soluzioni.ppt — Agraria

Caso di soluzione ottenuta da una reazione chimica col solvente

Solubilizzazione di un composto ionico ad opera dell’acqua La variazione di energia si chiama H_dissoluzione

Alcuni solidi si sciolgono in liquidi con processo endotermico altri con

L’etichetta su una bottiglia di

acido cloridrico concentrato

Sono miscele omogenee di due o più sostanze

Componenti

Sostanze che compongono la soluzione

Componente presente in maggiore quantità

Ogni altro componente

LE SOLUZIONI

Solvente

Soluto

Le proprietà delle soluzioni

non

dipendono dalle quantità assolute

di ciascun componente quanto dai rapporti tra le quantità dei vari

componenti ovvero

dalle quantità relative

dei vari componenti →

Percentuale in massa (m%).

La quantita' di soluto e' espressa in unita'

di massa (ad esempio g) ed e' rapportata

in percentuale alla massa della soluzione

espressa nelle stesse unita' di misura:

m (%) = m

/m

x100

Quindi m(%) rappresenta grammi di soluto

per 100 grammi di soluzione

Metodi misura della concentrazione

in soluzioni ideali

Percentuale in volume

La quantita' di soluto e' espressa in unita' di

volume (ad esempio l) ed e' rapportata in

percentuale al volume della soluzione

espressa nelle stesse unita' di misura

V(%)=V

/V

x100

Poco usato perché i volumi spesso non

sono additivi

Le percentuali

Indica la composizione percentuale dei vari

componenti la soluzione.

Percentuale in moli

: moli di soluto in 100 moli totali

Percentuale in peso

(

% P/P

)

: grammi di soluto in 100

grammi totali

Percentuale in peso di soluto per volume di soluzione

(

% P/V

): grammi di soluto in 100 ml totali

Percentuale in peso rispetto al solvente

: grammi di

soluto in 100 g di solvente puro

Percentuale in volume

(

%V/V

): volume di soluto in

100 volumi di soluzione

Metodi misura della concentrazione

Frazione molare ()

La quantita' di soluto e' espressa in moli ed e'

rapportata alla quantita' di soluzione espressa

come somma delle moli di tutti i componenti:

n

/n

Quindi la frazione molare  rappresenta il

numero di moli di soluto che corrisponde ad 1

mole di soluzione.

Metodi misura della concentrazione

Molarita' (M)

La quantita' di soluto e' espressa in moli

ed e' rapportata alla quantita' di soluzione,

espressa in litri:

M= n/V(l)

con n= numero di moli

V= volume in l

Quindi la molarita' rappresenta il numero

di moli di soluto presenti in 1l di soluzione

Molalita' (m )

La quantita' di soluto e' espressa in moli ed e'

rapportata alla quantita' di solvente (non

soluzione) espressa in kg :

m= n/m

(kg)

Quindi la molalita' rappresenta il numero di moli di

soluto presenti in 1kg di solvente + utile della M

quando la temperatura della soluzione varia

• Parti per milione

ppm= parti soluto/10

parti soluzione

• Parti per miliardo

ppb= parti soluto/10

parti soluzione

Le parti possono essere espresse in massa

o in volume

Normalità (N)

N= n

/V (l)

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. La

normalità dipende dal tipo di reazione cui il

soluto prende parte.

EQUIVALENTI

Peso equivalente: di una sostanza la sua quantità in grammi che reagisce completamente con 1 g di idrogeno o con 8 g di ossigeno.

Un composto può entrare in reazioni diverse con rapporti stechiometrici diversi, il peso equivalente non può essere dedotto a priori ma solo considerando il

composto nel contesto della reazione a cui partecipa o per la quale deve essere usato.

Si definisce equivalente o grammoequivalente di una sostanza la quantità in grammi corrispondente al peso equivalente.

Gli equivalenti o sono quantità in grammi delle diverse sostanze che reagiscono completamente tra loro.

