Concetti chiave
Chimica
Soluzioni
Miscibilità
Polarità
Solubilità

Introduzione
Probabilmente sapete che alcuni liquidi, come olio e acqua, non si mescolano insieme. Se li versi nello stesso contenitore, formeranno strati liquidi separati, uno sopra l’altro. Altri liquidi, ad esempio alcool e acqua, possono essere mescolati tra loro. Ma lo sapevate che una volta che entrambi questi liquidi si sono mescolati è possibile separarli di nuovo in due strati diversi? Come puoi farlo? La risposta potrebbe sorprendervi-con il sale! In questa attività scoprirai come funziona.

Background
Quando due liquidi possono essere mescolati insieme, sono “miscibili”—formano qualcosa chiamato una soluzione omogenea, il che significa che non è più possibile distinguere i due liquidi. Al contrario, quando non possono essere mescolati, sono “immiscibili” – formeranno due strati separati, chiamati una soluzione eterogenea. Per essere in grado di mescolare, le molecole di entrambi i liquidi devono essere in grado di attrarre l’un l’altro. Le molecole polari (ovvero la loro carica elettrica è distribuita in modo non uniforme, quindi hanno un lato più positivo e uno più negativo) tendono a formare legami idrogeno mentre le molecole non polari (che hanno un equilibrio di carica uguale) non tendono a formare tali legami. Poiché le molecole d’acqua sono polari, qualsiasi liquido che non ha molecole polari—come l’olio—è solitamente immiscibile con l’acqua.

Le molecole di alcol denaturato hanno una parte polare e non polare, il che significa che sono in grado di formare legami idrogeno con l’acqua e quindi in grado di mescolarsi con essa. Ma come puoi rompere questi legami per separare entrambi i liquidi una volta che sono mescolati? Devi aggiungere qualcosa alla miscela che compete con l’alcol nel legarsi alle molecole d’acqua. Una sostanza che può farlo è il sale. Il sale è un composto ionico, il che significa che è una sostanza costituita da molecole cariche elettricamente chiamate ioni. Quando i composti ionici si dissolvono in acqua, i singoli ioni si separano e vengono circondati da molecole d’acqua—un processo chiamato solvatazione. Poiché gli ioni di sale sono carichi, si dissolvono molto meglio in un solvente polare, che è anche leggermente più carico di un solvente non polare. Per questo motivo, gli ioni di sale attraggono le molecole d’acqua molto più fortemente delle molecole di alcol perché l’alcol è meno polare dell’acqua. Ciò significa che quando c’è molto sale, tutte le molecole d’acqua si legheranno agli ioni di sale, lasciando nessuno per formare legami idrogeno con le molecole di alcol. Di conseguenza, l’alcol diventa immiscibile con l’acqua e inizia a formare uno strato separato. Questo processo è chiamato “salatura” o ” separazione di fase indotta dal sale.”

Storicamente questo metodo è stato utilizzato nel processo di fabbricazione del sapone per rimuovere gli ingredienti che non dovrebbero essere nel prodotto finale del sapone. La salatura è anche comunemente usata nei laboratori di biochimica per purificare le proteine, perché diverse molecole proteiche diventano immiscibili a diverse concentrazioni di soluzioni saline. I chimici usano questa tecnica per estrarre liquidi da una soluzione, che è ciò che farai in questa attività: Separerai una miscela di alcool e acqua usando solo un cucchiaino di sale da cucina!

Materiali

• Quattro trasparente mini cups (due once) con coperchi
• marcatore Permanente
• acqua del Rubinetto
• alcool (70 per cento di alcol isopropilico)
• sale
• Set di cucchiai di
• area di Lavoro che può tollerare sversamenti
• Etanolo o acetone (si possono trovare nei negozi di ferramenta) (opzionale)
• sostituti del Sale come il cloruro di potassio o sali di Epsom (opzionale)

Preparazione

• Con il pennarello indelebile etichetta mini tazze 1, 2, 3 e 4.
• Aggiungere un cucchiaio e mezzo di acqua alle tazze 1 e 3.
• Aggiungere un cucchiaio e mezzo di alcool alle tazze 2 e 4.

