O efeito hidrofóbico é o fenômeno observado em substâncias apolares quando entram em contato com a água. Em uma solução aquosa, as moléculas hidrofóbicas tendem a se agregar excluindo as moléculas de água, algo que pode ser facilmente visto em uma mistura de água e óleo; as gotas de óleo são adicionadas até que duas fases sejam separadas, uma aquosa e outra oleosa.

O efeito hidrofóbico é fundamental em muitos processos biológicos. Por exemplo, participa da estabilização de membranas celulares, formação de vesículas, dobramento de proteínas ou estabilização de DNA. Nesse sentido, o efeito hidrofóbico é essencial para a vida terrestre . Ele também tem inúmeras aplicações; por exemplo, em revestimentos de materiais e tecidos repelentes de água.

Entropia e efeito hidrofóbico

As moléculas de água interagem entre si e com substâncias polares por meio de ligações de hidrogênio e interações dipolo-dipolo, algo que não ocorre em substâncias hidrofóbicas. Quando há substâncias hidrofóbicas em um meio aquoso, elas tendem a se ligar de modo que as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água sejam maximizadas.

Embora não seja perfeitamente compreendido por que ou por que isso ocorre, parece que a causa principal é o resultado do efeito entrópico . Entropia é uma função de estado, ou seja, uma característica que descreve o estado de equilíbrio de um sistema termodinâmico. A entropia costuma ser assimilada com o grau de desordem da matéria do sistema e, em geral, a entropia tende a aumentar nos processos naturais e espontâneos ( 2º Princípio da Termodinâmica ).

As ligações de hidrogênio formam uma rede tridimensional dinâmica de moléculas de água. Quando uma molécula apolar é introduzida, ela não pode interagir com as moléculas de água e a rede é interrompida. As moléculas de água em contato com a molécula hidrofóbica reorientam as ligações de hidrogênio tangencialmente, formando uma espécie de cápsula em torno da molécula hidrofóbica, a chamada camada de solvatação .

As moléculas de água na camada de solvatação têm movimento restrito , perdem entropia translacional e rotacional, ou seja, apresentam menos entropia e isso torna o processo desfavorável do ponto de vista termodinâmico.

Se ao invés de uma molécula hidrofóbica introduzirmos duas, uma camada de solvatação pode se formar ao redor de cada uma, reduzindo ainda mais a entropia. Mas se eles se unirem, eles podem compartilhar a camada de solvatação; desta forma, a superfície da camada de solvatação será menor e a entropia será maior do que quando se separam, pois o processo de agregação é termodinamicamente favorável e ocorre espontaneamente.

Agregação de moléculas hidrofóbicas

Além disso, quando as moléculas hidrofóbicas são adicionadas, a energia livre do sistema diminui (ΔG <0), o que também favorece o efeito hidrofóbico:

Onde:

  • G é a energia livre
  • H é a entalpia
  • T é a temperatura
  • S é a entropia

Por calorimetria, a entropia e a entalpia do processo podem ser medidas. Mantendo a temperatura constante, foi possível verificar que o efeito hidrofóbico é impulsionado pela entropia e pelo efeito na mobilidade das moléculas de água.

À medida que a temperatura aumenta, a mobilidade das moléculas aumenta e a redução da entropia na camada de solvatação é menor, portanto o efeito hidrofóbico diminui. Em altas temperaturas, a miscibilidade entre a água e as moléculas hidrofóbicas aumenta.