Soluzioni empiriche in chimica: definizione, tipologie, proprietà ed esempi quotidiani

In chimica, le soluzioni sono generalmente binarie, ovvero composte da due componenti: il soluto e il solvente . Il primo è la sostanza da sciogliere, il secondo il solvente.

Sulla base di ciò, si possono distinguere due tipi di soluzioni: le soluzioni standardizzate e le soluzioni empiriche . Queste ultime sono quelle in cui la quantità di soluto e solvente che possono contenere non viene presa in considerazione in modo quantitativo ed esatto.

Normalmente, nelle soluzioni empiriche, soluti e solventi sono relativi, poiché possono variare semplicemente in base alle quantità; se abbiamo una soluzione con le stesse quantità di entrambi gli elementi, si può assegnare uno qualsiasi dei due nomi a ciascuno, sebbene per convenzione la sostanza presente in proporzione maggiore sia considerata il solvente.

Qual è una soluzione?

Per comprendere appieno il termine " soluzioni empiriche", è necessario sapere cosa sia una soluzione. In chimica, una soluzione è definita come una miscela omogenea , tipicamente composta da particelle più piccole di 10 atomi o da molecole relativamente piccole. Queste soluzioni sono generalmente costituite da due sostanze principali: soluti e solventi.

Una miscela omogenea è una miscela i cui componenti sono distribuiti uniformemente a livello microscopico, in modo che le fasi non siano distinguibili a occhio nudo. Esempi tipici sono l'acqua salata, una bevanda gassata o l'aria che respiriamo (una miscela di diversi gas).

Soluti

I soluti sono le sostanze che si dissolvono in una miscela perché presenti in quantità minore rispetto al solvente. Un soluto può essere un solido, un liquido o un gas, purché possa essere disperso uniformemente nel solvente. Un esempio comune è lo zucchero che si scioglie in acqua.

Solventi

I solventi sono sostanze che dissolvono i soluti; sono presenti in proporzioni maggiori rispetto al soluto stesso. Il solvente fornisce il mezzo in cui le particelle di soluto sono disperse. L'acqua è il solvente più comune nella vita di tutti i giorni ed è nota come solvente universale per la sua capacità di sciogliere un'ampia varietà di sostanze.

Le soluzioni si dividono in due tipologie principali: quelle in cui è possibile determinare la quantità esatta di soluto e solvente in una miscela, dette soluzioni standard ; e le soluzioni empiriche , che non consentono la determinazione precisa della quantità di questi componenti perché non vengono seguiti metodi di misurazione formali.

Cos'è una soluzione empirica?

Le soluzioni empiriche sono miscele in cui la quantità esatta di soluto e solvente non può essere determinata mediante calcoli quantitativi o strumenti di laboratorio. In queste soluzioni, il rapporto tra i due viene stabilito qualitativamente e sulla base dell'esperienza o del giudizio personale, senza ricorrere a unità di concentrazione come molarità, normalità o percentuale.

In una soluzione empirica, possono essere coinvolti diversi stati di aggregazione: i solidi possono essere separati o combinati nei liquidi , i liquidi nei liquidi , i gas nei liquidi e i gas nei gas , con la sostanza presente in maggiore volume che generalmente agisce da solvente e scioglie quella presente in proporzione minore.

Il termine "empirico" si riferisce al fatto che queste soluzioni sono il prodotto della pratica e dell'esperienza di chi le elabora. Sono anche note come soluzioni qualitative perché la descrizione viene fatta utilizzando termini come "una piccola quantità", "molto", "un pizzico" o "un cucchiaio", senza esprimere masse, moli o volumi esatti.

I tempi di dissoluzione variano a seconda di fattori quali temperatura , pressione e natura del soluto . Nel caso di soluzioni gassose, questi fattori determinano in larga misura la capacità del gas di dissolversi nel solvente, aumentando potenzialmente la viscosità o la densità quando la quantità di soluto gassoso è significativa.

È importante notare che le soluzioni empiriche sono comuni nei contesti quotidiani, come case, ristoranti, bar e cucine . Chiunque può prepararle senza una formazione specifica in chimica o l'uso di strumenti di misurazione. Ad esempio, la preparazione di un succo di frutta, di un cocktail o di un latte macchiato sono spesso processi empirici: si aggiunge più o meno a seconda del gusto personale.

