lezione sulle soluzioni

1. Le Soluzioni
Prof. L. Coniglione

2. Una soluzione è una miscela omogenea, del tutto uniforme a
livello macroscopico, di due o più sostanze, e che presenta le
stesse proprietà in ogni parte.
Nelle soluzioni le sostanze
sono completamente e
profondamente mescolate fra
di loro perché scomposte
fino al livello molecolare,
atomico o ionico
Nei miscugli eterogenei le sostanze
componenti rimangono aggregate
in corpi che non hanno raggiunto
un alto grado di suddivisione e
pertanto rimangono individuabili e
distinguibili.
A – Un fascio di
luce attraversa una
soluzione senza
evidenziare alcun
componente
B – I componenti del
miscuglio eterogeneo
(sospensione), anche se
piccoli e invisibili ad occhio
nudo, disperdono il fascio
luminoso rendendolo ben
visibile

3. Le soluzioni sono costituiti
da due fasi:
Solvente
Componente
della
soluzione che
si trova in
proporzione
maggiore
Soluto
Componente
che si trova in
quantità minore
Le sostanze che
si mescolano
possono trovarsi
in diversi stati di
aggregazione

4. Soluzioni costituite da uno stesso solvente e soluto possono
avere composizione diversa a seconda della quantità di soluto e
di solvente presenti.
Per caratterizzare una soluzione è pertanto necessario conoscere
la concentrazione (o titolo), cioè la composizione quantitativa di
una soluzione.
Si può esprimere come:
Percentuale in peso
g di soluto in 100 g di
soluzione
Es. soluzione al 60% in
peso di alcool etilico in
acqua significa che in
100 g di soluzione 60 g
sono di alcool e 40 g di
acqua
Percentuale in
volume
cm3 di soluto in 100
cm3 di soluzione
Si usa quando
solvente e soluto
sono entrambi liquidi
o gassosi
Es. soluzione di
alcool etilico al 60%
in volume significa
che in 100 cm3 di
soluzione 60 cm3
sono di alcool e 40
cm3 di acqua
Percentuale massa
su volume
g di soluto in 100 ml
di soluzione
Es. soluzione al 30%
m/V di solfato rameico
in acqua significa che
in 100 ml di soluzione
30 g sono di solfato
rameico

5. Si può esprimere come:
Molarità (M)
Numero di moli di
soluto in un litro di
soluzione (mol L-1)
Es. soluzione 0,5 M
di NaCl significa che
contiene 0,5 moli di
NaCl in 1 litro di
soluzione
E’ il modo più diffuso
per intendere la
concentrazione.
Quando non si
specifica la modalità
di espressione si
intende la molarità
Molalità (m)
Numero di moli di soluto in un
chilogrammo di solvente (mol kg-1)
Es. soluzione 0,5 m di NaCl significa
che contiene 0,5 moli di NaCl in 1 kg di
solvente
Frazione Molare (xcomponente)
E’ il rapporto fra il numero di moli di quel
componente e il numero totale di moli
presenti (mol kg-1)
Es. soluzione 0,4 frazione molare di alcool
significa che su 10 mol tot 4 mol sono di alcool
e 6 mol di acqua.
X tot = 4 mol alcool + 6 mol H2O= 10 mol
X alcool = n alcool/n tot = 4/10 mol = 0.4 mol
X acqua = n acqua/n tot = 6/10 mol = 0.6 mol

6. Preparazione di una soluzione a concentrazione nota
Il peso molecolare dell’NaOH è 40, pertanto 1 mole pesa 40 g. Una
soluzione 2M corrisponde a 80g/L

7. Un elettrolita è una sostanza che si scioglie in acqua producendo
ioni e formando una soluzione che conduce l’elettricità.
Un non-elettrolita è una sostanza che si scioglie in acqua senza
produrre ioni e forma una soluzione che non conduce
l’elettricità.
Soluzioni acquose ed Elettroliti
NaCl (s)  Na+ (aq) + Cl (aq) Dissociazione
Un elettrolita può essere un composto ionico o molecolare:
HCl (g) + H2O(l)  H3O+ (aq) + Cl (aq) Ionizzazione
Un elettrolita può essere debole o forte
HCl (g) + H2O(l)  H3O+ (aq) + Cl (aq) Elettrolita forte
Un elettrolita forte è presente in soluzione completamente
sotto forma di ioni
Un non-elettrolita è un composto molecolare che non ionizza (H2O)
H2O

8. NH3 (g) + H2O(l)  NH4
+ (aq) + OH (aq)
Elettrolita debole
Un elettrolita debole è solo
parzialmente ionizzato in soluzione


9. Il meccanismo del processo di soluzione,
cioè la separazione delle particelle ed il mescolarsi del soluto
con il solvente, dipende dal tipo di interazione che si
possono stabilire fra soluto e solvente.
Soluzione di un composto ionico in
un solvente polare
Le molecole dell’acqua
si orientano in modo da
presentare l’O verso il
catione e l’H verso
l’anione
Gli ioni vengono circondati dall’acqua e passano in soluzione

