Principi di Chimica: Sostanze, Miscele e Metodi di Separazione

Le Sostanze Pure

Le sostanze pure sono formate da particelle identiche (atomi o molecole). Le sostanze pure si distinguono in due categorie principali:

• Elementi: Sostanze che non possono essere ulteriormente scomposte in sostanze più semplici tramite processi chimici o fisici (es. Ossigeno, Ferro).
• Composti: Sostanze formate da due o più elementi chimicamente combinati in proporzioni definite, che possono essere scomposte in sostanze più semplici solo tramite reazioni chimiche (es. Acqua, Sale da cucina).

Le Miscele

Le misure sono combinazioni fisiche di due o più sostanze, dove ogni sostanza mantiene le proprie proprietà chimiche. Le miscele possono essere classificate in:

• Miscele Omogenee: Sono miscele stabili in cui i componenti sono distribuiti uniformemente e non sono distinguibili a occhio nudo, formando una singola fase (es. acqua salata, aria). Spesso chiamate soluzioni.
• Miscele Eterogenee: Sono miscele in cui i componenti non sono distribuiti uniformemente e sono distinguibili a occhio nudo o con l'ausilio di un microscopio, formando più fasi (es. acqua e sabbia, olio e acqua).

Le miscele, sia omogenee che eterogenee, possono sempre essere separate nei loro componenti tramite processi fisici.

Metodi di Separazione delle Miscele

Esistono diversi metodi per separare i componenti di una miscela, a seconda delle proprietà fisiche delle sostanze coinvolte.

Metodi per Miscele Eterogenee

Questi metodi sfruttano le differenze di densità, dimensione delle particelle o proprietà magnetiche dei componenti.

• Sedimentazione: Processo in cui le particelle solide più dense si depositano sul fondo di un liquido per effetto della gravità. Ampiamente usato nell'industria mineraria per separare il minerale grezzo.
• Decantazione: Utilizzata per separare liquidi immiscibili con densità diverse o un solido da un liquido dopo la sedimentazione. Si lascia depositare il componente più denso e si travasa il componente più leggero.
• Centrifugazione: Accelerazione della separazione basata sulle differenze di densità, utilizzando una centrifuga, un contenitore che ruota ad alta velocità.
• Levigazione: Separazione basata sulla densità, dove un flusso d'acqua trasporta i materiali meno densi, lasciando indietro quelli più densi.
• Filtrazione: Serve per separare particelle solide sospese in un liquido o in un gas, utilizzando un filtro (come un setaccio o carta da filtro) che trattiene il solido e lascia passare il fluido.
• Separazione Magnetica: Utilizzata per separare materiali con proprietà magnetiche (es. minerali ferrosi) da quelli non magnetici, spesso impiegata nel riciclaggio dei rifiuti.

Metodi per Miscele Omogenee (Soluzioni)

Questi metodi sono più complessi e spesso implicano cambiamenti di stato o interazioni a livello molecolare.

• Cristallizzazione: Processo in cui un soluto disciolto in un solvente si separa dalla soluzione formando cristalli solidi. Se si desiderano cristalli di grandi dimensioni, si lascia evaporare lentamente il solvente.
• Distillazione Semplice: Consiste nel riscaldare una miscela di liquidi con punti di ebollizione significativamente diversi. Il liquido con il punto di ebollizione più basso evapora per primo, i suoi vapori vengono poi raffreddati e condensati per essere raccolti.
• Distillazione Frazionata: Utilizzata per separare miscele di liquidi con punti di ebollizione vicini. Il processo avviene in una colonna di distillazione dove i vapori vengono ripetutamente vaporizzati e condensati, permettendo una separazione più efficiente (es. raffinazione del petrolio, riscaldato a circa 400°C in una torre di distillazione).

Metodi Cromatografici

• Cromatografia: Tecnica che permette di separare i componenti di una miscela basandosi sulla loro diversa affinità per una fase stazionaria (solida o liquida) e una fase mobile (liquida o gassosa). I componenti vengono "trascinati" a velocità diverse lungo il supporto (es. cromatografia su carta).

Le Soluzioni

Le soluzioni sono miscele omogenee stabili, composte da almeno due componenti:

• Soluto: È la sostanza presente in proporzione minore, che si scioglie nel solvente.
• Solvente: È il componente presente in maggior proporzione, che scioglie il soluto. L'acqua è il solvente più comune e viene spesso definita "solvente universale".

Solubilità e Tipi di Soluzioni

La solubilità di una sostanza è la quantità massima di soluto che può sciogliersi in una data quantità di solvente (solitamente 100g di acqua) a una specifica temperatura.

In base alla quantità di soluto disciolto, le soluzioni possono essere classificate come:

• Soluzione Diluita: La quantità di soluto è molto piccola rispetto alla sua solubilità massima.
• Soluzione Concentrata: La quantità di soluto è significativa e vicina alla sua solubilità massima.
• Soluzione Satura: Contiene la massima quantità di soluto che può essere disciolta in una data quantità di solvente a una specifica temperatura. Qualsiasi soluto aggiuntivo non si scioglierà e rimarrà come corpo di fondo.
• Soluzione Sovrasatura: Contiene una quantità di soluto maggiore di quella che normalmente si scioglierebbe a quella temperatura. Sono instabili e il soluto in eccesso tende a precipitare.

Proprietà Colligative

Le proprietà colligative sono proprietà delle soluzioni che dipendono unicamente dal numero di particelle di soluto disciolte in una data quantità di solvente, e non dalla natura chimica del soluto stesso.

• Abbassamento Crioscopico (Crioscopia): La diminuzione della temperatura di congelamento del solvente è direttamente proporzionale alla concentrazione di particelle di soluto disciolte.
• Innalzamento Ebullioscopico (Ebullioscopia): L'aumento della temperatura di ebollizione del solvente è direttamente proporzionale alla concentrazione di particelle di soluto disciolte. È necessaria una temperatura più elevata affinché il solvente passi alla fase gassosa.
• Pressione Osmotica (Osmosi): Fenomeno per cui il solvente si muove attraverso una membrana semipermeabile da una regione a minore concentrazione di soluto a una a maggiore concentrazione, per equilibrare le concentrazioni. Questo processo è fondamentale per le cellule biologiche per nutrire ed eliminare i rifiuti.

Altre Tecniche di Separazione

• Evaporazione a Secchezza: Se l'obiettivo è recuperare il soluto in forma di polvere e non si è interessati alla formazione di cristalli di grandi dimensioni, si può far evaporare completamente il solvente dalla soluzione.