sostanze e miscugli - ISISS Valle Seriana

ISISS “Valle Seriana” Gazzaniga
Chimica
Sostanze e
miscugli
S. Bontempelli
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Chimica
Introduzione all’osservazione scientifica
(1)
Gli oggetti che abbiamo attorno a noi e con cui abbiamo a che fare tutti giorni sono detti
genericamente corpi e sono costituiti da materia.
In generale per materia si intende tutto ciò che possiede una certa massa e che occupa un certo
volume.
Il compito dei chimici è quello di studiare la materia, come è fatta(composizione e struttura) e
come si trasforma(reazioni chimiche). Come prima cosa si può vedere che molto spesso i corpi
sono costituiti da particolari tipi di materia, i materiali, che presentano proprietà che li
caratterizzano e li contraddistinguono. Per fare un esempio una caraffa può essere fatta di vetro o di
plastica: l’uso è lo stesso e anche alcune proprietà, come per esempio la capacità, tuttavia i materiali
che le costituiscono sono diversi e ben distinguibili.
Il punto di partenza di ogni lavoro scientifico è una attenta osservazione dei corpi e dei fenomeni
che li riguardano. Per fare questo, è sempre necessario identificare e definire con precisione ciò che
si sta studiando, indagando, distinguendo il sistema dall’ambiente:
sistema:
è quella porzione di materia che viene studiata(può essere costituito da un singolo
corpo o da un insieme di corpi, non sempre delimitato fisicamente)
l’ambiente: indica tutta la materia che non costituisce il sistema.
Il sistema può interagire con l’ambiente con modalità diverse:
• se il sistema può scambiare materia ed energia con l’ambiente si parla di sistema aperto;
• se il sistema può scambiare solo energia ma non materia si parla di sistema chiuso;
• se il sistema non può scambiare ne materia né energia si parla di sistema isolato.
Per studiare un sistema è necessario descriverlo, individuarne le caratteristiche e le proprietà,
effettuare delle osservazioni. Le osservazioni possono essere di due tipi:
1. le osservazioni qualitative che si fanno ricorrendo semplicemente ai nostri sensi;
2. le osservazioni quantitative che si effettuano mediante una misurazione per le quali è
indispensabile uno strumento di misura.
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Stati di aggregazione
(2)
Un modo molto semplice per classificare i corpi è quello che si basa sul loro aspetto fisico,
utilizzando una proprietà che possiamo valutare con i nostri sensi: lo stato di aggregazione. Gli
stati di aggregazione della materia della materia sono fondamentalmente tre: stato solido stato
liquido e stato aeriforme.
I corpi solidi sono caratterizzati da una forma e da un volume ben definiti.
I corpi liquidi hanno un volume ben definito ma assumono la forma del recipiente che li contiene.
I corpi aeriformi(gas e vapori) occupano tutto la spazio a disposizione e quindi hanno la forma e il
volume del contenitore.
I tre stati aggregazione sono il risultato dei diversi gradi di libertà che caratterizzano le
particelle(atomi o molecole) che costituiscono il corpo.
Nello stato solido le particelle costituenti sono molto vicine, hanno posizione reciproca fissa e non
possono spostarsi.
Nello stato liquido le particelle che costituiscono i corpi sono molto vicine tra loro e sono libere di
scorrere le une sulle altre; la distanza media tra le particelle, però è sempre al stessa.
Le particelle che costituiscono i corpi allo stato aeriforme hanno grande libertà di movimento e la
distanza tra loro è enormemente più grande delle dimensioni delle particelle stesse.
Gli stati di aggregazione solido e liquido sono detti stati condensati della materia, in quanto le
particelle non possono essere ulteriormente avvicinate. Ciò spiega la incomprimibilità di solidi e
liquidi, cioè il fatto che materiali che si trovano in uno stato condensato, anche se fortemente
compressi, non modificano significativamente il proprio volume.
I corpi liquidi e i gas sono detti fluidi i quanto le loro particelle possono muoversi: i fluidi non
hanno una forma propria e questo consente di trasportarli facilmente attraverso condutture.
