Termodinamica Termodinamica ChimicaChimica

Miscele e Miscele e SoluzioniSoluzioniMiscele e Miscele e SoluzioniSoluzioni

Universita’ degli Studi dell’Insubria Universita’ degli Studi dell’Insubria Corsi di Laurea in Scienze Corsi di Laurea in Scienze

Chimiche e Chimica IndustrialeChimiche e Chimica Industriale

dario.bressanini@uninsubria.ithttp://scienze-como.uninsubria.it/bressanini

Soluzioni Soluzioni Soluzioni Soluzioni

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Soluzioni con Solidi e LiquidiSoluzioni con Solidi e Liquidi

Una soluzione è una miscela omogenea di Una soluzione è una miscela omogenea di due o più speciedue o più specie

Consideriamo una miscela di due Consideriamo una miscela di due componenti, in cui almeno una delle due componenti, in cui almeno una delle due nonnon e’ un gas e’ un gas Liquido-LiquidoLiquido-Liquido Liquido-GasLiquido-Gas Solido-LiquidoSolido-Liquido Solido-GasSolido-Gas Solido-SolidoSolido-Solido

Sapete trovare degli esempi dei casi Sapete trovare degli esempi dei casi precedenti?precedenti?

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SoluzioniSoluzioni

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Soluzioni SolideSoluzioni Solide

Lo zaffiro invece (meno Lo zaffiro invece (meno pregiato), deve la sua pregiato), deve la sua colorazione blu al Ferro colorazione blu al Ferro e al Titanio che hanno e al Titanio che hanno sostituito alcuni atomi sostituito alcuni atomi di Alluminiodi Alluminio

Il Rubino è una soluzione Il Rubino è una soluzione solida di ossido di cromo solida di ossido di cromo in Corindone (in Corindone (AlAl22OO33))

La varietà detta “La varietà detta “sangue sangue di piccionedi piccione” è una delle ” è una delle gemme colorate più gemme colorate più preziosepreziose

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Soluzioni Solide e LiquideSoluzioni Solide e Liquide

In una miscela, e’ arbitrario definire quale In una miscela, e’ arbitrario definire quale e’ il e’ il solutosoluto e quale il e quale il solventesolvente..

Tuttavia, se una componente ha una Tuttavia, se una componente ha una frazione molare vicina a 1, la si considera frazione molare vicina a 1, la si considera solventesolvente

La componente a minor frazione molare è La componente a minor frazione molare è chiamata chiamata solutosoluto

Una soluzione satura contiene la quantità Una soluzione satura contiene la quantità massima di soluto disciolto a quella massima di soluto disciolto a quella pressione e temperaturapressione e temperatura

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Soluzioni SovrassatureSoluzioni Sovrassature

Una soluzione può essere temporaneamente in uno Una soluzione può essere temporaneamente in uno stato metastabile, ed avere più soluto di quanto stato metastabile, ed avere più soluto di quanto permessopermesso

Legge di Raoult Legge di Raoult Legge di Raoult Legge di Raoult

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Legge di RaoultLegge di Raoult

Consideriamo una miscela con un liquido Consideriamo una miscela con un liquido

volatile e un liquido o un solido non volatilevolatile e un liquido o un solido non volatile

Come varia la pressione parziale del liquido Come varia la pressione parziale del liquido

volatile al variare della frazione molare?volatile al variare della frazione molare?

Indichiamo con Indichiamo con pp** la pressione di vapore la pressione di vapore

del liquido purodel liquido puro

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Legge di RaoultLegge di Raoult

Aggiungendo del soluto Aggiungendo del soluto non volatile ad una non volatile ad una soluzione di liquido soluzione di liquido volatile, la pressione di volatile, la pressione di vapore vapore diminuiscediminuisce BloccatoBloccato

Vi sono meno molecole di Vi sono meno molecole di solvente sulla superficie. solvente sulla superficie. Il soluto impedisce ad Il soluto impedisce ad alcune molecole di alcune molecole di passare nella fase passare nella fase gassosa, ma non ne gassosa, ma non ne impedisce il ritorno alla impedisce il ritorno alla fase liquida.fase liquida.