10. CRISTALLO IONICO IONI SOLVATATI
NaCl(s)  Na+(aq) + Cl-(aq)
- +
+ -
-
+
+ - +
+ --
+ - +
+ --
-
-
+
+
-
Ad esempio NaCl in acqua:

11. IONI
SOLVATATI
NaCl(s)  Na+(aq) + Cl-(aq)
+
-
Tale fenomeno è detto idratazione e
l’energia elettrostatica di interazione
di uno ione con le molecole di acqua è
detta energia di idratazione.
-La solubilità di un solido ionico in
acqua dipende da un bilancio fra
energia reticolare ed energia di
idratazione.
- l’energia reticolare del solido (somma delle energie di attrazione fra anioni e
cationi): più è grande e minore è la tendenza del solido a sciogliersi
- l’energia di attrazione ione-dipolo fra gli ioni e i dipoli elettrici costituiti dalle
molecole di solvente opportunamente orientati: più è grande maggiore è la tendenza
del solido a sciogliersi

12. Urea
Glucosio
Le molecole dell’acqua si orientano
in modo da formare dei legami
idrogeno o forze di van der Waals
Soluzione in acqua di composti capaci
di formare legami a idrogeno

13. Soluzione di un composto polare
in un solvente polare
Cl-
H+
HCl
H2O

14. Soluzione di un composto non polare
in un solvente non polare
Es. i grassi si sciolgono nella benzina
Le forze che tengono unite le molecole apolari
sono fondamentalmente le Forze di London
Anche nelle soluzioni
tra soluto e solvente
intervengono le forze
di London

15. Velocità del processo di soluzione
Diversi fattori influenzano la
velocità del processo di soluzione
Natura del
solvente e del
soluto
Superficie di contatto fra
soluto e solvente
Temperatura
All’aumentare della
temperatura aumenta
l’agitazione termica
delle molecole (velocità
ed energia cinetica) e
aumenta la velocità di
tutti i processi
Maggiore è la superficie di contatto fra
soluto e solvente tanto più alto è il numero
di molecole di soluto che vengono a
contatto con il solvente in un dato
intervallo di tempo e passano in soluzione.
Un soluto si scioglie in un solvente con dei limiti di concentrazione.
La quantità massima di soluto che si può sciogliere in una quantità
specificata di solvente prende il nome di solubilità. I valori di
solubilità vengono determinati sperimentalmente.
Le molecole del soluto vengono
distribuite per tutta la soluzione e si
favorisce l’operazione di soluzione.
Le molecole del soluto
passano più velocemente in
soluzione con il
mescolamento.

16. Solubilità
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.
La concentrazione del soluto nella soluzione satura è detta
solubilità. Si esprime in: mol dm-3 o g dm-3
Ad esempio la solubilità di NaCl in acqua è di 36 g per 100 ml di
acqua a 20°C.
Equilibrio
dinamico

17. La solubilità di una sostanza in un’altra può
essere spiegata sulla base di due fattori:
1. Una naturale tendenza al disordine (fattore entropico).
E’ praticamente l’unico fattore ad agire nel caso dei
gas (ideali) che sono miscibili in tutte le proporzioni.
2. Forze intermolecolari di attrazione tra le molecole delle
due sostanze (fattore energetico).
La solubilità di un soluto in un solvente dipende da
un bilancio fra questi due fattori.

18. Della temperatura
I soluti solidi generalmente sono più solubili in acqua
calda che in acqua fredda.
Ciò però varia da caso a caso: es maggiore per il KNO3
che per il KCl.
I gas presentano una diminuzione di solubilità
all’aumentare della temperatura.
Es. ossigeno 10mg/L a 20°C e circa 20 mg/L a o°C
La Solubilità è in funzione
- energia reticolare (somma delle energie di attrazione fra
anioni e cationi): più è grande e minore è la tendenza del
solido a sciogliersi
- energia di solvatazione o attrazione ione-dipolo fra ioni e
molecole polari di solvente opportunamente orientati: più è
grande maggiore è la tendenza del solido a sciogliersi - +
+ -
-
+
+ - +
+ --
+ - +
+--
-

20. Della pressione
La pressione ha poco effetto sulla solubilità di
solidi e di liquidi.
E’ invece importante per la
Solubilità dei gas
La solubilità di un gas in un liquido dipende dalla
pressione parziale del gas secondo la legge di
Henry.
La solubilità di un gas è direttamente
proporzionale alla pressione parziale del
gas, P, sopra la soluzione:
s=kHP
La solubilità s è generalmente espressa in grammi
di soluto per litro di soluzione e kH è una costante.

