Il comportamento delle soluzioni ioniche
La presenza di ioni in soluzione conferisce all’acqua la capacità di condurre corrente elettrica. Durante il processo di solubilizzazione, i cristalli ionici si scindono in ioni e si distribuiscono nella soluzione: queste particelle di cariche positive e negative. Queste particelle migrano verso gli elettrodi, consentendo il passaggio di corrente. La conducibilità di una soluzione dipende dal numero di ioni presenti in essa, numero che a sua volta dipende dalla concentrazione dell’elettrolita e dalla sua natura: esistono infatti elettroliti forti, che in soluzione sono completamente dissociati, ed elettroliti deboli, che sono partialmente dissociati.
Le proprietà colligative
Le soluzioni sono un miscuglio omogeneo di particelle di soluto in particelle di solvente. La presenza del soluto provoca una variazione delle proprietà specifiche del solvente. La variazione non dipende dal tipo di soluto, ma dal numero di particelle che ciascun soluto genera in soluzione.
Le proprietà delle soluzioni che non dipendono dal tipo di soluto, ma dalla quantità di particelle, sono dette proprietà colligative:
- abbassamento della tensione di vapore;
- abbassamento del punto di congelamento, o abbassamento crioscopico;
- innalzamento del punto di ebollizione, o innalzamento ebullioscopico;
- pressione osmotica.
Abbassamento della tensione di vapore: la legge di Raoult
La tensione di vapore di un liquido è la pressione esercitata da un vapore in equilibrio con il suo liquido. Essa dipende dalla facilità con cui le molecole possono abbandonare la superficie del liquido. Quando a un solvente si aggiunge un soluto non volatile, le molecole del solvente evaporano con velocità minore. Ciò significa che la persenza di soluto provoca l’abbassamento della tensione di vapore del solvente.
Il valore dell’abbassamento può essere calcolato attraverso la relazione trovata da Raoult:
La tensione di vapore di un solvente in una soluzione ideale di un soluto non volatile è direttamente proporzionale alla frazione molare del solvente.
Ovvero:
P(solvente) = X(solvente) * P°(solvente)
Dove:
- P(solvente) è la tensione di vapore del solvente nella soluzione
- X(solvente) è la frazione molare del solvente nella soluzione
- P°(solvente) è la tensione di vapore del solvente puro
Dalla formula precedente possiamo arrivare a dire che:
L’abbassamento della tensione di vapore di una soluzione ideale di un soluto non volatile è direttamente proporzionale alla frazione molare del soluto.
L’abbassamento crioscopico
Con il diminuire della temperatura, le molecole in un liquido tendono ad avvicinarsi sempre di più, fino ad aggregarsi nello stato solido. Le molecole del solvente, a causa della presenza di soluto, hanno più difficoltà a raggiungere lo stato “ordinato”, affinchè possano iniziare il processo di solidificazione. E’ necessaria quindi una temperatura inferiore.
L’abbassamento del punto di congelamento (Δtc), detto crioscopico, è direttamente proporzionale alla molalità della soluzione (m):
Δtc = Kc * m
in cui Kc è la costante crioscopica molale, caratteristica per ciascun solvente.
L’innalzamento ebulloscopico
Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale tensione di vapore equaglia la pressione atmosferica. In presenza di un soluto non volatile, la tensione di vapore diminuisce e quindi provocca l’innalzamento del punto di ebollizione. Tale valore è direttamente proporzionale al numero di moli di soluto:
Δteb = Keb * m
- Δteb è l’innalzamento del punto di ebollizione;
- m è la molalità della soluzione;
- Keb è la costante di proporzionalità, chiamata anche costante ebulloscopica molale, che dipende dalla natura del solvente.
La pressione osmotica
Quando una soluzione di una data soluzione viene messa a contatto, mediante una membrana semipermeabile, con un solvente puro o un altra soluzione di diversa concentrazione, si ha il fenomeno dell’osmosi, per cuil il solvente passa attraverso una membrana da una soluzione più diluita a una più concentrata, fino al raggiungimento dell’equilibrio. Una membrana semipermeabile infatti permette il passaggio del solvente ma non del soluto.
La pressione osmotica π corrisponde alla pressione idrostatica che, esercitata su una soluzione separata da un’altra più diluita da una membrana semipermeabile, si oppone al passaggio di solvente dalla soluzione più diluita a quella più concentrata.
π = ( n / V ) * R * T
In cui:
- n è il numero di moli del soluto;
- V è il volume della soluzione;
- R è la costante universale dei gas, ovvero 0.082 L * atm / mol K;
- T è la temperatura in kelvin.
Proprietà colligative delle soluzioni di elettroliti
Se il soluto è molecolare, una sua mole genera in soluzione un numero di Avogadro di particelle. Ma se il soluto è un elettrolita, dissociandosi può formare un numero variabile di particelle che dipende da quanti ioni una molecola è in grado di generare. Per questo si fa distinzione tra elettroliti forti, che si dissociano completamente, ed elettroliti deboli, che si dissociano parzialmente.
Elettrolita forte
Ogni molecola di elettrolita genera un numero i di ioni, per cui sarà necessario tener conto di questo fattore di correzione in tutte le formule precedenti:
Δtc = Kc * m * i
Δteb = Keb * m * i
π = ( n / V ) * R * T * i
Elettrolita debole
Per gli elettroliti deboli la situazione è più complicata, poichè è necessario tener conto anche del grado di dissociazione α che, come abbiamo già visto, indica il rapporto tra il numero di molecole che si dissocia e il numero di molecole totali.
Per esempio, per un elettrolita debole di tipo AB, che presenta un grado di dissociazione α, il fattor correttivo i sarà:
i = 1 + α
E le rispettive formule saranno:
Δtc = Kc * m * (1 + α)
Δteb = Keb * m * (1 + α)
π = ( n / V ) * R * T * (1 + α)