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Legge di RaoultLegge di Raoult

Se assumiamo che le Se assumiamo che le interazioni interazioni solvente-solventesolvente-solvente siano identiche a quelle siano identiche a quelle soluto-solventesoluto-solvente, possiamo , possiamo concludere che la concludere che la pressione pressione di vaporedi vapore e’ e’ proporzionaleproporzionale alla frazione molarealla frazione molare

ppAA = x = xAAppAA**ppAA = x = xAAppAA**

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Soluzioni IdealiSoluzioni Ideali

Le soluzioni che seguono la Le soluzioni che seguono la legge di Raoult di legge di Raoult di chiamano chiamano SoluzioniSoluzioni IdealiIdeali

Le soluzioni ideali hannoLe soluzioni ideali hannosolsolH =0H =0

ppAA = x = xAAppAA**ppAA = x = xAAppAA**

Francois RaoultFrancois Raoult(1830-1901)(1830-1901)

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Soluzione di due Liquidi VolatiliSoluzione di due Liquidi Volatili

Consideriamo ora due liquidi volatili.Consideriamo ora due liquidi volatili. Entrambi hanno una pressione di Entrambi hanno una pressione di

vaporevapore

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Legge di Raoult per Liquidi Legge di Raoult per Liquidi VolatiliVolatili

Se assumiamo che la soluzione sia ideale:Se assumiamo che la soluzione sia ideale: La pressione di vapore di ogni componente puo’ La pressione di vapore di ogni componente puo’

essere calcolata mediante la legge di Raoultessere calcolata mediante la legge di Raoult La pressione totale e’ la somma delle due La pressione totale e’ la somma delle due

pressioni parziali.pressioni parziali.

ppA A = = A A ppAA** ppB B = = B B ppBB**

pptottot = = ppAA + + ppBB = = A A ppAA** + + B B ppBB**

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Soluzione di Toluene e BenzeneSoluzione di Toluene e Benzene

CC

CC

CC

CCCC

CC

HH

HH

HH

HH

HH

HHBenzene TolueneToluene

CC

CC

CC

CCCC

CC

HH

HH

CHCH33

HH

HH

HH

Benzene e Toluene sono composti volatili con Benzene e Toluene sono composti volatili con una struttura simile e quindi forze una struttura simile e quindi forze intermolecolari simili. Una loro soluzione si intermolecolari simili. Una loro soluzione si comporta idealmentecomporta idealmente

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Soluzione Ideale e non IdealeSoluzione Ideale e non Ideale

pptottot = = A A ppAA* + * + B B ppBB**

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Soluzioni Non IdealiSoluzioni Non Ideali

La maggior parte delle soluzioni non sono idealiLa maggior parte delle soluzioni non sono ideali Le interazioni tra Le interazioni tra AA e e BB sono diverse da quelle sono diverse da quelle AAAA e e

BBBB

Deviazione positivaDeviazione positiva Deviazione negativaDeviazione negativa

Legge di Henry Legge di Henry Legge di Henry Legge di Henry

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Legge di HenryLegge di Henry

La legge di Raoult, per soluzioni non ideali, La legge di Raoult, per soluzioni non ideali, e’ una legge limitee’ una legge limite Se xSe xAA 1 1 ppA A = = A A ppAA**

xA0 1

p

ppBB**

ppAA**

k’H;B k’H;A

William Henry ha William Henry ha scoperto che perscoperto che per x xAA 0 0

ppA A = = A A KKAA

La pressione parziale è La pressione parziale è proporzionale alla proporzionale alla frazione molare, ma la frazione molare, ma la costante di costante di proporzionalità non è proporzionalità non è

ppAA**

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Leggi di Henry e RaoultLeggi di Henry e Raoult

