Modulo II: La composizione macroscopica della materia e le sue miscele

Le miscele e la loro classificazione

Tutta la realtà che ci circonda è formata da materia, quindi è importante definire quale parte di materia interessa una certa trasformazione o fenomeno che si vuole studiare. Per questo motivo introduciamo il concetto di fase.

Fase

Una fase è quella porzione di materia oggetto di studio che possiede in ogni suo punto le stesse proprietà chimiche e proprietà fisiche. La caratteristica fondamentale della fase è quindi l'uniformità chimico-fisica.

Fase liquida 500 400 Fase solida 200 100 Un'unica fase liquida chimicamente e fisicamente uniforme

Fase solida Fase liquida acqua + sabbia acqua + ghiaccio diverse proprietà chimiche diverse proprietà fisiche acqua + zucchero stesse proprietà chimiche diverse proprietà fisiche

Schema dei principali tipi di miscele

MISCELE

• omogenee
• eterogenee

solido-solido (leghe metalliche)

solido-solido (terreno, sabbia, ferro e zolfo)

solido-liquido (acqua marina, acqua zuccherata)

Gocce di grasso osservabili al microscopio.

gas-gas (aria, gas naturale)

solido-liquido sospensione (gesso e acqua, fango)

gas-liquido (bibita gassata)

liquido-liquido (vino, grappa)

liquido-liquido emulsione (acqua e olio, latte)

Il latte al microscopio

Classificazione delle miscele

In natura è difficile trovare delle sostanze pure. Spesso, in base a proprietà intensive facilmente rilevabili, è facile capire che un sistema chimico è costituito da diversi componenti. Si tratta di miscele (o miscugli).

Miscela

Una miscela è un materiale (perché ha delle caratteristiche particolari) di composizione variabile (perché i rapporti tra le sostanze possono cambiare) formato da due o più sostanze.

Esistono due tipi di miscele in base al concetto di fase:

-400 -200 300 ml- -100

Le miscele si classificano in eterogenee e omogenee.

Sono costituite da componenti facilmente identificabili a causa di differenze nelle proprietà intensive.

Sono costituite da componenti non facilmente distinguibili perché presentano le stesse proprietà intensive.

PIÙ DI UNA FASE SOLO UNA FASE

Il concetto generale di soluzione

Soluzione

Le soluzioni sono definibili come sistemi omogenei costituiti da almeno due componenti (sistemi binari) o più chimicamente compatibili. In questo modo si viene a formare un sistema monofasico, cioè costituito da una sola fase e avente proprietà chimiche e fisiche costanti identiche.

A seconda dello stato fisico finale della soluzione, si distinguono:

SOLUZIONI GASSOSE: sono miscele di componenti tutti allo stato gassoso (ex. l'aria).

SOLUZIONI SOLIDE: sebbene possa apparire controintuitivo, componenti solidi possono mescolarsi (ex. la lega bronzo costituita da rame + stagno) (a)

SOLUZIONI LIQUIDE: possono derivare dalle seguenti combinazioni di stati fisici di partenza: (a) solido + liquido (ex. acqua di mare); (b) liquido + liquido (ex. benzina); (c) gas + liquido (ex. acqua frizzante) (b) (c)

Componenti delle soluzioni

Nella maggior parte dei casi, tratteremo prevalentemente sistemi binari.

Soluto

È il componente minoritario (presente in minore quantità). Stato fisico: solido, liquido o gassoso.

Solvente

È il componente maggioritario (presente in maggiore quantità). Stato fisico: liquido. In generale, faremo riferimento a sistemi acquosi.

Per formare una soluzione, soluto e solvente devono essere posti a contatto ed essere quindi miscibili, ovvero compatibili tra loro senza che avvengano trasformazioni chimiche. La miscibilità è di conseguenza una proprietà relativa ai componenti della soluzione.

Come si misurano le quantità che permettono di distinguere solvente e soluto?

Le concentrazioni delle soluzioni

All'interno di una soluzione, il soluto può trovarsi in proporzioni differenti. Soluzioni costituite da uguali componenti possono avere proprietà diverse, a seconda della quantità di soluto disciolto nel solvente.

Concentrazione

Il rapporto fra la quantità di soluto e la quantità di soluzione è detto concentrazione della soluzione.

Una soluzione è detta:

• : diluita, quando è presente una piccola quantità di soluto in rapporto alla quantità di solvente;
• concentrata, quando è presente una grande quantità di soluto in rapporto alla quantità di solvente.

concentrazione % in massa m soluto % m/m . 100 m soluzione

Esempio Se una soluzione contiene 6,5 g di soluto in 125,0 g di solvente, la quantità totale della soluzione (sol- vente + soluto) è pari a (6,5 + 125,0) g = 131,5 g. Applicando la precedente formula otteniamo: % m/m = 6,5 g 131,5 g 100 = 4,9%

concentrazione % in volume V soluto % V/V = 100 V soluzione

Esempio Se un vino liquoroso contiene 12 ml di alcol in 60 ml di soluzione, la sua concentrazione percentuale in volume risulta: 12 ml 60 ml % V/V = · 100 = 20% V/V = 20°

concentrazione % massa/volume m soluto (g) % m/V = . 100 V soluzione (ml)

Esempio Supponiamo che 9,6 g di cloruro di sodio siano di- sciolti in 80 ml di soluzione. Sulla base della formula precedente, otteniamo la concentrazione percentuale in massa per volume di cloruro di sodio: % m/V = 9,6 g 80 ml · 100 = 12% m/V

Le soluzioni e la solubilità

Fra i termini che abbiamo incontrato studiando le miscele vi sono anche gli aggettivi solubile e insolubile.

