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Lezione 4
SSoluzioni e oluzioni e proprietà proprietà colligativecolligative
Lezione 4
SSoluzioni e oluzioni e proprietà proprietà colligativecolligative
Una soluzione è una miscela omogenea di più composti chimici
SOLUZIONI GASSOSE: le miscele gassose sono sempre omogenee e quindi formano sempre una soluzione
SOLUZIONISOLUZIONI
SOLUZIONI LIQUIDE: si possono formare sciogliendo in un liquido, chiamato solvente, gas, solidi o altri liquidi.
SOLUZIONI SOLIDE: sono abbastanza comuni: per esempio le leghe metalliche sono una miscela omogenea solida di più metalli.Ottone (Cu-Zn)Bronzo (Cu-Sn)Acciaio (Fe-C) Inox (Fe-Cr-C)
Solvente: Componente predominanteSolvente: Componente predominante
Soluti: Componenti presenti in quantità minori Soluti: Componenti presenti in quantità minori
SolventeSolvente
Soluto BSoluto B
Soluto CSoluto C
Soluto ASoluto A
CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONECONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE
Frazione molare:Frazione molare:
MolalitMolalità:à:
MolaritMolarità:à:
tot
ii n
nX =
Q
nm i
i = ; Q = kg di solvente
V
nM i
i = ; V = L di soluzione
S S > 0 sempre (il disordine aumenta)> 0 sempre (il disordine aumenta)la soluzione si forma spontaneamente se:la soluzione si forma spontaneamente se:
H H < 0, < 0, H H = 0, oppure = 0, oppure H H < T< TSS
++ soluzione di A e Bsoluzione di A e BA + BA + B
GG = = HH - T - TS S < 0< 0
H H interazioni tra A e B – interazioni A – interazioni B interazioni tra A e B – interazioni A – interazioni B
AA BB
Esempi:Esempi:
CaCl2(s) Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq) H < 0
NH4NO3(s) NH4+(aq) + NO3
-(aq) H > 0
Soluzioni ideali: H = 0
Liquido
Vapore
energia delle molecole sulla superficie
fraz
ione
di m
olec
ole
Hevap.
L’evaporazione L’evaporazione è un è un fenomeno che avviene sulla fenomeno che avviene sulla superficie di separazione.superficie di separazione.
A + B soluzione di A e BH = 0 (soluzione ideale)G < 0 (sempre)
Legge di Raoult:Legge di Raoult:La pressione di vapore di un componente è proporzionale alla frazione delle sue molecole.
PA = PA0 XA
PB = PB0 XB
François-Marie Raoult (1830-1901)
PPAA = P = PAA00 X XAA
PPBB = P = PBB00 X XBB
XXAA + + XXBB = 1= 1
XXAA11 00
XXBB1100
PPAA00
PPAA
PPBB00
PPBB
PPtottot
PPAA PPBB
pre
ssio
ne
temperatura
LIQUIDO
SOLIDOGAS
0°C 100°C
1,00 atm
soluzione
Temperatura di congelamento della soluzione
Temperatura di ebollizione della soluzione
Proprietà delle soluzioni ideali:
abbassamento della pressione parziale di vapore Pi = Pi° Xi
innalzamento della temperatura di ebollizione Teb = keb mi
abbassamento della temperatura di congelamento Tcr = - kcr mi
keb kcr
Benzene C6H6 2,53 4,9Etere dietilico C4H10O 2,02 1,8Alcool etilico C2H6O 1,22 1,9Acqua H2O 0,512 1,86
solvente con soluto
solvente puro
flusso di solvente(osmosi)
membrana semipermeabile(fa passare solo il solvente)
AA BB
Pressione osmoticaPressione osmotica =pressione che occorre esercitare su A per bloccare il flusso osmotico
= pressione osmotica= pressione osmotica
V = n RT
da cui:
= RT c (c = molarit= RT c (c = molarità)à)Jacobus Henricus van 't HoffRotterdam (1852) - Steglitz (1911)Premio Nobel per la Chimica 1901
Legge di van’t HoffLegge di van’t Hoff
c= concentrazione specie in soluzionec= concentrazione specie in soluzione
ProprietProprietà colligative:à colligative:
abbassamento della pressione parziale di vapore Pi = Pi° Xi
innalzamento della temperatura di ebollizione Teb = keb mi
abbassamento della temperatura di congelamento Tcr = - kcr mi
pressione osmotica = RT Mi
IbridazioneIbridazione
Quando un atomo, che ha elettroni su orbitali s e p, inizia a formare dei legami molecolari abbiamo che si ha una combinazione tra gli orbitali p e l’orbitale s per dare dei nuovi orbitali molecolari.
