SOLUTII - NOTIUNI GENERALE

SOLUTII - NOTIUNI GENERALE

Solutiile sunt amestecuri omogene (sisteme disperse omogene) formate din doua sau mai multe componente, la care gradul de dispersie merge pana la molecula. Componentele unei solutii sunt: dizolvantul sau solventul si substanta dizolvata (solvatul).

Dupa starea de agregare a componentilor se disting trei categorii de solutii: solide (sticla, alama), lichide (zahar in apa, apa in alcool) si gazoase (aerul). Dintre acestea, solutiile lichide poarta si numele de solutii propriu-zise, avand cea mai mare importanta practica si stiintifica. Acestea vor fi studiate in continuare sub denumirea simpla de solutii. Solutiile lichide pot avea ca solvati substante solide, lichide sau gazoase.

1. Dizolvarea

Prin dizolvare se defineste trecerea unei substante in stare de solutie. In cazul celor mai multe substante solide care se dizolva, acest proces constituie un fenomen fizico-chimic in care, moleculele, respectiv ionii sau moleculele solvatului difuzeaza printre moleculele solventului (fenomen fizic) si isi asociaza (leaga) un numar oarecare din moleculele acestuia cu o variatie de caldura (fenomen chimic). Procesul ultim se numeste solvatare respectiv hidratare in cazul in care solventul este apa si duce la formare de solvati, respectiv hidrati.

Cantitatea de caldura absorbita sau degajata la dizolvarea unui mol de substanta se numeste caldura de dizolvare Aceasta caldura se poate determina experimental cu ajutorul calorimetrului si constituie o caracteristica importanta a substantelor. Daca dizolvarea are loc cu degajare de caldura, procesul este exoterm si invers, endoterm, ceea ce duce la concluzia ca, la formarea solutiilor rezulta pseudocompusi (compusi a caror compozitie nu este bine definita) printr-o pseudoreactie (reactie ce nu decurge stoechiometric). Astfel, la dizolvarea H₂SO₄ in apa la 20^oC, reactia este puternic exoterma (DH = -20,4 kcal/mol), ca si la dizolvarea KOH (DH = -13 kcal/mol), in timp ce in cazul azotatilor, procesul este endoterm (pentru NH₄NO₃, DH = 6 kcal/mol).

Coreland cu cele studiate la termodinamica, se poate arata ca dizolvarea este un proces care asculta de legile termodinamicii. Variatia entalpiei libere in timpul procesului este data de relatia DG=DH - TDS in care intervine un factor entalpic DH creat de procesul de rupere a retelei dizolvantului si de solvatarea sa, precum si un factor entropic TDS, rezultat al tendintei catre o mai mare dezordine prin dispersarea dizolvatului printre moleculele de solvent. In cazul ideal in care nu se consuma sau degaja caldura, ci dizolvarea se produce numai pe seama factorului entropic, rezulta solutii ideale (v. 5.2).

O serie de substante retin la iesirea din solutie, prin cristalizare, un numar de molecule de apa numita apa de cristalizare, iar formatiile respective se numesc critalo-hidrati (CuSO₄5H₂O, Na₂SO₄10H₂O etc).

Apa, avand un moment de dipol mare, este un foarte bun solvent, dar numai pentru substantele ionice sau cele care au ca si ea caracter dipolar. De aceea, nu dizolva parafina, naftalina sau mai multe substante organice care sunt nepolare si care, in stare solida, prezinta alt tip de legatura (de exemplu forte van der Waals) fata de apa.

2. Solubilitatea substantelor

Proprietatea substantelor de a se dizolva poarta numele de solubilitate. Ea depinde de natura solventului, a solvatului, de temperatura si presiune. Raportand cantitatea de substanta dizolvata la cantitatea de solutie sau de dizolvant se obtine notiunea de concentratie.

Solutia in care este dizolvata cantitatea maxima de solvat la o temperatura data este o solutie saturata. Asadar, starea de solutie saturata este o stare de echilibru care asculta si ea de legile termodinamice ale echilibrului. Concentratia de saturatie constituie o masura a solubilitatii. Astfel, o solutie saturata de NaCl contine la 20^oC 358 g NaCl la 1 litru solutie, in timp ce AgI numai 310^-6 g. Aceste cifre reprezinta expresia cantitativa a solubilitatii fata de care, substantele se clasifica in: usor solubile (NaCl) si greu solubile (AgI). Nu exista practic substante insolubile.

Cand o solutie contine o cantitate de substanta dizolvata apropiata de cea corespunzatoare solutiei saturate, poarta numele de solutie concentrata, iar atunci cand contine o cantitate mult mai mica de substanta dizolvata, se numeste solutie diluata.

Exprimarea cantitativa a concentratiei solutiilor.

Concentratia procentuala (c %) se indica prin numarul de grame de substanta dizolvata in 100 g solutie. De exemplu, o solutie 20 % NaCl contine 20 g Na Cl in 100 g solutie sau in 80 g apa.

Concentratia la mie (c ) indica g subst./1000 g solutie.

Concentratia molara sau molaritatea indica numarul de moli de solvat la un litru de solutie. Concentratia solutiilor molare se noteaza cu m alaturi de numarul sau fractiunea de moli de substanta dizolvata. Astfel, o solutie molara se indica prin 1m, solutia 1/10 molara prin 0,1m etc. Cantitatea de solvat dizolvata la litru este data de relatia mM unde M este molul de solvat.

