Ανασκόπιση. Άτομα μικρότερη υποδιαίρεση της ύλης. Μόρια μικρότερα σωματίδια που μορούν να υπάρξουν ελεύθερα στη φύση.

Transcript

1 Ανασκόπιση Άτομα μικρότερη υποδιαίρεση της ύλης. Μόρια μικρότερα σωματίδια που μορούν να υπάρξουν ελεύθερα στη φύση. Μιλήσαμε στο προηγούμενο μάθημα για τα άτομα και τα μόρια που είναι οι δομικές μονάδες της ύλης. Είπαμε ότι τα μόρια είναι τα μικρότερα σωματίδια που μπορεί να υπάρχουν ελεύθερα ενώ τα άτομα είναι τα συστατικά τους. Το μόριο αποτελείται συνήθως από πολλά άτομα.

2 Το άτομο του υδρογόνου Αποτελείται από τον πυρήνα και το/τα ηλεκτρόνια. Μοιάζει με την γη που περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο. Στο παραπάνω σχήμα παρατηρούμε την δομή του ατόμου του υδρογόνου που είναι το πιο απλό άτομο στην φύση. Το άτομο αποτελείται από τον πυρήνα που είναι θετικά φορτισμένος και ένα ηλεκτρόνιο που είναι αρνητικά. Ο πυρήνας και το ηλεκτρόνιο έλκονται αμοιβαία. Αποτέλεσμα είναι το ηλεκτρόνιο να ακολουθεί κυκλική τροχιά γύρω από τον πυρήνα με τρόπο παρόμοιο με αυτό που η γη κινείται γύρω από τον ήλιο (βέβαια το φαινόμενο οφείλεται σε διαφορετικά πεδία, το ένα είναι το βαρυτικό το άλλο το ηλεκτρικό).

3 Το μόριο του υδρογόνου. Αποτελείται από δύο ίδια άτομα. Τα δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται ακριβώς στη μέση. Δεν υπάρχει δίπολο. Το πιο απλό άτομο στη φύση είναι το άτομο του υδρογόνου. Αποτελείται από δυο ίδια άτομα υδρογόνου. Το γεγονός ότι τα άτομα είναι ίδια υποχρεώνει τα δύο ηλεκτρόνια να βρίσκονται ακριβώς στην μέση των δύο πυρήνων. Φανταστείτε ότι δύο άνθρωποι με την ίδια χειρωνακτική δύναμη τραβάνε αμοιβαία ένα σχοινί που στην μέση του έχει ένα βάρος στηριγμένο, καθώς και οι δύο έχουν ταυτόσημη δύναμη το σχοινί παραμένει στάσιμο και το βάρος στην μέση δεν μετακινείται. Κάτι τέτοιο γίνεται και με τα ηλεκτρόνια.

4 Το μόριο του νερού Το οξυγόνο έλκει περισσότερο τα ηλεκτρόνια οπότε δημιουργείται δίπολο. Στο μόριο του νερού συναντάμε τρία άτομα, ένα άτομο οξυγόνου και δύο υδρογόνου. Κάτι άλλο που πρέπει να παρατηρήσουμε στο μόριο του νερού είναι ότι έχουμε δύο λογιών άτομα, οξυγόνο και υδρογόνο να συνυπάρχουν συνδεδεμένα στο ίδιο μόριο. Στις σχέσεις του με τα υδρογόνα το οξυγόνο είναι πιο βίαιο. Είναι πιο δυνατό από τα υδρογόνα και όταν συνδέεται με αυτά τραβάει τα ηλεκτρόνια περισσότερο προς την μεριά του. Καθώς τα ηλεκτρόνια δεν είναι στην μέση αλλά πάνε κοντά στο οξυγώνο το φορτίο στο μόριο δεν είναι συμμετρικά κατανεμημένο. Στην πάνω μεριά που είναι το οξυγώνο έχουμε πολύ αρνητικό φορτίο και στην κάτω λιγότερο οπότε συνολικά το μόριο συμπεριφέρεται σαν μικροσκοπικός μαγνήτης η σαν δίπολο όπως λέμε στην χημεία και το φαινόμενο αυτό λέγεται διπολική ροπή.

