Miscele e soluzioni

UNITA’ DI CONCENTRAZIONE

Concentrazione espressa in unità fisiche

1) Percentuale in massa (%m/m) : esprime la massa di soluto in grammi contenuta in

100g di soluzione

Es. 30 g di soluzione HCl al 10%m7m: 3g di soluto (HCl)+27g di H2O

Quindi la quantità di soluto dipende dalla quantità di soluzione ma il rapporto tra questi nella

soluzione rimane costante

2) Percentuale in volume (%v/v) esprime il volume di soluto in ml contenuto in 100ml

di soluzione

Es. 50 ml di soluzione di acqua ossigenata H2O2 al 3%v7v (detta 3 volumi): 1,5 ml di

soluto H2O2+ 48,5 ml di H2O

Sia la massa che il volume sono grandezze estensive non lo è il loro rapporto

3) Percentuale peso massa/volume (%m/v) esprime la massa di soluto in g contenuto

in 100 ml di soluzione

Es. 200 ml di soluzione di acido solforico H2SO4 al 12%m/v: 24 g di soluto H2O2

contenuti in 200 ml di soluzione

Concentrazione espressa in unità chimiche

1) Frazione molare (xi) esprime il rapporto tra il numero di moli di un componente

(soluto o solvente) e il numero di moli totali presenti in soluzione. Le frazioni

molari assumono valori sempre compresi tra 0 e 1 e la somma delle frazioni

molari di tutti i componenti di una soluzione è sempre uguale a 1

Es. XHCl= 0,34: 34 moli di soluto (HCl)+ 66 moli di H2O

Già vista nella legge di Dalton per le miscele di gas, ove si può applicare la legge

di stato nell’intero o ad ogni singolo componente.

Quindi è anche rapporto tra pressione parziale del componente e la pressione

totale.

Questo concetto non vale solo per le miscele gassose ma anche per le miscele

che rappresentano le soluzioni prev allo stato liquido

Sia a numeratore che a denominatore abbiamo grandezze estensive ma il loro

rapporto è una grandezza intensiva

È un numero puro

2) MOLARITA’ (M) esprime il rapporto tra il numero di moli di soluto ed il volume in

litri di soluzione. Talvolta viene indicata con la formula bruta del soluto racchiusa

tra parentesi quadre (ad esempio [H+])

Es. soluzione di HCl 0,25 M : 0,015 mol di HCl in 60 ml di soluzione

3) MOLALITA’ (m) esprime il rapporto tra il numero di moli di soluto e la massa in

kg di solvente

Es. soluzione di NaOH (idrossido di sodio) 0,10 m:0,020 mol di NaOH in 200 g di

H2O

È un unità di concentrazione quindi intensiva, la massa invece è estensiva.

Mentre il volume si riferisce alla soluzione e il numero di moli si riferisce a tutta la

soluzione, la molalità si riferisce al solvente.

Per passare da molalità a molarità dovremo conoscere la densità!!!!

PRIMO ESERCIZIO:

Suggerimento: considerare il punto di forza della concentrazione e cioè il fatto che si tratta di

grandezze intensive. Partire da una opportuna quantità di soluzione .

La quantità di cio che metto a numeratore e denominatore dipenderà dalla quantità

considerata inizialmente ma il rapporto no.

Nelle soluzioni acquose la maggior parte dei soluti è presente in forma solida; il concetto di

elettrolita fa riferimento ad alcuni tipi di soluti nelle soluzioni acquose, in particolare al

comportamento specifico particolare che hanno questo tipo di soluti quando si trovano in

acqua.

Gli elettroliti sono tutte quelle sostanze che in acqua si dissociano in ioni.

Hanno un comportamento perciò del tutto particolare. Come li classifico?

Sono tre categorie di sostanze chimiche riconducibili ad elettroliti e sono i sali, gli acidi e le

basi. I sali tratta di composti ionici che in acqua si dissociano liberando gli stessi ioni cationi

e anioni che sono presenti nel reticolo del solido. (composti ionici)

Con l'acqua questi sali hanno delle interazioni di natura polare, che prendono il nome di

ione dipolo permanente.

Il sale più conosciuto è il cloruro di sodio, in acqua si scioglie (azione fisica che il soluto fa

nel suo solvente) creando una soluzione acquosa, ma chimicamente avviene una

dissociazione, un unico reagente (cloruro di sodio solido) più prodotti di natura ionica,

catione Na+ e l'anione Cl-.

L'interazione dipolo permanente avviene tra le particelle ioniche del soluto e il dipolo

permanente costituito dall'acqua che è un solvente polare, costituito cioè da molecola

polare.

Nel solido costituito da cloruro di sodio ho particelle ioniche Na+ e Cl-, le stesse particelle

presenti nel reticolo del solido in maniera ordinata e precisa vanno a occupare delle

posizioni ben precise, adesso vanno a costituire la soluzione in cui cationi e anioni vanno a

interagire con le molecole del solvente.

I pallini rappresentano Na+ e l'anione Cl- (più grandi) e vedo che le molecole di acqua

circondano cationi e anioni del reticolo per interagire con essi in un'interazione che ho

definito ione dipolo permanente.

La formazione di questa interazione ione dipolo permanente è il processo col quale il

soluto ionico passa in soluzione, e siccome l'interazione con le molecole del solvente si

chiama generalmente solvatazione . Quando questa solvatazione considera molecole di

acqua si chiama idratazione.

La solvatazione è l'interazione tra le particelle del soluto e quelle del solvente.

Particelle di anioni e cationi circondate da molecole polari che rappresentano il miglior

solvente per questi soluti ionici e che si orientano in modo da porgere più vicino a sé il polo

che è di segno opposto rispetto alla carica dello ione.

