Effetto idrofobico

Le molecole idrofobe sono molecole apolari che spesso presentano una lunga catena di atomi di carbonio e risultano essere poco solubili in acqua che è una molecola polare. Le interazioni idrofobiche descrivono le relazioni tra l’acqua e le molecole idrofobe; un esempio di interazione idrofobica è costituito dal miscuglio acqua-olio.

Il chimico statunitense Walter Kauzmann nell’ambito dei suoi studi sulla stabilità termodinamica delle proteine scoprì che le sostanze non polari, in acqua, tendono ad aggregarsi piuttosto che a distribuirsi in essa in modo da avere il minimo contatto con l’acqua.

Quando una specie non polare entra a contatto con l’acqua avviene la rottura dei legami a ponte di idrogeno presenti e, intorno alla specie apolare si forma una sorta di gabbia con una struttura ordinata detta clatrato, composto di inclusione in cui le molecole ospiti si trovano all’interno di una gabbia formata dalle molecole ospitanti.

molecole apolari

Questa orientazione è sfavorita dal Secondo Principio della termodinamica per il quale i fenomeni spontanei avvengono con un aumento del grado di disordine ovvero con un aumento di entropia, mentre in questo caso si verifica una diminuzione di entropia ( ΔS < 0).

In tale processo la variazione di entalpia può essere minore di zero, uguale a zero o maggiore di zero in quanto i nuovi legami a ponte di idrogeno che si formano possono essere parzialmente, completamente e più che compensati dalla rottura dei legami a idrogeno precedenti e dall’ingresso dell’idrofobo. In ogni caso il contributo di ΔH è poco significativo per determinare la spontaneità del processo in quanto esso è trascurabile rispetto al valore di ΔS.

La variazione di energia libera ΔG = ΔH – TΔS, essendo ΔH un valore molto piccolo sia che abbia segno positivo che negativo e poiché ΔS è minore di zero assume un valore positivo il che implica che il processo il mescolamento di una specie idrofoba con acqua non è spontaneo purtuttavia le interazioni tra specie idrofobe sono spontanee. Quando le specie idrofobe si associano e interagiscono reciprocamente aumenta l’entalpia in quanto alcuni dei legami a ponte di idrogeno che formano la struttura a gabbia si rompono ma ciò comporta un aumento di entropia quindi essendo ΔH un valore piccolo positivo e ΔS un valore alto positivo si ha che ΔG < 0 e quindi le interazioni idrofobiche avvengono spontaneamente.

Le interazioni idrofobiche sono relativamente più forti rispetto alle altre forze intermolecolari come le forze di Van der Waals e i legami a idrogeno.

La forza delle interazioni idrofobiche dipende da:

1)      Temperatura: all’aumentare della temperatura aumenta la forza delle interazioni idrofobiche

2)      Numero di atomi di carbonio presenti nella specie idrofoba: le molecole in cui è presente un maggior numero di atomi di carbonio hanno una maggiore interazione idrofobica

3)      Forma della specie idrofoba: le molecola alifatiche hanno interazioni più forti di quelle aromatiche. Le ramificazioni presenti sulla catena diminuiscono l’effetto idrofobico della molecola mentre un suo isomero lineare ha maggiori interazioni idrofobiche. Tale fenomeno è dovuto al fatto che le ramificazioni provocano un impedimento sterico che limita le interazioni idrofobiche che minimizzano il loro contatto con l’acqua.

Author: Chimicamo

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