Teoria della soluzione di Flory-Huggins

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La teoria della soluzione di Flory–Huggins è un modello matematico della termodinamica di soluzioni polimeriche che tiene conto della grande diversità nelle dimensioni molecolari nell'adattare la solita espressione per l'entropia di miscela. Il risultato è un'equazione per il cambio dell'energia libera di Gibbs nella miscela di un polimero con un solvente. Anche se semplifica le ipotesi, genera risultati utili per l'interpretazione degli esperimenti.

Teoria[modifica | modifica wikitesto]

L'equazione termodinamica per il cambio dell'energia libera di Gibbs di una soluzione a temperatura e pressione (esterna) costanti è

La variazione, denominata , è il valore di una variabile per una soluzione o miscela meno i valori per le componenti considerate separatamente. L'obiettivo è trovare formule esplicite di e , l'entalpia e l'entropia associate con il processo di miscelazione incrementano. Il risultato ottenuto da Flory [1] e da Huggins[2] è

La parte destra è una funzione del numero di moli e la frazione volumica del solvente (componente ), il numero di moli e la frazione volumica del polimero (componente ), con l'introduzione del parametro che tiene conto dell'energia d'interdispersione tra molecole di polimero e solvente. è la costante dei gas e la temperatura assoluta. La frazione volumica è analoga alla frazione molare, ma è pesata per tenere conto delle dimensioni relative delle molecole. Per soluto con molecole piccole, compaiono le frazioni molari nella relazione sopra, e questa modifica è l'innovazione dovuta a Flory e Huggins. Nel caso generale del parametro di miscela, , è un'energia libera, che include una componente entropica.[3][4]

Derivazione[modifica | modifica wikitesto]

Prima calcoliamo l'entropia di miscela, l'incremento dell'incertezza circa le posizioni delle molecole quando sono sparse. Nella fase condensata pura — solvente e polimero — ovunque guardiamo troviamo una molecola.[5] Naturalmente, qualsiasi nozione di "trovare" una molecola in un dato luogo è solo un esperimento mentale poiché non possiamo effettivamente esaminare la dimensione spaziale delle molecole. L'espressione per l'entropia di miscela di molecole piccole in termini di frazione molare non ha senso quando il soluto è una catena macromolecolare. Teniamo conto di tale dissimmetria nelle dimensioni molecolari assumendo che singoli segmenti di polimero e singole molecole di solvente occupino siti su un reticolo. Ogni sito è occupato esattamente da una molecola del solvente o da un monomero della catena polimerica, quindi il numero totale di siti è

è il numero di molecole del solvente e il numero di molecole polimere, ciascuna di esse ha segmenti.[6] Dalla meccanica statistica possiamo calcolare il cambio di entropia, l'incremento nell' incertezza spaziale, come risultato della miscela soluto-solvente.

dove è la costante di Boltzmann. Definiamo le frazioni volumiche del reticolo e come:

Abbiamo pure le probabilità che un particolare sito del reticolo, scelto casualmente, sia occupato da molecole del solvente o da un segmento di polimero. Dunque:

Per soluti le cui molecole occupano un solo sito reticolare, diventa uno, e la frazione volumica diventa la frazione molecolare o frazione molare, e ritroviamo l'equazione usuale della teoria delle miscele ideali.

Oltre all'effetto entropico, possiamo aspettarci un cambio di entalpia.[7] Consideriamo tre interazioni molecolari: solvente-solvente , monomero-monomero (non legati covalentemente, ma tra differenti sezioni della catena polimera), e monomero-solvente . Quest'ultima interazione si verifica a scapito delle prime due mediamente, quindi l'incremento di energia per contatto monomero-solvente è

Il numero totale dei contatti è

dove è il numero di coordinazione, il numero di quelli vicini per un sito del reticolo, ognuno occupato da una segmento della catena polimera o da una molecola di solvente. Quindi, è il numero totale di segmenti polimerici (monomeri) presenti nella soluzione, mentre è il numero di siti più vicini a "tutti" i segmenti polimerici. Moltiplicando per la probabilità di trovare un sito occupato da molecola del solvente [8], ottenendo il numero totale delle interazioni polimero-solvente. L'approssimazione della teoria del campo medio si ottiene con questa procedura, riducendo così un problema complesso a molte interazioni a un problema più semplice ad una interazione.

