LE SOLUZIONI CHIMICHE Una soluzione è una miscela omogenea liquida nella quale il soluto (solido o gas) è disciolto in un opportuno solvente (liquido). Nel caso di miscele tra due o più liquidi la scelta del solvente o del soluto è arbitraria. Solitamente il liquido che è presente in maggiore quantità è considerato il solvente. Il soluto il più delle volte è una sostanza solida quale un sale, un ossido, o un idrossido mentre il solvente è una sostanza liquida che mostra una elevata affinità chimica nei confronti del soluto. Per esempio l’acqua mostra ottime capacità solventi nei confronti di sostanze con gruppi funzionali in grado di dare legami idrogeno con essa (-COO-, -NH2, OH-, -CHO, ecc..)

L’acqua rappresenta il solvente per eccellenza L’acqua rappresenta il solvente per eccellenza. Infatti l’H2O possiede una elevata costante dielettrica che è in grado di contrastare il legami ionici e covalenti di molti solidi cristallini. La dissoluzione di un solido in un solvente è una vera e propria reazione chimica che richiede in alcuni casi un investimento energetico (endotermico) e in alcuni un rilascio energetico (esotermico). Una soluzione SATURA è una soluzione che contiene la quantità massima di soluto che può sciogliersi in una quantità fissa di solvente ad una determinata temperatura. Questa quantità è caratteristica per quel soluto ed è espressa in g soluto/100 g di acqua.

LA CONCENTRAZIONE DELLE SOLUZIONI La concentrazione di una soluzione indica la quantità del soluto rispetto alla quantità del solvente. Essa viene espressa generalmente in unità basate sul rapporto peso/peso o sul rapporto peso/volume. In chimica analitica i modi più usati per esprimere la concentrazione delle soluzioni sono i seguenti: Percentuale in peso (peso/peso) Quantità in peso nel volume (peso/volume) Molarità M (peso/volume) Normalità N (peso/volume) molalità m: (peso/peso) Si tenga presente che nella chimica analitica l'unità di misura abitualmente usata per esprimere la massa è il grammo (g) con il sottomultiplo milligrammo (mg). L'unità per esprimere il volume è il litro (l) con il sottomultiplo millilitro (ml o cm3).

Quantità in peso nel volume Percentuale in Peso La percentuale in peso indica il numero di grammi di soluto sciolti in 100 grammi di soluzione. Esempio: Una soluzione al 10 % (in peso) di NaCl contiene 10 g di NaCl in 100 g di soluzione, cioè 10 g di NaCl e 90 g di H2O Quantità in peso nel volume Questo modo di esprimere la concentrazione indica il peso di soluto (generalmente in grammi) contenuto in un determinato volume di soluzione. Di solito il volume è 100 ml oppure 1 litro. Quando il volume è 100 ml, si usa l'espressione % peso/volume. Esempio: Una soluzione al 20 % di KNO3 in peso/volume è formata da 20 g di KNO3 sciolti in acqua fino al volume di 100 ml .

Molarità Una mole di sostanza è la quantità in peso, espressa in grammi, pari alla massa molecolare (M.M. o P.M.) della sostanza stessa. Per esempio, una mole di NaOH, che ha P.M. = 23+16+1 =40, è data da 40 grammi di idrossido di sodio. La concentrazione molare o molarità di una soluzione indica il numero di moli di soluto contenute in un litro di soluzione. Un soluzione contenente un mole di sostanza in un litro si chiama soluzione molare e si indica con M; le soluzioni che contengono due, tre, ..., moli per litro si indicano con 2M, 3M, ...Le soluzioni che contengono un decimo, un centesimo,..., di mole per litro, si indicano con 0,1 M, 0,01 M, ... Il numero di moli (n) contenuto in un determinato volume di soluzione è dato dal prodotto della molarità (M) per il volume espresso in litri (v) Molalità Moli di soluto per mille grammi di solvente.

Normalità Si indica con N e corrisponde al numero di grammi equivalenti di soluto contenuti in un litro di soluzione. Il grammo equivalente di una sostanza (abbreviato eq) è la quantità di peso (espressa in grammi) uguale al suo peso equivalente. Il peso equivalente viene determinato in modi diversi a seconda del composto chimico a cui ci si riferisce: acidi --> Si divide il Peso Molecolare per il numero di H+ sostituibili; ad es. per l'acido solforico - H2SO4- : PM/2 basi --> Si divide il Peso Molecolare per il numero di OH- sostituibili; ad esempio per l'idrossido di bario - Ba(OH)2 - : PM/2 sali --> Si divide il Peso Molecolare per il numero delle cariche totali, positive o negative, dei suoi ioni; ad esempio per il nitrato d'argento: AgNO3 --> Ag+ NO3- e quindi PM/1; per il cloruro di bario: BaCl2 ---> Ba++ 2Cl- e quindi PM/2 sostanze ossidanti o riducenti --> Si divide il Peso Molecolare per il numero di elettroni che vengono scambiati nella reazione di ossidoriduzione cui la sostanza partecipa; ad esempio il permanganato potassico in ambiente acido reagisce secondo la equazione schematica: MnO4- + 8H+ + 5 e- = Mn2+ + 4H2O pertanto il peso equivalente del KMnO4 è uguale al peso molare diviso per 5.

