LE SOLUZIONI. Una soluzione è un sistema omogeneo costituito da almeno due componenti

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Samuele Testa
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1 LE SOLUZIONI Una soluzione è un sistema omogeneo costituito da almeno due componenti Il componente maggioritario e solitamente chiamato solvente mentre i componenti in quantita minore sono chiamati soluti Soluzioni gassose: in genere i gas possono mescolarsi in tutte le proporzioni per dare soluzioni gassose. Soluzioni liquide: sono le più comuni e sono ottenute nella maggior parte dei casi sciogliendo in un liquido un gas, un solido o altri liquidi. Soluzioni solide: sono principalmente leghe di due o più metalli. Le leghe di mercurio (l unico metallo liquido) con altri metalli sono chiamate amalgame e possono essere sia liquide che solide).

2 La soluzione si forma spontaneamente se DG = DH - TDS < 0 DS > 0 SEMPRE aumenta il disordine Se DH < 0 la formazione della soluzione avviene (è spontanea) Se DH > 0 la soluzione si forma spontaneamente quando DH < TDS DIPENDE DALLA TEMPERATURA

3 La formazione di una soluzione è dovuta a due fattori: Aumento di entropia (fattore entropico). DS SEMPRE POSITIVO Forze intermolecolari di attrazione tra le molecole delle due sostanze (fattore energetico). Durante il processo si rompono i legami soluto-soluto e solvente-solvente. Si originano quindi legami solutosolvente. Il DH può essere positivo negativo o nullo: tutto dipende dal bilancio delle forze intermolecolari solvente-solvente e solvente-soluto DH soluzione = DH 1 +DH 2 +DH 3

4 La possibilità di formare soluzioni dipende quindi dall entità delle interazioni tra molecole I soluti possono essere: ionici di tipo covalente polare di tipo covalente non polare I solventi possono essere di tipo covalente polare di tipo covalente non polare I soluti ionici sono solubili in solventi polari. I soluti polari sono solubili in solventi polari. I soluti non polari (o leggermente polari) sono solubili in solventi non polari (o leggermente polari).

Solido ionico in solvente polare (H2O) Il processo avviene mediante la solubilizzazione e la

Cationi ed anioni attraggono il solvente ciascuno secondo la propria carica Le molecole di solvente,

Questo indebolisce il legame tra gli ioni del cristallo Gli ioni in soluzione sono solvatati da

5 Solido ionico in solvente polare (H2O) Il processo avviene mediante la solubilizzazione e la solvatazione degli ioni che compongono il reticolo cristallino. Cationi ed anioni attraggono il solvente ciascuno secondo la propria carica Le molecole di solvente, che sono dipoli, interagiscono con gli ioni alla superficie del cristallo. Questo indebolisce il legame tra gli ioni del cristallo Gli ioni in soluzione sono solvatati da molecole d acqua. L interazione tra gli ioni in soluzione è molto minore rispetto allo stato solido perché la presenza delle molecole di acqua diminuisce l interazione coulombiana.

6 Solido covalente polare in un solvente polare Il glucosio forma con l acqua legami ad idrogeno. Da un cristallo si separano molecole idratate. Il glucosio viene solubilizzato in acqua grazie alla formazione di legami ponte idrogeno con le molecole d acqua.

La solubilità (s) In generale solo una quantità finita di un solido si scioglie in un dato volume di solvente dando luogo ad una soluzione satura, cioè una soluzione in equilibrio con un eventuale

7 La solubilità (s) In generale solo una quantità finita di un solido si scioglie in un dato volume di solvente dando luogo ad una soluzione satura, cioè una soluzione in equilibrio con un eventuale solido in eccesso. E la quantità massima di soluto che può sciogliersi, ad una data temperatura, in una data quantità di solvente: la soluzione è satura. Una soluzione è insatura quando il solvente è ancora in grado di sciogliere soluto o soluti. Ad esempio la solubilità di NaCl in acqua è di 36 g per 100 ml di acqua a 20 C.

8 CONCENTRAZIONE DELLE SOLUZIONI La concentrazione di una soluzione è una misura della quantità di soluto presente in una data quantità di solvente o di soluzione. La quantità di soluto o di solvente possono essere espresse in numero di moli, massa o volume per cui vi sono diversi modi di esprimere la concentrazione di una soluzione: Molarità M Percentuale in massa (peso) %p Molalità m Frazione molare X

9 Molarità E il numero di moli di soluto presenti in un litro di soluzione: MolaritàM n molidi soluto litridi soluzione Le unità sono mol/litro. Ad esempio una soluzione ottenuta sciogliendo 12 grammi di NaCl in acqua sino ad un volume di 1,0 l ha molarità: n molidi soluto(nacl) g PM NaCl NaCl MolaritàM n molidi soluto litridi soluzione l M

10 Molalità E il numero di moli di soluto per chilo di solvente: Le unità sono mol/kg. Molalitàm n molidi soluto kg di sovente Ad esempio una soluzione ottenuta sciogliendo 0,20 moli di NaCl in 2000 g di acqua ha molalità: Molalitàm 0,20moli 2,0 Kg 0,10mol/Kg 0,10m

11 Frazione molare Per una soluzione fra due componenti A e B la frazione molare di A è definita: x A moli moli di A totali soluzione moli moli di A di A moli di B Ad esempio in una soluzione ottenuta sciogliendo 0,0315 moli di glucosio in 25,2 g di acqua la frazione molare del glucosio è: 25,2 g 0,0315 n H 2O 1,40 mol H 2O x glucosio 0,022 18,0 g/mol 0,0315 1,40 x H 2 O 1,40 0,978 x 1 0,0315 1,40 H 2O x glu cosio

12 Molalità (m) Molarità (M) Calcolare la molarità di una soluzione 0,273 m di KCl in acqua, avente densità 1, g/l. Per 1 Kg di solvente vi sono 0,273 moli di KCl e quindi: molarità massa KCl massa d volume massa volume d 0,273 mol 1,009 l 0,273 mol La massa totale di soluzione è: 1, , g g/l 0,271 M 74,6 g/mol 1,009 l 20,4 g massa tot massa K C l massa H O 1000 g 20,4 g mol 1020 g 1, Nell espressione per il calcolo della molarità c è però il volume in litri della soluzione, calcolabile tramite la densità: Si noti che per soluzioni diluite molarità molalità 3 g

13 Esempi: Calcolare la molarità, la molalità e la frazione molare di soluto per una soluzione acquosa di NaCl al 10% in peso. La densità della soluzione è pari a 1.09 g/cm 3.

