El efecto hidrofóbico es el fenómeno que se observa en sustancias no polares cuándo entran en contacto con agua. En una solución acuosa, las moléculas hidrofóbicas tienden a agregarse excluyendo las moléculas de agua, algo que se puede ver fácilmente en una mezcla de agua y aceite; las gotas de aceite se van agregando hasta que quedan separadas dos fases, una acuosa y una oleosa.
El efecto hidrofóbico es clave en muchos procesos biológicos. Por ejemplo, participa en la estabilización de las membranas celulares, formación de vesículas, plegamiento de proteínas o estabilización del ADN. En este sentido, el efecto hidrofóbico es esencial para la vida terrestre. También tiene numerosas aplicaciones; por ejemplo, en recubrimientos de materiales y tejidos repelentes de agua.
Entropía y efecto hidrofóbico
Las moléculas de agua interaccionan entre sí y con sustancias polares mediante puentes de hidrógeno e interacciones dipolo-dipolo, algo que no se produce en las sustancias hidrofóbicas. Cuándo hay sustancias hidrofóbicas en un medio acuoso, estas tienden a unirse de modo que se maximizan los puentes de hidrógeno entre las moléculas las agua.
Aunque no se entiende perfectamente a que se debe o por qué se produce, parece que la causa principal es el resultado del efecto entrópico. La entropía es una función de estado, es decir, una característica que describe el estado de equilibrio de un sistema termodinámico. La entropía se suele asimilar con el grado de desorden de la materia del sistema y, en general, la entropía tiende a aumentar en los procesos naturales y espontáneos (2º Principio de la Termodinámica).
Los puentes de hidrógeno forman una red dinámica y tridimensional de moléculas de agua. Cuándo se introduce una molécula no polar, esta no puede interaccionar con las moléculas de agua y la red queda interrumpida. Las moléculas de agua en contacto con la molécula hidrofóbica reorientan los puentes de hidrógeno de forma tangencial, formando una especie de cápsula alrededor de la molécula hidrofóbica, la llamada capa de solvatación.
Las moléculas de agua en la capa de solvatación tienen el movimiento restringido, pierden entropía traslacional y rotacional, es decir, presentan menor entropía y esto hace que el proceso no sea favorable desde un punto de vista termodinámico.
Si en lugar de una molécula hidrofóbica introducimos dos, alrededor de cada una se puede formar una capa de solvatación, disminuyendo todavía más la entropía. Pero si se unen pueden compartir la capa de solvatación; de esto modo la superficie de la capa de solvatación será menor y la entropía será mayor que al estar separadas, por eso el proceso de agregación es termodinámicamente favorable y se produce de forma espontánea.
Además, al agregarse las moléculas hidrofóbicas disminuye la energía libre del sistema (ΔG < 0), lo que también favorece el efecto hidrofóbico:
Dónde:
- G es la energía libre
- H es la entalpía
- T es la temperatura
- S es la entropía
Mediante calorimetría se puede medir la entropía y la entalpía del proceso. Manteniendo la temperatura constante, se ha podido comprobar que el efecto hidrofóbico es conducido por la entropía y el efecto sobre la movilidad de las moléculas de agua.
Al aumentar la temperatura, la movilidad de las moléculas aumenta y la reducción de entropía en la capa de solvatación es menor, por eso el efecto hidrofóbico disminuye. A altas temperaturas la miscibilidad entre agua y moléculas hidrofóbicas aumenta.