Laboratorio di Chimica per la biologia

LABORATORIO DI CHIMICA PER LA BIOLOGIA

LE MISCELE

Sono costituite da due o più sostanze pure, hanno composizione variabile e hanno proprietà

chimico fisiche dipendenti dalla composizione e la loro composizione percentuale varia da

campione a campione. I componenti delle miscele sono specie chimiche diverse tra di loro che

però mantengono la loro identità nella miscela. La loro temperatura di fusione e di ebollizione

dipendono dalla composizione e non sono proprietà caratteristiche della sostanza.

Le miscele si possono dividere in due grosse classi: omogenee, che presentano un’unica fase, e

spesso vengono definite soluzioni; ed eterogenee, che presentano due o più fasi.

Le soluzioni non sono altro che miscele omogenee (solide, liquide o gassose) di due o più

sostanze. Se la soluzione è costituita da un gas o solido disciolti in una sostanza liquida, il gas o il

solido sono definiti soluto, mentre il liquido è definito solvente. Se la soluzione è costituita da

due liquidi, il componente in quantità maggiore è definito solvente, quello in quantità minore

soluto.

preparazione di una concentrazione a titolo noto in un matraccio. (solido all’interno di un liquido)

LA CONCENTRAZIONE

La concentrazione molare o molarità, indica le concentrazioni moli che sono contenute in un litro

3 -3

(dm ) di soluzione. La sua unità di misura è mol dm anche se spesso si usa M.

La molarità di una soluzione si calcola dividendo la quantità di soluto n (moli) per il volume V

3

(dm ) della soluzione in cui è disciolto.

La molalità indica le moli di soluto disciolte in un kg di solvente. La sua unità di misura è mol

-1 -1

kg , anche se correntemente si usa il simbolo m al posto di mol kg . La molalità di una

soluzione si calcola dividendo la quantità di soluto n (moli) per la massa (m) (kg) del solvente in

cui è disciolto.

La percentuale in peso indica i grammi in soluto disciolti in 100 g di soluzione.

Per calcolare la percentuale in peso si divide la quantità di soluto (espressa come massa) per la

quantità totale della soluzione (espressa come massa) e si moltiplica per 100.

La frazione molare è il rapporto tra le moli di un componente e le moli di tutti i componenti

della soluzione. La somma delle frazioni molari di tutti i componenti deve essere

necessariamente uguale a 1.

Come si possono separare le miscele omogenee:

 Evaporare il componente più volatile, come nel caso di componenti liquidi. La

distillazione sfrutta la diversa volatilità dei componenti

 Posso fare l’estrazione di un solvente, cioè si sfrutta la tendenza di uno dei componenti

della miscela a sciogliersi nei confronti di un solvente

 Metodi cromatografici, in cui si sfrutta la velocità di trasporto da parte di un solvente su

uno strato inerte

Rotovapore: è uno degli strumenti più utilizzati per separare miscele, soprattutto quelle

composte da un liquido e da un solido. È fatto da una struttura in vetro, un bagno ad acqua ed

una struttura elettronica che controlla la temperatura del bagno ad acqua. La soluzione viene

posta nei contenitori di vetro a forma di pera e viene immerso nel bagno di acqua (o ad olio) e

poi viene scaldato. La pera viene fatta ruotare e il sovente inizia a bollire, si formano dei vapori

che passano attraverso un tubo refrigerante. Il vapore viene condensato e si trasforma il

liquido, che viene raccolto in un pallone di raccolta. Alla fine della rotoevaporazione, nel pallone

di raccolta avrò raccolto tutto il solvente e avrò separato soluto e solvente della mia miscela.

Distillazione: sfrutta la diversa tendenza a passare allo stato gassoso o la diversa temperatura

di ebollizione di liquidi diversi. Il processo può essere effettuato a temperatura ambiente o con

il vuoto.

Per le miscele eterogenee i processi di separazione sono più semplici perché possono sfruttare

il diverso stato fisico o la diversa densità dei componenti, In particolare quelle costituite da una

fase solida e una liquida.

Nella decantazione lascio depositare sul fondo di un recipiente di cui è contenuta la mia

miscela, dopo decanto via il solvente sopranatante.

