Undicesima unità didattica

I liquidi e le soluzioni

Le soluzioni

• Sono delle misceleomogenee in cui il solvente è un liquido e il o i soluti possono essere solidi, liquidi o aeriformi

• Il soluto deve essere solubile nel solvente

• Solvente e soluto sono tra loro solubili quando presentano stessa natura, cioè due sostanze polari o due sostanze apolari

Dissociazione e ionizzazione• Il soluto può sciogliersi nel solvente attraverso due processi

a seconda della sua natura• Sostanze polari: 1. Dissociazione ionica : interessa i composti ionici i quali

rompono i legami ionici per opera delle cariche polari del solvente. Se il solvente è l’acqua, gli ioni circondati sono detti idratati ( solvatati nel caso di un solvente generico)

2. Ionizzazione: interessa i composti covalenti polari con rottura di tale legame. E' il processo nel quale uno o piúelettroni vengono rimossi da atomi o da molecole a causa di collisioni tra particelle o per assorbimento di radiazione. Gli atomi o molecole cosí "scoperti" rimangono carichi positivamente e prendono il nome di ioni.

• Sostanze apolari: possono essere sciolte solo da solventi apolari per rottura delle forze di London

Non tutti i solventi riescono a rompere i legami del soluto anche se, tra loro, sono della stessa natura

ionizzazione

Dissociazione

Dissociazione e ionizzazione

• Non tutti i composti ionici sono solubili nell’acqua: ad esempio in MgO e AgCl, a causa dei forti legami ionici presenti, il dipolo dell’ H2O non riesce a staccare gli ioni dai loro cristalli

• Alcuni composti covalenti polari come il saccarosio, il glucosio, il fruttosio, e anche l’alcol etilico in acqua si sciolgono completamente ma non formano ioni bensì si legano ad H2O attraverso legami ponte idrogeno

Elettroliti

• Le sostanze che in acqua liberano ioni sia per dissociazione che per ionizzazione sono dette elettroliti forti. Conducono la corrente elettrica

• Le sostanze che in acqua non liberano ioni sono dette non elettroliti . Tali sostanze possono anche sciogliersi in acqua ma non creare ioni (es. L’alcol, gli zuccheri ecc…)

• Le sostanze che liberano ioni in modo parziale ( non tutte le molecole danno ioni) sono dette elettroliti deboli

• Gli elettroliti forti (sali, idrossidi alcalini e alcalino-terrosi, che sono ionici anche nello stato solido, acidi forti

• Gli elettroliti deboli invece sono poco dissociati (per

esempio molti acidi organici).

a) non elettrolita b) elettrolita debole c) elettrolita forte

a b c

Soluzione e solubilità

• La quantità massima di soluto che può sciogliersi nel solvente ad una data temperatura, è detta solubilità

• Una soluzione si dice insatura quando tutto il soluto è sciolto nel solvente

• Una soluzione si dice satura quando non tutto il soluto è sciolto nel solvente e allora si forma il corpo di fondo(precipitato)

• Una soluzione satura può diventare insaturase si aumenta la sua temperatura. Se poi viene raffreddata lentamente sotto la temperatura iniziale può non verificarsi il corpo di fondo, allora la soluzione si dice soprasatura (equilibrio instabile), la quantitàdi soluto è maggiore di quella consentita a quella temperatura. Basta un piccolo urto al contenitore o l’inserimento di un piccolo cristallo a provocare la formazione del corpo di fondo, cioè la cristallizzazione di tutto il soluto

Soluzione insatura e satura

Effetti di una soluzione soprassatura

Il Mar Morto, nella Palestina, al confine tra lo stato di Israele e la Giordania, costituisce il punto più basso esistente al mondo, in quanto si trova a circa 395 metri al di sotto del livello del mare. Il Mar Morto è un mare praticamente privo di emissari: è un lago terminale che per migliaia di anni ha ricevuto le acque del fiume Giordano e di altri corsi d'acqua minori, come il fiume Arnon ed una grande quantità di sorgenti grandi e piccole. Una sua caratteristica particolare è la saturazione con NaCl che impedisce qualsiasi forma di vita (come per alcuni prodotti conservati in salamoia) e l'elevata densità (circa 4 g/l) che permette addirittura ai villeggianti di leggere il giornale galleggiando sull'acqua.

