Solutii

SOLUTII

Definitie si clasificare

Solutiile sunt amestecuri omogene de doua sau mai multe substante dizolvate in proportii variabile.

Orice solutie este formata din MEDIUL DE DISPERSIE ( substanta in care se produce dizolvarea numita SOLVENT sau DIZOLVANT), respectiv substanta care se dizolva numita SOLVAT sau DIZOLVAT sau SOLUT.

Dupa starea de agregare a substantelor dizolvate solutiile pot fi gaz in lichid (g/l), lichid in lichid ( l/l) sau solid in lichid (s/l).

2. Dizolvarea

Dizolvarea este procesul de difuziune a particulelor de solvat in cele de solvent,

fenomen datorat miscarii particulelor.

Observatie: in solutie substantele isi pastreaza proprietatile.

Mecanismul dizolvarii

Mecanismul de dizolvare a unei substante solide depinde de tipul de legaturi chimice din substantele care se dizolva, precum si de natura solventului.

Substantele cu legatura covalenta nepolara se vor dizolva in solventi organici nepolari si se vor rupe in moleculele constituente.

Substantele cu legaturi ionice sau covalente polare se vor dizolva in solventi polari si se vor rupe in ionii componenti. Acestia vor difuza in solutie, unde vor fi inconjurati de moleculele solventului; acest fenomen poarta numele de solvatare.

In cristalul de clorura de sodiu ionii sunt mentinuti de forte electrostatice. Cand apa

ajunge in contact cu cristalul, moleculele polare ale apei se orienteaza cu polii de semn contrar in jurul ionilor din cristal. Intre moleculele apei si ionii din retea se exercita forte de atractie, la inceput asupra ionilor periferici,apoi asupra tuturor; daca fortele de atractie ale dipolilor sunt mai puternice decat cele electrostatice dintre ioni, acestia se desprind din cristal , vor fi inconjurati de un anumit numar de molecule de apa si trec in solutie sub forma de ioni hidratati.

Legaturile dintre ioni si moleculele de apa se numesc legaturi ioni – dipoli.

Hidratarea( Solvatarea) : procesul de legare al moleculelor de apa (sau a altui solvent) de ionii sau moleculele solvatului prin legaturi ioni-dipol sau dipol-dipol.

2.2. Viteza de dizolvare: reprezinta cantitatea de substanta care se dizolva in unitatea de timp.

Factorii care influenteaza viteza de dizolvare

a) Marirea suprafetei de contact dintre substanta si solvent – se realizeaza prin macinarea sau pulverizarea substantei

b)     Marirea temperaturii solutiei – determina cresterea energiei cinetice a particulelor

de solvat. Acestea vor executa miscari de oscilatie mai ample in jurul pozitiilor de echilibru din retea , slabind astfel fortele de atractie dintre ioni si facilitand ruperea lor din cristal.

a)     Ridicarea starii de agitatie a particulelor – procesul de dizolvare este un proces

partial reversibil, deoarece o parte din particulele solvatateale cristalului aflate in miscare haotica in solutie se pot ciocni cu cristalul inca nedizolvat si se pot fixa pe acesta. La un moment dat se stabileste un echilibru dinamic intre particulele care se dizolva si cele cele care se fixeaza pe cristal. Astfel, in imediata apropiere a cristalului, concentratia solutiei va fi mult mai mare decat in restul volumului si o data stabilit echilibreul de dizolvare, viteza de dizolvare va scadea. Prin agitarea solutiei se impiedica stabilirea acestui echilibru.

Fenomene ce insotesc dizolvarea

a)     Efectul termic

La dizolvarea unei substante se produc concomitent doua fenomene: unul fizic, in urma caruia particulele solvatului se rup din agregatul initial si difuzeaza printre moleculele solventului. Acest fenomen necesita energie, care va fi luata din mediu, de aceea acest proces este endoterm.

Fenomenul chimic este acela prin care moleculele de solvent reactioneaza cu particulele de solvat, formind ioni solvatati, uniti prin legaturi ion-dipol sau dipol-dipol. Acest fenomen are loc cu degajare de caldura, de aceea este exoterm.

Efectul termic global va fi egal cu suma algebrica a celor doua efecte termice : Q_diz = Q_fiz + Q_ch

Q_diz : cantitatea de caldura absorbita sau degajata la dizolvarea unui mol-gram de substanta.

In functie de efectul care predomina, reactia va fi endoterma sau exoterma.

Exemple: - dizolvarea acizilor concentrati in apa este un fenomen exoterm.

