CHIMICA PDF - Soluzioni, Proprietà, Dissoluzione

LE SOLUZIONI Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze in un’unica fase. Il componente presente in quantità maggiore si chiama solvente, quello presente in quantità minore soluto. Si possono creare soluzioni in qualsiasi stato fisico (solido, liquido o gassoso) mescolando tra loro s...

LE SOLUZIONI Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze in un’unica fase. Il componente presente in quantità maggiore si chiama solvente, quello presente in quantità minore soluto. Si possono creare soluzioni in qualsiasi stato fisico (solido, liquido o gassoso) mescolando tra loro soluti e solventi in qualsiasi stato fisico (solido, liquido o gassoso). Soluzione Soluto Solvente Esempio Gas Gas O2 in N2 (aria) Gassosa Liquido Gas H2O in N2 (nebbia) Solido Gas Particelle carboniose in aria (fumo) Gas Liquido CO2 in H2O (acqua gassata) Liquida Liquido Liquido Alcol etilico in H2O (liquore) Solido Liquido NaCl in H2O (acqua marina) Gas Solido H2 in Pd Solida Liquido Solido Hg in Au (amalgama) Solido Solido Zn in Cu (ottone) Regola generale: simile scioglie il simile = sostanze polari sono sciolte da solventi polari / sostanze apolari sono sciolte da solventi apolari. Questo succede perché si devono instaurare delle interazioni tra il soluto e il solvente, e ciò è possibile solo quando le due componenti hanno la possibilità di interagire, e quindi formare forze tra le molecole. Queste forze sono: forze di dispersione (forze di London), interazioni dipolo-dipolo, legami a idrogeno e interazioni ione-dipolo. Queste forze possono contribuire o opporsi alla formazione di una soluzione. Quando NaCl si scioglie in acqua le interazioni ioniche esistenti tra Na+ e Cl- nel cristallo sono sostituite da nuove interazioni ione-dipolo tra gli ioni Na+ e Cl- e le molecole di solvente. Le molecole di acqua (polari) formano legami idrogeno con l’etanolo (legami polari -OH). Le molecole di acqua (polari) NON interagiscono con le molecole apolari dell’ottano (principale componente della benzina). Una miscela di molecole polari e apolari è analoga ad una miscela di biglie magnetiche e biglie non magnetiche. Come con le biglie magnetiche, la reciproca attrazione fa in modo che le molecole polari si aggreghino, escludendo le molecole apolari. I solidi: Covalenti sono di norma piuttosto insolubili in qualunque solvente; Ionici sono in genere molto solubili in acqua perché gli ioni che costituiscono il solido possono formare legami ione-dipolo; Molecolari possono essere solubili sia in liquidi polari che apolari (dipenderà dalla polaricità della molecola). Le cariche parziali sulle molecole di saccarosio e di H2O permettono l’instaurarsi di interazioni dipolo-dipolo o legami idrogeno. Lo iodio (apolare) si scioglie in H2O (polare, forze dipolo-dipolo indotto) e passa in tetracloruro di carbonio CCl4 (apolare, forze di London). a) Acqua (polare) e diclorometano, CH2Cl2 (apolare) non sono miscibili; b) Lo iodio (apolare) preferisce CH2Cl2 (apolare); c) Il nitrato di nickel Ni(NO3)2 (ionico) preferisce H2O (polare). Se sciolgo un solido ionico, otterrò una soluzione in cui i vari ioni che compongono il solido ionico sono passati in soluzione (non saranno più presenti nel solido, ma singolarmente nella soluzione). La presenza di questi ioni rende la soluzione conduttrice. Se provo a fare lo stesso con un solido molecolare, ciò che si forma nella soluzione sono molecole, neutre, e quindi la soluzione non è conduttrice. I solidi ionici non conducono la corrente, ma sono buoni conduttori quando sono fusi o quando sono sciolti in acqua. L’acqua pura non conduce la corrente elettrica (l’acqua del rubinetto invece contiene una piccola quantità di Sali disciolti che la rende debolmente conduttrice). La