Procedura

• Aggiungere un cucchiaino di sale all’acqua in tazza 1. Cosa succede al sale? Si dissolve nell’acqua?
• Mettere sul coperchio e agitare la tazza per circa 20 a 30 secondi. Che aspetto ha la miscela?
• Ripetere i due passaggi precedenti utilizzando cup 2 (con alcool denaturato). Cosa succede al sale questa volta? La miscela ha un aspetto diverso dalla miscela acqua-sale?
• Togliere il tappo dal pennarello indelebile e ruotare la punta in acqua in tazza 3 per circa 10 secondi. Metti il coperchio sulla tazza e scuotilo per cinque secondi. L’inchiostro si dissolve nell’acqua? Come appare la soluzione dopo l’agitazione?
• Ripetere il passaggio precedente con cup 4 (alcool denaturato). La miscela risultante sembra diversa? Se sì, cosa c’è di diverso? Puoi spiegare le differenze?
• Quindi, versare l’alcool dalla tazza 4 nell’acqua nella tazza 3. Rimettere il coperchio e ruotare la miscela per cinque secondi. L’alcol denaturato si mescola con l’acqua? Cosa succede al colore della miscela? Vedi strati separati che si formano?
• Ora, aggiungere un cucchiaino di sale alla miscela in tazza 3. Metti il coperchio sulla tazza e scuotilo per 20-30 secondi. Cosa succede quando aggiungi il sale alla miscela? La miscela ha un aspetto diverso prima e dopo l’agitazione? Se è così, come sembra diverso? Può spiegare i suoi risultati? Di che colore è la miscela?
• Extra: Puoi separare altre miscele liquide usando il sale? Che dire di etanolo e acqua o acetone e acqua? Prova diverse miscele liquide per scoprirlo!
• Extra: Ci sono altri sali—ad esempio cloruro di potassio, un sostituto del sale o sale Epsom—che potresti usare per separare i liquidi? Ripeti il test, ma questa volta usa un sale diverso dal sale da cucina. Vedi ancora gli stessi risultati? In caso contrario, in che modo i tuoi risultati sono diversi?
• Extra: Quanto sale hai bisogno per separare l’alcool e l’acqua? Scopri variando le quantità di sale che aggiungi alla miscela di alcool e acqua.

Osservazioni e risultati
Si dovrebbe avere visto che il sale facilmente sciolto in acqua in tazza 1. (Dopo averlo agitato il sale sembrava scomparire.) Ricorda che ciò si verifica perché le molecole di sale ionico si legano facilmente alle molecole d’acqua polari. Il sale, tuttavia, non si dissolveva facilmente nell’alcool di sfregamento in tazza 2. (Anche dopo averlo agitato sarai ancora in grado di vedere il sale.) Ciò si verifica perché le molecole di alcol sono meno polari dell’acqua, quindi gli ioni di sale non si legano con loro con la stessa facilità.

Con l’inchiostro pennarello indelebile si dovrebbe avere osservato l’esatto fenomeno opposto. L’inchiostro non si scioglie bene in acqua ma lo fa facilmente nell’alcool, dando a quest’ultimo molto più colore. Ciò è dovuto al fatto che l’alcol denaturato ha anche una parte della sua molecola che non ha cariche ed è non polare. Questa porzione è più compatibile con molecole non polari come l’inchiostro marcatore.

Quando si mescola l’alcol denaturato con l’acqua, le molecole di quest’ultimo creano legami idrogeno con le molecole d’acqua. L’alcol si dissolve nell’acqua per formare una soluzione omogenea, quindi non è più possibile distinguere l’alcol e l’acqua. Se si aggiunge sale alla miscela, tuttavia, il sale vuole dissolversi nell’acqua e compete con l’alcol per le molecole d’acqua. Poiché ci sono meno molecole d’acqua disponibili per creare legami idrogeno con le molecole di alcol, l’alcol diventa meno solubile nella miscela acqua–alcool, formando infine uno strato separato sopra l’acqua. Entrambi gli strati dovrebbero avere un colore diverso, con l’acqua per lo più limpida e l’alcol più colorato. Ciò si verifica perché l’inchiostro marcatore è più solubile nell’alcool denaturato.

Cleanup
Lavare tutte le miscele giù per il lavandino con abbondante acqua fredda. Lavarsi le mani e pulire l’area di lavoro.

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Questa attività ti ha portato in collaborazione con Science Buddies