• Solvente e soluto

• Concentrazione e modi di esprimerla

• Solubilità (solidi, liquidi e gas)

SSoluzioni e oluzioni e proprietà proprietà colligativecolligative

Una soluzione è una miscela omogenea di più composti chimici

SOLUZIONI GASSOSE: le miscele gassose sono sempre omogenee e quindi formano sempre una soluzione

SOLUZIONISOLUZIONI

SOLUZIONI LIQUIDE: si possono formare sciogliendo in un liquido, chiamato solvente, gas, solidi o altri liquidi.

SOLUZIONI SOLIDE: sono abbastanza comuni: per esempio le leghe metalliche sono una miscela omogenea solida di più metalli.Ottone (Cu-Zn)Bronzo (Cu-Sn)Acciaio (Fe-C) Inox (Fe-Cr-C)

Soluzioni

• Le soluzioni sono miscele omogenee di una sostanza, il soluto, in un'altra, il solvente

• I chimici fanno avvenire la maggiore parte delle loro reazioni in soluzione perché in questo modo i reagenti sono mobili e possono entrare in contatto e reagire

Solvente: Componente predominanteSolvente: Componente predominante

Soluti: Componenti presenti in quantità minori Soluti: Componenti presenti in quantità minori

SolventeSolvente

Soluto BSoluto B

Soluto CSoluto C

Soluto ASoluto A

Misura della concentrazione

• Quando effettuiamo calcoli stechiometrici riguardanti reazioni che avvengono in soluzione, dobbiamo conoscere quante moli di un soluto sono presenti in un dato volume.

Percento in pesoPercento in peso

Dire che una soluzione acquosa di NaCl è al 2% in peso significache in 100 g della soluzione ci sono 2 g di NaCl (e 98 di acqua).

NaCl al 2% (p/p)

2 g NaCl2 g NaCl++

98 g H98 g H22OO

La soluzione fisiologica di NaCl ha una concentrazione dello 0.9% in peso.Questo significa che in 1 kg di soluzione sono contenuti 9 g di NaCl.

NaCl allo 0.9% (p/p)NaCl allo 0.9% (p/p)

0,9 g NaCl0,9 g NaCl++

99,1 g H99,1 g H22OO

Percento in pesoPercento in peso

In 1 kg di una soluzione acquosa di saccarosio al 10% sono contenuti100 g di saccarosio.

Saccarosio al 10% (p/p)Saccarosio al 10% (p/p)

Percento in pesoPercento in peso

10 g saccarosio10 g saccarosio++

90 g H90 g H22OO

Frazione molareFrazione molarePer una soluzione costituita di Per una soluzione costituita di nnaa moli di A, moli di A, nnbb moli moli

di B, di B, nncc moli di C, moli di C, ……, , nnzz moli di Z, si definisce moli di Z, si definisce

frazione molare di un componente il rapporto fra il frazione molare di un componente il rapporto fra il numero di moli di quel componente ed il numero numero di moli di quel componente ed il numero totale di moli presenti nella miscelatotale di moli presenti nella miscela

Frazione molare di A =Frazione molare di A = x xaa = = nnaa

nnaa + n + nbb + n + ncc + ,,, + n + ,,, + nzz

La somma delle frazioni molari è uguale a 1

Frazione molareFrazione molare(esempio)(esempio)

Una soluzione è costituita da 36 g di acqua e 64 g di metanoloUna soluzione è costituita da 36 g di acqua e 64 g di metanolo

a) 36 g di acqua (PM 18) corrispondono a 2 moli2 moli di acqua

b) 64 g di metanolometanolo (PM 32) corrispondono a 2 moli2 moli dell’alcole

La frazione molare dell’acqua si calcola come segue:

xx ==22

22 + + 22 = 0.5= 0.5

HH22OO

Frazione molareFrazione molare(esempio)(esempio)

Una soluzione è costituita da 18 g di glucosio e 18 g di fruttosiodissolti in 1800 g di acqua.Una soluzione è costituita da 18 g di glucosio e 18 g di fruttosiodissolti in 1800 g di acqua.

a) 18 g di glucosio (PM 180) corrispondono a 0.1 moli0.1 moli dello zucchero

b) 18 g di fruttosiofruttosio (PM 180) corrispondono a 0.1 moli0.1 moli dello zucchero

b) 1800 g di acquaacqua (PM 18) corrispondono a 100 moli100 moli di acqua

La frazione molare del glucosio si calcola come segue:

xglucosio =0.10.1

0.1 + 0.1 + 0.10.1 + + 100100= 0.000998= 0.000998

MolaritàMolarità

M = N. moli di soluto

Volume di soluzione

Dire che una soluzione di glucosio è 1M significa chein un litro di soluzione è dissolta una mole di glucosio.