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Legge di HenryLegge di Henry

Interpretazione MolecolareInterpretazione Molecolare

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Legge di HenryLegge di Henry

La conoscenza delle La conoscenza delle costanti di Henry è costanti di Henry è importante per molte importante per molte applicazioniapplicazioni

AAA Kxp AAA Kxp

Gas Gas (in H(in H22O)O) K/(10 Mpa)K/(10 Mpa)COCO22 0.1670.167HH22 7.127.12NN22 8.688.68OO22 4.404.40

Il Diossido di Carbonio Il Diossido di Carbonio si scioglie molto bene si scioglie molto bene in acquain acqua

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Legge di HenryLegge di Henry

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Legge di HenryLegge di Henry

Ad alte pressioni Ad alte pressioni l’Azoto e l’Azoto e l’ossigeno si l’ossigeno si sciolgono nel sciolgono nel sangue.sangue.

Tornando in Tornando in superficie troppo superficie troppo velocemente, si velocemente, si può soffrire di può soffrire di EmboliaEmbolia

Solubilità nel SangueSolubilità nel Sangue

Ad alte pressioni l’Azoto e l’ossigeno si Ad alte pressioni l’Azoto e l’ossigeno si sciolgono nel sangue.sciolgono nel sangue.

L’ossigeno viene consumato, ma l’Azoto L’ossigeno viene consumato, ma l’Azoto rimane nel sangue.rimane nel sangue.

Camere IperbaricheCamere Iperbariche Sangue ArtificialeSangue Artificiale

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Legge di HenryLegge di Henry

Molti prodotti sfruttano la Molti prodotti sfruttano la grande solubilità dei gas grande solubilità dei gas in acquain acqua

COCO22

NN22O/COO/CO22

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MisteroMistero

Dottor Holmes, Dottor Holmes, Perchè mi si sgasano Perchè mi si sgasano sempre le bottiglie di Gassosa sempre le bottiglie di Gassosa semivuote?semivuote?

Watson:Watson:

Per la legge di Per la legge di Henry, mio caro Henry, mio caro Watson Watson !!! !!!

Sherlock Holmes:Sherlock Holmes:

Proprietà Proprietà Colligative Colligative Proprietà Proprietà

Colligative Colligative

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Proprietà ColligativeProprietà Colligative

Aggiungendo un soluto in un solvente, Aggiungendo un soluto in un solvente, abbiamo visto come le proprietà del abbiamo visto come le proprietà del solvente cambianosolvente cambiano

Si chiamano Si chiamano proprietà colligativeproprietà colligative quelle quelle proprietà del solvente che dipendono solo proprietà del solvente che dipendono solo dal numero di molecole di soluto ma non dal numero di molecole di soluto ma non dalla loro identitàdalla loro identità Innalzamento EbullioscopicoInnalzamento Ebullioscopico Abbassamento CrioscopicoAbbassamento Crioscopico Pressione OsmoticaPressione Osmotica (Solubilità)(Solubilità)

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Variazione della Pressione di Variazione della Pressione di VaporeVapore

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Innalzamento EbullioscopicoInnalzamento Ebullioscopico

Se assummiamo che il Se assummiamo che il soluto soluto BB non sia volatile è non sia volatile è possibile valutare possibile valutare l’innalzamento del punto di l’innalzamento del punto di ebollizioneebollizione

T = K xT = K xBB

K = RT*K = RT*22//vapvapHH

T*T* T*+ T*+ TT

Quando si deve mettere il sale Quando si deve mettere il sale nell’acqua per la pasta?nell’acqua per la pasta?

