Rapporti stechiometrici molari e ponderali

SOLUZIONI

La soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze. Ha la stessa composizione e le stesse caratteristiche in tutti i suo punti. Le sostanze che vengono mescolate per dare una soluzione possono trovarsi in vari stati di aggregazione. In una soluzione si distinguono:

SOLVENTE cioè la sostanza presente in quantità maggiore

SOLUTO cioè la sostanza presente in quantità minore. In soluzioni solido-liquido il soluto è sempre la componente solida.

Le soluzioni possono essere:

GASSOSE miscele di gas. Esempio  N2 e O2

LIQUIDE miscele di gas o liquido o solido in un liquido. Esempio acqua gassata, acqua e alcool, acqua e cloruro di sodio

SOLIDE solidi in cui un componente è disperso in modo casuale nell'altro componente. Esempio alcuni tipi di leghe: bronzo.

Concentrazione di una soluzione

La concentrazione di una soluzione rappresenta le quantità relative delle sostanze che sono contenute in essa. 

Le soluzioni sono spesso definite come diluite, concentrate o sature, ma questi termini hanno solo valore qualitativo e generalmente si riferiscono alla quantità massima di soluto che può essere disciolto. In effetti, una soluzione diluita di una sostanza molto solubile può contenere più soluto di una soluzione concentrata di una sostanza moderatamente solubile. E' necessario descrivere la concentrazione in termini quantitativi, dato che le proprietà delle soluzioni dipendono dalle quantità relative delle sostanze presenti. 

In chimica si usano diversi modi per esprimere le concentrazioni allo scopo di sottolineare proprietà diverse delle soluzioni.

Percentuale in massa

Esprime la massa di soluto (in grammi) contenuta in 100 g di soluzione. Si calcola moltiplicando per 100 il rapporto tra la massa in grammi del soluto ed la massa in grammi della soluzione (massa in grammi di solvente + massa in grammi di soluto).

Percentuale in volume

Esprime il volume di un soluto (in millilitri) contenuta in 100 ml di soluzione. Si calcola moltiplicando per 100 il rapporto tra i millilitri del soluto e i millilitri della soluzione (ml solvente + ml soluto).

Molarità

La molarità è il modo più largamente usato per dare una misura della concentrazione. Rappresenta il numero di moli di soluto per litro di soluzione. Una mole di una sostanza pesa lo stesso numero di grammi che esprime il suo peso molecolare. Una mole di una certa sostanza contiene lo stesso numero di molecole contenute in una mole di qualsiasi altra sostanza. Il simbolo della molarità è M. Una soluzione 0,5 M, ad esempio, si prepara pesando mezza mole di soluto e facendola sciogliere in una certa quantità di solvente; si aggiunge poi ancora del solvente puro fino a che il volume totale è un litro. Per compiere questa operazione i chimici adoperano le burette o i matracci che sono dei recipienti in vetro, graduati in modo da contenere volumi noti. Il concetto di molarità è utile perché, dato che si conosce la quantità di soluto contenuta in un dato volume, si possono dosare quantitativamente le sostanze con rapidità e precisione in base a misure di volume.

Molalità

La molalità (m) di una soluzione è il numero di moli di soluto per chilogrammo di solvente, (per l'acqua, un litro pesa appunto un chilogrammo). Le soluzioni molali si preparano pesando le giuste quantità di soluto e di solvente e mescolandole. A differenza della molarità, che si basa sul volume della soluzione, la molalità si basa sul peso del solvente. La molalità esprime il rapporto soluto/solvente; per un dato solvente due soluzioni diverse di uguale molalità hanno lo stesso rapporto fra molecole di soluto e molecole di solvente, è una unità di concentrazione particolarmente utile per trattare le proprietà colligative (quelle che dipendono solo dal numero o dal rapporto delle molecole) di una soluzione, come, ad esempio, l'abbassamento del punto di congelamento.

Peso percento (o percento in peso)

Quando non si conosce il peso molecolare di un soluto, o quando questo non interessa la concentrazione può essere espressa in termini del peso del soluto rispetto al peso della soluzione. Si assume che una soluzione acquosa diluita pesi un chilogrammo per litro, cosicché una soluzione al 5%, ad esempio, viene preparata ponendo 50 grammi di soluto in un pallone graduato, sciogliendo il soluto con acqua e riempiendo il contenitore fino al segno di un litro.