Glucosio C6H12O6

PM glucosio : 6 x 12.0112 + 12 x 1.008 + 6 x 15,994 =

180.1272

In 1 litro di soluzione sono disciolti 180,1272 g di glucosio

1 litro1 litro

GlucosioGlucosio180.1272 g180.1272 g

MolaritàMolarità

Soluzione 1M Soluzione 1M di glucosiodi glucosio

NormalitàNormalità

N = N. equivalenti di soluto

Volume di soluzione

HCl + NaOH NaCl + H2O

H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2H2O

H3PO4 + 3 NaOH Na3PO4 + 3H2O

Nella reazione con idrossido di sodioNella reazione con idrossido di sodio·1 mole di H1 mole di H22SOSO4 4 è equivalente a 2 moli di HClè equivalente a 2 moli di HCl

·1 mole di H1 mole di H33POPO4 4 è equivalente a 3 moli di HClè equivalente a 3 moli di HCl

HCl + NaOH NaCl + H2O

H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2H2O

H3PO4 + 3 NaOH Na3PO4 + 3H2O

1 mole di H1 mole di H22SOSO4 4 contiene contiene

2 equivalenti dell’acido2 equivalenti dell’acido

1 mole di H1 mole di H33POPO4 4 contienecontiene

3 equivalenti dell’acido3 equivalenti dell’acido

HCl + NaOH NaCl + H2O

H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2H2O

H3PO4 + 3 NaOH Na3PO4 + 3H2O

HH22SOSO44 PM = 98 PM = 98

PE = 49PE = 49

HH33POPO44 PM = 98 PM = 98

PE = 32,66PE = 32,66

HCl HCl PM = PE = 36.5 PM = PE = 36.5

Dire che una soluzione di acido solforico è 1N significa chein un litro di soluzione è dissolto un equivalente dell’acido.

Acido solforico H2SO4

PM H2SO4 : 2 x 1.008 + 1 x 32,064 + 4 x 15,994 =

98.056

In 1 litro di soluzione 1 N sono disciolti In 1 litro di soluzione 1 N sono disciolti 49.028 g di acido solforico.49.028 g di acido solforico.In 1 litro di soluzione 1 N sono disciolti In 1 litro di soluzione 1 N sono disciolti 49.028 g di acido solforico.49.028 g di acido solforico.

Essendo per H2SO4 : PE = 1/2 PM ….

1 litro1 litro

49.028 g

HH22SOSO44

Soluzione 1 N (Soluzione 1 N ( 0.5 M) 0.5 M)

molalitàmolalità

m = N. moli di soluto

Massa di solvente*

* espressa in chilogrammi

Dire che una soluzione acquosa di glucosio è 1 molale1 molale significa che in 1 kg di acqua è dissolta una molein 1 kg di acqua è dissolta una mole di glucosio.

Glucosio C6H12O6

PM glucosio : 6 x 12.0112 + 12 x 1.008 + 6 x 15,994 =

180.1272

Per preparare una soluzione acquosa 1 m di glucosio1 mole (180,1272 g) di glucosio viene dissolta con 1 kg di acqua

Importanza della quantità del soluto – Per concentrazione molare o molarità: il numero di moli di

soluto per litro di soluzione

– L'unità della concentrazione molare è moli per litro (mol/L), scritta M; per basse concentrazioni è spesso conveniente usare il sottomultiplo 1 mM= l0-3 M

• La concentrazione in massa di una soluzione è la massa del soluto per litro di soluzione, es g/l

Importanza del numero delle molecole

• La frazione molare – rapporto tra il numero di moli di molecole di un certo

tipo e il numero totale di moli di molecole presenti

• la molalità della soluzione – il numero di moli di soluto per chilogrammo di

solvente

• la parte per milione (ppm)– il numero di particelle di soluto presenti in 1 milione

di molecole di soluzione

CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONECONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE

Frazione molare:Frazione molare:

MolalitMolalità:à:

MolaritMolarità:à:

tot

ii n

nX

Q

nm i

i ; Q = kg di solvente

V

nM i

i ; V = L di soluzione

Percento in pesoPercento in peso

• L’acido solforico (H2SO4) concentrato è al 87.7 % p/p, la sua densità è di 1,800 kg/Litro.

• Quale è la sua concentrazione molare?

• 877 g/kg X 1.8 kg/L = 1578.6 g/L

• 1578.6 g/L / 98 mol/g = 16.1 mol/L

Soluzioni acquoseL’acqua è il solvente più comune. Ha caratteristiche uniche

•dipolo con alta costante dielettrica •Forma quattro legami H.

