Soluzioni e Concentrazione (cap. 4)

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1 Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Insegnamento di Chimica Generale CCS CHI e MAT Soluzioni e Concentrazione (cap. 4) Prof. Dipartimento CMIC Giulio Natta

2 Proprietà di Miscele: Soluzioni e loro Proprietà 2 Tipologia di soluzioni: forze intermolecolari Influenza delle variazioni di entalpia e entropia sulle soluzioni Relazioni tra forze intermolecolari e solubilità, Ruolo dell'equilibrio nel processo di soluzione e solubilità di soluti Effetto della temperatura sulla solubilità di solidi e gas Relazione tra pressione parziale di un gas (liquido) e solubilità Modi quantitativi di esprimere la concentrazione: molarità, molalità, frazione molare, composizione percentuale, ppm Reazioni acido-base in soluzione (introduzione, ph) Proprietà colligative e soluzioni di non-elettroliti e elettroliti. Innalzamento punto di ebolliz. e abbassamento punto fusione Pressione osmotica di una soluzione Colloidi e soluzioni

3 Soluzioni e Colloidi 3 Una soluzione è una miscela omogenea esistente come una singola fase. Le particelle in una soluzione sono singoli atomi, ioni, o molecole. I composti polimerici covalenti hanno bassa o nulla solubilità, i composti ionici si sciolgono in dipendenza del loro K ps. Un colloide è una miscela eterogenea ed esiste come due o più fasi, che possono essere visibilmente distinte. Le particelle in un colloide sono tipicamente macromolecole o aggregazioni di piccole molecole. L'acqua è un ottimo solvente per molecole polari e Sali. In figura la Distribuzione di carica e il momento dipolare di H 2 O. L'atomo di ossigeno elettronegativo richiama densità elettronica dagli atomi di idrogeno. e si carica negativamente, mentre H si carica positivamente. I dipoli di legame (al centro) e i dipoli molecolari (a destra) si rappresentano come vettori. La freccia punta dal centro della carica positiva al centro della carica negativa.

4 Le Principali Tipologie di Forze Intermolecolari 4 Ione-dipolo (40-600) Legame a H (10-40) Metanolo Dipolo-dipolo (5-25) Ione-dipolo indotto (3-15) Esano Cloroformio Dispersione ( ) Dipolo indotto-dipolo (2-10) Xeno (in parentesi le energie in kj mol -1 ) Ottano

5 Soluzioni Acquose: Dissoluzione in Acqua di Composti Ionici 5 Interazione ione-dipolo Energia di idratazione X + Quando un solido ionico si scioglie in acqua, le interazioni ione-ione sono rimpiazzate dalle molte interazioni ione-dipolo che superano i legami ionici Interazione ione+ / ione Energia Reticolare

6 Formazione di una Soluzione di un Sale 6 Nella formazione di una soluzione il solvente scalza le particelle di soluto e le circonda, o li solvata. Le interazioni soluto-solvente competono con le interazioni solutosoluto e solvente-solvente. La formazione di cristalli di sali da soluzioni sature avviene all'inverso tramite il raggruppamento delle cariche di segno opposto, passando da coppie ioniche prima isolate e poi cluster e infine a cristalli.

7 Soluzioni Molecolari 7 I composti molecolari si sciolgono in solventi che hanno tipi simili di forze intermolecolari. Il simile scioglie il simile. I composti polari si sciolgono in solventi polari. I composti non-polari o debolmente polari si sciolgono in solventi non-polari o debolmente polari. Il liquido acetone è solubile in H 2 O perché contiene solo tre atomi di C e il suo atomo O può formare legami a idrogeno con un atomo H dell'h 2 O.

8 Solubilità 8 Il SIMILE SCIOGLIE IL SIMILE Sostanze con tipi simili di forze intermolecolari si sciolgono l una nell altra. Quando un soluto si scioglie in un solvente, le interazioni soluto-soluto e solvente-solvente sono in parte sostituite dall interazione soluto-solvente Le nuove forze create tra soluto e solvente devono essere di forza confrontabili con le forze distrutte all interno del soluto e del solvente. I fattori che determinano se una soluzione si forma sono: a) l entità relativa delle forze intermolecolari all interno dei componenti e tra molecole di soluto e quelle di solvente; b) il grado di dispersione del sistema alla fine rispetto che all'inizio..

