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Emmanuele De Vendittis » 8.Soluzioni


Stato fisico

La materia può presentarsi in tre stati fisici diversi:

  • solido: forma e volume propri
  • liquido: forma del recipiente; volume proprio
  • gas (aeriforme): forma e volume del recipiente, perché occupa tutto lo spazio a disposizione.

Stato liquido: In questo stato le forze di coesione tra le molecole sono superiori all’energia cinetica delle molecole.

Diversamente dai solidi nel liquido sono consentiti i movimenti reciproci tra le molecole senza che avvengano però allontanamenti definitivi tra le molecole come nei gas.

Volatilità

Le molecole degli strati superficiali del liquido possono trasformarsi in vapore, acquistando energia cinetica sufficiente per vincere le forze di coesione.
Se però le molecole di vapore perdono energia cinetica, ritornano allo stato liquido.

Pertanto, fornendo calore aumenta la volatilità; se invece si sottrae calore la volatilità diminuisce.
Sottraendo ulteriormente calore i movimenti delle molecole si riducono (minore energia cinetica) e le forze di coesione prevalgono (trasformazione in solido).

Volatilità

Volatilità


Passaggi di stato

I passaggi di stato sono trasformazioni tra stati fisici differenti della materia

Fusione: trasformazione solidoliquido

  • Durante il processo di fusione la temperatura della sostanza resta costante, perché il calore fornito è utilizzato per vincere le forze di coesione del solido.

Evaporazione: trasformazione liquidovapore

  • Riguarda solo gli stati superficiali del liquido; aumenta con l’aumentare della temperatura.

Ebollizione: trasformazione liquidovapore

  • Riguarda l’intera massa del liquido; la temperatura resta costante durante l’ebollizione, perché il calore fornito è utilizzato per vincere le forze di coesione del liquido.

Passaggi di stato (segue)

Sublimazione: trasformazione diretta solidovapore

  • Riguarda solo gli strati superficiali; aumenta con l’aumentare della temperatura (sublimazione è anche la trasformazione opposta vapore solido). La sublimazione è molto evidente per alcuni solidi come iodio, naftalina, CO2 solida (ghiaccio secco)

Congelamento: trasformazione liquido → solido

  • Processo opposto alla fusione, indicato anche come solidificazione; segue le stesse regole (Tcong = Tfus)

Condensazione: trasformazione vapore → liquido

  • Processo opposto all’evaporazione; termine usato per le sostanze che a temperatura ambiente sono liquide.

Liquefazione: trasformazione gas → liquido

  • Simile alla condensazione, ma riguarda le sostanze che a temperatura ambiente sono gas.

Tensione di vapore

Quando si lascia un liquido volatile in un recipiente all’aperto, il livello del liquido si abbassa per l’evaporazione e dopo un certo tempo tutto il liquido sarà evaporato (sistema che non raggiunge l’equilibrio).
Se però il recipiente viene messo al chiuso, dopo un iniziale abbassamento, il livello del liquido resterà costante.
In questo caso il sistema isolato raggiunge l’equilibrio e la velocità con cui le molecole di liquido evaporano risulta uguale a quella con cui le molecole di vapore condensano ed in tali condizioni si definisce la tensione di vapore.

Tensione di vapore: è la pressione esercitata dal vapore in equilibrio dinamico con il proprio liquido.

Ogni liquido possiede una propria tensione di vapore, che dipende dall’intensità delle interazioni intermolecolari.

Volatilità elevata = tensione di vapore elevata

Tensione di vapore (segue)

A esempio, l’acqua è meno volatile dell’alcool e quindi ha una minore tensione di vapore perché i legami ad idrogeno intermolecolari sono più intensi.
La temperatura ha un effetto notevole sulla tensione di vapore di un liquido.
In particolare la tensione di vapore aumenta in maniera esponenziale con l’incremento di temperatura.
La temperatura a cui la tensione di vapore uguaglia la pressione esterna rappresenta la temperatura di ebollizione del liquido in quelle condizioni di pressione.

Effetto della temperatura sulla tensione di vapore di un liquido

Effetto della temperatura sulla tensione di vapore di un liquido


Soluzioni

Una soluzione è un sistema omogeneo (monofasico) formato da due o più componenti.Un sistema è una porzione di materia ben definita contenente unao più sostanze. Unsistema può essere:

  • omogeneo, se la materia si presenta come un’unica fase
  • eterogeneo, se coesistono più fasi

Una fase è una porzione di sistema omogeneo, in cui la materia si presenta con la stessa composizione chimica e lo stesso stato di aggregazione.
Per valutarel’omogeneità di una soluzione si considera una piccola porzione di sistema monofasico (in genere un cubetto di lato 10-7– 10-6 cm).Se nel cubetto i singoli componenti della soluzione non sono distinguibili, si ha una soluzione perché il sistema è omogeneo;in ogni cubetto c’è la stessa proporzione tra i vari componenti.

