Dizolvarea

Dizolvarea este procesul în care o substanță se răspândește uniform printre particulele altei substanțe. Amestecul omogen obținut se numește soluție: nu i se văd componentele, nu se depune nimic la fund și are aceeași compoziție în orice punct. Nisipul amestecat cu apă nu formează soluție, pentru că se vede și se depune.

Într-o soluție avem două componente:

• solventul, componenta care dizolvă; în soluțiile apoase solventul este apa;
• solvatul (substanța dizolvată), care se răspândește în solvent. Un gaz, un lichid sau un solid se comportă ca solvat: dioxidul de carbon din sifon, alcoolul din apă, sarea din supă.

În apa sărată, apa este solventul, iar sarea $\mathrm{NaCl}$ este solvatul. Alți solvenți folosiți în laborator și în casă sunt alcoolul, acetona și benzina. Tinctura de iod este iod dizolvat în alcool, iar peștii respiră oxigenul dizolvat în apa râurilor. Ceaiul îndulcit și oțetul (acid acetic în apă) sunt tot soluții.

Nu orice substanță se dizolvă în orice solvent. Regula practică este „asemănătorul dizolvă asemănătorul”. Apa dizolvă sarea și zahărul. Benzina dizolvă grăsimile și iodul, de aceea îndepărtează petele de ulei. Uleiul nu se amestecă cu apa: cele două lichide rămân în două straturi.

Viteza de dizolvare a unui solid crește prin trei metode: agitare, mărunțire (zahărul pudră se dizolvă mai repede decât cubul de zahăr) și încălzire (zahărul se dizolvă mai repede în ceai fierbinte). Gazele se comportă invers: dioxidul de carbon iese din sifonul încălzit.

Dizolvarea este un fenomen fizic: solvatul nu dispare și nici nu se transformă. Masa lui rămâne în soluție, deci $m_{\text{soluție}}=m_{\text{solvat}}+m_{\text{solvent}}$. Dacă apa se evaporă, solvatul rămâne: așa se obține sarea din apa mării în saline.

Exemplu rezolvat. Se dizolvă $12$ g zahăr în $88$ g apă.

1. Masa soluției este $12+88=100$ g.
2. Solventul este apa, iar solvatul este zahărul.
3. Dacă se evaporă toată apa, rămân $12$ g zahăr, nu $100$ g.
4. Pentru $150$ g soluție cu aceleași $12$ g zahăr ar fi necesari $150-12=138$ g apă.

Mecanismul dizolvării unui cristal ionic. Molecula de apă este polară: oxigenul poartă o sarcină parțială negativă, iar hidrogenii una pozitivă. Pentru $\mathrm{NaCl}$, procesul are patru etape:

1. Moleculele de apă se orientează față de ionii de la suprafața cristalului: oxigenul spre $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, hidrogenii spre $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.
2. Atracția dintre ioni și moleculele de apă învinge atracția dintre ionii vecini din rețea.
3. Ionii se desprind și sunt înconjurați de molecule de apă; acest înveliș se numește hidratare (denumirea generală pentru orice solvent este solvatare).
4. Ionii hidratați se răspândesc în tot volumul prin agitație termică.

Ecuația procesului este $\mathrm{NaCl}(\mathrm{s})\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}(\mathrm{aq})$, unde $(aq)$ arată că ionii sunt înconjurați de apă.

Electroliți și neelectroliți. Soluțiile conduc curentul electric numai dacă conțin ioni mobili. Electroliții (sărurile, acizii, bazele) formează ioni în apă. Neelectroliții (zahărul, glucoza, etanolul) se dizolvă ca molecule, deci soluția lor nu conduce curentul.

Exemplu rezolvat: ionii dintr-o soluție de sare. Se dizolvă complet $11,7$ g $\mathrm{NaCl}$ ($M=58,5$ g/mol).

1. Cantitatea de sare este $n=11,7/58,5=0,20$ mol.
2. Un mol de $\mathrm{NaCl}$ dă un mol de $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și un mol de $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, deci rezultă $0,20$ mol $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și $0,20$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, în total $0,40$ mol ioni.
3. Numărul ionilor este $0,40\cdot 6,022\cdot 10^{23}=2,41\cdot 10^{23}$.

Aceeași cantitate de glucoză, $0,20$ mol ($36$ g), dă numai $0,20$ mol molecule, fără ioni.

