) כאשר המגע עם מוצק הופך מתח הפנים לכוח משיכה בין המוצק לנוזל, הנקרא אדהזיה. משטח (surfactant) הוא חומר פעיל - שטח המוריד את מתח הפנים שבין מוצק לנוזל או גז, ולכן מגדיל את האדהזיה וההידרופיליות. משמש בעיקר לצביעה או ריסוס לקבלת משטח מגע אחיד.

 אדהזיה (Adhesion) 
הגדרה: אדהזיה היא כוח המשיכה הפועל בין מולקולות שונות בדרך כלל בין נוזל לבין משטח מוצק (כגון דופן של צינור, זכוכית, או בד).

דוגמה: כאשר מים נשפכים על זכוכית, הם נצמדים אליה ומטפסים מעט בשולי הכלי; כאשר נוזל מרטיב משטח מכיוון שכוחות האדהזיה בין הנוזל למשטח חזקים מכוחות הקוהזיה שבין מולקולות הנוזל עצמו. חומרים המגדילים את האדהזיה נקראים חומר מתחלב, (אמולסיפייר) שיוצר בועיות זעירות ל החומר ההידרופובי.
ממוזער|(תמונה 3) היתוש איננו שוקע במים, כיוון שלרגליו תכונות הידרופוביות, והממברנה של מתח הפנים מחזיקה אותו מעל למים.
כאשר הנוזל הוא מים (תמונה 2), חומרים שבהם האדהזיה חזקה מהקוהזיה של המים נקראים הידרופיליים (תמונה 4 משמאל.) וכאשר במגע עם מים הקוהזיה שלהם חזקה מהאדהזיה הם הידרופוביים (תמונה 4 מימין)

 הידרופיליות (hydrophilicity) 
שטח הפנים של חומר נובע מהכח הבין-מולקולרי של החומר עצמו, הנקרא קוהזיה במגע עם שטח פנים של חומר אחר, (בדרך כלל מוצק) נוצר כוח משיכה בין פני השטח של שני החומרים הנקרא אדהזיה. ככל שהאדהזיה חזקה מהקוהזיה, ייווצר משטח של הנוזל על פני המוצק, מצב הנקרא הידרופילי. ככל שכוחות הקוהזיה חזקים יותר מהאדהזיה תיווצר טיפה כדורית על פני השטח, והשטח יוגדר כהידרופובי. חומר יכול להיות הידרופילי אבל גם קשה - תמס (נמס בקושי) כמו עמילן. לכן יש להתייחס למסיסות כתכונה נפרדת מהידרופיליות.

 הידרופוביות (Hydrophobicity) 
המילה "הידרופובי" מגיעה מיוונית: $ὕδωρ$ (הידרו) – מים, ו - $\phiόβος$ (פובוס) – פחד.

הסבר: חומרים הידרופוביים הם חומרים שאינם מסיסים במים או כאלה שנדחים על ידיהם. כשהם נמצאים במים, הם נוטים להתקבץ למבנה כגדורי כדי למזער את שטח המגע שלהם עם המים.

הקשר כימי: חומרים אלה הם בדרך כלל א-קוטביים (א-פולאריים) וחסרי מטען. הם אינם יכולים ליצור קשרי מימן חזקים עם מולקולות המים. במקום זאת, מולקולות המים נאלצות ליצור סביב החומר ההידרופובי מבנים סגורים בממברנה של מתח הפנים, במצב זה יורדת האנטרופיה (סדר גבוה) של המערכת, המערכת תמיד שואפת לדרגת אי-סדר מקסימלית (אנטרופיה גבוהה), ולכן דוחפת את החומר ההידרופובי החוצה. תופעה זו נקראת האפקט ההידרופובי.ממוזער|(תמונה 4) תגובה הידרופילית משמאל (פני הנוזל קעורים והנוזל עולה בצינורית,) והידרופובית (פני נוזל כמורים ויורד בצינורית מימין. הנוזל נצמד לדופן הצינורית בכח האדהזיה, ולעצמו בכח הקוהזיה.
דוגמאות: כספית היא מתכת נוזלית הידרופובית היוצרת כדוריות על פני משטח מוצק או במים. שמן ארוך שרשרת, איננו נמס במים ויצר תרחיף של מיצלות או משטח על פני הנוזל כאשר בין השמן למים מפרידה ממברנה (קרום דק). אבל כאשר מוסיפים לשמן חומר מתחלב (אמולסיפייר) שמגדיל את כוח משיכת האדהזיה הוא יתפזר במים ויצור פיזור אחיד על משטחים הידרופובים כמו עלים של צמחים או שעווה. סבון הוא חומר מתחלב, כיוון שיש לו קצה הידרופילי (בדרך כלל יון נתרן או אשלגן) שנמס במים ושרשרת הידרופובית (למשל שמן זית) שנמסה בשמן. כך גם בנויות ממברנות ביולוגיות.

 מעבר ממצב הידרופובי למצב הידרופילי 
למולקולות סבון ולחלק מהליפידים קצה הידרופילי וקצה הידרופובי חומרים אלה נקראים מתחלבים (אמולסיפיירים) וגם משטחים (surfactants)) כאשר המגע בין מים למוצק או גז.. במצב זה לא נוצרת תמיסה אחידה או קשר כימי בין המים לחומר, אלא בועות מיקרוסקופיות (מיצלות) של המים הכלואים בממברנה של החומר ההידרופובי. מצב זה נקרא תחליב (אמולסיה). מיקרו - אמולסיות הם קולואידים, ההופכים לתחליב בגלל המטענים החשמליים שנוצרים סביבם. ככל שהמתחלב פעיל יותר על נוזל הידרופובי, כך ייווצר פיזור קולואידלי יציב יותר.

