Distillazione in chimica: definizione, tipi, esempi e usi

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Nel mondo della chimica, la distillazione è una di quelle tecniche che tornano sempre utili quando bisogna separare sostanze mescolate tra loro in modo omogeneo; in pratica, si sfrutta il diverso comportamento delle componenti al variare della temperatura per ottenere un campione più puro o isolare un componente specifico. È una procedura tanto comune in laboratorio quanto importante in ambito industriale, dalle bevande alcoliche al petrolio.

Benché l’idea alla base sembri semplice, dietro c’è una fisica precisa: la separazione si fonda sulla differenza di punto di ebollizione e sulla volatilità relativa dei componenti. Scaldando la miscela fino a raggiungere l’ebollizione del componente più volatile, si genera vapore che, opportunamente raffreddato in un condensatore, torna liquido (il distillato) e viene raccolto in un recipiente diverso, lontano dagli altri costituenti.

Che cos’è la distillazione e su quale principio si basa

Quando si parla di distillazione, si parla di un metodo fisico di separazione per miscele omogenee, cioè sistemi che all’apparenza mostrano una sola fase. La variabile che si modifica intenzionalmente è la temperatura: si fornisce calore finché uno dei componenti raggiunge il suo punto di ebollizione, passa allo stato di vapore e si separa dagli altri.

Il cuore del processo è l’equilibrio liquido–vapore: in condizioni controllate, il componente con punto di ebollizione più basso e maggiore volatilità vaporizza per primo. Questo vapore viene guidato in un condensatore, dove scorre acqua fredda nelle camicie esterne, così da sottrarre calore e far ricondensare il vapore in liquido. Il liquido che si ottiene è il distillato.

La proprietà chiave sfruttata è il punto di ebollizione, ossia la temperatura alla quale la pressione del vapore del liquido eguaglia la pressione esterna. In pratica, variando la temperatura si separano sostanze con punti di ebollizione distinti, purché non formino miscele con comportamento peculiare come gli azeotropi.

Non tutte le miscele rispondono allo stesso modo al riscaldamento: in alcune, le differenze di temperatura di ebollizione sono marcate e la distillazione è diretta; in altre, i punti di ebollizione sono molto vicini e serve una strategia più accurata per discriminare i vapori, come la colonna di frazionamento.

Apparecchiatura di base e funzionamento

In laboratorio, la vetreria è piuttosto standard. Per una distillazione semplice occorrono tipicamente: un pallone da distillazione per contenere la miscela, una fonte di calore (manto riscaldante o becco Bunsen con tela di amianto), un termometro per monitorare la temperatura, un condensatore dove circola acqua fredda, e un recipiente di raccolta, come una provetta graduata, un becher o un erlenmeyer.

Il flusso dell’acqua nel condensatore segue una regola pratica che conviene ricordare: l’acqua entra dal basso ed esce dall’alto. In questo modo si garantisce un riempimento efficace della camicia e uno scambio termico uniforme, evitando zone d’aria che ridurrebbero l’efficienza di raffreddamento.

Un dettaglio spesso sottovalutato riguarda la stabilità dell’ebollizione: l’uso di perle di vetro (anti-bumping) aiuta a prevenire ebollizioni tumultuose, favorendo una formazione regolare di bolle e proteggendo sia il campione sia la vetreria.

Tutti i giunti devono essere ben serrati e, se necessario, sigillati con grasso per vuoto o guarnizioni idonee: perdite di vapore comportano cali di resa e imprecisioni nella separazione. È altrettanto importante che il sistema non sia mai completamente sigillato, per evitare sovrapressioni pericolose.

Distillazione semplice

La distillazione semplice è indicata quando si deve separare un solido disciolto in un liquido (miscela omogenea), oppure quando i punti di ebollizione sono molto distanti e la separazione non richiede frazionamento. Solo il solvente liquido vaporizza all’ebollizione e poi si ricondensa, mentre il soluto solido rimane nel pallone.

Un esempio classico è la separazione di acqua e cloruro di sodio (il comune sale da cucina). L’acqua bolle attorno a 100 °C a pressione atmosferica, mentre il sale possiede un punto di ebollizione molto più elevato (circa 1465 °C) e resta stabilmente nella fase solida. In questo scenario, il vapore d’acqua migra verso il condensatore e il sale si cristallizza nel pallone.

Operativamente, si inserisce la soluzione nel pallone, si avvia un riscaldamento graduale e si monitora il termometro; quando il liquido comincia a bollire, il vapore attraversa il testa-t di distillazione e giunge nel condensatore. Raffreddandosi, il vapore ritorna liquido e viene raccolto in un recipiente pulito, ottenendo il distillato (l’acqua).