5 Πότε δημιουργούνται δίπολα. Τα δίπολα σχηματίζονται στο μήκος ενός δεσμού. Μας ενδιαφέρουν ιδιαίτερα οι δεσμοί που περιλαμβανουν C γιατί τέτοιους δεσμούς έχουν τα υλικά που μελετάμε. Όταν τα άτομα είναι διαφορετικά στον δεσμό τότε τις πιο πολλές φορές σχηματίζεται δίπολο πχ C-N, C-O, C-S Βασική εξαίρεση είναι ο δεσμός C-H για αυτό τα αλκάνια είναι άπολα. Στα προϊόντα που μελετάμε (οργανικές ενώσεις) μας ενδιαφέρει πολύ ο άνθρακας γιατί αυτός αποτελεί τον κορμό των μορίων αυτών. Πως δηλαδή συνδέονται τα άτομα C μεταξύ τους (δεσμός C-C) καθώς και του C με άλλα άτομα (πχ C-S, C-N, C-F, C-F, C-H). Υπάρχει ένα μέτρο που εκφράζει πόσο δυνατό ή πόσο βίαιο είναι ένα άτομο στη σχέση (δεσμούς) του με τα υπόλοιπα άτομα. Αυτό λέγεται ηλεκτραρνητικότητα και εκφράζει πόσο δυνατά έλκει το κάθε άτομο τα ηλεκτρόνια. Τα άτομα Ο,N,S,F είναι περισσότερο δυνατά (ηλεκτραρνητικά) από το άτομο του C οπότε οποτεδήποτε συνδέονται με άνθρακα δημιουργούν τοπικά μαγνήτες (δίπολα) γιατί τραβάνε τα ηλεκτρόνια στο μέρος τους. Είπαμε ότι στον δεσμό C-C δεν σχηματίζεται δίπολο γιατί τα άτομα είναι το ίδιο δυνατά, το ίδιο ισχύει και στον δεσμό C-H. Οπότε δίπολα σχηματίχονται σε δεσμούς C-(άλλο μόριο εκτώς C και H)

6 Ένα ακόμη πολικό μόριο. Η γλυκόζη είναι επίσης πολικό μόριο. Όπου υπάρχει δεσμός C-O τότε δημιουργείται δίπολο -μαγνήτης. Πολλοί μαγνήτες στο ίδιο μόριο. Γλυκόζη (η γλυκόση) ανήκει στην κατηγορία ενώσεων που λέγονται σάκχαρα. Είναι απαραίτητη για την ζωή. Μεταφέρει ενέργεια στα κύτταρα του σώματός μας και είναι το αποκλειστικό καύσιμο του εγκεφάλου. Είναι συστατικό της σακχαρόσης (της ζάχαρης που έχουμε στην κουζίνα μας). Περιέχει πολλούς δεσμούς C-O οπότε και πολλούς μαγνήτες (δίπολα) επάνω του.

7 Μεθάνιο Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται περίπου στη μέση μεταξύ C και H. Αυτό σημαίνει ότι το μόριο δεν εμφανίζει πολικότητα. Διαφορά από το μόριο του νερού. Το πάνω μόριο ονομάζεται μεθάνιο, είναι το μικρότερο οργανικό μόριο και συναντάται πολύ συχνά στους ζωντανούς οργανισμούς. Αποτελείται αποκλειστικά από δεσμούς C-H που όπως είπαμε δεν προκαλούν μαγνήτες (δίπολα) γιατί τα δύο άτομα (υδρογόνο και άνθρακας) τραβάνε τα ηλεκτρόνια (περίπου) με την ίδια δύναμη.