Esistono cinque tipi di soluzioni empiriche, classificate in base alle proprietà del solvente e del soluto: diluite , concentrate , sature , insature e sovrassature . Questa classificazione si basa sulla solubilità e sulla quantità di soluto aggiunta al solvente, sebbene in ambito empirico non si utilizzino valori esatti.

Se una miscela contiene entrambe le sostanze allo stato liquido, esse perdono la loro identità di materiali originali e l'unico modo per distinguerle è la quantità presente nella miscela. Questo è un caso molto comune nella preparazione di cocktail, miscele di oli o salse liquide.

Caratteristiche delle soluzioni empiriche

Tra le caratteristiche più rilevanti delle soluzioni empiriche, si possono citare le seguenti:

Di solito vengono preparati in contesti informali come case, bar, caffè, sale da pranzo o cucine industriali, piuttosto che nei laboratori di ricerca.
Possono essere realizzati da qualsiasi persona, senza la necessità di una formazione specifica in chimica o di esperienza nell'uso di materiali volumetrici o bilance.
Sono realizzati per soddisfare esigenze pratiche come cibo, gusto, consistenza o aspetto di alimenti e bevande, piuttosto che per scopi analitici o industriali precisi.
predomina gusto personale, giudizio personale ed esperienza: si aggiunge più o meno soluto a seconda del gusto, del colore, dell'odore o della consistenza desiderati.
Non vengono seguiti né eseguiti metodi di pesatura. calcoli stechiometriciNé per la sua preparazione vengono utilizzate apparecchiature strumentali come pHmetri o burette.
Non vengono generalmente utilizzati materiali volumetrici calibrato; al suo posto si usano cucchiai, bicchieri, brocche, tazze, "pizzichi" con le dita o qualsiasi contenitore di uso quotidiano.
Nei laboratori di routine e di ricerca, il suo utilizzo è infrequenteperché in quel contesto sono necessarie soluzioni standardizzate a concentrazioni note per ottenere risultati riproducibili.
Le soluzioni empiriche più comuni sono solitamente soluti solidi disciolti in liquidi (come lo zucchero nell'acqua) o miscele liquido-liquido (ad esempio, diversi liquori in un cocktail).

Tipi di soluzioni empiriche

Queste tipologie si suddividono in base alla resistenza delle sostanze alla dissoluzione e, soprattutto, alla quantità di soluto presente nella miscela, sempre da un punto di vista qualitativo. Le categorie principali includono le seguenti.

Soluzioni diluite

Si tratta di soluzioni in cui la quantità di solvente è di gran lunga superiore alla quantità di soluto, con conseguente proporzione relativamente piccola di soluto. Sono anche note come soluzioni deboli a causa della ridotta quantità di sostanza disciolta. Un esempio potrebbe essere l'aggiunta di un cucchiaino di zucchero al caffè caldo, che si scioglierà molto rapidamente grazie alla quantità di solvente.

Nell'approccio empirico, una soluzione diluita si riconosce da caratteristiche quali un sapore delicato , un colore tenue o una bassa densità apparente . Ad esempio, un succo preparato con pochissimo concentrato di frutta e molta acqua viene percepito come leggero e non molto dolce.

Soluzioni concentrate

Si tratta di soluzioni che presentano una grande quantità di soluto rispetto alla quantità di solvente nella miscela. Questo può anche essere interpretato come la quantità massima di sostanza che si scioglie nella quantità di solvente ritenuta appropriata da chi prepara la soluzione. Un esempio potrebbe essere quando si sciolgono 10 grammi di sale in mezzo litro d'acqua, oppure quando si aggiunge una grande quantità di zucchero alla limonata fino a renderla molto dolce.

È importante notare che, in termini empirici, non esiste un confine preciso tra soluzioni diluite e concentrate; la distinzione si basa su criteri qualitativi, come gusto, colore, viscosità o densità percepita. Una persona potrebbe considerare concentrata una bevanda che un'altra percepisce come piacevolmente dolce.