P.M.

z

P.E. =

Per un elettrolita (acido, base, sale) il numero di equivalenza z è uguale al numero di equivalenti del suo anione o del suo catione

 Per un catione o un anione il numero di equivalenza z coincide con la sua carica. m (g)

PE (g/eq)

n_eq (eq) = _{= z (eq) • n (mol)}

 z è uguale al numero di elettroni ceduti o acquistati da una sostanza durante una reazione redox

Esempio 

Calcolare il peso equivalente dei seguenti acidi o basi: a)

perclorico; b) solforico; c) idrossido di zinco

a) HClO

monovalente quindi

→

z = 1 eq/mol

P.E. = P.M./z = 100.46 (g/mol)/ 1(eq/mol) = 100.46 g/eq

b) H

SO

divalente quindi z = 2 eq/mol

→

P.E. = P.M./z = 98.08 (g/mol)/ 2(eq/mol) = 49.04 g/eq

c) Zn(OH)

divalente quindi z = 2 eq/mol

→

Reazione di neutralizzazione.

Il peso equivalente è il peso in grammi

di sostanza che cede una mole di H

se si tratta di un acido o acquista

una mole di H

se si tratta di una base. P.E.=P.M.\n° moli H

scambiati

Reazione di ossidoriduzione.

Il peso equivalente è il peso in

grammi di sostanza che acquista o cede una mole di elettroni.

-Esempio

Calcolare il peso equivalente di KMnO

nella semireazione di

riduzione in ambiente acido. Determinare, inoltre la normalità di una

soluzione che contiene 0.02 moli di KMnO

in un litro.

MnO

+ 8H

+ 5e

Mn

_→

+ 4H

O

PE (KMnO

) = PM / 5 = 158 /5 = 31.6 g/eq

Poiché 0.02 moli su 1 l 0.02 M

→

elemento Cloro Sodio Magnesio Zolfo Calcio Potassio Bromo Carbonio Stronzio Boro Silicio Fluoro Argo Azoto Litio Rubidio Fosforo Iodio Bario Indio Zinco Ferro Alluminio Molibdeno Selenio Stagno Rame Arsenico Uranio mg/litro 18.980 10.540 1.350 885 400 380 65 28 8 4,6 3 1,3 0,6 0,5 0,17 0,12 0,07 0,06 0,03 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,004 0,003 0,003 0,003 0,003 elemento Nichel Vanadio Manganese Titanio Antimonio Cobalto Cesio Cerio Ittrio Argento Lantanio Cripto Neon Cadmio Tungsteno Xeno Germanio Cromo Torio Scandio Piombo Mercurio Gallio Bismuto Niobio Tallio Elio Oro mg/litro 0,002 0,002 0,002 0,001 0,0005 0,0005 0,0005 0,0004 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,00007 0,00005 0,00005 0,00004 0,00003 0,00003 0,00003 0,00002 0,00001 0,00001 0,000005 0,000004

Attività

Il concetto di

attività viene inteso come la concentrazione con la

attività

quale le specie prendono effettivamente parte ad un

processo

L'attività è in relazione con la concentrazione analitica C (per i gas

la pressione parziale p) tramite l'equazione

a = f*C (a = f*p, per i gas),

dove

a è

a

l’attività della

l’attività

specie in esame

specie in esame

a concentrazione C (o

a concentrazione C

pressione parziale p) e

f, detto

f

coefficiente di attività, è un

coefficiente di attività

fattore correttivo adimensionale

fattore correttivo adimensionale con valori compresi tra 0 e 1.

Per concentrazioni

< 10

< 10

esso tende a 1; per concentrazioni

_{esso tende a 1}

> 10

_{> 10}

3

_{esso tende a zero quanto più la soluzione è concentrata:}

_{esso tende a zero quanto più la soluzione è concentrata:}

esso quindi è una misura della non idealità del componente in

esame

Responsabile di questo fenomeno nel caso di ioni è l’attrazione

elettrostatica tra due ioni in soluzione concentrata nella quale

gli ioni reagiscono elettrostaticamente in modo rilevante

Soluzione1

a concentrazione

M

, volume

V

→

soluzione2

a concentrazione

M

(M

< M

) e

V

, tra le due soluzioni esiste la relazione:

V

M

= V

M

Soluzione a concentrazione nota → soluzione a

concentrazione minore

LE DILUIZIONI

La molarità M di una soluzione di densità

d

(g/ml) in cui

m%

è la

percentuale in peso del generico soluto B di peso molare PM

si ricava

dalla seguente relazione:

M =

m% • d

PM

Preparazione di un litro di

CuSO4 per diluizione

Solubiltà = massima concentrazione di soluto ottenibile a una certa T o concentrazione della soluzione in presenza di un corpo di fondo

Hsoluzione.= E

+ H

Queste due energie dipendono

dalla carica e dalle dimensioni

degli ioni dove

E

energia che occorre fornire

per allontanare gli ioni del reticolo

a distanza infinita

Se E

> H

processo

endotermico

Se E

< H

processo

esotermico

La dissoluzione di solidi contenenti

ioni a carica elevata (es. AlF

,

Cr

O

) è troppo endotermica

(elevata E

) perché tali solidi

possano essere molto solubili in

acqua.

