Soluții. Dizolvarea compușilor ionici și moleculari.

Soluțiile sunt amestecuri omogene formate din două sau mai multe substanțe.

Substanțele pot forma amestecuri indiferent de starea lor de agregare; amestecurile formate pot fi omogene sau eterogene.

Într-un amestec eterogen putem distinge clar substanțele care-l compun, deci un amestec eterogen este format din cel puțin două faze.

Amestecul omogen apare atunci când două, sau chiar și mai multe substanțe, se amestecă atât de bine încât par a fi devenit una singură – adică există o singură fază. Astfel iau naștere soluțiile.

O soluție se obține prin procesul de dizolvare a unuia sau a mai multor soluți într-un solvent.

Solventul sau dizolvantul este substanța care se află în cantitate mai mare, și este substanța care dizolvă alte substanțe (soluți).

Solutul, solvatul sau dizolvatul este substanța care se află în cantitate mai mică, și se dizolvă în solvent. Un solvent poate dizolva mai mulți soluți în același timp.

Exemplu – Obținerea unei soluții:

• prin amestecarea unei linguri de sare într-un pahar cu apă se obține o soluție apoasă de sare; solventul este apa, iar solutul este sarea.

Exemplu – Tipuri de soluții:

• Soluții lichide: apa de mare este o soluție lichidă în care sunt dizolvați peste 60 de soluți.
• Soluții gazoase: atmosfera pământului este o soluție gazoasă; pentru că aerul este format din aproape 79 % azot, azotul este considerat ca fiind solventul, iar oxigenul, dioxidul de carbon și celelalte gaze din aer sunt considerate soluți.
• Soluții solide: aliajele reprezintă amestecuri omogene între două sau mai multe metale; de exemplu bronzul este o soluție de zinc în cupru.

Solubilitatea este proprietatea unei substanțe de a se dizolva într-o altă substanță. Solubilitatea se referă la cantitatea de solut care se va dizolva într-o anume cantitate de solvent în anumite condiții de temperatură și presiune.

Solubilitatea depinde de:

• temperatură: în cazul solidelor, solubilitatea crește odată cu creșterea temperaturii (dependență directă); în cazul gazelor, solubilitatea scade odată cu creșterea temperaturii (dependență indirectă).
• presiune: în special solubilitatea gazelor este influențată de presiune.
• natura solventului este factorul care determină tipul de legături care se pot forma între particulele de soluți și solvenți.

Apa este un solvent extraordinar: în apă sunt solubili atât compușii ionici, cât și compușii moleculari (compușii moleculari pot forma legături de hidrogen cu moleculele de apă). Așadar, printre substanțele care se dizolvă în apă se numără substanțe ionice precum NaCl, NaOH, CuSO₄ și substanțe polare precum zahărul, NH₃, HCl.

Dizolvarea este un fenomen fizic în timpul căruia particulele de solut difuzează printre moleculele de solvent, până se obține un amestec omogen. În același timp cu dizolvarea se pot stabili interacții cu formare de legături între particulele de solut și de solvent, interacții care pot duce la următoarele procese:

• disocierea sau ionizarea substanțelor ionice și a substanțelor polare în ioni;
• solvatarea moleculelor sau a ionilor dizolvați cu molecule de solvent (când solventul este apa, procesul se numește hidratare).

Dizolvarea unui compus ionic în apă:

Dizolvarea unui cristal de NaCl în apă

Mai întâi moleculele de apă se infiltrează între ioni, distrugând astfel structura unui compus ionic solid. Sarcinile parțiale pozitive ale atomilor de hidrogen din moleculele de apă pot simula o sarcină pozitivă reală și pot face asta mai ales când sunt prezente mai multe molecule de apă, atrăgând astfel un anion din cristalul ionic. La fel, sarcinile parțiale negative ale atomilor de oxigen din moleculele de apă pot simula o sarcină negativă reală, atrăgând astfel un cation din cristal. Fiecare ion din cristal este înconjurat în acest fel de mai mulți dipoli de apă cu care stabilește interacții ion-dipol. Mai multe interacții ion-dipol slabe însumate ajung să depășească forța de atracție electrostatică dintre ioni, iar ionii se desprind de cristal și trec în soluție înconjurați de molecule de apă (hidratați).

