Thermodynamik hydrophober Wechselwirkungen

Wenn eine hydrophobe Substanz in ein wässriges Medium getropft wird, werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen aufgebrochen, um Platz für die hydrophobe Substanz zu schaffen; die Wassermoleküle reagieren jedoch nicht mit der hydrophoben Substanz. Dies wird als endotherme Reaktion betrachtet, da beim Aufbrechen der Bindungen Wärme in das System eingebracht wird. Wassermoleküle, die durch das Vorhandensein der hydrophoben Substanz verzerrt werden, gehen neue Wasserstoffbrückenbindungen ein und bilden eine eisähnliche Käfigstruktur, den so genannten Clathratkäfig, um die hydrophobe Substanz herum. Durch diese Ausrichtung wird das System (die Hydrophobie) stärker strukturiert, was zu einer Verringerung der Gesamtentropie des Systems führt; daher kann \( \Delta S < 0\).

Die Änderung der Enthalpie (\( \Delta H \)) des Systems kann negativ, null oder positiv sein, da die neuen Wasserstoffbrückenbindungen die durch den Eintritt der Hydrophobie aufgebrochenen Wasserstoffbrückenbindungen teilweise, vollständig oder überkompensieren können. Die Änderung der Enthalpie ist jedoch für die Bestimmung der Spontaneität der Reaktion (Vermischung von hydrophoben Molekülen und Wasser) unbedeutend, da die Änderung der Entropie (\( \Delta S \)) groß ist.

Nach der Gibbs-Energie-Formel

\

wird bei einem kleinen unbekannten Wert von \(\Delta H\) und einem großen negativen Wert von \(\Delta{S} \) der Wert von \(\Delta G\) positiv ausfallen. Ein positives \(\Delta G\) zeigt an, dass die Vermischung der hydrophoben und der Wassermoleküle nicht spontan erfolgt.