Avete presente quei bastoncini grigi con lo stecchetto metallico, lunghi circa 20-25 cm, che si accendono in occasione delle feste e che anno tante scintille tutte intorno, alimentando il giubilo di grandi e piccini?
Vi siete mai domandati come funzionano?
E, soprattutto, vi siete mai chiesti come si chiamano?   Già, perché stranamente a dirsi è proprio questa la parte più difficile, tanto che ci ho impiegato venti minuti buoni di ricerca su Google prima di rassegnarmi al fatto che nella lingua italiana non ci sia un termine specifico e comunemente utilizzato per indicarli, qualcosa che digitato nei motori di ricerca faccia – non dico inequivocabilmente, ma per lo meno prevalentemente – venire fuori le loro immagini o i video che ne illustrino il funzionamento.   Anche in inglese ho faticato non poco, ma alla fine un termine l’ho trovato: “Sparkler”, che letteralmente potrebbe significare “scintillatore” (da spark, scintilla).

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Ed in effetti è proprio questa, la scintilla, la prerogativa più peculiare del loro funzionamento: non si tratta di un’esplosione, come nel caso di petardi e miccette, ma neanche di una tradizionale combustione continua, come nel caso delle candele…  per intenderci tutti oggetti al tempo stesso natalizi (o per lo meno nell’immaginario collegati alle feste, specie a quelle invernali), ed il cui funzionamento è basato su reazioni di ossidoriduzione.   La scintilla di questi simpatici bastoncini, in effetti, pur facendo parte anche lei di questo vastissimo mondo accomunato dal passaggio di elettroni dagli atomi di un atomo di un certo elemento (quello che si ossida) a quelli di un altro (quello che si riduce), merita di fatto un approfondimento a parte.

Innanzitutto cos’è una scintilla.
Al pari del fuoco e di un’esplosione, la scintilla non è di per sé stessa una sostanza o uno stato della materia, ma un insieme di manifestazioni fisiche percepibili con i nostri sensi di un fenomeno chimico-fisico.   Nel caso delle scintille, tuttavia, vi possono essere due fenomenologie ben distinte dietro ad uno stesso termine, ed in effetti non ci è richiesto uno sforzo così grande nell’individuare una differenza, anche ad iniziare da come si presentano nell’aspetto, delle scintille originate da un fenomeno elettrico rispetto a quelle originate da un’azione meccanica e/o da una reazione chimica.

Nel caso di una scintilla elettrica, sia essa fugace come che “scocca” quando facciamo toccare fra loro due corpi elettricamente carichi oppure due cavetti elettrici collegati rispettivamente ai diversi poli di una batteria, che continua come nell’arco voltaico che si forma in un’ampolla sotto vuoto, sempre tra due corpi carichi elettricamente, essa è una manifestazione fisica di un fenomeno esso stesso fisico.   L’emissione di luce da parte di un corpo, indipendentemente dalla causa a monte che lo ha provocato, è sempre dovuto al ritorno di un elettrone eccitato, quindi che si trovava ad uno stato energetico superiore a quello che gli competerebbe in condizioni ordinarie, al suo stato energetico originale.  Questa transizione fra due livelli energetici differenti (che corrispondono a livelli energetici diversi negli orbitali elettronici) comporta il rilascio di energia dall’elettrone all’ambiente circostante, e l’emissione elettromagnetica sotto forma di luce (non soltanto di quella visibile) è una delle forme più comuni attraverso le quali questi elettroni eccitati possono scaricare la loro energia.   La quantità di energia rilasciata da ogni transizione elettronica dallo stato eccitato allo stato di quiete non può variare in modo continuo, magari in relazione all’entità dell’eccitazione stessa, tanto meno in modo casuale: essa procede invece a blocchetti, o a scaglioni: quelli che i fisici definiscono “quanti” di energia.
La transizione di un certo elettrone di un certo elemento chimico, da un dato livello elettronico eccitato ed un altro livello più basso, comporta il rilascio di una ben precisa quantità di energia.   Per la relazione di Planck, che a ragione viene spesso definito come il padre fondatore della fisica quantistica, questa quantità di energia corrisponde ad una altrettanto specifica radiazione elettromagnetica, caratterizzata da una precisa lunghezza d’onda, o frequenza, o numero d’onda…  in pratica tutte indicazioni che, parlando di luce, ci indicherebbero un ben preciso colore.
Questa quantizzazione nell’emissione elettromagnetica, che si traduce in uno spettro di emissione a righe sottilissime, virtualmente monodimensionali, si riferisce ovviamente ad atomi isolati, i cui elettroni vengono eccitati, quindi promossi ad un livello energetico superiore e quindi cedono questa loro energia tornando allo stato energetico originale: nel caso di più atomi legati insieme, ovvero di molecole, la situazione risulta di fatto più sfumata, tanto che le “righe” di emissione cedono gradualmente il posto a “bande” più o meno larghe che abbracciano ciascuna una certa ampiezza di spettro elettromagnetico.

