Sostanze pure, miscugli, elementi e composti: esempi

Sostanze pure e miscugli: la prima scelta

Secondo Chemistry LibreTexts, nel corso di chimica introduttiva del College of Marin, una sostanza pura mantiene la stessa composizione in ogni punto del campione, e anche le sue proprietà non cambiano. Punto di fusione, colore e punto di ebollizione formano un solo insieme per tutto il campione. Un materiale fatto di due o più sostanze è invece un miscuglio.

Per classificare un campione si parte da qui. Composizione sempre identica: sostanza pura. Composizione che varia di campione in campione: miscuglio.

Esempio pratico: il sale da cucina (cloruro di sodio) è una sostanza pura, perché ha composizione uniforme e definita. L’acqua salata non lo è, perché la quantità di sale disciolto può variare da campione a campione.

In un miscuglio ogni componente conserva la propria identità e le proprie proprietà, e le quantità dei componenti possono variare, mentre un composto ha un rapporto fisso e definito. Anche il punto di fusione tradisce la differenza, come riporta la voce Melting point di Wikipedia: una sostanza pura fonde in un intervallo più stretto di una impura dello stesso materiale o di un miscuglio che la contiene. Più altri componenti ci sono, più la temperatura di fusione scende e più l’intervallo si allarga. Fanno eccezione gli eutettici, miscugli che fondono a temperatura netta e costante come una sostanza pura.

	Sostanza pura	Miscuglio
Composizione	Costante in ogni punto del campione	Può variare da campione a campione
Proprietà	Un solo insieme	Ogni componente conserva le sue
Fusione	Intervallo stretto	Intervallo più largo (salvo gli eutettici)
Esempio	Sale da cucina	Acqua salata

Miscugli omogenei ed eterogenei

Nel miscuglio omogeneo, spiega il testo del South Puget Sound Community College, ogni campione ha la stessa composizione di qualsiasi altro. Il caso più comune in chimica è la soluzione, una sostanza disciolta completamente in un’altra, e tutte le soluzioni sono miscugli omogenei. Anche le leghe lo sono: la voce Mixture di Wikipedia le descrive come soluzioni solide, miscugli omogenei di metalli. Un miscuglio omogeneo ha una sola fase, come una sostanza pura.

Nel miscuglio eterogeneo la composizione non è uniforme e le fasi sono due o più. Ne sono esempi la terra e la minestra di verdure. Olio e acqua formano due strati separati. La spremuta d’arancia contiene polpa solida e liquido, perciò va messa fra i miscugli eterogenei.

Esempio pratico: sale in acqua è omogeneo, con composizione uniforme e una sola fase. Sabbia in acqua è eterogeneo, perché i componenti restano ben distinguibili. Se poi si versa tanto zucchero che una parte resta sul fondo senza sciogliersi, anche il miscuglio zucchero-acqua diventa eterogeneo.

Miscuglio omogeneo e sostanza pura sembrano entrambi uniformi. Secondo LibreTexts li distingue la composizione, sempre la stessa nella sostanza pura e variabile nel miscuglio. La voce Mixture aggiunge che la distinzione dipende dalla scala del campionamento: in pratica un miscuglio è omogeneo se la proprietà che interessa è la stessa qualunque campione si prenda.

Elementi e composti

Elementi e composti rientrano tutti e due fra le sostanze pure. Un elemento resiste alla scomposizione in componenti chimicamente più semplici; per Treccani è una sostanza semplice fatta di atomi con lo stesso numero atomico, e a differenza dei composti non si scompone ulteriormente nelle comuni reazioni chimiche. Un composto contiene più di un elemento e proprio per questo si può scomporre in componenti più semplici. L’acqua, per esempio, è un composto di idrogeno e ossigeno.

Gli elementi noti sono circa 118, secondo LibreTexts, che non indica l’anno della cifra. Per gli elementi 113, 115, 117 e 118 IUPAC ha pubblicato nel 2016 due rapporti che ne hanno convalidato la scoperta, e il 28 novembre 2016 ha annunciato nomi e simboli approvati. Come sono ordinati e come si leggono lo spiega la tavola periodica. Nel Settecento, ricorda Treccani, si smise di pensare ai quattro elementi presocratici e si cominciò a individuarli per via sperimentale: Lavoisier ne individuò trentatré, secondo Treccani.

Lo stesso elemento può presentarsi in più forme, dette allotropi. Secondo LibreTexts l’ossigeno ha due allotropi comuni, O2 (quello dell’aria) e O3 (l’ozono), che ha tre atomi legati invece di due. Il carbonio ne ha molti: il diamante è trasparente e il materiale naturale più duro noto, la grafite è nera, opaca e tanto tenera da lasciare un segno sulla carta. Il diamante conduce pochissimo l’elettricità, la grafite è un ottimo conduttore.

