DISSOLUZIONE DEL CLORURO DI SODIO

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1 DISSOLUZIONE DEL CLORURO DI SODIO Nel processo di dissoluzione del NaCl le molecole di acqua dipolari attraggono gli ioni del sale, indebolendo l attrazione elettrostatica tra Na + e Cl -. Inizialmente il fenomeno riguarda la superficie del cristallo, successivamente agiscono sempre più in profondità nel reticolo cristallino, circondando i singoli ioni e consentendo loro di disperdersi nel solvente e quindi di sciogliersi (solvatazione). 1

2 CENNI DI TERMODINAMICA ENTALPIA (H): contenuto termico di una sostanza H (H f - H i ) è il calore assorbito o ceduto dal sistema quando la reazione o il processo ha luogo a pressione costante H > 0 assorbimento di calore reazione endotermica raffreddamento H < 0 liberazione di calore reazione esotermica riscaldamento ENTROPIA (S): è la misura del disordine di una sostanza. Maggiore è il suo disordine, maggiore l entropia. Generalmente S (gas) > S (liquido) > S (solido) Es. Gli ioni in soluzione acquosa sono normalmente più disordinati che nel loro stato solido ( S > 0) Nel caso della reazione di solubilizzazione: HCl (g) H + (acq) + Cl - (acq) S < 0 2

3 I sistemi in natura tendono verso la diminuzione del contenuto di entalpia ( H < 0) e l aumento del contenuto di entropia ( S > 0) Una reazione chimica è spostata verso la formazione dei prodotti (favorita) da un valore negativo di H e/o da un valore positivo di S. Quindi se: H < 0 e S > 0 la reazione è chiaramente favorita H > 0 e S < 0 la reazione è chiaramente sfavorita Se H > 0 e S > 0 o se H < 0 e S < 0 bisogna prendere in considerazione la variazione di energia libera ( G) che fa da arbitro tra le due tendenze opposte a T costanti avremo: G = H - T S G < 0 la reazione è favorita (esoergonica) G > 0 la reazione è sfavorita (endoergonica) G = 0 la reazione è in equilibrio 3

4 Il processo di dissoluzione ( S>0) : bilancio dell entalpia Nel processo di dissoluzione il solvente deve rompere la coesione dell edificio cristallino. La coesione è rappresentata dall energia reticolare (E retic ), che è la somma delle interazioni attrattive e repulsive tra gli ioni nel cristallo. Quindi per sciogliere un solido bisogna fornire al sistema un energia pari ad E retic Le molecole del solvente interagiscono con cationi ed anioni (nel caso della dissoluzione di un solido ionico) e danno luogo alla solvatazione. Questo implica la formazione di nuove interazioni, e quindi la liberazione di energia a favore del sistema: questa energia si chiama energia di solvatazione (E solvat ). Si possono avere due casi: a) E retic > E solvat significa che l energia liberata dalla solvatazione non è sufficiente a disgregare l edificio cristallino, quindi il sistema deve assorbire energia dall esterno sotto forma di calore (ΔH soluz >0, processo endotermico) b) E retic < E solvat significa che la solvatazione è più forte della coesione del cristallo, quindi l energia in eccesso viene liberata sotto forma di calore (ΔH soluz < 0, processo esotermico) 4

5 Entalpia di soluzione Il calore assorbito ( H>0) o emesso ( H<0) dal sistema durante il processo di dissoluzione si chiama entalpia di soluzione e, per una determinata quantità di sostanza, dipende dalla natura del soluto e dal solvente ( H soluzione = E retic E solvat ). ΔH soluz <0 processo esotermico ΔH soluz >0 processo endotermico I processi esotermici risultano inibiti da un aumento di temperatura, mentre i processi endotermici risultano favoriti da un aumento della temperatura. Quindi se un sale si scioglie con sviluppo di calore, allora scaldando la soluzione il sale si scioglierà di meno. Viceversa, il caso più comune è quello delle dissoluzioni endotermiche, per cui la dissoluzione avviene con assorbimento di calore, e un aumento della temperatura fa sciogliere una quantità maggiore di composto. 5

6 The Solution Process ( H<0) LIME: NaOH + CaO 6

7 The Solution Process ( H>0) NH 4 Cl o NH 4 NO 3 7

8 Solubilità Se si scioglie un solido (soluto) in un solvente, si compie una reazione di dissoluzione. Per quanto solubile sia la sostanza nel solvente scelto, ad un certo punto si raggiunge una condizione di equilibrio, in cui il soluto non si scioglie più nel solvente e si deposita sul fondo del recipiente come corpo di fondo. In queste condizioni si è realizzato un equilibrio eterogeneo e si è ottenuta una soluzione satura. La concentrazione di soluto in una soluzione satura a 25 C si definisce solubilità S. 8