9 Definizioni 9 Solvente: il componente più abbondante di una soluzione Soluto: il componente disciolto nel solvente Solubilità (S): la quantità massima di soluto che si scioglie in una determinata quantità di solvente ad una certa temperatura (in presenza di un eccesso di soluto) Soluzioni diluite e concentrate: sono termini qualitativi

10 Tipi di soluzioni 10 Soluzioni Liquide Liquido-Solido Liquido-Liquido Gas-Liquido Soluzioni Gas e Solido Gas-Gas Gas-Solido Solido-Solido Soluzione Gas-gas: Tutti i gas sono completamente solubili tra loro Soluzioni Gas-solido: Le molecole di gas occupano gli spazi tra le particelle strettamente impaccate del solido. Soluzione solido-solido: lega (sostituzionale o interstiziale)

11 Disposizione di Atomi in due Tipi di Leghe 11 Zinco Rame Carbonio Ferro A. Ottone, una lega sostituzionale B. Acciaio, una lega interstiziale

12 Solubilità di una Serie di Alcoli in Acqua ed Esano (g/ 12 Solubilità Solubilità Alcol Struttura in Acqua* in Esano* CH 3 OH /metanolo) CH 3 CH 2 OH (etanolo) CH 3 (CH 2 ) 2 OH (propanolo) CH 3 (CH 2 ) 2 OH (butanolo) esano = CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 Competizione tra legami a H e forze di dispersione CH 3 (CH 2 ) 2 OH (pentanolo) CH 3 (CH 2 ) 2 OH (esanolo) * Espressa in moli di alcol per 1 litro di soluzione a 20 C.

13 Basi Molecolari per la Solubilità di CH 3 OH in H 2 O 13 H 2 O CH 3 OH Soluzione di CH 3 OH in H 2 O Legame a idrogeno (H): CH 3 OH può servire come donatore e accettore (massimo numero di tre legami per molecola)

14 Energetica delle Soluzioni 14 Il H sol per un solido che si scioglie in un liquido è di norma leggermente endotermico H 1 : Separazione di molecole di soluto H sol = H soluto + H solvente + H misc H 2 : Separazione di molecole di solvente H 3 : Formazione delle interazioni soluto-solvente

15 Soluzioni Sature vs. Non-sature 15 Sature Il solvente solvata quanto più soluto possibile a una data temperatura Il soluto sciolto è in equilibrio dinamico con le particelle di soluto solido Non-satura Quantità inferiore di soluto rispetto al massimo sciolto nel solvente a una data temperatura

16 Soluzioni Soprasature 16 Il solvente trattiene più soluto di quanto è normalmente possibile a una data temperatura. Le soluzioni sono instabili ( G > 0); la cristallizzazione si può normalmente stimolare aggiungendo un cristallo innescante ("germe") o graffiando la parete del recipiente.

17 Bilanci di Massa in Soluzione - Molarità (Concentrazione di Soluzioni) = M 17 In miscele omogenee di composti (soluzioni) i bilanci di massa si eseguono (spesso) tenendo conto del Volume (V) in cui reagenti e prodotti sono immersi, la grandezza di riferimento è così la Molarità M: M = Moli di Soluto Litri di Soluzione = mol L (mol L -1 ) soluto = materiale sciolto nel solvente Nell aria, l azoto è il solvente e l ossigeno, il biossido di carbonio, ecc. sono i soluti. Nell acqua di mare, l acqua è il solvente, e il sale NaCl, il cloruro di magnesio, ecc, sono i soluti. Nell ottone, il Rame è il solvente (90%), e lo Zinco è il soluto (10%)

18 Riassunto delle Relazioni Massa-Mole- Coefficienti in una Reazione Chimica 18 MASSA (g) del composto A MW (g mol -1 ) del composto A QUANTITA (mol) del composto A Numero di Avogadro (molecole mol -1 ) M = mol L -1 Se il sistema è in fase liquida MOLECOLE (o unità di formula del compound A in soluzione) VOLUME (L) della soluzione

19 Preparazione di una Soluzione - I 19 Problema: Si prepara una soluzione di Fosfato di Sodio sciogliendo 3.95 g d sale in 100 ml di acqua e diluendo quindi a ml. Qual è la Molarità (M) del sale e quella di ciascun ione? Na 3 PO 4 (s) H 2 O 3 Na + (aq) + PO 4-3 (aq) Molti composti ionici si dissociano completamente in soluzioni acquose in cationi ed anioni idratati. (se però sono costituiti da acidi e basi deboli, la dissociazione non è completa!)

