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Perché le soluzioni sovrassature sono considerate un fenomeno misterioso nella comunità scientifica?
In chimica fisica, la sovrasaturazione si verifica quando la concentrazione di un soluto in una soluzione supera la solubilità di quel soluto all'equilibrio. Questo fenomeno si applica principalmente ai soluti solidi nei liquidi, ma può riguardare anche i liquidi e i gas che si dissolvono nei liquidi. Una soluzione sovrassatura si trova in uno stato metastabile e può tornare all'equilibrio dissociando il soluto in eccesso, aggiungendo solvente per diluirlo o aumentando la solubilità del soluto.
Lo studio delle soluzioni sovrassature risale ai primi esperimenti con il solfato di sodio, un sale ideale per le prime ricerche perché la sua solubilità in acqua diminuisce all'aumentare della temperatura.
Col tempo, gli scienziati hanno gradualmente capito che il processo di cristallizzazione delle soluzioni sovrassature non si basa esclusivamente sull'agitazione, come si credeva in precedenza, ma richiede l'aggiunta di "semi" solidi per avviare il processo di cristallizzazione. Questo concetto fu ampliato dal famoso chimico Gay-Lussac, che sottolineò l'influenza della cinematica degli ioni sale e delle caratteristiche del contenitore sullo stato sovrassaturo. Successivamente Henry Lowell ipotizzò che il processo di cristallizzazione fosse catalizzato dai nuclei presenti nella soluzione e dalle pareti del contenitore.
Esempi e meccanismi di sovrasaturazione
Quando si modifica la temperatura di una soluzione satura, la soluzione di un composto in un liquido diventa sovrasatura. In genere, al diminuire della temperatura, la solubilità diminuisce e il soluto in eccesso si separa rapidamente dalla soluzione sotto forma di cristalli o polvere amorfa. Tuttavia, ci sono casi in cui accade il contrario. La ricristallizzazione è un processo utilizzato per purificare composti chimici. Comporta il riscaldamento di una miscela di impurità e solvente fino a quando il composto non si è sciolto, quindi la filtrazione delle impurità rimanenti e quindi l'abbassamento della temperatura per sovrassaturare brevemente la soluzione.
Questi processi illustrano il comportamento delle soluzioni sovrassature e indicano che minuscoli cristalli o particelle di vetro possono agire come nuclei per indurre la cristallizzazione.
Interazione di soluti gassosi e liquidi
La solubilità di un gas in un liquido aumenta all'aumentare della pressione del gas. Quando la pressione esterna viene ridotta, il gas in eccesso viene rilasciato dalla soluzione. Ad esempio, le bevande gassate frizzano perché l'anidride carbonica si dissolve nel liquido ad alta pressione. Quando la bottiglia viene aperta, la pressione diminuisce e il gas viene rilasciato sotto forma di bolle. Per i subacquei, quando il corpo è sovrasaturo di gas, la risalita in superficie può comportare il rischio di malattia da decompressione.
Applicazioni supersature
Nel campo farmaceutico, le soluzioni sovrassature hanno applicazioni pratiche. Creando una soluzione sovrasatura di un farmaco, il farmaco può essere assunto in forma liquida. Questo stato di sovrasaturazione del farmaco può favorirne l'assorbimento nell'organismo e anche i farmaci assunti in forma cristallina possono formare uno stato di sovrasaturazione nell'organismo. Questo fenomeno è chiamato sovrasaturazione interna e, utilizzando strumenti per identificare soluzioni sovrasature, gli ecologi marini possono studiare l'attività degli organismi e delle popolazioni per determinare la produttività biologica di una regione.
Per quanto riguarda la scienza atmosferica, l'esistenza della sovrasaturazione è stata riconosciuta fin dagli anni '40. Quando la troposfera è sovrasatura di vapore acqueo, aumenta la probabilità che l'acqua congeli. Ciò dimostra l'importanza dei fenomeni di sovrasaturazione in meteorologia e nelle scienze ambientali.
Quando le molecole d'acqua sono in uno stato sovrasaturato, l'umidità relativa può talvolta superare il 100%, un fenomeno che gli scienziati devono ancora esplorare in modo approfondito.
Le soluzioni sovrasature non solo ispirano l'entusiasmo degli scienziati nella ricerca, ma svelano anche la logica alla base di molti fenomeni misteriosi in natura. Quali sono le leggi e i meccanismi operativi delle reazioni in questi stati estremi?
