Solução (química)

Em química , uma solução é uma mistura homogênea (consistindo em uma única fase ) resultante da dissolução de um ou mais soluto (s) ( espécies químicas dissolvidas) em um solvente . As moléculas de soluto (ou íons) são então solvatadas e dispersas no solvente.

Solução líquida

A solução líquida é o exemplo mais conhecido. Uma solução que tem água como solvente é chamada de solução aquosa . É possível colocar em solução:

um líquido no outro: limitado pela miscibilidade dos dois líquidos;
um sólido em um líquido: limitado pela solubilidade do sólido no solvente, além da qual o sólido não está mais dissolvido. Isso é então referido como uma solução saturada;
um gás em um líquido.

Solução sólida

Uma solução sólida corresponde a uma mistura de várias substâncias puras .

Solução em um gás

Raramente falamos de uma “solução” para um gás. Uma mistura gasosa costuma ficar homogênea após um curto período de tempo, devido à agitação térmica (ver os artigos Movimento browniano e Difusão ), mas pode haver estratificação na presença de um campo gravitacional se a altura do recipiente for importante.

Coexistência de fases

Uma solução pode ser:

saturado: em uma dada temperatura e pressão, uma solução saturada é uma solução que não pode mais dissolver o soluto;
insaturado: uma solução insaturada é uma solução que pode dissolver mais soluto, nas condições do sistema;
supersaturada : uma solução supersaturada é aquela que contém uma quantidade maior de soluto dissolvido do que aquela que corresponde ao limite de saturação.

Proporção de fases e concentração

Deixe-me ser componentes. A concentração do componente pode ser expressa de várias maneiras, incluindo frações e concentrações:

Frações : uma fração é a razão de duas quantidades do mesmo tipo, a quantidade do numerador que se aplica a um constituinte do sistema e a do denominador à soma das quantidades de todos os constituintes do sistema. Quando aplicadas a misturas, as frações podem ser de três tipos:
- a fração molar x i (sem unidade ou% mol), que é a razão entre o número n i de moles de i sobre o número total n de moles ;
  ${\ displaystyle x_ {i} = {\ frac {n_ {i}} {n}} = {\ frac {n_ {i}} {\ sum _ {j = 1} ^ {l} n_ {j}}} }$
- a fração de massa w i (sem unidade ou% m), que é a razão entre a massa m i de i e a massa total m .
  ${\ displaystyle w_ {i} = {\ frac {m_ {i}} {m}} = {\ frac {m_ {i}} {\ sum _ {j = 1} ^ {l} m_ {j}}} }$
- a fracção de volume V i (não há unidades ou% vol), que é a relação entre o volume do componente i do a soma dos volumes de todas as componentes utilizados para fazer esta mistura : . ${\ displaystyle \ sum _ {j = 1} ^ {l} v_ {j}}$ $V_ {i} = {\ frac {v_ {i}} {\ sum _ {{j = 1}} ^ {l} v_ {j}}}$

Concentrações : uma concentração é uma quantidade que caracteriza a composição de uma mistura em relação ao seu volume V :
- a concentração molar c i (mol·L -1 ), a relação entre o número de moles de Eu e o volume de líquido :; ${\ displaystyle c_ {i} = {\ frac {n_ {i}} {V}}}$
- a concentração de massa ρ i , relação entre a massa de ie o volume do líquido :; ${\ displaystyle \ rho _ {i} = {\ frac {m_ {i}} {V}}}$
- a fração de volume (chamada de “concentração de volume” no caso de soluções ideais ) V i ; no caso de uma mistura de líquidos, o volume v i de i dividido pelo volume total V : . ${\ displaystyle V_ {i} = {\ frac {v_ {i}} {V}} = {\ frac {v_ {i}} {\ sum _ {j = 1} ^ {l} v_ {j}}} }$

No caso de um gás, usamos:

a pressão parcial P i , que é a contribuição da fase i para a pressão total P ;
a fração volumétrica (sem unidade ou% vol), que é, nas condições de pressão e temperatura estabelecidas, o volume v i que a fase i representaria isoladamente sobre o volume total; no caso dos gases ideais , que pode ser facilmente mostrado que a percentagem em volume é igual à pressão parcial dividida pela pressão total P : . ${\ displaystyle V_ {i} = {\ frac {v_ {i}} {V}} = {\ frac {P} {P_ {i}}}}$

Existem várias outras maneiras de expressar composição ou concentração:

molalidade ;
classificação em “partes para” ;
CH ou DH: diluição C entesimal ou D ecimal, H ahnemaniana (reservada para homeopatia ).