Soluzioni insature

Queste soluzioni sono caratterizzate da una concentrazione di soluto inferiore alla quantità massima che il solvente può sciogliere in specifiche condizioni di temperatura e pressione. In altre parole, è ancora possibile sciogliere ulteriore soluto senza che si formi un precipitato. Empiricamente, si tratta di soluzioni in cui, aggiungendo altro soluto, questo continua a sciogliersi senza problemi. Un esempio potrebbe essere 30 grammi di sale in 2 litri d'acqua.

Soluzioni sature

Le soluzioni sature sono l'esatto opposto delle soluzioni insature, poiché contengono la quantità massima di soluto che la soluzione può trattenere in determinate condizioni di pressione e temperatura. Quando una soluzione diventa satura, non si dissolve più soluto , creando un equilibrio dinamico tra il soluto disciolto e quello non disciolto. Nell'osservazione pratica ed empirica, si nota che, per quanto la soluzione venga agitata, una parte del soluto rimane sul fondo del recipiente.

Soluzioni sovrasature

Queste soluzioni contengono una quantità di soluto persino maggiore rispetto alle soluzioni sature nelle stesse condizioni. Generalmente si ottengono aumentando la temperatura del solvente in modo che possa sciogliere una quantità di soluto superiore al normale, e quindi raffreddando la miscela senza agitarla. L'unico modo per mantenere il soluto in eccesso disciolto è quello di preservare le condizioni raggiunte; con il raffreddamento o altre modifiche, gran parte del soluto può ritornare al suo stato originale e cristallizzare.

Le soluzioni sovrasature sono instabili e, al minimo urto o movimento improvviso, o all'introduzione di un cristallo di soluto, diventano rapidamente soluzioni sature, con il soluto in eccesso che precipita. Questo fenomeno è molto evidente negli esperimenti di laboratorio e nella produzione di caramelle e dolciumi cristallizzati.

Proprietà della soluzione

Le soluzioni possiedono molte proprietà, ma una delle più importanti è la solubilità , ovvero la quantità di soluto che, a una data temperatura, può sciogliersi in un solvente fino al raggiungimento dell'equilibrio. Ogni composto ha un proprio livello di solubilità, che dipende da fattori quali la sua natura chimica e quella del solvente.

Nel contesto delle soluzioni, esistono anche altre proprietà associate sia al soluto che al solvente. Per il soluto, queste includono la conduttività elettrica (nel caso degli elettroliti), la pressione di vapore e l'effetto sul punto di congelamento o di ebollizione della soluzione. Per il solvente, vengono studiate proprietà come il punto di ebollizione , il punto di fusione e la costante dielettrica.

A livello microscopico, affinché si formi una soluzione omogenea, deve esserci una certa attrazione tra le molecole del soluto e del solvente che superi le sole forze di attrazione tra le molecole del soluto. Ciò provoca la dispersione delle particelle di soluto che, a loro volta, si legano alle particelle di solvente, creando un sistema uniforme.

Un esempio classico è quello dell'acqua e dello zucchero. Quando si mette un cucchiaio di zucchero in un bicchiere d'acqua, questo si scioglie perché le molecole d'acqua sono abbastanza forti da interagire con le molecole di zucchero , scomponendo la struttura cristallina dello zucchero e circondando ogni particella disciolta. Il risultato è un liquido uniforme in cui i cristalli di zucchero non sono più visibili a occhio nudo.

Anche il modo in cui vengono preparate molte soluzioni empiriche (agitazione, riscaldamento, macinazione del soluto) influenza la velocità di dissoluzione . Macinare un soluto solido in particelle fini o aumentare la temperatura del solvente di solito accelera il processo, anche quando non vengono effettuate misurazioni quantitative.

Come vengono elaborate le soluzioni empiriche?

Nella preparazione di soluzioni empiriche, prevalgono le preferenze personali e le esigenze pratiche . La quantità di soluto e di solvente dipende dal giudizio di chi prepara la miscela, senza ricorrere a pesate esatte o misurazioni volumetriche precise.

