Le Soluzioni Le soluzioni sono sistemi monofasici costituiti dalla miscela omogenea di due o più sostanze: sono dette soluti quella o quelle presenti in quantità minore è detta solvente quella presente in quantità maggiore Quando le particelle di soluto sono atomi, ioni o molecole di piccole dimensioni (non superiori a 1 nm), in ogni caso invisibili al microscopio, le soluzioni sono trasparenti e sono chiamate soluzioni vere, per distinguerle dalle soluzioni false o dispersioni colloidali , in cui le dimensioni delle particelle sono comprese tra 1 e 1000 nm

Tipi di soluzioni Le soluzioni possono essere di tre tipi: soluzioni gassose, soluzioni solide e soluzioni liquide. Le soluzioni gassose sono costituite da due o più gas o vapori diffusi l'uno nell'altro; per la loro estrema miscibilità, un sistema costituito da due o più gas (o vapori) costituisce sempre una soluzione. L'esempio più comune di soluzione gassosa è l'aria. Le soluzioni solide sono costituite da un solido disciolto in un altro; si ottengono per raffreddamento di miscele fuse dei componenti, come, per esempio, talune leghe metalliche (l'ottone, formato da rame e zinco, è una lega).

Le soluzioni liquide sono costituite da un gas, un liquido o un solido disciolti in un liquido. Una bevanda gassata è un esempio di gas disciolto in un liquido (soluzione gas-liquido); una miscela di etanolo (alcol etilico) e acqua è una soluzione liquido-liquido; l'acqua zuccherata è una soluzione solido-liquido. Le soluzioni più comuni sono le soluzioni liquido-liquido e solido-liquido. Tra le soluzioni solido-liquido, di particolare interesse sono le soluzioni acquose, cioè quelle in cui il solvente è l'acqua (la maggior parte delle reazioni avviene in soluzione acquosa; in particolare, i processi biologici nelle cellule viventi, in cui le soluzioni contengono sciolti sali e sostanze nutritive organiche).

Solubilità Tranne gli aeriformi e alcuni liquidi (come l’acetone e l’acqua) che si sciolgono reciprocamente in tutte le proporzioni, esiste un limite alla possibilità di un soluto di sciogliersi in un solvente a una certa temperatura: se viene superato questo limite il soluto può rimanere presente come corpo di fondo nella soluzione. In queste condizioni la soluzione viene detta satura. Per solubilità di una sostanza in un solvente in certe condizioni di temperatura (e, per i gas, anche di pressione) si intende la quantità di quella sostanza (espressa in grammi) che si scioglie in 100 g di solvente per dare una soluzione satura. In una soluzione diluita, la quantità di soluto è assai inferiore rispetto al limite di saturazione, mentre in una soluzione concentrata la quantità di soluto è di poco inferiore rispetto al limite di saturazione

II processo di solubilizzazione A temperatura costante, la solubilizzazione di un soluto in un solvente dipende dalla loro rispettiva struttura chimica . I soluti possono essere di tipo ionico (per esempio, solidi ionici come i sali), di tipo covalente polare (per esempio, solidi come lo zucchero, o liquidi come l'etanolo) di tipo covalente non polare (per esempio, oli, grassi).

II processo di solubilizzazione Ogni sostanza tende a sciogliere sostanze con caratteristiche simili alle proprie. In queste condizioni, infatti, le sostanze sono facilmente miscibili tra di loro e le forze attrattive che si creano tra il soluto e il solvente sono dello stesso tipo e della stessa intensità di quelle esistenti tra le molecole del soluto e tra le molecole del solvente separati. Le molecole di solvente possono così agevolmente circondare le particelle (ioni o molecole) di soluto interagendo con esse: questo processo è detto solvatazione e nel caso dell'acqua prende il nome di idratazione.

II processo di solubilizzazione I soluti ionici e polari tendono a sciogliersi in solventi polari (nel caso dell'acqua, tipico solvente polare, se i soluti sono elettroliti, il processo di dissoluzione è accompagnato dalla loro scissione in ioni, attraverso la dissociazione e la ionizzazione) I solventi generalmente impiegati possono presentare una struttura covalente polare (come l'acqua) o non polare (per esempio, il benzene). I soluti non polari o leggermente polari tendono a sciogliersi in solventi non polari (i grassi, per esempio, si sciolgono in benzene, C6H6, o in tetracloruro di carbonio, CCl4); I soluti polari non sono invece solubili in solventi non polari (l'acqua, per esempio, non si scioglie nella benzina).

