Le soluzioni sono miscugli omogenei in cui un soluto si disperde uniformemente in un solvente. La concentrazione misura quanto soluto è presente in una determinata quantità di solvente o di soluzione, e si può esprimere in molti modi diversi a seconda dello scopo.
Introduzione: il mondo invisibile delle soluzioni
Quando sciogli un cucchiaino di zucchero nel tè caldo del mattino, stai compiendo un'operazione chimica che gli scienziati studiano da secoli. Il liquido che ne risulta appare limpido e uniforme, eppure al suo interno avviene un fenomeno di interazione tra molecole tutt'altro che banale. In chimica chiamiamo soluzione proprio questo tipo di miscuglio, nel quale i componenti non sono più distinguibili nemmeno al microscopio ottico. Le soluzioni ci circondano in ogni momento della vita quotidiana, dall'aria che respiriamo all'acqua minerale che beviamo dopo lo sport. Anche il sangue che scorre nelle nostre vene è una soluzione complessa, ricca di sali, zuccheri, ormoni e proteine disciolte. Capire come funzionano le soluzioni significa quindi comprendere una parte fondamentale del mondo materiale che abitiamo.
Soluto e solvente: i due protagonisti
In ogni soluzione distinguiamo due ruoli fondamentali, che chiamiamo soluto e solvente, e che insieme costituiscono un unico sistema omogeneo. Il soluto è la sostanza presente in quantità minore, che viene dispersa a livello molecolare nell'altro componente del miscuglio. Il solvente, invece, è la sostanza presente in quantità maggiore e fornisce l'ambiente fisico in cui il soluto si disperde stabilmente. Pensa a una bottiglia di acqua minerale: l'acqua è il solvente, mentre i sali minerali come calcio, magnesio e bicarbonati svolgono il ruolo di soluti. Un altro esempio quotidiano è il caffè, in cui l'acqua scioglie la caffeina e le sostanze aromatiche contenute nei chicchi macinati e tostati. Quando soluto e solvente si trovano nello stesso stato fisico, per convenzione si chiama solvente il componente presente in quantità maggiore.
Stati fisici e tipi di soluzioni
Le soluzioni possono presentarsi in tutti e tre gli stati fisici della materia, perché esistono miscugli omogenei solidi, liquidi e gassosi. Le soluzioni gassose sono semplici da immaginare, perché i gas si mescolano sempre tra loro: l'aria è una soluzione di azoto, ossigeno, anidride carbonica e gas nobili in tracce. Le soluzioni liquide sono le più studiate in laboratorio e comprendono sia soluti solidi disciolti in liquidi sia liquidi miscibili tra loro come acqua ed etanolo. Anche i solidi possono formare soluzioni, dette comunemente leghe metalliche, come l'ottone composto da rame e zinco in proporzioni variabili. L'oro 18 carati usato in gioielleria è anch'esso una soluzione solida, in cui all'oro puro vengono aggiunti rame, argento e talvolta palladio. Questa varietà di esempi mostra come la nozione di soluzione sia molto generale e si applichi a sistemi materiali fra loro molto diversi.
Solubilità e fattori che la influenzano
Non tutte le sostanze si sciolgono in qualunque solvente, e la solubilità indica la quantità massima di soluto che può sciogliersi in una data quantità di solvente a una certa temperatura. Una regola empirica fondamentale dice che il simile scioglie il simile: i solventi polari come l'acqua sciolgono bene i soluti polari come il sale da cucina o il glucosio. I solventi apolari come l'esano o il toluene sciolgono invece grassi e oli, ma rifiutano l'acqua, come si osserva nel classico esperimento olio-acqua. La temperatura ha un effetto importante e diverso a seconda dello stato del soluto: per la maggior parte dei solidi sciolti in acqua, la solubilità cresce con la temperatura, come accade per il sale in cucina. Per i gas vale invece il contrario: una bibita gassata aperta diventa rapidamente sgasata se la lasci al caldo, perché l'anidride carbonica sfugge più facilmente dalla soluzione. Anche la pressione conta, soprattutto per i gas, e la legge di Henry afferma che la quantità di gas disciolto è direttamente proporzionale alla pressione esercitata sopra il liquido.
La concentrazione: perché misurarla
Sapere semplicemente che una sostanza è disciolta in un'altra non basta, perché in chimica occorre quantificare con precisione quanto soluto è presente in soluzione. La concentrazione di una soluzione è il rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di solvente o di soluzione totale, espresso in unità di misura ben definite. Una stessa coppia soluto-solvente può infatti dare origine a soluzioni molto diluite, in cui il soluto è scarso, oppure molto concentrate, in cui il soluto è invece abbondante. Un esempio quotidiano è la differenza tra un tè poco zuccherato e uno molto dolce: stesso solvente e stesso soluto, ma concentrazioni nettamente diverse al palato. In medicina la concentrazione di un farmaco nel sangue determina se la dose è terapeutica o tossica, e diventa quindi un parametro vitale per il paziente. Per esprimere la concentrazione esistono molte unità di misura, ciascuna con un proprio campo di applicazione e una precisa definizione matematica.