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Abbassamento CrioscopicoAbbassamento Crioscopico

Se assumiamo che il soluto Se assumiamo che il soluto BB non si sciolga nel solido non si sciolga nel solido è possibile valutare è possibile valutare abbassamento del punto di abbassamento del punto di fusionefusione

T = K’ xT = K’ xBB

K’ = RT*K’ = RT*22//fusfusHH

T*-T*-TT T*T*

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Abbassamento CrioscopicoAbbassamento Crioscopico

Il soluto, rende più difficile costruire il reticolo Il soluto, rende più difficile costruire il reticolo cristallino solido, e quindi diminuisce il punto cristallino solido, e quindi diminuisce il punto di fusionedi fusione

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Abbassamento CrioscopicoAbbassamento Crioscopico

Anticongelante nel radiatore Anticongelante nel radiatore (DietilenGlicole) (DietilenGlicole)

Sale sulle strade (NaCl o meglio CaClSale sulle strade (NaCl o meglio CaCl22) per ) per

sciogliere il ghiacciosciogliere il ghiaccio Gelatiera casalingaGelatiera casalinga

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QuizQuiz

Perchè la birra calda fa schifo?Perchè la birra calda fa schifo?

OsmosiOsmosiOsmosiOsmosi

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OsmosiOsmosi

L’L’OsmosiOsmosi e’ il passaggio spontaneo di un solvente e’ il passaggio spontaneo di un solvente puro verso una soluzione, separata da una puro verso una soluzione, separata da una membrana semipermeabilemembrana semipermeabile

Una membrana semipermeabile permette il Una membrana semipermeabile permette il passaggio del passaggio del solventesolvente ma non del ma non del solutosoluto

Il solvente passa dalla soluzione meno concentrata Il solvente passa dalla soluzione meno concentrata a quella piu’ concentrataa quella piu’ concentrata

4% NaCl 10% NaCl

H2O

Membrana Semipermeabile

7% NaCl 7 % NaCl

H2O

Equilibrio

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Pressione OsmoticaPressione Osmotica

La La pressione pressione osmoticaosmotica e’ quella e’ quella pressione che, pressione che, aggiunta a quella aggiunta a quella atmosferica e’ atmosferica e’ necessaria per necessaria per impedire il passaggio impedire il passaggio del solvente del solvente attraverso la attraverso la membrana membrana semmipermeabilesemmipermeabile

La pressione La pressione osmotica si indica osmotica si indica con con

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Pressione OsmoticaPressione Osmotica

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Pressione OsmoticaPressione Osmotica

V = nV = nsolutosolutoRTRTV = nV = nsolutosolutoRTRT

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Pressione Osmotica e SanguePressione Osmotica e Sangue

Le pareti cellulari sono Le pareti cellulari sono membrane semipermeabilimembrane semipermeabili

La pressione osmotica non La pressione osmotica non puo’ cambiare, altrimenti le puo’ cambiare, altrimenti le cellule vengono danneggiatecellule vengono danneggiate

Il flusso di acqua da un Il flusso di acqua da un globulo rosso verso l’ambiente globulo rosso verso l’ambiente deve essere all’equilibriodeve essere all’equilibrio

Una soluzione Una soluzione IsotonicaIsotonica ha la ha la stessa pressione osmotica stessa pressione osmotica delle cellule del sanguedelle cellule del sangue

5% glucosio e 0.9% NaCl5% glucosio e 0.9% NaCl

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Soluzione Soluzione IpertonicaIpertonicala concentrazione la concentrazione esterna e’ piu’ alta esterna e’ piu’ alta RaggrinzimentoRaggrinzimento

Osmosi e Globuli Osmosi e Globuli RossiRossi

Soluzione IpotonicaSoluzione Ipotonicala concentrazione la concentrazione esterna e’ piu’ esterna e’ piu’ bassa bassa EmolisiEmolisi

Soluzione IsotonicaSoluzione IsotonicaI Globuli Rossi hanno I Globuli Rossi hanno la stessa la stessa concentrazione del concentrazione del liquido circostanteliquido circostante