Nella filtrazione si fa passare la miscela eterogenea attraverso un filtro di carta, che trattiene la

fase solida, mentre la fase liquida viene raccolta in un recipiente sottostante.

La centrifugazione richiede l’utilizzo di un apparecchio particolare detto centrifuga e la miscela

viene posta in un recipiente, il quale viene fatto ruotare molto velocemente intorno ad un asse

e ciò fa si che il solido si accumuli sul fondo e la fase liquida si accumuli come sopranatante e

poi si separeranno con la decantazione.

IL PH E LA SUA DETERMINAZIONE

La teoria acido-base più utilizzata è la teoria di Brønsted e definisce un acido come molecola o

ione capace di trasferire protoni ad una base, mentre definisce la base come una molecola o uno

ione capace di ricevere protoni trasferiti da un acido. In questo senso una reazione acido base

non è che un trasferimento di uno o più protoni da un acido ad una base.

Allora possiamo definire una coppia coniugata acido-base “a-b”: come un acido a1 che reagisce

con la sua base b2, trasformandosi nella sua base coniugata b1. La base b2 si trasforma a sua vola

nel suo acido coniugato a2.

Questo equilibrio è l’equilibrio che sussiste in soluzione e definisce la costante generica di

equilibrio Kc.

L’acqua svolge un ruolo importante negli equilibri, avendo essa delle caratteristiche peculiari,

partecipa alle reazioni in quanto non è solo un solvente ma anche un reagente.

L’acqua è di fatto una sostanza anfiprotica, cioè può reagire sia come acido sia come base.

In pratica una molecola di acqua agisce da acido (cede un protone) e l’altra agisce da base

(accetta un protone). Il processo è molto limitato come si vede dal valore della costante di

equilibrio a 25°C:

Questa costante ha un valore estremamente piccolo, quindi una piccola concentrazione di

molecole di acqua subiscono questa reazione di autoprotolisi. -

Un generico acido HA reagisce con l’acqua e si trasforma nella sua base coniugata A e cede

però uno ione all’acqua, che dà luogo allo ione idronio. Posso definire per questo equilibrio una

costante Ka.

Lo stesso avviene per una base e viene indicata con Kb.

Ka e Kb sono una misura della forza degli acidi e delle basi, cioè tanto maggiore è Ka tanto è

forte l’acido, tanto maggiore sarà il numero di protoni che l’acido cede all’acqua e tanto

maggiore è Kb e tanto è forte la base, quindi tanto maggiore è il numero di protoni che la base

B accetta dall’acqua.

Ka e Kb sono inversamente proporzionali se moltiplicate fra di loro, dallo la costante Kw, e ciò

significa che tanto più forte è un acido tanto più debole è la sua base coniugata e tanto più

forte e la base e tanto più debole e l’acido coniugato. Quindi le forze di acido e base coniugate

sono inversamente proporzionali.

Esistono acidi poliprotici, cioè che riescono a liberare più di un protone in acqua, come ad

esempio l’acido fosforico (H PO ) che è un acido triprotico, cioè cede all’cqua 3 protpni. Esso

3 4 +

cede un protone all’acqua, so forma lo ione H O e in corrispondenza di forma lo ione

3

diidrogeno fosfato, che può cedere a sua volta un protone all’acqua formando lo ione

+

monoidrogeno fosfato e lo ione H O ; infine lo ione monoidrogeno può cedere anche lui uno

3 +

ione all’acqua per formare un fosfato e lo ione H O . Quindi per lo stesso acido ho tre equilibri

3

acido base differenti e che hanno Ka differenti, la prima è più alta della seconda, che a sua volta

è più alta della terza.

Un altro esempio molto noto è l’acido solforico (H SO ) che cede all’acqua due protoni.

2 4

In maniera analoga, come esistono degli acidi poliprotici, esistono delle basi polifunzionali, cioè

che possono accettare più di un protone dall’acqua. Lo ione solfuro agisce prima con una

molecola d’acqua per formare prima una ione idrogeno solfuro o uno ione ossidrile con una

costante basica Kb abbastanza alta, ma lo ione HS può accettare a sua volta una base per

formare l’acido solfidrico e formare ioni ossidrili a sua volta e la costante basica Kb e più bassa

della prima.

