Soluții și concentrația soluțiilor

Elevii învață despre dizolvare, tipuri de soluții și calculul concentrației procentuale și molare.

Soluția, dizolvantul și dizolvatul

O soluție este un amestec omogen din două sau mai multe substanțe. Omogen înseamnă că are aceleași proprietăți în orice punct: oricât te-ai uita la un pahar cu apă cu sare, nu vezi bucăți de sare, iar orice picătură are aceeași compoziție.

O soluție are două componente:

• dizolvantul (solventul) — substanța care dizolvă, aflată de obicei în cantitate mai mare; cel mai frecvent este apa, numită și dizolvantul universal
• dizolvatul (solvatul) — substanța care se dizolvă, aflată în cantitate mai mică

De aici prima relație de care ai nevoie în toate problemele:

masa soluției = masa dizolvatului + masa dizolvantului, adică ms = md + mapă

Soluțiile nu sunt neapărat lichide. Aerul este o soluție gazoasă (azot cu oxigen și alte gaze), iar aliajele, cum sunt alama sau oțelul, sunt soluții solide.

Este important să deosebești soluția de alte amestecuri: în amestecurile eterogene componentele se văd sau se separă (apa cu ulei, apa cu nisip), pe când soluțiile rămân limpezi și nu se separă la repaus.

Este dizolvarea un fenomen fizic sau chimic? Programa cere exact această discuție. Răspunsul: dizolvarea este, în general, un fenomen fizic, pentru că substanța dizolvată poate fi recuperată nemodificată prin evaporarea apei — sarea rămâne sare. Există totuși argumente că nu este pur fizică: la dizolvare se degajă sau se absoarbe căldură (NaOH încălzește apa, azotatul de amoniu o răcește), iar volumul final nu este exact suma volumelor. De aceea, formularea corectă la teze este că dizolvarea este un fenomen preponderent fizic, cu unele aspecte chimice.

Solubilitatea și factorii care o influențează

Solubilitatea este cantitatea maximă de substanță care se poate dizolva în 100 g de dizolvant, la o anumită temperatură. Este o mărime caracteristică fiecărei substanțe.

După cât dizolvat conțin, soluțiile se împart în:

• nesaturate — mai pot dizolva substanță
• saturate — conțin cantitatea maximă posibilă la acea temperatură; orice adaos suplimentar rămâne nedizolvat pe fundul vasului
• suprasaturate — conțin, în condiții speciale, mai mult decât maximul obișnuit; sunt instabile

După cantitatea de dizolvat raportată la dizolvant, în limbaj curent, soluțiile se numesc diluate (puțin dizolvat) sau concentrate (mult dizolvat).

Factorii care influențează solubilitatea:

• natura substanțelor — regula practică este că „asemănătorul dizolvă asemănătorul”: sarea și zahărul se dizolvă în apă, uleiul nu
• temperatura — pentru solide, solubilitatea crește cu temperatura (de aceea zahărul se dizolvă mult mai bine în ceai fierbinte); pentru gaze, solubilitatea scade cu temperatura
• presiunea — influențează practic doar gazele: solubilitatea lor crește cu presiunea

Cele două comportamente opuse ale gazelor explică fenomene familiare. O sticlă de apă carbogazoasă este îmbuteliată sub presiune; când o deschizi, presiunea scade și CO2 iese sub formă de bule. Dacă o lași la soare, se încălzește și își pierde și mai repede gazul. Tot de aceea peștii suferă în apa caldă a râurilor poluate termic: apa fierbinte ține mai puțin oxigen dizolvat.

Factorii care influențează doar viteza de dizolvare, nu și solubilitatea — o distincție cerută la teste:

• mărunțirea substanței (suprafață de contact mai mare)
• agitarea soluției
• încălzirea

Atenție: agitarea și mărunțirea fac dizolvarea mai rapidă, dar nu permit dizolvarea unei cantități mai mari decât maximul. O soluție saturată rămâne saturată oricât ai amesteca.

Concentrația procentuală masică

Concentrația procentuală masică (c%) arată câte grame de dizolvat se găsesc în 100 g de soluție. Formula, care trebuie știută pe de rost:

c% = (md / ms) · 100

unde md este masa dizolvatului, iar ms masa soluției.

Cel mai important detaliu, cel care produce majoritatea greșelilor: la numitor se pune masa soluției, nu masa apei. O soluție de 20% înseamnă 20 g de substanță în 100 g de soluție, adică 20 g de substanță și 80 g de apă — nu 20 g de substanță în 100 g de apă.

Din formula de bază se obțin celelalte două forme:

• md = (c% · ms) / 100
• ms = (md · 100) / c%

Problemă rezolvată 1: Se dizolvă 20 g de sare în 180 g de apă. Care este concentrația?