Solubilità e temperatura La formazione di una soluzione può essere schematizzata nel modo seguente: dove Q rappresenta il calore di soluzione: se questo è positivo, il processo di soluzione è esotermico (libera calore), se è negativo il processo è endotermico (assorbe calore). In base al principio di Le-Chatelier-Brown, se il processo di soluzione è endotermico la solubilità della sostanza aumenta all’aumentare della temperatura, se il processo è esotermico la solubilità diminuisce all’aumentare della temperatura. In realtà, la solubilità delle sostanze non sempre segue questo andamento e perciò deve essere determinata sperimentalmente.

Solubilità dei gas nei liquidi Nel caso di gas che non reagiscono con il solvente, vale la legge di Henry, secondo cui la solubilità di un gas in un liquido è direttamente proporzionale alla sua pressione parziale nella fase gassosa (cioè al di sopra della soluzione): dove Cg è la concentrazione del gas nella soluzione, Pg è la sua pressione parziale e k è una costante di proporzionalità che dipende sia dal soluto che dal solvente. Inoltre, la solubilità dei gas di solito è un processo esotermico e diminuisce con l'aumentare della temperatura (infatti basta riscaldare un liquido per eliminare i gas in esso discioltiQuando il gas reagisce con il solvente la solubilità è in genere maggiore (in questo caso non è più seguita la legge di Henry).

Concentrazione di una soluzione La concentrazione di una soluzione ne esprime la composizione quantitativa, o titolo, cioè la quantità di soluto contenuta in una determinata quantità di soluzione o, in alcuni casi, di solvente. A seconda di come si sceglie di esprimere le quantità di soluto e di solvente, la concentrazione di una soluzione può venire espressa in modi differenti, di cui i principali sono i seguenti:

La percentuale in peso (% P/P) indica la quantità espressa in grammi di soluto presente in 100 g di soluzione: La percentuale in volume (% V/V) indica la quantità espressa in ml di soluto presente in 100 ml di soluzione (soluto + solvente): La percentuale in peso/volume (% P/V) indica la quantità espressa in grammi di soluto presente in 100 ml di soluzione: La molarità o concentrazione molare (M) indica il numero di moli n di soluto disciolte in 1 l di soluzione: La frazione molare (XA) indica il rapporto fra il numero di moli di soluto nA e la somma del numero di moli di soluto e del numero di moli di solvente nB: La molalità o concentrazione molare (m) indica il numero di moli n di soluto presenti in 1000 g di solvente puro:

Concentrazioni e unità di misura Molarità (M), è il numero di moli di soluto per litro di soluzione M = n° moli di soluto / volume di soluzione       [M] = mol/l Tenendo presente che: n° moli = grammi di soluto / peso molecolare del soluto      n° moli = g/(g/mol)  Molalità (m), è il numero di moli di soluto contenuto in 1kg di solvente m = n°moli di soluto / kg di solvente           [m] = mol/kg  Concentrazione percentuale massa/massa (% m/m) è il numero di grammi di soluto disciolti in 100g di soluzione % m/m = massa soluto (g) / massa soluzione (g) • 100   Concentrazione percentuale massa/volume (% m/V) è il numero di grammi di soluto disciolti in 100ml di soluzione  % m/V = massa soluto (g) / volume soluzione (ml) • 100   Concentrazione percentuale volume/volume (% V/V) è il numero di millilitri di soluto disciolti in 100ml di soluzione % V/V = volume soluto (ml) / volume soluzione (ml) • 100

Purezza % La sostanze in commerico contengono una certa quantità di impurezze. A volte negli esperimenti è necessario tenerne conto, ossia non è possibile considerare la sostanza tutta completamente costituita solo ed esclusivamente da molecole di principio attivo. In genere viene dichiarata la percentuale %i in peso di impurità presente o il grado percentuale p% di purezza della sostanza. Questi dati sono di fatto immediatamente convertibili nella prima parte di una proporzione, ma poiché di fatto p% = 100% - i%, si può utilizzare solo p%. A esempio 100 (impuri) : 98 (puri) (ad identica scrittura si sarebbe pervenuti con una sostanza con i% = 2%). Dopodiché la posizione della x a destra dell'uguale dipende da che cosa si desidera trovare ovvero se dati i grammi impuri si cercano i grammi puri corrispondenti oppure se nota una certa quantità in grammi di sostanza pura si vogliono sapere a quanti grammi di sostanza impura corrispondono.

