Una soluzione è un miscuglio omogeneo di due o più componenti presenti in proporzioni variabili. In una soluzione, i singoli componenti non risultano più distinguibili e sono presenti nella medesima composizione in ogni punto.
Le soluzioni possono essere:
- Gassose: una miscela di due gas come ossigeno e azoto mescolati tra loro in maniera omogenea.
- Liquide: come un gas disciolto in un liquido (N2 in acqua), due liquidi come etanolo e acqua perfettamente mescolati, o un solido disciolto in un liquido come NaCl in acqua.
- Solide: come una miscela di due metalli a formare una lega, o un liquido sciolto in un solido.
In una soluzione il componente presente in minore quantità prende il nome di soluto, mentre il componente in maggiore quantità solvente. Il solvente è anche il componente che si trova nella stessa fase della soluzione finale.
Esempio:
Quando sciolgo del sale nell’acqua, il soluto (NaCl) si trova inizialmente in fase solida mentre il solvente è in fase liquida. La soluzione finale sarà una soluzione liquida costituita da acqua con del sale disciolto al suo interno.
Tutte le sostanze si miscelano spontaneamente?
Si consideri una scatola con all’interno due gas separati da un setto. Una volta rimosso il setto, il mescolamento avviene in maniera spontanea a causa del moto disordinato delle molecole (Figura 1). Una volta che il mescolamento è completato, non vi è alcuna possibilità che i gas tornino al loro stato iniziale. Una delle forze motrici presenti in natura e che vale anche per il mescolamento è l’evolversi di tutti i sistemi verso lo stato con maggiore probabilità o lo stato di maggiore entropia.
Figura 1 – Mescolamento spontaneo di due gas una volta rimosse tutte le barriere
Prendiamo in considerazione due specie in fase liquida come etanolo e tetracloruro di carbonio.
Figura 2 – Rappresentazione delle molecole di etanolo (sinistra) e tetracloruro di carbonio (destra).
Come riportato in Figura 2, nella molecola di etanolo è presente un momento di dipolo. I legami a idrogeno rendono le interazioni etanolo-etanolo più forte rispetto a quelle tetracloruro di carbonio-tetracloruro di carbonio, caratterizzate da deboli forze di London.
Per avere un perfetto miscelamento è necessario dapprima che le molecole di soluto si separino l’una dall’altra così come le molecole di solvente. Successivamente, le interazioni soluto-soluto e solvente-solvente devono essere rimpiazzate da interazioni solvente-soluto. Ma questo è possibile solo se il livello di interazione solvente-soluto sia della stessa entità di quello solvente-solvente e soluto-soluto.
Nel caso specifico, una molecola di etanolo si ricombinerà più facilmente con un’altra molecola di Etanolo in quanto in grado di formare un legame più stabile. Pertanto, è possibile concludere il mescolamento è solo tra specie aventi simili livelli di polarità. In poche parole, il simile scioglie il simile.
Acqua-etanolo rappresentano un sistema ideale in quanto l’interazione etanolo-acqua è simile all’interazione tra due molecole di acqua e due molecole di etanolo. Entrambe le molecole presentano momento di dipolo e sono in grado di formare legami a idrogeno.
Un altro esempio di sistema ideale è quello benzene-tetracloruro di carbonio in cui entrambe le molecole interagiscono l’una con l’altra con deboli forze di London.
Il processo di mescolamento spontaneo di due diversi composti è possibile qualora il livello di interazione tra le molecole della medesima specie è uguale al livello d’interazione tra molecole di specie differenti.
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