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Soluzioni e concentrazioni

Overview

Fonte: Laboratorio del Dr. Michael Evans — Georgia Institute of Technology

Una soluzione è una miscela omogenea contenente alcuni componenti in piccole quantità, chiamati soluti, e un componente in grande quantità, chiamato solvente. Le soluzioni solido-liquide contengono uno o più soluti solidi disciolti in un solvente liquido. Le soluzioni sono onnipresenti in chimica: vengono utilizzate per immagazzinare e gestire piccole quantità di materiale, effettuare reazioni chimiche e sviluppare materiali con proprietà controllabili.

La densità di un soluto in una soluzione è nota come concentrazione del soluto. La concentrazione può essere espressa in diversi modi, differendo nelle unità utilizzate per convogliare le quantità di soluto, solvente e soluzione.

Questa dimostrazione illustra come preparare una soluzione di saccarosio con una concentrazione target utilizzando tecniche analitiche precise. Inoltre, vengono presentate e spiegate varie misure della concentrazione di questa soluzione.

Principles

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Quando vengono immersi in acqua, molti solidi si rompono in particelle (molecole o ioni) circondate da molecole d'acqua. Questo processo di dissoluzione converte una miscela eterogenea di solido e liquido in un'unica miscela omogenea costituita da acqua liquida e particelle di soluto disciolte. Il processo di dissoluzione per il saccarosio può essere scritto come un'equazione chimica usando i designatori di fase solida e acquosa. Il designatore (aq) che segue una specie implica che le molecole d'acqua circondano e solvano quella specie.

Equation 1

Soluzioni diverse possono contenere un numero diverso di particelle disciolte e la concentrazione è una misura che quantifica la densità delle particelle di soluto all'interno di una soluzione. Una misura fondamentale della concentrazione è la frazione molare (x) del soluto: il numero di moli di particelle di soluto (nsoluto) diviso per il numero totale di moli dei componenti della soluzione (tutti i soluti e solvente).

Equation 2

Moltiplicando la frazione molare per 106 si ottiene la concentrazione di parti per milione (ppm), il numero di particelle di soluto per milione di particelle di soluzione. Il numero di moli di soluto per litro di soluzione, o molarità (M), è una seconda misura comune di concentrazione.

Equation 3

La concentrazione può anche essere espressa come parti per massa, la frazione della massa della soluzione dovuta al soluto.

Equation 4

Moltiplicando le parti per la concentrazione di massa per il 100% si ottiene la percentuale di massa.

Infine, la molalità è una misura di concentrazione che utilizza la massa del solvente, piuttosto che il volume della soluzione, come misura della "dimensione" della soluzione. La molalità è il rapporto tra il numero di moli di soluto e la massa del solvente in chilogrammi.

Equation 5 

La preparazione precisa e accurata di una soluzione con una molarità target richiede un'attenta tecnica analitica. Il soluto solido deve essere accuratamente pesato e trasferito quantitativamente (completamente) in un matraccio volumetrico. Il solvente può quindi essere aggiunto con attenzione fino a quando la soluzione raggiunge il segno sulla vetreria. Per ottenere i migliori risultati, il soluto deve essere lasciato sciogliere completamente in meno del volume totale di solvente e qualsiasi solvente rimanente deve essere aggiunto quando non è visibile alcun soluto solido.

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Procedure

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1. Preparazione di 100 mL di una soluzione di saccarosio 0,0100 M

  1. Determinare il numero di moli e la massa di saccarosio (C12H22O11) da sciogliere in 100 mL di soluzione.
    Equation 6
  2. Pesare la massa di saccarosio sulla bilancia. Per prima cosa metti una barca pesata sulla bilancia e imposta la "tara". Quindi, utilizzando una scoopula, trasferire con cura il soluto solido dal flacone del reagente alla barca di pesatura fino a ottenere la quantità desiderata.
  3. Posizionare un imbuto di polvere in un matraccio volumetrico da 100 ml pulito e asciutto. Versare il solido dalla barca di pesatura attraverso l'imbuto nel pallone.
  4. Utilizzando un flacone di lavaggio contenente acqua distillata (il solvente), sciacquare il solido residuo dalla barca di pesatura attraverso l'imbuto nel pallone.
  5. Aggiungere il solvente utilizzando il rubinetto dell'acqua distillata fino a quando il livello del liquido raggiunge il collo del pallone (ma non il segno). Tappare e ruotare delicatamente il pallone per sciogliere il soluto.
  6. Una volta che tutto il soluto si è sciolto, utilizzare un flacone di lavaggio per aggiungere con cura il solvente fino a quando il livello del liquido raggiunge il segno.
  7. Tappare e invertire più volte il matraccio volumetrico per garantire una buona miscelazione della soluzione.