9 SOLUBILITA DEI SOLIDI Perché un solido si solubilizzi occorre: vincere le forze di attrazione soluto-soluto ENERGIA RETICOLARE vincere le forze di attrazione solvente-solvente solvatazione, attrazione tra molecole di soluto e molecole di solvente Nel caso dei reticoli ionici, sia l energia reticolare che l energia di solvatazione dipendono da: 1. dimensioni degli ioni ENERGIA DI SOLVATAZIONE 2. carica degli ioni e precisamente dalla densità di carica carica raggio ionico 9

10 Li + Na + K + Rb + Cs + F m.sol. m.sol. Cl m.sol. Br I - m.sol. m.sol Solubilità degli alogenuri alcalini e dimensioni ioniche 10

11 Cs + Ba ++ La 3+ & T.R. Fr + Ra ++ Solubilità dei composti più comuni H + Ioni positivi che formano composti He solubili con quasi tutti gli anioni Li + Be ++ B CO 2- NH OH - F - Ne Na + Mg ++ Al 3+ Si PO 3- Cl - 4 Ar Fe 2+ K + Ca ++ Sc 3+ Ti V Cr 3+ Mn 2+ Co 2+ Ni 2+ Zn 2+ Ga 3+ Ge Se Br - Kr Fe 3+ Rb + Sr ++ Y 3+ Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag + Cd 2+ In 3+ Te I - Xe Cu + Cu 2+ Hg 2 2+ Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Tl 3+ Pb 2+ Bi 3+ Po At - Rn Hg 2+ Sn 2+ As 3+ As 5+ Sn 4+ Sb 3+ NO 3 - Sb 5+ S 2- SO 4 2- H + Ioni positivi che formano composti He scarsamente solubili Li + Be ++ B CO 2- NH OH - F - Ne NO - Cl -, Br -, I - 3 Na + Mg ++ Al 3+ Si PO 3- Cl - 4 Ar K + Ca ++ Sc 3+ Ti V Cr 3+ Mn 2+ Co 2+ Ni 2+ Zn 2+ Ga 3+ Ge Se Br- Kr Rb + Sr ++ Y 3+ Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag + Cd 2+ In 3+ Te I - Xe Cs + Ba ++ La 3+ & T.R. Fe 2+ Fe 3+ Cu + Cu 2+ Hg 2 2+ Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Tl 3+ Pb 2+ Bi 3+ Po At - Rn Hg 2+ Sb Sn 3+Sb Sn 2+ As 3+ As 5+ S 2- SO 4 2- Fr + Ra ++ 11

12 Cs + Ba ++ La 3+ & T.R. Fr + Ra ++ Solubilità dei composti più comuni H + He Ioni positivi che formano composti scarsamente solubili con Li + Be ++ B CO 2- NH OH - F - Ne SO 4 -- Na + Mg ++ Al 3+ Si PO 3- Cl - 4 Ar Fe 2+ K + Ca ++ Sc 3+ Ti V Cr 3+ Mn 2+ Co 2+ Ni 2+ Zn 2+ Ga 3+ Ge Se Br - Kr Fe 3+ Rb + Sr ++ Y 3+ Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag + Cd 2+ In 3+ Te I - Xe Cu + Cu 2+ Hg 2 2+ Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Tl 3+ Pb 2+ Bi 3+ Po At - Rn Hg 2+ Sn 2+ As 3+ As 5+ Sn 4+ Sb 3+ NO 3 - Sb 5+ S 2- SO 4 2- H + He Ioni positivi che formano composti scarsamente solubili con Li + Be ++ B CO 2- NH OH - F - Ne Na + Mg ++ Al 3+ Si PO 3- Cl - 4 Ar K + Ca ++ Sc 3+ Ti V Cr 3+ Mn 2+ Co 2+ Ni 2+ Zn 2+ Ga 3+ Ge Se Br- Kr Rb + Sr ++ Y 3+ Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag + Cd 2+ In 3+ Te I - Xe Cs + Ba ++ La 3+ & T.R. S -- Fe 2+ Fe 3+ Cu + Cu 2+ Hg 2 2+ Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Tl 3+ Pb 2+ Bi 3+ Po At - Rn Hg 2+ Sn 2+ As 3+ As 5+ Sn 4+ Sb 3+ NO 3 - Sb 5+ S 2- SO 4 2- Fr + Ra ++ 12