8 Ολεϊκό οξύ. Είναι στην πραγματικότητα ένα σύνολο από άπολους δεσμούς. Μόνο ένα δίπολο σε ένα πολυ άπολο περιβάλλον. Συμπεριφέρεται άπολα. Το ολεϊκό οξύ, βασικό συστατικό του ελαιολάδου και πολλών άλλων ελαίων. Έχει πάρα πολλούς δεσμούς C-C και C-H που δεν φτιάχνουν μαγνήτες (δίπολα) και στην άκρη του έχει δύο οξυγώνα (με κόκκινο χρώμα) ενωμένα με άνθρακα (C-O). Σημειώστε ότι στο αρκετά μεγάλο αυτό μόριο επικρατούν δεσμοί που δεν είναι μαγνήτες (δίπολα) και μόνο ένα μικρό κομμάτι του εμπεριέχει μαγνήτες (δίπολα). Το μόριο αυτό αν και έχει μαγνήτες πάνω του συμπεριφέρεται σαν να μην έχει γιατί υπερισχύει το μεγαλύτερο μέρος που δεν έχει μαγνήτες (άπολο).

9 Συνέπεια όλων αυτών. Είδαμε δύο ειδών μόρια, αυτά που είναι πολικά και αυτά που δεν είναι. Σε ένα διάλυμα, τα πολικά μόρια έλκονται μεταξύ τους και σχηματίζουν ένα σύνολο αφήνοντάς έξω τα άπολα μόρια. Αυτός είναι ο λόγος που δεν διαλύεται το λάδι στο νερό.

10 Μεσεπιφάνεια λάδι/νερό. Τα μόρια του νερού έλκονται μεταξύ τους και αφήνουν απ' έξω τα μη πολικά μόρια. Ας θεωρήσουμε ότι έχουμε βάλει ελαιόλαδο και νερό μέσα σε ένα δοχείο και τα έχουμε αφήσει να ισορροπήσουν. Το νερό θα μαζευτεί όλο μαζί στο κάτω μέρος και το λάδι όλο μαζί στο πάνω. Αυτό γίνεται για έναν απλό λόγο. Τα μόρια του νερού, όπως είδαμε συμπεριφέρονται σαν μαγνήτες και έλκονται μεταξύ τους αφήνοντας στην απ' έξω τα μόρια του ελαιολάδου που δεν είναι μαγνήτες. Για αυτό το νερό μαζεύεται όλο κάτω και το λάδι όλο πάνω. Αν ρίξουμε κάτι μέσα που έχει πολλούς μαγνήτες πάνω του (σχετικά με το μέγεθός του) θα προτιμήσει να διαλυθεί στο νερό αν ρίξουμε κάτι με λίγους μαγνήτες (σχετικά με το μέγεθός του) θα προτιμήσει να διαλυθεί στο λάδι.

11 Η γλυκόζη στο νερό.

12 Αναλυτικότερα

13 Τι διαπιστώσαμε μέχρι τώρα. Ότι τα μόρια μπορεί να συμπεριφέρονται σαν δίπολα (μαγνήτες) η να είναι ηλεκτρικά αδιάφορα (άπολα). Οι μαγνήτες στα υδατικά μέσα μαζεύονται μεταξύ τους και αφήνουν στην άκρη τα άπολα. Με τον τρόπο αυτό αντιληφθήκαμε γιατί το λάδι δεν διαλύτεται στο νερό ενώ η γλυκόζη το κάνει.

14 Για την παράσταση των μορίων. Στις οργανικές ενώσεις παραλείπουμε τους άνθρακες και τα υδρογόνα που είναι συνδεδεμένα μαζί τους. Γράφουμε μόνο τα άλλα μόρια που μας δίνουν θέσεις όπου υπάρχουν δίπολα.

15 Ουρία Η ουρία είναι ένα κλασικό συστατικό των σκευασμάτων με ικανοποιητική ενυδατική δράση. Στο μόριο υπάρχουν δεσμοί C-N και C=O. Και οι δύο αυτοί δεσμοί είναι δεσμοί μεταξύ διαφορετικών ατόμων οπότε σχηματίζονται μαγνήτες (δίπολα). Το μόριο λοιπόν έχει κάθε λόγο να μαζεύεται με το νερό (διαλύεται) στο νερό και να αφήνει στην απ' έξω το λάδι.

