Soluzioni e Proprietà Colligative

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1 LM85-bis Scienze della formazione primaria Soluzioni e Proprietà Colligative Prof. Federico Teloni Elementi di Chimica A. A

2 Soluzioni Le Soluzioni sono miscele omogenee. Composizione e Proprietà Uniformi. Solvente. Determina lo stato della materia in cui esiste la soluzione. E il componente più abbondante. Soluti. Gli altri componenti della soluzione, cosiddetti perchè disciolti nel solvente.

3 Tipi di Soluzioni Vi sono soluzioni gassose, liquide e anche solide:

4 Concentrazioni Massa percentuale. Volume percentuale. Massa/Volume percentuale. (m/m) (v/v) (m/v) Concentrazioni molto basse di soluto sono espresse come: ppm: parti per milione ( g/g, mg/l) ppb: parti per bilione (ng/g, g/l) ppt: parti per trilione (pg/g, ng/l) *nota che 1.0 L 1.0 g/ml = 1000 g ppm, ppb, e ppt sono propriamente m/m o v/v.

5 Concentrazioni Molari e Molali I chimici usano concentrazioni espresse in funzione delle moli di un soluto in una certa quantità di soluzione o di solvente: Molarità (M) = quantità di soluto (in moli) volume di soluzione (in litri) Molalità (m) = quantità di soluto (in moli) massa di solvente (in chilogrammi) Frazione Molare ( ) = moli di soluto moli totali (soluti + solvente)

6 Energetica delle Soluzioni Quando un soluto si dissolve in un solvente, le interazioni soluto-soluto e solvente-solvente vengono sostituite dalle interazioni soluto-solvente. Le interazioni debbono essere di forza comparabile affinché si formi una soluzione.

7 Dissoluzione Esotermica Dissoluzioni Esotermiche. Producono calore H 2 O Es. NaOH (s) Na + (aq) + OH - (aq)

8 Dissoluzione Endotermica Dissoluzioni Endotermiche. Consumano calore H 2 O Es. NH 4 NO 3(s) NH 4 + (aq) + NO 3 - (aq) Impacco chimico freddo

9 Precipitazioni Esotermiche Scaldamani a ghiaccio caldo NaOOCCH 3(aq) NaOOCCH 3(s) + H 2 O (l) + calore Gli scaldamani a ghiaccio caldo sono buste morbide, in materiale siliconico, contenenti una soluzione supersatura di acetato di sodio in acqua, e una piastrina metallica. Schiacciando la piastrina metallica si genera una forte vibrazione nell'intera massa della soluzione che provoca l'innesco di una reazione esotermica di cristallizzazione del sale contenuto nel liquido, con emissione di calore. Il calore si esaurisce dopo minuti circa. L'aspetto della bustina dopo l'attivazione cambia e si possono scorgere numerosi cristalli che si diramano radialmente dalla piastrina (da cui il nome ghiaccio caldo).

10 Solubilità tra Liquidi Sostanze con strutture molecolari simili presentano forze intermolecolari simili e sono solubili le une nelle altre (il simile dissolve il simile):

11 Solubilità tra Liquidi

12 Solubilità e Struttura Molecolare Il glucosio, che forma legami a idrogeno, è molto solubile in acqua, mentre il cicloesano, che può instaurare solo forze di dispersione (forze di London) non lo è. Il glucosio C 6 H 12 O 6 ha 5 gruppi OH ed è molto solubile in acqua Il cicloesano C 6 H 6 non ha gruppi polari OH ed è essenzialmente insolubile in acqua

13 Solubilità e Struttura Molecolare La vitamina A è molto solubile in sostanze non polari (come i grassi). La vitamina C è molto solubile in acqua.

14 Soluzioni Sature ed Equilibrio Alcune soluzioni possono divenire sature, in presenza di un eccesso di soluto; es. acqua e NaCl: In una soluzione satura vi è un equilibrio tra il soluto solido in eccesso e il soluto disciolto. Il soluto indisciolto è in equilibrio con il soluto disciolto. Soluto (indisciolto) soluto (disciolto) Quando solubilizzazione e precipitazione avvengono alla stessa velocità, la quantità di soluto disciolto è costante nel tempo e la soluzione si dice satura. A una particolare temperatura, il numero di particelle di soluto che si sciolgono nell unità di tempo è uguale al numero di quelle che ricristallizzano.

15 Soluzioni Sature e Solubilità Quando una soluzione contiene la massima quantità possibile di soluto viene definita soluzione satura. La parte del composto non disciolta nella soluzione satura costituisce il corpo di fondo. La solubilità è la quantità massima di soluto che si può disciogliere in una data quantità (o volume) di solvente.

16 Solubilità dei Gas e Temperatura Molti gas sono meno solubili in acqua all aumentare della temperatura (O 2 e N 2 ). In solventi organici è spesso vero l opposto (più solubili all aumento della temperatura). I gas nobili mostrano una diminuzione della solubilità all aumento della T, fino ad un minimo (per He è 35 C a 1 atm) poi la solubilità aumenta per un ulteriore aumento della T.

