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dal micro al macro: le ragioni molecolari delle proprietà dei materiali

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Le proprietà degli oggetti con i quali abbiamo a che fare nella nostra vita quotidiana, o meglio le caratteristiche dei materiali dei quali sono costituiti e che stanno alla base della loro funzione, deriva dalle proprietà delle molecole che compongono questi stessi materiali.
Sembrerebbe a prima vista una tautologia, e come tale infatti questa affermazione si può tranquillamente capovolgere: le caratteristiche e le proprietà delle molecole si riflettono, amplificate, nelle proprietà macroscopiche,disegnare immagini ingrandite con il pantografo queste sì percepibili con i nostri sensi, degli oggetti che si compongono di queste molecole.
Dal micro al macro, una sorta di pantografo ideale trasmette, amplificandone, le proprietà di molecole, la cui scala si misura solitamente in angstrom, sul mondo degli oggetti in scala umana, quelli che si possono vedere e toccare con mano, grandi centimetri o anche molti metri.

Uno dei principi fondamentali della chimica, che abbiamo già avuto modo di descrivere ampiamente già in altri interventi, riguarda la relazione struttura-proprietà delle molecole.   Si tratta di una relazione deterministica di tipo (mono)univoco, ovvero ad una struttura molecolare – in pratica data una specie chimica – corrispondono proprietà fisiche, chimiche e, seppur indirettamente, biologiche ed eventualmente farmacologiche o organolettiche, che dipendono unicamente dalla struttura molecolare stessa.   Questa realtà è ben espressa dal ricorso ai cosiddetti “descrittori molecolari” per i quali si rimanda all’apposito intervento già pubblicato nel 2009 (“come la struttura diventa proprietà: il mondo dei descrittori molecolari”).   Continua...

l’acqua: il caso anomalo intorno a noi

immagini acqua
Chi voglia imparare a conoscere le proprietà dei liquidi e, più in generale, delle sostanze chimiche, prendendo come esempio l’acqua è probabile che incorra in più di un malinteso.
La tentazione è sicuramente forte: l’acqua è sicuramente la sostanza chimica virtualmente pura più abbondante con la quale abbiamo a che fare quotidianamente, è indispensabile alla vita e, cosa più importante di tutte per io nostro modo di pensare, delle sue caratteristiche e dei suoi comportamentene abbiamo un po’ tutti un’esperienza personale diretta.
Purtroppo l’acqua racchiude in sé stessa ben più di un’anomalia, ciascuna della quali contribuisce a far divergere sotto diversi aspetti le caratteristiche di questa sostanza, ad iniziare da quelle chimico-fisiche, da quelle dalla maggior parte dei liquidi e delle sostanze chimiche in genere, anche considerando nel loro insieme le decine di migliaia di specie chimiche ad oggi conosciute.     L’incrocio di queste anomalie, nel suo insieme, fa sì che la sostanza più abbondante e “conosciuta” del nostro pianeta sia in realtà, come direbbero gli anglosassoni un “bad friend” per chi voglia approcciare in modo induttivo la conoscenza delle sostanze liquide e delle loro proprietà.

LE ANOMALIE NEL DETTAGLIO


Densità dello stato solido rispetto allo stato liquido
Non si tratta certamente dell’unico caso conosciuto (la ghisa per esempio è un altro fra queste), ma sono veramente poche le sostanze chimiche che, come l’acqua, mostrano una densità(*) dello stato solido inferiore a quella dello stato liquido.     Continua...

come la struttura diventa proprietà: il mondo dei descrittori molecolari

Uno dei concetti fondanti della chimica è quello che riguarda le relazioni fra la struttura (in pratica la costituzione e la forma esatte) di una molecola e le sue proprietà o caratteristiche.

Alla domanda che talvolta mi viene posta “quali proprietà?”, rispondo con un minimo di provocazione costruttiva: tutte!. …da quelle fisiche (come il punto di ebollizione, la solubilità in acqua, la polarità, ecc) a quelle reattive (es. capacità di reagire in un certo modo con certe altre sostanze), fino a quelle biologiche (es. tossicità, proprietà farmacologiche, assimilabilità, ecc) o sensoriali (colore, odore, sapore, ecc).

Tali relazioni struttura-proprietà sono infatti:
1) univoche
2) calcolabili

descrizione_molecolare Univoche in quanto ad una data struttura molecolare corrispondono alcune proprietà ben specifiche, ovvero un ben preciso valore numerico assunto dalla variabili fisiche implicate (es. un certo punto di fusione) ma anche una ben preciso set di proprietà qualitative ed osservabili (es. un certo colore del prodotto sciolto in acqua, un ben preciso profumo della sostanza pura).
Mentre ovviamente non si può dire il contrario: le molecole aventi un certo punto di fusione, una certa solubilità, un certo colore, ecc possono essere ben più di una!

Calcolabili in quanto, misure sperimentali o meno, è possibile “stimare”e la proprietà avendo come unico punto di partenza la struttura della molecola, utilizzando un procedimento di calcolo. Continua...

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