Proprietà colligative, Considerando il caso delle soluzioni solido-liquido, si è osservato che esse manifestano alcune proprietà chimico-fisiche che dipendono esclusivamente dal numero di particelle di soluto presenti nel solvente, mentre sono indipendenti dalla natura del soluto. In quanto collegate alla concentrazione della soluzione, tali proprietà sono dette colligative, e riguardano i seguenti fenomeni: l'abbassamento della tensione di vapore; l'innalzamento del punto di ebollizione; l'abbassamento del punto di congelamento; la pressione osmotica.

Le dispersioni colloidali Le dispersioni colloidali, o soluzioni colloidali, o colloidi, sono sistemi bifasici costituiti da una sostanza (liquida, solida o gassosa) dispersa in una seconda sostanza (generalmente liquida o gassosa), detta fase disperdente. Le particelle costituenti le soluzioni colloidali hanno dimensioni comprese tra 1 nm e 1 μm. Queste particelle in alcuni casi sono costituite da aggregati di molecole (zolfo colloidale) o di atomi (oro colloidale), in altri da macromolecole di grosse dimensioni come le molecole proteiche (plasma sanguigno).

I sistemi colloidali I sistemi colloidali si classificano, in base allo stato di aggregazione della fase dispersa e di quella disperdente (peraltro non distinguibili neanche con un microscopio a forte ingrandimento) principalmente in sol, gel, aerosol ed emulsioni. I sol, abbastanza simili alle soluzioni vere, sono costituiti da piccolissime particelle di solido disperse in un solvente

I gel sono solidi dispersi uniformemente in liquidi in modo da formare una specie di intelaiatura in tutto il sistema (come, per esempio, la gelatina o l'albume dell'uovo ottenuto per coagulazione mediante somministrazione di calore allo stato di sol). Gli aerosol sono costituiti da particelle solide disperse in un gas, come i fumi e lo smog, o da particelle liquide disperse in un gas, come le nebbie. Le emulsioni sono dispersioni di un liquido in un altro liquido immiscibile con il primo (per esempio, il latte è un'emulsione del tipo olio in acqua, essendo la fase dispersa costituita da sostanze grasse

Le particelle colloidali non si depositano con apprezzabile velocità nel mezzo in cui sono disperse, non si possono filtrare e non si possono separare allo stato cristallino, ma allo stato amorfo. Quando un fascio di luce attraversa una soluzione colloidale, viene diffuso in modo caratteristico e tale che, osservandolo lateralmente, risulta ben visibile (effetto Tyndall).

Diluizione di una soluzione Formula della diluizione Per calcolare la quantità di solvente che deve essere aggiunta, si consideri che con la diluizione la quantità di soluto resta invariata perciò, il numero di moli di soluto prima (ni) e dopo (nf) la diluizione resta invariato: ni = nf Ricordando che la molarità è pari a M = nsoluto / Vsoluzione e dunque nsoluto = M · Vsoluzione si ha che: in cui: Mi = molarità iniziale della soluzione, prima della diluizione; Mf = molarità finale della soluzione, dopo la diluizione; Vi = volume iniziale della soluzione, prima della diluizione Vf = volume finale della soluzione, dopo la diluizione Dalla formula precedente risulta che: Pertanto, la quantità di solvente da aggiungere sarà:

Elettroliti Le sostanze che si sciolgono in acqua (ma in generale in tutti i solventi polari) possono essere classificate come non elettroliti o elettroliti Definizione di non elettroliti Sono non elettroliti tutte le sostanze che sciolte in acqua, non si dissociano in ioni di carica opposta. Sono esempi di non elettroliti l'alcool etilico, il glucosio e l'anidride carbonica. Il termine "non-elettrolita" indica l'impossibilità per le soluzioni che contengono questo tipo di soluti di condurre la corrente elettrica. Definizione di elettroliti Sono elettoliti tutte le sostanze che, disciolte in acqua, si dissociano in maniera più o meno elevata, in ioni di carica opposta. Tutte le soluzioni elettrolitiche sono perciò in grado di condurre la corrente elettrica. La conducibilità di un elettrolita può essere più o meno grande, in quanto esistono elettroliti forti (completamente dissociati) ed elettroliti deboli (poco dissociati). Sono esempi di elettroliti il cloruro di sodio NaCl, l'acido cloridrico HCl e l'idrossido di sodio NaOH. Grado di dissociazione Si definisce grado di dissociazione α il rapporto tra il numero di moli dissociate e il numero delle moli totali