17 Solubilità dei Gas e Temperatura La solubilità dei gas in acqua diminuisce con temperatura. Le bibite gassate sono più "frizzanti", se vengono conservate in frigorifero. I laghi e i mari caldi hanno una minor quantità di O 2 disciolta rispetto ai laghi e mari freddi, che sono più pescosi.

18 Solubilità dei Gas e Pressione La Solubilità di un gas aumenta all aumentare della pressione (legge di Henry): C = kp gas

19 Legge di Henry La bottiglia chiusa di acqua frizzante è sotto pressione di CO 2 (g). Quando viene aperta, la pressione cala di colpo.

20 Legge di Henry I subacquei debbono respirare aria compressa, che però è molto più solubile nel sangue dell aria a pressione normale. Riemergendo in superficie, l eccesso di azoto N 2 disciolto viene rilasciato in piccole bolle, causando dolori agli arti e interferendo con il sistema nervoso (embolia gassosa). I sommozzatori debbono emergere lentamente (o si sostituisce l aria compressa con una miscela di elio-ossigeno).

21 Fattori che Influenzano la Solubilità Temperatura: La maggior parte dei solidi è più solubile a temperatura maggiore. I gas diventano meno solubili se la temperatura aumenta. Pressione: La solubilità dei gas aumenta all aumentare della pressione.

22 Natura delle Soluzioni Acquose Acqua Poco Costosa Può dissolvere moltissime sostanze Molte sostanze sono dissociate in ioni Le soluzioni acquose sono presenti ovunque Acqua del mare Sistemi viventi

23 Elettroliti Alcuni soluti possono dissociarsi in ioni, formando soluzioni elettrolitiche. La carica elettrica degli ioni può essere trasportata. Elettroliti forti si dissociano completamente. - buoni conduttori di elettricità. Elettroliti deboli si dissociano parzialmente. - mediocri conduttori di elettricità. Non-elettroliti non si dissociano. - Cattivi conduttori di elettricità.

24 Soluzioni di Elettroliti

25 Tipi di Elettroliti Un elettrolita forte: MgCl 2 (s) Mg 2+ (aq) + 2 Cl - (aq) Un elettrolita debole: CH 3 CO 2 H(aq) CH 3 CO 2- (aq) + H + (aq) Un non-elettrolita: CH 3 OH(aq)

26 Protone Idrato Il catione H + è molto piccolo. Interagisce con le molecole di acqua attorno. Lo ione H + non esiste come tale in soluzione. La forma reale è H 3 O + (ione idrossonio). Esso reagisce con altre molecole H 2 O a dare specie come H 5 O 2+, H 7 O 3+, H 9 O 4+. Per comodità si può usare H + al posto di H 3 O + nelle equazioni chimiche

27 Proprietà Colligative delle Soluzioni Le proprietà colligative dipendono dal numero di particelle di soluto, non dalla loro identità chimica. Il numero di particelle in soluzione può essere dedotto dalla formula e dal tipo di soluto. Un elettrolita si dissocia in ioni quando si scioglie in acqua. Gli elettroliti forti si dissociano completamente mentre gli elettroliti deboli si dissociano solo parzialmente. Un non elettrolita non si dissocia per formare ioni. Ogni mole di composto disciolto dà una mole di particelle in soluzione.

28 Tensione di Vapore delle Soluzioni Raoult, 1880: La pressione di vapore di una soluzione di un non elettrolita non volatile è sempre minore della pressione di vapore del solvente puro. Legge di Raoult: la pressione di vapore del solvente in equilibrio con una soluzione è proporzionale alla frazione molare del solvente nella soluzione: P solvente = solvente x P solvente L abbassamento della pressione di vapore è proporzionale alla frazione molare del soluto. P solvente = soluto x P solvente

29 Abbassamento Tensione di Vapore Effetto del soluto sulla tensione di vapore di una soluzione: Si stabilisce l equilibrio tra un liquido puro e il suo vapore quando il numero di molecole che vaporizzano in un dato intervallo di tempo è uguale al numero di quelle che condensano. La presenza di un soluto non volatile disciolto diminuisce le molecole di solvente sulla superficie del liquido, libere (non coinvolte nella solvatazione del soluto) e con sufficiente energia cinetica in grado di vaporizzare in un dato intervallo di tempo. Un minor numero di molecole di solvente vaporizza in un dato intervallo di tempo. Perciò diminuisce il numero di molecole che debbono condensare nel liquido per bilanciare quelle che evaporano.

30 Innalzamento Punto di Ebollizione Al punto di ebollizione del solvente puro, il vapore è in equilibrio dinamico con il suo liquido. Quando una soluzione bolle, il solvente passa in fase vapore come sostanza pura. Un soluto non volatile perturba l equilibrio cioè diminuisce le particelle di solvente sulla superficie del liquido, libere e con sufficiente energia cinetica in grado di vaporizzare in un dato intervallo di tempo. L equilibrio viene ristabilito a temperature più elevate, perché aumenta il numero di molecole di solvente con energia sufficiente a rompere i legami con la fase liquida.