13 Solubilità di solfati e floruri di metalli alcalino-terrosi CaSO 4 SrSO 4 BaSO 4 solubile poco solubile insolubile La solubilità diminuisce all aumentare del raggio del catione Le energie reticolari sono pressoché uguali [1/(r + + r - )] La diminuzione di solubilità è dovuta alla diversa energia di idratazione CaF 2 SrF 2 BaF 2 insolubile poco solubile solubile La solubilità aumenta all aumentare del raggio del catione F - ha un raggio piccolo e quindi il Ca 2+, tra i cationi, è quello più fortemente legato L aumento di solubilità è dovuta alla diversa energia reticolare N.B. I Sali derivanti da anioni di dimensioni intermedie (CO 3 2- ) hanno solubilità quasi uguali 13

14 Cs + Ba ++ La 3+ & T.R. Fr + Ra ++ Solubilità dei composti più comuni H + He Ioni positivi che formano composti scarsamente solubili con Li + Be ++ B CO 2- NH OH - F - Ne NO - lo ione ossidrile OH - 3 Na + Mg ++ Al 3+ Si PO 3- Cl - 4 Ar Fe 2+ K + Ca ++ Sc 3+ Ti V Cr 3+ Mn 2+ Co 2+ Ni 2+ Zn 2+ Ga 3+ Ge Se Br - Kr Fe 3+ Rb + Sr ++ Y 3+ Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag + Cd 2+ In 3+ Te I - Xe Cu + Cu 2+ Hg 2 2+ Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Tl 3+ Pb 2+ Bi 3+ Po At - Rn Hg 2+ Sn 2+ As 3+ As 5+ Sn 4+ Sb 3+ Sb 5+ S 2- SO 4 2- H + He Ioni positivi che formano composti scarsamente solubili con Li + Be ++ B CO 2- NH OH - F - Ne NO - PO 3-3 4, CO = 3 Na + Mg ++ Al 3+ Si PO 3- Cl - 4 Ar K + Ca ++ Sc 3+ Ti V Cr 3+ Mn 2+ Co 2+ Ni 2+ Zn 2+ Ga 3+ Ge Se Br- Kr Rb + Sr ++ Y 3+ Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag + Cd 2+ In 3+ Te I - Xe Cs + Ba ++ La 3+ & T.R. Fe 2+ Fe 3+ Cu + Cu 2+ Hg 2 2+ Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Tl 3+ Pb 2+ Bi 3+ Po At - Rn Hg 2+ Sn 2+ As 3+ As 5+ Sn 4+ Sb 3+ Sb 5+ S 2- SO 4 2- Fr + Ra ++ 14

15 a LA CONCENTRAZIONE DELLE SOLUZIONI a soluto/soluzione a a + b a + b b % p/p m a m a + m b. 100 Frazione molare Molarità M (mol/l) n a = V (a+b) n a n a + n b m a PM a. 1 V (a+b) eq a Normalità N (eq/l) = V (a+b) % V/V ze n a = ze m a 1. V (a+b) PM a V a V a + V b. 100 V (a+b) i a = 1 + a (ν - 1) n a i a Osmolarità (osmol/l) = V (a+b) m a i a PM a. 1 V (a+b) 15

16 LA CONCENTRAZIONE DELLE SOLUZIONI soluto/solvente a b a b Molalità m (mol/kg) n a m b = m a PM a m b parti x 100 m a m b. 100 parti x 100 V a V b

17 Problema Preparare 100 ml di soluzione di HNO 3 2N sapendo che quello disponibile in commercio è 14N. Quanti millilitri di HNO 3 concentrato si dovranno utilizzare? HNO 3 2 N HNO 3 14 N 100 ml Quanti equivalenti di acido nitrico ci servono? 2 eq : 1000 ml = x eq : 100 ml x = 0,2 eq Quanti ml di acido concentrato dobbiamo prelevare per avere 0,2 eq? 14 eq : 1000 ml = 0,2 eq : x ml x = 14,3 ml (ml di HNO 3 conc. da prelevare) 100 ml 14,3 ml = 85,7 ml (ml di H 2 O) 17

18 REGOLA DELLA CROCE HNO 3 2N 100 ml HNO 3 14N Normalità della soluzione concentrata (ml della soluzione concentrata, 14N) Normalità della soluzione diluita 0 12 (ml della soluzione diluita, 0 M, cioè acqua) 14 (ml totali di soluzione alla concentrazione desiderata, 2N) Normalità della soluzione desiderata Se mettiamo insieme 2 ml di HNO 3 14N e 12 ml di H 2 O avremo una soluzione di HNO 3 2N. 2 ml : 14 ml = x ml : 100 ml HNO 3 14N totali HNO 3 14N totali x = 14,3 ml (ml di HNO 3 conc, cioè 14N, da prelevare) 100 ml 14,3 ml = 85,7 ml (ml di H 2 O) 18

