Solubilità

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In Chimica si definisce solubilità (o miscibilità) quel fenomeno che avviene durante la formazione di una soluzione chimica in cui il soluto si diffonde nel solvente (fino a raggiungere una concentrazione massima). È una proprietà caratteristica delle sostanze quando sono parzialmente o completamente solubili, tali da formare un’unica fase finale. Il termine solubilità ha due significati:

  1. qualitativo: proprietà di una sostanza di diffondere le proprie molecole in un’altra, in modo da produrre una fase omogenea detta soluzione chimica;
  2. quantitativo: la massima quantità di sostanza che si discioglie in una data quantità di solvente ad una temperatura definita.

La solubilità viene espressa come quantità in unità di concentrazione (in grammi nel caso di solidi e liquidi) o come volume (in litri nel caso di gas) di sostanza disciolta per 1000 g di solvente o di soluzione; si può esprimere anche in moli di soluto per litro di soluzione (molarità).

Variabili che influiscono sulla solubilità

  • La solubilità dipende sempre dalla natura delle sostanze, ma può dipendere anche da temperatura, pressione, interazioni e trasformazioni chimiche e fisiche subite dalle sostanze nel processo.
  • La solubilità di un gas in un liquido dipende dalla temperatura e dalla pressione: infatti diminuisce all’aumentare della temperatura e aumenta, secondo la legge di Henry, all’aumentare della pressione.
  • La solubilità tra due liquidi o tra un liquido e un solido dipende soprattutto dalla loro polarità.
  • Di solito un aumento di temperatura provoca un aumento di solubilità, mentre la pressione non ha un effetto significativo (solidi e liquidi sono praticamente incomprimibili).

L’utilità biologica di molti composti essenziali alla vita dipende da come si comportano con l’acqua (sostanze idrofile e sostanze idrofobe) cioè dal fatto di essere solubili o insolubili, di trasportare o meno (nel caso in cui siano solubili) cariche elettriche.

A seconda dello stato fisico di aggregazione delle sostanze coinvolte nella soluzione è possibile ottenere diversi casi di solubilità: solidi in liquidi, gas in liquidi, solidi in solidi, liquidi in liquidi e gas in gas (sempre solubili uno nell’altro, eccetto il caso in cui siano fortemente compressi).

In generale, a eccezione dei gas (per i quali si ha sempre completa miscibilità in tutte le proporzioni), la solubilità dipende in misura più o meno marcata dalla temperatura, dalla pressione, dall’agitazione meccanica della miscela, dalla natura delle sostanze, da reazioni chimiche secondarie coinvolgenti il soluto, dalla presenza di altre sostanze che, pur non interagendo chimicamente con il soluto, ne aumentano o deprimono la solubilità, dalle interazioni e dalle trasformazioni chimiche e fisiche che subiscono le sostanze stesse all’atto della dissoluzione. Si stabilisce cioè un limite di solubilità oltre il quale ha luogo la formazione di un’altra fase (che può essere il soluto puro o un’altra soluzione) e la soluzione viene detta satura.

Per i sistemi di due soli componenti (sistemi binari) con lacuna di miscibilità esiste una temperatura critica massima, o una minima, oppure entrambe, al di sopra sopra e sotto le quali i componenti sono completamente solubili.

Solubilità dei solidi nei liquidi

Nel caso in cui il soluto sia un solido ed il solvente un liquido, la solubilità dipende sostanzialmente dalla natura del solido e del liquido, dalla temperatura e in minor grado dalla pressione.

Sono solubili in acqua i seguenti solidi:

  • tutti i sali di litio, sodio, potassio e ammonio;
  • i cloruri, i bromuri e gli ioduri (tranne HgI, AgCl, AgBr, AgI, PbCl2 e HgCl);
  • gli acetati (tranne l’acetato d’argento);
  • tutti i nitrati;
  • i sali di bario (tranne BaSO4 e BaCO3);
  • tutti gli idrossidi (tranne quelli di calcio, magnesio e dei metalli di transizione);
  • i solfuri dei metalli alcalini, dei metalli alcalino terrosi e dell’ammonio;
  • i fosfati, i cromati e i carbonati dei metalli alcalini e dello ione ammonio;
  • i solfati, tranne quelli di bario, mercurio, piombo (assolutamente insolubili), calcio e argento (un poco più solubili dei precedenti).

