Влияние давления на гидрофобную гидратацию

Современный взгляд на структуру воды [142] состоит в том, что в ней существует единственная трехмерная сетка водородных связей, соединяющих соседние молекулы. Строение этой сетки не похожа на структуры каких-либо кристаллов, она структурно и динамически неоднородна, молекулы воды в ней беспрерывно меняют своих соседей, так что среднее время жизни водородных связей составляет несколько пикосекунд.

«Гидрофобный эффект» при растворении в воде неполярных молекул (типа неполярных газов) возникает из-за нарушения процесса объединения молекул окружающей воды в кластеры и образования «пустот» в трехмерной сетке водородных связей вокруг гидрофобных молекул [143]. Гидрофобная гидратация приводит к локальному уменьшению плотности и рост теплоемкости [144]. Уменьшение плотности обусловлено растяжением сетки водородных связей вокруг гидрофобной молекулы. Разрыв или искажения упорядоченных таким образом связей при увеличении температуры требует дополнительных затрат энергии, обусловливает прирост теплоемкости. Эффекты, вызываемые гидрофобной гидратацией о противоположных тем, которые наблюдаются при полярной гидратации, которая увеличивает плотность и уменьшает теплоемкость через объединение вокруг полярных центров молекул воды с искаженными или разорванными водородными связями. Гидрофобная гидратация сопровождается негативным изменением энтальпии и негативным изменением энтропии через упорядочения водного окружения. Эти термодинамические факторы, в основном, взаимно компенсируются, но энтропийный вклад превалирует, что дает позитивное изменение свободной энергии Гиббса (5.15) и обусловливает плохую растворимость гидрофобных молекул в воде. При растворении в воде неполярных молекул результирующие изменение объема будет отрицательным через эффективную упаковку растворенных молекул, только частично компенсируется локальным уменьшению плотности растворителя [145]. Итак, по принципу Ле-Шателье, повышение давления приведет к росту растворимости гидрофобных молекул.

Гидрофобное взаимодействие - это взаимодействие между гидрофобными поверхностями, которая передается через воду и приводит к минимизации площади их соприкосновения с водой. Формируются зоны соединения или слипания гидрофобных поверхностей с выдавливанием воды. Такое взаимодействие имеет место во многих гидроколлоидов, клеточных мембранах, белках и тому подобное. Выигрыш в свободной энергии от такого слипания связан с ростом энтропии водного окружения.