Dizolvarea unui compus polar în apă:

Dizolvarea unuei molecule de HCl în apă

În acest caz se formează interacții dipol-dipol între dipolii apei și moleculele polare de solut. Sub acțiunea acestor forțe intermoleculare dipol-dipol slabe, dar numeroase, molecula polară de solut trece în soluție ca moleculă hidratată. În majoritatea cazurilor, după procesul fizic de dizolvare a moleculelor polare, pot avea loc interacțiuni de natură fizică sau chiar și interacțiuni de natură chimică (ruperea legăturilor covalente, stabilirea unor noi legături covalente, formarea unor noi specii chimice în soluție).

Solubilitatea compușilor organici în apă:

• moleculele organice care conțin numai atomi de C și H (hidrocarburile) nu sunt solubile în apă;
• moleculele organice care conțin și alți atomi pe lângă C și H (de exemplu, pot conține O, N sau P) sunt solubile în apă. 

Concentrația soluțiilor. Cristalohidrați.

Concentrația  reprezintă cantitatea de solut care este dizolvat într-o soluție. O soluție poate fi descrisă în termeni de concentrație molară sau concentrație procentuală.

Concentrația procentuală a unei soluții reprezintă masa de solut, în grame, dizolvată în 100 g de soluție; se notează cu  c %. Formula concentrației procentuale:

$$\begin{gathered} \mathbf{c}\mathbf{ }\mathbf{\%}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\frac{{\mathbf{m}}_{\mathbf{solut}}}{{\mathbf{m}}_{\mathbf{soluție}}}\mathbf{\times }\mathbf{100}\mathbf{ } \\ {\mathrm{m}}_{\mathrm{solut}} \mathrm{se} \mathrm{notează} \mathrm{pe} \mathrm{scurt} \mathrm{cu} {\mathbf{m}}_{\mathbf{d}} \\ {\mathrm{m}}_{\mathrm{soluție}} \mathrm{se} \mathrm{notează} \mathrm{pe} \mathrm{scurt} \mathrm{cu} {\mathbf{m}}_{\mathbf{s}} \end{gathered}$$

Exemplu – o soluție de NaCl 30 % conține 30 g de NaCl în 100 g soluție.

Molaritatea sau concentrația molară a unei soluții reprezintă numărul de moli de substanță dizolvată într-un litru de soluție; se notează cu C_M. Formula concentrației molare:

${\mathbf{C}}_{\mathbf{M}}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\frac{\mathbf{n}}{\mathbf{V}} \left[\frac{\mathrm{moli}}{\mathrm{L}}\right]$

• unde n reprezintă numărul de moli de solut și se calculează împărțind masa de solut, m, la masa molară, M, a solutului:

$\mathrm{n} = \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{M}} \left[\mathrm{moli}\right]$

Când lucrăm cu volume de soluții în mililitri, formula concentrației molare este următoarea:

${\mathbf{C}}_{\mathbf{M}}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\frac{\mathbf{n}}{\mathbf{V}}\mathbf{\times }\mathbf{1000}\mathbf{ }\mathbf{ }\left[\frac{\mathbf{moli}}{\mathbf{L}}\right]$

Exemplu – o soluție de HCl 2M conține 2 moli de HCl într-un litru de soluție.

Cristalohidrații sunt substanțe ionice care înglobează în structura lor molecule de apă, numite apă de cristalizare. Pierderea apei de cristalizare, totală sau parțială, din compoziția unei substanțe, duce la modificarea unor proprietăți fizice, dar și a masei molare.

Anhidru se referă la absența apei din compoziția unei substanțe.

Eflorescența se referă la proprietatea unor cristalohidrați de a pierde, în timp, o parte din apa de cristalizare.

