Concentrazione delle soluzioni, metodi

In questo appunto vengono spiegati i diversi modi per esprimere la concentrazione di una soluzione; iniziamo con una descrizione della natura e dell’importanza biologica delle soluzioni, vedremo poi cosa si intende con il termine concentrazione e in quanti modi questa grandezza si può valutare.

Miscele omogenee: le soluzioni

In natura le sostanze pure sono rare: il carbonio, lo zolfo, alcuni metalli come loro l’argento e il rame, qualche minerale si rinvengono talvolta allo stato puro o con un basso livello di impurezze.

Sottoponendo ad analisi chimica un campione di materia si trova che esso consiste in una miscela di più sostanze: l’aria, l’acqua dei fiumi e del mare, le rocce, i corpi degli organismi viventi, in pratica tutto il mondo fisico consiste in un numero virtualmente infinito di miscele. Le miscele si classificano in eterogenee ed omogenee.
Le miscele eterogenee sono dette anche miscugli e sono formate da componenti ben distinti che presentano differenti proprietà intensive.
Le miscele omogenee sono dette anche soluzioni, mostrano le stesse proprietà intensive in ogni punto, poiché i loro componenti sono distribuiti uniformemente anche a livello microscopico.
Per classificare le miscele ci si può anche avvalere del concetto di fase. Una fase è una porzione omogenea di materia delimitata da superfici ben definite. Una miscela omogenea è costituita da un’unica fase, mentre le miscele eterogeneo sono composte da fasi differenti. Una roccia è un esempio di miscela eterogenea come una miscela di sale e pepe o il legno.
Le soluzioni sono miscele omogenee e in natura sono meno frequenti dei miscugli ma alcune di loro rivestono un’importanza grandissima. L’aria, vitale per tutti gli organismi aerobici, uomo compreso, è una soluzione gassosa di azoto, ossigeno, argon, vapore acqueo, diossido di carbonio e piccole quantità di altri gas.

Per ulteriori approfondimenti sulle miscele vedi qua

Composizione delle soluzioni

La composizione è identica in ogni punto di una data soluzione, ma può essere notevolmente diversa in altre soluzioni dello stesso tipo; i rapporti quantitativi fra le sostanze presenti in determinati tipi di soluzione possono variare in un ampio intervallo. Il vino, per esempio, è una soluzione di acqua, alcol e alcune altre sostanze. La composizione è uguale in ogni campione di un dato vino, ma varia passando da un vino all’altro, come dimostrano il colore, il sapore e l’aroma dei vini. In generale, le proprietà di una soluzione dipendono dal tipo delle sostanze presenti e dai rapporti fra le loro quantità, quindi sono determinate in larga misura dal componente più abbondante. La densità dell’aria, ad esempio, ha un valore molto simile a quella dell’azoto, gas che ne costituisce il 78% in volume.
Le sostanze che si mescolano per dare origine ad una soluzione non reagiscono fra loro e, di conseguenza, mantengono le loro proprietà, come i punti di fusione e di ebollizione, la densità e la reattività chimica. Tuttavia per misurare le proprietà dei singoli componenti di una soluzione è necessario prima separarli gli uni dagli altri.
Il componente principale di una soluzione è detto solvente, mentre il soluto è costituito dalle sostanze meno abbondanti una o più. Pensiamo all’acqua che esce dal rubinetto è una soluzione, il cui solvente è l’acqua pura, mentre il soluto è costituito essenzialmente dai sali disciolti in essa. Quando pensiamo alle soluzioni pensiamo immediatamente allo stato liquidò ma esistono anche soluzioni solide e soluzioni gassose. Le leghe metalliche e l’oro rosso che è formato da oro e rame, sono esempi di soluzioni solide in cui sia il solvente che il soluto si trovano allo stato solido. Le soluzioni gassose sono formate da gas e da liquidi allo stato di vapore, oltre all’aria possiamo citare tra le soluzioni gassose anche il gas naturale che è formato principalmente da metano.
Nelle soluzioni liquide il solvente è liquidò mentre il soluto può essere un solido, un liquidò o un gas. Le soluzioni acquose sono senz’altro le soluzioni liquide più importanti, sia in natura che nell’industria; in acqua sono solubili molte sostanze solide come i sali, diversi liquidi come l’alcol etilico e l’acido solforico e anche i gas come il diossido di carbonio, di zolfo e il cloruro di idrogeno.

Per ulteriori approfondimenti suole soluzioni vedi qua

Natura e importanza delle soluzioni

Riepilogando abbiamo visto che:

• Le soluzioni sono miscele omogenee di due o più sostanze
• Il componente di una soluzione che è presente in maggior quantità si chiama solvente
• Le altre sostanze, una o più, presente in minor quantità, prendono il nome di soluto

Nell’acqua del mare il solvente è l’acqua mentre tutti gli altri componenti sali, gas, sostanze organiche, costituiscono nel loro complesso il soluto.
Le soluzioni fanno parte della nostra esperienza quotidiana:

