Principi Fondamentali di Soluzioni Chimiche e Concentrazione

Le Soluzioni

La soluzione è una miscela omogenea (detta anche miscuglio), in cui si osserva un solo componente. In una soluzione si possono distinguere i suoi componenti:

• Il solvente – componente presente in quantità maggiori, che scioglie un altro componente. È detto anche componente disperdente.

• Il soluto – componente presente in quantità minori, che viene sciolto nell’altro componente. È detto anche componente disperso.

Nel caso in cui i componenti della soluzione abbiano stati fisici differenti, la soluzione assume sempre lo stato fisico del solvente.

Tipi di Soluzioni

Si possono distinguere 3 tipi di soluzioni:

• Soluzioni liquide – formate da liquidi, in cui il solvente è un liquido e il soluto può essere solido, liquido o gassoso.

• Soluzioni solide – formate da solidi, in cui il solvente è un solido e il soluto può essere solido, liquido o gassoso.

• Soluzioni gassose – formate da gas, in cui sia il solvente che il soluto sono gassosi.

Le Soluzioni Liquide

Le soluzioni liquide sono quelle in cui il solvente è un liquido, principalmente l’acqua. Anche se la soluzione è composta da due liquidi, si distinguono comunque il solvente (presente in quantità maggiori) e il soluto (presente in quantità minori). Qualora questi liquidi abbiano la stessa percentuale, non è possibile distinguere il solvente dal soluto.

Miscibilità dei Composti

Vi sono 3 tipi di composti liquidi:

• Totalmente miscibili – quando si mescolano in qualsiasi rapporto (ad esempio l’acqua e l’alcol).

• Parzialmente miscibili – quando si mescolano in determinate quantità.

• Immiscibili – quando non si mescolano in nessun rapporto (ad esempio l’acqua e l’olio).

Vi sono anche i gas in un solvente liquido, in cui il gas è il soluto.

Vi sono anche i solidi che si sciolgono in un solvente liquido.

Il Processo di Solubilizzazione

La solubilizzazione è il processo in cui il soluto si scioglie nel solvente. Questo, per potersi sciogliere, deve prima disgregarsi, così che le sue particelle possano legarsi a quelle del solvente.

Tipi di Solubilizzazione

Vi sono 2 tipi principali di solubilizzazione:

• Gli Elettroliti – soluzioni di composti che formano ioni. Questo processo avviene soprattutto con soluti con composti ionici (sali binari e sali ternari). L’azione del solvente, che deve essere polare, è quella di slegare gli ioni; questo processo viene detto dissociazione ionica.

• Solvatazione – il sale, il quale è un reticolo cristallino, si lega con l’acqua in questo modo:

Meccanismo della Solvatazione

L’acqua è una molecola polare (ha un polo negativo e un polo positivo); il polo negativo sarà attratto dallo ione positivo del composto, staccandolo dal reticolo, e viceversa.

Ogni ione circondato da molecole d’acqua viene detto solvatato.

La forza attrattiva ione + acqua viene detta forza ione-dipolo.

Simbolicamente viene rappresentato con:

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

Dove: (s) = solido, (l) = liquido, (g) = gassoso, (aq) = ioni di soluzione idratati.

Ionizzazione

Non tutti gli elettroliti sono composti ionici; la formazione di ioni può avvenire anche in molecole polari, come HCl (acido cloridrico). In questo caso si parla di ionizzazione, processo in cui i poli dell’acqua polarizzano HCl tanto da farlo diventare un composto ionico.

Tipi di Elettroliti

Vi sono 2 tipi di elettroliti:

• Elettroliti forti – la ionizzazione avviene in modo completo. Questo avviene soprattutto nei sali, negli idrossidi dei metalli alcalini e in alcuni acidi.

• Elettroliti deboli – la ionizzazione avviene in modo parziale. Questo avviene in alcuni acidi.

Grado di Dissociazione (α)

Per stabilire la forza di un elettrolita si fa riferimento al suo grado di dissociazione (α). Questo si calcola dividendo il numero di moli dissociate o ionizzate per il numero di moli totale del soluto.

α = n dissociate / n totali

Se α = 1, tutte le molecole sono dissociate, quindi è un elettrolita forte.

Se α < 1, non tutte le molecole sono dissociate, quindi è un elettrolita debole.

Se α = 0, non è un elettrolita.

• Soluzioni di composti molecolari – l’acqua può sciogliere anche solidi molecolari, come lo zucchero (in cui vi sono molti gruppi OH, che gli permettono di essere polare, infatti l’ossigeno, che è più elettronegativo, attira gli elettroni), in cui non vi sono legami ionici, ma covalenti. In questo caso, a separarsi sono le molecole stesse, che poi si disperdono nel solvente.