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DialisiDialisi

Si parla di Si parla di DialisiDialisi quando il quando il solventesolvente e e piccole molecole di solutopiccole molecole di soluto passano passano attraverso una membrana semipermeabileattraverso una membrana semipermeabile

Grandi molecole e particelle non passanoGrandi molecole e particelle non passano L’emodialisi L’emodialisi (rene artificiale)(rene artificiale) e’ usata in e’ usata in

medicina per rimuovere delle sostanze (ad medicina per rimuovere delle sostanze (ad esempio urea) in concentrazione tossiche esempio urea) in concentrazione tossiche (In chimica (In chimica NONNON esistono sostanze tossiche, ma esistono sostanze tossiche, ma solo solo concentrazioniconcentrazioni tossichetossiche))

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Reni e DialisiReni e Dialisi

I prodotti di scarto I prodotti di scarto trasportati dal trasportati dal sangue vengono sangue vengono dializzati dai reni dializzati dai reni attraverso una attraverso una membrana membrana semipermeabile. semipermeabile. Attraverso dei tubuli Attraverso dei tubuli vengono eliminati vengono eliminati nell’Urinanell’Urina

Nel rene artificiale Nel rene artificiale questa operazione questa operazione viene effettuata viene effettuata artificialmenteartificialmente

ArteriaArteria

VenaVena

UretraUretra

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Un marinaio naufraga su un’isola deserta senza Un marinaio naufraga su un’isola deserta senza acqua dolce da bere. Sa che i soccorsi acqua dolce da bere. Sa che i soccorsi arriveranno in 8 giorni, ma che senz’acqua puo’ arriveranno in 8 giorni, ma che senz’acqua puo’ sopravvivere solo per 7 giorni.sopravvivere solo per 7 giorni.

Con il vento a favore tuttavia, la nave di Con il vento a favore tuttavia, la nave di salvataggio arriva gia’ dopo 5 giorni, ma trova il salvataggio arriva gia’ dopo 5 giorni, ma trova il marinaio morto sulla spiaggia.marinaio morto sulla spiaggia.

Cosa e’ successo?Cosa e’ successo?

Il Caso del Marinaio NaufragoIl Caso del Marinaio Naufrago

Sperando di sopravvivere piu’ a lungo, il marinaio Sperando di sopravvivere piu’ a lungo, il marinaio ebbe la pessima idea di bere acqua del mareebbe la pessima idea di bere acqua del mare

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Chimica Fisica in CucinaChimica Fisica in Cucina

Cosa consiglia la Cosa consiglia la Chimica Fisica per Chimica Fisica per una Macedonia una Macedonia perfetta?perfetta?

Spargere lo Spargere lo Zucchero sulle Zucchero sulle fragole tagliate, e fragole tagliate, e solo in seguito solo in seguito aggiungere il limone aggiungere il limone (antiossidante)(antiossidante)

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Chimica Fisica in CucinaChimica Fisica in Cucina

E per una buona bistecca?E per una buona bistecca?

Il sale va aggiunto solo alla Il sale va aggiunto solo alla finefine

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Solubilita’ dei SolidiSolubilita’ dei Solidi

Alcuni sali hanno Alcuni sali hanno una entalpia di una entalpia di soluzione negativa e soluzione negativa e quindi diminuiscono quindi diminuiscono la loro solubilita’ la loro solubilita’ all’aumentare della all’aumentare della temperatura.temperatura.

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Solubilita’ dei GasSolubilita’ dei Gas

La solubilita’ dei La solubilita’ dei gas in gas in acquaacqua di di solito solito diminuiscediminuisce con la con la temperaturatemperatura

In altri solventi In altri solventi puo’ anche puo’ anche aumentareaumentare

L’acqua degli impianti industriali L’acqua degli impianti industriali deve venir raffreddata prima di deve venir raffreddata prima di essere gettata nell’ambienteessere gettata nell’ambiente