Fattori che influenzano la solubilità

• Temperatura: la solubilitàaumenta, in genere, con l’aumentare della temperatura. Nei gas diminuisce all’aumentare della tempertura

• Pressione: la pressione ha pochissimo effetto sulla solubilità dei solidi, mentre diventa importante quando il soluto è un gas. La sua solubilità è direttamente proporzionale alla pressione del gas presente nel liquido

Solubilità di alcune sostanze solide e gassose a temperature diverse

0,065 g/lCalcare

1,31 g/lCalce

125 g/l215 g/lSoda

1080 g/l1105 g/lPotassa

1905 g/l2040 g/lZucchero

320 g/lSolfato rameico

358 g/l360 g/lSale da cucina

10oC20

oCSostanza

1,64412x103

441x103

475x103

515x

103

Acido

cloridrico

0,7227,633,841,755,6Metano

0,77530x103

660x103

813x103

1049

x103

Ammoniaca

1,9866587811941713Anidride

carb.

1,2513,415,4218,523,5Azoto

1,4326,1631,033848,9Ossigeno

1,2916,0718,722,6828,8Aria

Peso di

1l (g)

30°C 20°C 10°C 0°C Sostanza

Sostanze solideSostanze gassose

ml di gas in 1litro di acqua alla pressione del gas di 1 atm.

EsperienzeOgni soluto si comporta in modo diverso in acqua.

xxxSolfato di rame

xxxFerro in polvere

xxxSegatura

xxxSabbia

xxxFarina

xxSale grosso

xxSale fino

xxZucchero

Colorata Torbida Limpida E’ disperso È sul fondoNon si vede

Si vede

acquasolido

Se il soluto non si vede più e l’acqua rimane limpida(anche se colorata) significa che si scioglie nell’acqua, anche se non scompare. Infatti, se portassimo ad ebollizione su un fornellino la soluzione di acqua e sale, ritroveremmo tutto il sale sulle pareti!!!

Osservazioni

Ma quanto se ne scioglie?Abbiamo provato a vedere la massima quantità di soluto che una certa quantità di acqua può contenere. Abbiamo provato a fare questi esperimenti utilizzando 50 ml di acqua e il solfato di rame,il sale e lo zucchero.Il sale non si è sciolto più quando ne abbiamo messo poco più di 15g.Il solfato di rame non si è sciolto più quando ne abbiamo messo circa 16 g.Lo zucchero non si è sciolto più quando ne abbiamo messo 100g.

per

ogni

sos

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a è:

la q

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sim

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stan

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ato

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di

acqu

a

Qui

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olub

ilità

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rap

port

o!!!

quantitàmassima di sostanzache si èsciolta [ad esempio in grammi]

______________________________________________________________

volume di acquanel quale si èsciolta [ad esempio in ml]

La solubilità

Calcolo le solubilitàAbbiamo provato a vedere la massima quantità di soluto che una certa quantità di acqua può contenere.

Abbiamo provato a fare questi esperimenti utilizzando 50 ml di acqua conil solfato di rame,il sale e lo zucchero.

Il sale non si è sciolto più quandone abbiamo messo poco più di 15g.

Il solfato di rame non si è scioltopiù quando ne abbiamo messo circa16 g.

Lo zucchero non si è sciolto piùquando ne abbiamo messo 100g.

La solubilità del sale è15g/50ml = 0,30g/ml

La solubilità del solfato di rame è16g/50ml = 0,32g/ml

La solubilità dello zucchero è100g/50ml = 2g/ml

PROVE DI SOLUBILITA’• OBIETTIVI: verificare la solubilità di determinate sostanze

solide poste all’interno di determinati liquidi.• MATERIALI: quattro liquidi (acqua distillata, alcool etilico,

acido acetico e ciclo esano), tre sostanze (naftalina, zucchero e sale), una pipetta, un cucchiaino e dodici piccoli contenitori.