Solubilità dei liquidi nei liquidi

La realizzazione di soluzioni fra due liquidi dipende dal grado di miscibilità che i due liquidi rispettivamente posseggono; infatti si possono verificare tre casi:

  1. il caso di solubilità parziale (anche detta miscibilità parziale, per saturazione della soluzione);
  2. il caso di solubilità completa (o miscibilità completa) se i due liquidi si mescolano in tutte le proporzioni;
  3. il caso di solubilità nulla (non miscibilità);

in generale la temperatura produce un effetto molto sensibile sul fenomeno, mentre la pressione ha un’importanza ridotta.

Spesso mescolando liquidi diversi o raffreddando componenti di due o più composti che solidificano, si possono presentare lacune di solubilità, si ha cioè la parziale miscibilità dei componenti: entro dati rapporti i componenti liquidi o solidi, una volta solidificati, danno luogo ad una sola fase (sono cioè completamente miscibili); al di fuori di tali rapporti i liquidi danno luogo a due fasi liquide ognuna satura (soluzioni coniugate) e i soldi danno luogo a più fasi solide sature.

All’origine dei diversi comportamenti vi è un fattore energetico, legato alle interazioni tra le molecole di soluto e di solvente, che possono essere più o meno forti rispetto a quelle esistenti nelle sostanze pure, e un fattore di tipo entropico, legato alla variazione di disordine molecolare (generalmente un aumento) che accompagna il processo di dissoluzione.

In genere si osserva una solubilità tanto più elevata quanto più simili sono le due specie liquide da un punto di vista strutturale, perché ciò implica che le interazioni tra molecole di soluto e molecole di solvente sono dello stesso ordine di grandezza di quelle esistenti nelle due sostanze pure. Così l’acqua, fortemente polare, è miscibile con l’etanolo in tutte le proporzioni, mentre non discioglie apprezzabilmente gli idrocarburi, costituiti da molecole assai poco polari. La solubilità di un liquido in un altro può venire aumentata, per esempio, dal verificarsi di una reazione chimica che dia vita a un complesso costituito dalle due specie, o dalla formazione di legami di idrogeno (come nel caso acqua-etanolo).

Solubilità dei gas nei liquidi

La solubilità di un gas in un liquido dipende dalla loro rispettiva natura, dalla temperatura e dalle pressioni parziali: la solubilità diminuisce all’aumentare della temperatura, e cresce all’aumentare della pressione (legge di Henry).

La legge di Henry è rigorosamente valida solo in condizioni di estrema diluizione, e perde validità in soluzioni concentrate, dove intervengono interazioni tra molecole di soluto. Essa è valida, inoltre, anche quando sono presenti più gas in soluzione. Se invece il gas interagisce chimicamente con il solvente, la dipendenza della solubilità dalla pressione è più complessa e non esprimibile con una legge generale.

Data la natura delle interazioni tra particelle molecolari e del continuo movimento disordinato, le particelle di un gas, a causa del loro caotico movimento, vengono più frequentemente e facilmente in contatto con quelle superficiali del liquido. Inoltre, poiché non tutte le particelle del gas hanno la stessa energia cinetica, quelle con energia cinetica abbastanza bassa subiscono maggiormente l’attrazione delle particelle superficiali del liquido, rimanendo “invischiate” e disperdendosi tra esse. Tuttavia, alcune particelle di gas, possono riaffiorare e, se possiedono energia cinetica sufficiente, tornano allo stato gassoso.

A temperatura costante, il numero di particelle di gas che nell’unità di tempo sono catturate dalle particelle del liquido, cioè la velocità con cui il gas si scioglie nel liquido, dipende dal numero di urti tra le particelle del gas e quelle superficiali del liquido, ovvero dalla pressione del gas. Viceversa, il numero di particelle del gas che, disperse nel liquido, sfuggono da esso, dipende dalla loro concentrazione.

Quando la velocità di dispersione nel liquido e la velocità di ritorno allo stato gassoso sono uguali, si raggiunge l’equilibrio; la concentrazione di gas nel liquido e la pressione di gas sul liquido rimangono costanti nel tempo; in tali condizioni la soluzione del gas nel liquido si dice satura.

La solubilità dei gas nei liquidi polari, infine, diminuisce all’aumentare della forza ionica della soluzione per effetto sale (effetto osservato negli equilibri di precipitazione, consistente in un aumento della solubilità di un composto poco solubile quando a esso viene aggiunto un forte eccesso di elettrolita).

Solubilità dei gas nei solidi

La solubilità di un gas in un solido è in generale molto ridotta.

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