16 Υαλουρονικό οξύ Το υαλουρονικό οξύ ίσως το καλύτερο ενυδατικό που σήμερα έχουμε στην διάθεσή μας. Δεν απορροφάται από το δέρμα αλλά μένει πάνω του κρατώντας το ενυδατωμένο. Στο πάνω σχήμα βλέπουμε ένα κομμάτι του (το ίδιο κομμάτι επαναλαμβάνεται συνεχώς στο μόριο) όπου βλέπουμε πολλούς δεσμούς C-O (ή C=O) και C-N σε πολλά σημεία πάνω στο μόριο οπότε υπάρχουν πολλοί μαγνήτες στο μόριο αυτό και πηγαίνει να διαλυθεί στο νερό.

17 Βιταμίνη Α Μια μορφή της βιταμίνης Α και η προβιταμίνη της β-καροτένη. Το β-καροτένιο έχει μόνο δεσμούς C-H και C-C που δεν είναι μαγνήτες, οπότε το μόριο δεν έχει κανένα λόγο να πάει με το νερό (δεν έλκεται από αυτό) παρά διαλύεται στο λάδι. Η βιταμίνη Α έχει στην άκρη της έναν δεσμό C-O αλλά δεν αρκεί για να στείλει το μόριο αυτό στην υδατική φάση γιατί οι δεσμοί που δεν είναι μαγνήτες είναι συντριπτικά περισσότεροι. Οπότε και αυτό το μόριο πάει στην λιπαρή φάση (δεν έλκεται από το νερό).

18 Πανθενόλη Η πανθενόλη είναι ένα σύνηθες συστατικό των καλλυντικών και συμμετέχει στον κυτταρικό μεταβολισμό των επιδερμικών κυττάρων. Χρησιμεύει κυρίως για την επουλωτική της δράση. Περιέχει δεσμούς C-O (και C=O) και C-N που είναι μαγνήτες (δίπολα). Οπότε έλκεται από τα μόρια του νερού και διαλύεται στην υδατική φάση.

19 Βενζόλιο Το βενζόλιο δεν χρησιμοποιείται στα καλλυντικά, είναι ένα τοξικό μόριο και περιέχει μόνο δεσμούς C-C (στην πραγματικότητα είναι συζυγείς μονοί και διπλοί που συχνά εμφανίζονται σε κυκλικά οργανικά μόρια) και C-H. Το άτομο αυτό λοιπόν δεν έχει μαγνήτες και πηγαίνει στην υδατική φάση. Σημειώστε ότι στην δομή του μοιάζει πολύ με τα αρωματικά συστατικά των εθαιρίων ελαίων.

20 Αμφίφιλα μόρια Μέχρι τώρα μελετήσαμε μόρια που είναι πολύ άπολα και μόρια που είναι πολύ πολικά. Όταν μελετάμε μεγάλα μόρια συχνά συναντάμε αμφίφιλα μόρια, μόρια δηλαδή που έχουν ένα μέρος πολικό και ένα άλλο άπολο.

21 Λεκιθίνη Περιέχει ένα μεγάλο υδόφιλο μέρος και ένα μεγάλο λιπόφιλο. Η λεκιθίνη έχει περισσότερες χρήσεις σαν συμπλήρωμα διατροφής παρά σαν συστατικό των καλλυντικών. Χρησιμοποιείται επίσης σαν γαλακτωματοποιητής σε τρόφιμα καθώς είναι βρώσιμη. Έχει δύο μέρη μια κεφαλή που έχει πολλούς μαγνήτες (τα κόκκινα μόρια είναι O το κίτρινο P το μπλε Ν (ένα ειδικό είδος αζώτου -τεταρτοταγές- που είναι ιδιαίτερα πολικό)) και μια ουρά που δεν έχει καθόλου. Σημειώστε ότι και οι δυο μεριές έχουν ικανοποιητικό μήκος και καμία δεν θεωρείται αμελητέα. Οπότε στο μόριο αυτό συνυπάρχουν και τα δύο φαινόμενα που μελετάμε, το μόριο σε ένα μέρος του είναι μαγνήτης και σε ένα άλλο δεν είναι. Αυτό είναι ένα σημαντικό φαινόμενο με πολλές εφαρμογές. Μπορεί να συμβεί μόνο σε μόρια που έχουν επαρκές μέγεθος.

