Polielettrolita

Un polielettrolita (o polimeri policationici) è un polimero in cui un numero considerevole di unità ripetitive presentano un gruppo elettrolita; quelli sinettici si dividono in cationici (polibasici) e anionici (poliacidi). Un polianfolita presenta l’alternarsi sia di gruppi cationici che anionici.

In altre parole, i polielettroliti sono composti macromolecolari organici ottenuti attraverso processi di polimerizzazione, solubili in acqua o ben disperdibili, caratterizzati dalla presenza di gruppi ionici lungo tutta la catena che a contatto con un opportuno solvente possono acquistare cariche elettriche spontaneamente (polielettroliti forti) o per interazione con piccoli ioni in soluzione (polielettroliti deboli, ad esempio polielettroliti di acidi deboli). Possono essere di origine naturale (biopolimeri), completamente sintetici o provenire da modificazioni di macromolecole neutre.

Le soluzioni che contengono polielettroliti hanno proprietà che dipendono sia dalla loro natura macromolecolare che dalla presenza di cariche elettriche. Nella descrizione delle proprietà dei polielettroliti spesso la carica totale è considerata uniformemente distribuita lungo la catena polimerica e gli effetti dovuti alla specifica natura dei gruppi carichi sono trascurati. In questo modo, generalmente, è possibile avere una descrizione termodinamica del comportamento dei polielettroliti malgrado la complessità intrinseca del sistema.

Da una parte, la variabilità conformazionale delle catene polimeriche richiede una descrizione statistica del sistema e dall’altra le interazioni elettriche sono profondamente diverse da ogni altra interazione presente nei polimeri per forza e persistenza a «grandi» distanze.

A causa della loro natura ionica, essi sono idrosolubili, rendendo carichi i polimeri stessi. Quando la catena polimerica è coperta da cariche negative (che si respingono una con l’altra) il polimero non può raccogliersi su se stesso. Questo rende la soluzione più viscosa in quanto la catena del polielettrolita si allunga richiedendo maggior spazio, risultando al tempo stesso più efficace nel resistere al passaggio delle molecole del solvente attorno ad essa. La soluzione diventa quindi spessa e viscosa. Si hanno due effetti delle interazioni elettriche sulla statistica conformazionale:

  1. le “interazioni a corto raggio” dovute a interazioni tra (pochi) gruppi carichi in sequenza sulla catena che determinano la rigidità locale della catena polimerica. Questa è definita dalla “lunghezza di persistenza”.
  2. e quelle a “lunga distanza” in cui segmenti carichi di catena possono avvicinarsi tra loro (se la catena ha una certa flessibilità) e avere interazioni repulsive. Queste causano una espansione del gomitolo macromolecolare maggiore di quella che si avrebbe senza cariche. Questa proprietà è definita dal “volume escluso”.

Entrambi gli effetti sono controllati dalla presenza di sali aggiunti (forza ionica) che schermano le forze dovute alle cariche del polimero. La schermatura data dal sale aggiunto può anche portare alla scomparsa dell’effetto di volume escluso (condizioni Θ). Ad esempio, per il polistirensolfonato di sodio si hanno in NaCl acquoso 4.17 M.

A livello molecolare, in contrasto con le cariche mobili di piccoli ioni che possono muoversi liberamente in soluzione, le cariche sul polimero sono raggruppate in clusters che cambiano geometria al variare della conformazione globale del polimero.

Attorno ai cluster immobilizzati di cariche sul polimero il potenziale elettrico è localmente molto più alto che in altre parti del sistema, ma il potenziale fluttua insieme alle fluttuazioni conformazionali della catena macromolecolare. Il modello quindi di carica puntiforme in soluzione (come nel trattamento di Debye-Huckel) non può essere valido.

Grazie alla capacità che hanno di modificare con la loro presenza in acqua il comportamento di soluzioni e aumentare la viscosità di un prodotto, i polielettroliti vengono utilizzati in diversi modi, ad esempio trovando ampio impiego come agenti flocculanti nelle acque, nelle industrie tessili nelle operazioni di tintura e rifinitura, come agenti ispessitori per prodotti cosmetici e nella produzione di resine e vernici.

Le proprietà dei polielettroliti sono perciò simili sia a quelli degli elettroliti (sali) che a quelli dei polimeri (composti ad elevato peso molecolare). Come i sali, le loro soluzioni conducono la corrente elettrica. Le catene molecolari cariche, comunemente presenti nei sistemi a materia soffice, hanno un ruolo fondamentale nel determinare la struttura, la stabilità e le interazioni di vari aggregati molecolari.

Come i comuni elettroliti, i polielettroliti possono distinguersi in “forti” o “deboli” a seconda che, rispettivamente, siano presenti in forma totalmente dissociata o parzialmente dissociata. Il loro comportamento è influenzato da proprietà quali il valore di pH della soluzione e la forza ionica.

Tra i principali ambiti in cui si riscontra la loro importanza figurano la biologia e la biochimica. Molte molecole biologiche sono polielettroliti, come per esempio le proteine e il DNA. Trovano ampio utilizzo anche in chimica dei colloidi e sia quelli naturali che quelli sintetici sono utilizzati in diverse applicazioni industriali.

Bibliografia

  1. Polielettrolita. Wikipedia. https://it.wikipedia.org/wiki/Polielettrolita