Sintesi: La materia che osserviamo ogni giorno non è mai casuale: può essere formata da una sola sostanza oppure dall'unione di più sostanze diverse. Imparare a distinguere sostanze pure, miscugli omogenei ed eterogenei è il primo passo per comprendere la chimica del mondo reale.
Introduzione: la materia che ci circonda
Se osservi una bottiglia di acqua minerale, una zolletta di zucchero e un pugno di terra di giardino, hai davanti tre esempi di materia molto diversi tra loro. A prima vista potresti pensare che siano tutti uguali, perché occupano spazio e hanno una massa, ma una chimica attenta nota subito differenze importanti nella loro composizione. La terra contiene sassolini, foglioline e granelli di colori diversi, mentre lo zucchero appare uniforme e l'acqua sembra limpida, anche se contiene sali disciolti invisibili. Questi tre oggetti rappresentano le grandi categorie in cui possiamo classificare ogni porzione di materia: sostanze pure, miscugli omogenei e miscugli eterogenei. Capire a quale categoria appartiene un campione ci permette di prevedere il suo comportamento e di scegliere il metodo giusto per separare i suoi componenti. Per tutto il capitolo terremo presente che la classificazione si basa sull'osservazione di proprietà sperimentali, non su semplici impressioni visive.
Che cos'è una sostanza pura
Una sostanza pura è una porzione di materia formata da un unico tipo di particelle, sempre identiche tra loro, e quindi possiede una composizione costante e proprietà fisiche ben definite e riproducibili. L'acqua distillata, per esempio, è formata soltanto da molecole di H₂O, bolle a 100 °C alla pressione atmosferica normale e solidifica esattamente a 0 °C, indipendentemente dal campione che esamini. Anche un pezzo di rame puro usato nei fili elettrici è una sostanza pura, perché contiene solo atomi di rame e fonde sempre alla stessa temperatura, intorno a 1085 °C. Le sostanze pure si dividono in due famiglie: gli elementi, che non si possono scomporre in sostanze più semplici con metodi chimici, e i composti, che invece sono formati dall'unione chimica di due o più elementi in proporzioni fisse. L'ossigeno gassoso che respiriamo è un elemento, mentre il sale da cucina, cloruro di sodio, è un composto formato da atomi di sodio e di cloro in rapporto sempre uno a uno. La caratteristica distintiva delle sostanze pure è che le loro proprietà non dipendono dalla provenienza del campione: il sale fino estratto in Sicilia ha le stesse proprietà del sale estratto in Polonia, purché entrambi siano puri.
I miscugli: quando la materia si mescola
Un miscuglio si forma quando due o più sostanze pure vengono unite senza che tra loro avvenga una reazione chimica, perciò ciascun componente conserva intatte le sue caratteristiche originali. Se versi un cucchiaino di sabbia in un bicchiere d'acqua, la sabbia rimane sabbia e l'acqua rimane acqua: nessuna nuova sostanza si è formata, anche se i due materiali ora condividono lo stesso recipiente. Allo stesso modo, una macedonia di frutta è un miscuglio in cui mele, banane e arance restano riconoscibili una per una, anche dopo essere state mescolate nel piatto. A differenza dei composti, nei miscugli le proporzioni tra i componenti possono variare a piacere: puoi preparare un tè più o meno zuccherato senza che smetta di essere tè zuccherato. Anche il punto di fusione e di ebollizione di un miscuglio non è netto, ma si distribuisce in un intervallo di temperature, perché ogni componente ha le sue caratteristiche. Per separare i componenti di un miscuglio si usano metodi fisici, come la filtrazione o la distillazione, che sfruttano differenze di dimensione, densità o volatilità senza modificare la natura chimica delle sostanze.
Miscugli omogenei: le soluzioni
Un miscuglio si dice omogeneo quando i suoi componenti sono mescolati in modo così intimo che a occhio nudo, e perfino al microscopio ottico, non si riesce a distinguere dove finisce uno e dove inizia l'altro. Il caso più tipico di miscuglio omogeneo è la soluzione, formata da un solvente, di solito presente in maggior quantità, e da uno o più soluti, le sostanze disciolte. L'acqua del mare è una soluzione in cui il solvente è l'acqua e i soluti principali sono il cloruro di sodio e altri sali minerali: per quanto la guardi, vedrai solo un liquido limpido e trasparente, anche se sai che contiene moltissime sostanze. Anche l'aria pulita è un miscuglio omogeneo, perché azoto, ossigeno e gli altri gas atmosferici sono distribuiti uniformemente in ogni metro cubo che respiri. Esistono inoltre soluzioni solide, dette leghe metalliche: l'ottone, per esempio, è una soluzione solida di rame e zinco fusi insieme e poi raffreddati, e l'oro delle fedi nuziali è quasi sempre una lega con rame o argento per renderlo più resistente. Una caratteristica importante delle soluzioni è la concentrazione, che indica quanta sostanza è disciolta in una certa quantità di solvente e che possiamo esprimere con varie unità di misura.