2. Fare una soluzione di saccarosio supersaturo

  1. Aggiungere 100 ml di acqua distillata a un becher da 600 ml.
  2. Aggiungere 220 g di saccarosio al becher.
  3. Mettere una barra magnetica nel becher e lasciare che la miscela si mescoli per 15 minuti.
  4. Esaminare la miscela: non tutto il saccarosio si è sciolto. Riscaldare la miscela a 50 ºC e mescolare per altri 10 minuti.
  5. Esaminare la miscela: tutto il saccarosio si è sciolto a 50 ºC.
  6. Lasciare raffreddare la soluzione a temperatura ambiente. Esaminare la soluzione: il saccarosio aggiuntivo disciolto a 50 ºC rimane disciolto a temperatura ambiente. La soluzione a temperatura ambiente è supersatura.

Le soluzioni sono onnipresenti in chimica. Sono utilizzati per immagazzinare e gestire piccole quantità di materiale, effettuare reazioni chimiche e sviluppare materiali con proprietà controllabili. Una soluzione è una miscela omogenea contenente alcuni componenti in piccole quantità, chiamati soluti, e un componente in grande quantità, chiamato solvente. La quantità di soluto rispetto alla quantità totale di una soluzione è nota come sua "concentrazione". A seconda che si tratti della massa, del volume o della quantità in moli dei componenti della soluzione che vengono considerati, questa misurazione può essere espressa in diversi modi, in base alle esigenze dell'esperimento. In questo video, esamineremo prima i diversi tipi di unità per misurare la concentrazione di una soluzione. Esamineremo quindi un protocollo per la creazione di una soluzione di saccarosio. Infine, vedremo come la misurazione della concentrazione viene utilizzata in diverse applicazioni chimiche.

La concentrazione di una soluzione può essere espressa in un numero di unità diverse, ognuna delle quali può essere più adatta per applicazioni particolari rispetto ad altre. Una delle unità più comunemente usate è la molarità, che è la quantità di soluto per volume di soluzione; un molare equivale a una mole di soluto per litro di soluzione. A causa della semplicità di misurazione dei volumi di liquidi, la molarità è una delle unità più convenienti per i calcoli stechiometrici delle reazioni in soluzione. La stechiometria si basa sul numero di molecole coinvolte in una reazione. Pertanto, conoscere la molarità semplifica il calcolo dei reagenti richiesti.

Quando la concentrazione è espressa come quantità di soluto per massa di solvente, la misurazione è chiamata molalità. Il volume dei materiali cambia con la temperatura, quindi misurare la concentrazione con la molalità è vantaggioso quando si studiano le proprietà fisiche delle soluzioni, note come proprietà colligative, che comportano differenze di temperatura. La frazione molare è un'altra unità di concentrazione comune ed è data dal numero di moli di soluto per numero totale di moli di tutti i componenti della soluzione - soluti e solventi. Le frazioni di mole sono utili, ad esempio, quando si studia la "pressione di vapore" delle soluzioni. Ciò riflette la misura in cui le particelle di soluto e solvente "fuoriescono" da una soluzione liquida nella fase gassosa, poiché la frazione molare è uguale al rapporto tra pressioni parziali e pressione totale. Ora che hai un'idea di come può essere misurata la concentrazione di una soluzione, passiamo attraverso un protocollo per realizzare una soluzione con una concentrazione molare specifica.

Inizia calcolando la massa di saccarosio necessaria, usando prima il volume e la concentrazione desiderati della soluzione per arrivare al numero di moli di saccarosio, quindi usando la massa molecolare per convertire in massa. In questo esempio, vengono prodotti 100 ml di una soluzione di saccarosio 0,01 M, quindi saranno necessari 0,342 g. Per pesare la massa richiesta di saccarosio, prima metti una barca di pesatura pulita e vuota sulla bilancia. Impostare la "tara", il che significa impostare il peso della barca a pesatura vuota su zero. Quindi, utilizzando una scoopula, trasferire la polvere di saccarosio dal flacone del reagente sulla barca di pesatura fino a ottenere la quantità desiderata. Posizionare un imbuto di polvere in un matraccio volumetrico pulito e asciutto da 100 ml. Versare con attenzione il saccarosio attraverso l'imbuto. Utilizzando un flacone contenente il solvente, in questo caso acqua distillata, sciacquare il solido residuo dalla barca di pesatura nel pallone.