La resa dipende dall’accuratezza della montatura, dall’efficienza del raffreddamento e dal controllo della temperatura. In ambito didattico e analitico, la distillazione semplice è spesso usata anche per concentrare solventi o per determinare, dopo completa evaporazione, la massa del residuo solido con una bilancia analitica.

• Pallone da distillazione: contiene la miscela; può essere a fondo tondo (tipico con mantello riscaldante) o a fondo piatto (su tela di amianto).
• Manto riscaldante o becco Bunsen: forniscono il calore; la scelta dipende dall’infiammabilità della miscela.
• Termometro: consente di seguire l’innesco dell’ebollizione e la stabilità della temperatura.
• Condensatore a camicia: attua lo scambio termico con acqua fredda, trasformando il vapore in liquido.
• Recipiente di raccolta: provetta graduata, becher o erlenmeyer per il distillato.

Nelle industrie alimentari e delle bevande, e in quelle dei biocarburanti, la distillazione semplice (o i suoi analoghi in impianti più complessi) è parte di linee di processo consolidate; nei laboratori controllo qualità, apparecchiature simili a quelle accademiche sono usate per piccoli lotti o analisi di routine.

Distillazione frazionata

Quando la miscela è formata da liquidi miscibili con punti di ebollizione differenti, e questi punti sono relativamente vicini, la distillazione frazionata diventa la scelta migliore. La sua peculiarità è la presenza di una colonna di frazionamento fra il pallone e il condensatore.

La colonna introduce una serie di “ostacoli” al passaggio dei vapori: può essere riempita con palline di porcellana, anelli di Raschig o altre impaccature, oppure avere piatti/bande. Grazie a successivi cicli locali di vaporizzazione–condensazione, il vapore che risale la colonna si arricchisce progressivamente del componente più volatile, migliorando la separazione. La colonna di frazionamento è quindi l’elemento chiave per aumentare l’efficacia.

La separazione avviene in ordine di punto di ebollizione crescente: prima distilla il componente con T di ebollizione più bassa, poi, a temperatura più alta, gli altri. In termini pratici, si raccolgono frazioni a intervalli di temperatura, ottenendo tagli relativamente puri.

Un esempio industriale iconico è il frazionamento del petrolio. In una torre di distillazione, riscaldata alla base (circa 400 °C), si formano vapori che risalgono e si condensano a quote diverse: il butano (∼20 °C) condensa tra i primi, la benzina (∼150 °C) più in alto, il cherosene (∼300 °C) ancora oltre, e via via fino alle frazioni più pesanti, che restano in basso. Non si ottengono sostanze purissime, ma gamme di idrocarburi con simili masse molari.

In laboratorio, la colonna di frazionamento si monta tra pallone e condensatore; con miscele come etanolo/acqua, l’etanolo (∼78,37 °C al livello del mare) inizia a vaporizzare prima dell’acqua (∼100 °C), attraversa la colonna e raggiunge il condensatore. Quando la temperatura sale fin quasi a 100 °C, la colonna ostacola il vapore d’acqua, favorendo il mantenimento di un distillato ricco nel componente più volatile.

Attenzione però agli azeotropi: la miscela etanolo/acqua al 96% in massa di etanolo (circa 96:4) si comporta come se fosse una sostanza pura e bolle a una temperatura costante (circa 78,1 °C) senza ulteriore arricchimento per semplice distillazione. In questi casi, da sola, la distillazione non permette di superare il limite azeotropico.

• Colonna di frazionamento: elemento cruciale, aumenta il numero di “piatti teorici” e l’efficienza di separazione.
• Controllo della temperatura: raccolta frazioni in intervalli mirati aiuta a massimizzare la purezza.
• Velocità di riscaldamento: risalite lente migliorano l’equilibrio liquido–vapore e la selettività.

Distillazione per trascinamento di vapore

Esiste un’ulteriore configurazione molto utile quando si desidera estrarre componenti volatili da una matrice solida o da miscele termolabili: la distillazione per trascinamento di vapore (steam distillation). Qui il vapore d’acqua funge da veicolo per volatilizzare e trasportare i composti desiderati.

Il sistema tipico prevede due palloni: nel primo si genera vapore d’acqua, nel secondo si colloca il materiale contenente i composti volatili. Il vapore dal pallone 1 attraversa il pallone 2, vaporizza le sostanze aromatiche o essenziali, e la miscela di vapori convogliata nel condensatore si ricondensa.

All’uscita si ottiene una fase acquosa e, a seconda della miscela, una fase organica separata o un’emulsione. Il recupero delle essenze (oli essenziali, profumi) è uno dei campi d’elezione di questa tecnica: fiori, legni e piante aromatiche sono classici esempi di materiali trattati.

