1.02 - Sostanze pure, miscele omogenee e soluzioni

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Sostanze Pure e Miscele

In chimica e fisica dello stato condensato, la distinzione tra sostanza pura e miscela costituisce il criterio ordinativo basilare della materia.

Se una sostanza pura è formata da una singola specie chimica con caratteristiche invariabili, una miscela (o miscuglio) è un sistema termodinamico costituito da due o più sostanze pure tra le quali non intercorrono legami chimici permanenti di valenza primaria. Di conseguenza, i componenti di una miscela non si trovano in rapporti stechiometrici fissi e possono essere separati sfruttando le differenti proprietà fisiche delle specie coinvolte, senza alternarne l’identità chimica.

Il Concetto Termodinamico di Fase

Per classificare le miscele è necessario introdurre il concetto fisico di fase. Una fase è definita come una porzione di materia fisicamente distinta, macroscopicamente omogenea e chimicamente uniforme, delimitata da superfici esterne o confini netti (interfacce) attraverso i quali le proprietà chimico-fisiche subiscono variazioni discontinue.

Un sistema chimico può essere classificato in base al numero di fasi:

Monofasico: presenta un’unica fase continua in ogni suo punto;
Polifasico: comprende due o più fasi tra loro a contatto, separate da superfici di separazione visibili macroscopicamente o mediante ausili ottici.

Miscele Omogenee e Soluzioni

Una miscela omogenea è un sistema monofasico in cui le particelle dei diversi componenti (molecole, ioni o atomi) sono disperse in modo talmente intimo da non essere distinguibili né macroscopicamente né all’osservazione microscopica ottica. Le proprietà intensive del sistema (densità, indice di rifrazione, concentrazione, viscosità) risultano costanti in qualsiasi volume elementare prelevato dal campione.

Le miscele omogenee prendono comunemente il nome di soluzioni. In una soluzione convenzionale a due componenti:

Si definisce solvente il componente presente in maggiore quantità o quello che preserva il proprio stato fisico di aggregazione dopo il processo di dissoluzione;
Prende il nome di soluto (o soluti) il componente o i componenti presenti in difetto.

Tipologie di Soluzioni per Stato di Aggregazione

Le soluzioni possono esistere in tutti gli stati fisici di aggregazione della materia:

Soluzioni gassose: tutte le miscele di gas ideali o reali sono intrinsecamente omogenee a causa dell’elevatissima energia cinetica molecolare e delle trascurabili forze intermolecolari attrattive a basse pressioni. L’aria atmosferica anidra rappresenta un esempio primario, essendo composta per circa il 78% in volume da diazoto (N₂), per il 21% da diossigeno (O₂), per lo 0,93% da argon (Ar) e per la quota restante da biossido di carbonio (CO₂) e gas rari.
Soluzioni liquide: rappresentano la tipologia più diffusa nei sistemi biologici e ambientali. Possono derivare dalla dissoluzione di un solido in un liquido (come il cloruro di sodio nell’acqua marina), dalla miscelazione di liquidi completamente miscibili (come l’etanolo e l’acqua nelle bevande alcoliche), oppure dalla solubilizzazione di un gas in un liquido (l’ossigeno disciolto nelle acque superficiali).
Soluzioni solide: aggregati monofasici costituiti tipicamente da leghe metalliche primarie o cristalli misti. Il bronzo (soluzione solida di stagno in rame) e l’ottone (zinco in rame) costituiscono esempi rilevanti in cui gli atomi del soluto occupano posizioni sostituzionali o interstiziali all’interno del reticolo cristallino metallico della matrice solvente.

Concetti Chiave da Ricordare

Una miscela è formata da due o più sostanze pure fisicamente aggregate in proporzioni arbitrarie e separabili con metodi fisici.
Una fase è una porzione di materia omogenea, uniforme e separata dal resto del sistema da confini fisici netti.
Le miscele omogenee (o soluzioni) possiedono una sola fase; le loro proprietà intensive sono rigorosamente identiche in qualsiasi porzione del sistema.
Tutte le miscele di gas costituiscono sistemi monofasici omogenei.
Le soluzioni possono manifestarsi allo stato aeriforme, liquido o solido (leghe metalliche).

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Rispondi alle domande per verificare subito quanto hai appreso in questa lezione.

1. Quale tra i seguenti sistemi materiali costituisce un esempio di miscela omogenea solida?

A Granito.

B Bronzo.

C Calcestruzzo.

D Ghiaccio in acqua liquida.

💡 Spiegazione: Il bronzo è una lega metallica (rame e stagno) che costituisce una soluzione solida monofasica. Il granito e il calcestruzzo sono miscele eterogenee polifasiche; l’acqua con ghiaccio è una sostanza chimicamente pura bifasica.

2. L’aria atmosferica non inquinata è considerata una miscela omogenea in quanto:

A Le molecole dei gas costituenti sono legate da legami covalenti polari.

B Costituisce un unico sistema monofasico gassoso in cui le specie sono intimamente disperse su scala molecolare.

C I suoi componenti non possono in alcun modo essere separati con tecniche fisiche.

D Presenta una composizione stechiometrica retta da precise formule atomiche invariabili.

💡 Spiegazione: I gas si miscelano spontaneamente e completamente per diffusione molecolare, formando una singola fase aeriforme omogenea. L’opzione A è errata poiché non vi sono legami intramolecolari tra gas diversi; C è falsa poiché i gas si separano per distillazione frazionata dell’aria liquida; D descrive un composto, non una miscela.

3. In termodinamica, una fase è definita come:

A Un qualsiasi composto chimico allo stato solido.

B Una porzione di materia fisicamente distinta, omogenea e delimitata da confini definiti.

C Un passaggio di stato isotermo a pressione costante.

D La frazione molare del componente più volatile all’interno di un distillatore.

💡 Spiegazione: Questa è la definizione rigorosa di fase: una regione di materia uniforme nelle sue proprietà intensive sia fisiche che chimiche, separata da altre porzioni da una superficie di interfase.

4. Un bicchiere contenente acqua pura liquida e cubetti di ghiaccio puro a 0 °C costituisce:

A Una miscela omogenea a due componenti.

B Una sostanza pura in un sistema eterogeneo a due fasi.

C Una soluzione solido-liquido a densità variabile.

D Un composto chimico ternario instabile.

💡 Spiegazione: Chimicamente è presente una sola sostanza pura (H₂O), ma termodinamicamente il sistema è bifasico ed eterogeneo per la coesistenza simultanea della fase solida e della fase liquida.

5. Nelle soluzioni binarie convenzionali, il solvente viene definito generalmente come:

A La specie chimica presente in difetto ponderale.

B La sostanza pura che non può formare legami intermolecolari con il soluto.

C Il componente presente in maggior quantità molare o che mantiene il proprio stato di aggregazione iniziale.

D L’unico componente in grado di evaporare a temperature ordinarie.

💡 Spiegazione: Per convenzione chimica, in assenza di passaggi di stato discordanti, il solvente è la specie presente in maggiore quota quantitativa o quella che definisce lo stato fisico finale della fase di soluzione.

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