Soluzioni Ideali di un Soluto Non Volatile (Solido) Proprietà Colligative (delle soluzioni) • Le proprietà colligative dipendono solo dal numero delle particelle di soluto e non dalla loro natura. • Alcune proprietà colligative sono ØAbbassamento della tensione di vapore ØInnalzamento ebulloscopico ØAbbassamento crioscopico ØPressione Osmotica Tensione di vapore A causa delle interazioni tra solvente e soluto (non volatile), per le molecole di solvente è più dificoltoso (energeticamente) evaporare, Tensione di vapore Quindi la tensione di vapore di una soluzione è più bassa di quella del solvente puro. Legge di Raoult PA = XAP°A dove • XA frazione molare di A (solvente) • P°A tensione di vapore di A puro alla stessa temperatura Abbassamento della Tensione di Vapore PA = XAP°A PA = (1-XB)P°A ΔP = PA -P°A= -XBP°A (abbassamento relativo) Innalzamento Ebulloscopico ed Abbassamento Crioscopico Le interazione fra soluto non volatile e solvente determinano anche l’innalzamento della temperatura di ebollizione e l’abbassamento di quella di congelamento. ΔP Innalzamento del punto di ebollizione Proporzionale alla molalità m della soluzione: ! ΔTb = Kb m ! dove Kb , costante ebulloscopica,è una proprietà del solvente. ΔTb > 0 temperatura di ebollizione > temperatura normale di ebollizione! ! Abbassamento del punto di congelamento ΔTf = - Kf m ! Kf costante crioscopica (del solvente) ΔTf < 0 temperatura di congelamento < temperatura Innalzamento Ebulloscopico ed Abbassamento Crioscopico ΔT non dipende da chi è il soluto ma solo dal numero di moli disciolte (molalità) ΔTb = Kb m ! ! ΔTf = - Kf m Osmosi • Alcune sostanze formano membrane semipermeabili, che consentono il passaggio di alcune sostanze mentre altre vengono bloccate. • Nei sistemi biologici la maggior parte delle membrane semipermeabili consente il passaggio delle molecole di acqua mentre le particelle di soluto non passono. Osmosi Nella osmosi, avviene uno spostamento netto del solvente dalla soluzione a minor concentrazione (del soluto) verso la soluzione a maggior concentrazione (del soluto). Pressione Osmotica • La pressione necessaria per fermare l’osmosi si dice pressione osmotica, π, n π=( V )RT = MRT dove M è la molarità della soluzione Quando la pressione osmotica è la stessa da entrambe le parti della membrana (stessa concetrazione) le soluzioni si definiscono isotoniche. Jacobus Henricus van 't Hoff Rotterdam (1852) - Steglitz (1911) Premio Nobel per la Chimica 1901 Osmosi nelle Cellule Sanguigne • Quando la concentrazione del soluto è maggiore fuori della cellula che dentro la soluzione si definisce ipertonica. ! • L’acqua esce dalla cellula, che si contrae. Osmosi nelle Cellule • Quando la concentrazione del soluto al di fuori della cellula è minore che all’interno la soluzione si definisce ipotonica. ! • L’acuqa entra nella cella ed avviene l’ emolisi (distruzione della cellula). Proprietà colligative di Elettroliti NaCl(s) à Na+(aq) + Cl-(aq) 1 mole/kg ! à 1 mole/kg 1 mole/kg K2SO4(s) à 2K+(aq) + SO4=(aq) 1 mole/kg à 2 moli/kg 1 mole/kg Molarità totale 2 moli/kg ! 3 moli/kg Ai fini delle proprietà colligative occorre considerare la concentrazione effettiva (totale) di tutti gli ioni in soluzione. A che temperatura congela una soluzione di preparata sciogliendo (a)0.5 moli di alcool etilico C2H5OH in 2 L di acqua? (b)0.5 moli di NaCl? (c)0.5 moli di K2SO4? (Kf=0,52) 0.2 g di XCl2 (X metallo alcalino terroso) vengono sciolti in acqua generando 50.0 mL di una soluzione a 300 °C. Si misura una pressione osmotica pari a 1.695 atm. Chi è X ? 09:09 18 Gas in Soluzione Gas in Soluzione • La solubilità cresce con la massa molecolare. • Le molecole più grandi hanno forze intermolecolari maggiori. Gas in Soluzione • La solubilità di solidi e liquidi non dipende molto dalla pressione esterna. • La solubilità di un gas in una soluzione liquida dipende direttamente dalla sua pressione. Legge di Henry P=kx ! • x è la frazione molare del gas in soluzione; • k è la costante di Henry per quel gas in quel solvente; (vedi P0 della l.d. Raoult) • P è la pressione del gas sopra la soluzione. Temperatura • La temperatura ha un effetto opposto sulla solubilità dei gas: ØLe bevande gassate contengono più gas se mantenute in frigorifero. ØI laghi caldi contengono meno O2 disciolto rispetto a quelli più freddi. Soluzioni di Due Liquidi