14 - La dissoluzione e la solubilità delle sostanze PDF

Preview

Summary

Riassunto pdf lezione...

Description

Associazione culturale “Dictatum Discere” - Corso di Chimica - Anno 2014

14) LA DISSOLUZIONE E LA SOLUBILITÀ DELLE SOSTANZE Indice

Pagina

Le dispersioni ................................................................................................................................. 167 Le dispersioni omogenee (soluzioni)............................................................................................... 167 Le dispersioni eterogenee ................................................................................................................ 167 Le soluzioni e la dissoluzione delle sostanze ................................................................................ 168 La dissoluzione chimica: solvatazione e solvolisi ........................................................................... 168 Formazione di soluzioni molecolari e soluzioni ioniche ................................................................. 168 Grado di dissociazione (o grado di idrolisi) di una sostanza in soluzione acquosa......................... 169 Principio de “il simile scioglie il simile”......................................................................................... 169 Classificazione dei solventi............................................................................................................ 169 Solventi polari e apolari................................................................................................................... 169 Polarità del solvente e costante dielettrica....................................................................................... 169 Solventi protici, aprotici e idrogeni acidi ........................................................................................ 170 Definizione di concentrazione di una soluzione .......................................................................... 171 La Solubilità S................................................................................................................................ 171 Curve di solubilità (dipendenza della solubilità di un composto dalla temperatura)....................... 171 Sistemi a solubilità diretta (Solubilità direttamente proporzionale alla temperatura). .................... 171 Sistemi a solubilità indiretta (Solubilità inversamente proporzionale alla temperatura)................. 172 Definizione di soluzione satura ....................................................................................................... 172 Equilibri di solubilità ed effetto dello ione comune ........................................................................ 172 Definizione di soluzione insatura .................................................................................................... 173 Definizione di soluzione sovrassatura ............................................................................................. 173 Reazioni di precipitazione ............................................................................................................... 173 Solubilità dei gas ............................................................................................................................. 174 Dipendenza dalla pressione ............................................................................................................. 174 Dipendenza dalla temperatura ......................................................................................................... 174 Altri fattori che influenzano la solubilità dei gas sono.................................................................... 174

Schede riassuntive del capitolo..................................................................................................... 175

166

Capitolo 14 – La dissoluzione e la solubilità delle sostanze – A cura della Dott.ssa Daniela Cotza - e-mail: [email protected] - cell. 328.2680426

Associazione culturale “Dictatum Discere” - Corso di Chimica - Anno 2014

LE DISPERSIONI Le dispersioni sono sistemi costituiti da più componenti i quali che possono essere presenti in una fase (stato fisico) uguale o diversa. In esse, il componente presente in quantità maggiore assume il nome di fase disperdente (o veicolo), mentre i componenti presenti in quantità minore sono chiamati fasi disperse. Le dispersioni si distinguono in omogenee (soluzioni) ed eterogenee (sol o emulsioni)

1) DISPERSIONI OMOGENEE (SOLUZIONI) La fase dispersa è solubile nel veicolo

2) LE DISPERSIONI ETEROGENEE La fase dispersa non è solubile nel veicolo

Sospensioni colloidali (sol o colloidi)

Emulsioni

Le dispersioni omogenee (soluzioni) Le soluzioni sono miscugli omogenei in cui un componente (solido, liquido o gassoso) è presente in quantità maggiore rispetto agli altri, i quali sono solubili in esso. In esse, la fase disperdente e le fasi disperse sono chiamati: Solvente: Il componente presente in misura maggiore (fase disperdente). Soluti: I componenti che sono presenti in quantità minore nella soluzione (fasi disperse). Stato fisico della soluzione Lo stato di aggregazione del solvente determina quello della soluzione Se il solvente è liquido abbiamo una soluzione liquida, se il solvente è presente in fase gassosa la soluzione è gassosa (ad es. l’aria), se il solvente è presente in fase solida la soluzione è solida (ad es. le leghe). Quando nelle soluzioni liquide il solvente è l’acqua la soluzione è definita soluzione acquosa, se il solvente è l’alcol etilico la soluzione è definita soluzione alcolica, se abbiamo soluzioni dei metalli nel mercurio, esse vengono definite amalgami, etc. Queste ultime hanno la caratteristica di essere solide se sono concentrate, oppure si presentano liquide se diluite. Le dispersioni eterogenee Nelle dispersioni eterogenee i componenti presenti in quantità minore non sono solubili nella fase disperdente. Le dispersioni eterogenee vengono classificate in:  Sospensioni o sol (dispersioni colloidali) Sono preparazioni liquide in cui delle particelle solide sono disperse in un liquido nelle quali non sono solubili. Un esempio di dispersione colloidale è quella che si ottiene quando versiamo le proteine in acqua. Gli aerosol sono invece, sono dispersioni di particelle liquide in un gas (es. la nebbia).  Emulsioni Sono preparazioni costituite da due componenti liquidi che sono immiscibili tra loro. Il componente presente in minore quantità si trova disperso nell’altro liquido sotto forma di goccioline. Un esempio di emulsioni sono quelle olio/acqua in cui l’olio è disperso nell’acqua come goccioline, e le emulsioni acqua/olio, in cui è l’acqua ad essere dispersa nell’olio come goccioline. Si ottengono tramite procedimenti meccanici. Capitolo 14 – La dissoluzione e la solubilità delle sostanze – A cura della Dott.ssa Daniela Cotza - e-mail: [email protected] - cell. 328.2680426