• PROCEDIMENTO: abbiamo preparato dodici piccoli contenitori (tanti quante sarebbero state le combinazioni possibili) e vi abbiamo inserito in eguali quantità i diversi liquidi. Ogni solvente è stato introdotto in tre vasetti, nei quali successivamente sono state aggiunte le sostanze, ponendo molta attenzione però che i miscugli non si ripetessero. I risultati sono stati riassunti nella tabella che segue.

• La naftalina non si scioglie nell'acqua• CONCLUSIONI: abbiamo constatato che zucchero e sale

sono sostanze polari in quanto si sciolgono nell’acqua (anch’essa polare).Al contrario la naftalina (che non èpolare) non si scioglie in acqua, bensì nel ciclo esano (liquido non polare).Possiamo concludere quindi affermando che le sostanze polari si sciolgono nei liquidi polari, viceversa le sostanze non polari si sciolgono nei solventi non polari. L’alcool etilico e l’acido acetico non hanno sciolto (o forse solo in parte ma il fenomeno non è visibile) lo zucchero ed il sale. Questo risultato lo abbiamo interpretato dicendo che il grado di polarità delle molecole non è sempre lo stesso; evidentemente quei due liquidi non sono sufficientemente polari da sciogliere lo zucchero ed il sale.

0.3610842150300

0.367228100200

0.36361450100Esperimento eseguito con sale da cucina

S(g/ml)

P=P1-P2(g)

P2(g)

P1(g)

Volume d’acqua

(ml)

TABELLA DATI

PROVE DI SOLUBILITA

Legenda:

P1= quantità di sale iniziale

P2= quantità di sale rimasto a soluzione satura

P = P1-P2= quantità di sale nella soluzione satura

S = solubilità del sale in acqua a T ambiente

L’esperimento dimostra che la solubilità è una grandezza intensiva

300 ml 200 ml 100 ml

Le tre soluzioni sature di sale e acqua, in cui sono ben visibili i depositi

0.66198102300300

0.6613268200200

0.666634100100Esperimento eseguito con zucchero

0.3610842150300

0.367228100200

0.36361450100Esperimento eseguito con sale da cucina

S(g/ml)

P=P1-P2(g)

P2(g)

P1(g)

Volume d’acqua

(ml)

TABELLA DATI

L’ipotesi va verificata attraverso l’esecuzione di altri esperimenti con altre sostanze, da condurre con la stessa metodica; per esempio noi abbiamo usato lo zucchero e i tabella abbiamo riportato i dati ottenuti

PROVE DI SOLUBILITA

Concentrazione: indica la quantità di soluto (modi di esprimerla)

• Percentuale in massa (% m/m)• Percentuale in volume (% V/V)• Percentuale in massa/volume (%m/V)• Parti per milioni (ppm)• Molarità (M)• Molalità (m)• Normalità (N)• Frazione molare (Xs)

Concentrazione 1• Percentuale in massa (% m/m): indica la quantità in

grammi di soluto sciolta in 100 g di soluzione (soluto + solvente)

Massa % = m (g) soluto/m (g) solvente x 100• Percentuale in volume (%V/V): indica la quantità in

millilitri di soluto sciolta in 100 mL di soluzioneVolume % = volume (mL) soluto/ volume (mL) soluzione x

100 • Percentuale in massa/volume (%m/V) : indica la

quantità in grammi di soluto sciolta in 100 mL di soluzione

Massa/volume = m (g) soluto/volume soluzione (mL) x 100

• Parti per milione (ppm): si usa nel caso in cui il soluto èin piccole quantità. Indica i mg di soluto sciolti in 1000g (1L) di solvente, si può utilizzare qualsiasi unità con rapporto di 1/un milione

Ppm = massa (mg) soluto/massa solvente (1000g)

