Skip to main content
Global

5.11: אינטראקציה עם מים

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208408

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    אנו יכולים לקבל מושג על האופי ההידרופילי, ההידרופובי/הידרואפתי והאמפיפתי של מולקולות באמצעות התנהגויותיהן כאשר אנו מנסים להמיס אותן במים. מולקולות כמו סוכרים (פחמימות), אלכוהולים ורוב חומצות האמינו הן בעיקר הידרופיליות. הם מתמוססים בקלות במים. מולקולות כמו שומנים הן הידרופוביות מאוד (הידרואפטיות), והן אינן מתמוססות באופן משמעותי במים. אז למה ההבדל? כדי לענות על שאלה זו עלינו להיות ברורים למה אנו מתכוונים כאשר אנו אומרים שמולקולה מסיסה במים. נשקול זאת משתי נקודות מבט. הראשון הוא איך נראה הפתרון ברמה המולקולרית, השני הוא איך הפתרון מתנהג לאורך זמן. כדי להתחיל אנחנו צריכים להבין איך המים לבד נראה. בגלל יכולתו ליצור ולתרום אינטראקציות אלקטרוסטטיות מרובות מסוג H-bond בסידור טטרהדרלי, מולקולות מים יוצרות רשת אינטראקציה בין-מולקולרית תלת מימדית דינמית. במים נוזליים האינטראקציות האלקטרוסטטיות מסוג H-bond בין המולקולות נשברות ונוצרות במהירות.

    כדי להכניס מולקולה A, המכונה מומס, לרשת זו עליכם לשבור חלק מהאינטראקציות האלקטרוסטטיות מסוג H-bond בין מולקולות המים, המכונות הממס. אם מולקולות A יכולות ליצור אינטראקציות אלקטרוסטטיות מסוג H-bond עם מולקולות מים, כלומר אם היא הידרופילית, אז יש השפעה נטו מועטה על האנרגיה החופשית של המערכת. מולקולה כזו מסיסה במים. אז מה קובע עד כמה מסיס המומס. כהערכה מסדר ראשון, לכל מולקולה מומסת תצטרך להיות לפחות שכבה אחת של מולקולות מים סביבה, אחרת היא תיאלץ לקיים אינטראקציה עם מולקולות מומסות אחרות. אם מספר המולקולות המומסות האינטראקטיביות הללו גדול מספיק, המומס כבר לא יהיה בתמיסה. במקרים מסוימים, אגרגטים של מולקולה מומסת יכולים, מכיוון שהם קטנים מספיק, להישאר תלויים בתמיסה. זהו מצב המכונה קולואיד. בעוד שתמיסה מורכבת ממולקולות מומסות בודדות המוקפות במולקולות ממס, קולואיד מורכב מאגרגטים של מולקולות מומסות בממס. אנו עשויים לחזות שכל שאר הדברים שווים (הנחה לא מציאותית), ככל שמולקולת המומס גדולה יותר כך המסיסות שלה נמוכה יותר. ייתכן שתוכל ליצור כלל דומה לגודל החלקיקים בקולואיד.

    כעת אנו יכולים לפנות למצב מסובך יותר מבחינה רעיונית, התנהגות של מולקולה מומסת הידרופובית במים. מולקולה כזו אינה יכולה ליצור אינטראקציות אלקטרוסטטיות מסוג H-bond עם מים, ולכן כאשר היא מוחדרת למים המספר הכולל של אינטראקציות אלקטרוסטטיות מסוג H-bond במערכת פוחת - האנרגיה של המערכת עולה (זכרו, יצירת קשרים מורידה אנרגיה פוטנציאלית). עם זאת, מתברר שחלק גדול מהשינוי הזה של "אנטלפיה", המצוין בדרך כלל כ- ΔH, מפוצה על ידי אינטראקציות של ואן דר ואלס (כלומר אינטראקציות אלקטרוסטטיות שאינן קשר H) בין המולקולות. באופן כללי, ההשפעה האנטלפית נטו היא מינימלית. משהו אחר חייב לקרות כדי להסביר את חוסר המסיסות של מולקולות כאלה.