• Pallone 1 (acqua): serve solo a produrre vapore pulito.
• Pallone 2 (miscela da estrarre): contiene il solido o la miscela con le sostanze volatili.
• Condensatore: ricondensa la miscela di vapore d’acqua e composti estratti.
• Recupero: la separazione successiva può richiedere decantazione o estrazione.

Il vantaggio è duplice: si lavora a temperature effettive più basse rispetto al punto di ebollizione del singolo componente (per effetto della tensione di vapore complessiva) e si riducono fenomeni di degradazione termica, preservando la qualità degli aromi.

Esempi pratici e casi di studio

Consideriamo una soluzione di acqua e saccarosio. Scaldando, solo l’acqua vaporizza e viene raccolta come distillato; lo zucchero resta come residuo nel pallone. Questo è un caso tipico per la distillazione semplice, analogo a quello dell’acqua salata.

Per miscele come acqua e acetone, con punti di ebollizione diversi ma non troppo distanti, si predilige la distillazione frazionata per aumentare l’efficienza della separazione. Il controllo accurato della temperatura e il corretto dimensionamento della colonna risultano decisivi.

Nel settore degli alcolici, il mosto fermentato entra in alambicchi che ricordano, per principio, gli schemi di laboratorio: fornace (fonte di calore), caldaia (pallone), serpentina (condensatore) e recipiente di raccolta. Ripetendo distillazioni successive si arriva a gradi alcolici più elevati.

Nel raffinamento del petrolio, la torre di distillazione funziona come una colonna frazionante gigante: piatti a temperature diverse consentono di prelevare frazioni in quota. Le frazioni leggere salgono e condensano in alto, quelle pesanti restano in basso o si prelevano a livelli inferiori.

Proprietà fisiche coinvolte e limiti della tecnica

La distillazione si basa su proprietà fisiche, non chimiche: punto di ebollizione, volatilità e pressione di vapore. Per questo motivo è efficace per separare sostanze che differiscono in tali proprietà, senza alterare la loro natura chimica.

I limiti principali emergono quando i punti di ebollizione sono molto vicini o quando si formano azeotropi. Le miscele azeotropiche (come etanolo/acqua vicino al 96/4) presentano un punto di ebollizione costante e composizione di vapore uguale a quella del liquido, bloccando l’arricchimento tramite distillazione semplice o frazionata.

Un altro fattore è la stabilità termica: alcune molecole degradano a temperature prossime alla loro ebollizione. In tali casi, il trascinamento di vapore o la distillazione sotto vuoto (riducendo la pressione, si abbassa la temperatura di ebollizione) diventano opzioni valide.

Infine, nelle applicazioni reali, purezza e resa dipendono da geometria della colonna, impaccamento, numero di piatti teorici, rapporto di riflusso e velocità di riscaldamento. Una buona pratica operativa fa spesso la differenza tra una separazione mediocre e una molto efficiente.

Attrezzatura: dettagli operativi e consigli

Il condensatore a camicia è la tipologia più comune in laboratorio: ha un tubo interno per il vapore e una camicia esterna per l’acqua. La portata dell’acqua dev’essere sufficiente a mantenere fredda la camicia, senza sprechi eccessivi; talvolta si usa un ricircolo con ghiaccio per migliorare il raffreddamento.

Il termometro va posizionato in modo che la punta sia alla quota del passaggio del vapore, di solito all’ingresso del braccio di distillazione o appena prima della colonna; questo assicura una lettura fedele della temperatura del vapore che entra nel condensatore.

Il riscaldamento con mantello elettrico è preferibile per miscele infiammabili, riducendo i rischi associati alla fiamma libera del becco Bunsen; in ogni caso, mai scaldare un sistema chiuso e fissare sempre la vetreria con gabbie e morsetti stabili.

Per evitare perdite, si impiegano giunti smerigliati integri e, quando necessario, un sottile velo di grasso per vuoto. L’orientamento della vetreria va curato per impedire “sacche” dove il liquido possa accumularsi, favorendo un flusso regolare dei condensati.

Applicazioni principali

In campo alimentare e delle bevande, la distillazione è centrale nella produzione di whisky, grappa, vodka, cognac e altri distillati. Gli alambicchi in rame tradizionali e le colonne continue moderne realizzano tagli multipli per ottimizzare aromi e gradi alcolici.

Nell’industria petrolchimica, la distillazione frazionata è impiegata nel refining del greggio per ottenere frazioni come GPL, benzine, cherosene, gasoli e oli lubrificanti. Le torri sono alte strutture con molteplici piatti e sistemi di riscaldamento/raffreddamento.

Nei laboratori di sintesi, la distillazione consente la purificazione di solventi e intermedi, la rimozione di residui volatili e l’asciugatura di soluzioni. In ambito ambientale, si usa per desalinizzare acqua di mare o concentrare contaminanti per analisi successive.