Effetto dell’aumento di

temperatura sulla

Legge di Henry

P

= k C

Dove P è la pressione

parziale del gas e C la

concentrazione del gas

disciolto nel liquido.

Valida per gas che non

interagiscono col

Tensione di vapore della

solzione se il soluto è

poco volatile pari a quello

del solvente in soluzione

Legge di Raoult

Soluzioni ideali a due componenti (volatili)

P = P

+ P

(legge di Dalton)

Soluzione ideale: le forze

attrattive A-B devono essere simili

alle forze attrattive A-A e B-B

(es. benzene-toluene)

P =



P°

+



P°

Soluzioni non ideali con deviazioni positive

Le forze attrattive A-B sono più deboli delle forze attrattive A-A

e B-B (T

più bassa; es. acqua-etanolo; etanolo-benzene)

Soluzioni non ideali con deviazioni negative

Le forze attrattive A-B sono più forti delle forze attrattive A-A e

B-B [T

più alta; es. acqua-acido (legami idrogeno); acetone-

cloroformio]

Processo esotermico

DISTILLAZIONE

“Liquidi diversi hanno punti di ebollizione

diversi”

Distillazione Semplice

-per liquidi con grandi ΔT

.

Distillazione Frazionata

-per liquidi con piccole ΔT

.

Distillazioni in corrente di vapore

:

permettono di separare da solventi acquosi e organici

liquidi a basso punto di ebollizione, che sono

difficilmente isolabili in altro modo.

ES. Olii essenziali di piante (essenza di menta,

limone, basilico, ecc.)

Distillazione (miscele ideali)

La distillazione semplice non è un procedimento efficace in quanto è necessario sottoporre una miscela a più distillazioni successive per ottenere un distillato che comunque conterrà una parte del liquido con cui era miscelato

1. La miscela o soluzione liquida è bollita per vaporizzare i componenti più volatili nella miscela.

2. Il vapore è raffreddato da acqua fredda nel condensatore in modo da liquefarlo e raccoglierlo in un recipiente.

Distillazione frazionata

La distillazione frazionata comprende 2 stadi principali, entrambi sono cambiamenti di stato fisico. Questa distillazione si applica a liquidi con differenti punti di ebollizione

•La miscela o soluzione liquida è bollita per

vaporizzare i componenti più volatili nella miscela (transizione liquido gas). I granuli solidi che sono depositati sul fondo, unitamente ad un'attenta regolazione del flusso di calore riscaldante, favoriscono un'ebollizione omogenea. Infatti, un'ebollizione tumultuosa può favorire la

presenza nel "cuore" di componenti altobollenti che trascinati dai vapori caldi.

•Il vapore sale attraverso una colonna di

frazionamento, dove avviene la separazione.

Questa colonna non è usata nella distillazione semplice descritta in precedenza.

•Il vapore distillato è raffreddato da acqua fredda nel condensatore (transizione vapore liquido) e ritorna in fase liquida che gocciola nel

Alla fine: benzene quasi puro come distillato e

toluene quasi puro come residuo

Principio di funzionamento di una colonna di distillazione e piatti. La miscela liquida da distillare (A + B), il cui comportamento è supposto quasi ideale, viene riscaldata alla temperatura di ebollizione ed il vapore sale passando attraverso dei piatti muniti di fori a valvola (in modo da permettere solo l'ingresso). La temperatura del vapore va diminuendo dal basso verso l'alto, ed è regolata in modo da raggiungere (all'altezza dell'ultimo piatto) un valore prossimo alla temperatura di condensazione del componente più volatile.

Lungo il percorso, una parte del vapore condensa raccogliendosi nei piatti e quando in un piatto il livello del liquido raggiunge l'altezza dello sfioratore, il liquido trabocca nel piatto sottostante e così via.

