Solubilità e saturazione: definizione, formule ed esempi

In questo appunto viene analizzata la solubilità, con particolare attenzione al suo calcolo, descrivendo le condizioni di saturazione e riportando le maggiori caratteristiche.

Solubilità: cosa è e da quali fattori dipende

La solubilità rappresenta la massima quantità in grammi di soluto che può essere sciolta in 100 mL di solvente, a una data temperatura e pressione. L’unità di misura è mol/L.
La solubilità, oltre a dipendere dalla natura del soluto e del solvente, varia secondo i fattori di:

• Temperatura
• Pressione

Per ulteriori approfondimenti sulla solubilità vedi qui

Come varia la solubilità a seconda della temperatura

Per considerare la variazione di solubilità in correlazione alla temperatura è necessario distinguere la natura del soluto.
La solubilità di un solido immerso in un liquido generalmente aumenta all’aumentare della temperatura. Esistono grafici, detti curve di saturazione, che esprimono la solubilità di un soluto al variare della temperatura.
Vi sono poche eccezioni, come il solfato di calcio (CaSO4) la cui solubilità rimane costante al variare della temperatura.
La solubilità di un gas in un liquido, al contrario, diminuisce all’aumentare della temperatura.
Per ulteriori approfondimenti sulla dipendenza della solubilità dalla pressione vedi qui

Come varia la solubilità a seconda della pressione

La pressione influenza solamente la solubilità dei gas, dal momento che solidi e liquidi sono praticamente incomprimibili.
Generalmente, la solubilità di un gas aumenta all’aumentare della pressione. Nello specifico, è possibile ricorrere alla legge di Henry: a temperatura costante, la quantità di gas poco solubile disciolta in un dato volume di liquido è proporzionale alla pressione del gas presente nella fase che sovrasta la soluzione. Indicando con c la concentrazione del gas in soluzione, con p la pressione nella fase gassosa sovrastante e k la costante di Henry (dipendente dalla natura chimica del soluto e del solvente), la formula diviene:
c = k x p
Per ulteriori approfondimenti sulla dipendenza della solubilità dalla pressione vedi qui

Saturazione: quando un sistema diventa saturo

Una soluzione è definita satura quando il soluto disciolto e quello indisciolto sono in equilibrio: la velocità con cui le particelle di soluto precipitano per formare il corpo di fondo è bilanciata dalla velocità con cui dal corpo di fondo si formano nuove particelle di soluto.
Una soluzione satura contiene perciò la massima concentrazione di soluto possibile e, quindi, non è possibile aggiungere altro soluto senza che esso precipiti e formi del corpo di fondo. Si è al limite della solubilità.
Se si forma il corpo di fondo, siamo in presenza di una soluzione sovrasatura, in cui sono distinguibili una fase liquida e una fase solida.
Al contrario, quando la concentrazione del soluto è inferiore al limite di solubilità, si tratta di una soluzione insatura.
Per ulteriori approfondimenti sulla saturazione di una soluzione vedi qui

Come si calcola la solubilità: esempi

Per calcolare la solubilità è necessario tener conto della costante di solubilità Kps. La Kps esprime la solubilità di un composto mediante le concentrazioni molari. In particolare, è data dal prodotto delle concentrazioni degli ioni che il soluto forma dissociandosi nella soluzione. Ciascuna concentrazione è elevata a una potenza pari al coefficiente con cui lo ione compare nella reazione.
Per una maggiore comprensione, ecco qualche esempio:
Nel caso di cloruro di argento, il calcolo risulta facile.
AgCl -> Ag+ + Cl-
Kps = [Ag+] x [Cl-]
Dall’equazione di dissoluzione del sale notiamo che per una mole di AgCl che si dissocia, si formano una mole di ioni Ag+ e una mole di ioni Cl-. Se indichiamo con s la solubilità (mol/L) di AgCl, si avrà che s rappresenta anche la concentrazione degli ioni Ag+ e di quelli Cl-.
[Ag+] = s
[Cl-] = s
Perciò:
Kps = s x s = s^2
s = √Kps
Bisogna ricordare che ciò che otteniamo è la solubilità molare, in mol/L. Se vogliamo la solubilità in g/L, basta moltiplicare per la massa molare (g/mol).
Nel caso di fluoruro di bario, il calcolo leggermente più complesso.
BaF2 -> Ba2+ + 2F-
Kps = [Ba2+] x [F-]^2
Dall’equazione di dissoluzione del sale notiamo che per una mole di BaF2 che si dissocia, si formano una mole di ioni Ba+ e due moli di ioni F-. Se indichiamo con s la solubilità (mol/L) di BaF2, si avrà che s rappresenta la concentrazione degli ioni Ba+, mentre quella di F- sarà 2s.
[Ba2+] = s
[F-] = 2s
Perciò:
Kps = s x (2s)^2 = 4s^3
s = ∛(Kps/4)
Anche in questo caso, bisogna ricordare che ciò che otteniamo è la solubilità molare, in mol/L. Se vogliamo la solubilità in g/L, basta moltiplicare per la massa molare (g/mol).

Solubilità: problema risolto

Calcola la Kps di fluoruro di calcio CaF2, avente solubilità s = 0.02 g/L.
Prima di tutto bisogna trasformare la solubilità g/L in solubilità molare mol/L, dividendo per la massa molare (calcolabile mediante la tavola periodica).
MM = 78,1 g/mol
M = 0,02 (g/L) / 78,1 (g/mol) = 2,6 x 10^-4 mol/L
Dopo considero la dissociazione del sale in acqua e la relativa costante di dissociazione.

CaF2 -> Ca2+ + 2F-
Kps = [Ca2+] x [F-]^2
Poiché:
[Ca2+] = s
[F-] = 2s
Allora:
Kps = s x (2s)^2 = 4s^3 = 4 x (2,6 x 10^-4)^3 = 7 x 10^-11