Soluzioni - Università degli Studi dell`Insubria

Universita’ degli Studi dell’Insubria
Corsi di Laurea in Scienze Chimiche e
Chimica Industriale
Termodinamica
Chimica
Miscele e Soluzioni
[email protected]
http://scienze-como.uninsubria.it/bressanini
Soluzioni
Soluzioni con Solidi e Liquidi


Una soluzione è una miscela omogenea di due o
più specie
Consideriamo una miscela di due componenti, in
cui almeno una delle due non e’ un gas






Liquido-Liquido
Liquido-Gas
Solido-Liquido
Solido-Gas
Solido-Solido
Sapete trovare degli esempi dei casi
precedenti?
© Dario Bressanini
3
Soluzioni
© Dario Bressanini
4
Soluzioni Solide



Lo zaffiro invece (meno
pregiato), deve la sua
colorazione blu al Ferro
e al Titanio che hanno
sostituito alcuni atomi di
Alluminio
© Dario Bressanini
Il Rubino è una soluzione
solida di ossido di cromo in
Corindone (Al2O3)
La varietà detta “sangue di
piccione” è una delle gemme
colorate più preziose
5
Soluzioni Solide e Liquide




In una miscela, e’ arbitrario definire quale e’ il
soluto e quale il solvente.
Tuttavia, se una componente ha una frazione
molare vicina a 1, la si considera solvente
La componente a minor frazione molare è
chiamata soluto
Una soluzione satura contiene la quantità
massima di soluto disciolto a quella pressione e
temperatura
© Dario Bressanini
6
Soluzioni Sovrassature

Una soluzione può essere temporaneamente in uno stato
metastabile, ed avere più soluto di quanto permesso
© Dario Bressanini
7
Legge di Raoult
Legge di Raoult

Consideriamo una miscela con un liquido volatile
e un liquido o un solido non volatile

Come varia la pressione parziale del liquido
volatile al variare della frazione molare?

Indichiamo con p* la pressione di vapore del
liquido puro
© Dario Bressanini
9
Legge di Raoult


Aggiungendo del soluto non
volatile ad una soluzione di
liquido volatile, la pressione
di vapore diminuisce
Vi sono meno molecole di
solvente sulla superficie. Il
soluto impedisce ad alcune
molecole di passare nella
fase gassosa, ma non ne
impedisce il ritorno alla fase
liquida.
© Dario Bressanini
Bloccato
10
Legge di Raoult

Se assumiamo che le
interazioni solvente-solvente
siano identiche a quelle solutosolvente, possiamo concludere
che la pressione di vapore e’
proporzionale alla frazione
molare
pA = xApA*
© Dario Bressanini
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Soluzioni Ideali
pA = xApA*
Le soluzioni che seguono la
legge di Raoult di chiamano
Soluzioni Ideali
 Le soluzioni ideali hanno
DsolH =0

Francois Raoult
(1830-1901)
© Dario Bressanini
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Soluzione di due Liquidi Volatili


Consideriamo ora due liquidi volatili.
Entrambi hanno una pressione di vapore
© Dario Bressanini
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Legge di Raoult per Liquidi Volatili

Se assumiamo che la soluzione sia ideale:


La pressione di vapore di ogni componente puo’
essere calcolata mediante la legge di Raoult
La pressione totale e’ la somma delle due pressioni
parziali.
p A = A p A *
pB = B pB*
ptot = pA + pB = A pA* + B pB*
© Dario Bressanini
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Soluzione di Toluene e Benzene
H
H
CH3
C
H
H
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
H
Benzene
C
H
H
H
C
H
H
Toluene
Benzene e Toluene sono composti volatili con una
struttura simile e quindi forze intermolecolari
simili. Una loro soluzione si comporta idealmente
© Dario Bressanini
15
Soluzione Ideale e non Ideale
ptot = A pA* + B pB*
© Dario Bressanini
16
Soluzioni Non Ideali


La maggior parte delle soluzioni non sono ideali
Le interazioni tra A e B sono diverse da quelle AA e BB
Deviazione positiva
© Dario Bressanini
Deviazione negativa
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Legge di Henry
Legge di Henry



La legge di Raoult, per soluzioni non ideali, e’
una legge limite
 Se xA 1
pA = A pA*
pB*
William Henry ha scoperto
che per xA 0 pA = A KA
p
La pressione parziale è
k’H;B
proporzionale alla frazione
molare, ma la costante di
proporzionalità non è pA*
pA*
k’H;A
0
© Dario Bressanini
xA
1
19
Leggi di Henry e Raoult
© Dario Bressanini
20
Legge di Henry
Interpretazione Molecolare
© Dario Bressanini
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Legge di Henry
pA  xA K A

Gas (in H2O)
CO2
H2
N2
O2
© Dario Bressanini
K/(10 Mpa)
0.167
7.12
8.68
4.40

La conoscenza delle
costanti di Henry è
importante per molte
applicazioni
Il Diossido di Carbonio si
scioglie molto bene in
acqua
22
Legge di Henry
© Dario Bressanini
23
Legge di Henry


© Dario Bressanini
Ad alte pressioni
l’Azoto e l’ossigeno
si sciolgono nel
sangue.
Tornando in
superficie troppo
velocemente, si può
soffrire di Embolia
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Solubilità nel Sangue


Ad alte pressioni l’Azoto e l’ossigeno si
sciolgono nel sangue.
L’ossigeno viene consumato, ma l’Azoto rimane
nel sangue.