La condizione di trovarci in condizioni di atomi isolati non è comunque difficile nel contesto di fuochi, scintille ed affini, dal momento che le alte energie in gioco comportano comunque la rottura di almeno una certa parte dei legami chimici anche delle molecole più complesse, con la formazione di specie atomiche o radicali che isolate che, per quanto effimere, riescono ad esistere quelle frazioni infinitesime di secondo sufficienti per generare l’emissione luminosa.
Questa situazione, che determina nel nostro caso il colore della scintilla elettrica, dell’arco elettrico (come quello di un tubo fluorescente tipo quelli al neon), fino ad arrivare alle piccole proiezioni di scintille dei nostri bastoncini natalizi, accomuna tutti i fenomeni descritti, e probabilmente molti altri ancora, come ad esempio i fulmini nel cielo e, sempre per restare in tema pirotecnico, i fuochi d’artificio colorati.

Quello che fa la differenza fra una scintilla elettrica ed una, diciamo, “chimica” è piuttosto la ragione che ha causato l’eccitamento elettronico.   Non dobbiamo sforzarci poi molto ad immaginare, anche banalmente partendo dagli stessi termini, che nel primo caso la ragione sia in primo luogo elettrica, quindi fisica, mentre nel secondo caso essa attinga energia da una reazione chimica di tipo esoergonico, ovvero che avviene con emissione di energia.   Una reazione esoergonica è sempre favorita almeno dal punto di vista termodinamico anche se, dal punto di vista pratico, può sovente incontrare delle difficoltà nel decollare, difficoltà questa che possono essere di natura cinetica o meglio ancora essere ricercate nella richiesta di un’energia di prima attivazione eccessivamente alta, condizione questa che può essere superata con l’impiego di un opportuno catalizzatore.
Una volta innescata, una reazione esoergonica libera energia che, nel caso più banale e “soft” può manifestarsi sotto forma di calore: la soluzione o comunque i materiali (reagenti e prodotti) si riscaldano spontaneamente man mano che la reazione procede.   Se il riscaldamento è così intenso e veloce da portare rapidamente in ebollizione almeno uno dei materiali coinvolti (es. il solvente di reazione) assisteremo ad un decorso piuttosto tumultuoso, addirittura violento della reazione.   Se poi tra i prodotti della reazione dovessero formarsi con estrema velocità prodotti gassosi (es. anidride carbonica, azoto, ecc), sulla semplice considerazione del fatto che questi a parità di peso tendono ad occupare un volume nettamente superiore rispetto ai reagenti originali dai quali si sono formati (liquidi o solidi) già si intuisce il potenziale “esplosivo” di questo genere di reazioni.

Quando l’intensità dell’energia prodotta dalla reazione è sufficientemente alta ed il mezzo di reazione lo consente (ovvero non assorbe lui stesso questa energia come spesso capita nella reazioni in soluzione), questa può determinare dei fenomeni energeticamente più impegnativi, come appunto l’eccitazione di elettroni periferici degli atomi che, da un livello energetico di base, possono venire promossi temporaneamente ad un livello energetico superiore, ovvero ad uno stato eccitato.
Atomi isolati e fra loro rarefatti, idealmente come quelli introdotti in una zona a temperatura uniforma sulla fiamma di un becco Bunsen sul classico filo inerte in platino nel classico “saggio alla fiamma”, forniscono uno spettro di emissione atomico, a righe sottilissime, dove ogni riga corrisponde ad una ben precisa transizione da uno stato elettronico eccitato ad uno più rilassato.   Ogni elemento chimico è caratterizzato da un suo specifico spettro di emissione atomica, che nell’insieme delle sue righe determinerà una certa colorazione della fiamma, percepibile con i nostri occhi: giallo per il sodio, verde per il bario, fucsia per il litio, violetto per il potassio, e così via.   Nel caso di una massa incandescente, come ad esempio una colata di metallo fuso, ciascun atomo si trova in condizioni termiche differenti, con la possibilità fra l’altro di scambiare energia con gli atomi vicini, e per tanto la massa nel suo insieme, per quanto costituita da materia allo stato elementare, restituirà uno spettro di emissione differente dai rispettivi atomi isolati e rarefatti, che assomiglia di più ad uno spettro continuo, il cui massimo di emissione (che corrisponde al colore che percepiamo a vista) si sposta a seconda delle condizioni di temperatura.

Il caso dello spettro di emissione atomica “pulito” osservabile con il saggio sul becco Bunsen non si discosta invece di molto da quanto osservabile in cielo durante gli spettacoli pirotecnici e neppure dalle scintille di luce che vengono proiettate tutto intorno dai bastoncini festosi con i quali abbiamo aperto l’articolo.