dissoluzione di un solido (in un solvente) è un processo profondamente diverso dalla sua fusione. Nel caso della fusione, il calore che viene somministrato al solido, fa passare il solido al liquido, e quindi gli ioni, o i componenti del solido, si andranno ad allontanare, ma resteranno sempre interagenti. Mentre, se il solido viene sciolto in un solvente, gli ioni o i componenti del solido, interagendo con le molecole del solvente, si allontanano più fortemente le une dalle altre. UNITA’ DI MISURA DELLA CONCENTRAZIONE: Percento in peso (% m/m): g di soluto in 100g di soluzione; Percento in volume (% m/V): g di soluto in 100mL di soluzione; Parti per milione (ppm): mg di soluto in 100mL di soluzione; Molarità (M): moli di soluto in 1L di soluzione; Molalità (m): moli di soluto in 1Kg di solvente; Frazione molare: moli di soluto diviso per le moli totali (si usa solitamente per le soluzioni gassose). Soluzione concentrata = più particelle di soluto per unità di volume Soluzione diluita = meno particelle di soluto per unità di volume 2 Preparazione di una soluzione: ci sono due modi: A partire dal soluto puro: a) Si pesa il soluto; b) Lo si trasferisce in un contenitore; c) Si aggiunge solvente fino al volume desiderato. A partire da soluzioni concentrate (per soluzioni molto diluite): a) Si preleva un volume di soluzione più concentrata; b) Lo si trasferisce in un contenitore e si aggiunge solvente; c) Si può ripetere l’operazione più volte per ottenere soluzioni via via più diluite. OMEOPATIA E SOLUZIONI: L’omeopatia è una “disciplina” ideata verso la prima metà dell’800 dal medico tedesco Samuel Hahnemann, e si basa essenzialmente su due pilastri, che però nel passare degli anni sono cambiati, e questi sono: Per guarire da una malattia, bisogna scegliere un rimedio che produce lo stesso sintomo: l’idea che sta alla base è che se io ho un mal di pancia naturale, lo devo sostituire con un mal di pancia artificiale così quando smetterò di assumere quel farmaco che mi provoca mal di pancia, non avrò più mal di pancia. Le sostanze possiedono un fluido che in qualche modo può essere curativo e che viene trasmesso a qualunque cosa con cui venivano a contatto (secondo Hahnemann!!), quindi anche all’acqua in cui erano sciolte. Inoltre, pensava che più la sostanza era diluita, più il rimedio era attivo. Nel corso negli anni, gli omeopati hanno modificato questa concezione con quella della memoria dell’H2O: l’acqua andando a contatto con un’altra sostanza, ne assumerebbe l’impronta e quindi si comporterebbe come la sostanza stessa (DA DIMOSTRARE). Per preparare un rimedio omeopatico si parte da una pianta, oppure un animale, oppure da sostanze chimiche solubili o da sostanze chimiche insolubili; a partire dalle piante e dagli animali si crea la tintura madre (cioè si prende la pianta o l’animale, lo si tritura o lo si sospende in una sostanza idroalcolica); se si parte invece da una sostanza chimica solubile la si scoglie direttamente in acqua, mentre se è insolubile viene sospesa in acqua. Una volta ottenuta la soluzione, bisogna diluirla il più possibile: ogni diluizione successiva per arrivare ad elevatissimi valori di diluizione, Hahnemann aggiunse la succussione, che prevede che la soluzione, una volta preparata, venga agitata per produrre energia. Una volta ottenuta la diluizione voluta, si possono fare due cose: a) Il preparato ottenuto viene assunto sotto forma di gocce; b) Il preparato ottenuto viene utilizzato per impregnare delle piccole pastiglie di zucchero e lattosio. Secondo il numero di diluizioni che ha subito una sostanza, ogni rimedio omeopatico presenta una sigla. Nella diluizione centesimale con il metodo hahnemanniano (C o CH), una parte di sostanza o tintura madre viene diluita in 99 parti di diluente. La prima diluizione sarà quindi la 1CH, la seconda la 2CH, e così via. La diluizione 30CH è considerata tra le più efficaci. Tra le diluizioni più usate abbiamo anche le decimali (1:10), le cinquantamillesimali (1: 50.000) e le korsakoviane (simili alle hanhemanniane, in quanto sono sempre centesimali, ma utilizza solo un unico recipiente al posto di avere un recipiente per ognuna delle soluzioni). 