Perché acqua ed olio sono tra loro immiscibili? Esiste una tabella di sostanze immiscibili tra loro?

La causa dell’immiscibilità tra acqua ed olio è da ricercarsi nel tipo
di interazioni che si instaurano tra le due sostanze, intendendo per “interazioni”
le forze attrattive o repulsive che si formano quando molecole di una
stessa sostanza o di sostanze differenti si avvicinano tra loro.

La forza agente tra due o più molecole è la
sovrapposizione di tre tipi di forze:

1. Legame idrogeno: è un tipo molto
forte di interazione dipolo-dipolo e si instaura quando un atomo di idrogeno
è legato chimicamente ad un atomo molto elettronegativo in una molecola;
si sviluppa una frazione di carica positiva sull’idrogeno che diviene
altamente polarizzato (+) ed una frazione negativa sull’altro atomo (-).
Inoltre è necessario che sul secondo atomo sia presente almeno una coppia
di elettroni di non legame. Quando una seconda molecola si avvicina, si
orienta in modo da esporre la propria coppia di elettroni liberi verso
l’idrogeno [Fig.1] ed in questo modo si genera una grande forza di attrazione
elettrostatica. Tipici atomi molto elettronegativi sono Ossigeno, Cloro,
Azoto, Bromo. Il legame idrogeno è la più forte delle interazioni tra
molecole in termini di energia. L ‘intensità della forza dipende dall’atomo
legato all’idrogeno e dalla coppia di elettroni libera.

Fig.1: Interazione legame idrogeno tra
due molecole (sfere) tramite gruppi ossidrilici (O-H)

2. Interazione dipolo-dipolo: quando due atomi generici
differenti (X, Y) sono legati chimicamente, a causa della loro differente
capacità di attrarre gli elettroni, si instaura tra loro una differenza
di posizione tra il baricentro delle cariche positive (+) e negative (-)
generando un dipolo elettrico [Fig.2] e la molecola si dice polare. Ora
due dipoli elettrici vicini tendono ad orientarsi in modo che il baricentro
del primo dipolo (+) sia vicino a quello (-) del secondo dipolo e ad attrarsi
elettrostaticamente. L’effetto è simile al precedente, difatti il legame
idrogeno non è che un tipo particolare di interazione dipolo-dipolo, ma
in questo caso l’attrazione non è potenziata dalla presenza di elettroni
liberi. Dopo il legame idrogeno, le interazioni dipolo sono le forze di
attrazione intermolecolare maggiori. La loro intensità dipende dall’intensità
del dipolo elettrico.

Fig.2 due molecole dotate di dipolo
interagiscono

3. Forze di van dee Waals: sono forze di energia
inferiore rispetto alle precedenti: si dividono in:

A: dipolo-dipolo indotto: quando una molecola polare si avvicina
ad una non polare induce in quest’ultima un dipolo eletrico di minore
intensità che perdura fintanto che le due molecole restano vicine.
Si genera così attrazione come per il dipolo-dipolo [Fig.3]. L’intensità
è proporzionale al dipolo che induce polarizzazione e dalla polarizzabilità
della seconda molecola, grandezza che a sua volta cresce con la superfice
della molecola.

B: dipolo istantaneo-dipolo indotto: sono dette forze di dispersione
di London, dal nome del fisico che le ha studiate. Gli elettroni che
si muovno continuamente attorno ad un nucleo creano piccolissimi dipoli
istantanei che inducono a loro volta dipoli istantanei su molecole
vicine. Queste forze sono debolissime, ma la loro somma genera una
risultante che tiene assieme molecole non polari. Sono proporzionali
alla superfice delle molecole interagenti.

Fig.3: interazione forze di van der Waals

Il lettore avrà notato come le interazioni che si originano
a livello molecolare siano prevalentemente di tipo elettrostatico. Difatti
le interazioni gravitazionali al livello di singole molecole sono troppo
ridotte per avere un effetto preponderante, mentre le distanze in gioco
(dell’ordine di 10-10 metri) sono troppo grandi perché agiscano le forze
nucleari.