Camere Iperbariche

Sangue Artificiale
Legge di Henry

Molti prodotti sfruttano la
grande solubilità dei gas in
acqua
CO2
© Dario Bressanini
N2O/CO2
26
© Dario Bressanini
27
Mistero
Watson:
Dottor Holmes, Perchè mi si sgasano
sempre le bottiglie di Gassosa
semivuote?
Sherlock Holmes:
Per la legge di
Henry, mio
caro Watson !!!
© Dario Bressanini
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Proprietà
Colligative
Proprietà Colligative


Aggiungendo un soluto in un solvente, abbiamo
visto come le proprietà del solvente cambiano
Si chiamano proprietà colligative quelle
proprietà del solvente che dipendono solo dal
numero di molecole di soluto ma non dalla loro
identità




Innalzamento Ebullioscopico
Abbassamento Crioscopico
Pressione Osmotica
(Solubilità)
© Dario Bressanini
30
Variazione della Pressione di Vapore
© Dario Bressanini
31
Innalzamento Ebullioscopico



Se assummiamo che il soluto
B non sia volatile è possibile
valutare l’innalzamento del
punto di ebollizione
DT = K xB
K = RT*2/DvapH
Quando si deve mettere il sale
nell’acqua per la pasta?
T*
© Dario Bressanini
T*+ DT
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Abbassamento Crioscopico



T*-DT
© Dario Bressanini
Se assumiamo che il soluto B
non si sciolga nel solido è
possibile valutare
abbassamento del punto di
fusione
DT = K’ xB
K’ = RT*2/DfusH
T*
33
Abbassamento Crioscopico

Il soluto, rende più difficile costruire il reticolo
cristallino solido, e quindi diminuisce il punto di
fusione
© Dario Bressanini
34
Abbassamento Crioscopico



Anticongelante nel radiatore (DietilenGlicole)
Sale sulle strade (NaCl o meglio CaCl2) per
sciogliere il ghiaccio
Gelatiera casalinga
© Dario Bressanini
35
Quiz

Perchè la birra calda fa schifo?
© Dario Bressanini
36
Osmosi
Osmosi



L’Osmosi e’ il passaggio spontaneo di un solvente puro
verso una soluzione, separata da una membrana
semipermeabile
Una membrana semipermeabile permette il passaggio
del solvente ma non del soluto
Il solvente passa dalla soluzione meno concentrata a
quella piu’ concentrata
4% NaCl
10% NaCl
H2O
© Dario Bressanini
7% NaCl
7 % NaCl
H2O
Membrana Semipermeabile
Equilibrio
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Pressione Osmotica


© Dario Bressanini
La pressione osmotica
e’ quella pressione che,
aggiunta a quella
atmosferica e’
necessaria per
impedire il passaggio
del solvente
attraverso la
membrana
semmipermeabile
La pressione osmotica
si indica con P
39
Pressione Osmotica
© Dario Bressanini
40
Pressione Osmotica
PV = nsolutoRT
© Dario Bressanini
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Pressione Osmotica e Sangue




Le pareti cellulari sono
membrane semipermeabili
La pressione osmotica non puo’
cambiare, altrimenti le cellule
vengono danneggiate
Il flusso di acqua da un globulo
rosso verso l’ambiente deve
essere all’equilibrio
Una soluzione Isotonica ha la
stessa pressione osmotica delle
cellule del sangue
5% glucosio e 0.9% NaCl
© Dario Bressanini
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Osmosi e Globuli Rossi
Soluzione Isotonica
I Globuli Rossi hanno la
stessa concentrazione
del liquido circostante
© Dario Bressanini
Soluzione Ipertonica
la concentrazione
esterna e’ piu’ alta
Raggrinzimento
Soluzione Ipotonica
la concentrazione
esterna e’ piu’ bassa
Emolisi
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Dialisi



Si parla di Dialisi quando il solvente e piccole
molecole di soluto passano attraverso una
membrana semipermeabile
Grandi molecole e particelle non passano
L’emodialisi (rene artificiale) e’ usata in medicina
per rimuovere delle sostanze (ad esempio urea)
in concentrazione tossiche (In chimica NON
esistono sostanze tossiche, ma solo concentrazioni
tossiche)
© Dario Bressanini
44
Reni e Dialisi


I prodotti di scarto
trasportati dal sangue
vengono dializzati dai
reni attraverso una
membrana
semipermeabile.
Attraverso dei tubuli
vengono eliminati
nell’Urina
Nel rene artificiale
questa operazione
viene effettuata
artificialmente
© Dario Bressanini
Arteria
Vena
Uretra
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Il Caso del Marinaio Naufrago
Un marinaio naufraga su un’isola deserta
senza acqua dolce da bere. Sa che i soccorsi
arriveranno in 8 giorni, ma che senz’acqua
puo’ sopravvivere solo per 7 giorni.
Con il vento a favore tuttavia, la nave di
salvataggio arriva gia’ dopo 5 giorni, ma
trova il marinaio morto sulla spiaggia.
Cosa e’ successo?
Sperando di sopravvivere piu’ a lungo, il marinaio
ebbe la pessima idea di bere acqua del mare
© Dario Bressanini
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Chimica Fisica in Cucina


Cosa consiglia la
Chimica Fisica per una
Macedonia perfetta?
Spargere lo Zucchero
sulle fragole tagliate,
e solo in seguito
aggiungere il limone
(antiossidante)
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Chimica Fisica in Cucina
© Dario Bressanini

E per una buona bistecca?

Il sale va aggiunto solo alla fine
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Solubilita’ dei Solidi

Alcuni sali hanno una
entalpia di soluzione
negativa e quindi
diminuiscono la loro
solubilita’
all’aumentare della
temperatura.
© Dario Bressanini
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Solubilita’ dei Gas


La solubilita’ dei
gas in acqua di
solito diminuisce
con la temperatura
In altri solventi
puo’ anche
aumentare
L’acqua degli impianti industriali deve
venir raffreddata prima di essere
gettata nell’ambiente
© Dario Bressanini
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