Volatili 09:09 24 Soluzioni di Due Liquidi Volatili A + B → soluzione di A e B ΔH = 0 (soluzione ideale) ΔG < 0 (sempre) Legge di Raoult: PA = PA0 XA François-Marie Raoult (1830-1901) ! PB = PB0 XB 09:09 25 XA + XB = 1 ! PA = PA0 xA PA PB ! PB = PB0 xB PA0 PB ! Ptot=PA+PB 1 ! Soluzioni ideali Ptot 0 PB0 PA XA XB 0 1 ΔH=0 09:09 26 Pideale=PA+PB (ΔH=0) PA Se ΔH > 0 soluzione A+B meno stabile di A e B separati ! A e B evaporano meglio in soluzione PA0 Preale Pideale PB 1 PB PB0 PA XA 0 ! Preale>Pideale 09:09 27 Pideale=PA+PB (ΔH=0) PA Se ΔH < 0 soluzione A+B più stabile di A e B separati ! A e B evaporano meno in soluzione PB Pideale Preale PA0 PB 1 PB0 PA XA 0 ! Preale<Pideale 09:09 28 PB0 Liquido Dalton Raoult Ptot PA0 1 Vapore se XA 0 T=costante 09:09 29 Distillazione PA PB Liquido PB0 condensazione PA0 evaporazione Vapore 1 XA 0 T=costante 09:09 30 Raffinazione del petrolio operazioni eseguite sul grezzo, dopo averlo separato da acqua e fanghiglia per decantazione in vasche, al fine di ottenere i prodotti tecnologicamente desiderati di tipo fisico Distillazione a pressione atmosferica o sotto vuoto suddividono il grezzo in una serie di frazioni più semplici (vari tipi di oli) di tipo chimico Cracking termico, catalitico e Reforming provocano variazioni nella natura chimica e quindi nelle caratteristiche fisiche di parte dei costituenti del grezzo Distillazione del petrolio “topping”: frazionamento del grezzo in 4 frazioni principali Oli leggeri: distillano fino a 180-200°C (gas di petrolio – benzine) Oli lampanti: distillano fra 180-260°C (cherosene – petrolio di solvente) Oli medi: distillano fra 260-320°C (gasolio – oli per Diesel) Oli pesanti: distillano oltre 320°C (olio combustibile e per lubrificanti) Nella raffinazione del petrolio non ci può mai limitare al solo “topping”: oltre al frazionamento del grezzo è necessario alterare la natura chimica del materiale Cracking Hydrocracking... ! ..... ! Desulfurazione Carburanti combustibili liquidi o gassosi che, mescolati con aria, formano una miscela esplodente utilizzabile nei motori a scoppio BENZINE: miscele liquide di idrocarburi (da 4 a 12 atomi di C), di solito saturi, aventi caratteristiche tali da poter essere utilizzate per azionare motori a combustione interna a ciclo Otto. Densità = 0,7 – 0,8 kg/L ! Potere calorifico inferiore = 10000 – 11000 kcal/kg ! Potenziale termico ≈ 900 kcal/Nm3 ! Alta volatilità (elevata tensione di vapore e bassa T ebollizione) ! Devono essere infiammabili (bassa T minima per esplodere con aria a contatto di una fiamma) ! Devono avere potere antidetonante (evitare la detonazione, cioè la propagazione del fronte di fiamma dell’ordine delle migliaia di metri al secondo) Potere antidetonante – numero di ottano Per definire il potere antidetonante di una benzina la si confronta con miscele in proporzioni variabili di due idrocarburi: CH3 CH3-(CH2)5-CH3 n-eptano CH3-C-CH2-CH-CH3 CH3 CH3 N.O. = 0 2, 2, 4 – trimetilpentano (isottano) (detona con facilità) N.O. = 100 (minima tendenza a detonare) Numero di Ottano (N.O.) = % in volume di isottano in una miscela isottanon-eptano che detona in modo uguale alla benzina in esame Potere antidetonante – numero di ottano Benzine attuali NO=95 ANTIDETONANTI: sostanze che possono essere impiegate per aumentare il numero di ottano. ! piombo tetraetile (CH3CH2)4Pb! benzene (C6H6)! toluene (C7H8) (n° di ottano ≥ 100)! MTBE (CH3OC4H9) (metil-t-butiletere, n° di ottano = 118)! metanolo CH3OH! etanolo CH3CH2OH! ! Per i motori alimentati ad alcool (metanolo o etanolo), è l'acqua l'additivo antidetonante più comune. Si consideri una miscela di A con xA=0.30 e B con xB=0.70. Alla temperatura T= 20 °C si ha PA0=0,300 atm e PB0=0,200 atm. La pressione totale in equilibrio sulla soluzione vale PTOT = 0,250 atm. La soluzione è ideale ? Durante il mescolamento si libera o si assorbe calore ? 09:09 37 Si consideri una miscela di benzene (C6H6) con xB=0.33 e toluene (C7H8) con xT=0.67. Alla temperatura T= 20 °C si ha PB0=76 mmHg e PT0=22 mmHg. Quanto vale la pressione in equilibrio sulla soluzione. Qual è la composizione della fase vapore? Se essa viene prelevata e rapidamente condensata in un nuovo recipiente e lasciata evaporare nuovamente a T= 20 °C , quanto vale la composizione della nuova fase vapore? 09:09 38
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