Solução diluída, atividade

Uma solução diluída é chamada de caso de solução para a qual a quantidade de solutos é muito menor que a quantidade total da solução. Se denotarmos o solvente pelo índice s , podemos, portanto, usar as seguintes aproximações:

n \ simeq n_ {s}

, , ;

{\ displaystyle x_ {i} \ simeq {\ frac {n_ {i}} {n_ {s}}}}

{\ displaystyle x_ {s} \ simeq 1}

m \ simeq m_ {s}

, , .

{\ displaystyle w_ {i} \ simeq {\ frac {m_ {i}} {m_ {s}}}}

{\ displaystyle w_ {s} \ simeq 1}

Para soluções líquidas:

{\ displaystyle c_ {i} \ simeq {\ frac {n_ {i}} {v_ {s}}}}

, c s é o inverso do volume molar do solvente;

{\ displaystyle \ rho _ {i} \ simeq {\ frac {m_ {i}} {v_ {s}}}}

, ρ s é a densidade do solvente;

v \ simeq v_ {s}

, ,

V_ {i} \ simeq {\ frac {v_ {i}} {v_ {s}}}

V_ {s} \ simeq 1

No caso de uma solução diluída, o potencial químico é uma função afim do logaritmo da fração molar, para uma temperatura fixa:

em solução líquida ; ${\ displaystyle \ mu _ {i} (P, T) = \ mu _ {i} ^ {0} (T) + RT \ cdot \ ln (x_ {i})}$
solução de gás . ${\ displaystyle \ mu _ {i} (P, T) = \ mu _ {i} ^ {0} (T) + RT \ cdot \ ln (P_ {i})}$

Caso a solução não seja diluída (ou no caso do gás, em alta pressão, quando a aproximação do gás ideal não pode mais ser feita ), deve-se utilizar a atividade química a i :

{\ displaystyle \ mu _ {i} (P, T) = \ mu _ {i} ^ {0} (T) + R \ cdot T \ cdot \ ln (a_ {i})}

no caso de uma solução líquida, a i = γ i · x i onde γ i é o coeficiente de atividade de i ; o estado de referência é o líquido puro i ;
no caso de uma solução gasosa, a i = ƒ i / P i onde ƒ i é a fugacidade ; o estado de referência é líquido i puro gás ideal.

Esta é a abordagem de um ponto de vista “químico”: partimos do que bem medimos (volume, massa, etc. ). Do ponto de vista termodinâmico, começamos por definir a atividade, depois estabelecemos que no caso de soluções diluídas:

para um líquido, a atividade de um soluto é aproximadamente igual à sua concentração molar (líquido) e a atividade do solvente é igual a 1;
para um gás, a atividade do soluto é a pressão parcial na atmosfera, um gás com uma pressão parcial de uma atmosfera tem uma atividade de 1;
para um sólido, a atividade vale 1.

Solução ideal

Do ponto de vista da termodinâmica , uma solução de fase (gasosa, líquida ou sólida), em P e T , é ideal se cada um de seus constituintes atender à lei de Lewis e Randall (1923) com base em fugacidades : $\ phi$

{\ displaystyle f_ {i} ^ {\ phi, id} (P, T, z) = z_ {i} .f_ {i} ^ {\ phi, *} (P, T)}

com:

$P$ pressão total da mistura;
$T$ temperatura da mistura;
$z_ {i}$ fração molar do componente i ;
${\ displaystyle f_ {i} ^ {\ phi, id}}$ fugacidade do componente i na solução ideal ;
${\ displaystyle f_ {i} ^ {\ phi, *}}$ fugacidade do componente puro i , no mesmo P , T e fase da solução ideal. $\ phi$

Referências

(em) " fração " Compêndio de Terminologia Química [ " Livro de Ouro "], IUPAC 1997, corrigido versão online (2006-), 2 ª ed.
(em) " volume de fração " Compêndio de Terminologia Química [ " Livro de Ouro "], IUPAC 1997, corrigido versão online (2006-), 2 ª ed.
(em) " Concentração " Compêndio de Terminologia Química [ " Livro de Ouro "], IUPAC 1997, corrigido versão online (2006-), 2 ª ed.