Orbitale s e un orbitale p 2 orbitali ibridi sp
Orbitale s e due orbitali p 3 orbitali ibridi sp2
Orbitale s e tre orbitali p 4 orbitali ibridi sp3
Orbitali Orbitali ibridiibridi
sp2sp3
sp
CO2
BF3
CH4
180°180°
120°120°
109,5°109,5°
Struttura della molecola dell’acquaStruttura della molecola dell’acquaHH22OO
H
H
O 104°
Ossigeno: [He] 2s2 2p4 → ibridazione sp3
Lone pair:Lone pair: coppia di elettroni appaiati sullo stesso orbitale atomico o molecolare.
H
H
O
+
2
-
+
2
SolidoSolido
LiquidoLiquido
+
- +
+ -
-
+
+ - +
+ --
+ - +
+ ---
-
CRISTALLO IONICOCRISTALLO IONICO
+
-
IONI SOLVATATI (IDRATI)IONI SOLVATATI (IDRATI)
NaCl(NaCl(ss) ) Na Na++((aqaq) + Cl) + Cl--((aqaq))
O
H
C
Alcool metilico (metanolo), CHAlcool metilico (metanolo), CH33OHOH
+
-
CH3OH(l) CH3OH(aq)
H
C
Metano, CHMetano, CH44
H
Acido cloridrico, HClAcido cloridrico, HCl
Cl +-
+
-
HCl(aq) H+(aq) + Cl-(aq)
La dissociazione elettrolitica influenza la La dissociazione elettrolitica influenza la conducibilità elettrica:conducibilità elettrica:
L’acqua pura, HL’acqua pura, H22O, è un debole conduttore di elettricità O, è un debole conduttore di elettricità
(contiene pochissimi ioni, cioè cariche mobili).(contiene pochissimi ioni, cioè cariche mobili).
Il saccarosio, CIl saccarosio, C1212HH2222OO1111, sciolto in acqua non dà luogo a , sciolto in acqua non dà luogo a
dissociazione elettrolitica, quindi una sua soluzione dissociazione elettrolitica, quindi una sua soluzione acquosa è un debole conduttore di elettricità.acquosa è un debole conduttore di elettricità.
Il cloruro di sodio, NaCl, dà luogo a dissociazione Il cloruro di sodio, NaCl, dà luogo a dissociazione elettrolitica, quindi una sua soluzione acquosa è un buon elettrolitica, quindi una sua soluzione acquosa è un buon
conduttore di elettricità.conduttore di elettricità.
Equilibrio Equilibrio chimicochimico
Spesso le reazioni chimiche non giungono a completamento ma raggiungono uno stato di equilibrio.
Stato costituito da una miscela di prodotti e reagenti non consumati in quantità, relative, fisse.
EquilibrioEquilibrio
Stato inizialeStato inizialeLe concentrazioni dei reagenti sono elevate e Le concentrazioni dei reagenti sono elevate e questi cominciano a formare i prodotti.questi cominciano a formare i prodotti.
Stato finaleStato finaleLe concentrazioni dei prodotti sono tali che essi Le concentrazioni dei prodotti sono tali che essi cominciano a reagire tra loro per rigenerare i cominciano a reagire tra loro per rigenerare i reagenti. Si raggiunge una situazione in cui il reagenti. Si raggiunge una situazione in cui il processo diretto e quello inverso hanno la stessa processo diretto e quello inverso hanno la stessa velocità.velocità.
PClPCl33((gg) + Cl) + Cl22((gg) ) PCl PCl55((gg))
A pressione e temperatura costantiA pressione e temperatura costanti
PClPCl55((gg) ) PCl PCl33((gg) + Cl) + Cl22((gg) )
GG
PClPCl55((gg))
PClPCl33((gg) e Cl) e Cl22((gg))
PClPCl33((gg) + Cl) + Cl22((gg)) PClPCl55((gg))
equilibrioequilibrio
PClPCl33((gg) + Cl) + Cl22((gg)) PClPCl55((gg))
L’equilibrio chimico non è una L’equilibrio chimico non è una condizione statica ma è piuttosto condizione statica ma è piuttosto un processo dinamico, a livello un processo dinamico, a livello molecolare.molecolare.
Nonostante ciò, una volta che si è Nonostante ciò, una volta che si è raggiunto l’equilibrio le proprietà raggiunto l’equilibrio le proprietà macroscopiche (concentrazioni, etc.) macroscopiche (concentrazioni, etc.) rimangono inalterate.rimangono inalterate.
Caratteristiche dell’equilibrioCaratteristiche dell’equilibrio
1. Non mostra evidenze macroscopiche di cambiamento.
2. Viene raggiunto attraverso processi termodinamici spontanei.
3. Mostra un bilanciamento dinamico tra processi diretti e inversi.
4. È indipendente dalla direzione seguita per raggiungerlo.