22 Συμπεριφορά αμφίφιλων στο νερό Τα αμφίφιλα μόρια προσανατολίζονται στην μεσεπιφάνεια λαδιού/νερού με το πολικό μέρος στο νερό και το άπολο στο λάδι. Τα αμφίφιλα μόρια σαν την λεκιθίνη όταν προστεθούν στον περιέκτη μας όπου βρίσκεται το λάδι και το νερό έχουν την τάση να προσανατολίζονται όπως στη μεσαία φωτογραφία. Η κεφαλή τους που είναι μαγνήτης (πολική ή υδρόφιλη) βουτάει στο νερό ενώ η ουρά που δεν είναι μαγνήτης (άπολη, υδρόφοβη) προτιμάει να βυθίζεται στο λάδι

23 Συνέπειες αμφίπολων μορίων Έχουν συντρηπτικές συνέπειες στους ζωντανούς οργανισμούς, δομούν τις μεσεπιφάνειες μεταξύ υδατικών και λιπαρών διαμερισμάτων στο σώμα μας. Εμάς μας ενδιαφέρουν γιατί χρησιμεύουν στην παρασκευή γαλακτωμάτων και στην διαλυτοποίηση λιπαρών συστατικών στο νερό.

24 Μια ματιά στο μέλλον Εδώ βλέπουμε την γαλακτωματοποίηση, μια διαδικασία που μας επιτρέπει να ομογενοποιούμε τις δύο φάσεις (λάδι και νερό) που έχουμε στον περιέκτη μας κατά τρόπο τέτοιο ώστε να διασπείρεται το λάδι ομοιόμορφα μέσα στο νερό. Αριστερά βλέπουμε τις δύο φάσεις λάδι και νερό χωρισμένες με το λάδι πάνω και το νερό κάτω. Προσθέτουμε τον γαλακτωματοποιητή που είναι ένα αμφίφιλο μόριο (πχ. Λεκιθίνη) και αναδεύουμε έντονα. Τα σωματίδια του λαδιού που σχηματίζονται δεν συνενώνονται γιατί σταθεροποιούνται από την λεκιθίνη κατά τον τρόπο που βλέπουμε στο δεξύ σχήμα. Περισσότερα για το θέμα αυτό στο οικείο μάθημα.

25 Το σώμα μας Το σώμα μας περιέχει διαμερίσματα που έχουν νερο και άλλα που έχουν λαδι. Το δέρμα ουσιαστικά είναι ένας λιπαρός φραγμός. Για να περάσουν συστατικά παθητικά (απο μόνα τους) πρέπει να είναι άπολα στην φύση (πχ. VitA) Μερικές φορές και τα πολικα περνάνε αλλά πολύ λιγότερο.

26 Study Case Διφασικό γαλάκτωμα καθαρισμού ματιών. Θα δούμε τί περιέχει μέσα και θα φτιάξουμε το δικό μας. Είναι ένα διφασικό σύστημα που δεν είναι ομογενοποιημένο (γαλάκτωμα). Πάνω με γαλάζιο χρώμα διακρίνουμε την λιπαρή φάση και κάτω με ανοιχτό την υδατική. Είναι ένα διφασικό ντεμακιγιάζ ματιών.

27 Συστατικά Aqua, Cyclopentasiloxane, Glycerine, Isohexadecane, Butylene Glycol, Panthenol, Copper Gluconate, Sodium Chloride, Disodium EDTA, Sodium Hydroxide, Phenoxyethanol, Methylparaben

28 Isohexadecane Λιπαρή φάση Άοσμο, άχρωμο, μή λιπαρό Είναι η λιπαρή φάση, είναι δηλαδή το αντίστοιχο του λαδιού που έχουμε στον φανταστικό μας περιέκτη που έχει νερό κάτω και λάδι πάνω. Είναι άχρωμο το γαλάζιο χρώμα το παίρνει από την χρωστική που θα δούμε παρακάτω. Παρατηρείστε ότι έχει μόνο δεσμούς C-C και C-H και δεν είναι στο ελάχιστο μαγνήτης.

