la chimica dei materiali

La trasformazione della ghisa il acciaio

di Giorgio Poli

Confronto fra ghisa (a sinistra) ed acciaio (a destra)

Confronto fra ghisa (a sinistra) ed acciaio (a destra)

Quella della trasformazione della ghisa in acciaio può essere considerata un’impresa di grande portata, forse al pari di quella della conquista della luna, luogo dove, indirettamente, l’uomo è stato portato dall’acciaio: cioè un grande passo per lo sviluppo tecnologico dell’umanità!
Che cosa sia, per definizione, l’acciaio lo indica chiaramente la normativa UNI EN 10020, dove si legge: “Si chiama acciaio un materiale in cui il ferro è l’elemento predominante, in cui il tenore di carbonio è di regola minore del 2 % e che contiene altri elementi. … Tale valore del 2 % è il tenore limite corrente che separa l’acciaio dalla ghisa”.  Cioè bisogna trovare il modo di ridurre il tenore di carbonio della ghisa fino ai valori tipici dell’acciaio; meglio se con tale operazione si eliminano anche gli elementi inquinanti già presenti senza aggiungerne altri.
Il problema sembra di facile soluzione, in quanto basta scambiare la funzione degli elementi chimici: se il carbonio viene usato come riducente, per togliere ossigeno agli ossidi, si ottiene la ghisa; se si usa ossigeno per “bruciare “ il carbonio in eccesso, la ghisa diventa acciaio! Si tratta di trovare un modo facile e conveniente per fornire l’ossigeno necessario per bruciare il carbonio in eccesso.

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Adesivi e sigillanti: una classe eclettica di sostanze per usi e applicazioni quotidiane

di Silvia Barra

In questo articolo scoprirete la composizione e le funzioni di adesivi e sigillanti, categorie di sostanze che trovano molte applicazioni nella nostra vita quotidiana.

Reparto colle e sigillanti in un supermercato

Reparto colle e sigillanti in un supermercato

Adesivi e sigillanti sono due categorie merceologiche che si trovano spesso accoppiate. Entrambe le categorie sono costituite da polimeri comuni.  Ciò che rende le due categorie – e i vari prodotti all’interno di ogni categoria – diversi, sono in realtà gli additivi che vengono aggiunti ai polimeri. Inoltre, in base ai polimeri di base utilizzati, si ha un’ampia gamma di prestazioni diverse, e per questo motivo adesivi e sigillanti trovano impiego in numerosi settori, dall’imballaggio al settore dell’edilizia, dalle calzature alla fabbricazione di mobili.  I produttori di adesivi offrono attualmente oltre 250.000 prodotti differenti destinati alle più svariate applicazioni e questi prodotti sono personalizzabili, potenzialmente per qualsiasi utilizzo.

Nella preparazione degli adesivi e dei sigillanti sono coinvolti più di 40 polimeri diversi, che possono essere raggruppati in cinque classi.
1) adesivi naturali, comprendenti materiali di origine animale o vegetale (amido, destrina, proteine, colle animali e di pesce, caseina, colofonia, gomma lacca), in pratica i primi adesivi conosciuti nella storia;
2) adesivi termoplastici, comprendenti resine naturali e sintetiche;
3) adesivi termoindurenti, comprendenti solo resine sintetiche;
4) adesivi elastomerici, comprendenti materiali di tipo gommoso di origine naturale o sintetica;
5) adesivi bipolimerici, generalmente costituiti da elementi delle categorie (2), (3) e (4).