I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei
(3)
La materia può essere distinta in omogenea ed eterogenea. Per esempio l’acqua contenuta in un
bicchiere è visibilmente uniforme: in particolare, ogni piccola porzione ha lo stesso colore e la
stessa densità di qualsiasi altra parte. Queste sono chiamate proprietà intensive. Siccome tutte le
parti dell’acqua hanno le stesse proprietà intensive, non sono distinguibili l’una dall’altra e sono
fisicamente delimitate dal bicchiere, diremo che il sistema è costituito da una sola fase.
Si dice fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata che ha
proprietà intensive uniformi.
Se l’acqua contenuta nel bicchiere è piena di bollicine gassose, presenta sabbia sul fondo o uno
strato oleoso in superficie, non ha le stesse proprietà intensive in ogni parte: il colore o la densità ,
infatti variano se la parte considerata è acqua anziché gas, sabbia oppure olio. Diremo che il
contenuto del bicchiere è costituito da due distinte fasi, cioè che il sistema è eterogeneo.
Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo; un sistema costituito da due o
più fasi è detto eterogeneo.
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Le sostanze pure e i miscugli
(4)
La materia può anche essere suddivisa in due categorie: le sostanze pure e i miscugli. Sia le
sostanze pure che i miscugli possono essere omogenei ed eterogenei
Le sostanze pure
(5)
Secondo il linguaggio comune , l’acqua potabile, il latte e l’aria che respiriamo in alta montagna
sono puri; quindi la parola purezza è sinonimo di “non contaminato”, ma in chimica l’aggettivo
puro assume un significato più preciso. Quando un chimico afferma che un corpo è puro vuol dire
che esso è formato da una sola sostanza.
Un sistema è puro solo se è formato da una sola sostanza
L’acqua distillata è pura perché è acqua al 100%. L’acqua di rubinetto non è pura, perché vi sono
disciolte altre sostanze(Sali minerali); infatti sul fondo del recipiente dopo evaporazione rimane un
residuo bianco(“calcare”).
L’idea di sostanza pura è un’astrazione: tutte le sostanze reali, infatti sono più o meno impure. Le
impurezze, tuttavia non sono sempre indesiderabili. Per esempio, il silicio, un semiconduttore usato
nei circuiti elettronici è una delle sostanze più pure. In realtà, il silicio è puro al 99.9999%, ma le
sue straordinarie proprietà sono dovute alle impurezze che contiene.
Un sistema formato da una sola sostanza non è sempre un sistema omogeneo. A 0°C l’acqua
distillata si trova in parte in fase solida(ghiaccio) e in parte in fase liquida; il sistema è pertanto
fisicamente eterogeneo. Anche se è costituito da una sola sostanza, cioè è chimicamente omogeneo,
il sistema presenta due fasi ben distinte
I miscugli
(6)
I sistemi costituiti da due o più sostanze sono i miscugli (o miscele); anche i miscugli possono
essere omogenei ed eterogenei
Tab. Differenze tra sistemi omogenei e sistemi eterogenei
Definizione
Sostanza
Miscuglio
Sistema omogeneo
È costituito da una sola Acqua
pura,
oro, Acqua di rubinetto,sale
fase
cloruro di sodio puro
marino, acciaio, leghe
metalliche
Sistema eterogeneo
È costituito da due o Acqua pura e ghiaccio
più fasi
Acqua e sabbia, legno,
granito, latte, marmo,
fumo, nebbia
Se prendiamo del sale da cucina e lo sciogliamo completamente in acqua, avremo un miscuglio
omogeneo. I grani di sale, infatti non saranno più visibili, neanche al microscopio. Tutte le zone del
miscuglio avranno le stesse proprietà intensive(colore, densità, ..), cioè costituiranno una singola
fase. Anche acqua e alcol formano un miscuglio omogeneo. A tali miscugli diamo il nome di
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s ol uz i oni .
Un miscuglio omogeneo di due o più sostanze è chiamato soluzione. Il materiale più
abbondante del miscuglio è il solvente, mentre i materiali meno abbondanti si
chiamano soluti.
Esistono anche miscugli eterogenei: qui le differenti parti(fasi) sono visibili al microscopio o
addirittura a occhio nudo, come nel caso dei minerali che costituiscono il granito.
