Stato liquido e proprietà colligative

Lo stato liquido

• Particelle in continuo movimento (anche se meno dei gas).
• Movimento caratteristico: moto Browniano (a zig-zag).
• Isotropia: stesse proprietà fisiche indipendentemente dalla direzione di misurazione (ecc. cristalli liquidi).
• Fluidità: non hanno forma propria.
• Facile diffusione reciproca: quando due liquidi sono miscibili.
• Liquidi ionici: costituiti da ioni, es. sali allo stato fuso.
• Molecolari semplici: fra le molecole esistono solo forze di van der Waals.
• Con legami a idrogeno fra le molecole.

Soluzioni

Sistemi omogenei a più componenti (solide, liquide o gassose).

Solvente: stesso stato di aggregazione della soluzione, presente in maggior quantità.

• Frazione ponderale: ^g/_g ← massa del componente (percentuale: [x100]) → massa totale.
• Frazione molare: ⁿ/_n ← moli del soluto → moli totali.
• Concentrazione ordinaria: [^g/_g x100] ← massa del soluto → massa del solvente.
• Concentrazione: ^g/_V ← massa del componente → volume totale.
• Molarità [ ]: ⁿ/_V ← moli di soluto → volume totale.
• Molalità: [ⁿ/_g] ← moli di soluto/kg di solvente.
• Per i liquidi: anche c. in volume.

Lo stato liquido

• Particelle in continuo movimento (anche se meno dei gas).
• Movimento caratteristico: moto Browniano (a zig-zag).
• Isotropia: stesse proprietà fisiche indipendentemente dalla direzione di misurazione (ecc. cristalli liquidi).
• Fluidità: non hanno forma propria.
• Facile diffusione reciproca: quando due liquidi sono miscibili.
• Liquidi ionici: costituiti da ioni, es. sali allo stato fuso.
• Semplici: fra le molecole esistono solo forze di van der Waals.
• Molecolari - con legami a idrogeno fra le molecole.

Soluzioni

Sistemi omogenei a più componenti (solide, liquide o gassose).

Solvente: stesso stato di aggregazione della soluzione presente in maggior quantità.

• Frazione ponderale: [^g/_g] ← massa del componente (percentuale: [^x/₁₀₀]) ← massa totale.
• Frazione molare: [ⁿ/_n] ← moli del soluto ← moli totali.
• Concentrazione ordinaria: [^g/_g] •100 ← massa del soluto ← massa del solvente.
• Concentrazione: [^g/_V] ← massa del componente ← volume totale.
• Molarità [_J]: [ⁿ/_V] ← moli di soluto ← volume totale.
• Molalità: [ⁿ/_g] ← moli di soluto/kg di solvente.
• Per i liquidi: anche c. in volume.

Solubilità

Massima concentrazione che una sostanza può raggiungere in un solvente senza che si abbia sospensione di fase.

Se si supera questo valore: parte del soluto è indisciolta, la soluzione si dice satura.

Varia in funzione di temperatura e pressione.

Temperatura

• Soluto gassoso: la diluizione è esotermica => diminuisce all'aumentare della temperatura, si annulla alla temperatura di ebollizione.
• Soluto solido: se la diluizione è endotermica, aumenta con la temperatura.
• Se la dissoluzione è esotermica, diminuisce all'aumentare della temperatura.

Pressione

• Soluto solido: la variazione di volume è trascurabile => influenza modesta.
• Soluto gassoso: la soluzione ha sempre un volume più piccolo di quello complessivo di soluto e solvente => aumenta con la pressione.

Soluzioni poco concentrate, gas che non reagiscono col solvente:

Legge di Henry

A temperatura costante, la solubilità di un gas in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale che il gas esercita nella fase gassosa a contatto con il liquido.

Tensione di vapore

• Molecole sulla superficie: energia cinetica vince le forze attrattive => passano alla fase vapore.
• L'energia cinetica diminuisce => il liquido assorbe energia dall'ambiente.
• L'evaporazione è spontanea ma endotermica => favorita da un aumento di temperatura.
• Con un recipiente chiuso: si stabilisce un equilibrio fra evaporazione e condensazione.

A temperatura costante:

• Costante la concentrazione delle molecole in fase vapore.
• Costante la pressione esercitata da queste (tensione di vapore).

[^{P = A·eQv/RT}]

• Costante.
• Calore latente di vaporizzazione.
• (Qv perché a temperatura T evapori una mol).
• Temperatura assoluta.
• Costante universale dei gas.

Temperatura di ebollizione

La tensione di vapore eguaglia la pressione esterna.

Temperatura normale di ebollizione: P = 1 atm => diminuendo la pressione esterna, diminuisce la T di ebollizione.

Ebollizione: coinvolge tutta la massa del liquido.

Evaporazione: coinvolge solo la superficie.

Proprietà colligative

Dipendono solo dal numero di particelle di soluto presenti nell'unità di volume della soluzione, non dalla loro natura.

Soluzioni ideali: i componenti hanno struttura chimica simile, la formazione della soluzione non è esotermica né endotermica.

Legge di Raoult

P_i = X_i · P_i^*

Non vale per gli elettroliti (reagiscono).

• Tensione di vapore del componente.
• Frazione molare.
• Tensione di vapore del componente puro a quella temperatura.

Per una soluzione binaria:

P = P_A + P_B = X_A · P_A^* + X_B · P_B^* = P_A^* (1 - X_B) + P_B^* · X_B = [P_A^* + (P_B^* - P_A^*)X_B] o viceversa.

La tensione di vapore ha una dipendenza lineare con la frazione molare dei suoi componenti.

Ma se il soluto B non è volatile, la sua tensione di vapore è trascurabile.

P = P_A^* · X_A

P = P_A^* · X_A = P_A^* (1 - X_B)

In presenza di un soluto non volatile, si ha un "abbassamento relativo" della tensione di vapore => ^P⁄_PA^* = 1 - X_B => [^{P - P_A*}⁄_PA^* = X_B = ^n_B⁄_nA+nB]

Crioscopia ed ebulloscopia

Ricordando: P = A·e^Qv/RT

Quando in un solvente si scioglie un soluto non volatile, la tensione di vapore P diminuisce.

A parità di pressione esterna, rispetto al solvente puro:

• La temperatura di ebollizione della soluzione è più alta.
• La temperatura di inizio congelamento è più bassa.

Raoult:

P_A* - P / P_A* = n_B / n_A + n_B n_B trascurabile rispetto ad n_A se la soluzione è diluita.

P_A* - P = P_A* n_B / n_A considerando sempre la stessa quantità di solvente e a temperatura costante, P_A* e n_A sono costanti.

P_A* - P ∝ n_B = molalità della soluzione.

La diminuzione della tensione di vapore è proporzionale all'innalzamento della temperatura di ebollizione e all'abbassamento della temperatura di inizio congelamento.

Legge dell'ebulloscopia, costante ebulloscopica: ΔT_e = K_e · m.

Legge della crioscopia: ΔT_c = K_c · m ↑ costante crioscopica > molalità della soluzione.

Comportamento crioscopico

Solvente puro

Tutto il solvente solidifica a T_c, la temperatura ha quel valore finché tutto il solvente ha solidificato.

T_c: temperatura alla quale liquido e fase solida hanno la stessa tensione di vapore.

Soluzione

A T_c si forma un cristallo di solvente solido. La temperatura diminuisce, si forma altro solvente solido e quindi la soluzione diventa più concentrata.

Temperatura eutettica: il solvente non riesce più a mantenere disciolto il soluto (soluzione satura) => si solidificano sia il solvente che il soluto.