Aggiungere altra acqua distillata, ma fermarsi prima che raggiunga il segno di calibrazione. Tappare e ruotare delicatamente per sciogliere il solido. È importante non riempire il pallone fino in fondo a questo punto, poiché potrebbe essere difficile per il solido dissolversi completamente.

Una volta che tutto il saccarosio si è sciolto, aggiungere con cura il solvente usando un flacone di lavaggio fino a quando il fondo del menisco raggiunge la graduazione volumetrica. Tappare nuovamente il pallone e invertirlo più volte per garantire la completa dissoluzione e miscelazione.

Una soluzione supersatura è quella in cui viene disciolto più soluto di quanto ci si aspetterebbe, data la temperatura o altre proprietà fisiche del solvente. Il grado in cui si basa sul soluto, sul solvente e sulla velocità di raffreddamento. La supersaturazione si ottiene prima sciogliendo il soluto in una condizione in cui la solubilità è elevata, e quindi cambiando rapidamente le condizioni della soluzione - ad esempio, diminuendo la sua temperatura o volume - più rapidamente di quanto le particelle di soluto possano uscire dalla soluzione. A questo punto, più soluto rimarrebbe in soluzione nelle nuove condizioni di quanto sarebbe possibile sciogliendo il soluto direttamente in quelle condizioni. Per creare una soluzione di saccarosio supersaturo, posizionare prima 100 ml di acqua in un becher. Aggiungere una barra magnetica, quindi mescolare su una piastra calda. Aggiungere 220 g di saccarosio nell'acqua di agitazione e lasciare mescolare la miscela di saccarosio per 15 minuti. Dopo 15 minuti, osservare che non tutto il saccarosio si è dissolto. A questo punto, riscaldare la miscela a 50 °C. Continuare a mescolare la miscela per altri 10 minuti.

Esaminare nuovamente la soluzione. Tutto il saccarosio avrebbe dovuto essere sciolto in acqua a 50 °C. Ora, lasciare raffreddare lentamente la soluzione a temperatura ambiente e rimuovere la barra di agitazione. Osserva che il saccarosio rimane ancora disciolto. La soluzione a temperatura ambiente è ora sovrasatura. L'aggiunta anche di una piccola quantità di polvere di saccarosio aggiuntiva in questa soluzione può innescare una rapida ricristallizzazione di tutto il saccarosio disciolto.

Ora che hai visto come preparare soluzioni con concentrazioni specifiche, diamo un'occhiata ad alcuni esempi di come il concetto può essere una considerazione importante per varie applicazioni.

La concentrazione di reagenti, componenti del solvente e altri componenti di una reazione chimica ha spesso un impatto significativo sulla velocità dei prodotti della reazione. Concentrazioni più elevate di reagenti aumentano la probabilità che le molecole si incontrino e reagiscano, aumentando così potenzialmente la velocità di reazione. Allo stesso tempo, l'aumento delle concentrazioni di ioni salini carichi in soluzione può anche favorire l'aggregazione di molecole idrofobiche o "idrorepellenti".

I ricercatori hanno studiato l'autoassemblaggio di una molecola complessa in polimeri lunghi in presenza di concentrazioni variabili di sale nel solvente di reazione. Hanno scoperto che, a concentrazioni di sale più elevate, l'assemblaggio delle molecole in polimeri avviene più facilmente.

La concentrazione influisce anche sul tasso di processi fisici come la cristallizzazione. I biologi spesso cristallizzano molecole come le proteine, dove diventano ordinatamente disposte in un reticolo cristallino, in modo che la loro struttura possa essere dedotta studiando come i raggi X si diffamentano attraverso questi cristalli. Per cristallizzare le proteine, le soluzioni proteiche vengono miscelate con un "precipitante", di solito un sale di qualche tipo, a diverse concentrazioni e pH. Una goccia di questa miscela viene quindi posta in una camera chiusa con un serbatoio di soluzione precipitante più concentrata. Quando l'acqua evapora dalla goccia della soluzione proteica per equilibrare la concentrazione di precipitante tra la goccia e il serbatoio, la proteina diventa sempre più sovrasatura e alla fine cristallizza fuori dalla soluzione. Per ulteriori informazioni, guarda il nostro video sulla coltivazione dei cristalli.