Higroscopicitatea se referă la proprietatea unor cristalohidrați de a absorbi apă din atmosferă. 

Concentrația procentuală – aplicații

I. Care este concentrația procentuală de sare din apa mării, știind că într-un kg de apă de mare sunt 27 g de sare?

m_s = 1 kg = 1000 g

c% _sare = ?

$\mathrm{c}\% = \frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{d}}}{{\mathrm{m}}_{\mathrm{s}}}\times 100 = \frac{27 \mathrm{g}}{1000 \mathrm{g}}\times 100 \Rightarrow \mathrm{c}{\%}_{\mathrm{sare}} = 2,7 \%$

Sau – calcul prin regula de trei simplă:

x g sare ......................100 g soluție (apă de mare)           

27 g sare.....................1000 g soluție (apă de mare)

$\Rightarrow$$\mathrm{x} = \mathrm{c}\% = \frac{27\times 100}{1000} = 2,7 \%$

II. La 10 L de apă se adaugă 11 linguri de sare. Dacă o lingură de sare are 18 g, care este concentrația procentuală a soluției finale?

• pentru astfel de calcule trebuie să cunoaștem densitatea solventului. Densitatea se notează cu $\rho$, și reprezintă masa unității de volum (câte kg cântărește un L de soluție, sau câte grame cântărește un mL de soluție):  

                                                     $\mathbf{\rho }\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{V}}\mathbf{ }\mathbf{ }\left[\frac{\mathbf{g}}{\mathbf{mL}}\right]\mathbf{ }\mathbf{sau}\mathbf{ }\left[\frac{\mathbf{kg}}{\mathbf{L}}\right]$

$$\begin{gathered} {\mathrm{\rho }}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}} = 1\mathrm{g}/\mathrm{mL} \\ {\mathrm{V}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}} = 10 \mathrm{L} = 10 000 \mathrm{mL} \\ {\mathrm{m}}_{\mathrm{d}} = 11\times 18 \mathrm{g} = 198 \mathrm{g} \end{gathered}$$ 

_______________________________

c% = ?

$$\begin{gathered} {\mathrm{m}}_{\mathrm{s}} = {\mathrm{m}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} }+ {\mathrm{m}}_{\mathrm{sare}} \\ {\mathrm{m}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} }= {\mathrm{\rho }}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}} \times {\mathrm{V}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} } \\ {\mathrm{m}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} } = 1 \left[\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mL}}\right] \times 10 000 \mathrm{mL} = 10 000 \mathrm{g} \\ {\mathrm{m}}_{\mathrm{s}} = {\mathrm{m}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} }+ {\mathrm{m}}_{\mathrm{sare}} = 10 000 \mathrm{g} + 198 \mathrm{g} = 10 198 \mathrm{g} \\ \mathrm{c}\% = \frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{d}}}{{\mathrm{m}}_{\mathrm{s}}} \times 100 = \frac{198 \mathrm{g}}{10 198 \mathrm{g}} \times 100 = 1,94 \% \end{gathered}$$

I. Pentru un experiment în laboratorul de chimie trebuie să dizolvăm în apă 4 g NaOH pentru a obține 500 mL soluție NaOH 0,2 M. Însă nu am fost atenți și am dizolvat 6 g NaOH. Ce concentrație molară are soluția pe care am preparat-o?

V_sol = 500 mL

m_d = 6 g

_______________

C_M = ?

Calculul masei molare a NaOH, folosind valorile maselor atomice relative ale elementelor componente. Aceste valori sunt afișate în tabelul periodic.

