Le soluzioni gassose sono costituite da due o più gas diffusi l’uno nell’altro e l’esempio più comune di soluzione gassosa è l’aria.
Una soluzione è un miscuglio omogeneo costituito da una sola fase in cui le proprietà come la concentrazione e la densità sono distribuite in modo uniforme.
Una soluzione è definita ideale quando gode delle seguenti proprietà:
1) Non vi è interazione energetica tra le molecole delle diverse specie
2) A pressione e a temperatura costante vi è una entropia di mescolamento che contribuisce all’entropia totale
3) Le soluzioni ideali sono diluite e quindi la concentrazione del solvente è molto maggiore rispetto a quella del soluto
Vi sono diversi tipi di soluzioni tra cui quelle contenenti almeno un gas di cui se ne esamineranno le proprietà.
Soluzioni gassose
Le soluzioni gassose sono costituite da due o più gas che si mescolano liberamente in quanto i gas sono miscibili in tutte le proporzioni. La loro miscelazione non comporta variazioni energetiche ma si verifica un aumento di entropia in quanto ogni molecola occupa e condivide lo spazio e l’energia delle altre
I solidi e i liquidi possono formare una soluzione con un gas ma solo in misura minima: l’energia necessaria ad allontanare tra loro le molecole in fase liquida o in fase solida è infatti in genere troppo alta e non è compensata dalla maggior entropia che esse hanno nel volume maggiore della soluzione.
Soluzioni di gas in liquidi
I gas si dissolvono in misura minima nei liquidi: le molecole gassose hanno infatti un minore grado di libertà di movimento nel volume del solvente che, se risulta essere piccolo, provoca la compressione del gas. Ciò implica una diminuzione dell’entropia del gas che non è compensata dall’aumento di entropia dovuta al mescolamento del soluto e del solvente. Si verifica quindi una limitazione della solubilità dei gas nei liquidi.
La conseguenza della diminuzione di entropia quando un gas si mescola a un liquido è che la solubilità del gas diminuisce all’aumentare della temperature. Tale fenomeno è atipico in quanto in genere l’aumento della temperatura porta all’aumento della solubilità di un soluto.
Portando all’ebollizione una soluzione di un gas in un liquido si ha l’allontanamento del gas.
Per comprendere come un gas si sciolga in un liquido, con il quale non reagisca, è utile ricorrere ad un modello che consideri il gas e il liquido come un insieme di particelle in continuo movimento. In un gas, le particelle sono distanti e interagiscono molto debolmente, si muovono in modo disordinato in tutte le direzioni urtandosi tra loro, avvicinandosi e allontanandosi le une dalle altre; occupando, in ogni caso, tutto lo spazio a loro disposizione.
In un liquido, le particelle interagiscono maggiormente e, pur muovendosi anch’esse in modo disordinato, rimangono vicine tra loro. Le particelle del gas, a causa del loro caotico movimento, vengono frequentemente in contatto con quelle superficiali del liquido. E, poiché non tutte le particelle del gas hanno la stessa energia cinetica, quelle con energia cinetica abbastanza bassa subiscono 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. Si verifica che la velocità con cui il gas si scioglie, 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.
Legge di Henry
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.
Tuttavia, quando varia la pressione del gas, come avviene ad esempio quando si stappa una bibita gasata, si turba l’equilibrio: il numero delle collisioni tra le particelle del gas e quelle del liquido varia, facendo variare di conseguenza la concentrazione del gas in soluzione; il numero di particelle di gas che tornano allo stato gassoso è allora differente da quello delle particelle di gas catturate dal liquido.
In definitiva a temperatura costante, la solubilità di un gas in un liquido diminuisce al decrescere della pressione; viceversa la solubilità di un gas in un liquido aumenta al crescere della pressione.
Per pressioni che non oltrepassano certi limiti è valida la legge di Henry:
A temperatura costante, la solubilità di un gas che si scioglie in un dato volume di solvente è direttamente proporzionale alla pressione parziale del gas in equilibrio con la soluzione:
[gas]= K Pgas
In cui [gas] = concentrazione del gas (in molarità, frazione molare, ecc.) nella fase liquida
Pgas = pressione parziale del gas sopra la soluzione espressa in mm Hg o Torr
K = costante di proporzionalità che dipende dalla natura del gas, dalla natura del solvente e dalla temperatura
La legge di Henry non può essere applicata ai gas come HCl e NH3 che reagiscono con il solvente mentre è verificata anche nei casi di miscugli di gas sopra un liquido, ciascuno dei quali si scioglie proporzionalmente alla propria pressione parziale.
La solubilità dell’ammoniaca in acqua a 0°C è di 90 g/L; tale quantità è molto rilevante infatti poiché 90 g di NH3 corrispondono a circa 5.3 moli si ha che a 0°C il volume corrispondente è di 22.4 L/mol ∙ 5.3 mol = 119 L.
Ciò implica che in 1 L di acqua si sciolgono 119 L di ammoniaca ;pertanto quando l’ammoniaca è sciolta in acqua si ha uno sviluppo di calore. L’alta solubilità dell’ammoniaca in acqua è imputata alla formazione di legami a ponte di idrogeno.