Concentratia normala sau normalitatea indica numarul de echivalenti-gram de solvat la 1 litru de solutie si se noteaza cu n. O solutie are concentratie normala cand contine 1 echivalent-gram de substanta dizolvata la 1 litru de solutie. O solutie decinormala (sau 1/10 normala) se noteaza 0,1n si contine 1/10 dintr-un echivalent-gram de substanta la 1 litru solutie. Acest mod de exprimare a concentratiei este intrebuintat in analiza volumetrica a substantelor. Cantitatea de solvat aflata intr-un litru de solutie este egala cu nEg unde Eg reprezinta echivalentul-gram (mol/valenta).

Concentratia molala sau molalitatea reprezinta moli de solvat la 1000 g solvent.

Fractia molara In cazul in care intr-o solutie se afla mai multi componenti a, b, cfiecare continand un anumit numar de moli n_a, n_b, n_cconcentratia solutiei se exprima prin fractia molara a fiecarui component X_a, X_b, X_cFractia molara a unui component este data de relatia:

(5.1)

iar suma fractiilor molare ale componentilor este 1:

X_a + X_b + X_c + = 1 (5.2)

Concentratia procentuala molara a unuia din componenti (de exemplu substanta a) aflati in solutie este 100X_a.

Titrul (T) al unei solutii reprezinta g substanta dizolvata intr-un mililitru solutie. Concentratiile exprimate prin titru se intrebuinteaza in analiza chimica cantitativa, iar solutiile al caror titru se cunoaste se numesc solutii titrate.

Egaland relatiile care exprima aceeasi cantitate de substanta dizolvata la 1000 ml solutie, se poate calcula concentratia unei solutii exprimata in diverse moduri:

1000 T = 10 c% d = c d = nEg = mM (5.3)

unde

d = densitatea solutiei (masa/volum)

Astfel, molaritatea unei solutii procentuale este:

m = 10 c% d/M rezultata din relatia

mM = 10 C% d (5.4)

iar normalitatea unei solutii de titru T este:

n = 1000 T/Eg (5.5)

Solubilitatea substantelor solide si lichide. Solubilitatea substantelor solide si lichide nu este dependenta de presiune dar creste in cele mai multe cazuri cu temperatura, asa cum rezulta din figura 36.

Astfel, solubilitatea azotatilor creste mult cu temperatura in timp ce halogenurile alcaline sunt foarte putin influentate (exemplu NaCl). In cazul cristalo-hidratilor (exemplu Na₂SO₄10H₂O), solubilitatea creste numai pana la o anumita temperatura la care isi pierd apa de cristalizare, comportandu-se in continuare ca halogenurile.

Figura 36. Curbele de solubilitate ale unor saruri in apa.

Solubilitatea gazelor in lichide.

Influenta temperaturii. Spre deosebire de substantele solide, solubilitatea gazelor creste cu scaderea temperaturii. Acest fapt are mare importanta in natura, deoarece iarna, in apa raurilor si lacurilor, exista mai mult aer dizolvat ceea ce permite existenta vietuitoarelor chiar daca se creeaza o crusta de gheata ce separa apa de aerul atmosferic.

Influenta presiunii. Solubilitatea gazelor este favorizata de cresterea presiunii conform legii lui W. Henry si legii lui J. Dalton:

Legea lui Henry (1803) se refera la un singur gaz: solubilitatea unui gaz (m_gaz /v_dizolvant) la o temperatura data este proportionala cu presiunea p a gazului deasupra solutiei:

m = Kp (5.6)

unde K reprezinta coeficientul de absorbtie al gazului (gaz absorbit de un litru apa la 0^oC si 1 atm).Aceasta lege nu se aplica gazelor foarte solubile in apa ca: NH₃, SO₂, CO₂ etc.

Legea lui Dalton (1805) se refera la un amestec de gaze: in cazul gazelor aflate in amestec, solubilitatea fiecarui gaz in parte este proportionala cu presiunea sa partiala la suprafata lichidului. Ca o aplicatie a acestei legi sa calculam solubilitatea in apa a componentelor aerului atmosferic. Presiunile partiale ale gazelor ce compun aerul atmosferic sunt:

p_N2 = 0,78 atm; p_O2 = 0,21 atm; p_Ar = 0,01 atm.

Un litru de apa dizolva la 0^oC si 1 atm, tinand seama de coeficientii de absorbtie, urmatoarele volume de gaz:

Azot: 1000 x 0,023 x 0,78 = 17,94 mL = 62,4%

Oxigen: 1000 x 0,049 x 0,21 = 10,29 mL = 35,8%

Argon : 1000 x 0,053 x 0,01 = 0,53 mL = 1,8%

Cunoscand ca proportia in aer a celor doua elemente biogene, oxigenul si azotul, este de circa 1/5 oxigen si 4/5 azot, in apa proportia este de circa 1/3 oxigen si 2/3 azot. Prin urmare mediul acvatic este mai oxigenat decat aerul atmosferic, de aceea, vietuitoarele acvatice, datorita adaptarii, pot trai numai in astfel de mediu.