• l’aria che respiriamo
• l’acqua che beviamo
• la benzina che brucia nel motore delle nostre auto
• il gas naturale impiegato per riscaldare le case

sono tutti esempi di soluzioni.
Spesso le soluzioni vengono prodotte perché le loro proprietà sono più utili di quelle dei loro singoli componenti. In oreficeria si impiegano leghe dell’oro con altri metalli come il rame e l’argento perché sono più dure dell’oro puro e si lavorano più facilmente perché fondono a temperature più basse.
Una proprietà delle soluzioni che riveste importanza pratica consiste nell’avere un punto di congelamento più basso di quello del solvente. Quando si sparge il sale sulle strade per impedire la formazione di ghiaccio si sta sfruttando proprio questa proprietà.
Quando si prepara una soluzione gli atomi, le molecole o gli ioni presenti in essa sono intimamente mescolati e questo facilita le loro reazioni, le particelle che costituiscono le soluzioni liquide o gassose sono infatti in grado di muoversi e di urtarsi tra loro ciò aumenta la velocità con cui essi reagiscono. Le particelle delle soluzioni liquide a stretto contatto e si urtano frequentemente per questo motivo buona parte delle reazioni sfruttate dall'industria chimica si svolgono in fase liquida. Non dimentichiamo infine che la totalità delle reazioni che avvengono negli organismi viventi si svolge in un mezzo acquoso.

Concentrazione di una soluzione e solubilità

La concentrazione di una soluzione indica la quantità di soluto di sciolta in una quantità standard di soluzione ovvero il rapporto tra le quantità di soluto e le quantità di solvente che sono presenti in essa.
La concentrazione è una grandezza intensiva, non dipende dalla quantità di sostanza.
Le proprietà di una soluzione dipendono invece dalla natura del solvente, dalla natura del soluto e dalla concentrazione di quest’ultimo.
Nelle soluzioni soluto e solvente si mescolano a livello particellare in modo omogeneo e così intimo che è praticamente impossibile separarli mediante un processo di filtrazione; se sciogliamo un cucchiaino di zucchero in un bicchier d’acqua non siamo più in grado di distinguere i granelli di zucchero all’interno del bicchiere, abbiamo ottenuto una miscela omogenea, il grado di dolcezza è funzione della concentrazione di zucchero. Possiamo decidere di rendere questa soluzione ancora più dolce aggiungendo altro zucchero, se il gusto non ci piace possiamo aggiungere dell’altra acqua. Aumentando la quantità di soluto la soluzione acquisterà un sapore sempre più dolce viceversa aumentando la quantità di solvente la soluzione sarà via via più insipida; nel primo caso diremo che abbiamo reso la soluzione più concentrata, nel secondo caso l’abbiamo resa più diluita.
Se aggiungiamo troppo zucchero ci accorgiamo però che ad un certo punto questo non riesce più a sciogliersi ma si deposita sul fondo del bicchiere quindi la nostra soluzione diventa satura di zucchero, la soluzione satura presenta un corpo di fondo. Una soluzione contenente una quantità di soluto inferiore alla quantità di saturazione si dice insatura. La solubilità di una sostanza, ovvero la quantità massima di soluto che possiamo sciogliere è funzione anche della temperatura, infatti quando versiamo dello zucchero in acqua se questa è calda lo zucchero si scioglie più rapidamente e ne possiamo anche mettere un po’ di più.
Esistono numerosi modi per esprimere la concentrazione di una soluzione, che dipendono dalle grandezze impiegate per indicare la quantità del soluto e del solvente della soluzione, vediamo i più importanti.

Misure di concentrazioni in percentuale

La percentuale in peso o in massa indica i grammi di soluto disciolte in 100 g di soluzione. Si indica con %

. In formula abbiamo:

Dire che una soluzione ha una concentrazione di glucosio pari al 10,8% significa che per ogni 100 g di soluzione 10,8g sono di glucosio.
Percentuale in volume
La percentuale in volume indica i millilitri di soluto disciolte in 100 ml di soluzione, in formula:

È impiegata soprattutto per esprimere la concentrazione delle soluzioni gassose è di quelle idroalcoliche. La percentuale di un volume di alcol è detta grado alcolico.
Massa di soluto per volume di soluzione
La concentrazione può essere espressa dal rapporto tra la massa di un soluto, espressa in grammi, presente in un certo volume di soluzione e il volume di soluzione in litri:

Un valore di concentrazione pari a 96 g per litro significa che in ogni litro di soluzione sono disciolti 96 g di soluto.

Molarità e molalità

Quando la quantità di soluto è espressa con il numero di moli abbiamo la concentrazione molare è quella molale.
La molarità esprime il rapporto tra il numero di moli del soluto presenti in un litro di soluzione. Si indica con M:

La molarità dipende dalla temperatura perché le variazioni di temperatura influiscono sul volume della soluzione.

La molalità esprime il numero di moli di soluto per kilogrammo di solvente.

Mentre la molarità può variare al variare della temperatura, la molalità rimane uguale. Si pensi ad 1 litro di acqua riscaldato a 25°C. Se la temperatura viene portata a 90°C il suo volume aumenta, anche se di poco, mentre la sua massa rimane invariata.
Per ulteriori approfondimenti sulla molarità e molalità vedi qua

Frazione molare e Normalità

La frazione molare è il rapporto tra il numero di moli del soluto A e il numero totale di moli presenti nella soluzione (quindi moli soluto più moli solvente).

Nelle moli totali sono comprese anche le moli del componente A, la frazione molare è un numero puro senza unità di misura ed è sempre compreso tra zero e uno

Normalità (N)
La normalità indica il numero di equivalenti di soluto

disciolti in un litro di soluzione.