167

Associazione culturale “Dictatum Discere” - Corso di Chimica - Anno 2014

LE SOLUZIONI E LA DISSOLUZIONE DELLE SOSTANZE La dissoluzione chimica: solvatazione e solvolisi Per ottenere una soluzione occorre disciogliere il soluto (che nella maggior parte dei casi è solido) nel solvente, affinché questo agisca determinandone la separazione nei suoi componenti, nel processo che viene definito genericamente solubilizzazione o ancora dissoluzione. Dissolvere un soluto in un solvente significa sciogliere il composto e fare in modo che la sua struttura solida, liquida o gassosa vada a scindersi nei suoi componenti, con solvatazione di questi. Nel fenomeno della dissoluzione il solvente (ad esempio l’acqua) agisce disperdendo il soluto a livello di singole molecole (saccarosio) o ioni (Na+Cl-), ciascuno di essi circondato da molecole di solvente (il termine tecnico che descrive questo fenomeno è solvatazione o idratazione nel caso dell’acqua).

saccarosio saccarosio

Cristallo di Saccarosio

Nei confronti di alcuni soluti il solvente può agire determinando anche la lisi nei suoi componenti, come ad esempio nel caso di NaCl. In tal caso abbiamo un fenomeno di dissociazione chimica e si parla di solvolisi (lisi ad opera del solvente) o idrolisi, se il solvente è l’acqua. Nello specifico, se l’acqua va a idrolizzare un sale si parla di idrolisi salina. NaCl (s) → Na+ (aq) + Cl- (aq) Se l’idrolisi avviene ad opera di una base avviene un’idrolisi basica, mentre se essa avviene ad opera di un acido avviene un’idrolisi acida. Formazione di soluzioni molecolari e soluzioni ioniche 1) Soluzioni molecolari: il soluto si scinde a livello di singole molecole (solubilizzazione fisica).

In tal caso è avvenuto solamente il fenomeno della dissoluzione e solvatazione delle molecole di soluto (non si ha dissociazione). Il saccarosio, il comune zucchero, ad esempio, si dissolve in acqua a livello di singole molecole, che vengono idratate: C12H22O11 (s) → C12H22O11 (aq) In tal caso, dal punto di vista stechiometrico, da 1 mole di saccarosio si ottiene esattamente 1 mole di particelle disciolte. 2) Soluzioni ioniche: il soluto si dissocia in ioni (ad esempio il cloruro di sodio in acqua), nel fenomeno definito appunto dissociazione o idrolisi (solubilizzazione chimica). In tal caso il soluto è idrolizzato a livello di singoli ioni. Il cloruro di sodio, ad esempio, si scioglie e si dissocia in acqua a livello di singoli ioni, dando una soluzione ionica (elettrolitica e quindi conduttrice di elettricità):

NaCl (s) → Na+ (aq) + Cl- (aq) Dal punto di vista stechiometrico, da 1 mole di NaCl si ottengono esattamente 2 moli di particelle disciolte (ioni). Le moli di ioni ottenute quindi dipenderanno dal tipo di ioni che costituiscono il sale: Es.

168

AlCl3 → Al3+ + 3 Cl-

(4 moli di ioni ottenute da 1 mole di cloruro di alluminio)

Capitolo 14 – La dissoluzione e la solubilità delle sostanze – A cura della Dott.ssa Daniela Cotza - e-mail: [email protected] - cell. 328.2680426

