SKRAWKI PAPIERU I ODDZIAŁYWANIA HYDROFILOWE I HYDROFOBOWE

Cząsteczki niepolarnej substancji znajdującej sią w polarnym rozpuszczalniku doznają charakterystycznych oddziaływań. Opisane są one przy okazji działania katalizatora miedzyfazowego (s. 110) i substancji powierzchniowo czynnych (s. 109). Konsekwencją różnic w oddziaływaniach pomiędzy substancjami polarnymi i niepolarnymi było sformuowanie reguły dotyczącej przewidywania różnic rozpuszczalności różnych substancji. Reguła, pochodząca jeszcze z czasów alchemicznych, głosi: “similia similibus solventur” (łac.: podobne rozpuszcza się w podobnym). Stąd można się na przykład spodziewać, że substancje o niepolarnej budowie cząsteczek (np. tłuszcze), bedą się łatwiej rozpuszczać np. w benzynie, niż w wodzie - której cząsteczki mają polarną budowę ^#. Oddziaływania hydrofobowe i hydrofilowe są tak silne, że bez trudu można je zademonstrować w skali makroskopowej.

^# Chemiczny abstrakcyjny żart słowny: “dlaczego białe niedźwiedzie tak chętnie pływają w wodzie?” Odpowiedź: “bo są to niedźwiedzie polarne!”.

Kawałek zwykłego bibułowego sączka bardzo dokładnie poczernić po jednej stronie za pomocą “miękkiego” grafitu ołówka, a następnie pociąć nożyczkami na skrawki o wymiarach ok. 3x3 mm. Do kolbki stożkowej 250 ml nalać ok. 10 mm warstwę ciężkiego rozpuszczalnika (np. chloroformu lub chlorku metylenu), oraz 100 ml wody. Do kolbki wsypać kilka przygotowanych skrawków, kolbę zatkać korkiem i wstrząsnąć. Skrawki gromadzą się na granicy obu rozpuszczalników. Prawie wszystkie zwrócone są zaczernioną stroną do dołu!

Celuloza (bibuła) zbudowana jest z reszt glukozowych zawierających polarne, silnie oddziałujące z wodą ugrupowania -OH. Druga strona skrawka pokryta jest warstwą grafitu, niepolarnej substancji, izolującą wodę od kontaktu z polarnymi cząsteczkami celulozy. Gdy skrawek znajdzie się na granicy obu warstw rozpuszczalników, doznaje on sił wynikających z oddziaływań hydrofilowych (celuloza - woda) i hydrofobowych (grafit - woda). W rezultacie wszystkie skrawki ustawiają się stroną poczernioną w dół. Niepolarna warstwa grafitu zwrócona jest w stronę niepolarnego rozpuszczalnika, natomiast polarne grupy celulozy, w stronę polarnego rozpuszczalnika - wody. Similia similibus solventur...

Aby uniknąć zarzutu, że skrawki ustawiają się cięższą, pokrytą grafitem stroną w dół, można przeprowadzić podobny eksperyment z mieszaniną wody i benzyny, która jest lżejsza od wody. Tym razem wszystkie skrawki ustawiają się czarną stroną do góry. Przyczyny tego są identyczne, jak w poprzednim eksperymencie.

Łańcuchy peptydowe białek zawierają różne, hydrofilowe lub hydrofobowe reszty aminokwasowe. Oddziaływania hydrofobowe i hydrofilowe w łańcuchach peptydów odgrywają zasadniczą rolę w uformowaniu właściwego kształtu cząsteczek peptydu w środowisku wodnym, czyli w powstawaniu tzw. drugorzędowej struktury peptydów. Jest to istotne dla aktywności biologicznej np. enzymów (por. s. 89).

Przyczyny mieszalności jednych cieczy a niemieszalności innych są dość zawiłe i posługiwanie się zdawkową książkową formułą jest niewystarczające. Są to przyczyny natury termodynamicznej i związane są ze zmianami entropowymi układów.

LITERATURA
“Chemical Demonstrations. A Sourcebook for Teaching”, tom 2, American Chemical Society, Washington D.C., 1988, s. 93. [Polarność i skrawki papieru]
J.Chem.Educ. 73, 497 (1996). 75, 116 (1998). [Prawdziwa przyczyna, dlaczego olej nie miesza się z wodą]
http://www.princeton.edu/~lehmann/BadChemistry.html [j.w.]

Tomasz Pluciński
nowy adres:  tomasz.plucinski@ug.edu.pl