Centrifugazione

In una sospensione le particelle solide, col tempo, tendono a sedimentare (se sono più dense del liquido) o a galleggiare (se sono meno dense del liquido), guidate dalla forza di gravità e dalla spinta di Archimede. Se sono molto piccole, però, la forza di gravità, ostacolata dalla viscosità del liquido, può metterci parecchio tempo per operare questa separazione.
Per separare le fasi in modo più rapido, quindi, occorre "aiutare" artificialmente la forza di gravità, e questo è possibile farlo, ad esempio, in una centrifuga: facendo ruotare velocemente i contenitori della sospensione, la forza centrifuga spingerà la sospensione verso l'esterno, come se fosse la forza di gravità, ma di intensità che può essere anche molto superiore, a seconda della velocità di rotazione.

Durata: 10 minuti

Scopo:

Dimostrare come è possibile separare i componenti di un miscuglio eterogeneo (sospensione) mediante centrifugazione.

Materiale:

• Succo di frutta
  

Strumenti:

• Provette da centrifuga
  
• Portaprovette
  
• Centrifuga
  

Procedimento:

1. Riempire due provette da centrifuga con la stessa quantità di succo di frutta
   
2. Accendere la centrifuga e aprirla
   
3. Mettere le due provette in due alloggi opposti nel rotore della centrifuga
   
4. Chiudere la centrifuga, e avviare una centrifugazione a 4000 rpm per 5'
   
5. Aprire la centrifuga ed estrarre le provette
   

Risultato:

La fase solida del succo di frutta si separa dalla fase liquida, sedimentando sul fondo della provetta.

Commenti:

E' possibile fare il confronto tra diverse velocità di rotazione: maggiore è la velocità, maggiore l'efficienza di separazione.

Confronto tra provetta non centrifugata, centrifugazione a 2000 rpm e 4000 rpm

Approfondimento:

Tutte le particelle di una sospensione (sia la fase solida che la fase liquida) sono sottoposte alla forza di gravità (o alla somma vettoriale della forza di gravità e della forza centrifuga, se la sospensione è in una provetta all'interno di una centrifuga accesa).
L'accelerazione di gravità è g, l'accelerazione centrifuga è

dove omega è la velocità angolare e r il raggio di rotazione.
Se la centrifuga ha una rotazione orizzontale, l'accelerazione centrifuga e l'accelerazione di gravità sono ortogonali, quindi la somma vettoriale delle accelerazioni si ricava dal teorema di Pitagora:

Una particella solida è sottoposta anche alla spinta di Archimede:

dove rho l è la densità del liquido e V è il volume della particella.
Se la particella è ferma, l'accelerazione iniziale che subisce è:

dove rho s è la densità del solido.
Man mano che accelera, viene ostacolata dall'attrito viscoso del liquido (che aumenta con la velocità della particella) fino ad avvicinarsi ad una velocità di caduta costante, che dalla legge di Stokes è

Sia l'accelerazione iniziale che la velocità massima di caduta sono direttamente proporzionali alla somma dell'accelerazione di gravità e centrifuga, e questa aumenta con l'aumentare della velocità e del raggio di rotazione.
Quindi, più si aumenta la velocità di rotazione, più le particelle sedimentano velocemente.