20 Preparazione di una Soluzione - II 20 Massa molare di Na 3 PO 4 = g mol g / ( g mol -1 ) = mol Na 3 PO 4 sciogliere e diluire a ml M = ( mol Na 3 PO 4 ) : (0.300 L) = M Na 3 PO 4 molarità per gli ioni PO 4-3 = M molarità per gli ioni Na + = M = M

21 Preparazione di Laboratorio di Soluzioni Molari di NiSO 4 21 A B C D

22 Preparazione di una Soluzione di Permanganato di Potassio 22 Problema: Preparare una soluzione sciogliendo 1.58 g di KMnO 4 in sufficiente acqua per portare a ml di soluzione. Il KMnO 4 ha una massa formula di g mol -1 1 mol KMnO g KMnO 4 = mol KMnO g KMnO 4 4 Molarità = mol KMnO 4 = M L Molarità ione K + = [K + ] = [MnO 4- ] = M Diluizione progressiva di 1/10 di una soluzione 0.1 M di KMnO 4 (colore dovuto allo ione MnO 4 )

23 Diluizione di Soluzioni 23 Problema: Prendere ml di una soluzione Molare di CuSO 4 e diluirla a L - Quale sarà la Molarità (M) della soluzione diluita risultante? N di moli = Volume Molarità Aggiunta Solvente mol L = mol L mol / 1.00 L = M Soluzioni concentrate: Più particelle di soluto per unità di volume Soluzioni diluite meno particelle di soluto per unità di volume

24 Calcoli sulla Massa di Soluto da un Certo Volume di Soluzione 24 Volume (L) di Soluzione Moli di Soluto Massa (g) di Soluto Molarità M = (moli soluto per Litri di soluzione) = mol L -1 Massa Molare (MW) = (massa per mole) = g mol -1

25 Calcoli sulle Quantità di Reagenti e Prodotti per una Reazione in Soluzione 25 Al(OH) 3 (s) + 3 HCl(aq) 3 H 2 O(l) + AlCl 3 (aq) Massa (g) di Al(OH) 3 Moli di Al(OH) 3 Moli di HCl MW (g mol -1 ) Rapporto Molare M (mol L -1 ) Volume (L) di HCl Dati 10.0 g Al(OH) 3, quale volume di HCl 1.50 M occorre per neutralizzare la base? 10.0 g Al(OH) g mol = mol Al(OH) mol HCl mol Al(OH) 3 mol Al(OH) 3 = mol HCl Vol HCl = 1.00 L HCl 1.50 mol HCl = L = 256 ml mol HCl

26 Soluzioni: Unità di Misura della Concentrazione Def. Concentrazione rapporto molarità (M) quantità (mol) di soluto volume (L) di soluzione molalità (m) parti in massa (p/p)* parti in volume (v/v)* frazione molare (χ)* quantità (mol) di soluto massa (kg) di solvente massa di soluto (kg) massa di soluzione (kg) volume di soluto (L) volume di soluzione (L) quantità (mol) di soluto quantità (mol) di soluto + quantità (mol) di solvente * I valori sono anche riportati come percentuali

27 Risoluzione di Problemi sul Reagente Limitante in Soluzione - Precipitazione 27 Problema: Il Piombo è stato usato per anni per smaltare le porcellane, e è pericoloso se queste non vengono cotte bene nel forno perché il metallo può essere rilasciato dalla porcellana. L aceto viene usato per verificare il rilascio di ioni Pb 2+, procedendo poi alla precipitazione del Piombo come solfuro (PbS). Se si aggiungono ml di una soluzione M di nitrato di Piombo a ml di una soluzione M di Na 2 S, qual è la massa del PbS solido formato? Piano: Si tratta di un problema di agente limitante perché sono fornite le quantità dei due reagenti. Dopo aver scritto l equazione bilanciata, si determina il reagente limitante, quindi si calcolano le moli di prodotto. Si passa alla massa di prodotto tramite il peso formula Soluzione: L equazione bilanciata è : Pb(NO 3 ) 2 (aq) + Na 2 S(aq) 2 NaNO 3 (aq) + PbS(s)