Un miscuglio eterogeneo è costituito da componenti chimicamente definiti e da fasi
fisicamente distinguibili
I materiali a noi noti per la maggior parte non sono sostanze singole, ma miscugli più o meno
complessi di sostanze diverse. Il latte è un classico esempio di miscuglio eterogeneo.
Apparentemente il suo aspetto è uniforme; l’osservazione al microscopio, invece rivela l’esistenza
di piccole goccioline di grasso, immerse in un liquido trasparente. Il fatto che sia opaco dimostra la
sua eterogeneità.
Le soluzioni non sono soltanto liquide, come acqua e sale oppure acqua e zucchero. Esistono anche
soluzioni gassose: l’aria che respiriamo, per esempio, è un miscuglio omogeneo di azoto, ossigeno
e altri gas in percentuali minori.
L’acciaio, il bronzo e le altre leghe metalliche sono invece esempi di soluzioni solide.
Tab. Confronto tra miscugli omogenei e eterogenei
Miscugli eterogenei
Miscugli omogenei
ogni componente mantiene le proprie
caratteristiche e ciò permette di
individuarlo anche se ben mescolato
i componenti si mescolano così bene
che perdono alcune proprietà e non
sono più distinguibili
le proprietà non sono uguali in tutti i
punt i
le proprietà sono le stesse in qualunque
punto del miscuglio
i componenti possono essere mescolati
in qualsiasi quantità e proporzione
non sempre i componenti possono
essere mescolati in qualunque quantità
e proporzione
I miscugli eterogenei tra fasi differenti
(7)
I miscugli eterogenei possono presentare aspetti assai diversi al variare dello stato di aggregazione
dei costituenti.
La schiuma è un tipico esempio di miscuglio costituito dalla dispersione di un gas in liquido(fase
dispersa gas; fase disperdente liquido). Una soluzione saponosa si trasforma in schiuma insufflando
aria con una cannuccia; allo stesso modo, la panna montata ha incorporato una certa quantità di aria
formando una schiuma.
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La nebbia è un miscuglio eterogeneo acqua aria formato da minuscole goccioline d’acqua disperse
e sospese nell’aria, come anche le nubi (fase dispersa liquido; fase disperdente gas).
Il fumo invece, è un miscuglio eterogeneo di un solido in un gas(fase dispersa solido; fase
disperdente gas); il fumo che esce dai camini, è costituito in buona parte, da particelle finissime di
carbonio disperse in aria.
L’emulsione è un miscuglio tra due o più liquidi immiscibili tra loro(fase dispersa liquido; fase
disperdente liquido); agitandoli energicamente si formano minuscole goccioline difficilmente
separabili. La maionese è un esempio di emulsione ottenuta agitando olio e tuorlo d’uovo.
I colloidi sono speciali miscugli
(7)
La distinzione fra miscugli omogenei ed eterogenei non è netta. Esiste, infatti una classe di
materiali, a cui si dà il nome di colloidi, che presenta caratteristiche intermedie tra quelle dei due
miscugli.
I colloidi sono sospensioni di grandi particelle, con diametro compreso tra 1 e 100nm, in un
solvente; l’insieme delle particelle costituisce la fase dispersa, il solvente è la fase disperdente.
A prima vista i colloidi appaiono miscugli omogenei e, per questo motivo vengono considerati
”pseudo-soluzioni”. È possibile evidenziare la differenza tra soluzioni e colloidi utilizzando un
intenso raggio di luce. Quando il raggio attraversa una soluzione non dà effetti visibili perché le
particelle di soluto sono troppo piccole per deviare il raggio; in una dispersione colloidale, invece il
raggio viene deviato dalle particelle della parte dispersa e compare perciò una luminosità diffusa. A
tale fenomeno si dà il nome di effetto Tyndall.
Se la fase disperdente, liquido o gassosa prevale su quella solida si ha un sol (fase dispersa solido;
fase disperdente liquido o solido)). Se invece prevale la fase solida si ha un gel (fase dispersa
liquido; fase disperdente solido)).
Sono colloidi il citosol delle cellule, l’albume delle uova, la gelatina( acqua in una matrice di
proteine), i budini, le caramelle gommose.