- dizolvarea NH₄Cl, NH₄NO₃, NaCl, CaCl₂ in apa sunt fenomene endoterme.

b)     Variatia de volum

Concomitent cu dizolvarea substantelor in diferiti solventi se constata uneori si variatia volumului solutiei obtinute fata de suma volumelor adaugate.

Daca intre moleculele solventului exista o atractie mai puternica decat cea interna dintre moleculele singure de solvent sau solvat se va produce o scadere a volumului la dizolvare.

Ex. –dizolvarea NaCl sau a alcoolului etilic in apa are loc cu scadere de volum.

Solubilitatea substantelor solide

Solubilitatea reprezinta proprietatea unei substante de a se dizolva intr-un anumit solvent si se exprima prin cantitatea sau volumul maxim de substanta care se poate dizolva in anumite conditii intr-o anumita cantitate sau anumit volum de solvent.

Coeficient de solubilitate : S = grame de substanta / 100 grame solvent

Clasificarea substantelor dupa valoarea coeficientului de solubilitate S:

a) substante usor solubile  S > S_NaCl = 36; S_NaNO3 = 87,5

b) substante greu solubile  S = 0,01 – 1 S_CaCO3 = 0,2

c) substante practic insolubile S < S_AgI = 3

Solutie saturata – solutia in care s-a dizolvat cantitatea maxima de substanta, iar prin adaosul unei cantitati suplimentare de substanta se va produce precipitarea acesteia.

Factorii de care depinde solubilitatea

1.Natura chimica a solvatului si a solventului – solubilitatea depinde de fortele de solvatare stabilite intre moleculele solvatului si a solventului. Cu cat fortele de solvatare sunt mai puternice cu atat solubilitatea este mai ridicata.

In general dizolvarea are loc cu atat mai usor cu cat asemanarea chimica dintre solvat si solvent este mai mare. De aceea, combinatiile electrovalente( acizi, baze, saruri) si substantele cu legaturi polare se vor dizolva in solventi polari( apa, alcool, acid acetic, acetona). Compusii cu legaturi nepolare sau slab polare se dizolva mai usor in solventi organici( benzen, cloroform, eter etilic, eter de petrol).

2. Temperatura – solubilitatea este constanta la o temperatura constanta, dar variaza la modificarea acesteia.

Pentru majoritatea sarurilor, cresterea temperaturii determina cresterea solubilitatii.

Solubilitatea gazelor in lichide va scadea o data cu temperatura.

3.Presiunea – nu influenteaza deloc solubilitatea substantelor lichide sau solide.

Solubilitatea substantelor gazoase creste cu cresterea presiunii.

4. Exprimarea concentratiilor solutiilor

a) Concentratia procentuala (%) a unei solutii reprezinta numarul de grame (cantitatea) de substanta dizolvata in 100 grame de solutie. Se noteaza cu c%

Exemplu:

O solutie de CuSO₄ cu c=15% inseamna 15 g CuSO₄ dizolvat in 100 g solutie, iar 100 g solutie sunt formate din 15 g CuSO₄ si 85 g apa. In concluzie, o solutie cu concentratia c% inseamna

c g substanta ……….. 100 g solutie

b)Concentratia molara (M) a unei solutii reprezinta numarul de moli de substanta dizolvata intr-un litru (l) sau dm³ de solutie. Se noteaza M.

Observatie

Masa moleculara este o marime relativa care arata de cate ori masa unei molecule este mai mare decat a 12-a parte din masa izotopului ¹²C (u.a.m.) si se calculeaza ca suma maselor atomice

ale atomilor elementelor ce formeaza substanta chimica. Se noteaza cu M si pentru a face diferenta de notatie cu molaritzatea se aseaza ca indice substanta pentru care se calculeaza masa moleculara.

Exemplu

M_CuSO4 = A_Cu + A_S + 4A_O = 64 + 32 + 4x16 = 160 u.a.m.

Molul (molecula gram) reprezinta cantitatea in grame dintr-o substanta, numeric egala cu masa moleculara a substantei respective. Se noteaza cu ν. Numarul de moli din m grame de substanta se calculeaza : ν = m/M

c)Concentratia normala (N) a unei solutii reprezinta numarul de echivalenti gram (Eg) de substanta dizolvati intr-un litru (l) sau dm³ de solutie. Se noteaza cu N.

Observatie

- Echivalentul-gram reprezinta cantitatea in grame dintr-o substanta care se combina sau inlocuieste 1 g hidrogen sau 8 g oxigen.