Un prodotto pirotecnico, così come un esplosivo (in fondo quello che cambia è solo la destinazione d’uso) può essere visto come un prodotto autosussistente. Mi spiego meglio.
In una qualsiasi combustione, che come abbiamo più volte ricordato non è altro che una forma di ossido-riduzione, è necessario un combustibile (che ossidandosi “brucia”) ed on comburente (che si riduce, ovvero ossida il combustibile) che ne consente la combustione.
Il caso più facile da visualizzare è probabilmente quello della candela, che accesa sotto una campana di vetro brucia fintanto che è presente una quantità sufficiente di ossigeno, terminata la quale si spegne.   In un sistema autosussistente il comburente, ovvero il responsabile dell’ossidazione del combustibile, non può esaurirsi prima del combustibile semplicemente perché entra a fare parte integrante della formulazione del prodotto che brucia. Già nella classica polvere pirica nota ai Cinesi già ai tempi di Marco Polo, si miscelava uno o più combustibili (es. polvere di zolfo e/o di carbone) con il salnitro (nitrato d sodio): tutte sostanze facilmente reperibili in natura, che venivano finemente macinate singolarmente e poi intimamente mescolate insieme. Anche in tutte le formulazioni successive, dalla polvere da sparo ai petardi, dai fiammiferi che si accendono per sfregamento ai fuochi d’artificio, fino ad arrivare alle nostre stelline scintillanti, il concetto di fondo è sempre quello di mescolare intimamente un combustibile con un comburente, possibilmente entrambe in forma solida, scegliendo accuratamente sostanze che non siano igroscopiche (ovvero che non assorbano l’umidità ambientale, inzuppandosi di conseguenza) e che garantiscano una stabilità sufficiente per poter conservare e maneggiare il prodotto assemblato. Questo deve potersi accendere solo nel momento desiderato, tramite un innesco: questo costituisce il terzo ed ultimo termine del cosiddetto “triangolo del fuoco”, citato in tutti i corsi di prevenzione e protezione dagli incendi.   Oltre al combustibile ed al comburente, una combustione si avvia solo in presenza di un innesco, che può essere visto come una carica energetica più o meno intensa (a seconda del tipo di combustibile e di comburente utilizzati) necessari per fornire l’energia di attivazione del processo.   Dopo di che l’energia sviluppata dalla combustione stessa risulta ampiamente in grado di automantenere il processo avviato… a meno che si ricorra a tecniche per disperdere o assorbire questa energia, come ad esempio raffreddare fortemente il sistema, e l’impiego tradizionale dell’acqua per spegnere almeno “alcuni tipi” di incendi va anche (ma non soltanto) interpretato in questo modo.

Tornando ai sistemi combustibili autosussistenti, essi quindi sono stati progettati per mantenere la combustione anche in assenza di ossigeno atmosferico, e non solo.
Incrementando il rapporto comburente/combustibile oltre il rapporto stechiometrico calcolabile, ovvero introducendo in dose un eccesso di comburente rispetto al minimo indispensabile per mantenere la combustione, si può perseguire un’accelerazione nella combustione stessa che, in molto casi, può avere decorso esplosivo.
Un altro fattore importante, già anticipato precedentemente, è quello relativo alla comminuzione ed al mescolamento reciproco di combustibile e comburente: questo concetto, portato all’estremo, lo si ritrova negli esplosivi più potenti e spesso anche più sensibili, dove in una sola molecola si trova una parte organica in grado di ossidarsi e che funge quindi da combustibile) e dei gruppi funzionali ossidanti (es. nitrogruppi) che nelle condizioni opportune possono supportare questa ossidazione… in un modo tanto “intimo” quanto si tratta di parti diverse della stessa molecola.   E’ l’esempio del tritolo (2,4,6-trinitrotoluene) come anche della nitroglicerina scoperta nel 1847 dal chimico italiano Ascanio Sobrero (vedi anche servizio di Chimicare sulla figura di Sobrero), la cui energia di attivazione della reazione di “ossidoriduzione interna” è talmente bassa che non serve come innesco una fiamma o una scintilla ma semplicemente l’energia minima fornita da un urto meccanico.

Al pari degli esplosivi e dei prodotti prirotenici, anche le stelline natalizie sono in grado di bruciare in assenza di ossigeno, o per lo meno ben oltre le condizioni nelle quali la candela ha consumato tutto l’ossigeno presente nel contenitore e si è per tanto spenta.
Le formulazioni dell’impasto solidificato sui bastoncini comunemente venduti per uso casalingo contengono in ogni caso uno o più ossidanti allo stato solido di sufficiente stabilità, solitamente nitrati di potassio, bario o stronzio, più raramente potassio percolato (che potrebbe ingenerare rischi di esplosività del prodotto), con l’aggiunta di agenti leganti che tengano insieme questi con le particelle di combustibile, come ad esempio destrine (ovvero amido parzialmente idrolizzato) oppure nitrocellulosa, una classica molecola di quelle già descritte in precedenza che contiene al suo interno una parte organica facilmente ossidabile e dei nitro gruppi che ne supportano una vicace ossidazione, tanto che questo materiale può svolgere contemporaneamente il ruolo di legante, di combustibile e di comburente.