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Gli altoforni e la riduzione industriale degli ossidi di ferro

di Giorgio Poli

Prosegue la trattazione a cura del prof. Giorgio Poli, chimico siderurgico, in risposta alle domande poste da Chimicare.
Nella trattazione odierna, l’Autore si impegna a rispondere alla seguente domanda:
” A scuola ci hanno insegnato che l’acciaio è costituito da miscele (è corretto definirle soluzioni?) di ferro e di carbonio.  Se ricordo bene la produzione di ferro metallico a partire dai suoi minerali passa proprio attraverso l’impiego in qualità di “reagente” del carbonio elementare contenuto nel carbone.  Quindi immagino che, alla fine, un po’ di carbonio nel ferro avesse dovuto finirci comunque.  Ci aiuteresti a fare un po’ di chiarezza in questa questione? “
[per completezza della lettura si rimanda alla prima parte della trattazione:
Come si produce l’acciaio?“]


 

Riduzione degli ossidi di ferro

In siderurgia il ruolo di MO è svolto dagli ossidi di ferro, la cui serie, in funzione del tenore di ossigeno calante, è la seguente:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO —— Fe
e, partendo da Fe2O3, la riduzione con CO segue la stessa sequenza. Le reazioni coinvolte sono le seguenti:
3Fe2O3 + CO ↔ 2Fe3O4 + CO2 (6)
Fe3O4 + CO ↔ 3FeO + CO2 (7)
FeO + CO ↔ Fe + CO2 (8)
A bassa temperatura è possibile anche la reazione:
Fe3O4 + 4CO ↔ 3Fe + 4CO2 (9)

curve di riduzione degli ossidi di ferro in coordinate di Boudouard

Fig.

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Come si produce l’acciaio?

di Giorgio Poli

Prosegue la trattazione a cura del prof. Giorgio Poli, chimico siderurgico, in risposta alle domande poste da Chimicare.
Nella trattazione odierna, l’Autore si impegna a rispondere alla seguente domanda:
” A scuola ci hanno insegnato che l’acciaio è costituito da miscele (è corretto definirle soluzioni?) di ferro e di carbonio.  Se ricordo bene la produzione di ferro metallico a partire dai suoi minerali passa proprio attraverso l’impiego in qualità di “reagente” del carbonio elementare contenuto nel carbone.  Quindi immagino che, alla fine, un po’ di carbonio nel ferro avesse dovuto finirci comunque.  Ci aiuteresti a fare un po’ di chiarezza in questa questione? “
[per completezza della lettura si rimanda alla prima parte della trattazione:
Ferro, acciaio ed altre scoperte siderurgiche“]

 

La domanda apre scenari amplissimi che tenderei a suddividere in due parti: 1) la produzione dell’acciaio; 2) il sistema ferro/carbonio.
tubolari e profilati in acciaioComincio con l’affermare che se nel mondo esistono industrie che producono cose utili (o nocive) per il genere umano, ciò è merito (o colpa) in gran parte del ferro e del carbonio. In pratica almeno l’80% dei metalli usati dall’uomo è strettamente imparentata con il sistema binario ferro/carbonio, e componenti ferrosi sono necessari per la produzione di altri tipi di materiali, dalle ceramiche ai polimeri, dai vetri ai compositi e agli elastomeri.

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Cosa sono le macchine molecolari? Sintesi e movimenti dei meccanismi dei motori più piccoli che si possano immaginare

di Giuseppe Alonci

<< L’Accademia Reale Svedese delle Scienze ha deciso di assegnare a Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa il Premio Nobel per la Chimica 2016 per il “progetto e la sintesi di macchine molecolari”>>.

Giuseppe Alonci di Chimicare intervista il Nobel per la Chimica JP Sauvage

Giuseppe Alonci di Chimicare intervista il Nobel per la Chimica JP Sauvage

Così si apre il documento con il quale viene presentato al grande pubblico il background scientifico che accompagna il premio Nobel per la Chimica 2016, che non solo riconosce il valore di un filone di ricerca estremamente prolifico e appassionante, ma anche il valore della ricerca di base nelle scienze chimiche, come lo stesso Jean-Pierre Sauvage ha voluto fortemente sottolineare nella videointervista che ha rilasciato in esclusiva per Chimicare. Dopo quindi una breve introduzione, che ci permetterà di avere una visione generale dell’argomento, passeremo in rassegna alcuni semplici strumenti chimici e matematici che ci serviranno per comprendere appieno l’importanza di questo lavoro.

Che cosa è una macchina molecolare? Come dice il nome stesso, è un dispositivo, come una ruota o un ingranaggio, costruito manipolando opportunamente un certo numero di molecole, capace di compiere gli stessi movimenti di una macchina macroscopica in risposta ad uno stimolo esterno.