Acqua: parte negativa è O

Le linee tratteggiate possono rappresentare se voglio le linee di forza del campo elettrico

prodotto da ciascuna carica Na+ e Cl-. Le molecole di acqua che interagiscono con lo ione si

orientano rispetto alle linee di forza del campo elettrico prodotto da ciascuno ione.

Il meccanismo di dissoluzione del soluto ionico deve vincere delle forze relativamente

elevate (legame ionico) che si stabiliscono tra ioni N+ e Cl- nel reticolo del solido. Per

vincere questi legami bisogna distrarre i cationi e gli anioni coinvolgendo ciascuno di essi in

altre Interazioni che sono comunque deboli.

Come fanno delle interazioni deboli a sopraffare le interazione forte tra Na+ e Cl-? Non è

soltanto questo l'aspetto che giustifica la scelta dell'acqua come miglior solvente per la

dissoluzione di soluti ionici come NaCl. Devo considerare che c'è un altro fattore importante

che permette all'acqua di disgregare il reticolo del cloruro di sodio e far passare in soluzione

acquosa gli ioni. La forza di attrazione che si stabilisce fra cariche di segno opposto è

regolata dalla legge di coulomb e nel vuoto mi dice che questa forza è pari a 1 su 4 pu greco

epsilon 0 per q1 q2 su d al quadrato. Quando queste cariche di segno opposto anziché

essere nel vuoto sono immerse in un dielettrico allora questa forza in realtà si modifica

leggermente e nella costante K aggiungo una costante dielettrica relativa al mezzo epsilon r.

Se ho come nel caso dell'acqua un valore di epsilon r piuttosto elevato (80 per l'acqua)

allora la forza di attrazione tra cariche di segno opposto risulterà diminuita di intensità, 1/80

di quella che ci sarebbe se il cloruro di sodio fosse nel vuoto in questo caso.

Quindi la sinergia tra l'instaurarsi di un interazione ione dipolo permanente e l'elevata

costante epsilon r dell'acqua permettono al solvente acqua di disgregare il reticolo del solido

di cui è costituito il soluto e portare in soluzione il soluto ionico stesso che risulta acquoso

cioè solvatato cioè circondato da un certo numero di molecole d'acqua. Quindi la

solvatazione è un meccanismo con il quale le molecole di soluto vengono circondate da un

certo numero di molecole di solvente e questo crea questa interazione che favorisce la

dissoluzione.

Esempi di dissociazione in acqua di soluti ionici/sali

A sx ho il reticolo a facce centrate caratteristiche del cloruro di sodio.

Nel cloruro di cesio ho Cs+ e Cl- e quando si dissocia ho questi ioni separati. Nel cloruro di

calcio per esempio CaCl2 ho la dissociazione in Ca2+ e 2Cl-

Nel caso del fluoruro di calcio dove nel reticolo ho ioni Ca2+ che sono le sferette rosse e ioni

fluoruro F- che sono le sfere blu.

Quando a seguito della dissoluzione in acqua ho la dissociazione, gli ioni che si formano che

interagiscono con l'acqua nella idratazione sono gli stessi ioni costitutivi del reticolo. Ca+non

esiste ed F2- neanche.

IL calcio è un metallo alcalino terroso del secondo gruppo e quindi raggiunge la massima

stabilità quando perde entrambi gli elettroni così da raggiungere la configurazione del gas

nobile che lo precede nella tavola periodica.

Nel caso dei sali queste dissociazioni sono complete quindi rappresentate da un'unica

freccia verso destra. Scrivere la dissociazione dei sali in acqua con doppia freccia è un

errore grave.

La dissociazione dei sali in acqua è un processo quantitativo, rappresentato solo da un'unica

freccia verso destra.

Soluzioni acquose ed elettroliti

Acidi o basi

Gli acidi e le basi in acqua si dissociano liberando ioni H+ (H3O+ perché come visto in

acqua H+ interagisce con la molecola d'acqua attraverso un'interazione covalente dativo. H+

ha un orbitale 1s vuoto in grado di ospitare una coppia, O ha due coppie non condivise una

delle quali può essere messe in condivisione per formare un legame 2 a 0 cioè un legame

covalente dativo)

Nel caso delle basi in acqua ho la dissociazione con formazione di ioni OH-.

Sotto ho acido cloridrico o cloruro di idrogeno.

Quando è messo in acqua libera ioni H3O+ e Cl- e lo fa come acido forte cioè si dissocia

completamente in acqua.

Idrossido di sodio: anche lui si dissocia completamente in acqua in ioni Na+ e ioni OH-

pertanto è una base forte quindi totalmente dissociata. I sali sono tutti elettroliti forti cioè

totalmente dissociati, gli acidi e le basi sono forti o deboli.

Acidi e basi deboli non sono totalmente dissociati, solo una parte di questi si dissocia

completamente, un'altra parte rimane in forma dissociata. Ciò significa che la dissociazione

non è una trasformazione completa, non è rappresentabile con un'unica freccia ma si tratta

di equilibrio, perciò servono due frecce.

Per ulteriormente classificare questi comportamenti posso introdurre una grandezza che mi

da una chiara definizione dell'entità della dissociazione e si chiama grado di dissociazione.

È un numero puro adimensionale ed è il rapporto tra le moli dell'elettrolita che sono

dissociate e le moli dell'elettrolita iniziali, inizialmente introdotte in soluzione. Va da 0 a 1. Nel

caso di un non elettrolita, cioè di un composto non riconducibile a queste tre classi, le moli

dissociate sono 0 perché solo gli elettroliti si dissociano in acqua e quindi se il nu