Sali idrati: tensione di vapore, equilibri, umidità relativa, gesso naturale

I sali idrati sono specie chimiche  che contengono un determinato numero di molecole di acqua di cristallizzazione che fanno parte della struttura. Alcuni sali inglobano, infatti, durante il processo di cristallizzazione, un certo numero di molecole d’acqua combinate in un rapporto definito.

Sali idrati

Esempi di sali idrati, spesso conosciuti con i loro nomi d’uso, sono il solfato di zinco eptaidrato ZnSO₄∙ 7 H₂O noto con il nome di vetriolo bianco, il solfato di calcio semiidrato CaSO₄ ∙ ½ H₂O noto con il nome di gesso di Parigi, il nitrato di calcio tetraidrato Ca(NO₃)₂ ·4 H₂O noto con il nome di salnitro norvegese e il solfato di sodio decaidrato Na₂SO₄ ·10 H₂O noto come sale di Glauber.

Le molecole di acqua presenti nel sale idrato, tuttavia, possono allontanarsi a seconda della temperatura: ad esempio il solfato di calcio pentaidrato può perdere, le sue molecole di acqua il più stadi:
CuSO₄∙ 5 H₂O_(s) → CuSO₄∙ 3 H₂O_(s) + 2 H₂O_(l) alla temperatura di 63°C

alla temperatura di 109°C il solfato di rame triidrato perde due molecole di acqua:
CuSO₄∙ 3 H₂O_(s) → CuSO₄∙ H₂O_(s) + 2 H₂O_(g)
CuSO₄∙ H₂O_(s) → CuSO_4(s) +  H₂O_(g) alla temperatura di 220°C

Per la disidratazione completa del solfato di rame (II) pentaidrato si può definire una costante di equilibrio relativa all’allontanamento delle 5 molecole di acqua:

CuSO₄∙ 5 H₂O_(s)⇌ CuSO_4(s) + 5 H₂O_(g)

dove K_p = 1.14 ∙ 10¹⁰

Equilibrio

Trattandosi di un equilibrio eterogeneo l’unica specie che compare nell’espressione della Kp è H₂O_(g) ovvero:

K_p = 1.14 ∙ 10¹⁰ = p(H₂O)⁵

Pertanto la tensione di vapore del sale idrato è pari alla pressione parziale del vapore acqueo ovvero alla temperatura per la quale è stata calcolata K_p, si ha quindi:

p(H₂O) = (K_p)^1/5 = 102.6 atm

Se il sale idrato è esposto all’aria in cui la pressione parziale del vapore acqueo è inferiore alla sua tensione di vapore l’equilibrio si sposta verso destra.

Si possono calcolare, da dati tabulati, molte informazioni relative a tali equilibri. Ad esempio si può calcolare la K_p relativa a un certo equilibrio e il valore dell’umidità relativa a cui il sale perde l’acqua di idratazione a una data temperatura. Ad esempio si voglia calcolare a quale valore di umidità relativa il solfato di calcio pentaidrato perde la sua acqua di idratazione a 30°C e la relativa costante di equilibrio.

Umidità relativa

Dai dati tabulati si vede che la tensione di vapore per questo sale idrato a 30°C vale 12.5 torr. L’umidità relativa è data dal rapporto tra la pressione del vapore acqueo della miscela in equilibrio con la pressione di equilibrio dell’acqua a quella temperatura che, nel caso in specie, a 30°C vale 31.6 torr.

Pertanto l’umidità relativa è pari a 12.5/ 31.6 = 0.40 ovvero 40% che è l’umidità che si ha se il sale idrato viene posto in un recipiente chiuso contenente aria priva di vapore acqueo.

Per l’equilibrio CuSO₄∙ 5 H₂O_(s)⇌ CuSO_4(s) + 5 H₂O_(g)  si ha K_p = p(H₂O)⁵ = (12.5/760)⁵ = 1.20 ∙ 10^-9

essendo 760 torr la pressione atmosferica.

La perdita di molecole di acqua che avviene a seguito di riscaldamento provoca la rottura del cristallo. Tale fenomeno può essere visto con il solfato di sodio la cui tensione di vapore è sufficientemente alta che supera la pressione parziale del vapore acqueo presente nell’aria quando l’umidità relativa è bassa. Si può notare che la forma dei cristalli del solfato di sodio decaidrato cambia e il sale appare in forma di polvere, fenomeno noto con il nome di efflorescenza.

Gesso

Uno dei sali idrati maggiormente studiati è il gesso naturale di fronte all’azione del calore: su di esso si basa la preparazione del gesso comune ottenuto mediante cottura a temperatura più o meno elevata del gesso naturale.

Riscaldando alla temperatura di 128°C il gesso naturale il cui componente essenziale è il solfato di calcio biidrato si ottiene il solfato di calcio semiidrato noto anche come gesso da presa:

CaSO₄ ∙ 2 H₂O → CaSO₄ ∙ ½ H₂O + 3/2 H₂O

Polverizzato ed impastato con acqua il solfato di calcio semiidrato riprende con facilità l’acqua perduta e avviene dapprima il fenomeno della presa seguita dall’indurimento con formazione di un aggregato cristallino compatto.

A seguito di ulteriore riscaldamento a 163°C il solfato di calcio semiidrato perde tutta l’acqua di cristallizzazione e diventa solfato di calcio anidro solubile e, spingendo la temperatura oltre i 600°C non si ha alcuna modificazione nella composizione chimica ma una trasformazione in solfato di calcio anidro, detto gesso cotto a morte, insolubile che non è più in grado di fare presa.