28 Schema per il Calcolo della Percentuale in Massa 28 Moltiplicare per M (mol L -1 ) Dividere per il coefficiente dell equazione Volume (L) di soluzione di Pb(NO 3 ) 2 Quantità (mol) di Pb(NO 3 ) 2 Il Rapporto Molare inferiore Quantità (mol) di PbS Volume (L) di soluzione di Na 2 S Quantità (mol) di Na 2 S Moltiplicare per M (mol L -1 ) Dividere per il coefficiente dell equazione Massa (g) di PbS

29 Risoluzione di Problemi sull Agente Limitante in Soluzione - Precipitazione 29 moli di Pb(NO 3 ) 2 = V M = L ( mol L -1 ) = = mol Pb 2+ moli di Na 2 S = V M = L (0.095 mol L -1 ) = mol S 2- Pertanto il Nitrato di Piombo è il Reagente Limitante! Il calcolo del prodotto fornisce: moli di PbS = mol Pb 2+ 1 mol PbS 1 mol Pb 2+ = mol mol Pb 2+ = mol PbS g PbS mol PbS = 2.89 g di PbS 1 mol PbS

30 Relazioni Stechiometriche Fondamentali tra Mole-Massa-Coefficienti 30 MASSA (g) dell elemento MASSA (g) del composto A MASSA (g) del composto B MASSA (g) dell elemento MW (g mol -1 ) MW (g mol -1 ) formula chimica QUANTITA (mol) di ciascun elemento nel composto A QUANTITA (mol) di composto A Reazione Rapporto Molare QUANTITA (mol) di composto B MW (g mol -1 ) MW (g mol -1 ) formula chimica QUANTITA (mol) di ciascun elemento nel composto B Numero di Avogadro M (mol L -1 ) Numero di Avogadro M (mol L -1 ) Numero di Avogadro ATOMI dell elemento VOLUME (L) della soluzione A MOLECOLE (o unità di formula del composto A) MOLECOLE (o unità di formula del composto B) VOLUME (L) della soluzione A ATOMI dell elemento

31 Calori di Soluzione e Cicli in Soluzione 31 Dissoluzione di un solido: il processo è suddivisibile in tre stadi: 1. Le particelle di soluto si separano tra loro - endotermico soluto (aggregato) + calore soluto (separato) H soluto > 0 2. Le particelle di solvente si separano tra loro - endotermico solvente (aggregato) + calore solvente (separato) H solvente > 0 3. Formare la miscela di particelle di soluto e solvente - esotermico soluto (separato) + solvente (separato) soluzione + calore H mix < 0

32 32 Calcolo del Calore di Soluzione, H soln H soln è la variazione totale di entalpia che si ottiene quando si forma una soluzione per dissoluzione di un soluto in un solvente H soln. = H soluto + H solvente + H misc. Un ciclo termochimico in soluzione Entalpia, H H solvente Solvente separato Solvente aggregato H soluto Soluto separato Soluto aggregato H soluto + H solvente H misc H iniziale Entalpia, H H solvente Solvente separato Solvente aggregato H soluto Soluto separato H soluto + H solvente Soluto aggregato Soluzione H misc H finale H soln < 0 Soluzione H soln < 0 H iniziale A. Processo di soluzione Esotermico H finale B. Processo di soluzione Endotermico

33 Calore di Idratazione 33 La solvatazione di ioni da parte dell acqua è sempre esotermica. M + (g) [o X - H 2 O (g)] M + (aq) [o X - (aq)] H idr. dello ione < 0 H idr è legato alla densità di carica dello ione, cioè, sia la carica coulombiana che la dimensione dello ione sono importanti. L energia reticolare è il H implicato nella formazione di un solido ionico dai suoi ioni in fase gas. M + (g) + X - (g) MX(s) H reticolare è sempre < 0 perciò, H soln = - H reticolare + H idr

34 Andamento nei Calori di Idratazione di Ioni 34 ione Raggio ionico (pm) H idr (kj mol -1 ) Gruppo 1A Li + Na + K + Rb + Cs + Gruppo 2A Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Gruppo 7A F - Cl - Br - I

35 Ricordare! Bilanci Energetici in soluzione 35 Le reazioni chimiche in qualunque condizioni avvengano sono soggette ai bilanci di materia (bilanci di massa) ma anche ai bilanci di energia. Per esempio per la dissoluzione di un sale (AgF) si ha: AgF(s) H soluzione 22 kj mol -1 Ag + (id) + F - (id) H reticolare AgF 976 kj mol -1 + H 2 O Ag + (g) + F - (g) H idratazione ioni Processo lievemente endotermico (bilancio tra en. reticolare ed en. idratazione degli ioni)