M_NaOH = M_Na + M_O + M_H = 23 + 16 + 1 = 40 g/mol

$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_{\mathrm{M}} = \frac{\mathrm{n}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{sol}}} \times 1000 = \frac{{\displaystyle \frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{d}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{NaOH}}}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{sol}}} \times 1000 \\ {\mathrm{C}}_{\mathrm{M}} = \frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{d}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{NaOH}}} \times \frac{1000}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{sol}}} = \frac{6 \mathrm{g}}{40 [\mathrm{g}/\mathrm{mol}]} \times \frac{1000}{500 \mathrm{mL}} = 0,3 \left[\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}}\right] \end{gathered}$$

Sau – aplicând definiția concentrației molare, calculul se poate face și cu regula de trei simplă, în felul următor:

• Mai întâi aflăm câți moli de NaOH sunt în 6 g de NaOH dizolvate în 500 mL de soluție, și apoi îi raportăm la 1 L (1000 mL) de soluție. 

$$\begin{gathered} \mathrm{n} = \frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{d}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{NaOH}}} = \frac{6 \mathrm{g}}{40 [\mathrm{g}/\mathrm{mol}]}= 0,15 \mathrm{moli} \mathrm{Na} \mathrm{OH} \\ 500 \mathrm{mL} \mathrm{soluție} ............. 0,15 \mathrm{moli} \mathrm{NaOH} \\ 1000 \mathrm{mL} \mathrm{soluție} ........... {\mathrm{C}}_{\mathrm{M}} \\ \Rightarrow {\mathrm{C}}_{\mathrm{M}} = \frac{1000 \mathrm{mL} \times 0,15 \mathrm{moli}}{500 \mathrm{mL}} = 0,3 \left[\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}}\right] \end{gathered}$$

II. Când lucrăm în laborator avem nevoie de foarte multă precizie. Pentru a prepara o soluție de o anumită concentrație necesară într-un experiment, avem nevoie de condiții care să asigure obținerea concentrației exacte. Pentru aceasta, folosim instrumente de măsură precise: balanța analitică pentru cântărirea cât mai exactă a masei de solut și balon cotat pentru măsurarea volumului de soluție.

Trebuie să preparăm 500 mL soluție de dicromat de potasiu (K₂Cr₂O₇) de concentrație 0,05 M. Etapele pe care trebuie să le parcurgem pentru a obține această soluție în laboratorul de chimie sunt următoarele:

            1. calculăm masa de K₂Cr₂O₇ de care avem nevoie:

C_M = 0,05 M

V_sol = 500 mL = 0,5 L

_____________________

${\mathrm{m}}_{{\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7} = ?$

$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_{\mathrm{M}} = \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{V}} \Rightarrow \mathrm{n} = \mathrm{V} \times {\mathrm{C}}_{\mathrm{M}} =0,5 \mathrm{L} \times 0.05 \left[\frac{\mathrm{moli}}{\mathrm{L}}\right] = 0,025 \mathrm{moli} {\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7 \\ {\mathrm{M}}_{{\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7} = 2 {\mathrm{M}}_{\mathrm{K}} +2 {\mathrm{M}}_{\mathrm{Cr}} + 7 {\mathrm{M}}_{\mathrm{O}} = 2\times 39 + 2\times 52 + 7\times 16 = 294 \left[\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\right] \\ \mathrm{n} = \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{M}}_{{\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7}} \Rightarrow \mathrm{m} = \mathrm{n} \times {\mathrm{M}}_{{\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7} = 0,025 \mathrm{moli} \times 294 \left[\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\right] \\ \Rightarrow \mathbf{m}\mathbf{ }\mathbf{=} \mathbf{7}\mathbf{,}\mathbf{35}\mathbf{ }\mathbf{g}\mathbf{ }{\mathbf{K}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{Cr}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{7}} \end{gathered}$$

2. cântărim la balanța analitică, pe o sticlă de ceas, exact cantitatea de K₂Cr₂O₇ pe care am obținut-o prin calculul de la punctul 1;

            3. introducem substanța în balonul cotat de 500 mL;

4. adăugăm apă până umplem aproximativ jumătate din balonul cotat și agităm până ce dicromatul se dizolvă;

5. aducem la semn completând cu apă, până ce meniscul soluției este tangent la semnul de pe balon. 

III. În problema precedentă am adăgat apă peste soluția de dicromat (care este o sare), însă acest lucru nu trebuie făcut atunci când lucrăm cu acizi! Niciodată nu adăugăm apă peste acid, ci numai invers, adăugăm acid în apă! Acest lucru se face treptat, prin picurare.