Miscugli eterogenei: quando si vedono le differenze
Un miscuglio si dice eterogeneo quando, osservandolo, si distinguono ad occhio nudo o con un semplice strumento ottico le diverse parti che lo compongono, chiamate fasi. Una vinaigrette appena agitata, fatta di olio e aceto, mostra subito la sua natura eterogenea: nonostante la mescolata energica, dopo pochi istanti l'olio risale e forma una fase oleosa galleggiante sopra quella acquosa dell'aceto. Anche il granito, la pietra usata per molti pavimenti e davanzali, è un miscuglio eterogeneo: guardandolo da vicino si vedono chiaramente cristalli bianchi di quarzo, neri di mica e rosati di feldspato, ciascuno con il proprio aspetto. Esistono tipi particolari di miscugli eterogenei che sembrano omogenei a uno sguardo distratto, come le emulsioni, le sospensioni e i colloidi: il latte, per esempio, appare uniforme ma al microscopio rivela goccioline di grasso disperse nell'acqua. La nebbia è una sospensione di minuscole gocce d'acqua nell'aria e ha proprio l'aspetto di un miscuglio eterogeneo perché diffonde la luce in modo evidente, fenomeno detto effetto Tyndall. In generale, ogni volta che individui due o più zone con proprietà diverse all'interno dello stesso campione, sei davanti a un miscuglio eterogeneo.
Come distinguere sostanze pure e miscugli in laboratorio
Non sempre basta guardare un campione per dire se è una sostanza pura o un miscuglio: spesso servono prove sperimentali che misurino proprietà fisiche caratteristiche. Una delle prove più affidabili è la determinazione del punto di ebollizione: una sostanza pura bolle a una temperatura costante e perfettamente definita, mentre un miscuglio mostra una temperatura che cresce gradualmente durante il riscaldamento. Per esempio, scaldando acqua pura su un fornello, il termometro si ferma a 100 °C finché tutta l'acqua non è evaporata; scaldando invece acqua salata, la temperatura sale lentamente oltre i 100 °C man mano che il sale si concentra. Un altro indizio è la cromatografia: ponendo una goccia di inchiostro su una striscia di carta da filtro e immergendone l'estremità nell'acqua, vedrai l'inchiostro nero separarsi in fasce colorate di blu, rosso e giallo, dimostrando di essere un miscuglio. Anche la semplice osservazione al microscopio può rivelare se un campione contiene particelle di tipo diverso, smascherando miscugli che a occhio nudo sembrano uniformi. In definitiva, è la riproducibilità delle proprietà fisiche a darci la conferma più solida: se ripeti la misura su porzioni diverse dello stesso campione e ottieni sempre lo stesso valore, hai a che fare con una sostanza pura.
I metodi di separazione dei miscugli
Una volta riconosciuto un miscuglio, possiamo separarne i componenti scegliendo il metodo fisico più adatto alla differenza di proprietà tra le sostanze. La filtrazione sfrutta la differenza di dimensioni: versando acqua e sabbia su un filtro di carta, le particelle solide restano intrappolate mentre il liquido scende nel becher, come avviene nella moka del caffè quando l'acqua attraversa la polvere macinata. La decantazione separa due liquidi che non si mescolano oppure un liquido da un solido pesante: dopo aver lasciato riposare un succo torbido, il deposito si raccoglie sul fondo del bicchiere e si può versare via il liquido limpido. La distillazione si basa sulla differenza dei punti di ebollizione: scaldando il vino, l'alcol evapora prima dell'acqua, sale lungo un refrigerante e si raccoglie liquido in un recipiente più freddo. Anche la centrifugazione è utile, soprattutto in biologia, dove separa il plasma dai globuli rossi facendo girare velocemente le provette del sangue. Infine, l'estrazione con solvente permette di prelevare un componente specifico, come succede quando l'acqua calda estrae caffeina e aromi dalla polvere di caffè durante la preparazione dell'espresso.
Ricorda
- La materia si classifica in sostanze pure, formate da un solo tipo di particelle, e miscugli, formati da due o più sostanze unite senza reazione chimica.
- Le sostanze pure hanno composizione costante e proprietà fisiche definite, come un punto di ebollizione netto e riproducibile.
- I miscugli omogenei, o soluzioni, mostrano un'unica fase visibile, mentre i miscugli eterogenei mostrano due o più fasi distinguibili.
- I componenti di un miscuglio si separano con metodi fisici come filtrazione, decantazione, distillazione, centrifugazione e cromatografia.
- La scelta del metodo di separazione dipende dalle differenze di proprietà fisiche tra i componenti, come dimensione, densità o volatilità.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: osserva la tua cucina e scegli cinque diversi materiali che vedi, per esempio il latte nel frigorifero, una pentola di acciaio inox, un cucchiaio di legno, lo zucchero nel barattolo e un sugo pronto. Per ciascuno indica se si tratta di una sostanza pura, di un miscuglio omogeneo o di un miscuglio eterogeneo, motivando la tua scelta in una frase. Infine, per ogni miscuglio che hai trovato, scrivi quale metodo di separazione useresti per isolarne almeno un componente e spiega brevemente perché quel metodo è il più adatto.