Nel video che segue è riportata una miscela di un fortissimo ossidante (il potassio clorato) con un combustibile (amido) e stronzio nitrato (lo spettro di emissione atomica dello stronzio ricade nella zona del rosso dello spettro della luce visibile).   In questo caso le tre sostanze sono state semplicemente “miscelate” allo stato di polveri, senza la compressione con un legante che attribuisce a loro la forma di un bastoncino: la combustione e l’emissione luminosa risulta pertanto particolarmente breve ma intesa, tanto da rendere questa esperienza potenzialmente pericolosa e quindi sconsigliata.   Come si vedrà in seguito, manca però da questa formulazione una tipologia di ingrediente fondamentale, indispensabile per la generazione delle note “scintille”.

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Zolfo e carbone possono essere utilizzati come combustibili, ma se fossero loro gli unici combustibili presenti nella miscela dei bastoncini, una volta accesi il loro aspetto sarebbe nettamente meno “scintillante” e festoso, assomigliando probabilmente di più ad una candelina che ha molta fretta di bruciare e non perde tempo né sa come produrre scintille.
A venirci in aiuto in questo senso sta invece un’altra tipologia di materiale, questo più specifico nell’ambito delle stelline appunto, ma anche di molti altri giochi pirotecnici dove il lato estetico costituisce esso stesso il motivo di essere del processo di combustione: parliamo del cosiddetto “combustibile metallico”. Si tratta di minuscoli frammenti, pagliuzze, polvere, striscioline o granuli, di un metallo fra i quali: alluminio, ferro, titanio, magnesio, o anche di loro leghe, come quella ferro-titanio o il cosiddetto “magnalium” (una lega di alluminio contenente max. 1% di magnesio e quantità minori di altri metalli).
Non è probabilmente così scontato per i non-chimici associare l’idea di un metallo con quella di un combustibile, ma se pensiamo che una combustione è comunque un processo di ossidazione a carico di una sostanza ad opera di ossigeno o comunque di una sostanza in grado di liberare ossigeno (come ad esempio i nitrati precedentemente descritti), iniziamo a comprendere come lo stesso processo di ossidazione di un metallo come semplice ferro, che nelle condizioni di un grosso blocco di materiale e di bassa energia di attivazione porta semplicemente alla lenta formazione di ruggine superficiale, nelle condizioni di suddivisione più fine, corpuscolare, del metallo ed in presenza di una forte energia di attivazione (es. innesco) può presentarsi sotto le vesti di un fenomeno apparentemente del tutto diverso: quello della scintilla.

La scintilla “chimica” (la chiamiamo così per distinguerla dal caso elettrico, descritto all’inizio dell’articolo) è costituita da un pezzo, talvolta minuscolo, di combustibile (nel nostro caso di metallo) che si ossida in modo molto rapido, con la conseguente emissione di luce, mentre nel contempo si muove velocemente allontanandosi dal corpo che l’ha generata.   Se ci pensate bene, questa spiegazione accomuna sia le scintille ottenute per sfregamento meccanico di due oggetti (ad esempio quando si cerca di tagliare un metallo con un seghetto), sia nel caso dei fuochi pirotecnici, comprese le nostre stelline festose.
Nella sua vita effimera, il tempo di un volo, una frazione di secondo, la pagliuzza di metallo si ossida in modo veloce ed esoergonico, grazie nel nostro caso alla presenza delle sostanze ossidanti, emettendo una luce che corrisponde grosso modo allo spettro di emissione degli atomi dei quali è costituito.   E’ proprio questo il criterio che guida i Produttori alla scelta di un metallo o di una lega piuttosto che un altro: mentre il ferro produce scintille di colore arancio, stranamente “ramificate”, il titanio è noto per il colore bianco intenso delle sue emissioni e la lega ferro-titanio sta all’origine di scintille di colore giallo-dorato.
In realtà, dal momento che in condizioni di elevata temperatura, per quanto brevissime, il corpuscolo di metallo rischia di fondersi, e comunque non riesce a raggiungere le condizioni di atomi isolati che costituiscono l’ideale per l’osservazione di uno spettro di emissione atomica puro, per avere delle vere colorazioni, diversificate ed apprezzabili, gli stessi produttori dei bastoncini scintillanti introducono talvolta nella miscela dei coloranti pirotecnici, che altro non sono che sali (di solito cloruri o nitrati) di metalli come bario, stronzio, litio e rame, noti a tutti gli studenti per i loro spettri di emissione caratteristici, osservabili con grande facilità tramite il classico saggio alla fiamma.