Soluzioni (segue)

Si possono avere soluzioni nei tre stati fisici e cioè:

  • solide, come le leghe (solido/solido) o le schiume (gas/solido)
  • liquide, ottenute dalla solubilizzazione in un liquido di solidi, liquidi o gas
  • gassose, come le miscele di due o più gas

A fianco sono riportati alcuni esempi comuni di sostanze che formano o che non formano soluzioni.


Soluzioni liquide

Nelle soluzioni liquide si usano i termini di solvente e soluto/i

Solvente: il componente in eccesso.
Il solvente fa diminuire le forze di coesione tra le particelle e solvata le particelle disciolte mediante interazioni idrofiliche (esempio: solvente acqua) o idrofobiche (esempio: solvente benzene).

Soluto: il componente in minor quantità.
In una soluzione ci possono essere più soluti , ma sempre un unico solvente . Il soluto viene portato in soluzione (solubilizzato) dal solvente.

Soluzioni acquose

L’ acqua forma soluzioni liquide con solidi, liquidi e gas.
L’ acqua possiede elevato potere solvente nei riguardi di sostanze ioniche e polari .
Le elevati proprietà solventi dell’acqua sono dovute al fatto che essa:

  • possiede un’ elevata costante dielettrica
  • idrata le molecole di soluto
  • forma legami a idrogeno con il soluto
Esempi di solubilizzazioni in acqua

Esempi di solubilizzazioni in acqua


Soluzioni acquose (segue)

Solubilità: è la quantità di soluto disciolta in una quantità prefissata di solvente (ad una data temperatura).
Soluzione satura: contiene disciolta la massima quantità di soluto (ad una data temperatura).
Per allestire una soluzione satura si aggiunge soluto finché, dopo aver atteso l’equilibrio, si osserva la presenza di soluto indisciolto (da eliminare per filtrazione).

Parametri che influenzano la solubilità

La solubilità di un soluto è influenzata da:

  • natura del soluto e del solvente
  • temperatura
  • pressione (per i soluti gassosi).

Effetto della temperatura sulla solubilità

La solubilità di solidi e liquidi in genere aumenta con la temperatura perché la solubilizzazione è quasi sempre un processo endotermico (durante la sua preparazione la soluzione si raffredda).

In qualche caso però ( Li2SO4 ) la solubilità decresce con l’aumento di temperatura, perché il processo è esotermico.

Invece la solubilità dei gas in genere decresce con la temperatura.

Esempi:
Solubilità di CO2 (a P = 1 atm): 1,7 ml/ml di H2O (a 0°C )

0,9 ml/ml di H2O (a 20°C )

Solubilità di O2(a P = 1 atm): 0,05 ml/ml di H2O (a 0°C )

0,03 ml/ml di H2O (a 20°C )

Ci sono deviazioni da questo comportamento, se ad esempio i gas reagiscono con l’acqua.

Effetto della pressione sulla solubilità

La solubilità dei gas è positivamente influenzata dalla pressione , come spiegato dalla legge di Henry.

Legge di Henry : a temperatura costante la quantità di gas disciolta in un liquido è direttamante proporzionale alla sua pressione sulla soluzione.

La legge è valida per soluzioni diluite di gas poco solubili e che non reagiscono con il solvente (O2, N2, …).

La Legge di Henry spiega perché i sommozzatori possono incappare nell’embolia gassosa.

Il rapido ritorno alla pressione atmosferica del sommozzatore rende meno solubili nel sangue i gas respirati dall’aria delle bombole (azoto).

Si formano quindi bolle d’aria nel sangue (embolia gassosa) che ostruiscono il flusso sanguigno nei vasi.

Concentrazione di una soluzione

Esistono vari modi per esprimere la concentrazione di una soluzione;  tra essi il più utilizzato è quello della molarità, come a fianco riportato.

Il significato di molarità risulta chiaro con questo esempio:
Una soluzione 0,2 M contiene disciolti 0,2 moli di soluto in 1 litro di soluzione
Se si considerano 100 ml della stessa soluzione, vi saranno disciolti 0,02 moli di soluto

Molto usate per i calcoli stechiometrici sono le formule inverse della molarità riportate a fianco.


Concentrazione di una soluzione (segue)

Altri modi per esprimere la concentrazione di una soluzione sono riportati a fianco.

Il significato di molalità risulta chiaro con questo esempio:

Una soluzione 1,5 m contiene disciolti 1,5 moli di soluto in 1 kg di solvente

La molalità (m) è un rapporto tra masse e quindi non è influenzata dalla temperatura (invece M varia con T).


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