3 In omeopatia, l’Argentum nitricum (nitrato di argento) AgNO3, è un policresto, ossia ha un’azione generale riequilibrante utilizzabile per varie patologie (in particolari gastriti, convulsioni ed epilessia). In medicina allopatica (moderna) soluzioni 1% di nitrato di argento venivano usate come antisettico. Le proprietà delle soluzioni prendono collettivamente il nome di “proprietà colligative”; queste proprietà, che sono collegate tra loro e che non dipendono dalla natura del soluto, ma dal numero di particelle di soluto e di solvente, sono: Variazione della pressione di vapore (e le sue conseguenze); Osmosi; Dissoluzione dei gas. A. VARIAZIONE DELLA PRESSIONE DI VAPORE La pressione di vapore di un liquido è la pressione esercitata da questo liquido, o meglio dalle molecole di gas che si possono ottenere dal liquido, sulle pareti del recipiente. Per quanto riguarda le soluzioni, la Legge di Raoult dichiara che in presenza di un soluto non volatile la pressione (o tensione) di vapore di un solvente si abbassa proporzionalmente alla sua frazione molare. In soluzioni ideali: P solvente nella soluzione = P0 solvente puro x Frazione molare del solvente Frazione molare solvente = moli solvente/moli totali = moli solvente/moli soluto + moli solvente 1 pressione ed escono a livello del pressione osmica esterna. osmotica esterna). Di globulo rosso alla stessa Per osmosi, quindi, il conseguenza, dato che velocità. solvente si muoverà dalla l’acqua deve muoversi EQUILIBRIO (pressione soluzione più diluita verso dalla soluzione più diluita osmotica interna = la soluzione più a quella più concentrata, pressione osmotica concentrata. Di entrerà nel globulo rosso esterna) conseguenza, L’H2O portando a un aumento USCIRA’ DAL GLOBULO del suo volume rischiando ROSSO. la rottura della membrana Si ottiene così un globulo della cellula. Questo rosso più piccolo che fenomeno è detto LISI. rischia di non funzionare più a causa della poca presenza di acqua al suo interno. Questo fenomeno è detto CRENAZIONE. L’acqua di mare è una soluzione salina più concentrata dei fluidi nelle cellule del corpo. Se si beve acqua salata, questa fluisce nel tratto digestivo, richiamando acqua “dolce” dai tessuti circostanti. Di fatto, l’acqua salata disidrata il corpo. Sempre per quanto concerne l’azione di osmosi, anche il pannolino ne è incluso. Il polimero contenuto all’interno del pannolino contiene una elevata quantità di ioni Na+; funziona da soluzione molto concentrata e quindi assorbe una enorme quantità di lipidi per osmosi: 1g di SAP (polimero) può assorbire circa 500g di H2O. Osmosi inversa: si applica una pressione esterna maggiore della pressione osmotica per cui le molecole di H2O fluiscono in senso opposto. L’osmosi inversa viene usata per ottenere H2O ultrapura o H2O dolce da acqua di mare. a) In un sistema osmotico normale, l’acqua fluisce verso la zona più concentrata; b) Applicando una pressione maggiore della pressione osmotica, il flusso di solvente si inverte andando verso la zona più diluita. Osmolarità e osmolalità: numero totale di moli di particelle disciolte in una certa quantità di soluzione. Osmolarità [Osm L*-1]: numero totale di moli di particelle disciolte in 1L di soluzione; osmolalità [Osm Kg*-1]: numero totale di moli di particelle disciolte in 1 kg di solvente. Queste sono grandezze molto usate in biochimica e in clinica medina poiché alterazioni del bilancio idrico ed elettrolitico di una persona (conseguenti a terapie o malattie) causano variazioni di osmolarità/osmolalità. 