Concentrazione2• Molarità (M): indica il numero di moli(n) sciolti in un litro

(L) di soluzioneM = n/Volume soluzione• Molalità (m): indica in numero di moli(n) sciolti in un

chilogrammo (Kg) di solventem = n/massa solvente • Frazione molare (X): indica il rapporto tra in numero di

mole del soluto(ns) e il numero di mole della soluzione (ns + nS)

Xs = ns/(ns + nS)• Normalità (N) : si usa in particolare per esprimere le

concentrazioni degli acidi e delle basi. Indica il numero di equivalenti (neq) di soluto sciolti in un litro di soluzione

N = neq/V neq= massa (g) soluto/massa equivalentemassa eq (acido) = MM/n H+

massa eq (base) = MM/nOH-

N = M x n relazione tra normalità e molarità

Diluizione• La concentrazione di una soluzione può essere abbassataaggiungendo ulteriore solvente e mantenendo costante la quantità di soluto(n moli costante)

• Tale operazione si chiama diluizione

V1= volume soluzione 1

n1= n mole soluzione 1

soluzione 1 concentrata

V1 < V2

V2= volume soluzione 2

n2= n mole soluzione 2

Soluzione 2 diluita

n1=n2 cioè numero moli soluto rimane costante

Volume di diluizione

n1= M1 x V1n2= M2 x V2

n1 = n2 quindi M1xV1 =M2 x V2

V2= M1 x V1/M2 (volume di diluizione)

V2= indica il volume finalela differenza V2 – V1 dà quanto solvente bisogna

aggiungere per diluire la soluzione

Proprietà colligative

Sono le proprietà di una soluzione che subiscono modifiche, rispetto al solvente puro, in base alla quantità del soluto (concentrazione) e non alla sua qualità

1. Abbassamento della tensione di vapore

2. Innalzamento ebullioscopico

3. Abbassamento crioscopico

4. Pressione osmotica

Abbassamento della tensione di vapore

La pressione esercitata da un vapore in equilibrio con il suo liquido si chiama tensione di vapore (p) p= XS x p°

XS= frazione molare solvente; p°= tensione vapore solvente

• Nelle soluzioni il soluto impedisce che molecole di solvente si stacchino, sotto forma di vapore, dal suo liquido. Per cui maggiore è la concentrazione minore èla tensione di vapore.

• Abbassamento tensione di vapore (∆p)

∆p = Xs x p° ; Xs= frazione molare soluto

Innalzamento ebullioscopico

Una soluzione bolle ad una temperatura maggiore rispetto a quella del solvente puro

• L’innalzamento ebulloscopico (∆teb) indica l’incremento della temperatura di ebollizione in °C

• ∆teb = Keb x m Keb= costante ebullioscopica molare (H2O = 0,52°C x mol-1 x Kg) m=molalità

Abbassamento crioscopico

Una soluzione solidifica ad una temperatura più bassa di quella del solvente puro.

• L’abbassamento crioscopico(∆cr) indica l’abbassamento della temperatura di solidificazione

• ∆cr = Kcr x m Kcr = costante crioscopica molale, per l’acqua = 1,86°C x mol-1 x Kg

Pressione osmotica

L’osmosi è un fenomeno che comporta il passaggio di solvente da una soluzione meno concentrata(essolvente puro) ad una più concentrata attraverso una membrana semipermeabile

La pressione osmotica (π)indica la pressione idrostatica in atm necessaria a impedire tale passaggio (osmosi)

π = n/V x R x T (n/V = M) π = MxRxTM= molarità; R= costante = 0,0821L x atm x K-1 x mol-1

T= temperatura in gradi KelvinNelle soluzioni si avrà un aumento dell’osmosi e quindi

della pressine osmotica all’aumentare della concentrazione della soluzione

Osmosi

Proprietà colligative nelle soluzioni ioniche

• In queste soluzioni il numero di moli di soluto dipende dagli ioni che si liberano (i)

• Es: in NaCl i = 2 ; in NaCl2 i= 3

• Le formule vengono così modificate:∆teb = Keb x m x i

∆cr = Kcr x m x i

π = n/V x R x T x i

Fine della 11 unità

grazie per l’attenzione