Nel settore cosmetico e degli aromi, la distillazione per vapore è lo standard per estrarre oli essenziali da piante, fiori e legni, rispettandone i profili sensoriali grazie a temperature operative moderate.

Esempi di punti di ebollizione e ordine di separazione

Un quadro pratico aiuta a prevedere l’ordine di uscita dei componenti: butano ≈ 20 °C (estremamente volatile), benzina (ampia gamma, mediamente ≈ 150 °C), cherosene ≈ 300 °C. In una distillazione frazionata, il butano distilla per primo, seguito dalle frazioni tipo benzina e poi dal cherosene.

Per miscele di laboratorio come acqua/etanolo, l’etanolo bolle a circa 78,37 °C a livello del mare, mentre l’acqua a circa 100 °C; l’etanolo tende quindi a uscire per primo, a meno che la miscela non sia prossima alla composizione azeotropica, che impone un limite alla separazione per semplice distillazione.

Esercizi e domande di verifica

Per consolidare i concetti, ecco alcune domande tipiche. Prova a rispondere prima di controllare le soluzioni e verifica il ragionamento alla base di ciascuna scelta.

Q1. La distillazione è un metodo di separazione basato su una proprietà di tipo:
a) chimico
b) fisico
c) biologico
d) generale della materia

Soluzione: b) fisico. La distillazione sfrutta differenze fisiche come il punto di ebollizione e la volatilità.

Q2. Sono miscele separabili per distillazione (scegli l’eccezione):
a) acqua + acetone
b) salamoia (acqua + sale)
c) acqua + olio d’oliva
d) acqua di mare

Soluzione: c) acqua + olio d’oliva. Trattandosi di liquidi immiscibili, la separazione primaria è la decantazione, non la distillazione (che può eventualmente seguire, ma non è il primo passo).

Q3. Un sistema bifasico contiene tre liquidi A, B, C. A e B sono miscibili; C è immiscibile con A e con B; A è più volatile di B. Quali metodi separano al meglio i tre liquidi?
a) centrifugazione e decantazione
b) decantazione e fusione frazionata
c) filtrazione e centrifugazione
d) filtrazione e distillazione frazionata
e) decantazione e distillazione frazionata

Soluzione: e) decantazione e distillazione frazionata. Prima si decanta per separare C (immiscibile), poi si distilla frazionando A e B in base ai punti di ebollizione.

Domande frequenti operative

Come si imposta il flusso d’acqua nel condensatore? L’acqua deve entrare dal raccordo inferiore ed uscire da quello superiore; così si ottiene un riempimento completo e un efficace scambio termico controcorrente.

Perché usare perle di vetro? Servono ad evitare “bumping”, cioè bolle irregolari e violente; stabilizzano l’ebollizione, rendendo più regolare la formazione di vapore.

Che differenza c’è tra distillazione semplice e frazionata? La prima non usa colonna e si adatta a solidi in liquidi o a punti di ebollizione molto lontani; la seconda impiega la colonna per separare liquidi miscibili con punti di ebollizione vicini.

Posso superare un azeotropo con distillazione semplice? No. Gli azeotropi richiedono strategie aggiuntive (distillazione azeotropica/estrattiva, cambi di pressione, co-distillazioni, membrane, ecc.).

Sicurezza e buone pratiche

La sicurezza viene prima di tutto. Non chiudere mai ermeticamente il sistema (rischio di sovrapressione), non scaldare sostanze infiammabili con fiamma libera e utilizza sempre morsetti robusti e supporti stabili per la vetreria.

Controlla le tenute dei giunti e verifica la direzione dell’acqua nel condensatore. Evita volumi eccessivi nel pallone (riempimento tipicamente non oltre metà/ due terzi) per lasciare spazio all’ebollizione senza trascinamenti di liquido.

Per i solventi con punti di ebollizione elevati o sensibili alla temperatura, considera la distillazione sotto vuoto. Riducendo la pressione, scenderà anche la temperatura di ebollizione, diminuendo il rischio di decomposizione.

Infine, pianifica la separazione: informati su punti di ebollizione, eventuali azeotropi, compatibilità chimica con i materiali dell’impianto e strategie di smaltimento dei rifiuti liquidi e solidi, secondo normativa.

La distillazione si rivela una tecnica semplice da capire e potentissima da applicare: grazie al controllo accurato di temperatura, colonna e raffreddamento, si separano miscele omogenee sfruttando differenze di punto di ebollizione, si ottengono frazioni utili in laboratorio e su scala industriale (dalle bevande all’energia), e si gestiscono casi particolari come il trascinamento di vapore per estrarre componenti delicati; tenendo presente limiti come gli azeotropi e adottando buone pratiche di sicurezza, la resa e la qualità dei distillati migliorano sensibilmente.