Veniamo ora al caso particolare di acqua ed olio.

La regola generale pratica e molto utile che viene insegnata
agli studenti di chimica è che “il simile scioglie il simile” facendo
riferimento al tipo di sostanza ed al tipo di interazioni. Così molecole
dotate principalmente di legami idrogeno si scioglieranno bene in sostanze
tenute assieme pure da legami idrogeno e così vale per gli altri due
tipi di interazioni, vicecersa interazioni differenti tenderanno ad
escludersi vicendevolmente.

Nell’acqua prevalgono le forze di tipo legami idrogeno
come per il metanolo, l’acido acetico (aceto) e l’alcool etilico, pertanto
l’acqua si scioglie (miscela) bene con queste sostanze.

Al contrario nell’olio (l’olio di oliva è principalmente
formato da trioleina, trigliceride di acido oleico) le forze di interazione
sono principalmente di tipo di van der Waals (e in misura minore di
tipo dipolo-dipolo), come in generale per gli idrocarburi a catena lunga
di questo tipo, pertanto si scioglierà bene in solventi apolari (pentano,
esano, ottano, cicloesano, idrocarburi liquidi a catena corta C6-C9)
e idrocarburi alogenati polari e non polari.

Quindi l’acqua e l’olio hanno differenti tipi di interazioni
e tenderanno a non miscelarsi tra loro.

È meglio comunque tenere a mente che, mentre il legame
idrogeno tende ad escludere le le altre interazioni, le altre interazioni
sono meno repulsive tra di loro, almeno per molecole piccole e non polimeriche.
Così l’acqua non si miscela con gli idrocarburi non polari privi di
possibilità di legami idrogeno e con gli idrocarburi polari, mentre
queste ultime due classi di composti sono miscibili tra loro in diversa
misura. L’acqua si miscela bene invece con gli alcooli fino all’alcool
butilico e nelle ammine a catena corta (fino C5, cinque atomi di carbonio).

Non mi risulta esista una tabella di “immiscibilità” delle
sostanze, piuttosto esistono tabelle di miscibilità in acqua di vari
solventi.

Qui di seguito riporto una tabella con indicato la miscibilità
con acqua di alcuni solventi, indicando il valore oppure una stima qualitativa
(poco solubile, insolubile), tenendo presente che un liquido insolubile
lascia comunque delle racce residue e che per poco solubile intendo
pochi grammi per litro d’acqua. Un composto miscibile in tutti i rapporti
viene indicato con il simbolo
(infinito).

Miscibilità di alcuni solventi in acqua

n-esano

Immiscibile

n-eptano

Immiscibile

n-ottano

Immiscibile

n-decano

Immiscibile

Toluene

Immiscibile

Benzene

Immiscibile

Cloro benzene

Immiscibile

Dicloro benzene

Immiscibile

Dicloro etano

Immiscibile

Trielina

Immiscibile

Olio di oliva (trioleina)

Immiscibile

Diclorometano

Immiscibile

Cloroformio (triclorometano)

Poco solubile

Tetraidrofurano

Poco solubile

Etere etilico

Solubile / Poco solubile

Metil-etil-etere

Poco solubile

Acetone

Metil-etil-chetone

Solubile

Metanolo

Etanolo

Benzilico

4g/100g acqua

Terz-butanolo

Alcool isopropilico

Propanolo

Butanolo

7,9g/100g acqua

Pentanolo

2,3g/100g acqua

Esanolo

0,6g/100g acqua

Fenolo

Poco solubile / insolubile

Xilene

Immiscibile

Etilbenzene

Inmmiscibile

Dietilammina

Solubile

Trietilammina

Solubile

Trimetilammina

Solubile

Bibliografia:
R.T.Morrison, R.N.Boyd “Chimica Organica“, 5a ed.1991, Casa Editrice
Ambrosiana

S.Longhini, “Il libro della chimica“, 1961 Garzanti

M.Nardelli “Introduzione alla chimica Moderna“,
2a ed.1991, Casa Editrice Ambrosiana