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Antonello Santini » 9.Trasformazioni di fase. Diagrammi di stato e proprietà colligative


Le soluzioni colloidali

  • Le soluzioni colloidali o colloidi sono sistemi bifasici costituiti da una sostanza (liquida, solida o gassosa) dispersa in una seconda sostanza (generalmente liquida o gassosa), detta fase disperdente.
  • Le particelle colloidali hanno dimensioni comprese fra 1 e 1000 nm mentre quelle presenti nelle soluzioni hanno dimensioni inferiori a 1 nm.

Le soluzioni colloidali

I sistemi colloidali si classificano in base allo stato di aggregazione della fase dispersa e di quella disperdente:

  • i sol, simili alle soluzioni vere, sono costituiti da piccolissime particelle di solido disperse in un solvente;
  • i gel sono solidi dispersi uniformemente in liquidi in modo da formare una intelaiatura in tutto il sistema;
  • gli aerosol sono costituiti da particelle solide disperse in un gas (i fumi) o da particelle liquide disperse in un gas (nebbie);
  • le emulsioni sono dispersioni di un liquido in un altro liquido immiscibile con il primo.

Classificazione delle dispersioni colloidali secondo Ostwald


Proprietà delle soluzioni colloidali

Le particelle colloidali:

  • non si depositano con apprezzabile velocità nel mezzo in cui sono disperse;
  • si possono filtrare mediante ultrafiltri con pori molto sottili;
  • si possono separare allo stato amorfo.

Proprietà delle soluzioni colloidali

Realizzano l’effetto Tyndall: quando un raggio di luce passa attraverso un liquido puro o una soluzione vera non si notano particolari fenomeni, il suo cammino non risulta visibile lateralmente: le particelle disciolte sono troppo piccole per disperdere la luce, mentre si realizza l’effetto Tyndall, per le soluzioni colloidali, perché le particelle in esse contenute sono sufficientemente grandi.

Effetto Tyndall in un bosco

Effetto Tyndall in un bosco


Proprietà delle soluzioni colloidali

  • Realizzano il moto browniano, causato dai movimenti delle molecole nel mezzo disperdente che urtano contro le particelle colloidali.
  • La velocità del moto browniano dipende dalla grandezza delle particelle disperse: il moto è tanto più lento quanto minore è il grado di dispersione, per cui la soluzione colloidale, con particelle più grandi di 1000 nm, non si comporta più come tale ma da sospensione.

Proprietà delle soluzioni colloidali


Diagramma di stato

  • Il diagramma di fase, o diagramma di stato, è un diagramma cartesiano riferito ad una sostanza in cui sono riportate in ascissa la temperatura e in ordinata la pressione.
  • Per ogni sostanza sono rappresentate sul diagramma delle linee che indicano il cambiamento di fase, nei campi individuati all’interno di queste linee si individuano i campi di esistenza del solido, del liquido e del vapore.

Diagramma di stato

  • La linea di separazione liquido-vapore termina in un punto nel quale le caratteristiche del vapore e del liquido diventano le medesime: si tratta del punto critico, individuato per ogni sostanza da valori di pressione e di temperatura ben precisi.
  • La linea di separazione solido-liquido ha in quasi tutte le sostanze una inclinazione positiva, ciò indica una diminuzione del volume specifico all’aumentare della temperatura. Eccezioni sono gli elementi gallio e antimonio e l’acqua in cui la solidificazione avviene con aumento del volume specifico.
  • La congiunzione delle tre linee avviene nel punto triplo, nel quale coesistono le tre fasi solida, liquida e gassosa.

Diagramma di stato dell’acqua

Il punto T, identificato dal valore di pressione di 4,58 mmHg e dalla temperatura di 0,01 °C è il punto triplo dell’acqua. A pressioni maggiori di 2000 atm la retta che contraddistingue l’equilibrio solido-liquido segue l’andamento classico con pendenza positiva. Oltre il punto critico, l’acqua a 374 °C e 218 atm, si ha la scomparsa dell’equilibrio liquido-vapore.