 יצירת משטח הידרופובי מחומר הידרופילי 
שטח הפנים של משטח קובע את נטייתו לייצר אדהזיה. לכן ניתן להפוך משטח הידרופילי להידרופובי על-ידי טיפול שטח המגדיל את שטח הפנים ההידרופוביים שלו, כמו התזה של אבקה קשיחה היוצרת שקעים מיקרוסקופיים במשטח, או ציפוי ננומטרי בחומר הידרופובי.

 מדידת עוצמת ההידרופיליות/ הידרופוביות 
ממוזער|(תמונה 5) מבנה של ממברנות ביולוגיות. מיצלות הן בועות סגורות המכילות לעיתים אנזימים, ליפוזומים הם אברונים המכילים אנזימים מפרקי שומנים. ממברנה ביולוגית אופינית מורכבת משתי שכבות. עיגולים מסמלים הידרופוביות, "זנבות" מסמלים הידרופיליות.
קיימות מספר שיטות למדידה כמותית של ההידרופיליות בהשוואה למים. תמונה 4 מראה שימוש בעליה נימית האופינית לנוזל הידרופילי כמו מים. גובה עמוד הנוזל יחסי לעוצמת היחס בין האדהזיה והקוהזיה של הנוזל הנבדק. שיטה מקובלת לבדיקת משטחים, היא מדידת הזווית בנקודת במפגש בין טיפת הנוזל והמשטח. משטח הידרופובי ייצר זווית העולה על 900. זווית הקטנה יותר מאפיינת ירידה בהידרופוביות. משטחים שטופלו בחומר משטח כמו סבון, הופכים הידרופיליים ויראו זווית. קרובה ל-0, ולא תיווצר טיפה.

 חשיבות ההידרופיליות ברפואה 
בטיפולים חודרניים, והשתלות של חומרים שאינם ביולוגיים, חשוב שפני השטח של השתל יהיה הידרופובי, כדי למנוע ספיחה של חיידקים או רקמות על המשטח. מאידך להשתלת רקמות חשוב שהשתל יהיה הידרופילי, ויתחבר לרקמות הסמוכות. קיימות שיטות מדויקות וייחודיות לבדיקת ההיצמדות למשטחי משתלים. כמו בדיקת היצמדות של חלבונים, רקמות וכדוריות דם, למשל במכשירים המשמשים לדיאליזה, או בדיקות מיקרוסקופיות והולוגרפיות למשל למתקני צינטור או השתלת עורקים סינתטים. שבהם הידרופיליות עשויה לגרום ליצירת קרישי דם. בתעשיית התרופות, והמזון הסינתטי שניתן בהזרקה חשיבות רבה ליצירת אמולסיות הידרופיליות כדי לאפשר קליטה ופעולה אנזימטית טובה.

 חשיבות הידרופיליות והידרופוביות בחקלאות ותעשייה 
 בחקלאות 
חומרי הדברה המשמשים בחקלאות מבוססים בדרך כלל על חומרים פעילים הידרופוביים, ולכן משתמשים בחומרים משטחים (סורפסטנטים), ליצירת אמולסיה - תחליב הידרופילי. וכך נצמד החומר המרוסס על הצמחים למשטח אחיד הנצמד לחרקים המזיקים ומאפשר פעילות שטח קטלנית לחרק, ללא שימוש ברעלים המסכנים בני אדם (תמונה 2).

 בתעשייה 
התגובה ההידרופילית /הידרופובית חשובה בעיקר בתעשיית התרופות והמזון אבל גם בתעשייה האלקטרונית והמכנית.
 במוצרי מזון המכילים שומנים משתמשים בחומר מתחלב כדי לשטח את השכבה השומנית בתוך המרקם של המזון.
 בתעשיית האלקטרוניקה חומרים הידרופוביים בדרך כלל אינם מוליכים זרם חשמלי. ולכן מצפים רכיבים ומוליכים בציפוי מבודד הידרופובי. מאידך חיבורים הדדיים בין רכיבים חייבים להיות מוליכים טובים ולכן בדרך כלל הידרופיליים.
 בתעשיית המכונות: שמנים הם תמיד הידרופוביים ומשמשים למניעת קורוזיה הנגרמת על-ידי חדירת מים לחלקים המכניים. שכבה הידרופובית היא בדרך כלל חלקה, וכך משמשת גם למיסבים ולמערכות נעות.

 ממברנות ביולוגיות 
ממברנות ביולוגיות מרכיבות את כל התאים החיים, מחיידקים ווירוסים ועד בעלי חיים וצמחים. הן מהוות את השלד התוך תאי ואת העטיפה של האברונים המרכיבים את התא ומאפשרים קיום כל התהליכים הנחוצים לחיים (כמו ליפוזומים, ריבוזומים, ליזוזומים מיטוכונדריה ועוד). הן מורכבות משילוב של מולקולה שחציה הידרופילית וחציה הידרופובית, הממברנות התוך תאיות מבוססות על שתי שכבות הצמודות בכוח האדהזיה בשכבות הפנימיות ההידרופיליות, ובשכבות הידרופוביות בשכבה החיצוניות, ויוצרות בידוד בין תוכן הבועה לסביבה. בתוך הממברנה משולבים חומרים המאפשרים חדירות סלקטיבית של מולקולות קטנות כמו יוני נתרן ואשלגן, וגם מנגנונים של חדירות אקטיבית (חדירות המחייבת פעילות אקטיבית כנגד מפל הריכוזים) ייחודית למולקולות כמו סוכרים, חלבונים ושומנים, וכן קולטנים המאפשרים הכרות בין תאית ותגובות ייחודיות לתא.(תמונה 5)

ראו גם
 אמפיפיליות
 קשרי מימן

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:כימיה
קטגוריה:ביולוגיה
קטגוריה:תרמודינמיקה