I passaggi di stato
(8)
Le sostanze e i materiali possono passare, per effetto delle variazioni di temperatura o di pressione
da uno stato fisico a un altro. Nella figura sono riportati i possibili passaggi di stato e le loro
denominazioni.
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Fornendo calore a un cubetto di ghiaccio(solido), alla temperatura di 0°C, esso si trasforma in acqua
(liquido); questo passaggio è chiamato fusione. Riscaldando l’acqua si ottiene vapor d’acqua; il
passaggio di stato dalla fase liquida a quella di vapore è chiamata evaporazione.
Alcune sostanze solide, per riscaldamento si trasformano direttamente in vapore senza passare per
lo stato liquido. Questo processo è denominato di sublimazione. Fra le sostanze che sublimano vi
sono la naftalina e alcuni prodotti usati come antitarme. Anche la neve sublima: alle basse
temperature presenti in alta montagna, infatti, la quantità di neve che si trasforma in vapore per
sublimazione è molto maggiore di quella che scorre via sotto forma liquida.
Sottraendo energia termica, i passaggi di stato avvengono in senso inverso. I gas possono
trasformarsi direttamente in solidi e il fenomeno è detto di brinamento. Il passaggio dallo stato
aeriforme a quello liquido è detto di condensazione mentre viene detto liquefazione il passaggio
dallo stato aeriforme a quello liquido per aumento della pressione. Infine i liquidi sottoposti a
raffreddamento subiscono la solidificazione.
Bisogna precisare che gas e vapori non sono la stessa cosa . Un gas è una sostanza aeriforme che si
trova al disopra della propria temperatura critica, cioè una temperatura alla quale è impossibile
liquefarla, anche sottoponendola a pressioni altissime. Al di sotto di tale valore di temperatura, che
è caratteristico per ogni sostanza, l’aeriforme prende il nome di vapore.
Quando una sostanza aeriforme è al di sopra della sua temperatura critica è definita
gas; se è al di sotto è chiamata vapore.
Per esempio l’ossigeno ha temperatura critica di -119 °C. A temperatura ambiente, quindi,
l’ossigeno è un gas, e rimane tale anche se vien compresso. Per farlo liquefare bisogna raffreddarlo
sotto i -119 °C. Questo è il motivo per cui sul nostro pianeta non esiste ossigeno allo stato liquido:
sulla terra non è mai stata registrata una temperatura così bassa.
L’acqua, che ha una temperatura critica di 374 °C, a temperatura ambiente si trova allo stato
liquido. Se viene portata a 100 °C essa diventa vapore che può condensare se viene sottoposto a una
pressione sufficiente. Il gas d’acqua esiste solo a temperature superiori a 374 °C.
Fig. Un tipico diagramma delle fasi. La linea verde tratteggiata è
caratteristica del comportamento anomalo di alcune sostanze come
l'acqua
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Volume e densità nei passaggi di stato
(7)
Consideriamo un materiale che passa dallo stato liquido allo stato aeriforme: il gas tende ad
occupare tutto lo spazio disponibile e il volume aumenta notevolmente considerando l’espressione
della densità, se la massa rimane costante, la densità diminuisce di molto. Ad esempio la densità
dell’acqua distillata a 20 °C è 0.998 g/mL mentre quella del vapore a 100 °C è 0.0060 g/mL.
Consideriamo un materiale generico che a parità di massa, passa dallo stato liquido a quello solido;
in questo caso si verifica una piccola diminuzione del volume, e quindi un piccolo aumento della
densità.
L’acqua costituisce un’importante eccezione: il volume allo stato solido(ghiaccio), infatti è
maggiore è maggiore della stessa quantità di acqua allo stato liquido. Di conseguenza la densità del
ghiaccio è minore di quella dell’acqua( densità del ghiaccio a 0°C 0.917 g/mL).
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I principali metodi di separazione di miscugli e sostanze
(8)
La separazione dei componenti è molto più semplice nel caso dei miscugli eterogenei, per i quali
sono sufficienti metodi semplici quali la decantazione, la filtrazione o la centrifugazione basati
sulla diversa dimensione, stato fisico e densità dei componenti.
