पॉलीमर विलयन ऊष्मागतिकी

पॉलीमर विलयन ऊष्मागतिकी बताती है कि पॉलीमर क्यों घुलते हैं, अलग होते हैं या फूलते हैं, जिसमें फ्लोरी-हगिन्स जालक सिद्धांत लंबी श्रृंखलाओं के मिश्रण की असामान्य रूप से छोटी एन्ट्रापी और अंतःक्रिया पैरामीटर की भूमिका को दर्शाता है।

Definition

पॉलीमर विलयन ऊष्मागतिकी पॉलीमर को विलायकों या अन्य पॉलीमर के साथ मिलाने की मुक्त ऊर्जा, और परिणामी विलेयता, परासरणी दाब और प्रावस्था व्यवहार का अध्ययन है, जिसे फ्लोरी-हगिन्स जैसे जालक सिद्धांतों द्वारा मात्रात्मक रूप से माना जाता है।

Scope

यह विषय पॉलीमर-विलायक और पॉलीमर-पॉलीमर मिश्रण की ऊष्मागतिकी को शामिल करता है: फ्लोरी-हगिन्स मिश्रण की मुक्त ऊर्जा, ची अंतःक्रिया पैरामीटर और विलायक गुणवत्ता, विलयनों की रासायनिक क्षमता और परासरणी दाब, थीटा स्थितियाँ, और प्रावस्था व्यवहार जिसमें ऊपरी और निचली क्रांतिक विलयन तापमान शामिल हैं जो विलयनों और मिश्रणों की विलेयता को नियंत्रित करते हैं।

Core questions

• जब एक घटक एक लंबी श्रृंखला हो तो मिश्रण की एन्ट्रापी इतनी कम क्यों होती है?
• अंतःक्रिया पैरामीटर विलायक गुणवत्ता के बारे में क्या कहता है?
• थीटा स्थितियाँ क्या हैं और वे क्यों महत्वपूर्ण हैं?
• अधिकांश पॉलीमर जोड़े अमिश्रणीय क्यों होते हैं?

Key theories

फ्लोरी-हगिन्स मिश्रण की मुक्त ऊर्जा

एक जालक मॉडल मिश्रण की मुक्त ऊर्जा को एक छोटी संयोजी एन्ट्रापी के रूप में व्यक्त करता है जो श्रृंखला की लंबाई के साथ घटती है और एक एन्थैल्पिक पद जो अंतःक्रिया पैरामीटर द्वारा निर्धारित होता है, जो सीमित विलेयता, थीटा अवस्था और अधिकांश पॉलीमर मिश्रणों की अमिश्रणीयता की व्याख्या करता है।

थीटा स्थिति

एक दिए गए विलायक में थीटा तापमान पर प्रभावी बहिष्कृत-आयतन अंतःक्रिया समाप्त हो जाती है, इसलिए श्रृंखला आदर्श रूप से व्यवहार करती है और इसके अप्रभावित आयामों को मापा जा सकता है, जो विलयन और संरूपण सिद्धांतों के लिए संदर्भ अवस्था प्रदान करता है।

Mechanisms

पॉलीमर को विलायक के साथ मिलाना मुख्य रूप से अणुओं को फैलाने की एन्ट्रापी से प्रेरित होता है, लेकिन क्योंकि हजारों पुनरावृत्ति इकाइयाँ एक श्रृंखला में बंधी होती हैं, विशिष्ट व्यवस्थाओं की संख्या—और इस प्रकार एन्ट्रापी लाभ—छोटे अणुओं की तुलना में बहुत कम होता है। फ्लोरी-हगिन्स अंतःक्रिया पैरामीटर पॉलीमर-विलायक संपर्कों की एन्थैल्पिक लागत को एन्कोड करता है: छोटे मान का अर्थ है एक अच्छा विलायक और एक विस्तारित, घुलनशील कुंडल, जबकि बड़े मान का अर्थ है एक खराब विलायक, कुंडल का ढहना और प्रावस्था पृथक्करण। थीटा स्थिति में ये प्रभाव रद्द हो जाते हैं। वही छोटी मिश्रण एन्ट्रापी अधिकांश पॉलीमर-पॉलीमर मिश्रणों को अमिश्रणीय बनाती है जब तक कि विशिष्ट अनुकूल अंतःक्रियाएँ मौजूद न हों।

Clinical relevance

विलयन ऊष्मागतिकी व्यावहारिक विकल्पों का मार्गदर्शन करती है: कोटिंग्स, फिल्मों, चिपकने वाले पदार्थों और पॉलीमर रीसाइक्लिंग के लिए विलायक का चयन करना; यह भविष्यवाणी करना कि क्या एक मिश्रण मिश्रणीय होगा या एक कठिन दो-प्रावस्था आकृति विज्ञान में प्रावस्था-पृथक होगा; और मोलर द्रव्यमान के परासरणी-दाब माप की व्याख्या करना। यह उत्तरदायी जैल और झिल्लियों के डिजाइन को भी रेखांकित करता है जो स्थितियों के साथ फूलते या ढहते हैं।

History

फ्लोरी और हगिन्स ने 1941-1942 के आसपास पॉलीमर विलयनों के जालक सिद्धांत को स्वतंत्र रूप से प्रतिपादित किया, जिसमें मिश्रण की छोटी एन्ट्रापी और अंतःक्रिया पैरामीटर का पहला मात्रात्मक विवरण प्रदान किया गया; यह ढाँचा, जिसे बाद में इसकी सीमाओं को दूर करने के लिए परिष्कृत किया गया, पॉलीमर विलयन ऊष्मागतिकी की नींव बना हुआ है।

Key figures

• Paul Flory
• Maurice Huggins

Seminal works

• flory1953
• rubinstein2003

Frequently asked questions

अधिकांश पॉलीमर एक दूसरे के साथ क्यों नहीं मिलते हैं?

मिश्रण पर प्राप्त एन्ट्रापी बहुत कम होती है क्योंकि प्रत्येक लंबी श्रृंखला एक इकाई के रूप में चलती है, इसलिए एक थोड़ा प्रतिकूल अंतःक्रिया एन्थैल्पी भी इसे पछाड़ देती है। परिणामस्वरूप अधिकांश पॉलीमर जोड़े एक समान मिश्रण बनाने के बजाय प्रावस्था-पृथक हो जाते हैं।

एक विलायक को पॉलीमर के लिए अच्छा या खराब क्या बनाता है?

अंतःक्रिया पैरामीटर पॉलीमर-विलायक संपर्कों की ऊर्जा लागत को मापता है। एक अच्छे विलायक का मान कम होता है, इसलिए श्रृंखला फैलती है और आसानी से घुल जाती है; एक खराब विलायक का मान अधिक होता है, इसलिए श्रृंखला ढह जाती है और अवक्षेपित हो सकती है।