Le proprietà chimiche e fisiche di un composto possono non somigliare a quelle degli elementi che lo formano. Il sodio è un metallo molle e lucido, il cloro un gas verde dall’odore pungente, e insieme formano il cloruro di sodio, un solido bianco cristallino. Nell’acqua l’idrogeno e l’ossigeno si combinano in rapporto fisso: 2 atomi di idrogeno per 1 di ossigeno.

La legge delle proporzioni definite, formulata da Joseph Proust nel 1797, dice che un composto contiene gli elementi in rapporto di massa fisso, qualunque sia l’origine o il modo di preparazione. In un campione di acqua pura l’ossigeno pesa circa 8/9 della massa e l’idrogeno 1/9. A fine Settecento il concetto di composto non era ancora ben definito e la legge era una novità: Claude Louis Berthollet sostenne che gli elementi potessero combinarsi in qualsiasi proporzione, e la legge fu contestata.

Materiale	Tipo	Motivo
Ossigeno (O2), ozono (O3)	Elemento	Un solo elemento, in due forme
Diamante, grafite	Elemento	Due forme del carbonio
Acqua	Composto	Idrogeno e ossigeno, 2 a 1
Cloruro di sodio	Composto	Sodio e cloro combinati
Bicarbonato di sodio (NaHCO3)	Composto	Sostanza pura, non un miscuglio
Acqua salata	Miscuglio omogeneo	Il sale può variare
Ottone	Miscuglio omogeneo	Lega di rame e zinco
Minestra di verdure	Miscuglio eterogeneo	Composizione non uniforme

Acqua di mare, acqua ossigenata, aria e bicarbonato

L’acqua di mare è una soluzione di sali in acqua: l’acqua è un composto, ma il miscuglio che si ricava dal mare contiene anche sale in quantità variabile, quindi non è una sostanza pura.

Secondo PubChem, il perossido di idrogeno è un forte ossidante usato in soluzione acquosa come sbiancante e antisettico locale. L’acqua ossigenata è questa soluzione: ne esistono a concentrazioni diverse, come quella al 3%, ed è un miscuglio omogeneo di un composto in acqua. Il perossido di idrogeno è instabile e si scompone rapidamente in ossigeno e acqua.

Il bicarbonato di sodio, invece, è un composto di ioni sodio e bicarbonato, di formula NaHCO3: una sostanza pura, una polvere cristallina bianca. Secondo PubChem, scaldato sopra i 50 °C inizia a dare anidride carbonica, acqua e carbonato di sodio.

L’aria è un miscuglio gassoso. Secondo NOAA (pagina aggiornata a luglio 2024), nell’aria secca l’azoto è il 78,084% del volume, l’ossigeno il 20,946%, l’argon lo 0,934% e l’anidride carbonica lo 0,042%. Il vapore acqueo è quasi sempre presente, fino a circa il 4% del volume totale.

Come si separano i miscugli

Per separare un miscuglio bastano tecniche che sfruttano cambiamenti fisici, e le sostanze pure che lo formano si riottengono sempre. Secondo la voce Mixture, i metodi meccanici sono distillazione, cromatografia, filtrazione, separazione per gravità e centrifugazione.

• Filtrazione: trattiene le particelle abbastanza grandi da fermarsi su un materiale poroso. Il terreno sospeso in acqua si filtra con un filtro da caffè, e il tè si separa dalle foglie nello stesso modo.
• Evaporazione: separa un solido solubile da un liquido. Con questa tecnica si ottiene il sale da cucina dall’acqua di mare, e nelle saline il calore viene dal sole.
• Distillazione semplice: dopo il riscaldamento del miscuglio, per primo diventa vapore il componente più volatile, alla temperatura più bassa. Il vapore, raffreddato in un condensatore, ridiventa liquido e si raccoglie come distillato.
• Cromatografia: i componenti del miscuglio attraversano un mezzo e avanzano a velocità diverse. Con la cromatografia su strato sottile si separano i composti colorati di una foglia di spinaci.
• Decantazione: si travasa lo strato superiore e sul fondo restano il liquido più denso o il solido; la proprietà sfruttata è la densità. Serve per liquidi non miscibili o per un solido in sospensione.
• Centrifugazione: sfrutta la forza centrifuga: i componenti più densi si spostano verso l’esterno, e la separazione dipende da dimensione, forma e densità delle particelle e dalla viscosità del mezzo.

Un composto, invece, si scompone con una reazione chimica, come fa il bicarbonato scaldato oltre i 50 °C.