Esame chimica generale

Soluzioni ideali e proprietà colligative

Soluzione ideale

Una soluzione può essere considerata ideale se:

• Le interazioni fra le molecole di soluto e solvente puri sono paragonabili a quelle fra soluto e solvente: non si ha quindi sviluppo o assorbimento di energia (ΔH = 0), la reazione non è né esotermica né endotermica.
• Le soluzioni reali approssimano bene il modello ideale quando sono diluite e formate da soluti non volatili.

Prenderemo in considerazione due tipi di soluzioni:

1. Soluzione ideale formata da un solvente liquido volatile e da un soluto solido non volatile.
2. Soluzione formata da soluto e solvente liquidi volatili.

(1) Soluzione ideale formata da solvente liquido volatile e soluto solido non volatile

Per soluzioni di questo tipo si osserva un abbassamento della pressione di vapore e un innalzamento del punto di ebollizione e un abbassamento del punto di congelamento (punto crioscopico). Queste proprietà sono definite proprietà colligative, le quali dipendono esclusivamente dal numero di particelle di soluto disciolto (non dalla natura del soluto).

Proprietà colligative

• Abbassamento della pressione di vapore.
• Innalzamento del punto di ebollizione.
• Abbassamento del punto di congelamento.
• Pressione osmotica.

Le proprietà colligative le sfrutta il liquido antigelo.

Abbassamento della pressione di vapore

La pressione di vapore rappresenta la pressione che il vapore in equilibrio con il liquido esercita sul liquido stesso. Se la pressione di vapore della soluzione risulta essere più bassa rispetto a quella del solvente puro, allora la temperatura di ebollizione della soluzione sarà maggiore rispetto alla temperatura di ebollizione del solvente puro, mentre la temperatura di congelamento sarà minore. La k dipende dal solvente, ognuno ha la sua. Si usa la molalità in quanto è indipendente dal volume, quindi dalla temperatura, a differenza della molarità.

Pressione osmotica

L'osmosi consiste nel passaggio di molecole di solvente attraverso una membrana semipermeabile (non permeabile alle molecole di soluto) da una soluzione più diluita ad una più concentrata. Si raggiunge un equilibrio quando la pressione esercitata dalla soluzione sulla membrana impedisce il passaggio di altre molecole di solvente. Un esempio è la desalinizzazione dell'acqua: ponendo acqua di mare in un contenitore a contatto, attraverso una membrana semipermeabile, con un contenitore di acqua e vi si applica sulla superficie una pressione maggiore rispetto alla sua pressione osmotica (ca. 8 atm), si ha il passaggio di acqua dall'acqua di mare al contenitore di acqua pura. Non posso applicare una pressione troppo elevata altrimenti la membrana si rompe.

Le proprietà colligative dipendono solo dal numero di particelle di soluto presenti nella soluzione, quindi se siamo in presenza di sostanze che si dissociano il numero delle particelle in soluzione saranno maggiori rispetto alla concentrazione teorica. Le considerazioni fatte fino ad ora sono valide qualora avessimo in soluzione un soluto non elettrolita, ovvero una sostanza che in soluzione acquosa non si dissocia in ioni.

Le sostanze elettrolite sono di 2 tipi:

• Elettroliti forti
• Elettroliti deboli

Gli elettroliti forti sono sostanze che in soluzione acquosa si dissociano completamente in ioni (NaCl). Per questo tipo di soluzioni occorre calcolare le concentrazioni tenendo conto del numero degli ioni che si formano. Gli elettroliti deboli sono quelle sostanze che in soluzione acquosa si dissociano parzialmente in ioni (CH₃COOH). Per le soluzioni in cui il soluto è un elettrolita debole, occorre calcolare le concentrazioni tenendo conto degli ioni che si formano.

(2) Soluzione ideale formata da due liquidi volatili

Secondo la legge di Raoult, in una soluzione ideale (ΔH = 0) a T costante, la pressione di vapore di ogni componente volatile è proporzionale alla sua frazione molare. Esempio di soluzione formata da benzene e toluene:

Distillazione frazionata

È una tecnica usata per separare due liquidi miscibili fra loro. La miscela deve avere comportamento ideale e i suoi componenti devono avere punti di ebollizione abbastanza diversi tra loro. Nella distillazione, scaldo la soluzione, il vapore inizia a salire e va incontro ad un gradiente di temperatura (T risulta essere più bassa), liquefa producendo goccioline. Quindi tenderà a riscendere nella colonna di distillazione, ma rincontrerà temperature più alte e ripasserà alla fase vapore, e così via. In testa alla colonna si trova un termometro che mi indica la temperatura del vapore che lo raggiunge. Il liquido è sempre più ricco del componente più basso bollente.

Acidi e basi

Gli acidi e le basi sono coinvolti nella maggior parte delle reazioni che si verificano all'interno ed all'esterno del nostro organismo. Esistono diverse definizioni che cercano di spiegare la natura e il comportamento di queste sostanze:

• Arrhenius (1884)
• Bronsted-Lowry (1923)
• Lewis (1900)

Definizione di Arrhenius

• Un acido è una sostanza che contiene H⁺ e reagisce con l’acqua generando ioni idrogeno H⁺.
• Una base è una sostanza che contiene il gruppo OH e in acqua genera ioni ossidrile OH^-.

La definizione di Arrhenius porta dei limiti:

1. Considera solo soluzioni acquose.
2. Non spiega perché alcune sostanze si comportano da acido o base pur non avendo ioni H⁺ o OH^- da liberare (es. CO₂ e NH₃).
3. Suppone che si liberi H⁺ pur non potendo esistere libero in soluzione acquosa.

Il protone è una particella molto piccola, che contiene 1 protone nel nucleo ed 1 elettrone attorno, con la carica positiva confinata in un volume estremamente ridotto. È quindi incapace di esistere libero se non ad alte temperature.