SOLUZIONI e DILUIZIONI Introduzione In chimica viene definita soluzione un sistema in cui due o più sostanze formano un miscuglio omogeneo. Nella maggior parte dei casi una soluzione è costituita da due componenti: Soluto, è il componente che viene sciolto ed è presente in percentuale minore; Solvente, è colui che scioglie il soluto ed è presente in percentuale molto maggiore. Es. L acqua usata per cuocere la pasta è un esempio di soluzione salina, il sale rappresenta il soluto mentre l acqua il solvente; possiamo notare che il solvente (acqua) è presente in quantità molto maggiore rispetto al soluto (sale). A seconda dello stato di aggregazione in cui si trovano soluto e solvente si possono ottenere diversi tipi di soluzione: - Solido disciolto in un liquido (acqua e sale) - Solido disciolto in un gas (anidride carbonica e aria) - Liquido disciolto in un liquido (alcol e acqua) - Solido disciolto in un solido (leghe stagno e rame) - Gas disciolto in un liquido (acqua gassata, anidride carbonica e acqua) Non tutti i soluti sono solubili nei solventi (come nel caso dell acqua e dell olio) e non tutti i miscugli sono soluzioni. Vediamo quali sono le proprietà caratteristiche delle soluzioni: 1. Una soluzione è un miscuglio omogeneo di due o più componenti (soluto e solvente), questi hanno una composizione variabile, ovvero può essere variata entro certi limiti la quantità di soluto e di solvente. 2. In genere una soluzione è limpida e può essere colorata o incolore. 3. Le particelle di soluto sono distribuite in modo omogeneo in tutto il volume della soluzione. Ogni porzione di una soluzione possiede le medesime proprietà chimico-fisiche. 4. Il soluto può essere separato dal solvente con metodi puramente fisici come l evaporazione o la distillazione. 1 Teoria soluzioni e diluizioni Marco Bonechi
Concentrazione delle soluzioni Per concentrazione di una soluzione di intende la quantità di soluto disciolto in una data quantità di solvente o di soluzione. Spesso vengono usati i termini soluzione diluita e soluzione concentrata, per soluzione diluita si intende una soluzione che contiene una quantità molto piccola di soluto, mentre una soluzione concentrata ne contiene una quantità grande. Esistono molti modi di esprimere la concentrazione di una soluzione, questi si dividono in unità fisiche e unità chimiche. Unità fisiche: - Percentuale in peso ( % m/m) - Percentuale in volume (% V/V) - Percentuale peso volume (% m/v) - Parti per milione (ppm o mg/l) - Parti per miliardo (ppb o μg/l) Unità chimiche: - Molarità (M) - Normalità (N) - Molalità (m) Vediamo caso per caso come si esprimo le varie concentrazioni. Percentuale in peso (% m/m) Esprime la massa in grammi di soluto presente in 100g di soluzione. Es. In una bottiglia di acido clorico sta scritto << HCl 15% m/m >> questo significa che su 100 g di soluzione, sono presenti 15g di acido cloridrico. N.B. per grammi di soluzione si intende la somma dei grammi di soluto e quelli di solvente. % m/m = g soluto 5 100 = g soluto 5 100 (g soluto + g solvente) (g soluzione) 2 Teoria soluzioni e diluizioni Marco Bonechi
Percentuale in volume (%V/V) Esprime il volume in ml di soluto contenuti in 100 ml di soluzione. Questo tipo di concentrazione è usato per soluzioni in cui sia il soluto sia il solvente si trovano allo stato liquido. Un esempio è il grado alcolico riportato nelle bottiglie di vino, esso rappresenta i millilitri di alcol puro presenti in 100 ml di vino; se un vino che possiede 11 gradi ( 11% V/V) significa che in 100 ml del vino sono presenti 11 ml di alcol etilico. % V/V = volume di soluto 2 100 (volume totale di soluzione) Percentuale peso volume (% m/v) Esprime la massa in grammi di soluto presente in 100 ml di soluzione. Es. per preparare una soluzione salina a 15% m/v si pesano 15g di cloruro di sodio NaCl si sciolgono in acqua e si porta il volume a 100 ml, così che in 100 ml di soluzione siano presenti 15g del sale. % m/v = g soluto 2 100 m Parti per milione (ppm) (mg/l) Rappresentano