Nel caso dei miscugli omogenei è necessario utilizzare metodiche più impegnative quali
l'evaporazione del solvente, la distillazione, entrambe basate sulla differente volatilità dei
componenti, l'estrazione con solvente, basata sulla maggiore affinità di quest'ultimo con un
componente della miscela, o la cromatografia, basata sulla differente velocità con cui un solvente
trasporta, per azione capillare attraverso un strato di materiale inerte, i vari componenti della
miscela.
Filtrazione
(9)
La filtrazione è un'operazione di separazione utilizzata sia in scala di laboratorio sia in scala
industriale.
La filtrazione è una pratica di laboratorio che può essere utilizzata sia per scopi separativi, volendo
eliminare impurezze solide da liquidi o soluzioni, che per scopi sintetici volendo isolare un
composto precipitato da una soluzione o cristallizzato. In natura rappresenta un fenomeno comune
che riguarda le fonti idriche le cui acque permeano il terreno in cui scorrono: ad esempio le falde
profonde sono utilizzate come fonte di approvvigionamento per acqua potabile in quanto risultano
purificate da intensa filtrazione. In microbiologia e nella sintesi farmaceutica la filtrazione viene
utilizzata come mezzo di disinfezione: utilizzando carta da filtro con diametro dei pori compreso tra
0,22-0,45 µm si riesce a trattenere la quasi totalità dei batteri.
La filtrazione in laboratorio
Esistono due metodiche per condurre una filtrazione in laboratorio: la filtrazione per gravità e la
filtrazione sottovuoto.
•
•
La filtrazione per gravità, così definita perché sfrutta l'azione della gravità per separare il
fluido dalla fase solida, che viene trattenuta su una carta da filtro, viene effettuata facendo
passare la sospensione attraverso la carta filtrante fatta aderire alle pareti di un imbuto
filtrante che può essere di dimensioni variabili. Occorre avere l'accortezza di non far intasare
l'imbuto e controllare che la carta non si sia, nel frattempo, danneggiata facendo passare
anche il solido. Come già detto, il solido si deposita sulla carta da filtro mentre il liquido
viene raccolto in un becher o una beuta. Il filtro può essere preparato conferendogli
manualmente una forma a cono, classica, o una forma pieghettata per una filtrazione più
veloce (per effetto del passaggio di aria tra le pieghe).
La filtrazione sottovuoto rappresenta una metodica più rapida, l'effetto della separazione per
suzione è maggiore rispetto a quello per gravità, ma che richiede una vetreria a tenuta,
l'adattamento della carta da filtro e un sistema che generi un vuoto non troppo spinto (come
una pompa ad acqua o una pompa meccanica a vuoto). La vetreria utilizzata comprende
l'imbuto Büchner, e una beuta codata di raccolta.
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Il mezzo filtrante
Il mezzo filtrante viene scelto in funzione del tipo e della qualità di filtrazione richiesta. Esistono
numerose varianti tra carte (generalmente costituita da nitrocellulosa), tessuti non tessuti (poliestere,
polipropilene, fibra di vetro), reti e tele metalliche (tipo Reps, microstirate).
Caratteristiche distintive quali-quantitative di un mezzo filtrante sono le seguenti:
•
•
•
porosità, indica le particelle che possono attraversare il Media. Ad esempio, particelle
piccole vengono trattenute da carta a bassa porosità, di contro una grana troppo fine rallenta
sensibilmente la velocità di filtrazione;
ritentività, caratteristica opposta alla porosità. Carta a bassa ritentività non riesce a trattenere
le particelle più piccole di filtrato;
velocità, indica il tempo impiegato da un liquido per passare attraverso il filtro.
Le tre caratteristiche sono tra loro collegate: una carta rapida ha di solito bassa ritentività ed alta
porosità ed una carta lenta possiede proprietà opposte.
I composti colloidali non si prestano affatto ad essere filtrati o sono filtrabili parzialmente o con
molta difficoltà.
In laboratorio per eseguire separazioni solido-liquido si usa, assai frequentemente, la filtrazione su
carta. In commercio sono reperibili dischi di carta di cellulosa, ad elevata purezza, con varia
porosità. Questi, variamente piegati e poggiati su imbuto, consentono di separare il solido dal
liquido. Sono anche reperibili fogli di carta da filtro da ritagliare per ottenere lo stesso scopo.