Solubile e insolubile

Una sostanza è detta solubile in un dato solvente quando si discioglie in concentrazione apprezzabile; è detta insolubile quando si discioglie in concentrazione molto bassa o non si discioglie affatto.

Per quanto riguarda i liquidi, si possono usare anche i termini miscibile e immiscibile.

Miscibile e immiscibile

Due liquidi sono miscibili quando si disciolgono l'uno nell'altro (parzialmente oppure completamente); sono immiscibili quando non si disciolgono reciprocamente in modo apprezzabile.

Aggiunta di un colorante solubile in un bicchiere d'acqua: V All'inizio le gocce di inchiostro si allungano e cadono sul fondo del bicchiere. 2 Poi le frange colorate si allargano in tutte le direzioni e iniziano a diffondersi nell'acqua. Dopo un po' di tempo, tutta l'acqua del bicchiere è colorata in modo omogeneo.

Sistema bifasico acqua-olio.

Effetti dello sversamento di petrolio, un liquido immiscibile con l'acqua di mare.

Solubilità e saturazione

Quanto soluto è possibile aggiungere ad un certo volume di solvente?

A 15,0 g NaCI + 50,0 ml H2O Soluzione insatura che contiene 50,0 g di H20 e 15,0 g di NaCl.

B 20,0 g NaCI + 50,0 ml H,O = Soluzione satura che contiene 50,0 g di H20 e 18,0 g di NaCl. gli altri 2,0 g di NaCI non si sciolgono

A. A 20 ℃, 15,0 g di cloruro di sodio si sciolgono completamente in 50,0 ml di acqua: la soluzione ottenuta è insatura. B. Se alla temperatura di 20 ℃ si aggiungono a 50,0 ml di acqua 20,0 g di cloruro di sodio, se ne sciolgono solo 18,0 g, mentre 2,0 g si depositano come corpo di fondo: la soluzione è satura.

Aggiungendo piccole quantità di sale a un determinato volume di acqua, inizialmente tutto il solido si discioglierà, dando una soluzione insatura (A); dopo l'aggiunta di una certa quantità di solido, questo cesserà di disciogliersi e si depositerà come corpo di fondo: abbiamo una soluzione satura (B).

Soluzione satura

Una soluzione è satura quando, in una data quantità di solvente a una data temperatura, non si può sciogliere soluto aggiuntivo.

Solubilità

È la quantità massima di soluto che si può sciogliere in una determinata quantità di solvente a una certa temperatura.

Effetto della temperatura sulla solubilità di solidi e gas

Solubilità di alcuni SOLIDI in acqua

glucosio acetato di sodio nitrato di sodio 140 Solubilità (g/100 ml di acqua) 120 bromuro di potassio 100 80 solfato di rame(II) cloruro di ammonio 60 cloruro di sodio 40 solfato di potassio 20 solfato di cerio(III) 0 20 40 60 80 100 Temperatura (°℃)

In genere, la solubilità in acqua dei solidi aumenta al crescere della temperatura. quindi temperatura 1 solubilità 1

Solubilità di alcuni GAS in acqua

30 Solubilità (mmol/l) a 1 atm diossido di carbonio 20 10 xeno azoto ossigeno 0 20 40 60 80 Temperatura (℃)

In genere, la solubilità in acqua dei gas diminuisce al crescere della temperatura. quindi temperatura 1 solubilità l

Il frazionamento sperimentale di miscele eterogenee (laboratorio)

La decantazione è un metodo di frazionamento di una sospensione basato sulla sedimentazione del componente solido. liquido limpido sedimento

Un esempio pratico: cristallizzazione del cloruro di sodio. Si scioglie il sale in acqua calda sotto agitazione. Si filtra la sospensione dei cristalli per eliminare le impurezze solubili. sale grosso impuro filtro di carta che trattiene il solido filtrato

Il sale viene pestato in un mortaio: i cristalli più piccoli così ottenuti si sciolgono più velocemente. Si filtra la soluzione per trattenere le impurezze insolubili. Si evapora la soluzione fino a ottenere i cristalli di sale.

Nella filtrazione il solido sospeso in un liquido viene trattenuto da un materiale poroso (tipicamente un filtro di carta), che lascia passare il liquido. imbuto di vetro 0 miscuglio eterogeneo di un liquido e di un solido

Il frazionamento sperimentale di soluzioni (laboratorio)

termometro il vapore sale nel tubo palloncino di raccolta del condensato il vapore si condensa GOD 0 pallone per distillazione refrigerante l'acqua circola in controcorrente ciascun componente della miscela diventa vapore al proprio punto di ebollizione

Nel processo di distillazione la separazione della miscela avviene attraverso due passaggi di stato: la vaporizzazione e la condensazione. L'apparecchiatura è infatti dotata di un pallone, all'interno del quale il liquido viene portato all'ebollizione, e da un tubo refrigerante, in cui scorre acqua fredda, all'interno del quale avviene la condensazione dei vapori prodotti. Il distillato così ottenuto viene raccolto in un recipiente posto all'imboccatura del refrigerante.