Fattori che Influenzano la Solubilità
La buona miscibilità di alcune sostanze, come ad esempio il comune zucchero da tavola e l’acqua, è certamente ben nota a ciascuno di noi, così come l’ esperienza quotidiana ci suggerisce la bassa solubilità in acqua di altre sostanze. Lo stesso zucchero, poi, non si scioglie direttamente nei liquidi freddi. Sappiamo anche che se stappiamo una bibita gassata si sviluppa effervescenza, cioè una parte del gas disciolto nella bibita si sprigiona liberamente. Come riportato nell’immagine a lato, la solubilità dipende da diversi fattori.
La solubilità dei gas dipende dalla pressione.
Solubilità dei Sali
Perché alcuni sali, come ad esempio il comune sale da cucina (cloruro di sodio), si sciolgono bene in acqua e altri, quale ad esempio il carbonato di calcio, formano incrostazioni e depositi insolubili? Per trovare una spiegazione a queste osservazioni empiriche dobbiamo esaminare un po’ più in dettaglio il processo di dissoluzione di un sale, che come è stato riportato nei capitoli precedenti è un composto ionico, quindi un solido cristallino. L’acqua è una molecola polare, in grado di stabilire interazioni favorevoli (dal punto di vista energetico) sia con i cationi sia con gli anioni, come illustrato nell’immagine a lato per un sale generico. Ciascuna interazione è molto più debole dell’attrazione che si stabilisce tra ioni di carica opposta nel reticolo cristallino del sale solido, ma la moltitudine di queste interazioni a volte fornisce l’energia sufficiente a sgretolare il solido stesso.
Questo accade sempre per i sali contenenti metalli alcalini (Na+, K+ ecc.) e ione ammonio come cationi, per quasi tutti i cloruri (tranne AgCl), per tutti gli acetati, i nitriti e i nitrati, per molti solfati.
In tutti gli altri casi, i sali stessi si dissociano secondo una reazione parziale, regolata dalle leggi dell’equilibrio chimico.
Interazioni fra l'acqua e un soluto ionico
Equilibri di Solubilità
Immaginiamo di porre una certa quantità di un sale poco solubile in un determinato volume di acqua.
La concentrazione che il sale raggiunge quando si stabilisce l’ equilibrio con la sostanza allo stato puro (cioè quando la soluzione è satura) rappresenta la solubilità di quel sale.
Si definisce solubilità di una determinata sostanza in un dato solvente la concentrazione massima che la sostanza può raggiungere nello stesso solvente, cioè la concentrazione molare della sostanza stessa nella soluzione satura. Ricordiamo che in una soluzione è satura quando è presente un corpo di fondo, e le due fasi (soluzione e solido puro) sono in uno stato di equilibrio dinamico.
All’equilibrio la concentrazione degli ioni sarà costante, così come la massa di solido precipitato. Questo stato verrà raggiunto quando le unità di sale che dal solido passeranno in soluzione saranno esattamente controbilanciate dalle unità sciolte in soluzione che si depositeranno nel solido. Il processo generico di dissoluzione di un sale in acqua può essere rappresentato come nella formula espressa nella figura, dove n, m, p e q sono dei numeri interi qualsiasi. L’unico requisito che essi devono rispettare è che, data l’elettroneutralità del sale, il prodotto mp deve essere uguale, in valore assoluto, al prodotto nq.
Processo generico di dissoluzione di un sale in acqua
Il sale solido è in equilibrio con la soluzione satura
Prodotto di solubilità
Se consideriamo l’equilibrio rappresentato dall’equazione riportata a lato, la relativa espressione della legge di azione di massa prende la forma:
K ps = [Ag + ] [Cl-]
dato che, come in tutte le costanti di equilibrio, le concentrazioni dei solidi e quella dell’acqua vengono omesse in quanto considerate costanti.
La costante di equilibrio in questo caso viene chiamata prodotto di solubilità.
Indicando con s la solubilità, che rappresenta le moli di sale disciolte nella soluzione satura, risulta che in questa soluzione
s = [Ag +] = [Cl-] e di conseguenza Kps = s2
Questa semplice relazione, che vale per tutti i sali costituiti da cationi e anioni in rapporto 1:1, cioè in tutti i casi in cui i due ioni abbiano la stessa carica (in valore assoluto, ovviamente), consente di
- calcolare il Kps dalla solubilità
- calcolare la solubilità dal Kps
Esempi di questi calcoli sono riportati nelle pagine successive.
Calcolo del Kps dalla solubilità
Relazione fra Kps e solubilità
Ione in comune, caso 1
Ione in comune, caso 1 (segue)
Ione in comune, caso 2
Ione in comune, caso 2 a
Ione in comune, caso 2 b
Solubilità e pH
In alcuni casi, la dissoluzione dei sali in acqua modifica il pH delle soluzioni poiché gli ioni formati sono essi stessi degli acidi o delle basi. Questo è particolarmente evidente nel caso di alcuni idrossidi poco solubili. Dal punto di vista dell’equilibrio di solubilità, non c’è alcuna differenza con il trattamento sali veri e propri, come è dimostrato con gli esempi numerici.
Naturalmente, come riportato negli stessi esempi, il pH può a sua volta influenzare la solubilità di queste sostanze, aumentandola o diminuendola a seconda dei casi, ma sempre nel rispetto del principio dell’equilibrio mobile di Le Chatelier.
Esercizi da svolgere
Gli esercizi seguenti posso essere utili a verificare la propria familiarità con gli argomenti esposti.
1. La concentrazione di Pb2+ in una soluzione satura di bromuro di piombo (II) è 1.18 x 10 -2 M. Calcolare il Kps.
2. A 25 ° C la solubilità molare del fosfato di argento è 4.8 x 10 -5 moli/l. Calcolare il Kps.
3. Calcolare la solubilità molare dello ioduro di piombo (II) sapendo che Kps = 7.1 x 10 -9 M3.
4. Calcolare la solubilità molare di Ag2CrO4 in una soluzione di AgNO3 0.10 M sapendo che Kps = 2.4 x 10 -12 M3.
5. Calcolare la massa di AgCl che si scioglie in 320 ml di una soluzione di CaCl2 0.20 M sapendo che il Kps per AgCl è 1.8 x 10-10 M2.