Il ph quindi è la misura dell’acidità di una soluzione e per definizione è il logaritmo in base 10

+

del reciproco della concentrazione degli ioni H O , ovvero il logaritmo in base 10 della

3

+

concentrazione di H O cambiato di segno.

3

Ph + pOH= 14 in generale in acqua

Acidi e Basi forti e deboli

Un acido forte è caratterizzato dal fatto che in soluzione acquosa esso cede completamente il

protone all’acqua.

Il calcolo del pH si fa con meno il logaritmo della concentrazione iniziale molare dell’acido.

Tipici acidi forti sono:

 HCl acido cloridrico

 H SO acido solforico

2 4

 HBr acido bromidrico

 HNO acido nitrico

3

 HI acido iodidrico

 HClO acido perclorico

4

Una base forte è caratterizzata dal fatto che in una soluzione acquosa si dissocia

-

completamente in ioni OH .

Tipiche basi forti sono gli idrossidi del gruppo IA (metalli alcalini) e IIA (metalli alcalino terrosi):

 LiOH idrossido di litio

 Ca(OH) idrossido di calcio

2

 NaOH idrossido di sodio

 Sr(OH) idrossido di stronzio

2

 KOH idrossido di potassio

 Ba(OH) idrossido di bario

2

Gli acidi e le basi deboli sono parzialmente dissociati in soluzione acquosa e stabiliscono un

equilibrio, a differenza degli acidi e delle basi forti.

Per gli acidi deboli si definisce una pK come – log K

a a

pK = – log K

a a

Ad ogni acido debole è associato un valore caratteristico di pK e quindi di pK

a a

Alcuni tipici acidi deboli sono:

 CH COOH acido acetico

3

 HCN acido cianidrico

 H CO acido carbonico

2 3

 H SO acido solforoso

2 3

 H S acido solfidrico

2

 HF acido fluoridrico

Una base debole, indicata genericamente B, in soluzione acquosa stabilisce un equilibrio di

ionizzazione e per il quale è possibile definire una costante basica Kb.

Per le basi deboli si definisce una pK come – log K

b b

pK = – log K

B b

Il valore di pK e quindi di pK è caratteristico di ogni base debole.

b b

- + + - -14

Conoscendo [OH ] si può calcolare [H ] (usando [H ] [OH ] = 10 ) oppure calcolare il pOH

-

(pOH = -log [OH ] ) e da questo il pH ricordando che pH + pOH = 14

Tipiche basi deboli sono l’ammoniaca e le ammine organiche quali:

 NH ammoniaca

3

 NH CH metilammina

2 3

 C H N piridina

5 5

Soluzioni di sali in acqua

I Sali in acqua, quando sono solubili, si dissociano per dare degli ioni.

Un sale deriva dalla reazione di neutralizzazione di un acido e di una base in soluzione acquosa.

In soluzione acquosa i sali sono dissociati negli ioni costituenti:

+ -

NaCl(s) → Na (aq) + Cl (aq)

4+ -

NH Cl(s) → NH (aq) + Cl (aq)

4 - +

CH COONa(s) → CH COO (aq) + Na (aq)

3 3 - 4+

CH COONH (s) → CH COO (aq) + NH (aq)

3 4 3

Anche gli ioni possono comportarsi da acidi o da basi, in particolare se sono gli acidi o le basi

coniugati di basi o acidi deboli, rispettivamente.

Ioni che invece sono i coniugati di acidi o basi forti invece non hanno proprietà basiche o acide.

+ - +

Ad esempio NaCl in acqua si dissocia in ioni Na e Cl . Lo ione Na non da reazione né acida né

-

basica in soluzione acquosa, mentre Cl è la base coniugata di un acido forte (HCl) e ha tendenza

quasi nulla a acquistare un protone da una molecola d’acqua. Complessivamente la

dissoluzione in acqua di NaCl non ha effetto sul pH.

Questo comportamento è tipico di sali che contengono contemporaneamente:

cationi metallici i cui idrossidi sono completamente dissociati in acqua (ioni di metalli alcalini, e

2+ 2+ 2+

alcuni ioni di metalli alcalino terrosi Ca , Sr , Ba ) e anioni di acidi forti (HCl, HBr, HI, HNO ,

3

H SO ,