Exemplu rezolvat: efectul mărunțirii. Un cub de sare cu latura de $1$ cm are suprafața $6\cdot 1^2=6$ $\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2$. Tăiat în $1000$ de cuburi cu latura de $0,1$ cm, suprafața totală este $1000\cdot 6\cdot 0,1^2=60$ $\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2$, de zece ori mai mare. Apa vine în contact cu suprafața cristalului, deci pulberea se dizolvă mai repede, deși masa totală este aceeași.

Dizolvarea substanțelor moleculare. Moleculele polare, de exemplu etanolul ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$, glucoza sau amoniacul, se dizolvă în apă fiindcă grupele lor $-\mathrm{OH}$ sau $-\mathrm{NH}$ formează legături de hidrogen cu moleculele de apă. Moleculele nepolare, de exemplu iodul ${\mathrm{I}}_2$ sau hexanul, nu au astfel de legături cu apa; ele se dizolvă în solvenți nepolari, prin interacțiuni slabe între molecule. Acesta este fundamentul regulii „asemănătorul dizolvă asemănătorul”.

Miscibilitate. Două lichide care se amestecă în orice proporție sunt miscibile: etanolul și apa formează o singură fază. Lichidele care se separă în straturi sunt nemiscibile: uleiul și apa, benzina și apa.

Dizolvare și topire. Topirea este trecerea unei substanțe din starea solidă în starea lichidă, la temperatura ei de topire, fără alt component. Dizolvarea cere un solvent, se produce la orice temperatură și dă un amestec omogen, în care solidul își pierde forma de cristal.

Gazele. Un gaz se dizolvă mai bine la presiune mare și la temperatură mică. Într-o sticlă închisă de apă minerală, dioxidul de carbon este dizolvat sub presiune; la deschidere presiunea scade și gazul iese sub formă de bule.

Particule în soluție. La aceeași cantitate de substanță, numărul particulelor depinde de natura solvatului: $0,10$ mol $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$ dau $0,30$ mol ioni ($0,10$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ și $0,20$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$), iar $0,10$ mol $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3$ dau $0,50$ mol ioni ($0,20$ mol $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$ și $0,30$ mol $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$). Conductibilitatea unei soluții crește cu numărul și cu sarcina ionilor.

Exemplu în format de admitere. Se dizolvă complet în apă $0,10$ mol $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3$. Câți moli de ioni conține soluția? A. 0,20; B. 0,30; C. 0,40; D. 0,50; E. 0,60. Dizolvarea este $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3\to 2A{\mathrm{l}}^{3+}+3S{\mathrm{O}}_4^{2-}$, deci un mol de sare dă $2+3=5$ mol ioni, iar $0,10$ mol dau $0,50$ mol. Răspuns: D.

Dizolvarea cu ionizare. Clorura de hidrogen este covalentă polară; în apă reacționează cu solventul: $\mathrm{HCl}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$. În benzen, solvent nepolar, nu ionizează, deci soluția nu conduce curentul.

Efectul termic. Dizolvarea hidroxidului de sodiu și a acidului sulfuric încălzește soluția, iar a nitratului de amoniu o răcește. La diluarea acidului sulfuric concentrat se adaugă acidul în apă, în fir subțire, sub agitare; apa turnată peste acid fierbe local și stropește.

Masă și volum. Masele componentelor se adună, volumele nu sunt neapărat aditive: $50\mathrm{mL}$ etanol și $50\mathrm{mL}$ apă dau mai puțin de $100\mathrm{mL}$ amestec. De aceea, concentrațiile se calculează cu masa soluției sau cu volumul măsurat în balon.

Dizolvare și reacție. Prin dizolvarea sării în apă, substanța își păstrează natura și se recuperează prin evaporare. Sodiul metalic în apă nu se dizolvă, ci reacționează: $2Na+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2NaOH+{\mathrm{H}}_2\uparrow$.

Greșeli frecvente

• Greșit: Sarea dizolvată a dispărut și nu mai are masă.
  Corect: particulele sunt dispersate în apă, iar masa lor intră în masa soluției.
• Greșit: Zahărul se transformă în ioni la dizolvare.
  Corect: se dispersează sub formă de molecule de zahăr, de aceea soluția nu conduce curentul.
• Greșit: Soluția obținută din $10$ g sare și $100$ g apă are masa de $100$ g.
  Corect: masa soluției este $10+100=110$ g.
• Greșit: Dizolvarea sării în apă este o reacție chimică, fiindcă sarea nu se mai vede.
  Corect: este un fenomen fizic; sarea își păstrează natura și se recuperează prin evaporarea apei.
• Greșit: Uleiul se dizolvă în apă dacă amestecul este agitat suficient.
  Corect: uleiul este nepolar, iar apa este polară; după agitare cele două lichide se separă din nou în straturi.

Înainte și după