Infine, una comprensione della concentrazione è importante per valutare i livelli di tossine nell'ambiente. In questo esempio, gli scienziati hanno sviluppato un test per rilevare la quantità della tossina batterica potenzialmente fatale botulino in campioni di cibo o acqua, rilevando la misura in cui la tossina scinde una particolare proteina. Per eseguire il test, viene prima generata una "curva standard" misurando il livello di attività di diverse concentrazioni note della tossina. La tossina isolata da campioni sconosciuti può quindi essere sottoposta al test e la concentrazione può essere interpolata confrontando la sua attività con la curva standard.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla creazione di soluzioni. Ora dovresti capire quando usare diverse unità per esprimere la concentrazione, una dimostrazione per creare una soluzione con una concentrazione specifica e, infine, diverse applicazioni che illustrano l'importanza dell'argomento.

Grazie per l'attenzione!

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Results

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La fase 1 della procedura crea 100 mL di una soluzione di saccarosio 0,0100 M. Per convertire in misure di concentrazione diverse dalla molarità, determinare la massa d'acqua utilizzata per preparare la soluzione. Sebbene questo possa essere misurato con precisione, in assenza di una misurazione si può presumere che il volume delle particelle di soluto disciolte sia trascurabile (cioè, il volume di acqua utilizzato era di 100 ml). Usando la densità dell'acqua...

Equation 7

La molalità del saccarosio in questa soluzione è quindi:

Equation 8

Le parti in massa di saccarosio sono pari a:

Equation 9

La frazione molare del saccarosio può essere calcolata determinando il numero di moli in 100 g di acqua e dividendo la quantità di saccarosio per la quantità totale di particelle nella soluzione.

Equation 10

La fase 2 della procedura illustra che la solubilità del saccarosio in acqua dipende dalla temperatura. Al riscaldamento, il saccarosio non disciolto che riposa in una soluzione satura si dissolve, formando una soluzione satura di concentrazione più elevata a temperature più elevate. Quando questa soluzione si raffredda, il saccarosio non precipita fuori dalla soluzione. La soluzione raffreddata risultante è sovrasatura con saccarosio. L'aggiunta anche di una piccola quantità di polvere di saccarosio aggiuntiva in questa soluzione può innescare una rapida ricristallizzazione di tutto il saccarosio disciolto.

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Applications and Summary

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Le soluzioni solido-liquido sono onnipresenti in chimica. La maggior parte delle reazioni chimiche vengono eseguite in soluzione perché i soluti disciolti sono abbastanza mobili da mescolarsi rapidamente e urtarsi l'uno con l'altro. Le soluzioni possono anche essere utilizzate per immagazzinare piccole quantità di soluti in volumi macroscopici e facilmente gestibili. Le soluzioni mostrano alcune interessanti proprietà fisiche chiamate proprietà colligative che possono essere attribuite agli effetti entropici della dissoluzione di un soluto in un solvente.

Ci si potrebbe chiedere perché esistano così tante diverse misure di concentrazione della soluzione. La risposta sta nelle molte applicazioni delle soluzioni e nei molti ordini di grandezza su cui si estendono le concentrazioni. Nei campioni di acqua proveniente dall'ambiente, ad esempio, le concentrazioni di ioni metallici possono essere nell'intervallo di poche parti per milione - è poco pratico e potenzialmente fuorviante esprimere questa piccola concentrazione come molarità o frazione molare. Sebbene la molarità sia una misura conveniente della concentrazione per i calcoli stechiometrici che coinvolgono reazioni chimiche, la molalità è più appropriata negli studi di alcune proprietà colligative.

Perfezionare la tecnica di preparazione della soluzione è importante, perché in molti contesti è essenziale una conoscenza precisa della concentrazione. Quando si esegue una reazione chimica, ad esempio, l'uso di troppo o troppo poco soluto potrebbe comportare reagenti sprecati o basse rese di prodotto. Gli studi sulle relazioni empiriche che coinvolgono la concentrazione, come la legge di Beer, dipendono da concentrazioni note con precisione. Spesso, l'imprecisione nelle concentrazioni della soluzione porta direttamente all'incertezza nei valori calcolati, come le entalpie di reazione. Sebbene sia impossibile eliminare completamente l'imprecisione, l'uso di tecniche analitiche per la creazione di soluzioni garantisce che l'incertezza sia ridotta al minimo.

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