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Decantazione
(10)
La decantazione o sedimentazione per gravità è un metodo meccanico di separazione delle fasi che
compongono un'emulsione o una sospensione basato sul processo della sedimentazione spontanea.
Questo metodo separa le fasi sfruttando la forza di gravità. Esso risulta quindi tanto più efficace
quanto le particelle in sospensione hanno densità maggiore rispetto al liquido che fa da solvente.
Un altro parametro che influisce sulla decantazione è la dimensione delle particelle sospese. Più
sono piccole meno la decantazione risulta efficace.
La decantazione è un metodo utilizzato soprattutto per la separazione di miscugli eterogenei solido
liquido e consiste nel lasciare a riposo il sistema in modo che i granuli del solido ( di maggiore
densità) si depositino spontaneamente sul fondo; successivamente si può travasare il liquido il
liquido sovrastante ottenendo la separazione dei componenti. E’ un metodo che può essere
utilizzato anche per i miscugli eterogenei liquido-liquido:in tal caso il liquido con densità maggiore
si raccoglie sotto a quello con densità minore.
Foto Acqua e carbonato di calcio
Centrifugazione
(11)
La centrifuga, nell'uso industriale e di laboratorio, è un'apparecchiatura impiegata per accelerare la
separazione tra corpi aventi differente densità mediante l'uso (normalmente esclusivo) della forza
centrifuga (o più precisamente dell'accelerazione centrifuga).
Centrifuga da laboratorio
Sono usate per accelerare la decantazione del solido, spesso in condizioni controllate, senza voler
ottenere necessariamente due prodotti distinti.
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Cromatografia su carta
(12)
La cromatografia su carta è una delle più vecchie tecniche cromatografiche, che permise di
effettuare efficacemente separazioni con mezzi economici (a partire dal 1940).Sostanzialmente, si
utilizza un foglio di carta da filtro (preparata appositamente e leggermente differente dalla carta per
filtrare), su un bordo della quale si deposita la soluzione da separare. Si sospende quindi il foglio di
carta in modo tale che il bordo inferiore peschi in una bacinella con la fase mobile, lasciando che
per capillarità il liquido salga lungo il foglio di carta (cromatografia in fase ascendente).
Alternativamente, si ripiega il bordo adiacente la sostanza da separare, facendolo pescare nella
bacinella (contenente la fase mobile) posta in alto e facendo in modo che il resto del foglio scenda
verso il basso. La fase mobile fluirà lungo il foglio scendendo verso il basso (cromatografia in fase
discendente).
La cromatografia su carta venne sviluppata soprattutto per le prime separazioni di aminoacidi,
usando come fase mobile una miscela di 1-butanolo, acido acetico ed acqua. Come fase mobile è
possibile usare anche alcol etilico.
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Fattore di ritenzione
La cromatografia su carta è un metodo per testare la purezza dei composti e identificare le sostanze.
È una tecnica utile in quanto è relativamente rapida e richiede piccole quantità di materiali. Fu
ideata nel 1906 dal botanico russo Michael Cvet (Tswett) che con questa tecnica riuscì per la prima
volta a separare la clorofilla da un estratto vegetale.
Nella cromatografia il solvente, che si chiama fase mobile, trasporta i componenti del miscuglio
attraverso un materiale, chiamato fase fissa (la carta da filtro), a cui essi aderiscono in modo
differente a seconda della loro natura.
La separazione dei componenti di un miscuglio, deposto sulla carta sotto forma di macchia, è
provocata dalla fase mobile. Il solvente si muove attraverso la fase fissa per azione capillare e
trascina con sé più facilmente i componenti che aderiscono meno alla fase fissa: le sostanze del
miscuglio si muovono quindi a velocità diversa e perciò si separano.
Il colore della macchia non è però sufficiente per l’identificazione di una sostanza, per cui è
necessario ricorrere ad un criterio più sicuro, ossia il calcolo del valore Rf (FATTORE di
RITENZIONE o FATTORE di RITARDO).
Con questo termine si intende il rapporto fra lo spostamento di una sostanza dalla linea di base e lo
spostamento del fronte del solvente.
In un determinato sistema cromatografico il movimento di un qualsiasi composto rispetto al fronte
del solvente è una proprietà caratteristica e riproducibile.