i grammi di soluto presenti in 10 6 grammi di soluzione. Facendo due equivalenze ci accorgiamo anche e questa concentrazione corrisponde anche ai mg di soluto presenti in 1Kg di soluzione, pertanto se le soluzioni sono molto diluite (ovvero la loro densità è approssimabile a 100 Kg/m 3, quella dell acqua) le parti per milione sono anche esprimibile come mg di soluto presenti in 1L di soluzione (mg/l). Tale modo di esprimere la concentrazione è molto importante per le normative europee sul controllo delle sostanze dannose, infatti le parti per milione o (mg/l) vengono usate per esprimere la concentrazione dei contaminanti presenti nell aria e nell acqua. ppm = g soluto 2 10 6 = g soluto 2 10 6 ( g soluto + g soluzione ) g soluzione ppm = mg soluto 2 mg/l = mg soluto 2 3 Teoria soluzioni e diluizioni Marco Bonechi
Parti per miliardo (ppb) (μg/l) Sono equivalenti alle parti per milione ma rappresentano i grammi di soluto presenti in 10 9 grammi di soluzione. Essi corrispondono anche ai μg di soluto presenti in 1Kg di soluzione e per soluzioni diluite sono anche i μg di soluto presenti in 1L di soluzione (μg/l). ppb = g soluto 2 10 9 = g soluto 2 10 9 ( g soluto + g soluzione ) g soluzione ppm = μg soluto 2 mg/l = μg soluto 2 Molarità (M) Esprime il numero di moli di soluto contenute in 1L di soluzione, questa è uno dei tipi di concentrazione più usati in chimica. Es. Per svolgere un esperimento chimico si necessita di idrossido di sodio (NaOH) 0,1M, ciò significa che in 1L di soluzione sono contenute 0,1 moli di NaOH. M = moli di soluto 2 Litri soluzione Normalità (N) Esprime il numero di equivalenti di soluto contenuti in un litro di soluzione. E utilizzata soprattutto nelle determinazioni volumetriche perché i procedimenti di calcolo risultano semplificati. N = eq. Soluto 2 Per capire in cosa consista la normalità dobbiamo comprendere il concetto di equivalenti. Gli equivalenti corrispondono al numero di moli divise per la valenza operativa (V.O. un numero che vedremo tra poco come assegnare) eq = moli 2 V.O. 4 Teoria soluzioni e diluizioni Marco Bonechi
Per fare certi tipi di calcoli è opportuno sapere che gli equivalenti sono anche uguali ai grammi di una sostanza diviso il peso equivalente, il peso equivalente (P.E) si trova dividendo la massa molare per la valenza operativa. eq = g 2 P.E = MM 2 P.E V.O. Calcolo della valenza operativa (dipende dalla sostanza che stiamo utilizzando) Acidi : corrisponde al numero di H + rilasciati es. HCl (VO = 1) H 2 SO 4 (VO = 2) Basi : corrisponde al numero di OH - rilasciati es. NaOH (VO = 1) Ca(OH) 2 (VO = 2) Sali : numero di cariche positive o negative rilasciate es. NaCl (VO = 1) Na 2 SO 4 (VO = 2) Reazioni redox : nelle reazioni di ossido riduzione la valenza operativa corrisponde al numero di elettroni persi o acquistati (alla variazione del numero di ossidazione dell elemento) Es. Se il cromo si riduce da numero di ossidazione 6+ a numero di ossidazione 3+, la valenza operativa vale 3. Molalità (m) Esprime le moli di soluto presenti in 1 Kg di soluzione. Viene molto usata nelle proprietà colligative delle soluzioni, per il calcolo dell innalzamento ebullioscopico e per l abbassamento crioscopico. m = moli soluto 2 DILUIZIONI Operare una diluizione significa aggiungere ulteriore solvente ad una soluzione così che la concentrazione della soluzione diminuisca. Infatti, le soluzioni di alcuni reattivi che si trovano in commercio possiedono una concentrazione troppo elevata, quindi prima di usarle è opportuno ricavare soluzioni più diluite. Il presupposto da cui partire per eseguire gli esercizi sulle diluizione è che diluendo una sostanza cambia il volume della soluzione ma rimane invariato il numero delle moli. Una formula che è molto utile è la seguente: C 1 V 1 = C 2 V 2 (C 1 = concentrazione soluzione 1; C 2 = concentrazione soluzione 2) soluzione1 soluzione concentrata ( V 1 = volume soluzione 1 ; V 2 = volume soluzione 2) soluzione2 soluzione diluita 5 Teoria soluzioni e diluizioni Marco Bonechi