Stato supercritico

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Diagramma di stato dell'anidride carbonica, dove è visibile la zona in cui si realizza lo stato supercritico (supercritical fluid).

Un fluido si dice essere in uno stato supercritico (e si dice fluido supercritico) quando si trova in condizioni di temperatura superiore alla temperatura critica e pressione superiore alla pressione critica.[1] In queste condizioni le proprietà del fluido sono in parte analoghe a quelle di un liquido (ad esempio la densità) ed in parte simili e quelle di un gas (ad esempio la viscosità).

Lo stato supercritico di un fluido può verificarsi ad una temperatura inferiore a quella di congelamento; in tal caso anche la più piccola perturbazione del fluido porta alla modifica del suo stato fisico da liquido in solido.

I fluidi nello stato supercritico trovano applicazione come solventi industriali, in sostituzione di quelli organici. In particolare l'anidride carbonica supercritica è largamente utilizzata.

Introduzione[modifica | modifica wikitesto]

Nel 1822 il Barone Charles Cagniard de la Tour scoprì il punto critico di una sostanza nei suoi esperimenti con i cannoni. Ascoltando le discontinuità nel rumore di una sfera di selce in un cannone sigillato contenente fluidi a varie temperature osservò la temperatura critica. Al di sopra di questa temperatura le densità delle fasi liquida e gassosa diventano uguali e le fasi stesse divengono indistinguibili, da ciò risulta una singola fase fluida supercritica. Le fasi di un elemento o composto possono essere studiate su appositi diagrammi di fase.

Proprietà[modifica | modifica wikitesto]

In termini generali i fluidi supercritici hanno proprietà intermedie tra quelle di un gas e di un liquido. In aggiunta, non esiste tensione superficiale in un fluido supercritico, data l'inesistenza di legami liquido/gas.

Cambiando la pressione e la temperatura del fluido, le proprietà caratteristiche possono essere avvicinate a quelle del fluido o del gas. Una delle più importanti proprietà è quella della solubilità di un materiale nel fluido. In un fluido supercritico la solubilità tende ad incrementare con la densità del fluido (a temperatura costante). Dal momento che la densità aumenta con la pressione, la solubilità quindi tende ad aumentare con la pressione.

Il legame con la temperatura è più complesso. A densità costante la solubilità aumenta con la temperatura, ma quando ci si avvicina al punto critico, la densità può diminuire drasticamente con un leggero aumento della temperatura. Quindi, vicino al valore di temperatura critica, la solubilità spesso diminuisce con l'aumentare della temperatura e poi aumenta nuovamente.

Tutti i fluidi supercritici sono completamente miscibili tra loro, dal che si deduce che è possibile ottenere una miscela monofasica di fluidi se viene superato il punto critico della miscela desiderata. Il punto critico di una miscela binaria può essere stimato con la media aritmetica delle temperature critiche e pressioni dei due componenti.

T_{mix}^c = x_A \cdot T_A^c + x_B \cdot T_B^c

in cui T_{mix}^c è la temperatura critica della miscela, T_A^c e T_B^c le temperature critiche dei singoli componenti, x_A x_B le loro frazioni molari.

Tabella delle proprietà[modifica | modifica wikitesto]

Proprietà critiche di alcuni prodotti comunemente utilizzati come fluidi supercritici.


Tabella 1. Proprietà critiche di vari solventi. (Reid et al., 1987)
Solvente Peso molecolare Temperatura critica Pressione critica Densità critica
g/mol K MPa (atm) g/cm3
Anidride carbonica (CO2) 44,01 304,1 7,38 (72,8) 0,469
Acqua (H2O) 18,015 647,096 22,064 (217,755) 0,322
Metano (CH4) 16,04 190,4 4,60 (45,4) 0,162
Etano (C2H6) 30,07 305,3 4,87 (48,1) 0,203
Propano (C3H8) 44,09 369,8 4,25 (41,9) 0,217
Etilene (C2H4) 28,05 282,4 5,04 (49,7) 0,215
Propilene (C3H6) 42,08 364,9 4,60 (45,4) 0,232
Metanolo (CH3OH) 32,04 512,6 8,09 (79,8) 0,272
Etanolo (C2H5OH) 46,07 513,9 6,14 (60,6) 0,276
Acetone (C3H6O) 58,08 508,1 4,70 (46,4) 0,278

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Estrazione[modifica | modifica wikitesto]

I vantaggi dell'estrazione con fluidi supercritici (rispetto all'estrazione con liquidi) risiedono soprattutto nella rapidità dell'operazione, date le basse viscosità ed alta diffusività dei supercritici. Le estrazioni possono essere rese selettive controllando la densità del mezzo ed il materiale estratto è facilmente recuperato abbassando la pressione, permettendo al fluido supercritico di ritornare alla fase gassosa ed evaporare, lasciando poche tracce di solvente. Questa è una tecnica utilizzata largamente nel decaffeinare i chicchi non tostati del caffè, nell'estrazione di luppolo per la produzione di birra e la produzione di olii essenziali e prodotti farmaceutici derivati da vegetali.

Lavaggio a secco[modifica | modifica wikitesto]

Come solvente può essere utilizzata anidride carbonica supercritica al posto del PERC (percloroetilene) o di altre sostanze tossiche. I detergenti che sono solubili in biossido di carbonio migliorano il potere solvatante del solvente stesso.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "supercritical fluid"

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]