Nel caso della cromatografia su carta il movimento di un qualsiasi composto viene per l’appunto
espresso convenientemente come Rf.
Pertanto, ogni sostanza ha un valore di Rf caratteristico quando siano state fissate le condizioni di
lavoro, la temperatura ed il tipo di eluente (fase mobile).
E’ importante osservare che l’Rf non può essere considerato una grandezza di valore assoluto, in
quanto è legato a molte variabili come temperatura, concentrazione, eterogeneità della carta,
presenza di ioni estranei, impurezze del solvente, condizioni di saturazione della camera
cromatografica, percentuale di umidità ecc. per cui difficilmente esso può avere un valore costante.
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Distillazione
(13)
Distillazione semplice
La distillazione è una tecnica di separazione che sfrutta la differenza dei punti di ebollizione delle
diverse sostanze presenti in una miscela. È usata sia per separare miscele complesse che per
purificare sostanze.
È una tecnica nota sin dal Medioevo, applicata principalmente alla produzione di bevande alcoliche.
Oggi trova applicazione in numerosi processi chimici, il più importante dei quali è indubbiamente la
separazione del petrolio greggio nei suoi diversi componenti.
Tecniche di laboratorio
Apparecchiatura da laboratorio per la distillazione semplice
A livello di laboratorio, la distillazione viene condotta utilizzando un manto riscaldante con cui
scaldare la miscela da separare, un tubo refrigerante in cui i vapori che si separano dalla miscela
bollente vengono raffreddati, un tubo di carico e scarico dell'acqua per refrigerare il distillato, un
pallone codato per contenere il liquido da distillare, delle sferette di vetro per non portare il
miscuglio da distillare a ebollizione tanto elevata da fare cadere il miscuglio nel tubo refrigerante
senza essere distillato ed un contenitore per la raccolta dei vapori condensati, arricchiti delle
sostanze aventi punto di ebollizione inferiore.
Distillazione frazionata
(14)
La distillazione frazionata o rettifica è un tipo di distillazione utilizzato per separare più di due
sostanze volatili aventi punti di ebollizione vicini.
Applicazioni
Questo tipo di distillazione è usato per separare i diversi idrocarburi presenti nel petrolio
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Chimica
(nell'ambito del processo di raffinazione del petrolio).
In campo alimentare si può considerare come un'evoluzione della distillazione semplice.
Quest'ultima, prevedendo che la condensazione del vapore avvenga in prossimità della caldaia, non
permette la separazione dei componenti volatili aventi temperature di ebollizione che differiscono di
meno di 60-70 °C. Ciò la rende utile per la separazione dei solventi dai soluti, che non
volatilizzano, ma ottenere un componente volatile allo stato puro è possibile solo con molteplici
distillazioni successive.
Nella frazionata invece, l'intervento di una colonna di rettifica, che è una colonna che presenta
un'elevata superficie di scambio termico, permette di condensare e rievaporare ciclicamente
porzioni di vapore aventi concentrazione sempre maggiore del suo componente maggiormente
volatile. Condensando e rivaporizzando una certa frazione di vapore, si ottiene il componente allo
stato puro come se si effettuasse in serie un numero elevato di distillazioni semplici.
All'apice della colonna di frazionamento o rettifica, viene posto un termometro che misura la
temperatura dei vapori allo stato puro. È quindi necessario regolare la caldaia di ebollizione
secondo le temperature caratteristiche di ebollizione dei diversi composti volatili. Con questa
metodica di distillazione risulta possibile l'eliminazione di frazioni indesiderate, le cosiddette "teste"
e "code" che possono essere destinate ad usi diversi da quello strettamente alimentare.
Tecnica di Laboratorio
La colonna di rettifica in vetro utilizzata nelle applicazioni di laboratorio è chiamata colonna di
Vigreux La colonna Vigreux è una colonna di rettifica usata per la distillazione frazionata molto
semplice costituita da un tubo di vetro a due innesti, (uno per il recipiente di distillazione, l'altro per
il tubo di Claisen). Sulla superficie interna presenta delle digitazioni, sulle quali il vapore condensa
ricadendo nel pallone di distillazione; man mano che la distillazione prosegue la condensazione del
vapore avviene su digitazioni posizionate più in alto, fino al tubo di Claisen, questo espediente
consente di ottenere vapore ricco del componente più basso bollente migliorando notevolmente le
caratteristiche di purezza del distillato.