29 Cyclopentasiloxane Κάνει το δέρμα πιό στιλπνό Ανήκει σε μια κατηγορία οργανικών ενώσεων που λέγονται σιλάνια και περιέχουν πυρίτιο αντί για άνθρακα. Τα συστατικά αυτά έχουν την ιδιότητα να αφήνουν το δέρμα στιλπνό και λείο (τέτοια περιέχουν πολλές μάσκες μαλλιών για να κάνουν τα μαλλιά να έχουν μεταξένια υφή ). Οι κανόνες που έχουμε μάθει δεν αρκούν για να το εξηγήσουμε θεωρητικά όμως το συγκεκριμένο μόριο δεν συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης και διαλύεται στην λιπαρή φάση.

30 Glycerine Ενυδατικό Γλυκερίνη ένα κλασικό υγροσκοπικό μόριο που χρησιμοποιείται ως ενυδατικό. Έχει αρκετούς δεσμούς C-O, οπότε και πολλούς μαγνήτες πάνω του, και διαλύεται στο νερό.

31 Butylene Glycol Συγκρατεί νερό στο παρασκεύασμα. Υγροσκοπικό υλικό (κρατάει νερό στο παρασκεύασμα για να μη ξηραίνεται). Έχει δύο δεσμούς C-O οπότε έχει δύο μαγνήτες και διαλύεται στο νερό.

32 Panthenol Την μελετήσαμε παραπάνω αναλυτικά.

33 Disodium EDTA Ανήκει σε μια κατηγορία ενώσεων που λέγονται χειλικοί παράγοντες. Τα μόρια αυτά έχουν μια κοιλότητα στην οποία συγκρατούν τα άλατα του νερού (ιόντα) και καθιστούν το νερό λιγότερο σκληρό για να μην χαλάνε από τα άλατα τα συστατικά του καλλυντικού. Έχει επίσης και αντιμικροβιακή δράση. Έχει πολλούς δεσμούς C-O και είναι εξόχως υδατοδιαλυτό (έχει πολλούς μαγνήτες επάνω τους).

34 Phenoxyethanol Methylparaben Συντηρητικά Συντηρητικά η φαινόξυαιθανόλη είναι υγρό που διαλύεται αρκετά στο νερό το μεθυλπαραμπέν είναι στερεό που διαλύεται λίγο στο νερό. Την αντιμικροβιακή τους δράση την παρουσιάζουν στην υδατική φάση καθώς οι λιπαρές φάσεις γενικά δεν προσφέρονται για την ανάπτυξη μικροορργανισμών. Συνήθως χρησιμοποιούμε δύο ή και τρία συντηρητικά γιατί έτσι μπορούμε να χρησιμοποιούμε λιγότερη ολική ποσότητα συντηρητικού (λόγω συνέργειας). Περισσότερα σε μαθήματα που ακολουθούν.

35 CI Χρωστική Είπαμε παραπάνω ότι η λιπαρή μας φάση (ισοεξαδεκάνιο) είναι άχρωμη. Το γαλάζιο χρώμα που παίρνει οφείλεται στην χρωστική αυτή που έχει λιπόφιλη συμπεριφορά (λίγους μαγνήτες σε σχέση με το μέγεθός της) οπότε διαλύεται στην υπερκείμενη λιπαρή φάση.

36 Η παρασκευή μας Υδατική φάση Aqua Panthenol Hyaluronic acid Phenoxyethanol Λιπαρή φάση Almond oil H. Perforatum Extract Σημειώστε ότι πανθενόλη συνήθως χρησιμοποιούμε 5%w/v, υαλουρονικό οξύ 5%w/v, φαινόξυαιθανόλη μέγιστο 1,2%v/v. Τα φυτικά εκχυλίσματα (εν προκειμένω H. Perforatum) πρέπει να έχουν συνολικό όγκο όχι πάνω από το 30% του παρασκευάσματος.