Associazione culturale “Dictatum Discere” - Corso di Chimica - Anno 2014

Grado di dissociazione (o grado di idrolisi) di una sostanza in soluzione acquosa Esprime la frazione di moli di soluto che all’equilibrio risultano idrolizzate. Il grado di idrolisi ci informa quindi sulla quantità di soluto che viene idrolizzata dal solvente all’equilibrio. Esso, come abbiamo già visto nel capitolo 13, assume i seguenti valori: α = 1 elettrolita forte α < 1 elettrolita debole α = 0 non elettrolita Principio de “il simile scioglie il simile” E’ possibile, in linea generale, stabilire se un solvente è in grado di sciogliere un soluto, e ciò avviene applicando il principio de “il simile scioglie il simile”. Questa principio si basa sul fatto che solventi polari come l’acqua disciolgono facilmente soluti altrettanto polari, come per es. i solidi ionici (NaCl) o quelli molecolari (HCl, saccarosio, glucosio). Invece solventi apolari come il benzene (C6H6) sciolgono più facilmente soluti apolari come lui, ad esempio gli idrocarburi (composti costituiti solo da carbonio e idrogeno). In verità non sempre è facile spiegare o prevedere i motivi per cui una sostanza è molto o poco solubile in un’altra, perché i fattori che determinano la solubilità sono i più disparati. Su che cosa si basa tale principio? Affinché si abbia la solubilizzazione di un soluto in un solvente devono rompersi i legami intermolecolari presenti tra le molecole del soluto e devono formarsi dei legami intermolecolari tra il solvente e il soluto. Affinché ciò avvenga, tali legami devono essere simili, soprattutto dal punto di vista energetico.

Solventi polari

Solventi apolari

H2 O scioglie soluti che formano con essa:

Il benzene C 6 H6 scioglie soluti che formano con esso

Legami idrogeno (NH 3, C2H 5OH), legami ione-dipolo (NaCl), legami dipolo-dipolo (saccarosio)

Interazioni di Van der Waals (CH 4 , C 3H 8 ecc..)

Riepilogando, i fattori rilevanti nel processo di dissoluzione di una sostanza sono quindi: 1) Polarità del soluto (composto ionico, covalente, polare o non polare) 2) Polarità del solvente (valutata tramite la costante dielettrica) 3) I legami intermolecolari che si instaurano tra loro (principio del simile scioglie il simile) CLASSIFICAZIONE DEI SOLVENTI Solventi polari e apolari I solventi vengono distinti in due grandi gruppi.: Solventi polari, in grado di solubilizzare le sostanze polari come loro (Sali, acidi e basi inorganiche). Solventi apolari, in grado di solubilizzare sostanze apolari come loro (idrocarburi, oli, grassi, ecc). Polarità del solvente e costante dielettrica Un dato che ci permette di valutare il grado di polarità del solvente è la costante dielettrica ε (epsilon).

La costante dielettrica ε esprime la capacità del solvente di isolare cariche di segno opposto. L’acqua ha un valore della costante dielettrica molto elevato (vedi tabella), mentre gli idrocarburi come l’esano hanno una bassissima costante dielettrica, che non permette loro di isolare cationi o anioni. Ecco perché i solventi apolari (con bassa costante dielettrica) non solubilizzano i composti polari.

Capitolo 14 – La dissoluzione e la solubilità delle sostanze – A cura della Dott.ssa Daniela Cotza - e-mail: [email protected] - cell. 328.2680426

169

Associazione culturale “Dictatum Discere” - Corso di Chimica - Anno 2014

Tabella sulla costante dielettrica di alcuni solventi Solvente

Costante dielettrica a 20°C

Acqua

80

Acido formico

55

Miscibilità con l’acqua

Formula di struttura

miscibile

HCOOH

H 2O

Metanolo

30

miscibile

CH 3OH

Acetone

20

miscibile

CH 3COCH3

Acido acetico

10

miscibile

CH3 COOH

Cloroformio

5

~Immiscibile

CHCl3

Etere Etilico

4,5

~Immiscibile

C 2 H5OC 2H5

Benzene

2,5

~Immiscibile

C 6H6

n-esano

2

Immiscibile

CH3 (CH2)4CH 3

Solventi protici, aprotici e idrogeni acidi I solventi polari si distinguono inoltre in protici (che liberano idrogeni acidi) e aprotici (non presentano idrogeni acidi). Gli idrogeni acidi sono quelli legati ad un atomo che possiede elevata elettronegatività (O-H, N-H, F-H, Cl-H, I-H), e che, in virtù di ciò, può essere liberato facilmente come ioni idrogeno H+.

L'acqua, l'etanolo (CH3CH2OH) e l'acido acetico (CH3COOH) sono rappresentanti della famiglia dei solventi protici (in rosso è indicato l’idrogeno acido). Un comune solvente aprotico è ad esempio l'acetone (CH3COCH3).