In questo tipo di soluzioni, le unità di misura formali sono inesistenti . Invece di grammi o millilitri, si usano espressioni come "un cucchiaino di sale", "un goccio di latte", "un pizzico di zucchero" o "due dita di liquore", che sono chiaramente empiriche perché non esprimono la concentrazione in termini di massa esatta o numero di moli presenti.

I materiali utilizzati per preparare soluzioni empiriche sono altrettanto informali: cucchiai, tazze, bicchieri, brocche, manciate o piccole quantità prese con le dita. Questi contenitori sono privi di un indicatore di volume graduato, quindi due persone possono preparare miscele diverse anche utilizzando la stessa "misura" apparente.

Nonostante questa mancanza di precisione, molte persone raggiungono una notevole riproducibilità empirica attraverso la pratica: possono, ad esempio, preparare lo stesso tipo di caffè o lo stesso cocktail con un sapore molto simile in numerose occasioni, basandosi unicamente sull'esperienza sensoriale.

Esempi quotidiani di soluzioni empiriche

Le soluzioni empiriche sono una presenza costante nella vita di tutti i giorni. Alcuni esempi aggiuntivi, oltre a quelli presentati in seguito, sono:

Preparazione del cocktailSebbene siano indicate le quantità di liquore e degli altri ingredienti, in pratica queste vengono solitamente variate in base al gusto di chi prepara il drink o di chi lo consuma.
Preparazione di torte e pasticciniMescolare uova, farina, latte, zucchero e olio in quantità che spesso vengono regolate al momento per ottenere la consistenza desiderata.
Salse e stufatiLa quantità di sale, spezie, brodo o acqua viene regolata in base al sapore desiderato, senza pesare gli ingredienti o effettuare misurazioni precise.
Succhi e frullatiLa proporzione di polpa di frutta, acqua, latte o ghiaccio viene modificata per rendere il composto più denso, più leggero, più dolce o più acido.
Infusi e tèAggiungere "un cucchiaio" o "una manciata" di erbe aromatiche all'acqua calda, ma la quantità varia da persona a persona.

8 esempi che aiutano a determinare soluzioni empiriche

Quando si prepara un café con lecheIl caffè, essendo un solido (sia in chicchi interi che macinato, da cui si estrae l'aroma), è considerato il soluto, mentre il latte, essendo un liquido, funge da solvente. A seconda della quantità di latte o caffè aggiunta, la miscela risulterà più chiara o più scura, senza che sia possibile misurare con precisione il rapporto tra i due ingredienti.
Cioccolato e acquaIl cioccolato (in polvere o fuso) è il soluto e l'acqua è il solvente. L'intensità del sapore dipenderà dalla quantità di cioccolato disciolto, un chiaro esempio di soluzione empirica.
Quando viene sottoposto a una soluzione acqua e ariaLa nebbia o la foschia si ottiene quando piccole goccioline d'acqua disperse nell'aria formano un sistema in cui il gas funge da mezzo di dispersione.
Vernice e diluentePer rendere la pittura a olio più facile da usare, è necessario diluirla con un solvente. La quantità di diluente da aggiungere dipende dalla consistenza desiderata; non esiste una dose precisa.
acqua insaponataIn questa soluzione, l'acqua funge da solvente e il sapone da soluto. Questo può anche servire da esempio di soluzione insatura o concentrata, a seconda della quantità di sapone aggiunta.
Caffè con acquaQuando si prepara il caffè filtrato o istantaneo con l'acqua, si genera un'altra soluzione empirica, in cui l'acqua funge da solvente e la quantità di caffè viene regolata a piacere.
acqua zuccherataLo zucchero è la sostanza da sciogliere e l'acqua è il solvente. La dolcezza della miscela dipende dalla quantità aggiunta empiricamente.
Acqua con succhi artificialiQueste bevande sono prodotti disidratati che funzionano come una sorta di zucchero aromatizzato. Il loro funzionamento è simile a quello dell'esempio precedente: si regola la quantità di polvere "a occhio" per ottenere il sapore desiderato.

Questa serie di esempi dimostra come, nella vita di tutti i giorni, si preparino costantemente soluzioni empiriche in cui non si utilizzano valori o concentrazioni precise, ma si sfruttano intuitivamente le proprietà di solubilità, gusto, colore e consistenza.