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Per concludere, una nota di cronaca: un rapporto del 2009 del National Council on Fireworks Safety degli Stati Uniti indica che le scintille prodotte da questo genere di bastoncini sono responsabili del 16% delle lesioni dovute ad oggetti pirotecnici “legali” negli stessi USA.   In particolare ben il 57% delle lesioni riportate da bambini di età inferiore ai 5 anni di età a causa di oggetti pirotecnici in occasione delle festività del 4 luglio 2003 sono state dovute a questo genere di oggetti.
Tutto sommato un numero ancora contenuto di casi, mi verrebbe da argomentare con una certa amarezza, se confrontati al grande numero di genitori irresponsabili che a quanto pare mettono in mano ad un bambino di età pre-scolare anche il più sicuro degli oggetti accesi, fosse anche soltanto una candela, tanto più se composto da nitrati, sali magari di rame o di bario, e metalli in corso di ossidazione che schizzano allegramente tutti intorno.

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Ultimamente mi è capitato abbastanza spesso di entrare in negozi di giocattoli e con mia grande meraviglia ho scoperto diverse cose: ho realizzato che sono entrata in una nuova fase della mia vita che inevitabilmente mi sorprende anche a frequentare negozi di giocattoli; ho scoperto che attualmente ci sono davvero tantissimi giocattoli un po’ per tutti i gusti e per le diverse inclinazioni dei bimbi e che io ne conosco davvero pochi   …eppure qualcuno resiste di generazione in generazione!!!   Per esempio le costruzioni hanno sempre il loro fascino così come anche i puzzle che spesso hanno segnato la nostra infanzia e ci hanno visti passare da quelli con pochissimi e grandissimi pezzi, a quelli con tanti pezzi, magari in bianco e nero e con difficoltà sempre maggiori.
Vi starete forse chiedendo come mai in un articolo che dovrebbe parlare di chimica si parla di giochi, costruzioni e puzzle…  il mistero si svelerà presto.

Quando vediamo un qualsiasi oggetto difficilmente ci chiediamo come è stato realizzato oppure quello a cui siamo interessati in genere sono solo le ultime fasi di costruzione di quell’oggetto: l’assemblaggio dei vari componenti o l’attribuzione di una forma precisa; raramente la nostra immaginazione si avventura nel microscopico per chiedersi come è stata preparata la molecola che conferisce particolari proprietà al nostro oggetto.   Per fare un esempio concreto nel prendere una pillola ci capita di chiederci come hanno fatto ad imprimere una certa forma, come avviene l’inserimento delle pillole nei blister, ma raramente ci chiediamo come è stato preparato il principio attivo di quel farmaco.   I “chimici di sintesi” hanno il compito di preparare le molecole di cui hanno bisogno; preparano principi attivi di farmaci, nuovi materiali che poi ritroviamo impiegati nei campi più disparati dall’abbigliamento, alle automobili, all’arredamento.   Il lavoro del chimico di sintesi è un po’ simile ai giochi fatti con le costruzioni: nella confezioni troviamo dei mattoncini, che poi dobbiamo sistemare e concatenare in modo tale da ottenere un oggetto.   Nel nostro caso i mattoncini sono i reattivi commerciali e attraverso delle reazioni il chimico cerca di concatenarli e farli reagire nel modo giusto per ottenere una certa molecola.

Il primo passo è naturalmente decidere cosa voler costruire, quindi elaborare un progetto in cui evidenziare quali potrebbero essere i passaggi più complicati e quando i problemi, almeno quelli su carta, sono risolti si arriva al momento operativo; il momento in cui il chimico si mette al lavoro in laboratorio, sotto cappa, per preparare la sua molecola.    Si tratta indubbiamente di un lavoro fantasioso, nel senso che spesso la strategia possibile per preparare una molecola non è solo una, quindi diversi chimici posso scegliere percorsi diversi e arrivare magari allo stesso risultato, ma con tempi o costi diversi; ci sono tantissimi parametri da dover considerare come quello della realizzazione di certe condizioni operative nel proprio laboratorio, il tempo necessario e i costi associati ad una certa preparazione.   Accanto alla fantasia e all’estro è sicuramente indispensabile una conoscenza approfondita delle reazioni che costituiscono le regole del gioco!   Ritornando ai nostri giocattoli anche i puzzle ci aiutano a comprendere meglio: sulla scatola in genere è ben rappresentata l’immagine completa del nostro puzzle, all’interno troviamo tutti i pezzi; per non impazzire e provare uno per uno tutti i pezzi in ogni possibile posizione occorre elaborare una strategia operativa: possiamo costruire prima il perimetro del puzzle e poi pensare di riempirlo, oppure possiamo procedere costruendo piccole zone in modo indipendente e poi collegarle alla fine.   La strategia scelta dipenderà in parte dalle diverse abilità dell’operatore ed in parte dal tipo di puzzle che si intende comporre.
Nel caso si voglia costruire una molecola il discorso è esattamente lo stesso.
[articolo consigliato:  "la Sintesi: il lato creativo della chimica"]

