• Non ci sono risultati.

Il potenziale chimico si può esprimere come l’energia libera di Gibbs molare parziale di un sistema isotermo e isobaro, oppure come l’energia libera di Helmotz molare parziale di un sistema isotermo e isocoro: (131) µs= $∂G ∂ns % P,T,n! =$∂A ∂ns % T,V,n!

Le energie libere sia di Gibbs che di Helmotz hanno la caratteristica dell’estensività, proprietà per cui si può correttamente ragionare anche in termini molecolari prima che molari. L’aggiunta di una molecola di tipo A ad un un sistema composto da nA molecole di tipo A e nB molecole di tipo B produrrà una variazione di potenziale chimico:

(132) µA= G(T, P, nA+ 1, nB) − G(T, P, nA, nB) = A(T, V, nA+ 1, nB) − A(T, V, nA, nB) Il potenziale chimico µA rappresenta un energia libera per molecola anziché per mole e indica la variazione di energia libera per effetto dell’aggiunta di una sola molecola al sistema.

In analogia con quanto detto precedentemente si può pensare ad un ipotetico processo ideale in cui una molecola venga aggiunta al sistema, ma con una restrizione: il centro di massa di questa particella deve essere fissato in una posizione −→R0 all’interno del sistema.

In un caso come questo non parlo più di potenziale chimico ma di potenziale pseudo-chimico:

(133) µ∗A= G(T, P, nA+ 1, nB; −→R0) − G(T, P, nA, nB) = A(T, V, nA+ 1, nB; −→R0) − A(T, V, nA, nB)

APPENDICE A: TERMODINAMICA DI SOLVATAZIONE 111

Trattando il problema da un punto di vista statistico conviene fare riferimento all’energia libera di Helmotz, per semplicità. Con il formalismo degli “ensembles” si ricava una forma per la funzione di distribuzione di probabilità canonica f(N )

0 [79]: (134) f0(N )(rN, pN) = S 1 N !· 1 h3N · e−βH N(rN,pN) V ·QN(V, T )1 dove:

• con rN e pN si indicano le 3N coordinate rispettivamente per posizioni e momenti lineari delle N particelle del sistema;

• QN(V, T ) = N !h13N L...L drNL ...Le−βHN(r

N,pN)

dpN è la funzione di partizione canonica.

Fattorizzando l’Hamiltoniana in una parte cinetica ed una potenziale si ottiene un espressione fatto- rizzata della funzione di partizione e, tramite operazioni di media operate sulla distribuzione di probabilità canonica, si ricava l’espressione generica per le funzioni di distribuzione di probabilità ridotta:

(135) ρ(n)N (rn) = N ! (N − n)! SM ... M e−βVN(rN)drN−n V ·!L 1 ...L e−βVN(rN)drN" (136) QN(V, T ) = z N int N !h3N $ 2πm β %3N 2 ZN(V, T ) = z N int N ! $ 1 Λ3N % ZN(V, T ) dove:

• VN(rN) è l’operatore energia potenziale dell’Hamiltoniana HN; • Λ ='2πmβ!2

(

è chiamata la lunghezza d’onda termica ed è un termine prettamente traslazionale; • zN

int tiene conto dei moti interni in sistemi dotati di gradi di libertà interni;

L ...Le−βVN(rN)drN è l’integrale configurazionale che indicheremo nel prosieguo come Z

N(V, T ).

A questo punto si ricavano le espressioni statistiche per il potenziale chimico e pseudo-chimico basandoci sulla relazione tra energia libera di Helmotz e funzioni di partizione:

APPENDICE A: TERMODINAMICA DI SOLVATAZIONE 112 (137) A =lnQN(V, T ) β = −kT lnQN(V, T ) (138) µs= −kT W zint ρ $ 2πm βh2 %3 2 X e−βB0N Y ⇐ Potenziale Chimico

(139) µ∗s= −kT+zintXe−βB0N,⇐ Potenziale Pseudo-Chimico

(140) µs− µ∗s= +kT ln W ρ$ 2πm βh2 %3 2Y

⇐ Energia libera di liberazione di Helmotz dove:

• si sottintendela possibilità di esprimere il potenziale configurazionale nel caso di N +1 particelle come somma tra un potenziale di n particelle ed un potenziale di accoppiamento B0 tra la par-

ticella aggiunta e tutte le altre: V (r0, r1, r2, r3...rN) = VN(r1, r2, r3...rN) + B0(r0, r1, r2, r3...rN)

;

• si considera un gran numero di particelle ed è pertanto risultato lecito compiere l’approssima- zione per cui: ρ = N

V * N +1

V .