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Estrazione
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L'imbuto separatore è un attrezzo da laboratorio chimico, utilizzato per estrazioni liquido-liquido,
ovvero per le separazioni di miscele di liquidi con l'ausilio di una fase solvente, composta anch'essa
da due differenti liquidi aventi densità diverse. Solitamente, una delle due fasi sarà acqua (o
analoga), mentre la seconda fase sarà un solvente organicoapolare liposolubile, come per esempio
etere, metanolo, MTBE, diclorometano, cloroformio o acetato di etile.
L'imbuto separatore ha una forma conica sormontata da una emisfera; in alto presenta
un'imboccatura in vetro smerigliato di dimensioni standard (di modo tale da poter essere tappato
all'occorrenza con un tappo smerigliato), mentre in basso presenta un tubo lungo e stretto, chiuso da
un rubinetto in Teflon o vetro. Le misure standard variano dai 50 ml ai 3 litri. Solitamente, questi
strumenti sono costruiti in Pyrex, data l'inerzia chimica e la resistenza al calore di questo vetro.
Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento è semplice: i due liquidi che compongono la fase solvente, andranno a
miscelarsi con i liquidi da estrarre con i quali hanno la maggiore affinità: la fase polare si miscelerà
con la parte più polare della miscela da separare, mentre la fase apolare farà la stessa cosa con la
parte meno polare (secondo il principio il simile scioglie il simile). A questo punto, dato il diverso
peso specifico delle due fasi solventi, si depositeranno all'interno del pallone senza miscelarsi tra
loro; solitamente, la maggior parte dei solventi organici hanno una densità minore dell'acqua, quindi
saranno la parte superiore della miscela stessa, mentre la parte inferiore sarà il solvente acquoso.
Un'importante eccezione a questa regola sono i solventi alogenati, in quanto hanno una densità
maggiore di quella dell'acqua.
Utilizzo
Anche l'utilizzo è semplice: attraverso l'imboccatura superiore, si inseriscono la miscela da separare
e la fase solvente, si chiude con tappo e si agita vigorosamente; dopo di che si inverte l'imbuto e si
apre il rubinetto, per permettere la fuoriuscita di eventuale gas formatosi durante la miscelazione,
per evitare possibili esplosioni dell'imbuto. Effettuato questo, si posa l'imbuto sul sostegno apposito
per imbuti separatori, dopo di che, ponendo un contenitore sotto il rubinetto (becher o simili), si
apre questo e si lascia cadere per gravità la fase (solvente più liquido separato dalla miscela) che si
trova nel fondo (come già detto, solitamente la fase acquosa). Una volta prelevata la fase inferiore,
cambiando contenitore di raccolta si può procedere alla raccolta della seconda fase.
sostanze e miscugli, S. Bontempelli
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ISISS “Valle Seriana” Gazzaniga
Chimica
Fonti:
1. Bagatti, … A tutta chimica, pag. 2-3
2. Bagatti, … A tutta chimica, pag. 9
3. Valitutti, … Esploriamo la chimica, pag. 23
4. Valitutti, … Esploriamo la chimica, pag. 24
5. Valitutti, … Esploriamo la chimica, pag. 24
6. Valitutti, … Esploriamo la chimica, pag. 25
7. Valitutti, … Esploriamo la chimica, da pag. 26-a pag.29
8. Valitutti, … Esploriamo la chimica, pag. 35-36
9. http://it.wikipedia.org/wiki/Filtrazione_(chimica)
10. http://it.wikipedia.org/wiki/Sedimentazione; Bagatti, … a tutta chimica, pag12
11. Bagatti, … a tutta chimica, pag13
12. http://it.wikipedia.org/wiki/Cromatografia_su_carta;
http://www.barbarascapellato.it/il_cercatore_di__g000055.doc
13. http://it.wikipedia.org/wiki/Distillazione
14. http://it.wikipedia.org/wiki/Distillazione_frazionata
15. http://it.wikipedia.org/wiki/Imbuto_separatore
sostanze e miscugli, S. Bontempelli
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