La Solubilità

La quantità di soluto che può disciogliersi in acqua è limitata. Ad un certo punto, il soluto non si scioglie più e si deposita sul fondo, formando il precipitato. Una soluzione con del precipitato si dice soluzione satura; una soluzione in cui non si forma precipitato si dice insatura. Il “deposito” del precipitato viene detto corpo di fondo. Il limite di solubilità varia da sostanza a sostanza e dipende anche dal solvente e dalla temperatura.

Si definisce solubilità la quantità massima di soluto che si scioglie in 100 g di solvente ad una determinata temperatura.

La solubilità è influenzata dalla temperatura: se il soluto è solido, la solubilità e la temperatura sono direttamente proporzionali, quindi all’aumentare di una, aumenta anche l’altra (tranne il Ce₂(SO₄)₃).

Il processo di solubilizzazione può essere accelerato dall’agitazione e dalla riduzione delle dimensioni dei frammenti del soluto.

Solubilità dei Gas nei Solventi Liquidi

La solubilità dei gas nei solventi liquidi è regolata dalla legge di Henry:

La solubilità di un gas in un liquido è direttamente proporzionale alla sua pressione.

Quindi all’aumentare della pressione, il gas è più solubile (esempio: spumante. La pressione permette di togliere il tappo e i gas fuoriescono).

La solubilità dei gas nei solventi liquidi è influenzata anche dalla temperatura: queste sono indirettamente proporzionali; all’aumentare della temperatura, la solubilità diminuisce.

La Concentrazione delle Soluzioni

La concentrazione è il parametro numerico che caratterizza una soluzione, esprimendo il rapporto tra soluto e solvente. La concentrazione di una soluzione è detta anche titolo.

Vi sono 6 modi per esprimere la concentrazione.

Unità Fisiche

• Percentuale in massa – la sua notazione è % m/m → (m soluto / m soluzione) × 100. Deriva dalla proporzione: m soluto : m soluzione = % m/m : 100.

• Percentuale in volume – indica il volume del soluto presente in 100 unità di volume di soluzione. La sua notazione è % V/V → (V soluto / V soluzione) × 100. Deriva dalla proporzione: V soluto : V soluzione = % V/V : 100.

• Percentuale massa su volume – esprime la massa di soluto in grammi presente in 100 mL di soluzione. La sua notazione è % m/V → (m soluto / V soluzione) × 100. Deriva dalla proporzione: m soluto : V soluzione = % m/V : 100.

Formule Utili

Formule principali:

• % m/m = (m soluto / m soluzione) × 100
• m soluzione = m soluto + m solvente
• % V/V = (V soluto / V soluzione) × 100
• % m/V = (m soluto / V soluzione) × 100
• d = m / V (Densità)
• m = d × V
• V = m / d

Unità Chimiche

• Concentrazione molare o Molarità (M) – indica la quantità di soluto in moli, presente in un litro di soluzione. Per indicarla si usano:

  • [NaCl] = 0,5 mol/L
  • [NaCl] = 0,5 M
  • C₊₋₌₌ = 0,5 mol/L

  La formula è: C soluto = n soluto / V soluzione

  Formule inverse: n soluto = C soluto × V soluzione; m soluto = n soluto × M soluto

  (M soluto è la massa molare, che si trova sommando le masse atomiche)

• Molalità (m) – indica il numero di moli di soluto presenti in 1 kg di solvente. La formula è: m = n soluto / m solvente.

  Formula per le moli: n = m soluto / M soluto

• Frazione molare (X) – corrisponde al rapporto tra il numero di moli del componente e il numero totale di moli di tutti i componenti. La somma delle frazioni molari è 1. Le formule sono:

  Xₐ = nₐ / (nₐ + nₛ); Xₛ = nₛ / (nₐ + nₛ)

  (Xₐ = frazione molare soluto; Xₛ = frazione molare solvente; nₐ = numero di moli del soluto; nₛ = numero di moli del solvente)

La Diluizione

Può capitare di avere una soluzione con concentrazione maggiore e, partendo da questa, arrivare a una soluzione con concentrazione minore. Questa operazione si chiama diluizione. Consiste, quindi, nell’aggiungere del solvente a una soluzione concentrata fino ad ottenere una concentrazione minore.

Se si ha una soluzione con volume iniziale (Vₒ) e concentrazione molare iniziale (Cₒ) e diluiamo fino a raggiungere una concentrazione molare finale (Cₓ). L’unica cosa che rimane invariata nella diluizione sono le moli di soluto. Si può scrivere un’uguaglianza tra le moli della soluzione iniziale (nₒ) e le moli della soluzione finale (nₓ):

nₒ = Cₒ × Vₒ; nₓ = Cₓ × Vₓ; dunque: Cₒ × Vₒ = Cₓ × Vₓ

Vₓ = (Cₒ × Vₒ) / Cₓ

Le Proprietà Colligative

Un soluto messo in soluzione cambia le proprietà del solvente. L’acqua congela a 0°C; se aggiungiamo un soluto, il punto di congelamento cambierà (3°C / 5°C ecc.). Le proprietà colligative dipendono dalla concentrazione del soluto.