Solubilità dei gas: temperatura, entalpia, grafici

La solubilità di un soluto in un dato solvente è la massima quantità di soluto in grado di sciogliersi in una determinata quantità di solvente in determinate condizioni di temperatura e pressione.

Nel caso di una soluzione solido liquido  in genere la solubilità aumenta all’aumentare della temperatura . Vi sono casi, tuttavia, in cui un aumento della temperatura non influenza la solubilità e casi in cui un aumento della temperatura diminuisce la solubilità.

Solubilità e aumento della temperatura

Nel caso di una soluzione gas liquido invece un aumento della temperatura provoca un aumento dell’energia cinetica delle molecole gassose che, muovendosi più velocemente, danno luogo alla rottura dei legami intermolecolari con il solvente e, conseguentemente, tendono ad allontanarsi dal solvente.

Tali considerazioni possono essere viste anche con un approccio termodinamico. Per un gas che si solubilizza in un liquido la variazione di entropia è negativa in quanto il soluto in fase gassosa ha un’entropia maggiore rispetto a quella che ha in una soluzione. La solubilizzazione del gas avviene solo se ΔG < 0 si deve quindi verificare che:
ΔG_sol = ΔH_sol – TΔS_sol < 0

Poiché ΔS_sol < 0 si ha che anche TΔS_sol < 0 essendo la temperatura espressa in gradi Kelvin. Affinché ΔG sia minore di 0 si deve allora verificare che ΔH_sol sia minore di zero cosa che si verifica se il processo è esotermico.

Entalpia

Il termine ΔH_sol in generale è dovuto al contributo di tre fattori:

• Rottura dell’attrazione soluto-soluto (processo endotermico ΔH₁>0)
• Rottura dell’attrazione solvente-solvente (processo endotermico ΔH₂>0)
• Costituzione di attrazioni solvente soluto (processo esotermico ΔH₃ <0)

Per i gas ideali ΔH₁>0 e poiché ΔH₃ > ΔH₂ in solventi polari come l’acqua la dissoluzione della maggior parte dei gas è un processo esotermico ovvero quando un gas si solubilizza in un solvente liquido viene rilasciata energia sotto forma di calore. L’equilibrio che rappresenta tale fenomeno può essere scritto come:

soluto_(g) + H₂O_(l) ⇌ soluto _(aq)+ H₂O_(aq) + calore

conseguentemente la solubilità di un gas dipende dalla temperatura come si può vedere dalla figura

La solubilità di un gas diminuisce all’aumentare della temperatura infatti mentre nella fase gassosa le forze di attrazione intermolecolari sono praticamente pari a zero, quando un gas si solubilizza le sue molecole interagiscono con quelle del solvente.

Poiché viene rilasciato calore all’atto della formazione di queste interazioni di tipo attrattivo, la solubilizzazione della maggior parte dei gas è un processo esotermico ovvero ΔH_sol < 0.

Viceversa, l’aggiunta di calore alla soluzione fornisce energia termica che supera le forze attrattive tra il gas e le molecole di solvente. La solubilità del gas così diminuisce e l’equilibrio si sposta a sinistra.

In generale il termine entropico prevale su quello entalpico e pertanto risulta ΔG_sol > 0