Il ghiaccio è meno denso dell’acquaÈ molto coesivascioglie le sostanze ionicheScoglie le sostanze polariRepelle le sostanze non polari Scambia protoni

Elettroliti e non-elettroliti • le sostanze che si sciolgono per dare

soluzioni di ioni (per esempio cloruro di sodio) e che conducono elettricità sono dette elettroliti. Invece le sostanze le cui soluzioni non conducono l'elettricità perché‚ il soluto rimane allo stato molecolare (glucosio ed etanolo) sono

dette non elettroliti.

Solubilità

Saturazione e solubilità

• quando il solvente ha dissolto tutto il soluto possibile ed una parte resta non disciolta la soluzione è detta satura

• una soluzione satura è una soluzione in cui il soluto disciolto è in equilibrio dinamico con quello indisciolto

• Una soluzione satura rappresenta il limite della capacità del soluto a sciogliersi in una data quantità di solvente, è quindi una misura naturale della solubilità del soluto

• dipendono dalla natura del solvente, dalla temperatura e, per i gas, dalla pressione

Dipendenza della solubilità dal soluto • Data, ad esempio, la loro notevole solubilità, molti nitrati

si ritrovano raramente nei depositi minerali. • La bassa solubilità di molti fosfati è un vantaggio per lo

scheletro degli animali e dell'uomo dato che le ossa sono in gran parte costituite da fosfato di calcio

• gli idrogeno-fosfati sono più solubili dei fosfati

• gli idrogeno-carbonati (bicarbonati, HCO3-) sono più

solubili dei carbonati. L’anidride carbonica si scioglie nell’acqua,

e solubilizza i carbonati,

questi vengono poi rilasciati

Dipendenza della solubilità dalla natura del solvente • la dipendenza della solubilità di una

sostanza dalla natura chimica del solvente può essere riassunta con la regola che “il simile scioglie il simile”

• un liquido polare come l'acqua è un solvente molto migliore di uno apolare (tipo il benzene) per composti ionici e polari

• liquidi non polari quali benzene e tetracloroetilene (C2Cl4) sono solventi migliori per i composti apolari

Effetto della pressione sulla solubilità dei gas

• la solubilità dipende dalla pressione esercitata sulla soluzione; la massima dipendenza è dimostrata dai gas, che sono più solubili a pressioni più elevate

• Legge di Henry (1801): la solubilità di un gas in un liquido è proporzionale alla pressione parziale del gas

• P è la pressione parziale del gas e kH, nota come costante di Henry, dipende dalla natura

del gas, del solvente e dalla temperatura

Effetto della temperatura sulla solubilità

Tutti i gas hanno solubilità minore all'aumentare della temperatura

la maggior parte dei solidi sono più solubili in acqua calda che in acqua fredda, ma in maniera variabile, es.

Nell’intervallo 0°C - 100°C la solubilità di • Cloruro di sodio aumenta 0.1 volte• Nitrato di argento di 7 volte• Solfato di litio diminuisce di 0.1 volte• Solfato di sodio ha un massimo a 32°C

temperatura e solubilità

Contributi all'entalpia di soluzione

• alcuni solidi si sciolgano esotermicamente (ad esempio MgCl2) ed altri endotermicamente (K2SO4)

• il processo di dissoluzione avviene in due stadi: rottura del solido e l'interazione degli ioni o delle molecole del solido con quelle del solvente.

• Corrispondono a entalpia reticolare (endotermico) entalpia di idratazione (esotermico), rispettivamente

Contributi all'entalpia di soluzione

Soluzione di NaCl: debolmente endotermica

Entalpia di soluzione (Hsol)

• Una sostanza che si scioglie endotermicamente è più solubile all’aumentare della temperatura.

• Una sostanza che si scioglie esotermicamente è meno solubile all’aumentare della temperatura.

• Normalmente il processo di dissoluzione avviene a pressione costante, quindi il calore prodotto o assorbito è equivalente ad una variazione di entalpia, detta Entalpia di soluzione, Hsol, espressa in Kjoule/mole.