14 Esempi: Calcolare la molarità, la molalità e la frazione molare di soluto per una soluzione acquosa di NaCl al 10% in peso. La densità della soluzione è pari a 1.09 g/cm 3. Consideriamo 100 g di soluzione: Soluto NaCl Solvente H2O 10 g 90 g n molidi soluto(nacl) g PM NaCl NaCl Molalitàm n molidi soluto kg solvente m 0.09kg Conoscendo la densità della soluzione posso valutare il suo volume relativo a 100 g. massa g 100g 3 Vsoluzione 91.73cm l 3 densità 1.09g / cm MolaritàM n molidi soluto l di soluzione M l Per valutare le frazioni molari calcolo il numero di moli del solvente: gh 90 n O NaCl n moli di solvente(c) 5 x NaCl 0.03 x H 2 PM 18 n n H 2 O H 2 O NaCl O 0.97

15 Quanti cm 3 di una soluzione 0.5 M di HCl bisogna diluire con acqua per ottenere 1 litro di soluzione 0.12 M 30 cm 3 di una soluzione acquosa 0.2 M di NaCl sono mescolati con 100 cm 3 di una soluzione acquosa 0.05 M di NaCl. Quale è la concentrazione finale della soluzione?

16 Le proprietà colligative delle soluzioni Il solvente, come ogni sostanza pura, possiede delle proprietà fisiche caratteristiche quali la tensione di vapore e la temperatura di ebollizione. L aggiunta di un soluto nel solvente ne modifica le caratteristiche. Soluzione ideale DH soluzione = 0 Solo soluzioni contenenti sostanze strutturalmente simili rispettano questa ipotesi, o se le concentrazioni sono basse. Per le SOLUZIONI IDEALI alcune proprietà delle soluzioni dipendono esclusivamente dalla concentrazione della soluzione, cioè dal numero di particelle di soluto presenti, e non dalla sua natura. Tali proprietà si definiscono proprietà colligative e sono: l abbassamento della tensione di vapore l innalzamento del punto di ebollizione l abbassamento della temperatura di solidificazione la pressione osmotica

17 La tensione di vapore di una soluzione contenente un soluto non volatile è minore di quella del solvente puro: infatti alla superficie della soluzione alcune particelle di solvente sono sostituite da quelle di soluto, che non hanno alcuna tendenza ad evaporare. molecola del solvente molecola del soluto DP P 0 A x B ABBASSAMENTO RELATIVO DELLA P DI VAPORE

Come conseguenza aumenta la Teb della soluzione e diminuisce

18 L aggiunta di un soluto ad un solvente modifica (abbassa) le curve della tensione di vapore. Come conseguenza aumenta la Teb della soluzione e diminuisce la Tf rispetto ai valori del solvente puro Innalzamento ebullioscopico Abbassamento crioscopico

Osmosi L osmosi è un processo che consiste nel passaggio delle molecole del solvente da una soluzione più diluita ad una più concentrata quando tra esse è posta una

19 Osmosi L osmosi è un processo che consiste nel passaggio delle molecole del solvente da una soluzione più diluita ad una più concentrata quando tra esse è posta una particolare membrana, detta membrana semipermeabile, capace di lasciarsi attraversare solo dalle molecole del sovente e non da quelle del soluto. molecola del soluto molecola del solvente

20 solvente puro Pressione osmotica soluzione pressione osmotica (a) (b) P = F/S= mg/s m=vd V=hS P=dgh movimento del solvente Il processo di diluizione tenderebbe a continuare ma si arresta quando il battente di liquido h che si crea del tubo di destra genera una pressione idrostatica pari alla pressione osmotica. La pressione osmotica è quella che si deve applicare per impedire l aumento del volume della soluzione = M R T

Proprietà colligative di soluzioni di elettroliti Per spiegare le proprietà colligative di soluzioni di elettroliti si deve tener conto della concentrazione totale di tutti gli ioni piuttosto che

21 Proprietà colligative di soluzioni di elettroliti Per spiegare le proprietà colligative di soluzioni di elettroliti si deve tener conto della concentrazione totale di tutti gli ioni piuttosto che della concentrazione dell elettrolita. Ad esempio l abbassamento del punto di congelamento di una soluzione di NaCl 0,1 m è (circa) il doppio di quello di una soluzione di glucosio 0,1 m. Ciò perché ogni unità formula NaCl si dissocia in ioni Na + e Cl -, cioè in due particelle che contribuiscono entrambe a tale proprietà colligativa.

22 In generale per le principali proprietà colligative si può scrivere: DT b = i K b m DT f = i K f m = i M R T in cui i è il numero di ioni provenienti da ogni unità formula. NaCl Na + + Cl - i=2 K 2 SO 4 2K + + SO 2-4 i=3 Fe 2 (SO 4 ) 3 2Fe SO 2-4 i=5 Questo è rigorosamente vero solo per soluzioni molto diluite.

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