Quello che abbiamo fatto è scindere concettualmente il processo di solvatazione di una particella in due stadi: prima si pone la particella in una posizione fissa −→R0 all’interno del sistema, e in un secondo

momento la si lascia libera di muoversi (a questo secondo stadio è legata l’energia di liberazione di Helmotz).

Usualmente in chimica ci si riferisce a processi isotermi ed isobari, e per passare da un ensemble (T, V, N)cost verso un ensemble (T, P, N)cost non resta che esprimere la densità di particelle come:

(141) ρ = n + 1

APPENDICE A: TERMODINAMICA DI SOLVATAZIONE 113

Nel caso di un gas ideale ho delle grandi semplificazioni data l’assenza della mtua interazione tra le particelle che lo compongono (VN(rN) = 0):

(142) µgid s = −kT ln W zsint $ 2πm βh2 %3 2Y − kT lnkT + kT lnPs= µ0.gs id+ kT lnPs

In una fase condensata il potenziale configurazionale è invece sempre presente. Se tale poltenziale non altera i moti interni si avrà:

(143) µ∗s= −kT lnzsint− kT ln X

e−βB0N= −kT lnzint

s + W(s ⇔ solvente)

L’ultimo termine rappresenta il lavoro di accoppiamento tra la particella di soluto “s” e la fase condensata solvente. Più esplicitamente:

(144) W(s ⇔ solvente) = −kT ln SM V ... M V ρN(rN)e−βB0(rN)drN V ⇐ in (T,V,N) (145) W(s ⇔ solvente) = −kT ln SM <V > ... M <V > ρN(rN/V )e−βB0(rN) drN V ⇐ in (T,P,N) Si può definire processo di solvatazione di una molecola “s” come il trasferimento della stessa da una posizione fissa nella fase gassosa ideale ad una posizione fissa nella fase condensata solvente.

Qualora il soluto avesse forma sferica sarebbe necessario fissare soltanto le coordinate del suo centro di massa. In molecole più complesse la conformazione ha invece grande influenza sulla definizione di centro di massa; in un caso di questo tipo sarebbe opportuno distinguere tra solvatazione di “s” in una particolare conformazione e la solvatazione media ottenuta mediando su tutte le possibili conformazioni della molecola.

Per definizione il processo di solvatazione in condizioni isoterme ed isobare è il seguente:

APPENDICE A: TERMODINAMICA DI SOLVATAZIONE 114

Le funzioni termodinamiche di solvatazione ∆X∗

s(X = G, H, S, V ) si potranno definire in base alla definizione di potenziale pseudochimico.

Se i gradi di libertà della molecola “s “ non sono modificati dall’intorno chimico in fase condensata allora si avrà un espressione semplice per l’energia libera di Gibbs associata al processo di solvatazione:

(147) ∆G∗

s= W(s ⇔ solvente)

Per il caso limite di soluzioni fortemente diluite si parla di energia libera di solvatazione standard:

(148) ∆G∗0

s = lim ρs→0

∆G∗ s

Nel caso di un modello continuo come il PCM il valore di aspettazione dell’operatore ˆVF⇔R[{f}, Q(−r ,−→r))], termine aggiuntivo dell”Hamiltoniano del sistema molecolare isolato, altro non è che un modello che de- scrive questo contributo di energia libera di Gibbs di solvatazione standard, ∆G∗0

s , che di per se è figlio di tutta la serie di approssimazioni elencate fino ad ora in questo sottoparagrafo. Più esplicitamente:

(149) GS(f ase condensata,P,T,−−→ R0)= E ΨKKK ˆHFKK K ΨF+12XΨKKVF⇔RKK ΨN (150) GS(f ase gas id,P,T,−−→R0)= E Ψ0KK K ˆHFKKK Ψ0F (151) ∆G∗0 s = -E ΨKKK ˆHFKK K ΨFEΨ0KKK ˆHFKKK Ψ0F.+12XΨKKVF⇔RKK ΨN

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