Legge di Goldberg e Waage dell’equilibrio chimicoLegge di Goldberg e Waage dell’equilibrio chimico
A + A + B B C + C + D D
=BA
DCP PP
PP
K
eqeq
eqeqC
[B] ]A[
[D] ]C[K =
Per reazioni in fase gassosa:Per reazioni in fase gassosa:
Applicando le leggi della termodinamica si arriva Applicando le leggi della termodinamica si arriva alla seguente espressione:alla seguente espressione:
A + A + B B C + C + D D
=BA
DC
a a
a aK RT
0
eG
K
−=dove
ai = attività del composto i
( )atm00,1PP
P 0i0
i
ii a ==Per un
gas:
Per un composto in soluzione:
€
a i =[i]
[i]0 [i]0 =1,00 M( )
Per un composto puro, liquido o solido: ai=1
PClPCl33((gg) + Cl) + Cl22((gg)) PClPCl55((gg))
Dagli esperimenti si trova che all’equilibrioDagli esperimenti si trova che all’equilibrioe a temperatura e pressione costanti si ha:e a temperatura e pressione costanti si ha:
23
5
ClPCl
PClP PP
P=K
HH22((gg) + Cl) + Cl22((gg)) 2 HCl(2 HCl(gg))
22 ClH
2HCl
PP
P=K
RT
0
eG
K
−=
(P in atm)
Gas idealiGas ideali
G = (H-TS) = H-TS
H = 0 (espansione isoterma)
G = -T S
P1 P2 T = costante
€
S = n R lnV2
V1
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟= n R ln
P1
P2
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟= −n R ln
P2
P1
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
€
G = n RT lnP2
P1
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
G1
G2 = Go
G3
G
€
G = ΔG1 + ΔG2 + ΔG3
ΔG = ΔGo + R TlnP
Cl 2
2
PH2PCl 2
⎛
⎝ ⎜ ⎜
⎞
⎠ ⎟ ⎟
ΔG = 0
ΔGo = −R TlnP
Cl 2
2
PH2PCl 2
⎛
⎝ ⎜ ⎜
⎞
⎠ ⎟ ⎟= −R Tln K
BaCOBaCO33((ss)) BaO(BaO(ss) + CO) + CO22((gg))
2COP=K
RT
0
eG
K
−=
(P in atm)
22 HCl
23
2
PP
]OH[]Cl[ +−
=K
RT
0
eG
K
−=
(pressioni in atm e concentrazioni molari)
ClCl22((gg) + H) + H22((gg) + 2 H) + 2 H22O(O(ll)) 2 Cl2 Cl--((aqaq) + 2 H) + 2 H33OO++((aqaq))
Ma a che cosa serve la costante di equilibrio?Ma a che cosa serve la costante di equilibrio?
2 SO2 SO22((gg) + O) + O
22((gg) ) ⇄⇄ 2 SO 2 SO33((gg))
A 700ºC si ha K = 6,92 (cioè G° = -15,65 kJ mol-1)
Quoziente di reazione:
Situazione iniziale: a 700°C si ha ;atm00,1P;atm00,1P;atm00,1P
232 OSOSO ===
K<== 1PP
PQ
22
3
O2SO
2SO
Il sistema non è all’equilibrio, ma tende a spostarsi verso Q = K
La reazione si sposta verso destra (il pistone si abbassa!) fino a Q = K
92,6)x1()x21(
)x21(2
2
=−−
+=K
A + A + B B C + C + D D
Per una qualsiasi reazione:
Si può calcolare il quoziente di reazione, Q, e Si può calcolare il quoziente di reazione, Q, e confrontarlo con Kconfrontarlo con K
Se Q = K si ha equilibrioSe Q < K la reazione si sposta verso destra
Se Q > K la reazione si sposta verso sinistra
A + A + B B C + C + D D
G = Go + RT ln Q
Go = - RT ln K
G = - RT ln K + RT ln Q
G = RT ln (Q / K)
Q < K Q < K G < 0 Reazione procede verso destraG < 0 Reazione procede verso destra
Q > K Q > K G > 0 Reazione procede verso sinistra G > 0 Reazione procede verso sinistra
Principio di Le ChPrincipio di Le Châtelierâtelier
Un sistema in equilibrio che è soggetto ad una perturbazione esterna, reagirà in modo tale da contrapporsi a tale variazione.
Come varia K al variare della temperatura?
RRTRRTRT
T
RT
0000000
eeeeeSHSHSHG
K
−
+
−−
−
−====
lnK
1/T
H° = 0
costanteH
K +
−=RT
ln0
Legge di van’t Hoff
H° < 0
Esotermica
H° > 0
Endotermica
NB: H e S costanti nel T considerato