Soluţii. Dizolvarea compuşilor ionici şi moleculari în apă.

Aerul, apa mărilor și oceanelor, laptele și sângele și sucurile și ciorba pe care o mâncăm la prânz, toate sunt soluții.

Deci, cam toate gazele și lichidele cu care venim în contact sunt soluții.

Practic, corpul nostru funcționează numai datorită soluțiilor pe care le conține.

Dar ce sunt, de fapt, soluțiile?

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

Substanțele se pot amesteca indiferent de starea lor de agregare, ele pot fi gaze, solide sau lichide.

De exemplu, dacă într-un pahar cu apă punem niște, să zicem, niște agrafe de birou metalice și în alt pahar cu apă punem sare dintr-o sorniță și agităm conținutul celor două pahare, obținem două amestecuri.

Doar că dintre aceste două amestecuri, numai unul este omogen și deci formează o soluție.

În paharul cu agrafe de birou, acestea încă sunt acolo, nu s-au dizolvat, iar în cazul paharului în care am pus sarea, vedem că sarea a dispărut, deci s-a dizolvat.

Primul amestec este un amestec eterogen.

După amestecare, încă putem distinge foarte clar cele două substanțe, apa și metalul care formează agrafele.

Al doilea amestec este un amestec omogen.

Amestecurile omogene apar atunci când două sau chiar și mai multe substanțe se amestecă atât de bine încât par a fi devenit una singura, adică există o singură fază.

Și astfel iau naștere soluțiile.

Când ne gândim la soluții, trebuie să ne vină în minte imediat două noțiuni foarte, foarte importante prin care se formează de fapt o soluție,

și anume solventul sau dizolvantul și solutul sau solvatul sau substanța dizolvată.

Solventul sau dizolvantul este substanța care se află în cantitate mai mare și, după cum ne dăm seama și după denumire,

este substanța care dizolvă ceva și anume dizolvă solutul sau solvatul.

Deci substanța care se află în cantitate mai mică este solutul, solvatul sau substanța dizolvată.

Denumirea de solut e mai scurtă, așa că mai departe o voi folosi pe aceasta.

Un solvent poate dizolva mai mult soluții în același timp.

Dacă în baharul cu apă de mai devreme în care am pus sare am adăuga și zahăr, vom observa că și acesta se va dizolva.

O soluție se obține prin procesul de dizolvare a soluțiilor în solvent.

Deci la amestecarea sării cu apă a avut loc dizolvarea sării în apă și formarea soluției apoase de sare.

Apa este de solventul sau dizolvantul, iar sarea este solutul.

Când e vorba de soluții, cel mai mult ne gândim la soluții lichide.

De exemplu, apa de mare este o soluție lichidă în care se găsesc dizolvați peste 60 de soluți.

Dar există și soluții gazoase.

Chiar atmosfera pământului este o soluție gazoasă.

Pentru că aerul e format din aproape 79% azot, azotul e considerat solventul, iar oxigenul, dioxidul de carbon și celelalte gaze din aer sunt considerate soluții.

Există și soluții solide, cum ar fi aliajele.

Aliajele reprezintă soluția unui metal într-un alt metal.

Bronzul, spre exemplu, e o soluție de zinc în cuplu.

După cum am văzut mai devreme, nu toate substanțele se pot dizolva pentru a forma amestecuri omogene.

Proprietatea unei substanțe de a se dizolva în altă substanță se numește solubilitate.

Solubilitatea se referă la cantitatea maximă de solut care se va dizolva într-o anume cantitate de solvent la anumite condiții de temperatură și presiune.

Sunt convinsă că știți din propria voastră experiență că este o limită la cât de mult solut poate fi dizolvat într-o cantitate dată de solvent.

Dacă ați pus vreodată prea mult zahăr în limonada cu gheață, o parte din el au rămas siguri nedizolvat pe fundul paharului oricât de mult v-ați chinui să-l amestecați.

Motivul este că zahărul și-a atins solubilitatea maximă în apă la temperatura respectivă.

Dacă ați fi încălzit limonada, zahărul s-ar fi dizolvat imediat.

Solubilitatea depinde, deci, de temperatură.

O să notez în continuare solubilitatea cu litera S mare.

Pentru solidele care se dizolvă în lichide, solubilitatea crește de obicei odată cu creșterea temperaturii.

În cazul gazelor, lucrurile stau exact pe dos. Solubilitatea scade odată cu creșterea temperaturii.

