Una soluzione è una miscela omogenea in cui un soluto si disperde a livello particellare in un solvente; la concentrazione misura quanto soluto è presente rispetto al solvente o alla soluzione totale.
In natura e nella vita quotidiana le sostanze pure sono rare, mentre incontriamo continuamente miscele: l'acqua del mare, l'aria che respiriamo, l'acciaio degli utensili. Le soluzioni rappresentano una categoria particolare di miscele, caratterizzate dal fatto di essere otticamente trasparenti e chimicamente uniformi in ogni loro punto. Comprendere come si formano e come si esprime quantitativamente la loro composizione è essenziale per affrontare lo studio della stechiometria, dell'equilibrio chimico e delle proprietà colligative che incontrerai nei prossimi anni.
La natura delle soluzioni e il processo di solubilizzazione
Una soluzione è una miscela omogenea formata da almeno due componenti: il soluto, presente in quantità minore, e il solvente, presente in quantità maggiore e che determina lo stato fisico finale. Quando il solvente è l'acqua parliamo di soluzioni acquose, ma esistono soluzioni in ogni stato di aggregazione: l'aria è una soluzione gassosa, le leghe metalliche come l'ottone sono soluzioni solide, l'acqua minerale è una soluzione liquida che contiene sali e anche gas disciolti. La differenza fondamentale rispetto a una sospensione o a un'emulsione è che nella soluzione le particelle di soluto sono di dimensioni atomiche o molecolari, dunque invisibili anche al microscopio ottico e impossibili da separare con la filtrazione.
Il processo con cui un soluto si scioglie in un solvente prende il nome di solvatazione e, nel caso particolare dell'acqua, di idratazione. Le molecole del solvente circondano le particelle del soluto e instaurano con esse interazioni che vincono le forze che tenevano unite le particelle nel cristallo o nel liquido di partenza. Vale la regola empirica per cui il simile scioglie il simile: i solventi polari come l'acqua sciolgono bene composti ionici e molecole polari, mentre i solventi apolari come l'esano sciolgono grassi e idrocarburi. Esiste tuttavia un limite quantitativo a quanto soluto può sciogliersi a una data temperatura: questo limite si chiama solubilità e dipende dalla natura delle sostanze, dalla temperatura e, per i gas, anche dalla pressione secondo la legge di Henry.
Esprimere la concentrazione: le grandezze fondamentali
Dire genericamente che una soluzione è concentrata o diluita non basta in chimica: servono grandezze numeriche precise che permettano di riprodurre la stessa soluzione in qualsiasi laboratorio. La concentrazione è il rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di solvente o di soluzione, e può essere espressa in modi diversi a seconda della convenienza sperimentale. Le grandezze più usate sono la percentuale in massa, la percentuale in volume, la molarità, la molalità e la frazione molare, ciascuna con un proprio dominio di applicazione.
La percentuale in massa (% m/m) indica i grammi di soluto presenti in 100 grammi di soluzione e si calcola come (massa soluto / massa soluzione) · 100. La percentuale in volume (% V/V) indica i millilitri di soluto in 100 millilitri di soluzione ed è tipica delle bevande alcoliche. La molarità (M), definita come moli di soluto su litri di soluzione, è la grandezza più usata nei calcoli stechiometrici perché lega direttamente il volume al numero di particelle reagenti. La molalità (m), invece, esprime le moli di soluto per chilogrammo di solvente e ha il pregio di non dipendere dalla temperatura, perché si basa su masse e non su volumi. Per esempio, sciogliendo 11,7 g di cloruro di sodio (massa molare 58,5 g/mol) in acqua fino a ottenere 500 mL di soluzione, otteniamo n = 11,7/58,5 = 0,200 mol e quindi una molarità pari a 0,200/0,500 = 0,400 M.
Un'operazione che ricorre continuamente in laboratorio è la diluizione, cioè l'aggiunta di solvente a una soluzione concentrata per ottenerne una meno concentrata. Poiché il numero di moli di soluto non cambia durante l'aggiunta di solvente, vale la relazione M₁ · V₁ = M₂ · V₂, dove i pedici 1 e 2 indicano rispettivamente la soluzione di partenza e quella finale. Questa formula permette di calcolare rapidamente il volume di soluzione madre necessario per preparare una soluzione diluita di volume e concentrazione desiderati.
Ricorda
- Una soluzione è una miscela omogenea soluto–solvente; le particelle di soluto hanno dimensioni atomiche o molecolari e non si separano per filtrazione.
- La concentrazione si esprime in modi diversi: % m/m, % V/V, molarità (mol/L di soluzione), molalità (mol/kg di solvente); molarità e molalità non sono equivalenti perché la prima dipende dalla temperatura.
- Nelle diluizioni il soluto si conserva: vale M₁ · V₁ = M₂ · V₂.
Piccolo esercizio di verifica (svolgi sul quaderno): sciogliendo 8,0 g di idrossido di sodio (NaOH, massa molare 40 g/mol) in acqua fino a raggiungere un volume finale di 250 mL, calcola la molarità della soluzione ottenuta e poi determina quanti mL di questa soluzione servono per preparare 100 mL di NaOH 0,20 M tramite diluizione.