Tabella di conversione delle unità di misura della concentrazione % = Percentuale in peso M = Molarità N = Normalità m = molalità PM = Peso Molecolare PE = Peso Equivalente d = densità soluzione

Preparazione di una soluzione acquosa 0,25 M di NaCl. ESPERIENZA Preparazione di una soluzione acquosa 0,25 M di NaCl. La preparazione di un certo volume di soluzione a molarità nota con alto grado di precisione è un'operazione molto frequente nei laboratori di chimica, soprattutto in campo analitico. Queste soluzioni si preparano usando un matraccio tarato di opportuna capacità. La modalità di preparazione è la seguente. a) Noto il PM e la molarità si calcolano i grammi di NaCl necessari per il volume di soluzione richiesto e quindi si procede alla pesata del sale. b) Si scioglie il sale in un beker contenente un volume d'acqua inferiore all volume richiesto, avendo cura di lavare il piattino che ha ospitato il sale nella fase di pesatura. c) Si trasferisce la soluzione dal beker al matraccio lavando più volte il beker in modo di limitare al massimo le perdite di soluto e portare definitivamente a volume servendosi di una pipetta per dosare il solvente goccia a goccia fino a che il livello inferiore del menisco coincide con l'incisione sul collo. Tappare il matraccio e agitare la soluzione. d) Lavare accuratamente la vetreria utilizzando acqua distillata per l’ultimo risciacquo. Esempio PM NaCl = 58.44 M = 0.25 Vol = 50 ml PESO (grammi) = M x PM x 50 ml /1000 ml = 0.25 x 58.44 x 50/1000 = 0.7305 g

IL CONCETTO DI pH Il pH (dove la lettera p proviene da potenza e H dal simbolo dell’idrogeno) di una soluzione rappresenta il logaritmo decimale (log), cambiato di segno della concentrazione molare degli ioni H+, cioè: pH = - log [H+] Analogamente, si definisce pOH la grandezza seguente: pOH = - log [OH-] Viceversa, per definizione stessa di logaritmo, si ha: [H+] = 10-pH e [OH-] = 10-pOH Per esempio una concentrazione di ioni H+ pari a 0,001 moli per litro corrisponde a [H+] = 10-3 M e quindi a pH=3.

I SISTEMI TAMPONE Una delle caratteristiche più significative dei sistemi biologici è quella di mantenere la concentrazione degli H+ degli ambienti cellulari e extracellulari pressoché costante. Ogni ambiente cellulare ha una [H+] specifica che è caratteristica per il tipo di reazioni che vi si realizzano. La maggior parte degli enzimi, per esempio, hanno un intervallo di [H+] per il quale la loro attività è massima. Poiché nelle reazioni biologiche si generano H+, la tendenza dei pH cellulari è di abbassarsi, ma questo è spesso incompatibile con la vita. Devono quindi esistere sistemi capaci di controllare efficacemente il pH, impedendone sensibili oscillazioni. Tali sistemi sono chiamati sistemi tampone.

I SISTEMI TAMPONE I sistemi tampone sono soluzioni acquose che possiedono la proprietà di contenere entro limiti molto ristretti le variazioni del pH per aggiunta di piccole quantità di acidi o di basi forti. Per contro l'aggiunta di acidi o di basi, anche in piccole dosi, a sistemi che non hanno le caratteristiche dei sistemi tampone, comporta una variazione del pH molto netta. Ad esempio, l'aggiunta di 0,01 moli di HCl ad un litro di acqua, produce una variazione del pH da 7 a 2, mentre l'aggiunta della stessa quantità di acido ad un litro di soluzione tampone produce una variazione del pH quasi inapprezzabile.

I SISTEMI TAMPONE Hanno potere tampone le soluzioni costituite da: un acido debole e il suo sale con una base forte una base debole e il suo sale con un acido forte In generale un tampone può essere descritto in questo modo: ACIDO DEBOLE + SALE HA  H+ + A- Na+A-  Na+ + A- Acido debole base coniugata sale BASE DEBOLE + SALE BOH  B+ + OH- B+Cl-  B+ + Cl- base debole acido coniugato sale

I SISTEMI TAMPONE In acqua sia l’acido che la base debole si dissociano solo parzialmente, mentre il sale è completamente dissociato. Se ad una soluzione tampone del primo tipo (acido debole + sale) si aggiungono H+, questi si legano all’anione generato dal sale formando HA (aumenta la concentrazione dell’acido non ionizzato) e il pH non diminuisce in maniera apprezzabile. Se si aggiungono OH-, questi si legano agli H+ derivati dalla dissociazione dell’acido formando H2O e altro acido si ionizza ripristinando l’equilibrio. Anche in questo caso il pH non aumenterà in modo sensibile.