La scelta della strategia dipende dalla molecola finale e dalle competenze (o maggiori esperienze) del chimico.
Osservare con attenzione la struttura della molecola che si vuole preparare è molto importante dal momento che quest’operazione condizionerà notevolmente la scelta della strategia sintetica.   Ci sono molecole in cui c’è uno stesso “motivo” che si ripete un certo numero di volte: in questo caso potrebbe essere utile preparare il “motivo di base” e quindi trovare un modo per legare insieme in sequenza i vari frammenti.   Un altro caso può essere quello in cui nella struttura della molecola che si vuole sintetizzare si riesce ad individuare un blocco centrale con due “braccia”: si può procedere preparando il frammento che costituisce l’unità centrale e successivamente legare ad esso le unità laterali che possono essere tra loro identiche o diverse.   Ci possono essere poi dei casi in cui in commercio è presente una molecola con lo stesso scheletro di quella che vogliamo preparare, ma con diverse funzionalizzazioni; possiamo allora procedere ad una strategia attraverso la quale più che costruire la molecola ne modifichiamo le diverse funzionalizzazioni al fine di ottenere quelle desiderate.
Un ulteriore passo in avanti che possiamo affrontare a questo punto è quello di valutare se nella struttura della molecola che vogliamo preparare ci sono dei centri di simmetria.   L’assenza di elementi di simmetria è ciò che rende la molecola chirale e che in questo caso ci fa passare dalla “semplice” sintesi chimica alla sintesi asimmetrica.
La sintesi asimmetrica, dunque, si occupa in particolare di mettere a punto delle metodologie attraverso le quali si possano preparare molecole chirali.    Se consideriamo due enantioneri, sappiamo che l’unica differenza è che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro, quindi l’ordine in cui gli atomi sono legati tra loro è esattamente lo stesso; le reazioni quindi che possono portare al giusto concatenamento degli atomi è lo stesso, ma ad un certo punto bisognerà introdurre la variabile spazio: distinguere cioè i due enantiomeri.
Tantissime molecole “odorose” sono chirali, così come tanti composti biologicamente attivi e così come le molecole che caratterizzano i più moderni materiali; tutto ciò giustifica lo sforzo che i chimici fanno per cercare nuove e alternative strategie per la sintesi asimmetrica.
[articolo consigliato: "molecole allo specchio: qualche passo nella chiralità del mondo intorno a noi"]

Per preparare una molecola asimmetrica possiamo utilizzare un prodotto di partenza commerciale in cui è già presente il “chiral pool” ossia lo scheletro della molecola finale compresa l’organizzazione spaziale.   Questa strategia è in generale quella utilizzata dalla natura per sintetizzare le molecole chirali che la caratterizzano.   In natura sono presenti molecole dalle funzionalità più disparate che, però hanno lo scheletro di base identico; la natura sfrutta delle strategie biosintetiche nelle quali a partire da una molecola semplice, ma già chirale si inseriscono tutte le funzionalità necessarie per diversificare le diverse molecole.   Un esempio a riguardo può essere sicuramente quello del colesterolo che ha una precisa stereochimica ed è il precursore delle cinque classi più importanti degli ormoni stereoidei (glucocorticoidi, mineralcorticoidi, androgeni ed estrogeni).

In generale, il concetto di base intorno al quale si sviluppano le diverse strategie di sintesi asimmetrica è che bisogna rendere l’ambiente di reazione chirale.   Stabilita questa condizione come indispensabile per la sintesi asimmetrica, si possono mettere in campo le diverse strategie.   Già, ma cerchiamo di comprendere a pieno cosa significa “rendere chirale l’ambiente di reazione” dal momento che questo costituisce il passaggio chiave della faccenda.   Considero una trasformazione nella quale una molecola non chirale si trasforma in una molecola chirale; è un po’ come la trasformazione che avviene quando prendo un calzino e lo infilo al piede.   Il calzino normalmente non è chirale (non distinguo il calzino destro da quello sinistro), ma se prende la forma del piede dove l’ho infilato, anche dopo resta con quella forma ed è diventato quindi chirale perché posso distinguere il destro dal sinistro.   Per trasformare il calzino da non chirale a chirale, l’ho messo a contatto con un mezzo chirale (il piede) ed è esattamente questo che significa “rendere chirale l’ambiente di reazione”.