Le concentrazioni percentuali
Le concentrazioni percentuali sono le più intuitive e si trovano facilmente sulle etichette dei prodotti commerciali di uso comune. La percentuale in massa, scritta come % m/m, indica quanti grammi di soluto sono contenuti in 100 grammi di soluzione totale: per esempio un'acqua ossigenata al 3% m/m contiene 3 g di perossido ogni 100 g di soluzione. La percentuale in volume, scritta come % v/v, esprime invece quanti millilitri di soluto sono presenti in 100 mL di soluzione, ed è tipica delle bevande alcoliche come un vino che contiene 12 mL di etanolo ogni 100 mL. La percentuale massa su volume, scritta come % m/v, indica quanti grammi di soluto stanno in 100 mL di soluzione, ed è frequente nelle soluzioni farmaceutiche come la fisiologica allo 0,9% m/v. La formula generale è semplice e si applica in tutti i casi: percentuale = (quantità di soluto / quantità totale) × 100. Per passare da una percentuale all'altra serve conoscere la densità della soluzione, che mette in relazione massa e volume.
Molarità, molalità e frazione molare
In chimica si preferiscono spesso unità basate sulle moli, perché permettono di contare direttamente le particelle che partecipano alle reazioni. La molarità, simbolo M, è il rapporto tra le moli di soluto e i litri di soluzione, secondo la formula M = n(soluto) / V(soluzione). Per esempio una soluzione 0,1 M di idrossido di sodio contiene 0,1 moli di NaOH ogni litro di soluzione, equivalenti a 4 g di soluto. La molalità, simbolo m oppure b, è invece il rapporto tra le moli di soluto e i kilogrammi di solvente, e a differenza della molarità non dipende dalla temperatura. Questa caratteristica rende la molalità utile nello studio delle proprietà colligative, come l'innalzamento ebullioscopico o l'abbassamento crioscopico delle soluzioni. La frazione molare di un componente, indicata con la lettera χ, è il rapporto tra le moli di quel componente e le moli totali presenti nella soluzione. La somma delle frazioni molari di tutti i componenti vale sempre 1, e questa proprietà è utile per controllare la correttezza dei calcoli effettuati.
Diluizione e soluzioni sature
Quando si aggiunge solvente a una soluzione concentrata si ottiene una soluzione più diluita, ma le moli di soluto restano invariate prima e dopo l'aggiunta. Da questa conservazione discende direttamente la formula della diluizione: M₁ × V₁ = M₂ × V₂, dove gli indici 1 e 2 indicano gli stati iniziale e finale. Per esempio, se vuoi preparare 500 mL di soluzione 0,2 M partendo da una soluzione madre 1 M, ti serviranno 100 mL della soluzione iniziale a cui aggiungere acqua fino al volume desiderato. Esiste un limite oltre il quale il solvente non riesce più a sciogliere altro soluto, e in quel caso la soluzione si dice satura. Se la quantità di soluto è inferiore al limite la soluzione è insatura, mentre in condizioni particolari si possono ottenere soluzioni sovrasature, instabili e ricche di soluto oltre il normale. Un esempio curioso è il miele, una soluzione sovrasatura di zuccheri che con il tempo cristallizza spontaneamente sul fondo del barattolo.
Ricorda
- Una soluzione è un miscuglio omogeneo formato da soluto (quantità minore) e solvente (quantità maggiore).
- Le soluzioni esistono in tutti gli stati: gassose (aria), liquide (acqua di mare), solide (leghe metalliche).
- La regola il simile scioglie il simile spiega molte solubilità: solventi polari per soluti polari, apolari per apolari.
- La solubilità dei solidi in acqua aumenta con la temperatura; quella dei gas diminuisce con la temperatura e aumenta con la pressione.
- La concentrazione si esprime in molti modi: % m/m, % v/v, % m/v, molarità (M), molalità (m), frazione molare (χ).
- Nella diluizione vale M₁V₁ = M₂V₂, perché le moli di soluto non cambiano aggiungendo solvente.
- Una soluzione è satura quando contiene la massima quantità di soluto possibile a quella temperatura.
Esercizio di verifica. Sul quaderno calcola la molarità di una soluzione preparata sciogliendo 5,85 g di cloruro di sodio (NaCl, massa molare 58,5 g/mol) in acqua distillata fino a un volume totale di 250 mL. Poi rispondi: se prendessi 50 mL di questa soluzione e li diluissi con acqua fino a un volume finale di 200 mL, quale sarebbe la nuova molarità ottenuta? Infine spiega in due righe quale principio fisico-chimico hai applicato per il calcolo della diluizione e perché le moli di soluto restano costanti durante l'operazione.