Sistemi Eterogenei e Classificazione delle Dispersioni

Nei sistemi termodinamici eterogenei i componenti costitutivi formano due o più fasi fisicamente distinte, separate da superfici di demarcazione microscopiche o macroscopiche. Quando una fase discontinua è finemente suddivisa e distribuita all’interno di un’altra fase continua che funge da matrice, il sistema prende il nome generico di dispersione.

Le dispersioni vengono descritte attraverso la coppia fase disperdente (fase continua, solitamente preponderante in volume) e fase dispersa (fase discontinua o interna). La classificazione chimico-fisica delle dispersioni risponde primariamente alle dimensioni geometriche medie delle particelle che compongono la fase dispersa.

I Colloidi e le Pseudosoluzioni

I sistemi colloidali (o dispersioni colloidali) occupano una posizione intermedia fondamentale tra le soluzioni vere e le sospensioni grossolane. Le particelle colloidali hanno dimensioni comprese convenzionalmente tra 1 e 1000 nanometri (10^-9 m – 10^-6 m).

A un esame macroscopico sommario, molti colloidi appaiono otticamente limpidi o lievemente opalescenti, simulando il comportamento delle soluzioni omogenee (da cui l’antica definizione operativa di pseudosoluzioni). Tuttavia, la presenza di un’interfase tra le particelle disperse e il mezzo disperdente ne stabilisce la reale natura eterogenea microscopica.

La stabilità cinetica delle dispersioni colloidali nei confronti della precipitazione o coagulazione è garantita da due fattori principali:

• Il moto browniano: osservato originariamente dal botanico Robert Brown nel 1827, consiste in una traiettoria erratica, casuale e incessante che le particelle colloidali compiono a seguito degli urti asimmetrici e non compensati esercitati dalle molecole termicamente agitate del mezzo disperdente. Tale moto cinetico contrasta l’azione della forza di gravità, prevenendo la sedimentazione.
• Le cariche elettrostatiche superficiali: le particelle colloidali adsorbono preferenzialmente ioni dal mezzo o contengono gruppi ionizzabili, sviluppando un potenziale elettrochimico di superficie (potenziale zeta). La repulsione coulombiana tra particelle aventi carica dello stesso segno impedisce l’avvicinamento a corto raggio e la conseguente aggregazione mediata dalle forze attrattive di van der Waals.

Fenomenologia Ottica: L’Effetto Tyndall

Il metodo diagnostico basilare per distinguere sperimentalmente una soluzione vera da un colloide è l’effetto Tyndall. Quando un fascio di luce monocromatica o policromatica attraversa una soluzione pura, le dimensioni dei soluti (inferiori a 1 nm) risultano enormemente minori rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione visibile (λ ≈ 400–700 nm); la luce attraversa il mezzo senza apprezzabile diffusione laterale e il tragitto ottico rimane invisibile.

Al contrario, le particelle colloidali hanno dimensioni comparabili con le lunghezze d’onda del visibile. L’interazione tra i fotoni incidenti e gli elettroni della particella genera un fenomeno di diffusione elastica della radiazione (scattering di Rayleigh o Mie a seconda del diametro), diffondendo la luce in tutte le direzioni spaziali e rendendo visibile il cono luminoso con una caratteristica opalescenza bluastra o biancastra.

Sospensioni ed Emulsioni

Nelle sospensioni grossolane, la fase dispersa solida possiede particelle con diametro superiore a 1 μm (1000 nm). A causa dell’elevata massa delle particelle, la forza gravitazionale prevale sulle forze di agitazione termica browniana, causando una separazione spontanea per sedimentazione o flottazione nel corso del tempo (come accade nelle dispersioni di fango o nelle miscele di idrossido di magnesio in acqua).

Le emulsioni costituiscono una sottoclasse peculiare di dispersioni eterogenee liquide/liquide, generate dalla miscelazione meccanica forzata di due fluidi immiscibili o solo parzialmente miscibili (come acqua e lipidi trigliceridi). In assenza di stabilizzanti chimici, la tensione interfacciale tra le due fasi porta rapidamente alla coalescenza delle goccioline disperse e alla separazione termodinamica del sistema in due strati liquidi distinti sulla base della densità (con la fase a minore densità, tipicamente idrocarburica, stratificata al di sopra della fase acquosa).

Per conferire stabilità cinetica a un’emulsione è necessaria la presenza di agenti tensioattivi o emulsionanti: molecole anfifiliche dotate di una testa polare idrofila e di una catena alifatica idrofobica che si dispongono all’interfase olio-acqua abbattendo la tensione superficiale e impedendo la fusione delle goccioline.

Concetti Chiave da Ricordare

• Le dispersioni eterogenee si articolano in fase dispersa (interna) e fase disperdente (continua).
• I colloidi hanno dimensioni di fase dispersa comprese tra 1 e 1000 nm; presentano stabilità cinetica dovuta al moto browniano e alle repulsioni elettrostatiche.
• L’effetto Tyndall consiste nella diffusione della luce visibile da parte delle particelle colloidali, assente nelle soluzioni omogenee vere.
• Le sospensioni hanno particelle > 1 μm soggette a sedimentazione gravitazionale spontanea.
• Le emulsioni sono dispersioni liquido-liquido tra fasi immiscibili, stabilizzabili unicamente mediante tensioattivi ed emulsionanti.