I non elettroliti presentano grado di dissociazione uguale a 0, gli elettroliti forti presentano grado di dissociazione uguale a 1 mentre gli elettroliti deboli presentano grado di dissociazione compresi tra 0 ed 1. Se una sostanza presenta ad esempio un grado di dissociazione pari a 0,4 significa che per ogni 100 moli che sono state poste in soluzione, 40 si sono dissociate in ioni, mentre 60 sono disciolte senza essere dissociate. Il grado di dissociazione però non è una buona misura della forza di un elettrolita debole in quanto aumenta con la diluizione. Si definisce solubilità la massima quantità in grammi di soluto che, a una data temperatura, può essere disciolta in 100 grammi di solvente. La solubilità del cloruro di sodio in acqua, per esempio, è di 37 g/100 mL a 20 °C. Ciò significa che a 20 °C in 100 mL di acqua si potranno al massimo sciogliere 35,7 g di NaCl.

Riassumendo Una qualsiasi soluzione che contenga una quantità di soluto inferiore alla sua solubilità a una temperatura data è detta insatura. Quando invece tentiamo di sciogliere una sostanza in quantità maggiore rispetto di quella indicata dalla sua solubilità, una parte non si scioglie e si deposita come corpo di fondo. La soluzione ottenuta costituisce una soluzione satura. Se una soluzione satura a una data temperatura viene raffreddata, una parte del soluto precipita come corpo di fondo fino a che la quantità di soluto in soluzione corrisponde alla solubilità della sostanza alla nuova temperatura. Operando il raffreddamento in maniera lenta, si può arrivare a superare il limite di solubilità senza che si verifichi alcuna precipitazione. In questo caso il sistema si trova in equilibrio instabile e la quantità di soluto in soluzione è maggiore di quella consentita dalla solubilità alla nuova temperatura; in queste condizioni la soluzione è soprasatura. Un piccolo colpo al contenitore o l'introduzione di un minuscolo cristallo di soluto provoca però l'immediata cristallizzazione di tutta la quantità in eccesso. Il processo di solubilizzazione può essere sia esotermico che endotermico.

Le soluzioni sono miscele omogenee costituite da due o più componenti Le soluzioni sono miscele omogenee costituite da due o più componenti. I componenti delle soluzioni sono detti solvente e soluto. Il solvente è il mezzo disperdente presente in quantità maggiore. Il soluto è il componente presente in quantità minore. [questi due termini diventano ambigui quando si ha a che fare con soluzioni concentrate; ad esempio in una soluzione d'acqua e alcol al 50% diventa impossibile attribuire il nome di solvente e soluto] Concentrazione delle soluzioni La concentrazione o titolo di una soluzione è la quantità di soluto rispetto alla quantità di solvente o di soluzione. Solubilità di una sostanza è la quantità massima di soluto che si può sciogliere in un solvente fino ad ottenere una soluzione satura, ad una determinata temperatura. La concentrazione si può esprimere in: Percentuale peso/peso: grammi di soluto in 100 grammi di soluzione Percentuale volume/volume: ml di soluto in 100 ml di soluzione. Grammi/litro: grammi di soluto in 1000 ml (un litro) di soluzione. Molarità: numero di moli di soluto in 1000 ml (un litro) di soluzione. Molalità: numero di moli di soluto disciolte in 1000 grammi di solvente puro. Normalità: numero di equivalenti di soluto in 1000 ml (un litro) di soluzione. PPM: parti per milione, cioè parti di soluto per milione di parti di soluzione.

La solubilità dei solidi nei liquidi è fortemente influenzata dalla temperatura e in genere aumenta all'aumentare di quest'ultima. In alcuni rari casi, la solubilità diminuisce all'aumentare della temperatura. Ne sono esempio il carbonato di litio Li2CO3 e il solfato di cesio Ce2(SO4)3. Nel caso del solfato di calcio CaSO4 la solubilità è indifferente all'aumento di temperatura. La soluzione usata nei radiatori delle automobili, costituita da un anticongelante e acqua, presenta una temperatura di congelamento più bassa rispetto all'acqua pura; un campione di acqua marina, soluzione acquosa di sali (in prevalenza cloruro di sodio), bolle a una temperatura superiore a quella dell'acqua pura. La presenza di un soluto non volatile disciolto in un solvente modifica, pertanto, le proprietà della soluzione rispetto al solvente. Queste modificazioni vanno sotto il nome di proprietà colligative. Le proprietà colligative dipendono esclusivamente dal numero di particelle di soluto presenti nel solvente e non dalla loro natura chimica e fisica.