19 Problema Si devono preparare 100 ml di soluzione di HNO 3 4N avendo a disposizione HNO 3 14N e HNO 3 2N. Quanti millilitri delle due soluzioni si devono utilizzare? HNO 3 4N HNO 3 14N 100 ml HNO 3 2N 14 2 (ml della soluzione 14N) (ml della soluzione 2N) 12 (ml totali di soluzione 4N) Se mettiamo insieme 2 ml di HNO 3 14N e 10 ml di HNO 3 2N avremo 12 di HNO 3 4N. Noi vogliamo 1 litro di soluzione di HNO 3 4N. ml di una soluzione 2 ml : 12 ml = x ml : 100 ml HNO 3 14N totali HNO 3 14N totali x = 16,7 ml (ml di HNO 3 14N da prelevare) 10 ml : 12 ml = x ml : 100 ml HNO 3 2N totali HNO 3 2N totali x = 83,3 ml (ml di HNO 3 2N da prelevare) Il volume di acqua si può calcolare più semplicemente così: (100 ml 16,7 ml) = 83,3 ml 100 ml 19

20 Problema Preparare 100 ml di soluzione di H 2 SO 4 2N sapendo che quello disponibile in commercio è 36N. Quanti millilitri di acido solforico concentrato si dovranno utilizzare? H 2 SO 4 2N 100 ml H 2 SO 4 36N ml : 36 ml = x ml : 100 ml H 2 SO 4 36N totali H 2 SO 4 36N totali x = 5,5 ml (ml di H 2 SO 4 conc., cioè 36N, da prelevare) 100 ml 5,5 ml = 94,5 ml (ml di H 2 O) 20

21 Problema Preparare 100 ml di soluzione di HCl 2N sapendo che quello disponibile in commercio è 12N. Quanti millilitri di HCl concentrato si dovranno utilizzare? HCl 2N 100 ml HCl 12N ml : 12 ml = x ml : 100 ml HCl 12N totali HCl 12N totali x =16,7 ml (ml di HCl conc., cioè 12N, da prelevare) 100 ml 16,7 ml = 83,3 ml (ml di H 2 O) 21

22 Problema Preparare 100 ml di soluzione di HCl 6N sapendo che quello disponibile in commercio è 12N. Quanti millilitri di HCl concentrato si dovranno utilizzare? HCl 6N 100 ml HCl 12N ml : 12 ml = x ml : 100 ml HCl 12N totali HCl 12N totali x = 50 ml (ml di HCl conc., cioè 12N, da prelevare) 100 ml 50 ml = 50 ml (ml di H 2 O) 22

23 Problema Preparare 100 ml di soluzione di NH 4 OH 2N sapendo che quello disponibile in commercio è 14N. Quanti millilitri di NH 4 OH concentrato si dovranno utilizzare? NH 4 OH 2N 100 ml NH 4 OH 14N ml : 14 ml = x ml : 100 ml NH 4 OH 14N totali NH 4 OH 14N totali x =14 ml (ml di NH 4 OH conc., cioè 14N, da prelevare) 100 ml 14 ml = 86 ml (ml di H 2 O) 23

24 Problema È necessario preparare 100 ml di una soluzione di acido acetico 2N, disponendo di una soluzione concentrata (~ 100% V/V; d = 1,049 g/ml). Quale volume della soluzione concentrata e quanta acqua si devono utilizzare? CH 3 COOH 2N 100 ml CH 3 COOH (100% V/V) d = 1,049 g/ml Quanti equivalenti di acido acetico ci servono? 2 eq : 1000 ml = x eq : 100 ml x = 0,2 eq A quanti grammi di acido acetico corrispondono 0,2 eq? 0,2 eq : 60,05 g/eq = 12 g (g di acido acetico necessari per preparare la soluzione richiesta) Il problema ci chiede i ml di acido acetico da prelevare, non i grammi. 1,049 g : 1 ml = 12 g : x ml x = 11,4 ml (ml di acido acetico conc. da prelevare) 100 ml 11,4 ml = 88,6 ml (ml di H 2 O) 24

25 Problema Quanti grammi di NaOH (PM = 40 g/mole) sono necessari per preparare 100 ml di soluzione di NaOH 2N? NaOH 2 N 100 ml Peq NaOH = 40 g/mole Quanti equivalenti di soda ci servono? 2 eq : 1000 ml = x eq : 100 ml x = 0,2 eq A quanti grammi di soda corrispondono 0,2 eq? 0,2 eq : 40 g/eq = 8 g 25

26 Problema Quanti grammi di KOH (PM = 56 g/mole) sono necessari per preparare 100 ml di soluzione di KOH 2N? KOH 2 N 100 ml Peq KOH = 56 g/mole Quanti equivalenti di potassa ci servono? 2 eq : 1000 ml = x eq : 100 ml x = 0,2 eq A quanti grammi di potassa corrispondono 0,2 eq? 0,2 eq : 56 g/eq = 11 g 26