31 Abbassamento Punto di Congelamento Al punto di congelamento del solvente puro, la fase solida è in equilibrio dinamico con la fase liquida. Quando una soluzione congela, è il solvente che solidifica come sostanza pura. Un soluto diminuisce le particelle di solvente libere e perturba l equilibrio: meno particelle di sovente possono raggiungere la superficie del solido. L equilibrio viene ristabilito a temperature più basse, perché si riduce il numero di molecole con energia sufficiente a rompere i legami con la fase solida ed aumenta il numero di molecole della fase liquida con energia cinetica abbastanza bassa da essere catturate dal solido.

32 Costanti Ebullioscopica e Crioscopica L innalzamento ebullioscopico e l abbassamento crioscopico dipendono dalla concentrazione del soluto. Si usa la concentrazione MOLALE perché è indipendente dal volume della soluzione (anch esso varia al variare della temperatura). ΔT b = K b m ΔT f = K f m K f e K b sono costanti di proporzionalità che dipendono dalla natura del solvente (più precisamente dall entalpia di passaggio di stato e dalla massa molare del solvente).

33 Applicazioni Pratiche Un anticongelante per aerei è il glicole etilenico diluito con acqua ed applicato come spray ad alta pressione. Si aggiunge sale (NaCl o meglio CaCl 2 ) alla neve per abbassarne il punto di congelamento e scioglierla. La dissoluzione di NaCl è leggermente endotermica mentre quella di CaCl 2 è esotermica.

34 Applicazioni Pratiche Alcuni pesci dei mari del nord e dell artico, per sopravvivere ai rigidi inverni, producono grandi quantità di glicerolo che abbassa il punto di congelamento del sangue. L acqua sparsa sui frutti gela ma il succo interno ha un punto di congelamento inferiore a 0 C.

35 Fenomeno dell Osmosi Una soluzione acquosa di saccarosio in un tubo di vetro è separata dall acqua pura nel contenitore aperto da una membrana semipermeabile (cioè permeabile solo alle molecole di H 2 O) si avrà un flusso spontaneo di acqua dal contenitore aperto verso la soluzione (OSMOSI) il livello nel tubo aumenta. L altezza del livello finale dipende dalla concentrazione di saccarosio: La pressione necessaria ad arrestare il flusso è detta pressione osmotica

36 Membrane Semipermeabili Osmosi a livello particellare: flusso osmotico delle molecole di acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile (semipermeabile) nei confronti dell acqua. Le sostanze disciolte, come gli ioni idrati o le molecole di zucchero di grandi dimensioni, non possono diffondere attraverso la membrana:

37 Osmosi e Pressione Osmotica L OSMOSI è il movimento di particelle di solvente attraverso una membrana semipermeabile, da una regione a concentrazione maggiore ad una regione a concentrazione minore. Il solvente passerà sempre da una soluzione più diluita a una più concentrata. La PRESSIONE OSMOTICA è la pressione che si deve applicare per impedire il flusso di solvente.

38 Osmosi Inversa e Desalinizzazione Esercitando sulla parte B una pressione maggiore della pressione osmotica dell acqua di mare si crea un flusso di acqua in direzione opposta: acqua salata acqua pura (processo di desalinizzazione)

39 Colloidi Sono dispersioni di particelle relativamente grandi (da 1 nm a 1 m) in un solvente. Queste miscele sono spesso difficili da distinguere dalle soluzioni, perché apparentemente omogenee, in quanto la fase dispersa nel mezzo disperdente può essere di dimensioni non visibili ad occhio nudo. I colloidi differiscono però dalle soluzioni perché le particelle disperse sono abbastanza grandi da diffondere la luce (effetto tyndall). Il latte appare bianco anziché trasparente a causa delle particelle di grasso sospese in acqua

40 Colloidi nei Sistemi Biologici Alcune molecole biologiche hanno gruppi terminali polari e idrofili ed altri gruppi terminali non polari, idrofobi. Molecole con lunghe catene idrofobe e teste idrofile possono essere utili nell emulsionare i grassi e gli oli in soluzioni acquose.

41 Classificazione dei colloidi Si basa sullo stato fisico delle fasi dispersa e disperdente. l acqua fangosa è un sol di scaglie di argilla disperse nell acqua i fumi sono sospensioni di solidi in gas la maionese è un emulsione di acqua dispersa in olio vegetale le schiume sono sospensioni di gas in liquidi

42 Effetto Tyndall È un fenomeno di diffusione della luce dovuto alla presenza di particelle, di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze d'onda della luce incidente, presenti nei sistemi colloidali (nei fumi e nelle nebbie, nelle emulsioni, ecc.) il raggio di luce non è visibile se passa attraverso una soluzione vera, lo è quando passa attraverso una dispersione colloidale (la luce viene riflessa dalle particelle disperse in molte direzioni e quindi risulta visibile).

43 Sangue e Dialisi Il sangue è una dispersione colloidale. Il rene umano dializza il sangue per eliminare l eccesso di elettroliti prodotti nel metabolismo. Quando i reni perdono questa capacità emodialisi. Molecole di acqua, di soluto e ioni disciolti passano liberamente attraverso i pori della membrana. La direzione del flusso dipende dalla concentrazione relativa ai due lati della membrana. Le particelle colloidali non passano.