    פנייה לאנטרופיה: במים נוזליים מולקולות יימצאו בדרך כלל במצב שממקסם את מספר האינטראקציות האלקטרוסטטיות מסוג H-bond הקיימות. ומכיוון שלאינטראקציות אלה יש גיאומטריה מובהקת, בערך טטרגונלית, נוכחותן מגבילה את האוריינטציות האפשריות של מולקולות ביחס זו לזו. אילוץ זה נלכד כאשר מים קופאים; זהו הבסיס להיווצרות גביש קרח, מדוע צפיפות המים עולה לפני ההקפאה ומדוע קרח צף במים נוזליים 164. בהיעדר מולקולת המומס ההידרופובית ישנן דרכים רבות שקולות שבהן מולקולות מים נוזליות יכולות לקיים אינטראקציה כדי לייצר כיוונים אלה שצוינו גיאומטרית. אך נוכחותה של מולקולה מומסת שאינה יכולה ליצור אינטראקציות אלקטרוסטטיות מסוג H-bond מגבילה את המספר הזה למספר קטן בהרבה של תצורות המביאות למקסום היווצרות קשרי H בין מולקולות מים. התוצאה הסופית היא שמולקולות המים מסודרות במספר מצומצם של דרכים סביב כל מולקולה מומסת; הם נמצאים במצב מסודר יותר, כלומר במצב בלתי סביר יותר, מכפי שהיו בהיעדר מומסים. התוצאה הסופית היא שתהיה ירידה באנטרופיה (מסומנת כ- ΔS), מדד ההסתברות למצב. ΔS יהיה שלילי בהשוואה לסידור מולקולות מים בהיעדר המומס.

    כיצד זה משפיע אם המסת מולקולה למים היא חיובית או לא חיובית מבחינה תרמודינמית. מסתבר שאנרגיית האינטראקציה (ΔH) של הצבת רוב המומסים לממס היא קרובה ל 0, כך שה- ΔS הוא זה שעושה את ההבדל. זכור כי ΔG = ΔH - TΔS, אם ΔS הוא שלילי, אז -T ΔS יהיה חיובי. ΔG של תגובה חיובית תרמודינמית הוא, בהגדרה, שלילי. זה מרמז שהתגובה:

    \[\text{water} + \text{solute} \rightleftharpoons\text{solution (water + solute)}\]

    יהיה שלילי מבחינה תרמודינמית; התגובה תעבור שמאלה. כלומר, אם נתחיל בתמיסה, הוא ייפרד כך שהמומס יוסר מהמים. איך זה קורה? המולקולות המומסות מצטברות זו עם זו. זה מפחית את ההשפעות שלהם על המים, ולכן ΔS עבור צבירה הוא חיובי. אם המומס הוא שמן, ואנחנו מערבבים אותו למים, השמן ייפרד מהמים, מונע על ידי העלייה באנטרופיה הקשורה למזעור אינטראקציות בין מים מומסים. לאותו תהליך בסיסי יש השפעה קריטית על מבנים מקרומולקולריים.

    שאלות שיש לענות עליהן ולהרהר בהן:

    • בהתחשב במה שאתה יודע על מים, מדוע קרח פחות צפוף ממים נוזליים?
    • יצירת מודל המתייחס למסיסות של מולקולה עם משטח הידרופילי לנפח המולקולה?
    • השתמש במודל שלך כדי לחזות את ההשפעה על המסיסות אם למולקולה שלך עם משטח הידרופילי היה פנים הידרופובי.
    • באילו תנאים השפעות אנטרופיות עשויות להשפיע על האינטראקציות בין שתי מולקולות מומסות?

    תורמים וייחוסים