7 Bassa osmolalità (300 mOsm Kg*-1) = troppo Na, presenza di molecole incognite (azotemia, cirrosi epatica, diabete mellito, diarrea, disidratazione, iperglicemia, …). La pressione osmotica del siero può essere misurata dall’osmometro, in cui sono presenti due soluzioni separate da una membrana semipermeabile; nella parte alta della cameretta viene iniettata la soluzione in esame, e al di sotto vi è una membrana che la separa da una soluzione salina con pressione osmotica costante. Se la soluzione in esame è isotonica, e quindi ha la stessa pressione osmotica della soluzione salina, il trasduttore non sentirà alcuna pressione; se la soluzione in esame avrà una osmolalità più alta o più bassa della pressione salina, la differenza di pressione causerà il passaggio di molecole in un senso o nell’altro: questo passaggio di molecole sarà sentito dal trasduttore sotto forma di una variazione di pressione. Se la membrana viene resa permeabile anche per altre sostanze, l’osmosi può essere utilizzata anche per andare a ripulire delle soluzioni da altre sostanze: DIALISI o EMODIALISI. Il sangue viene preso, pompato verso il dializzatore, entra in esso e in questo passaggio il sangue può andare a scarica sostanze di scarto, ioni, … verso una soluzione che passa dalla parte opposta della membrana, che è una soluzione di acqua super pura dentro cui sono stati sciolti Sali minerali e altre sostanze in modo tale da regolare il passaggio degli ioni dal sangue verso la soluzione dializzata. Il sangue potrà scaricare gli ioni se la soluzione dall’altra parte avrà una concentrazione di ioni più bassa. A questo punto, il sangue uscito dal dializzatore sarà ripulito da quelle sostanze che non sono necessarie. 2. DISSOLUZIONE DEI GAS È regolata dalla Legge di Henry: la quantità di gas che si scioglie in una determinata quantità di solvente è proporzionale alla pressione parziale del gas pgas sopra il liquido: solubilità dei gas [mol L*-1] = KH x pgas KH = costante di Henry [mol L*-1 atm*-1], dipende dal gas, dal solvente e dalla temperatura Gas KH in H2O a 20°C Biossido di carbonio 2,3 x 10*-2 Argon 1,5 x 10*-3 Ossigeno 1,3 x 10*-3 Idrogeno 8,5 x 10*-4 Aria 7,9 x 10*-4 Azoto 7,0 x 10*-4 Elio 3,7 x 10*-4 Il biossido di carbonio, avendo una costante di Henry maggiore, sarà più solubile rispetto ad esempio all’ossigeno, che ha invece una costante di Henry 10 volte più piccola. Quindi, la solubilità aumenta all’aumentare della pgas, e si può fare ciò aumentando la quantità di gas all’interno di uno stesso contenitore. Quando la pressione parziale del 8 gas sopra la soluzione aumenta (per aggiunta di gas), la concentrazione del gas disciolto aumenta. Si può anche aumentare la pressione parziale del gas, aumentando la pressione: quando la pressione parziale del gas sopra la soluzione aumenta (per azione del pistone), la concentrazione del gas disciolto aumenta. La dissoluzione del gas diminuisce al diminuire della pressione parziale del gas: quando si apre la lattina la pressione parziale di O2 nell’aria è minore della pressione parziale di O2 nella lattina chiusa, quindi la solubilità della CO2 diminuisce e, all’interno del liquido, si formano bolle di CO2. L’aumento di temperatura diminuisce la solubilità: nella bibita gassata calda ci sono più bollicine di CO2 perché la solubilità del gas in soluzione è minore a temperatura più elevata. I gas hanno KH, e quindi solubilità, diverse (a parità di pgas): O2 con pressione parziale 100 mmHg, immersa in H2O ha una concentrazione pari a 0,15 mM; CO2, sottoposta a stessa pressione parziale e immersa sempre in H2O arriva a una concentrazione di 3,00 mM. La legge