I SISTEMI TAMPONE Come si prepara un soluzione tampone? Mescolando direttamente l’acido (o la base) debole e il suo sale. Per esempio acido acetico e acetato di sodio, oppure ammoniaca e cloruro di ammonio. Mescolando un acido debole e una base forte o viceversa. Per esempio, acido acetico e idrossido di sodio oppure ammoniaca e acido cloridrico. A cosa servono? Nella sperimentazione biochimica, l’impiego delle soluzioni tampone è routinario: non vi è praticamente tecnica che non ne faccia uso. Molte molecole biologiche sono infatti sensibili al pH del mezzo, sia per quanto riguarda la loro attività, sia la loro stabilità. Velocità di reazione ed equilibrio chimico spesso dipendono dal pH. L’attività degli enzimi si esplica quasi sempre entro limiti di pH molto ristretti (pH ottimale); il pH ha inoltre un effetto diretto sulla ionizzazione di molti substrati e può compromettere la stabilità stessa dell’enzima. Una variazione di pH, alterando lo stato di ionizzazione di alcuni residui ionizzabili presenti sulle membrane, potrebbe modificarne la permeabilità e indurre così possibili variazioni della distribuzione di sostanze o ioni attraverso la membrana.

Preparazione di 50 ml di tampone CH3COONa/CH3COOH 0.1 M pH 5.0 ESPERIENZA Preparazione di 50 ml di tampone CH3COONa/CH3COOH 0.1 M pH 5.0 a) Noto il PM e la molarità si calcolano i grammi di CH3COONa necessari per il volume di soluzione richiesto e quindi si procede alla pesata del sale. b) Sciogliere CH3COONa in un beker contenente un volume d'acqua inferiore all volume richiesto, avendo cura di lavare il piattino che ha ospitato il sale nella fase di pesatura. c) procedere alla taratura del pHmetro con soluzioni a pH noto. d) Aggiungere CH3COOH goccia a goccia sino al raggiungimento del valore di pH richiesto e) Trasferire la soluzione dal beker al matraccio e portare definitivamente a volume con H2O fino a che il livello inferiore del menisco coincide con l'incisione sul collo. Tappare il matraccio e agitare la soluzione. f) Sciogliere e portare a volume anche l’NaOH. g) Versare 25 ml di soluzione tampone o di H2O in un beker e misurate le variazioni di pH in seguito all’aggiunta di alcuni ml di NaOH 0.1 M. Registrate le variazioni di pH ottenute e il volume di NaOH utilizzato. h) Lavare accuratamente la vetreria utilizzando acqua distillata per l’ultimo risciacquo PM CH3COONa = 82.03 PM NaOH = 40

CENTRIFUGAZIONE E’ una tecnica che sfrutta la forza generata da una centrifuga per separare i componenti di una soluzione aventi diversa densità. La centrifugazione permette la separazione di sostanze a diversa densità, come solidi da liquidi e liquidi da liquidi. In un campo centrifugo le particelle possono essere separate poiché sedimentano a velocità diversa a seconda delle diverse caratteristiche di densità, dimensione e forma. Ogni particella sedimenta con una velocità che è proporzionale al campo centrifugo applicato. Ogni particella viene sottoposta ad una forza centrifuga (Fc) in funzione della velocità angolare (w), della distanza della particella dall’asse di rotazione (r) e dalla massa della particella. Fc = m x w2 x r Maggiore è la massa di una particella maggiore è la forza centrifuga cui è sottoposta e quindi la forza che tende a farla sedimentare sul fondo della provetta. Per aumentare la Fc conviene aumentare la w piuttosto di r dal momento che la forza è proporzionale al quadrato di w.

CENTRIFUGAZIONE La velocità di rotazione è espressa come rotazioni per minuto (rpm). Essendo noto il raggio, conoscendo le rpm è possibile risalire alla forza centrifuga. La forza centrifuga relativa (g) che agisce su un grammo di massa, ad una certa velocità di rotazione e ad una certa distanza dall’asse di rotazione è: g = rpm2 x r/89500 La centrifugazione è una tecnica impiegata in laboratorio per purificare complessi macromolecolari, micelle, cellule e grosse strutture cellulari, materiale extracellulare, ecc, in base alla diversa densità di questi rispetto al mezzo in cui sono sospesi o dispersi.

CENTRIFUGAZIONE Di solito il materiale da centrifugare è posto in tubi alloggiati nel rotore di una centrifuga. Il rotore viene fatto girare a velocità elevata (fino a 100 000 giri al minuto) per un certo tempo, sottoponendo così la sospensione a forze centrifughe pari a molte migliaia di volte la forza di gravità, che causano la sedimentazione delle particelle che presentano anche minime differenze di densità rispetto al mezzo in cui si trovano. Da una miscela solitamente si separano due frazioni: il materiale compatto che resta sul fondo, o pellet, e tutto ciò che rimane in sospensione, o surnatante. La centrifugazione in gradiente di densità è una tecnica che permette la separazione di macromolecole o frazioni cellulari per mezzo della loro sedimentazione in un gradiente di densità sotto la spinta della forza centrifuga. Il gradiente può essere preparato prima della centrifugazione mescolando proporzioni diverse di soluzioni aventi diversa densità, oppure può prodursi durante la centrifugazione stessa in presenza di sostanze come cloruro o solfato di cesio.