Effetto idrofobico: forza delle interazioni idrofobiche

L ‘effetto idrofobico è la tendenza  delle molecole non polari ad aggregarsi in una soluzione acquosa escludendo le molecole di acqua.

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.

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 effetto idrofobico è costituito dal miscuglio acqua-olio.

Quando una specie non polare entra a contatto con l’acqua avviene la rottura dei legami a 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.

clatrati idrati
clatrati idrati

Aspetto termodinamico e effetto idrofobico

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).

L’ effetto idrofobico è causato dall’esclusione delle frazioni non polari da un ambiente acquoso e che guida l’aggregazione di questi soluti non polari ed ha un ruolo significativo in chimica e biologia. Due componenti comprendono l’effetto idrofobico: l’effetto idrofobico entalpico e l’effetto idrofobico entropico.

Quest’ultimo spiega che i fenomeni associati all’effetto idrofobico sono il risultato di un aumento del disordine dell’acqua quando le superfici idrofobiche disperse nell’acqua si aggregano e riduce l’ area superficiale attorno alla quale le molecole d’acqua sono più allineate.

In tale processo la variazione di entalpia può essere minore di zero, uguale a zero o maggiore di zero. Infatti 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. Il contributo di ΔH comunque 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. Poiché ΔS è minore di zero assume un valore positivo. Ciò 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. Infatti alcuni dei legami a idrogeno che formano la struttura a gabbia si rompono. 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.

Forza delle interazioni idrofobiche

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 ingombro sterico che limita le interazioni idrofobiche che minimizzano il loro contatto con l’acqua.

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