Quando sciogli lo zucchero nel tè o il sale nell'acqua di cottura della pasta, stai preparando una soluzione. Capire come si misura la quantità di sostanza disciolta è fondamentale in chimica, in medicina e in cucina.
Che cos'è una soluzione
Una soluzione è una miscela omogenea formata da due o più sostanze, in cui i componenti non si distinguono nemmeno al microscopio ottico. Il componente presente in quantità maggiore prende il nome di solvente, mentre quello presente in quantità minore è detto soluto. Nell'acqua minerale, per esempio, l'acqua è il solvente e i sali disciolti sono i soluti. Le soluzioni non riguardano solo i liquidi: anche l'aria che respiriamo è una soluzione gassosa, in cui l'azoto fa da solvente e ossigeno, anidride carbonica e argon sono i soluti. Persino alcune leghe metalliche, come l'ottone formato da rame e zinco, sono soluzioni solide ottenute fondendo insieme i metalli e poi solidificandoli. Una caratteristica importante è che la composizione di una soluzione resta costante in qualsiasi suo punto, perché le particelle del soluto si distribuiscono in modo uniforme tra le molecole del solvente.
Solubilità e fattori che la influenzano
La solubilità è la quantità massima di soluto che si può sciogliere in una determinata quantità di solvente a una certa temperatura. Quando il solvente non riesce più ad accogliere altro soluto, si dice che la soluzione è satura e l'eventuale eccesso resta sul fondo come corpo di fondo. Nei solidi disciolti in acqua, in genere la solubilità aumenta con la temperatura: ecco perché lo zucchero si scioglie più facilmente in un tè caldo che in un tè freddo. Nei gas, invece, il comportamento è opposto: una bibita gassata lasciata al sole perde anidride carbonica più rapidamente, perché all'aumentare della temperatura i gas tendono a uscire dalla soluzione. Per i gas conta anche la pressione, secondo la legge di Henry, ed è questo il motivo per cui aprendo una bottiglia di acqua frizzante si vedono salire molte bollicine. Infine, anche la natura chimica del soluto e del solvente è decisiva, secondo il principio per cui simile scioglie simile: le sostanze polari, come il sale, si sciolgono bene in solventi polari come l'acqua, mentre quelle apolari, come l'olio, preferiscono solventi apolari come la benzina.
La concentrazione: percentuali e parti per milione
Per descrivere quanto soluto è presente in una soluzione si usa la concentrazione, una grandezza che mette in rapporto la quantità di soluto con quella di soluzione o di solvente. Una prima famiglia di unità è quella delle percentuali: la percentuale in massa (% m/m) si calcola dividendo la massa del soluto per la massa totale della soluzione e moltiplicando per cento. Per esempio, una soluzione fisiologica al 0,9% m/m contiene 0,9 grammi di sale ogni 100 grammi di soluzione, una concentrazione vicina a quella del nostro plasma sanguigno. Esistono poi la percentuale in volume (% V/V), molto usata per le bevande alcoliche, e la percentuale massa/volume (% m/V), tipica dei farmaci liquidi, in cui si esprimono i grammi di soluto in 100 millilitri di soluzione. Per concentrazioni molto piccole, come quelle degli inquinanti nelle acque potabili, si usano le parti per milione (ppm), pari a un milligrammo di soluto per chilogrammo di soluzione. Queste unità sono pratiche perché si calcolano facilmente, ma hanno un limite importante: non dicono quante particelle di soluto siano effettivamente presenti.
Molarità e molalità
Per collegare la concentrazione al numero di particelle si usa la molarità, indicata con la lettera M, che corrisponde al numero di moli di soluto presenti in un litro di soluzione. La formula è M = n/V, dove n sono le moli del soluto e V il volume in litri. Se sciogli 0,5 mol di cloruro di sodio in acqua fino a ottenere 1 L di soluzione, la concentrazione molare è 0,5 M, un dato che permette di sapere subito quante particelle reagiranno in un esperimento. La molarità presenta però un piccolo svantaggio: il volume di un liquido varia con la temperatura, e quindi anche la molarità si modifica leggermente scaldando o raffreddando la soluzione. Per superare questo problema si usa la molalità, indicata con m, che si calcola dividendo le moli di soluto per i chilogrammi di solvente: poiché la massa non dipende dalla temperatura, la molalità resta costante. Un'altra grandezza utile, soprattutto nei calcoli teorici, è la frazione molare, cioè il rapporto tra le moli di un componente e le moli totali della soluzione, che assume sempre un valore compreso tra zero e uno.
Diluizioni e preparazione di soluzioni
In laboratorio capita spesso di dover preparare una soluzione diluita partendo da una più concentrata, detta soluzione madre. La regola fondamentale è che il numero di moli di soluto non cambia durante la diluizione: quello che varia è solo il volume del solvente. Da qui deriva la relazione M₁ · V₁ = M₂ · V₂, in cui i pedici 1 e 2 indicano rispettivamente la soluzione iniziale e quella finale. Per esempio, se vuoi preparare 250 mL di soluzione 0,1 M di acido cloridrico partendo da una soluzione 1 M, devi prelevarne 25 mL e portarli a volume con acqua distillata in un matraccio tarato. Quando invece si parte dal soluto solido, si pesa la massa corrispondente alle moli desiderate, la si scioglie in un po' di solvente e poi si aggiunge solvente fino al volume voluto. È importante non aggiungere mai il volume di solvente direttamente al soluto in modo grossolano, perché il volume finale può risultare diverso da quello atteso a causa delle interazioni tra le particelle. Una buona pratica di laboratorio prevede anche di etichettare subito ogni soluzione con nome, concentrazione e data di preparazione.
Ricorda
- Una soluzione è una miscela omogenea formata da soluto (in minore quantità) e solvente (in maggiore quantità).
- La solubilità dipende da temperatura, pressione (per i gas) e dalla natura chimica delle sostanze: simile scioglie simile.
- Le concentrazioni percentuali (% m/m, % V/V, % m/V) e le ppm sono comode ma non indicano il numero di particelle.
- La molarità (M = n/V) lega la concentrazione al numero di moli per litro; la molalità (m = n/kg) è indipendente dalla temperatura.
- Nelle diluizioni vale la relazione M₁ · V₁ = M₂ · V₂, perché le moli di soluto restano costanti.
Piccolo esercizio di verifica: sul quaderno calcola quanti grammi di cloruro di sodio (massa molare 58,5 g/mol) servono per preparare 500 mL di soluzione 0,20 M. Poi spiega con parole tue perché, scaldando la soluzione, la molarità diminuisce mentre la molalità resta invariata.