Hydrofobinen vuorovaikutus

Hydrofobisella vuorovaikutuksella tarkoitetaan hydrofobisten eli vesipakoisten molekyylinosien taipumusta muodostaa yhteinen faasi erilleen vedestä. Molekyylit voidaan jakaa hydrofiilisiin, hydrofobisiin sekä amfipaattisiin yhdisteisiin sen mukaisesti, miten niillä on taipumus siirtyä eri faaseihin liuoksissa.

Hydrofobiset ja amfipaattiset molekyylit

Molekyyli tai sen osa, jonka atomien väliset elektronegatiivisuuserot ovat hyvin pienet tai molekyylin muoto siten symmetrinen että ulkoisesti elektronegatiivisuuserot kumoavat toisensa (esimerkiksi rikkiheksafluoridi), on käytännössä pooliton. Tällaisten molekyylien keskinäiset vuorovaikutukset (koheesio) ovat heikkoja van der Waalsin sidoksia.

Heikkojen molekyylinvälisten sidosten vuoksi poolittomat yhdisteet eivät kykene tunkeutumaan pysyvästi vesimolekyylinen väliin. Vesimolekyylien voimakas koheesio puolustaa vesifaasin säilymistä (ks. myös pintajännitys). Näin poolittomat yhdisteet ovat käytännössä veteen liukenemattomia ja muodostavat vedessä yhteisen hydrofobisen faasin.

Esimerkiksi membraanilipideillä on voimakkaasti hydrofobisen osan lisäksi myös voimakkaasti vesihakuinen osa. Näillä amfipaattisilla yhdisteillä on taipumus asettua keskenään samansuuntaisesti veden suhteen, vaikkeivät siihen liukenekaan.

Hydrofiiliset molekyylit

Molekyylit tai niiden osat, joilla on ulkoisesti merkittäviä elektronegatiivisuuseroja, ovat poolisia ja muodostavat vetysidoksia (vetysiltoja) vesimolekyylien kanssa. Näin ne ovat hydrofiilisia eli vesihakuisia.

Koko molekyylin hydrofiilisen luonteen määrää pitkälti poolisten ja poolittomien ryhmien määrä.

Hydrofobinen hydraatio

Vastoin yleistä luuloa hydrofobisten aineiden hydraatiota ei vastusta mikään hylkivä voima eikä se ole energeettisesti epäsuosittu. Veden ja hydrofobisen aineen välinen hydraatiovuorovaikutus on voimakas ja hydraation entalpia (eli käytännössä energia vakiopaineen ja -tilavuuden takia) suosii hydraatiota.

Syy hydrofobiselle vuorovaikutukselle löytyy entropiasta: hydraatiokerroksessa vesimolekyylien pyörimisliike on rajoittunut, joten entropia on pienempi. Vapauttamalla vettä pois hydraatiokerroksesta vesimassaan entropia kasvaa, joten veden pisaroituminen hydrofobisesta aineesta on entropian ajama.