Etanolo (alcol etilico)

Acido Acetico

Acetone

Solventi polari

Protici Possono liberare idrogeni acidi H+ (Acqua, Metanolo, Etanolo)

Aprotici Non possono liberare idrogeni acidi H + (Acetone, Acetonitrile)

Solventi Apolari Cloroformio, Benzene, Toluene Esano,

170

Capitolo 14 – La dissoluzione e la solubilità delle sostanze – A cura della Dott.ssa Daniela Cotza - e-mail: [email protected] - cell. 328.2680426

Associazione culturale “Dictatum Discere” - Corso di Chimica - Anno 2014

DEFINIZIONE DI CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE La concentrazione di una soluzione viene espressa come la quantità di soluto che si trova disciolto nel solvente. I modi di esprimere la concentrazione di una soluzione verranno trattati più dettagliatamente nel capitolo 15.

LA SOLUBILITÀ (S)

La solubilità di una sostanza indica la quantità massima di sostanza che può sciogliersi in un solvente a temperatura costante

La solubilità è quindi una concentrazione, perché esprime il massimo quantitativo in massa di soluto che possiamo aggiungere ad un dato volume di solvente, ad una data temperatura, in modo che si abbia la sua totale solubilizzazione. Essa di solito è espressa in g/100 ml, e può essere determinata a temperature diverse (vedi tabella sottostante).

Solubilità di alcune sostanze (g/100 ml) Composto

Formula

S

Temperatura

Cloruro di sodio (sale da cucina)

NaCl

37,5

0 °C

Saccarosio (zucchero comune)

C 12H22O 11

211,5

20°C

Carbonato di potassio

K 2CO3

112

20°C

Bicarbonato di potassio

KHCO3

22,4

20°C

Carbonato di calcio

CaCO3

0.00153

25°C

Cloruro d’argento

AgCl

0,000089

10°C

La Solubilità di un composto chimico in un dato solvente dipende: 1) dalla sua struttura chimica (come abbiamo visto trattando la dissoluzione delle sostanze). 2) dalla temperatura. 3) nel caso dei soluti gassosi dipende anche dalla pressione.

Curve di solubilità (dipendenza della solubilità di un composto dalla temperatura) Le curve di Solubilità rappresentano in che modo cambia la Solubilità di un composto in un dato solvente al variare della temperatura. Le curve di solubilità per i solidi e i liquidi possono rappresentare due differenti sistemi: a) Sistemi a solubilità diretta (Solubilità direttamente proporzionale alla temperatura). Nella maggior parte dei solidi e dei liquidi un aumento della temperatura determina un aumento della solubilità. Ciò avviene in quanto la maggior parte delle sostanze solubilizza in acqua in modo endotermico, ovvero la Capitolo 14 – La dissoluzione e la solubilità delle sostanze – A cura della Dott.ssa Daniela Cotza - e-mail: [email protected] - cell. 328.2680426

171

Associazione culturale “Dictatum Discere” - Corso di Chimica - Anno 2014

solubilizzazione del composto richiede l’assorbimento di calore dall’esterno. Questi sistemi vengono chiamati a solubilità diretta. Un esempio è dato dal cloruro di sodio, NaCl, la cui solubilità è 35,7 g/100 ml a 0°C. Se si porta la temperatura a 50°C la sua solubilità aumenta fino a 37,0 g/100 ml. Un riprova di questo fenomeno può essere rilevata nel fatto che i mari tropicali, più caldi, sono più "salati" di quelli glaciali in quanto più ricchi di sali disciolti. b) Sistemi a solubilità indiretta (Solubilità inversamente proporzionale alla temperatura). Alcune sostanze solubilizzano invece in modo esotermico (liberando calore all’esterno) per cui un aumento di temperatura ostacola il processo di solubilizzazione. In tal caso la Solubilità del composto diminuisce all’aumentare della temperatura. Ad esempio la solubilità dell’acido solforico H2SO4 in acqua decresce con l’aumento della temperatura. Non solo, la sua solubilizzazione in acqua può essere anche violenta. Occorre infatti porre molta attenzione quando si vuole ottenere una soluzione acquosa di acido solforico in laboratorio, ed avere l’accortezza di aggiungere gradatamente l’acido all’acqua e non viceversa. Si osserverà che la provetta durante il processo si riscalda.

Solubilità

S Sistemi a solubilità diretta (NaCl)

Sistemi a solubilità indiretta (H2 SO 4)

Temperatura

T

Definizione di soluzione satura Una soluzione satura è una soluzione che contiene la massima quantità di soluto che il solvente è in grado di sciogliere a quella temperatura. Aggiungendo ad una soluzione satura ulteriore soluto, a temperatura costante, questo non si scioglie ma si separa dalla soluzione precipitando come corpo di fondo (se è un solido), formando una nuova fase (se è un liquido) o gorgogliando (se è un gas). Quando ciò avviene la concentrazione del soluto in soluzione è costante ed è rappresentata per l’a...