Le Proprietà Colligative

Le proprietà colligative dipendono dal numero delle particelle disciolte in soluzione e non dalla loro natura. Così come le leggi dei gas sono perfettamente rispettate dai gas ideali, così le proprietà colligative sono rigorosamente valide solo per le soluzioni ideali. Esse sono in realtà una astrazione fisica: una soluzione reale, quanto più è diluita, tanto più si avvicina alle condizioni ideali e tanto più per essa sono valide le proprietà colligative.

Le Proprietà Colligative


L’abbassamento relativo della pressione di vapore delle soluzioni


L’abbassamento relativo della pressione di vapore delle soluzioni

I grafici relativi ai diagrammi di stato di un solvente e una soluzione ricavati sperimentalmente dimostrano ulteriormente che a qualsiasi temperatura la pressione di vapore delle soluzioni è costantemente più bassa rispetto a quella del solvente puro.


Innalzamento ebullioscopio ed abbassamento crioscopico

Per innalzamento ebullioscopio si intende l’innalzamento del punto di ebollizione e per abbassamento crioscopico si intende l’abbassamento del punto di congelamento. Le soluzioni bollono e congelano a temperature rispettivamente più alte e più basse, confrontate con quelle del solvente puro. Questo comportamento delle soluzioni spiega, fra l’altro, l’uso del sale sulle strade ghiacciate e l’utilizzazione di sostanze antigelo nei radiatori delle auto.

Innalzamento ebullioscopio ed abbassamento crioscopico

Il comportamento delle soluzioni è collegato all’andamento della pressione di vapore, riassunto dai diagrammi di stato. Raoult dimostrò:

Δ teb = t eb(soluz) – t eb(solv) = Keb m

Δ tcr = t cr(soluz) – t cr(solv) = Kcr m

dove m = molalità; Keb e Kcr costanti, tipiche del solvente, da determinare ponendo m=1 (per H2O, Keb=0,52°C e Kcr=1,86°C).

Confronto tra i diagrammi di stato di un solvente puro e di una soluzione

Confronto tra i diagrammi di stato di un solvente puro e di una soluzione


Innalzamento ebullioscopio ed abbassamento crioscopico

A parità di concentrazione molale, dunque, due soluzioni di soluti diversi hanno la stessa Temperatura di ebollizione e di congelamento. Nei fenomeni fisici per le soluzioni è importante il numero delle particelle e non la loro natura chimica.

Costanti crioscopica ed ebullioscopica

Costanti crioscopica ed ebullioscopica


Pressione osmotica

  • Per osmosi si intende il flusso spontaneo di un solvente, di solito l’acqua, attraverso una membrana, naturale o artificiale, che si comporti da membrana semimpermeabile, da una soluzione più diluita a una soluzione più concentrata.
  • Il fenomeno fu osservato per la prima volta dall’abate J.A. Nollet nel 1748 ma è J.H. van’t Hoff che lo studiò in modo approfondito dimostrando che la pressione osmotica è assimilabile alla pressione dei gas.

Pressione osmotica

Osmometro: misura le masse molecolari di polimeri da 10000 a 2000000 di uma

Osmometro: misura le masse molecolari di polimeri da 10000 a 2000000 di uma


Pressione osmotica

La spinta verso l’alto del pistone può essere impedita esercitando una pressione che si oppone all’aumento di volume della soluzione determinato dal solvente puro che penetra attraverso la membrana semipermeabile. La pressione esercitata è la Pressione Osmotica, proporzionale al numero di moli di soluto n disciolto nel volume V di soluzione alla temperatura T. Questa relazione di proporzionalità, valida se le soluzioni sono diluite, è nota come legge di van’t Hoff:

πV = n R T

in cui R=0,082 atm l/mol K è il valore dell’equazione di stato dei gas (PV=nRT).

Esempi ed applicazioni numeriche


I materiali di supporto della lezione

Diagramma di stato

Esempi numerici

Esercizi

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