Miscugli, sostanze e tecniche di separazione

Sostanze pure e miscugli

Un campione di materia può essere una sostanza pura oppure un miscuglio. Una sostanza pura ha composizione costante e proprietà fisiche ben definite (temperatura di fusione, di ebollizione, densità). Un miscuglio è formato da due o più sostanze che mantengono le proprie proprietà e che possono essere presenti in quantità variabili.

Le sostanze pure si dividono in due gruppi:

• sostanze semplici: formate da atomi di un solo elemento (ossigeno $\text{O}_2$, ferro Fe, diamante C);

• sostanze composte: formate da atomi di elementi diversi, uniti in proporzioni fisse (acqua $\text{H}_2\text{O}$, sale da cucina NaCl). Un composto si può scomporre nei suoi elementi solo con una reazione chimica, non con metodi fisici.

I miscugli si dividono in due gruppi:

• omogenei (o soluzioni): hanno un aspetto uniforme anche al microscopio, formano una sola fase (acqua e sale sciolto, aria filtrata, bronzo);

• eterogenei: si distinguono due o più fasi (acqua e olio, acqua e sabbia, granito).

Separare i miscugli

Per separare i componenti di un miscuglio si sfrutta una proprietà fisica in cui differiscono (dimensione delle particelle, densità, solubilità, temperatura di ebollizione, magnetismo). Non avviene nessuna reazione chimica: le sostanze restano le stesse.

Nella distillazione il miscuglio viene scaldato: la sostanza più volatile evapora per prima, i vapori si condensano in un refrigerante e il liquido si raccoglie come distillato. Il residuo meno volatile rimane nel pallone.

Durante la distillazione di una sostanza pura la temperatura resta costante al valore di ebollizione. Se invece nel pallone ci sono più componenti, la temperatura cambia.

Cromatografia e distillazione frazionata

Nella cromatografia su carta una goccia di inchiostro viene deposta su una linea di partenza; la carta (fase fissa) pesca un solvente (fase mobile) che risale e trascina i componenti. Ogni componente sale a un'altezza diversa, in base alla sua affinità per il solvente e per la carta.

Per confrontare le macchie si usa il rapporto di frontale:

$R_f$ è sempre compreso tra 0 e 1. Un valore alto indica che il componente è più affine alla fase mobile e sale di più.

La distillazione frazionata si usa per separare miscugli di liquidi con temperature di ebollizione diverse ma non troppo distanti, come gli idrocarburi del petrolio greggio. Scaldando gradualmente, per prima evapora la frazione con temperatura di ebollizione più bassa; i vapori salgono in una colonna e si condensano a quote diverse. Si ottengono frazioni, ciascuna ancora un miscuglio di idrocarburi con temperature di ebollizione in un intervallo ristretto.

Criteri di purezza

Come si capisce se un campione è una sostanza pura? Si misurano le sue temperature di passaggio di stato.

• Una sostanza pura fonde e bolle a temperatura costante (a pressione fissata): durante il passaggio di stato la temperatura non cambia.

• Un miscuglio fonde o bolle in un intervallo di temperature, che varia con la composizione.

Il rame puro, per esempio, fonde a circa $1.085\ ^\circ\text{C}$ e resta a quella temperatura finché è tutto fuso. Una lega fonde invece gradualmente in un intervallo.

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In sintesi

• La materia è costituita da sostanze pure (semplici o composte) e da miscugli (omogenei, una sola fase; eterogenei, più fasi).

• Una sostanza composta si scompone solo con reazioni chimiche; un miscuglio si separa con metodi fisici.

• Ogni tecnica (filtrazione, decantazione, evaporazione, distillazione, cromatografia, separazione magnetica) sfrutta una proprietà fisica diversa.

• Nella cromatografia $R_f$ = distanza della macchia / distanza del solvente.

• Una sostanza pura fonde e bolle a temperatura costante; un miscuglio in un intervallo.

• Vuoi tornare al caffè con lo zucchero? È un miscuglio omogeneo; la sabbia nell'acqua è eterogenea e si separa per filtrazione o decantazione.