De exemplu, oxigenului care se dizolvă în apa unui lac îi scade solubilitatea pe măsură ce temperatura crește.

Deci, în zilele caniculare de vară, peștii din lacuri au întotdeauna de suferit.

În cazul gazelor, solubilitatea depinde și de presiune.

Și mai este un al treilea factor foarte important de care depinde solubilitatea, ce anume natura solventului.

Natura solventului determină tipul legăturilor chimice care se vor forma între particulele de soluți și solvenți.

Lecțiile trecute am vorbit destul de mult despre apă, așa că sigur vă reamintiți că apa este un solvent extraordinar.

Apa este formată din molecule polare între care s-au stabilit legături de hidrogen.

În apă sunt solubili compușii ionici și substanțele care au structură asemănătoare cu a apei,

adică cele care pot forma legături de hidrogen cu moleculele apei sau care au molecule polare.

Așadar, în apă se dizolvă substanțe ionice, substanțe ionice precum clorura de sodiu, sulfatul de cupru sau hidroxidul de sodiu.

Și în apă se mai dizolvă și substanțe care pot forma legături de hidrogen cu apa,

cum este cazul amoniacului, cazul acidului clorhidric sau al zahărului și a multor alte substanțe.

Bun, deci adăugăm noi o cantitate de sare într-un volum de apă și vedem că va deveni în curând o soluție omogene.

Dar ce se întâmplă, de fapt, la nivel molecular în timpul dizolvării?

Dizolvarea este un fenomen fizic.

Ea nu are loc pur și simplu.

În procesul de dizolvare, particulele de solut difuzează printre moleculele de solvent până se obține acel amestec omogen.

Dar ce e foarte important e că în același timp cu dizolvarea se pot produce și alte procese,

și anume se stabilesc interacții cu formare de legături între particulele de solut și de solvent.

Aceste interacții dintre particulele de solut și de solvent pot duce la următoarele procese.

La disocierea în ioni sau la ionizarea substanțelor ionice și a substanțelor polare.

Sau mai pot duce la solvatarea moleculelor sau a ionilor dizolvați cu molecule de solvent.

Când solventul este apa, procesul se numește hidratare.

Când ne gândim la solvatarea, ar trebui să ne imaginăm o moleculă de solut înconjurată de mai multe molecule de solvent.

Haideți să vedem ce procese au loc la dizolvarea compușilor ionici în apă.

La dizolvarea compușilor ionici au loc interacții între ionii de cristal ai compusului și moleculele de apă.

Moleculele de apă se infiltrează între ioni și distrug astfel structura unui compus ionic solid.

Compușii ionici, dacă vă mai amintiți, au acele structuri cristaline ordonate.

Dacă puteam să ne uităm la o soluție apoasă de sare, adică de clorură de sodiu, am vedea că la nivel molecular lucrurile stau cam în această imagine.

Acestea sunt moleculele de apă, iar acestea sunt ionii de sodiu plus și clor minus.

Sarcinile parțial pozitive ale atomilor de hidrogen din moleculele de apă pot simula o sarcină pozitivă reală, cum e cea a ionului de sodiu plus,

și pot face asta mai ales când sunt prezente mai multe molecule de apă cu mai multe sarcini parțiale pozitive.

Astfel, ionul clor minus este ademenit de moleculele de apă și părăsește ionul de sodiu plus.

La fel, sarcinile parțial negative ale atomilor de oxigen de la mai multe molecule de apă pot simula sarcina negativă reală a ionului de clor minus,

ademenind ionul de sodiu să-și părsească vecinul clor.

Astfel, ionii de clor și de sodiu se lasă păcăliți de moleculele de apă, ei fiind despărțiți și împrăștiați printre moleculele de apă din soluție.

Fiecare ion din cristalul de sare este înconjurat în acest fel de mai mulți dipoli de apă cu care stabilește interacții ion-dipol.

O interacție ion-dipol este mult mai slabă decât forțele de atracție electrostatice dintre ionii care asigură structura rigida a cristalului ion.

Însă mai multe interacții slabe însumate ajung să depășească forța de atracție electrostatică dintre ion,

asta după principiul unde zdoi puterea crește.

Și astfel, ionii se desprinde cristal trecând în soluție înconjurat de molecule de apă, adică hidratați.

Așadar, în cazul substanțelor ionice, odată cu fenomenul fizic de dizolvare în solvent polar, cum este apa,

au loc și procese de disociere a substanței respective în ion și mai au loc și procese de solvatare a ionilor cu moleculele de solvent sau de hidratare în cazul apei.