Exemplu de calcul al Eg:

Eg pentru atomi = atom gram

Valenta

M_baza

Eg pentru baze =

nr. grupari HO^-

M_acid

Eg pentru acizi =

nr. ioni H⁺

M_sare

Eg pentru sare =

Valenta metal x nr.ioni metal

M_{subst. care participa la reactia redox}

Eg redox =

Nr. de e^- cedati sau acceptati de o molecula

d) Titrul (T) reprezinta numarul de grame (cantitatea) de substanta dizolvata intr-un ml de solutie. Se noteaza T

5. Solutii tampon

Solutiile tampon sunt amestecuri de substante care in solutie isi modifica foarte putin pH-ul

la adaosul unor cantitati mici de acizi sau baze.

Tipuri de solutii tampon

a)     acid slab + sare a unui acid slab cu baza tare

H₂CO₃ + NaHCO₃

b)     baza slaba + sare a unei baze slabe cu acid tare

H₃PO₄ + NH₄Cl

c)     saruri primare, secundare, tertiare ale acizilor polibazici cu baze tari

NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄

Citrat de sodiu + citrat disodic

Proprietatea acestor solutii tampon de a se opune modificarii pH-ului la adaosuri mici de acizi sau baze tari se numeste capacitate de tamponare sau putere de tamponare. Aceasta se bazeaza pe proprietatea solutiilor tampon de a consuma acizii sau bazele care se adauga, respectiv de a hidroliza sarurile din componenta lor, formand ioni de hidroniu ( H₃O⁺)sau hidroxil ( OH^-), care vor neutraliza acizi sau bazele din sistem.

Capacitatea de tamponarea acestor solutii e cuprinsa intre anumite limite de pH si este maxima la pH-ul propriu al solutiei tampon. In afara limitelor de tamponare, solutile nu se pot opune eficient modificarii de pH.

Exprimata matematic, capacitatea de tamponare reprezinta nr. De moli de acid sau de baza care trebuie adaugati pentru a modifica pH-ul unui litru de solutie tampon cu o unitate de pH.

Mecanismul de actiune

Se bazeaza pe faptul ca solutiile tampon sunt alcatuite dintr-o componenta acida, capabila sa neutralizeze ionii hidroxil generati de bazele adaugate si o componenta bazica, ce va neutraliza protonii generati de acizii adaugati.

Ex. CH₃COOH + CH₃COONa

Acidul acetic va fi partial disociat in apa: CH₃COOH CH₃COO^- + H⁺

Acetatul de sodiu este un electrolit tare care va fi total disociat

CH₃COONa CH₃COO^- + Na⁺

Cazul I. Daca sistemului i se adauga o solutie de HCl:

CH₃COOH + CH₃COO^-Na⁺ + HCl 2CH₃COOH + Na⁺ + Cl^-

Acidul clorhidric va reactiona cu acetatul de sodiu fiind astfel neutralizat. Acidul acetic rezultat disociaza putin si de aceea pH-ul solutiei nu se modifica

Cazul II. Daca sistemului i se adauga o baza tare:

CH₃COOH + CH₃COO^-Na⁺ + NaOH 2 ( CH₃COO^- + Na⁺ ) + H₂O

( CH₃COO^- + Na⁺ ) + H₂O CH₃COOH + Na ⁺OH ^-

Baza tare va fi neutralizata de catre acidul acetic din tampon ; se formeaza o noua molecula de acetat de sodiu, care desi hidrolizeaza putin ,conduce la formarea a mai putini ioni de hidroxil decat cei care au fost adaugati sistemului.

In concluzie pH-ul solutiilor se modifica foarte putin datorita efectului solutiilor tampon.

Rolul solutiilor tampon

Solutiile tampon indeplinesc un rol deosebit de important in procesele biochimice care se produc in sol si in organismele vegetale si animale sub actiunea unoe agenti chimici sau enzime.

Deoarece reactiile biochimice nu decurg corect decat la un anumit pH, atunci cand se produce o modificare a pH-ului, mediul lupta de la sine printr-un sistem de tamponare pentru mentinerea pH-ului.

In sange , sistemul tampon este format din fosfat monosodic – fosfat disodic si acid carbonic – bicarbonat de sodiu.

Solul arabil manifesta o mare actiune de tamponare cu ajutorul fosfatilor, carbonatilor sau hidroxizilor, precum si al intregului complex adsorbitiv din sol. Solurile bine tamponate sunt fertile, fiind cel mai putin afectate e tendinta ingrasamintelor chimice de a modifica pH-ul solului.