Entalpie di idratazione dei singoli ioni • sono più esotermiche per gli ioni con maggiore carica• per ioni di uguale carica, sono più esotermici i valori delle

entalpie di idratazione degli ioni con raggio minore:

Proprietà Colligative

• Diagramma dell’acqua e delle soluzioni

• Ebullioscopico e crioscopico

• Tensione di vapore

• Pressione osmotica

Proprietà colligative • Una proprietà colligativa è una

proprietà che dipende solo dal numero delle particelle del soluto presenti nella soluzione e non dalla loro natura chimica

• i cationi e gli anioni in una soluzione di elettroliti contribuiscono separatamente a tale proprietà

pre

ssio

ne

temperatura

LIQUIDO

SOLIDOGAS

0°C 100°C

1,00 atm

soluzione

Temperatura di congelamento della soluzione

Temperatura di ebollizione della soluzione

Abbassamento della tensione di vapore

• legge di Raoult: la tensione di vapore di una soluzione di un soluto non volatile è proporzionale alla frazione molare del solvente nella soluzione

• il soluto occupa una parte della superficie della soluzione, riducendo cosi la velocità con la quale le

molecole lasciano quest'ultima

Proprietà delle soluzioni ideali:

abbassamento della pressione parziale di vapore Pi = Pi° Xi

innalzamento della temperatura di ebollizione Teb = keb mi

abbassamento della temperatura di congelamento Tcr = - kcr mi

keb kcr

Benzene C6H6 2,53 4,9Etere dietilico C4H10O 2,02 1,8Alcool etilico C2H6O 1,22 1,9Acqua H2O 0,512 1,86

Innalzamento del punto di ebollizione

• . L'innalzamento del punto di ebollizione è proporzionale alla molalità m della soluzione

• dove kb è la costante ebulloscopica del solvente• Considerare la molalità in termini di ioni, non di formula

per i composti ionici

Abbassamento del punto di congelamento

• Un soluto diminuisce il punto di congelamento (o di solidificazione) di una soluzione: abbassamento crioscopico

• Quando à presente un soluto, un numero minore di molecole del solvente è in contatto con la superficie del solido perché‚ alcune delle posizioni che occupavano sono ora occupate dalle particelle del soluto

• La diminuzione del punto di congelamento di una soluzione ideale è proporzionale alla molalità

• dove kf è la costante crioscopica del solvente

Osmosi

• L'osmosi è il passaggio di un solvente

attraverso una

membrana semipermeabile • La pressione necessaria per arrestare il flusso

del solvente è detta pressione osmotica • Il soluto ha un effetto sulla velocità con cui le

molecole del solvente passano attraverso la membrana da ciascun lato. La velocità è minore dal lato della soluzione perché‚ sebbene lo stesso numero di molecole prema sulla membrana, solo quelle del solvente possono attraversarla

solvente con soluto

solvente puro

flusso di solvente(osmosi)

membrana semipermeabile(fa passare solo il solvente)

AA BB

Pressione osmoticaPressione osmotica =pressione che occorre esercitare su A per bloccare il flusso osmotico

OSMOSIOSMOSIOSMOSIOSMOSI

H2OSoluzioneacquosa

PP

PRESSIONE OSMOTICAPRESSIONE OSMOTICAPRESSIONE OSMOTICAPRESSIONE OSMOTICA

H2OSoluzioneacquosa

= = CC xx R R xx T T = = CC xx R R xx T T

La pressione osmotica equivale alla pressione che occorre La pressione osmotica equivale alla pressione che occorre esercitare per contrastare il passaggio di solvente dal comparto esercitare per contrastare il passaggio di solvente dal comparto di destra al comparto di sinistradi destra al comparto di sinistra

Si può sperimentalmenteSi può sperimentalmenteosservare cheosservare che

CC

Na+Na+

Cl-Cl-

NaNaClCl + H + H22OONaNaClCl + H + H22OO

O

O

HH22OOHH22OO

NaNa33POPO44NaNa33POPO44

Na+

Na+

Na+

PO43-

ttcrcr = K = Kcr cr • 0.1• 0.1

ttebeb = K = Keb eb • 0.1 • 0.1

= 0.1 • 0.0821 • 298= C • R • T

a) glucosioa) glucosio

b) NaClb) NaCl

c) Nac) Na33POPO44

ELETTROLITIELETTROLITI

NON ELETTROLITANON ELETTROLITA

= 0.1 • 0.0821 • 298= i • C • R • T

ttebeb = K = Keb eb • • i • mmttcrcr = K = Kcr cr • • i • mm

Soluzioni 0.1 m di :

Calcolo pressione osmotica

x V = n R T

• Dove n = numero delle particelle in soluzione, espresso in moli.

• Per non elettroliti n = moli

• Per elettroliti bisogna tener conto della dissociazione (Es. per NaCl n=moli x 2)

Osmometria

• La pressione osmotica, come le altre proprietà colligative, può essere usata per determinare i pesi molecolari, ed è la più sensibile

• Le membrane cellulari agiscono come membrane semipermeabili che possono essere attraversate dal l'acqua, da piccole molecole e da ioni idratati, mentre bloccano il passaggio delle proteine sintetizzate all'interno delle cellule stesse