Molarità e molalità

In questo appunto vengono affrontati i concetti relativi alle miscele e soluzioni, andando ad introdurre i concetti fondamenti di diluizione, molarità, molalità, essenziali nella chimica delle soluzioni chimiche.

Miscele e soluzioni

La maggior parte di solidi, liquidi e gas sono miscele di sostanze, non sono formate da una sola specie chimica, ma da un insieme di specie chimiche differenti tra di loro, le quali si combinano per andare a realizzare un composto nuovo.
Quando una sostanza è costituita da una sola specie chimica prende il nome di sostanza pura.
Le miscele possono essere definite come miscele eterogenee o miscele omogenee.

Nello specifico le miscele eterogenee sono formate da composti che sono distinguibili ad occhio nudo o con l’aiuto di un microscopio. Ad esempio il latte, visto al microscopio, risulta costituito da minuscole goccioline di grasso. Questo è un esempio all'ordine del giorno.
Invece, nello specifico le miscele omogenee sono formate da componenti che non sono distinguibili neppure osservandole con un microscopio. Un esempio pratico è ad esempio lo sciroppo.

Solvente e il soluto

Le miscele omogenee si possono definire come soluzioni, esse sono costituite da un componente presente in maggiore quantità che prende il nome di solvente e uno in quantità minore che prende il nome di soluto. Spesso il solvente è l’acqua che, grazie alla capacità di sciogliere moltissimi soluti, è detta solvente universale.
Ad esempio, se sciogliamo dello zucchero in un bicchiere d’acqua otteniamo una soluzione in cui lo zucchero rappresenta il soluto, l’acqua il solvente e nell’insieme formano la soluzione.
Le soluzioni possono essere formate da sostanze che possono trovarsi in stati diversi di aggregazione, in base a ciò le soluzioni possono essere distinte come riportate qui di seguito:

• Una soluzione di un solido in un liquido, ad esempio lo zucchero sciolto in acqua;
• Una soluzione di un liquido in un altro liquido, ad esempio il brandy formato da acqua ed alcool;
• Una soluzione di un gas in un liquido, ad esempio le acque gassate in cui un gas, come l’anidride carbonica, viene sciolto nell’acqua che è liquida;
• Una soluzione di un gas in un altro gas, prendono il nome di soluzioni gassose, ad esempio l’aria che è formata da ossigeno, azoto, argon ed elio;
• Una soluzione di un solido in un altro solido, prendono il nome di soluzioni solide, ad esempio le leghe metalliche sono formate da più metalli, come il bronzo che è formato da rame e stagno.

Esistono poi i cosiddetti colloidi che sono miscele in cui sono sospese particelle “voluminose” con diametro compreso tra 1 e 10 nm, per questo considerati “pseudo-soluzioni”. Si possono distinguere dalle soluzioni vere grazie all’effetto Tyndall che consiste nel far attraversare il colloide da un fascio di luce e osservare perpendicolarmente alla direzione del raggio. Le voluminose particelle lo disperdono rendendolo visibile all’osservatore come una nebbiolina debolmente luminosa.

La concentrazione

Prima di iniziare a parlare di concentrazione, è necessario andare a richiamare il concetto di mole (n). Si ricorda che la mole (n) è la quantità di sostanza che contiene un numero ben definito di particelle e questo numero è il numero di Avogadro (Na) ovvero pari alla seguente costante:

Per calcolare il numero di moli si usa la seguente formula che viene riportata qui di seguito:

Dove m è la massa del campione in grammi.
MM la massa molare e si riferisce al peso atomico, molecolare espresso in g/moli, o meglio definito come uma (unità di massa atomica).

Solubilità

Due o più soluzioni formate dallo stesso solvente e dallo stesso soluto possono differire per le quantità di soluto e solvente, quindi esse avranno una diversa concentrazione che è la composizione quantitativa di una soluzione. Esiste però una quantità massima al di sopra della quale non si può sciogliere altro soluto, quando accade ciò si dice che la soluzione è satura. Qui si introduce proprio il concetto di solubilità di una soluzione. Ad esempio la solubilità del cloruro di sodio a 25°C, in acqua è uguale a 36,2 grammi ogni 100 grammi di acqua, a tale temperatura e nella suddetta quantità di acqua non è possibile sciogliere ulteriore cloruro di sodio.

Una definizione più formale di solubilità è la seguente: la solubilità non è altro che la massima quantità di soluto in grado di sciogliersi in una determinata quantità di solvente ad una determinata temperatura.

La molarità

La molarità, anche definita come concentrazione molare, è il numero di moli di soluto presenti in una soluzione.
E' espressa in formula dalla seguente relazione riportata:

Dove V indica il volume della soluzione.
Dove n il numero di moli di soluto.
DoveM rappresenta la molarità.

La molarità si esprime in mol/L.
Quindi si può concludere che:

Una soluzione 1M è una soluzione la cui molarità è M=1mol/L, cioè he contiene una mole di soluto per ogni litro.

Invertendo la relazione seguente:

Si procede e si ricava il numero di moli di soluto presente in una soluzione (con molarità nota).
Quindi si conclude che deve risultare:

Molarità e diluizioni

Per preparare una soluzione per diluizione, si procede andando a prelevare il volume da una soluzione concentrata e si aggiunge una quantità di solvente, fino a raggiungere il livello desiderato. Si conclude però che ilnumero di moli deve rimanere sempre uguale.
Da quanto detto allora si concludere che:

Da cui allora si conclude che:

Dove

è molarità della soluzione concentrata (mol/L)
Dove

è volume della soluzione concentrata (L)
Dove

è molarità della soluzione diluita (mol/L)
Dove

è volume della soluzione diluita

La molalità

La molalità (indicata con m), anche detta concentrazione molale, esprime il numero di moli di soluto presente in una soluzione per ogni kilogrammo di solvente puro. Dalla definizione si può comprendere come sia possibile andare a ricavare la legge matematica che ci permette di andare ad individuare la molalità di una soluzione. Da cui la molalità si può calcolare così come segue:

Dove m è la molalità della soluzione.
Dove

è la massa del solvente.
Dove n è il numero di moli di soluto

La molalità si misura in mol/kg. Da qui allora si può concludere che:

Una soluzione di una molalità (1m) è una soluzione la cui molalità è proprio pari a :

Da qui allora si può concludere che la soluzione contiene una mole di soluto per ogni kilogrammo di solvente.