Normalità

La normalità (N) di una soluzione esprime il numero di equivalenti di soluto per litro di soluzione. Gli equivalenti sono le quantità di sostanza che hanno la stessa capacità di combinazione nelle reazioni chimiche. Gli equivalenti sono numericamente uguali alle moli o a frazioni semplici di esse; le soluzioni normali si preparano in modo simile alle soluzioni molari.

Frazione molare

Le equazioni termodinamiche vengono scritte frequentemente usando la frazione molare, che è il rapporto tra il numero di moli di ciascun componente e il numero totale di moli di tutti i componenti. Questa unità di concentrazione riesce particolarmente utile nel caso di due o più liquidi (o gas) completamente miscibili tra loro: ad esempio, soluzioni di acqua, alcool e acido acetico; l'uso della frazione molare evita di dover specificare qual è il soluto e qual è il solvente.

Solubilità

Si definisce solubilità di una sostanza in un determinato solvente la concentrazione massima che essa può raggiungere in quel solvente a una data temperatura. Di solito la solubilità si esprime in grammi di soluto per 100 g di solvente

Una soluzione si dice:

satura  se, in una certa quantità di solvente, non è possibile sciogliere ulteriore soluto;

insatura  se la quantità di soluto disciolto è minore della quantità necessaria affinché la soluzione sia satura;

sovrassatura  se la quantità di soluto disciolto è maggiore della quantità necessaria affinché la soluzione sia satura. Le soluzioni sovrassature sono instabili e tendono a raggiungere lo stato di soluzioni sature separando soluto allo stato puro.

La solubilità di una sostanza dipende da vari fattori:

natura del soluto

natura del solvente

temperatura in generale all'aumento della temperatura aumenta la solubilità delle sostanze solide, mentre diminuisce quella delle sostanze gassose.

Pressione l'aumento di pressione provoca un aumento della solubilità, ma solamente nei gas.

Solubilità dei composti ionici dei composti ionici (sali) in acqua

Sono solubili in acqua i sali che contengono

i cationi dei metalli alcalini (Li+, Na+, K+, ecc.)

lo ione ammonio, NH4+

gli ioni acetato (CH3COO-), nitato (NO^3-), nitrito (NO^2-) e perclorato (ClO4^-)

gli ioni Cl-, Br- e I- (eccetto i loro sali con Ag+, Pb2+, Hg2²⁺ e HgI2)

lo ione SO4^2- (eccetto i suoi sali con Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+)

gli ossoanioni acidi

Sono poco solubili o insolubili in acqua i composti ionici che contengono

gli ioni O2- (ossidi) e OH- (idrossidi), eccetto quelli di Ca2+, Sr2+, Ba2+, ioni alcalini

lo ione S2-, eccetto i sali con gli elementi dei gruppi 1 e 2

gli ioni carbonato (CO3^2-), fosfato (PO4^3-) e arsenato (AsO4^3-)

gli anioni polimerici derivati da ossoacidi

Il criterio per prevedere la solubilità delle sostanze ioniche in acqua

Dalla formula della sostanza ionica non è possibile prevedere la sua solubilità in acqua.

L'equilibrio di solubilizzazione in acqua dà il criterio termodinamico per sapere quanto una sostanza ionica si scioglie in acqua.

CaSO4    Ca2+ + SO4 ^2-

In acqua si stabilisce l'equilibrio fra il sale solido che non si scioglie e gli ioni che sono in soluzione e quindi si può ottenere una costante di questo equilibrio.

Il prodotto di solubilità

Il prodotto di solubilità (Kps)è il prodotto delle concentrazioni molari degli ioni in soluzione all'equilibrio (alla fine della reazione di solubilizzazione). Ciascuna concentrazione è elevata ad una potenza che coincide con i coefficienti stechiometrici della reazione di solubilizzazione.

K ps(CaSO4) = [Ca2+][SO42-]

K ps(Fe(OH)3) = [Fe3+][OH-]3

Quanto più è piccolo il valore del prodotto di solubilità tanto è meno solubile il sale in acqua.

La solubilità ed il principio di Le Chatelier

La solubilizzazione della maggior parte delle sostanze ioniche in acqua è un processo endotermico: la solubilità di queste sostanze aumenta con la temperatura.

La solubilizzazione della maggior parte delle sostanze molecolari è un processo esotermico: la solubilità di queste sostanze diminuisce con l'aumentare della temperatura.

La solubilità dei gas aumenta con la loro pressione a causa della diminuzione del volume nel passaggio dallo stato gassoso a quello liquido.