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Un’introduzione ai Materiali Polimerici

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

Che cosa è un ‘Materiale’ ed in particolare un ‘Materiale Strutturale’?  In un certo senso, tutta la materia può essere considerata un materiale strutturale in quanto resiste ad almeno la forza di gravità. Tuttavia, si parla di materiale strutturale quando la funzione di resistere alle sollecitazioni meccaniche, forze e momenti, gioca il ruolo primario. In questo senso un materiale strutturale va a costituire una ‘Struttura Meccanica’ il cui scopo è quello di resistere agli sforzi applicati. E che dire dei ‘Materiali Polimerici’? Ovviamente si tratta di quei materiali strutturali costituiti da macromolecole, di origine naturale o di sintesi. Per i Biopolimeri la resistenza meccanica è la conseguenza di una lunga selezione operata dall’evoluzione biologica, per i polimeri di sintesi è il risultato dello sviluppo storico delle reazioni di polimerizzazione.
granuli di materiale polimerico di sintesiMetalli, ceramici e polimeri sono le tre classi fondamentali in cui sono classificati i materiali strutturali. Dunque, definiamo ‘materiale strutturale’ la materia di cui sono fatte le ‘strutture meccaniche’. Inoltre, le proprietà viscoelastiche dei fluidi polimerici (resistenza allo sforzo di taglio) sono d’interesse della reologia, la scienza che studia il comportamento meccanico dei materiali allo stato liquido.

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Alla scoperta degli idrogel: biomateriali dalle molteplici applicazioni cliniche

di Giuseppe Alonci

Questo è il primo di due articoli nei quali cercheremo di esplorare la chimica e le applicazioni cliniche di una particolare classe di biomateriali: gli idrogel. L’introduzione degli idrogel come biomateriali si può far risalire al pioneristico lavoro di Wichterle e Lim del 1960 e ai loro studi sulle lenti a contatto, mentre già nel 1980 Lim e Sum riuscirono nell’impresa di utilizzarli per incapsulare delle cellule. Successivamente idrogel basati sul collagene vennero studiati per la medicazione delle ustioni e oggi, oltre a tutte queste applicazioni, sono usati anche come supporti per l’ingegneria tissutale, cioè per la produzione e riparazione di organi e tessuti. In questa prima parte daremo una definizione generale di idrogel e inizieremo ad affrontare alcune delle loro possibili applicazioni cliniche. Nella seconda parte ne approfondiremo meglio le caratteristiche chimiche, vedremo come è possibile sintetizzare materiali intelligenti che possano rispondere attivamente agli stimoli esterni e come utilizzarli per intervenire su numerose patologie.

Un idrogel biocompatibile basato su un network di poliammidoammine

Un idrogel biocompatibile basato su un network di poliammidoammine

Con la parola “biomateriali” si fa riferimento a materiali che sono stati ideati per uno scopo medico, sia terapeutico che diagnostico. Gli usi terapeutici dei biomateriali sono molteplici: protesi, impianti, valvole artificiali, rilascio graduale di farmaci, ma anche tissue engineering, ingegneria tissutale, cioè la creazione di supporti (scaffold) che permettano la crescita controllata e organizzata di cellule per la produzione artificiale di tessuti.

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Breve storia della gomma: da Faraday a Natta

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

La gomma è utilizzata dall’Uomo dalle epoche più remote: abbiamo prove che gli Indios d’America ne facevano manufatti già 4000 anni fa! E’ nota agli europei dal 1496, importata durante il secondo viaggio di Cristoforo Colombo. Tuttavia, in questo excursus ci occuperemo dell’evoluzione propriamente chimica della gomma a partire dall’800.
cis-1,4-polisopreneLa gomma naturale si ottiene dall’Hevea brasiliensis (albero della gomma) sotto forma di un lattice ricco di cis-1,4-poliisoprene.