Il cambio di entalpia è uguale al cambio di energia per l'interazione monomero polimerico-solvente per il numero totale di tali interazioni

Il parametro d'interazione polimero-solvente chi viene definito come

Dipende dalla natura sia del solvente che del soluto, ed è l'unico parametro materiale-specifico del modello Flory-Huggins. Il cambio di entalpia diventa

Tenendo conto dei vari termini, il cambio di energia totale diventa

dove dall'espressione con il numero di molecole e si passa alle moli e sostituendo la costante di Avogadro con la costante dei gas .

Il valore del parametro d'interazione viene stimato tramite il parametro di solubilità di Hildebrand e

dove è il volume effettivo di un segmento di polimero.

Questo trattamento non tenta di calcolare l'entropia conformazionale del piegamento per catene polimeriche. (Vedi l'argomento elica casuale.) Le conformazioni dei polimeri detti amorfi si modificano dentro una soluzione, e la maggior parte dei polimeri termoplastici hanno regioni cristalline lamellari che non persistono in soluzione quando le catene si separano. Questi fenomeni sono accompagnati da cambiamenti aggiuntivi di energia ed entropia.

Nel caso generalizzato l'interazione e il conseguente parametro di miscelazione, , è un parametro di energia libera, quindi con una componente entropica.[3][4] Ciò significa che, oltre la regolare entropia di miscelazione, vi è un altro contributo entropico dall'interazione tra solvente e monomero. Questo contributo è talvolta molto importante per fare previsioni quantitative delle proprietà termodinamiche.

Esistono teorie sulle soluzioni avanzate, come la teoria di Flory-Krigbaum.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Paul J. Flory, "Thermodynamics of High Polymer Solutions," J. Chem. Phys, 08-1941, Volume 9, Numero 8, p. 660 Sommario
    Flory ha suggerito che il nome di Huggins dovrebbe essere il primo per quanto aveva pubblicato diversi mesi prima: Flory, P.J., "Thermodynamics of high polymer solutions," J. Chem. Phys. 10:51-61 (1942) Citation Classic No. 18, 06-05-1985
  2. ^ Maurice L. Huggins, "Solutions of Long Chain Compounds," J. Chem. Phys, 05-1941 Volume 9, Numero 5, p. 440 Sommario
  3. ^ a b (EN) W. Burchard, Solution Thermodyanmics of Non-Ionic Water Soluble Polymers., in Chemistry and Technology of Water-Soluble Polymers, Finch, C., Springer, 1983, pp. 125-142, ISBN 978-1-4757-9661-2.
  4. ^ a b (EN) F. Franks, Water Solubility and Sensitivity-Hydration Effects., in Chemistry and Technology of Water-Soluble Polymers., Finch, C., Springer, 1983, pp. 157-178, ISBN 978-1-4757-9661-2.
  5. ^ Non si considera il volume libero dovuto al disordine molecolare nei liquidi e solidi amorfi in confronto ai cristalli. Inoltre assumiamo che i monomeri e le molecole del soluto hanno uguale dimensione. Il modello si basa su queste approssimazioni geometriche.
  6. ^ Per un polimero sintetico reale, si ha una distribuzione statistica delle lunghezze delle catena, quindi diventa un valore medio.
  7. ^ L'entalpia è l'energia interna corretta per qualsiasi lavoro=PV a =costante (esterna). Non stiamo facendo alcuna distinzione qui. Questo permette di approssimare l'energia libera di Helmholtz, che è la forma di energia libera del reticolo usata nella teoria di Flory-Huggins, all'energia libera di Gibbs.
  8. ^ Per i siti ramificati, due dei siti adiacenti a un segmento polimerico sono occupati da altri segmenti polimerici poiché fanno parte di una catena, per un totale di tre possibili siti occupati da molecole solvente, mentre vi è solo un sito per i segmenti polimerici terminali.

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