Concentrazione di una soluzione

Concentrazione di una soluzione

La concentrazione esprime la quantità relativa dei soluti rispetto al solvente. La concentrazione di un soluto si indica mettendo tra parentesi quadre la formula chimica. Ad esempio [H₂SO₄] si legge 'concentrazione dell'acido solforico'. Esistono diversi modi per esprimere la concentrazione di una soluzione.

1) Percentuale in peso C_(p/p)

E' il rapporto percentuale tra il peso del soluto ed il peso della soluzione (grammi di soluto per 100 g di soluzione)

2) Percentuale in volume C_(v/v)

E' il rapporto percentuale tra il volume del soluto ed il volume della soluzione (ml di soluto per 100 ml di soluzione). Viene spesso utilizzata nelle soluzioni in cui tutti i componenti sono liquidi. La gradazione delle bevande alcoliche è ad esempio espressa come percentuale in volume.

3) Rapporto peso-volume C_(p/v)

E' il rapporto tra il peso del soluto espresso in grammi ed il volume della soluzione espresso in litri (g/L).

4) Frazione molare ()

E' il rapporto tra il numero di moli di soluto ed il numero di moli totali.

5) Molarità (M)

E' il rapporto tra il numero di moli di soluto ed il volume della soluzione espresso in litri. Indica il numero di moli di soluto presenti in un litro di soluzione (mol/L).

6) Molalità (m)

E' il rapporto tra il numero di moli di soluto ed il peso del solvente espresso in kg. Indica il numero di moli di soluto presenti per chilogrammo di solvente (mol/kg)

7) Normalità (N)

E' il rapporto tra il numero di equivalenti di soluto ed il volume della soluzione espresso in litri. Indica quanti equivalenti sono presenti in un litro di soluzione (eq/L).

Un equivalente (eq) o grammo-equivalente o peso-equivalente (P_eq) è una quantità, espressa in grammi, il cui valore dipende dal tipo di sostanza e dal tipo di reazione.

a) Nel caso di una reazione redox il peso-equivalente è il rapporto tra il peso molare della sostanza che si ossida (o si riduce) e il numero di elettroni persi (o acquistati)

Calcoliamo ad esempio il peso equivalente dell'anidride solforosa, nelle seguenti 2 reazioni redox

1) SO₂ + O₂ SO₃

2) SO₂ + Fe₂O₃ FeS₂ + O₂

Nella prima lo zolfo si ossida passando da nox +4 a nox +6 con una perdita di 2 elettroni. Il peso equivalente dell'anidride solforosa sarà quindi in questa reazione

nella seconda lo zolfo si riduce passando da nox +4 a nox -1 con un acquisto di 5 elettroni. Il peso equivalente dell'anidride solforosa in questa seconda reazione sarà dunque

b) nel caso di una dissociazione di un acido (o di una base), il peso-equivalente è il rapporto tra il peso molare ed il numero di ioni H⁺ (o OH^-)

Ad esempio calcoliamo il valore del peso equivalente dell'acido ortofosforico relativamente alle seguenti due reazioni di dissociazione

1) H₃PO₄ 2H⁺ + HPO₄^2-

2) H₃PO₄ 3H⁺ + PO₄^3-

Nella prima in cui si liberano solo 2 ioni H⁺ il peso equivalente vale

Nella seconda in cui si liberano 3 ioni H+ il peso equivalente vale

c) nel caso di una dissociazione di un sale, il peso-equivalente è il rapporto tra il peso molare ed il numero delle cariche positive (o negative) prodotte dalla dissociazione

Calcoliamo ad esempio il peso equivalente del solfato ferrico nella seguente reazione

Fe₂(SO₄)₃ 2Fe³⁺ + 3SO₄^2-

Poiché vengono liberate complessivamente 6 cariche positive (o 6 negative) il peso equivalente risulta

E' evidente che il peso equivalente ha un significato fisico analogo al peso molare. Se il peso molare è una quantità in grammi di una sostanza che contiene un numero di Avogadro di particelle, il peso equivalente è una quantità in grammi di una sostanza in grado di mettere in gioco, a seconda delle circostanze, un numero di Avogadro di elettroni, di ioni H⁺ ( o OH^-) o di cariche ioniche positive (o negative).

Ora, allo stesso modo in cui si calcola il numero di moli (n) facendo il rapporto tra il peso in grammi (W) ed il peso di una mole (P_M), si può calcolare il numero di equivalenti (n_eq) facendo il rapporto tra il peso in grammi di una sostanza ed il peso di un equivalente (P_eq).

Per esemplificare quanto detto calcoliamo la Molarità e la Normalità di 2,3 L di una soluzione contenente 45 g di Cloruro di Magnesio MgCl₂.

Da cui si deduce che per calcolare la Normalità di una soluzione è sufficiente moltiplicare il valore della Molarità per il numero di cariche ioniche (o di elettroni o di ioni H⁺) messe in gioco.

L'uso della Normalità permette di calcolare direttamente le quantità di sostanze che partecipano ai processi chimici senza bisogno di bilanciare la reazione. Infatti è facilmente verificabile che in qualsiasi reazione 1 equivalente di una sostanza reagisce sempre con un equivalente di qualsiasi altra sostanza che partecipi alla reazione.

7) Diluizioni

Diluire una soluzione significa aggiungere una opportuna quantità di solvente in modo da portare la sua concentrazione dal valore iniziale (M_in) al valore finale (M_fin). Per calcolare la quantità di solvente che deve essere aggiunta, si consideri che il processo di diluizione non modifica il numero di moli di soluto contenute nella soluzione. Potremo pertanto scrivere

n_in = n_fin

e ricordando che la molarità è pari a M = n/V e dunque n = MV

M_in V_in = M_fin V_fin

da cui

V_fin = (M_in V_in) / M_fin

e, finalmente, la quantità di solvente da aggiungere sarà

Solvente da aggiungere = V_fin - V_in