di Henry spiega anche i passaggi di gas nel sangue: sangue arterioso / sangue venoso Per assorbire ossigeno e rigettare anidride carbonica, è necessario andare a considerare la pressione parziale e la solubilità dei due gas. Agli alveoli arriva il sangue venoso ricco di CO2 e povero di O2, così che possa essere ossigenato: la pressione parziale dell’O2 nel sangue venoso è 40 mmHg, mentre la pressione parziale della CO2 nel sangue venoso è 46 mmHg, e quando il sangue venoso arriva negli alveoli si trova davanti a una situazione opposta in cui la pressione parziale della CO2 è 40 mmHg, mentre la pressione parziale dell’O2 è 100 mmHg, allora in queste condizioni la CO2 va dalla zona in cui la pressione parziale è più elevata verso la zona in cui la pressione parziale è più bassa. Percorso opposto viene invece affrontato dall’O2: esso si sposta dall’alveolo, dove vi è una pressione parziale più elevata, al sangue. In uscita dagli alveoli si ha quindi un sangue arricchito di O2 e impoverito di CO2. Dopo essere stato pompato nel cuore, si dirige verso la periferia andando a contatto con i tessuti periferici, dove la pressione parziale dell’O2 è bassa (50mmHg): quando arriva il sangue arterioso, l’O2 passa ai tessuti periferici causa la loro minore pressione parziale, mentre la CO2 rimane nel sangue. Una volta allontanato dai tessuti periferici, il sangue è venoso perché arricchito di CO2 e impoverito di O2. Viene poi pompato al cuore e trasferito ai polmoni ricominciando il ciclo. 9 Embolia gassosa: la pressione esercitata sui sommozzatori aumenta in immersione e diminuisce in risalita. Per la legge di Henry la solubilità dei gas nel sangue aumenta durante l’immersione, in quanto aumenta la pressione parziale del gas. I sommozzatori respirano O2 e N2 che hanno una diversa solubilità in acqua: Kh (N2) = 7 x 10*-4 mol L*-1 atm*-1 in acqua a 20 gradi; Kh (O2) = 1,3 x 10*-3 mol L*-1 atm*-1 in acqua a 20 gradi. Il sangue del sub si “caricherà” quindi di gas durante l’immersione. Nella risalita una veloce diminuzione di pressione provoca l’allontanamento di N2 gassoso (meno solubile e non usato nella respirazione) che forma bollicine = embolia. Questo si può risolvere con: La decomposizione (risalita lenta); Con l’uso di miscele He/O2 (o trimix He/N2/O2); He è meno solubile di N2, ma è così piccolo che riesce a passare le pareti vasali senza causare danni; L’uso di camere di decompressione (camere iperbariche): cilindri in cui si trova dell’aria compressa. Malattia dei cassoni: i cassoni erano usati per lavorare in sottacqua, in particolare vennero usati massicciamente nella costruzione del ponte di Brooklyn e furono la causa di diversi incidenti. Mediante questi cassoni, veniva pompata aria compressa per assicurare la ventilazione e tenere l’acqua fuori dall’ambiente di lavoro. Quando gli operai uscivano velocemente da questi cassoni, si sentivano male a causa di una forma di embolia. La non dissoluzione dei gas ha causato una tragedia: nella zona del Lago di Nyos, in Camerun, il 21 agosto 1986 oltre 1700 persone e 3000 capi di bestiame (in un raggio di 25 km dal lago) muoiono nella notte. Si è scoperto che la causa era il lago stesso, in quanto vulcanico, molto profondo e con uno scarso rimescolamento delle acque. La CO2 proveniente dall’attività del sottostante vulcano e disciolta nell’acqua resta negli strati più profondi saturandoli (alta P = alta solubilità = alta concentrazione di CO2 nelle acque profonde). l'H2O di la CO2 liberata profondità a resta al suolo per cause contatto con strati spostando l'aria incognite (frana o più superficiali ha dalla superficie terremoto) gli liberato la CO2 terrestre strati di H2O si disciolta (minore PM CO2 > PM N2 e sono rimescolati pressione = O2 minore solubilità gassosa) d CO2 > d aria 10