ANDIAMO A CAPIRE PIù IN DETTAGLIO gli aspetti teorici e pratici che stanno dietro la Molarità e la molalità, come vengono definite e quali sono le loro applicazioni.
Alla fine dell’articolo trovate i link per gli esercizi
ALCUNI ESEMPI PRATICI
Per uno studente che si approccia alla Chimica per la prima volta il concetto di molarità e molalità molto probabilmente è del tutto nuovo, sono parole non di uso comune e al primo impatto sono strane, non riusciamo ad associarle a niente di famigliare. Continuando lo studio della materia sarà quasi automatico imparare e riuscire a gestire i concetti che stanno dietro a queste parole.
Una grossa fetta degli esperimenti di carattere scientifico si basano su sostanze e di conseguenza nasce il bisogno di quantificare qual è la concentrazione dei vari composti per poter fare un lavoro come si deve. In ogni laboratorio chimico, biologico oppure uno che tratti le scienze della Terra si trovano dei matracci contenenti delle soluzioni con sopra scritta la concentrazione. Ogni ricerca e ogni processo per essere ripetibile sia in laboratorio sia a livello industriale è sviluppato in maniera tale che il personale riesca a sapere esattamente quanto del composto X va mescolato con il composto Y. Questo “quanto” può essere espresso in termini di concentrazione, se facessi reagire quantità a caso di X e Y otterrei un pasticcio che non avrebbe un’applicazione pratica. Mettereste mai per fare una torta 1kg di zucchero e 100g di farina? Direi di no, le quantità sono importanti.
Giusto per citare alcuni usi delle concentrazioni per convincervi della loro utilità:
AMBITO BIOLOGICO
Per farla un po’ tragica immaginiamoci di avere un dolore continuo da qualche giorno alla pancia, consultiamo il medico che ci prescrive delle pastiglie ma comunque il dolore non passa, decidiamo quindi di fare delle analisi del sangue per vedere se tutti i parametri sono nella norma. Arriva il risultato a casa e senza troppe sorprese la quantità delle varie sostanze presenti nel nostro corpo sono espresse secondo una particolare concentrazione.
AMBITO FISICO
La macchina è diventata un oggetto di uso comunque e quotidiano per gli spostamenti. Oltre a dover accelerare, una macchina ha anche bisogno di frenare quando è necessario e per fare questo esiste il liquido dei freni. Questo liquido deve possedere delle caratteristiche fisiche molto particolari, essere cioè incomprimibile. Per ottenerlo si prepara una soluzione a una concentrazione ben specifica, a quella concentrazione specifica si manifestano le proprietà desiderate e ci salva la vita se siamo in macchina.
AMBITO CHIMICO
La plastica ormai è ovunque, e per ovunque intendo proprio in ogni angolo del pianeta dove l’uomo ha messo piedi, per produrre un materiale con così tante applicazioni e usi c’è bisogno che durante la sintesi si controllino in maniera maniacale certi parametri quali Temperatura, Pressione e ovviamente anche la Concentrazione. Se si sbaglia la concentrazione dei reagenti si ottengono delle plastiche non adatte ad esempio per conservare i cibi perchè potrebbero avvelenarci.
Dopo aver capito l’importanza pratica delle concentrazioni andiamo a definire molarità e molalità.
LA MOLARITÀ
La Molarità è la regina delle concentrazioni in Chimica, è quella più usata e calcolarla è veramente facile, anche nella pratica. Prima di vedere il perchè è così facile definiamola:
La molarità è un modo per esprimere la concentrazione di una soluzione e indica la quantità di moli di un composto presente in 1L di soluzione.
M = n \ L
Quello che ci serve a livello di laboratorio per definire la molarità di una soluzione è sapere la quantità in grammi di soluto, ricavo dai grammi le moli. Serve anche sapere il volume totale della soluzione dopo che ho aggiunto il soluto. Per misurare il volume esatto posso prima sciogliere il sale in una quantità piccola di solvente e poi portare il tutto a un volume segnato dallo strumento che sto usando, così da essere il più preciso possibile.
Perchè fare così? Prendiamo un matraccio che segna il volume a 250mL, se riempio di solvente il matraccio fino a 250mL e poi aggiungo il soluto il volume di soluzione sicuramente supererà i 250mL perchè il soluto ha un volume proprio e io non saprò più il valore esatto del volume della soluzione da inserire nella formula. Se sciolgo il soluto in una piccola quantità di solvente e porto il tutto a 250mL sono sicuro di non sbagliare e di ottenere un valore di molarità corretto.
Per eseguire il calcolo nella maniera giusta è necessario che anche le unità di misura siano congrue con la definizione, il Volume bisogna convertirlo in Litri. Spesso per indicare la concentrazione molare di una data sostanza si usa mettere il composto d’interesse tra le parentesi quadre.
[Na+] = concentrazione molare di ioni sodio
Vediamo ora come si applica la formula. Mettiamo caso che ho 0,50moli di un composto, con il metodo di prima sciolgo il composto e il volume finale che ottengo e di 250mL. Per determinare la molarità il calcolo che devo fare è il seguente:
- M = 0,50moli \ 0,250L = 2M
Giusto per dare un’idea delle formule dove è presente la molarità:
- Legge di Lamber-Beer → A = C b ε
- Pressione osmotica → π = i R T C
- Eq. di Nernst → E = Eo – 0,0059 \ n.e- log Creagenti \ Cprodotti
- Legge di azione di massa → K = Creagenti \ Cprodotti
- pH = -log CH+
Come ogni unità di misura anche la Molarità ha i suoi multipli e sottomultipli, esistono perciò contrazioni milimolari e nanomolari, per citare quelle più usate.
