Punto critico e fluidi supercritici: estrazione con CO2

Su ogni diagramma di fase c’è un punto oltre il quale la distinzione tra liquido e gas semplicemente sparisce: è il punto critico. Al di là di esso la materia entra in uno stato ibrido, il fluido supercritico, che ha proprietà a metà strada tra le due fasi e applicazioni sorprendentemente pratiche — dalla decaffeinizzazione del caffè all’estrazione di principi attivi con anidride carbonica.

Vediamo che cos’è il punto critico, come nasce un fluido supercritico, perché ha proprietà uniche e a che cosa serve nell’industria.

Il punto critico sul diagramma di fase

Il diagramma di fase di una sostanza mostra, nel piano pressione-temperatura, le regioni in cui è stabile il solido, il liquido o il gas, separate da curve di equilibrio. La curva che separa liquido e gas (la curva di evaporazione) non prosegue all’infinito: si interrompe in un punto preciso, il punto critico, definito da una temperatura critica Tᶜ e da una pressione critica Pᶜ. Oltre quel punto la linea tra liquido e gas non esiste più.

Che cosa succede al punto critico

Avvicinandosi al punto critico lungo la curva di evaporazione, il liquido e il vapore in equilibrio diventano sempre più simili: il liquido si espande e diventa meno denso, il vapore si comprime e diventa più denso, finché al punto critico le loro densità coincidono. A quel punto l’interfaccia tra le due fasi — il menisco che normalmente le separa — svanisce. Non si distingue più dove finisce il liquido e dove inizia il gas: c’è una sola fase.

oltre il punto critico (T > Tᶜ, P > Pᶜ): né liquido né gas → fluido supercritico

Al di sopra della temperatura critica, nessuna pressione, per quanto elevata, riesce più a liquefare il gas: si può solo comprimerlo fino a densità da liquido, ma resta una fase unica. È il motivo per cui certi gas «permanenti» non si liquefano a temperatura ambiente: la loro temperatura critica è troppo bassa.

Il fluido supercritico: il meglio dei due mondi

Un fluido supercritico è una sostanza portata oltre il proprio punto critico. Combina proprietà di liquido e gas in un modo unico: ha una densità vicina a quella di un liquido (quindi un buon potere solvente), ma una viscosità bassa e una capacità di diffondere elevata, tipiche di un gas (quindi penetra facilmente nei materiali). In più il suo potere solvente si può regolare con precisione semplicemente variando pressione e temperatura: si può «accendere» e «spegnere» la capacità di sciogliere una sostanza.

A che cosa servono i fluidi supercritici

L’applicazione più nota è l’estrazione con CO₂ supercritica. La CO₂ portata oltre il punto critico scioglie i composti desiderati da una matrice solida; poi, riducendo la pressione, torna gas e libera l’estratto puro, senza residui di solvente. Così si decaffeinizza il caffè, si estraggono oli essenziali, aromi, principi attivi vegetali e luppolo per la birra. La temperatura moderata preserva le sostanze sensibili al calore, e l’assenza di solventi organici rende il prodotto sicuro per alimenti e farmaci. Altri impieghi includono la cromatografia a fluidi supercritici, la pulizia di precisione e alcuni processi di reazione chimica condotti in mezzo supercritico.

Liquido, gas e supercritico a confronto

La tabella confronta le proprietà tipiche delle tre situazioni, mostrando perché il supercritico è così utile:

La combinazione «densità da liquido, mobilità da gas» è ciò che rende un fluido supercritico un solvente così efficace e penetrante. Aggiungendo la possibilità di modularne il potere solvente con la sola pressione, si capisce perché abbia trovato spazio in tante tecnologie di estrazione e separazione pulite.

Domande frequenti

Che cos’è il punto critico?

È il punto del diagramma di fase, definito da una temperatura critica e da una pressione critica, oltre il quale liquido e gas smettono di essere distinguibili. Avvicinandosi a esso le densità delle due fasi si avvicinano fino a coincidere e l’interfaccia tra loro scompare. La curva liquido-gas termina proprio nel punto critico.

Che cos’è un fluido supercritico?

È una sostanza portata a temperatura e pressione superiori al suo punto critico. In questo stato non è né liquido né gas, ma combina caratteristiche di entrambi: densità e potere solvente vicini a quelli di un liquido, viscosità bassa e grande capacità di diffusione come un gas. Il suo potere solvente si regola variando pressione e temperatura.

Perché si usa la CO₂ supercritica per l’estrazione?

Perché ha un punto critico facilmente raggiungibile, non è tossica né infiammabile, costa poco e si elimina dal prodotto semplicemente riportandola a pressione ambiente, dove torna gas senza lasciare residui. La temperatura moderata preserva le sostanze sensibili al calore, rendendola ideale per decaffeinizzare il caffè ed estrarre oli essenziali e principi attivi destinati ad alimenti e farmaci.

Sopra la temperatura critica si può ancora liquefare un gas?

No. Al di sopra della temperatura critica nessuna pressione, per quanto elevata, riesce a far comparire una fase liquida distinta: si può solo comprimere il fluido fino a densità da liquido, ma resta un’unica fase. È il motivo per cui certi gas non si liquefano a temperatura ambiente: la loro temperatura critica è troppo bassa.

Che differenza c’è tra punto critico e punto triplo?

Il punto triplo è la condizione in cui coesistono in equilibrio solido, liquido e gas, ed è l’estremità inferiore della curva liquido-gas. Il punto critico è invece l’estremità superiore della stessa curva, oltre il quale liquido e gas non si distinguono più. Sono i due estremi della linea di evaporazione sul diagramma di fase.