Deci acești ioni înconjurați de moleculele de apă sunt ioni hidratați.

Dar nu toți ionii pot fi păcăliți de apă în acest fel.

În unii compuși ionici, atracția electrostatică dintre ion este atât de puternică încât nu poate fi simulată nici de foarte, foarte multe molecule de apă care s-ar înghesui acolo, în jurul ionilor.

Ionii respectivi rămân fideli unul la altuia, iar substanța este insolubilă.

Este cazul clorului de argint, însolidal, insolubil, dar și a multor altor compuși.

Este motivul pentru care relieful planetei supraviețuiește tocmai pentru că apa nu poate dizolva rocile decât prin eroziunea lor de-a lungul milor de ani.

Dar pentru că nu toți compușii sunt ionici, haideți să vedem și care sunt procesele care au loc la dizolvarea în apă a substanțelor cu molecule polar.

În cazul dizolvării în apă a compușilor molecular, se formează legături dipol-dipol între dipoli apei și moleculele polare de solut.

De data aceasta, legăturile care se formează sunt dipol-dipol, întrucât atât apa este o moleculă polară ce are dipol, cât și moleculele care se dizolvă.

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,

prin intermediul forțelor van der Waals, adică dipol-dipol, sau pot avea loc chiar interacțiuni de natură chimică.

Atunci când se stabilesc noi legături covalente, se formează în soluție noi specii chimice diferite de cele care intră în alcătuirea inițială a solutului.

Spre exemplu, în cazul obținării unei soluții apoase de acid clorhidric, dizolvarea ca proces fizic constituie numai o primă etapă a procesului de dizolvare care este mult mai complex.

Aceasta este molecula de acid clorhidric care este înconjurată de molecule de apă.

Se formează interacțiunile dipol-dipol între sarcina parțial pozitivă a hidrogenului din molecula de acid clorhidric și între sarcinile parțial negative ale atomilor de oxigen din moleculele de apă.

La fel se formează interacțiuni dipol-dipol între sarcina parțial negativă a clorului din molecula de acid clorhidric și între sarcinile parțial pozitive ale atomilor de hidrogen din moleculele de apă.

În etapa următoare au loc procese chimice. Se rupe legătura covalentă polară dintre clor și hidrogen sub acțiunea forțelor de atracție datorată interacțiilor dipol-dipol.

După aceasta are loc formarea ionilor hidratați de clor, adică ionul clorură înconjurat de un numărent de molecule de apă. Și mai are loc și formarea ionului hidroniu. Acesta este deci un ion hidroniu.

Molecula de apă este o moleculă neutră per total, deci când ionul hidrogen plus intră în componența moleculei ca urmare a procesului de dizolvare, aduce cu sine și sarcina pozitivă care va fi preluată de întreaga moleculă.

Să vedem și ce se întâmplă în cazul moleculelor organice, molecule formate predominant din atom de carbon și hidrogen. Multe dintre acestea se dizolvă în apă, gândiți-vă la zahăr, iar multe nu se dizolvă în apă, cum este uleiul, spre exemplu.

În mare măsură, diferența aceasta e datorată componenței moleculelor organice. Dacă în compoziția lor aceste molecule au și alți atomi pe lângă cei de carbon și hidrogen, atunci vor avea și sarcini parțiale pe care apa le poate imita și deci va putea păcări molecula să se dizolve.

De exemplu, aceasta este formula chimică a zahărului. Deci vedem că în componența acestei molecule, pe lângă atomii de carbon și hidrogen, avem și atom de oxigen.

Pe de altă parte sunt hidrocarburile, substanțele uleioase, care sunt formate numai din atom de carbon și hidrogen. Acestea nu se dizolvă în apă. Între carbon și hidrogen nu e o diferență foarte mare de electronegativitate și astfel sarcile parțiale din moleculă sunt atât de slabe încât apa nu le poate imita, deci substanțele acestea nu se vor dizolva în apă.

Așadar, am înțeles în această lecție ce presupune dizolvarea substanțelor cu structuri diferite. Dar pentru chimiști este de ajuns să dizolve niște cristale într-un solvent. Ei trebuie să știe exact cantitatea de solut dintr-o soluție și mai ales trebuie să cunoască concentrațiile tuturor soluțiilor pentru a putea efectua experimente chimice.

Deci data viitoare vom vorbi despre concentrațiile soluțiilor.