LA MOLALITÀ
La sorella della molarità è la Molalità, meno usata della prima ma indubbiamente merita di essere nominata. La definizione di molalità è:
La molalità è un modo per esprimere la concentrazione di una soluzione e indica la quantità di moli di un composto presente in 1kg di solvente.
m = n \ kg
Anche in questo caso andiamo a vedere come si determina fisicamente la molalità di una soluzione. Si pesa una determinata quantità di soluto e da lì si ricavano poi le moli, e il primo termine della definizione è già ricavato. Per determinare la massa del solvente non ci resta che mettere su una bilancia e annotarsi la massa. Una volta che abbiamo ottenuto i dati possiamo mescolare i 2 composti senza tenere conto di nessun volume visto che non è presente nella formula.
Ricordiamoci che la molalità è l’unica definizione di concentrazione che si riferisce alla quantità di solvente e non alla quantità di soluzione.
Se immagino di avere 0,50moli di un soluto e la massa del solvente utilizzato è di 200g per determinare la molalità:
m = 0,50moli \ 0,200kg = 2,5m
Anche in questo caso è necessario convertire le unità di misura per rispettare la definizione.
L’esempio più emblematico dove è presente la molalità nelle formule sono l’innalzamento ebullioscopico e l’abbassamento crioscopico.
- Innalzamento ebullioscopico → ΔTeb = Keb m i
- Abbassamento crioscopico → ΔTcr = Kcr m i
Anche per la molalità esistono i multipli e i sottomultipli.
Domanda
Perchè non si sente mai parlare di kilomolare oppure di megamolale?
IL CONFRONTO
La domanda “perchè si è preferito usare la molarità in quasi tutte le formule e non la molalità?” nasce quasi spontanea, vediamo allora di dare una risposta.
In un laboratorio è molto più pratico sapere quanto volume di una soluzione bisogna prelevare per un esperimento. Come primo vantaggio usando la molarità è facilissimo determinare quante moli di soluto sono presenti nel volume di soluzione che ho prelevato, basta moltiplicate tra loro molarità e volume.
n = M · L
Se ho la molalità il calcolo da fare non è così immediato e siccome la massa della soluzione è data dalla somma della massa di soluto e solvente il calcolo è più lungo da eseguire.
Come secondo vantaggio possiamo immaginare di dover fare una titolazione, è molto più pratico lavorare con burette e matracci che segnino un volume piuttosto che dover sempre andare a pesare il risultato ottenuto, è di maggior immediatezza il volume a livello di praticità.
Esiste una differenza sottile tra molarità e molalità che va sottolineata, la massa di un composto rimane sempre la stessa a qualsiasi variazione di temperatura, quindi la molalità di una soluzione è la stessa sia che la misuri a 1°C sia che la misuri a 100°C. Questo discorso però non è più valido quando si parla di molarità. Sappiamo che i liquidi cambiano di volume in base alla temperatura, per esempio l’acqua ha una densità di 1g\mL solo a 4°C, quindi la molarità cambia di continuo valore perchè cambia di continuo il volume della soluzione al cambiare della temperatura. L’effetto su piccole variazione di temperatura è talmente poco significativo che generalmente non se ne tiene conto. Bisogna però tenerne conto se prepariamo una soluzione a 25°C e andiamo poi a usare quel valore di molarità quando la reazione avviene a 90°C.
IL CONCETTO DI ATTIVITÀ
Per quanto riguarda la molarità il discorso non finisce qui, esiste un altro ruolo che la molarità ricopre in Chimica. Parlerò molto brevemente qui di ATTIVITà ma dedicherò un articolo intero a questo concetto.
Per dare un’idea di cosa sia l’Attività dobbiamo pensare a livello molecolare. Facciamoci dunque piccoli piccoli fino a vedere le molecole, se siamo dentro una soluzione di NaCl cosa vediamo intorno a noi? Vediamo molecole di acqua libere di muoversi e molecole di acqua legate elettrostaticamente agli ioni sodio e cloruro. Finchè la soluzione è molto diluita questi ioni saranno relativamente lontani tra di loro e le loro cariche non interagiranno e possiamo considerarle come entità “libere”. Se però la soluzione è molto concentrata gli ioni cominceranno a sentirsi tra di loro dando delle interazioni, questo sempre dovuto al fatto che sono particelle cariche. Questa interazione fa sì che gli ioni siano “nascosti” in soluzione, cioè non tenderanno a reagire perchè il loro carattere di ione si è molto affievolito e reagiranno meno.
La capacità di uno ione di reagire si chiama Attività, tanto più grande è l’Attività tanto più reattivo è lo ione considerato. Determinare questo parametro non è semplicissimo e ancora aggi facciamo fatica a integrarlo nelle nostre pratiche di laboratorio. Riusciamo però a sfruttare una scorciatoia, se la soluzione è abbastanza diluita, quindi c’è poco soluto, si può approssimare e dire che la reattività degli ioni in soluzione è completa e quindi coincide con la concentrazione Molare. Per questo tutti gli esercizi sulle concentrazioni saranno strutturati sulle molarità e non sulle attività.
Per chi volesse fare pratica con gli esercizi sulle concentrazioni rimando a questi link:
- Esercizi spiegati: FACILE – INTERMEDIO – DIFFICILE
- Esercizi non spiegati: FACILE – INTERMEDIO – DIFFICILE
Risposta
Generalmente è raro incontrare soluzioni che abbiano una molarità superiore a 20, non si pone quindi il problema di usare i multipli. Stesso discorso vale anche per la molalità.