De ce volum de soluție apoasă de HCl 20%, cu densitate = 1,12 g/mL, avem nevoie pentru a prepara 500 mL soluție de HCl 2M?

$$\begin{gathered} \mathrm{HCl} 20\% \\ \mathrm{\rho } = 1,12 \left[\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\right] \\ \mathrm{HCl} 2\mathrm{M} \\ {\mathrm{V}}_{\mathrm{final} \mathrm{soluție} \mathrm{HCl} 2\mathrm{M}} = 500 \mathrm{mL} \end{gathered}$$

______________________________

$\mathrm{V}{ }_{\mathrm{necesar} \mathrm{HCl} 20\%} = ?$

1. aflăm masa de HCl gazos care intră în 500 mL soluție HCl 2 M:

$$\begin{gathered} {\mathrm{M}}_{\mathrm{HCl}} = {\mathrm{M}}_{\mathrm{H} }+ {\mathrm{M}}_{\mathrm{Cl}} = 1 + 35,5 = 36,5 \left[\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\right] \\ \mathrm{n} = \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{HCl}}} \Rightarrow \mathrm{m} = \mathrm{n} \times {\mathrm{M}}_{\mathrm{HCl}} = 2 \mathrm{moli} \times 36,5 \left[\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\right] = 73 \mathrm{g} \mathrm{HCl} \\ 1000 \mathrm{mL} \mathrm{HCl} 2\mathrm{M} ............... 73 \mathrm{g} \mathrm{HCl} \\ 500 \mathrm{mL} \mathrm{HCl} 2\mathrm{M} ................ \mathrm{x} \mathrm{g} \mathrm{HCl} \\ \Rightarrow \mathrm{x} = \frac{73 \mathrm{g} \times 500 \mathrm{mL}}{1000 \mathrm{mL}} = 36,5 \mathrm{g} \mathrm{HCl} \end{gathered}$$

2. aflăm volumul de soluție de HCl 20% care corespunde unei mase de 100 g. Pentru asta ne folosim de densitate:

$\mathrm{\rho }=\frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{HCl} 20\%}} \Rightarrow {\mathrm{V}}_{\mathrm{HCl} 20\%} = \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{\rho }} = \frac{100 \mathrm{g}}{1,12 [\mathrm{g}/\mathrm{mL}]} = 89,28 \mathrm{mL}$

3. aflăm volumul de soluție de HCl 20% de care avem nevoie pentru prepararea soluției HCl 2M:

$$\begin{gathered} 89,28 \mathrm{mL} \mathrm{HCl} 20\% ................. 20 \mathrm{g} \mathrm{HCl} \\ {\mathrm{V}}_{\mathrm{necesar} \mathrm{HCl} 20\%} ...................... 36,5 \mathrm{g} \mathrm{HCl} \\ \Rightarrow {\mathrm{V}}_{\mathrm{necesar} \mathrm{HCl} 20\%} = \frac{89,28 \mathrm{mL} \times 36,5 \mathrm{g}}{20 \mathrm{g}} = 162, 94 \mathrm{mL} \mathrm{HCl} 20\% \end{gathered}$$

4. calculăm exact volumul de apă de care avem nevoie pentru volumul de soluție dorit, și peste acest volum de apă adăugăm treptat, în cantități mici (prin picurare), volumul de acid necesar pentru obținerea concentrației dorite. Pentru prepararea unor astfel de soluții în laboratorul de chimie, putem utiliza cilindri gradați și pipete gradate de diferite volume. 

$$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{soluție} \mathrm{finală}} = {\mathrm{V}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} }+ {\mathrm{V}}_{\mathrm{necesar} \mathrm{HCl} 20\% } \\ \Rightarrow {\mathrm{V}}_{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} }= 500 \mathrm{mL} - 162, 94 \mathrm{mL} = 337,06 \mathrm{mL} \end{gathered}$$