21. Interpretazione molecolare: maggiore è la pressione parziale
del gas e maggiore è il numero di molecole di gas che urtano la
superficie e passano in soluzione

22. Proprietà colligative delle soluzioni
Riguardano le modificazioni delle proprietà della soluzione
rispetto al solvente quando in esso è presente il soluto e
precisamente:
La pressione di vapore o tensione di vapore
La temperatura di congelamento
La temperatura di ebollizione
La pressione osmotica
Abbassamento della pressione
di vapore
Se un soluto non volatile viene sciolto in
un solvente, la pressione di vapore della
soluzione è inferiore a quella del solvente
puro perché diminuisce il numero di
molecole di solvente che può abbandonare
la superficie del liquido

24. Innalzamento ebullioscopico
In conseguenza dell’abbassamento della pressione di vapore a
100°C la soluzione acquosa di un soluto non volatile presenta
una pressione di vapore inferiore a 1 atm.
Per entrare in ebollizione, la soluzione deve essere portata ad
una temperatura superiore a 100°C.

25. Abbassamento
crioscopico
Una soluzione congela ad una
temperatura inferiore a quella del
solvente puro
Nel solvente puro ad un abbassamento di temperatura, fino al punto
di congelamento, corrisponde un’organizzazione delle particelle
secondo un reticolo cristallino
In una soluzione il soluto interferisce nella formazione
della struttura cristallina del solvente. Le particelle del
solvente instaurano interazioni mediamente più deboli,
pertanto il sistema deve perdere una maggiore
quantità di calore perché tali interazioni divengano
sufficientemente forti da formare il reticolo.
Maggiore è la concentrazione più basso è il punto di congelamento

26. pressione
temperatura
LIQUIDO
SOLIDO GAS
0°C 100°C
1,00 atm
soluzione
Temperatura di
congelamento della
soluzione
Temperatura di
ebollizione della
soluzione

27. La pressione osmotica è una proprietà colligativa. Il
fenomeno dell’osmosi è associato all’abbassamento della
tensione di vapore.
Coinvolge membrane semipermeabili, cioè strati sottili e con
fori abbastanza larghi da far passare le molecole di
solvente, ma non di soluto, specie di elevato peso
molecolare.
Pressione osmotica

28. flusso di solvente (osmosi)
Pressione osmotica: pressione che occorre esercitare sulla soluzione,
A, per bloccare il flusso osmotico
Osmosi: flusso di molecole di solvente dal solvente puro alla
soluzione (in generale dalla soluzione meno concentrata a quella più
concentrata)
soluzione solvente
puroA B
Membrana semipermeabile
P

29. All'inizio il livello dei liquidi nei due vasi A e B
è lo stesso; dopo un certo tempo il livello di A
si stabilizza ad h = hA, in B ad h = hB.
Il dislivello Dh = hA - hB corrisponde ad una
pressione idrostatica che è eguale alla
pressione osmotica  della soluzione.
La pressione osmotica è proporzionale
alla concentrazione molare del soluto M

30. Separazione dei componenti di una soluzione
La distillazione e la cristallizzazione sono i due metodi più impiegati
Distillazione
Sfrutta la differente facilità che hanno i
componenti di una soluzione di
passare allo stato di vapore (diverso
grado di volatilità).
La distillazione consiste nel far
avvenire, l’uno di seguito all’altro due
passaggi di stato opposti: ebollizione e
liquefazione.
Il liquido da distillare, messo nel palloncino di vetro, viene portato a
ebollizione.
Il vapore acqueo, costretto a passare per il condensatore, si raffredda e
condensa. Nella soluzione acquosa è il solvente allo stato puro
(distillato) che si raccoglie nel becher, mentre il soluto rimane nel
pallone di vetro.

31. Distillazione frazionata
Quando occorre distillare una
soluzione di più liquidi e averli tutti
allo stato puro.
Si sfrutta la differente temperatura di
ebollizione.
Es.: Si vuole separare dalla soluzione
il metanolo, l’etanolo e l’acqua
Quando la temperatura del liquido nel pallone raggiunge i 64 °C
comincia l’ebollizione e i vapori sono prevalentemente di metanolo
e di etanolo e acqua. Nella colonna di rettifica l’etanolo e l’acqua
condensano e ritornano nel pallone mentre i vapori di metanolo si
avviano al refrigeratore. Quando tutto il metanolo è distillato la
temperatura della soluzione aumenta fino a quando raggiunti i 78°C
il liquido riprende a bollire. I vapori sono prevalentemente di
etanolo ed è questo che raggiunge il refrigeratore … e così via.

32. La soluzione calda filtrata (per rimuovere le
eventuali impurezze) viene fatta raffreddare
lentamente. Poiché la solubilità diminuisce
all’abbassarsi della temperatura, il soluto si
separa sotto forma di cristalli.
La filtrazione consente il
recupero dei cristalli
mentre le impurezze non
riescono a cristallizzare e
rimangono in soluzione
Cromatografia
Il solvente (fase
mobile) trasporta i
componenti del
miscuglio attraverso
un supporto (fase
fissa).
I componenti del
miscuglio si
spostano con
velocità diverse
sul supporto

33. Buon
Lavoro