Termodinamica delle interazioni idrofobiche

Quando un idrofobo viene lasciato cadere in un mezzo acquoso, i legami idrogeno tra le molecole d’acqua saranno rotti per fare spazio all’idrofobo; tuttavia, le molecole d’acqua non reagiscono con l’idrofobo. Questa è considerata una reazione endotermica, perché quando i legami vengono rotti viene immesso calore nel sistema. Le molecole d’acqua che sono distorte dalla presenza dell’idrofobo faranno nuovi legami idrogeno e formeranno una struttura a gabbia simile al ghiaccio chiamata gabbia di clatrati intorno all’idrofobo. Questo orientamento rende il sistema (idrofobo) più strutturato con una diminuzione dell’entropia totale del sistema; quindi \( \Delta S < 0\).

La variazione di entalpia (\( \Delta H \)) del sistema può essere negativa, zero, o positiva perché i nuovi legami a idrogeno possono compensare parzialmente, completamente o troppo i legami a idrogeno rotti dall’ingresso dell’idrofobo. La variazione di entalpia, tuttavia, è insignificante nel determinare la spontaneità della reazione (miscelazione di molecole idrofobe e acqua) perché la variazione di entropia (\( \Delta S \)) è grande.

Secondo la formula dell’energia di Gibbs

con un piccolo valore sconosciuto di \(\Delta H\) e un grande valore negativo di \(\Delta S\)), il valore di \(\Delta G\) risulterà essere positivo. Un \Delta G\ positivo indica che la miscelazione delle molecole dell’idrofobo e dell’acqua non è spontanea.