Si deve al genio di Michael Faraday nel 1826 la determinazione della sua formula minima, C5H8. Faraday era consapevole che anche C10H16, C15H24, … potevano essere le formule molecolari tuttavia, mai avrebbe pensato che la formula corretta era del tipo C50000H80000 (infatti, la gomma ha un peso molecolare medio di circa 5 x 105), l’idea di macromolecola non era ancora stata scoperta!
struttura molecolare della gomma vulcanizzata, con evidenziati i ponti disolfuroNel 1839 Charles Goodyear scoprì la reazione di vulcanizzazione, in cui la gomma naturale trattata con zolfo, biacca (carbonato basico di piombo, 2PbCO3·Pb(OH)2) e calore è trasformata in un materiale elastico e tenace, resistente all’invecchiamento. Si tratta di una reazione di reticolazione in cui le catene macromolecolari sono unite da forti legami disolfuro (detti cross-link) mediante un accelerante ad alta temperatura:

Fino al 1920 per spiegare l’alto peso molecolare dei polimeri naturali o di sintesi era in auge la ‘Teoria micellare’, sviluppata a partire dagli studi di Graham del 1861.

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Un excursus di storia delle macromolecole: dai poliesteri al kevlar

di Vincenzo Villani
Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata


Leo Baeckeland
nel 1907 inventò il primo materiale polimerico di sintesi, la resina fenolo-formaldeide battezzata (con molta modestia!) ‘Bachelite’; si tratta di un polimero termoindurente in cui le catene sono legate in una struttura a rete. Tuttavia, ancora non vi era consapevolezza della natura macromolecolare del materiale prodotto: il concetto di macromolecola fu introdotta solo trent’anni dopo grazie all’opera di Hermann Staudinger in Germania e Wallace Carothers in America.
Fino al 1920 per spiegare l’alto peso molecolare dei polimeri naturali e di sintesi era in auge la ‘Teoria micellare’, sviluppata da Graham e Ostwald che ipotizzava l’esistenza dei ‘colloidi’, aggregati di molecole a basso peso molecolare tenute insieme da deboli forze di non-legame (aggregati supramolecolari, diremmo oggi), in modo analogo a come un lungo filo di lana è tenuto assieme dall’aggrovigliamento di fibre corte.
teoria di Harries sulla struttura molecolare della gommaGli alti pesi molecolari stimati mediante le proprietà colligative (abbassamento crioscopico, innalzamento ebulloscopico e pressione osmotica) erano ritenuti una conseguenza di quest’aggregazione.
Anche sulla struttura della gomma naturale il dibattito era molto intenso, veniva stimato un peso molecolare M>100 000 uma (oggi sappiamo che il peso molecolare medio della gomma naturale è di circa 5·105).

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Termochimica metallurgica

di Giorgio Poli

Prosegue la trattazione a cura del prof. Giorgio Poli, chimico siderurgico, in risposta alla domanda posta da Chimicare:
utensili realizzati in metalli vari” Si tende a dire che sono “di ferro” molti oggetti metallici, specie quelli a basso costo, quando non sia evidente (ad esempio per la loro leggerezza o per il loro colore) che essi sono stati realizzati con altri metalli altrettanto noti, come ad esempio l’alluminio o il rame. E’ vero che esistono e si usano tanti oggetti “di ferro”? “
[per completezza della lettura si rimanda alla prima parte della trattazione: “Ferro, acciaio ed altre scoperte siderurgiche“]

 

Preliminarmente è necessario richiamare brevemente e schematicamente gli assunti della termodinamica. Si vuole ricordare che tali assunti sono derivati da considerazioni complesse e rigorose, il cui esame esula dallo scopo di questa trattazione ma che potrebbe essere oggetto di un intervento specifico.

 

Assunti termodinamici

E’ termodinamicamente possibile (o stabile) ogni evento a cui si possa associare la variazione negativa di un parametro denominato “energia libera G”.  Cioè è indispensabile che:  ΔG < 0.
Quanto sopra vale in qualsiasi campo, perciò anche in chimica, dove la sua applicazione fa dedurre che la reazione:        A + B → C

è possibile solo se è dotata di un ΔG negativo.

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