5.1 Soluţii moleculare

Soluţiile moleculare sunt sisteme disperse în care mărimea particulelor fazei dispersate este mai mică decât 10Å, ceea ce corespunde dimensiunilor majorităţii moleculelor.

Soluţiile sunt formate dintr-un mediu de dispersie (aflat de cele mai multe ori în cantitatea cea mai mare) numit dizolvant sau solvent şi una sau mai multe faze dispersate numită dizolvat, substanţă dizolvată sau solvat. Dacă dizolvantul este apa, soluţiile se numesc soluţii apoase.

Proprietatea unei substanţe de a se dizolva într-un anumit solvent se numeşte solubilitate. Solubilitatea substanţelor este influenţată de natura lor, de temperatură, de presiune, de natura dizolvantului.

Dizolvarea este un fenomen fizic care constă în divizarea substanţei dizolvate până la molecule sau ioni, împrăştierea acestora printre moleculele dizolvantului şi stabilirea unor legături între particulele substanţei dizolvate şi moleculele dizolvantului prin fenomenul numit solvatare, respectiv hidratare dacă solventul este apa, Fig. 5.1. Pentru desfacerea reţelelor cristaline şi pentru transformarea în ioni se consumă energie (E₁) pe când în procesul de solvatare se degajă energie (E₂). În funcţie de relaţiile dintre valorile acestor energii, fenomenul de dizolvare poate fi:

-         exoterm (E₁ < E₂ ); dizolvarea este defavorizată de creşterea temperaturii (dizolvarea în apă a NaOH, H₂SO₄ ş.a.)

-         endoterm (E₁ > E₂); dizolvarea este favorizată de creşterea temperaturii (dizolvarea în apă a NH₄Cl, NH₄NO₃, KNO₃ ş.a.)

-         nuloterm (E₁ = E₂); dizolvarea nu este influenţată de temperatură (dizolvarea NaCl, KF în apă).

Natura forţelor de solvatare este determinată de natura şi de polaritatea substanţei dizolvate - care poate fi corelată cu tipul reţelei cristaline –precum şi de natura dizolvantului. Ca urmare a acestei proprietăţi, compuşii ionici sau compuşii  puternic polari se dizolvă în solvenţi polari, prin stabilire de legături ion-dipol sau dipol-dipol cum se petrece la dizolvarea în apă a NaCl, KI, KNO₃. Substanţele nepolare sau slab polare, cu reţea cristalină moleculară, se dizolvă în solvenţi nepolari. Între moleculele substanţei dizolvate şi moleculele solventului se stabilesc forţe de atracţie de tip van der Waals; este cazul dizolvării în benzen a naftalinei, parafinei şi a altor hidrocarburi.

Substanţele cu reţea atomică cum sunt borul, siliciul, diamantul şi grafitul nu se dizolvă în nici un solvent pentru că nici unul nu poate desface legăturile chimice covalente care unesc atomii în reţea. Din acelaşi motiv polimerii reticulaţi (tridimensionali) nu se dizolvă.

Creşterea temperaturii defavorizează dizolvarea gazelor în apă. Solubilitatea gazelor (X_i) creşte proporţional cu creşterea presiunii gazului (P_I), factor de proporţionalitate fiind o constantă, numită constanta lui Henry, K_H (Legea lui Henry):

                                                                                                          (5.1)

Legea lui Henry nu se aplică gazelor care reacţionează cu solventul (dizolvarea SO₂, SO₃, CO₂ în apă).

O serie de substanţe se separă din soluţiile apoase cu un număr de molecule de apă, formând cristalohidraţi: CuSO₄^.5H₂O, FeSO₄^.7H₂O, Na₂CO₃^.10H₂O, ş.a.

Unele substanţe anhidre, ca de exemplu CaCl₂, Co(NO₃)₂ lăsate în aer, absorb vaporii de apă din atmosferă trecând în cristalohidraţii corespunzători: CaCl₂^.6H₂O, Co(NO₃)₂^.6H₂O. Substanţele care au această proprietate se numesc substanţe higroscopice. Alte substanţe, chiar şi cristalohidraţii, absorb apă până se transformă în soluţii manifestând proprietatea de delicvescenţă. Acestea sunt substanţele delicvescente (NaOH, CaCl₂^.6H₂O, Co(NO₃)₂^.6H₂O)

Cristalohidraţii bogaţi în apă, ca de exemplu Na₂CO₃^.10H₂O, Na₂SO₄^.10H₂O, lăsaţi în aer, cedează o parte din apa de cristalizare, transformându-se în pulberi. Fenomenul se numeşte eflorescenţă şi substanţele se numesc eflorescente.

Cantitatea de substanţă dizolvată într-o cantitate de soluţie sau într-o cantitate de dizolvat se numeşte concentraţia soluţiei.

Cantitatea maximă de substanţă, exprimată în grame, care se poate dizolva în 100g de dizolvant, la o anumită presiune şi temperatură, se numeşte coeficient de solubilitate.

Soluţiile concentrate sunt soluţiile care conţin o cantitate mare de substanţă dizolvată, apropiată de cea corespunzătoare coeficientului de solubilitate. O soluţie în care cantitatea de substanţă dizolvată este corespunzătoare  coeficientului de solubilitate se numeşte soluţie saturată. O soluţie care s-a obţinut dintr-o cantitate de dizolvat care depăşeşte cantitatea corespunzătoare coeficientului de solubilitate se numeşte soluţie suprasaturată. Excesul de substanţă rămâne nedizolvat iar soluţia de deasupra acestuia are concentraţia egală cu cea de saturaţie.

Soluţiile diluate sunt soluţiile în care cantitatea de substanţă dizolvată este mult mai mică decât cea corespunzătoare coeficientului de solubilitate.

Există şi perechi solvent – solvat pentru care valoarea coeficientului de solubilitate este foarte mică; solvaţii în cauză se numesc substanţe greu solubile în solventul investigat. Astfel, calcarul (CaCO₃) este greu solubil în apă, sarea de bucătărie (NaCl) este greu solubilă în benzen etc.