• ms = 20 + 180 = 200 g
• c% = (20 / 200) · 100 = 10%

Problemă rezolvată 2: Ce masă de zahăr se află în 250 g de soluție de concentrație 8%?

• md = (8 · 250) / 100 = 20 g

Problemă rezolvată 3: Ce masă de apă trebuie adăugată la 15 g de sare pentru a obține o soluție de 25%?

• ms = (15 · 100) / 25 = 60 g de soluție
• masa apei = 60 − 15 = 45 g

Ultima problemă arată tiparul cel mai des întâlnit la evaluare: ți se cere masa apei, nu a soluției, iar răspunsul se obține abia după scădere. Elevii care se opresc la 60 g pierd punctajul, deși toate calculele erau corecte.

O verificare care prinde imediat erorile: concentrația nu poate depăși 100%, iar masa dizolvatului nu poate fi mai mare decât masa soluției.

Diluarea, concentrarea și amestecarea soluțiilor

Aceste trei operații apar constant în probleme, iar cheia lor este una singură: urmărește ce se schimbă și ce rămâne constant.

Diluarea înseamnă adăugarea de apă. Se schimbă masa soluției, dar masa dizolvatului rămâne aceeași — nu ai adăugat substanță, ci doar apă. Concentrația scade.

Problemă: La 200 g soluție 15% se adaugă 100 g apă. Care este noua concentrație?

• masa dizolvatului: md = (15 · 200) / 100 = 30 g, și rămâne 30 g
• noua masă a soluției: 200 + 100 = 300 g
• noua concentrație: (30 / 300) · 100 = 10%

Concentrarea se poate face în două feluri: prin adăugare de dizolvat (crește și md, și ms) sau prin evaporarea apei (md rămâne constant, ms scade). În ambele cazuri concentrația crește.

Problemă: Din 300 g soluție 10% se evaporă 100 g de apă. Care este noua concentrație?

• md = 30 g, neschimbat, pentru că se evaporă doar apa
• ms nou = 300 − 100 = 200 g
• c% = (30 / 200) · 100 = 15%

Amestecarea a două soluții de concentrații diferite: se adună separat masele de dizolvat și separat masele de soluție.

Problemă: Se amestecă 100 g soluție 20% cu 300 g soluție 4%.

• dizolvat din prima: (20 · 100) / 100 = 20 g
• dizolvat din a doua: (4 · 300) / 100 = 12 g
• total dizolvat: 20 + 12 = 32 g; total soluție: 100 + 300 = 400 g
• concentrația finală: (32 / 400) · 100 = 8%

Verificarea de bun-simț, care se aplică la orice problemă de amestecare: rezultatul trebuie să fie între cele două concentrații inițiale. 8% este între 4% și 20%, deci este plauzibil. Dacă îți iese 25%, sigur ai greșit undeva — concentrațiile nu se adună și nu se mediază direct, decât dacă masele sunt exact egale.

Soluțiile în viața de zi cu zi și în laborator

Concentrația nu este o noțiune de școală, ci un lucru cu care lucrezi zilnic, chiar dacă nu o numești așa.

În medicină: serul fiziologic este o soluție de NaCl de concentrație 0,9%, apropiată de cea a lichidelor din corp — de aceea nu deteriorează celulele. Perfuziile cu glucoză sunt tot soluții de concentrație precis stabilită, iar o eroare de concentrație într-un medicament poate fi periculoasă. Alcoolul sanitar este o soluție de alcool de 70%, concentrație aleasă anume, pentru că dezinfectează mai bine decât alcoolul pur.

În alimentație: oțetul din comerț are 9% acid acetic; siropurile, saramurile pentru murături și soluțiile de zahăr pentru dulcețuri au concentrații care hotărăsc dacă alimentul se conservă sau nu. Concentrația mare de sare sau de zahăr împiedică dezvoltarea microbilor — acesta este principiul conservării.

În agricultură: soluțiile pentru stropit, cum este zeama bordeleză cu sulfat de cupru, se prepară la o concentrație precisă. Prea diluată nu are efect, prea concentrată arde frunzele.

În natură: apa mării are aproximativ 3,5% săruri dizolvate; apa minerală conține săruri de calciu și de magneziu; oxigenul dizolvat în apa râurilor este cel care ține peștii în viață.

În laborator, prepararea unei soluții de concentrație dată urmează pași fixați:

• calculezi masa de dizolvat și masa de apă necesare
• cântărești substanța la balanță
• măsori apa cu cilindrul gradat
• dizolvi amestecând, eventual încălzind ușor

O ultimă precizare care se cere la itemii de siguranță: la prepararea soluțiilor de acizi concentrați se adaugă întotdeauna acidul în apă, niciodată invers, din cauza căldurii degajate la dizolvare. Este aceeași regulă de la capitolul acizilor și se verifică des la examen.

Test — 6 întrebări ca la examen