Ci sono diversi metodi per effettuare una reazione asimmetrica; in tutti è previsto l’utilizzo di una molecola chirale: possiamo utilizzare un prodotto di partenza o un reagente che siano chirali, oppure possiamo utilizzare un ausiliario chirale o ancora un legante o un catalizzatore chirale.   Altri metodi, meno utilizzati prevedono l’utilizzo di un solvente chirale o la combinazione di più strategie.   Qualsiasi metodo utilizziamo a partire da considerazioni precedenti alla reazione, molto spesso basate sull’utilizzo di modelli è possibile prevedere la stereochimica del prodotto della reazione; possiamo cioè prevedere non solo l’induzione di chiralità, ma anche il tipo di induzione.
Gli ausiliari chirali sono composti molto utili nella sintesi asimmetrica.   Si tratta di composti chirali che inducono l’asimmetria nella reazione e permettono la sintesi di un prodotto otticamente attivo.   L’ausiliario chirale dopo aver svolto il suo compito può essere isolato e riutilizzato nuovamente per un’altra reazione.   In generale di tratta di una molecola che partecipa alla reazione, ma i suoi atomi non li ritroviamo nel prodotto di reazione. L’ausiliario, per esempio, in uno stadio iniziale della reazione può legarsi al substrato di partenza per dare vita ad un complesso ausiliario/substrato che a questo punto risulta essere chirale e dunque indurrà asimmetria nella reazione.   Alla fine della trasformazione l’ausiliario chirale ritornerà nel suo stato iniziale, quindi potrà essere isolato e utilizzato, una volta purificato, in un’altra reazione.  Questo significa naturalmente vantaggio economico! La possibilità di pensare ad un ausialirio chirale come ad una molecola che può essere riutilizzata non deve ingannarci e farci pensare a questo tipo di molecole come ad un catalizzatore.

Un catalizzatore è una specie che è presente in piccola quantità (definita appunto quantità catalitica) e non partecipa attivamente alla reazione; è formato, cioè, da atomi che non sono riscontrabili né nel composto di partenza né in quello che si forma in seguito alla reazione chimica.

Nel corso di una reazione in cui è presente un ausiliario chirale, si forma un intermedio in qualche modo isolabile (spesso sono necessarie condizioni particolari e delicate che impongono un controllo stretto di tutti i parametri), ma in ogni caso si “può toccare con mano” questo addotto.   L’intermedio in uno stadio successivo della reazione si trasforma nel vero e proprio prodotto della reazione.   L’ausiliario ha svolto quindi il compito di trasferire la chiralità al prodotto della reazione e può essere isolato.   Un esempio culinario può venire in aiuto: molto spesso nel cucinare alcune pietanze è indispensabile o molto consigliato l’uso dell’aglio; altrettanto spesso si incontrano persone che non gradiscono mangiare aglio per motivi ben noti.   Per ovviare al problema, senza rinunciare agli aromi dell’aglio, si può cucinare utilizzando l’aglio a spicchi e dopo aver terminato la cottura, lo spicchio può essere rimosso.   In questo modo durante la cottura l’aglio avrà trasferito gli aromi al nostro cibo e può essere rimosso.
Anche nel caso della reazione condotta con l’ausiliario chirale avviene la stessa cosa con il vantaggio che mentre nel caso dell’aglio, una volta recuperato viene buttato, nel caso dell’ausilialrio chirale, questo può essere riutilizzato.

Se la reazione viene effettuata utilizzando un catalizzatore, si forma un complesso attivato che non può essere in alcun modo isolato, ma soltanto ipotizzato in base ad un meccanismo di reazione.
Piuttosto che utilizzare un ausiliario chirale si può utilizzare anche un vero e proprio catalizzatore chirale.   Possiamo immaginare due tipi di catalisi: uno che sfrutta la formazione di un complesso metallo/legante, ed un altro detto di organo-catalisi.
Nella formazione del complesso metallo/legante, il legante è la molecola chirale, responsabile quindi dell’induzione di asimmetria, che coordinandosi con degli ioni metallici è in grado di innescare all’interno della reazione un ciclo catalitico.   In questo ciclo, il prodotto di partenza si coordina al complesso catalitico (che è chirale) e si trasforma nel prodotto della reazione (asimmetrico).   La specie catalitica può essere recuperata alla fine della reazione e riutilizzata per altre reazioni ed in questo caso l’ulteriore vantaggio è che il catalizzatore viene utilizzato davvero in piccolissime quantità!   La scelta della quantità precisa di catalizzatore da utilizzare dipende dalla capacità della molecola di funzionare da catalizzatore per quella data reazione.   Generalmente l’ordine di grandezza è tra 1 e 10 % rispetto al substrato della reazione. reazione.   In alcuni casi il recupero del catalizzatore è facilitato perché la reazione avviene in fase eterogenea, cioè mentre il prodotto di partenza e quello della reazione sono in soluzione, il catalizzatore è in fase solida e quindi può essere isolato attraverso una semplice filtrazione. Catalizzatori di questo tipo sono largamente utilizzati non solo nella sintesi di laboratorio, ma anche a livello industriale.

