Hidrofób kölcsönhatások

A hidrofób kölcsönhatások múltbeli figyelmen kívül hagyásának egyik fő oka az, hogy nem álltak rendelkezésre elméletek nagyságuk és tartományuk előrejelzésére. Eredetük összetett jellege, amely a nem poláros csoportok közelében lévő nagyszámú vízmolekula kölcsönhatásainak és szerkezeti szerveződésének változásától függ, azt jelenti, hogy rendkívül nehéz az első elvekből matematikai elméleteket kidolgozni (Israelachvili 1992, Paulaitis et al., 1996). Mindazonáltal a makroszkopikus testek közötti erők mérésére szolgáló érzékeny eszközök kifejlesztése terén a közelmúltban elért eredmények lehetővé tették a kutatók számára, hogy empirikus egyenleteket dolgozzanak ki a hidrofób kölcsönhatások nagyságának és tartományának leírására (Israelachvili és Pashley 1984, Pashley et al. 1985, Claesson 1987, Claesson és Christenson 1988, Rabinovich és Derjaguin 1988). Ezek a kísérletek kimutatták, hogy a nem poláros felületek közötti hidrofób kölcsönhatás viszonylag erős és hosszú hatótávolságú, és hogy a felület-felület elválasztással exponenciálisan bomlik. A hidrofób kölcsönhatások természetének megértésében is jelentős előrelépés történt számítógépes szimulációk alkalmazásával (Paulaitis et al. 1996).

A vízzel elválasztott hidrofób felületű két emulziós csepp közötti cseppközi páros potenciált (Israelachvili és Pashley 1984) adja meg:

^ hidrofób (h) = -2 Kl ^ ^ l0 e-h '(3,23)

3.19. ÁBRA Vonzó hidrofób kölcsönhatás alakul ki az emulziós cseppek között, ha felületük valamilyen hidrofób jelleget mutat, ahol ^ megközelítőleg megegyezik a cseppfelület nem poláros részével.

ahol y a nempoláris csoportok és a víz közötti interfészfeszültség (élelmiszerolajok esetében általában 10-50 mJ m-2 között van), ^ egy 0 és 1 között változó paraméter, amely figyelembe veszi azt a tényt, hogy a cseppek felületének csak egy része hidrofób, és a kölcsönhatás bomlási hossza (jellemzően 1-2 nm között van) (Israelachvili 1992). Ez az egyenlet azt jelzi, hogy a hidrofób kölcsönhatás nagysága növekszik, ha a felületek hidrofóbabbá válnak (azaz ^ egység felé hajlik). Kísérletek kimutatták, hogy a csupasz nem poláros felületeknél a hidrofób vonzás erősebb, mint a van der Waals vonzása 80 nm-es elválasztásokig (Israelachvili 1992).

Amikor a hidrofób felületeket amfifil molekulák borítják, például kismolekulájú felületaktív anyagok vagy biopolimerek, akkor a köztük lévő hidrofób kölcsönhatást hatékonyan átvizsgálják, és a teljes vonzerőt főként van der Waals kölcsönhatásai okozzák (Israelachvili 1992). Ennek ellenére a hidrofób kölcsönhatások akkor jelentõsek, ha a felület valamilyen hidrofób jelleget mutat (pl. Ha a felület nem teljesen telített emulgeálószer-molekulákkal, ha hajlított az olajmolekulák leleplezéséhez [Israelachvili 1992], vagy ha az emulgeálószer-molekulák hidrofóbok) vizes fázisnak kitett régiók [Demetriades és mtsai 1997b]. A kísérletek azt mutatták, hogy a hidrofób kölcsönhatás nincs közvetlenül arányos a felszínen lévő nem poláros csoportok számával, mert a nem poláros csoportok által a vízszerkezetben bekövetkezett változást bármely szomszédos poláris csoport jelenléte megzavarja (Israelachvili 1992). Így nem lehet azt feltételezni, hogy ^ egyszerűen megegyezik a felületen lévő nem poláros helyek töredékével. Ennek következtében az első elvek alapján nehéz pontosan megjósolni nagyságukat.

A hőmérséklet emelkedésével a hidrofób kölcsönhatások egyre erősebbek (Israelachvili 1992). Így az emulziócseppek közötti hidrofób kölcsönhatások magasabb hőmérsékleten fontosabbá válnak. Mivel a hidrofób kölcsönhatások erőssége a határfelületi feszültség nagyságától függ, az oldószer tulajdonságainak bármilyen változása, amely növeli a határfelületi feszültséget, növeli a hidrofób vonzást. Kis mennyiségű alkohol hozzáadása az emulzió vizes fázisához csökkenti az y értéket, ezért csökkenti a nem poláros csoportok közötti hidrofób vonzást. A vízmolekulák szerkezeti elrendezését megváltoztató elektrolitok szintén befolyásolják a hidrofób hatás nagyságát, ha kellően magas koncentrációban vannak jelen (Christenson és mtsai 1990). A szerkezetmegszakítók hajlamosak fokozni a hidrofób kölcsönhatásokat, míg a szerkezetpromóterek inkább csökkenteni őket (5. fejezet). A pH-változások csak kevéssé befolyásolják közvetlenül a hidrofób kölcsönhatások erősségét, hacsak nem kísérnek változásokat a víz szerkezete vagy az interfaciális feszültség (Israelachvili és Pashley 1984).