Nel corso del processo, quindi, si ha una corrente di vapore che sale, riscaldando i successivi strati di liquido contenuti nei piatti cha attraversa; in questo modo, il vapore si arricchisce del componente più volatile, A. Contemporaneamente, si ha un flusso di liquido che scende e diventa sempre più ricco del componente meno volatile, B.

Distillazione (miscele non ideali)

Raoult:

dev. positive

Da sinistra: etanolo quasi puro come residuo e azeotropo come distillato Da destra: benzene quasi puro come

residuo e azeotropo come distillato

Raoult:

dev. negative

Da sinistra: cloroformio quasi puro come distillato e azeotropo come residuo Da destra: acetone quasi puro come

Nei fermentatori non si può ottenere etanolo puro da

soluzioni acquose, perché l’etanolo forma con l’acqua un

azeotropo minimobollente al 95% in etanolo.

Le curve di riscaldamento e di

raffreddamento dell’acqua pura

e di una soluzione acquosa

(verde)

Abbassamento crioscopico e innalzamento

ebullioscopico di una soluzione

T

= K

m

T

=K

m

Effetto dell’osmosi sui cetrioli e

le prugne

Fase disperdente

(simile a un solvente)

Fase dispersa

(simile a un soluto)

Il colloide è la fase dispersa

(= 1-1000 nm).

Sistemi intermedi fra le soluzioni (omogenee) e le sospensioni (particelle

separabili meccanicamente)

Le particelle colloidali presentano un’elevata area

superficiale e presentano, solitamente, un’elevata

carica.

La presenza di cariche dello stesso segno sulla

superficie delle particelle fa’ si che queste si

respingano fra loro e ne impedisce l’aggregazione e

quindi la precipitazione.

L’aggiunta di elettroliti ne facilita l’aggregazione e la

precipitazione (coagulazione o flocculazione).

moto browniano: osservando all'ultramicroscopio una

soluzione colloidale, si nota che le particelle in essa disperse si

muovono continuamente a "zig-zag". Questo movimento è

dovuto alle continue collisioni con le molecole circostanti del

mezzo disperdente: poiché la risultante di questi urti può essere

non nulla ed orientata in una qualsiasi direzione, le particelle

disperse si muovono ora da una parte ora dall'altra, del tutto a

caso.

Colloidi idrofili:

affinità tra le particelle disperse e la fase disperdente

(acqua). Presenza di gruppi polari come –OH, –NH

, =CO che possono

interagire con il mezzo disperdente (es. ione-dipolo, legame idrogeno)

e stabilizzare il colloide.

Es. gelatine, budini, proteine, amido.

Colloidi idrofobi:

scarsa affinità tra le particelle disperse e la fase

disperdente (acqua). Stabilità dovuta alle repulsioni tra le particelle o con

la fase disperdente.

Es. dispersioni di grassi in acqua (latte) o di acqua nei grassi (maionese).

Il riscaldamento, aumentando la velocità e la frequenza degli urti fra

le particelle, può favorire l’aggregazione.

Aumentando la concentrazione delle particelle, un

sol

può

passare allo stato di

gel: una dispersione finissima di

particelle solide che ha una consistenza gelatinosa. Al

contrario, diluendo un gel si può tornare ad un sol. Quindi,

ciò che differenzia un sol da un gel è la sua consistenza

rispettivamente fluida o gelatinosa

sol

(es., sali poco solubili dispersi in acqua): dispersione in forma

liquida

gel

(es., idrossidi di Fe e Al, gelatina di brodo, gel di silice): si forma

una struttura rigida in cui viene catturata la fase disperdente.

gel

T

sol

Tecniche di separazione dalla fase disperdente: ultrafiltrazione,

ultracentrifugazione

Le particelle disperse hanno dimensioni simili a quella della

lunghezza d’onda della luce, quindi sono in grado di diffondere la

luce (effetto Tyndall)

quando un raggio luminoso investe una soluzione, la attraversa

direttamente: notare il puntino rosso del laser che colpisce lo schermo e la traccia del laser (per diffusione trasversale) nella soluzione.

quando un raggio luminoso investe una dispersione, la luce viene

diffusa in tutte le direzioni: notare che il puntino rosso del laser non colpisce lo schermo