Un altro metodo utilizzato, sicuramente molto più recente, rispetto a quelli appena descritti, è quello della organo-catalisi: si tratta del secondo tipo di catalizzatore.   In questo caso, però, non vengono utilizzati ioni metallici. Si tratta di molecole organiche in grado di coordinarsi, sfruttando in genere le coppie solitarie degli elettroni.   In questo caso, le reazioni avvengono in soluzione a meno che il catalizzatore non venga ancorato ad una resina solida, per facilitarne il recupero alla fine della reazione.

Sono davvero molti i ricercatori che lavorano nel campo della sintesi asimmetrica e sebbene talvolta questi possano sembrare argomenti completamente avulsi dalla realtà, ciò che spinge la ricerca è proprio la necessità di metodi sempre più efficienti in termini di risultato finale (induzione della chiralità) e di costi associati e di impatto ambientale.

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morespace

Il peluche della tua infanzia. Ricordi ancora i suoi occhi neri e profondi di una plastica senza nome, ed il suo pelo che profuma ancora di ricordi.
Pensavi a lui come a un compagno, un amico fedele: rimembri ancora la sua espressione, il suo aspetto, il suo odore e la sua morbidezza.    Ti ci vuole un certo distacco, la visione disincantata della maturità, per riuscire a vedere in lui quello che “nonostante tutto” egli è pur sempre: un oggetto, fatto di qualcosa.   Non di sogni e polvere di stelle, ma di materia, ovvero sostanze chimiche. Ne più ne meno di noi.
Quando da bambino scopri attraverso un buchino aperto nella cucitura della pancia che il tuo orsetto dentro è imbottito di un materiale misterioso ed alieno, ti senti preso da un misto di incredulità ed orrore.   E ti domandi: oddio, cosè sta roba?

Questo materiale di riempimento può essere composto da gommapiuma: questo è il nome comune (in realtà brevettato) dato al poliuretano espanso: un materiale polimerico sintetico, sostanzialmente una plastica flessibile e ricchissima di pori.    Poco importa se l’azienda che ha confezionato il peluche l’ha comperata in grandi fogli arrotolati e se l’è poi triturata in casa, oppure se l’ha acquistata già sminuzzata in frammenti: qualcun altro, in precedenza e da qualche altra parte, deve avere prodotto questo poliuretano e per produrlo ha fatto ricorso ad una reazione chimica.   Una reazione chimica di polimerizzazione dove due reagenti, composti da piccole molecole reattive dette monomeri (nello specifico del poliuretano i monomeri sono un di-isocianato ed un poliolo), legandosi fra loro secondo modalità definite formano una macromolecola di struttura modulare che, oltre ad avere dimensioni migliaia di volte superiori alle piccole molecole di partenza, presenta caratteristiche del tutto diverse da queste.    In molti casi i monomeri usati per la preparazione dei polimeri plastici sono liquidi molto reattivi e pericolosi per la salute umana; al contrario i polimeri che si ottengono da questi sono nel più dei casi solidi molto stabili ed inerti anche dal punto di vista fisiologico.   Questo è un esempio tipico di reazioni condotte su larga scala all’interno degli stabilimenti industriali di tipo chimico.
Ma da dove derivano i monomeri che queste aziende utilizzano come materia prima nei processi di polimerizzazione per la sintesi della plastica?  Solitamente essi sono prodotti in altre fabbriche a partire da reagenti diversi, ovvero da altre sostanze chimiche considerate materie prime (solitamente materiali di ampia disponibilità sul mercato internazionale e di costo relativamente basso), mediante impianti chimici di trasformazione più complessi che sfruttano più reazioni chimiche in cascata per provvedere alla trasformazione della struttura molecolare di queste materie prime in quella dei prodotti desiderati, in questo caso dei monomeri richiesti dall’industria dei polimeri plastici.  Si tratta di processi di sintesi chimica che possono annoverare da uno a più distinti step di reazione.   Non è detto che tutti i passaggi previsti dal processo avvengano nello stesso impianto, e neppure nello stesso stabilimento chimico.   In molti casi, al contrario, ogni azienda effettua solo talune trasformazioni, o anche soltanto una, e rivende il semilavorato ottenuto ad aziende “a valle” che effettuano poi i passaggi successivi.   E’ molto interessante notare come la stessa sostanza chimica che costituisce un semilavorato in un certo settore industriale, come nel caso dell’industria dei polimeri plastici, può in moltissimi casi servire come intermedio anche per altri settori produttivi del tutto diversi, ad esempio come reagente per la preparazione di un farmaco, come ingrediente per un cosmetico, o addirittura trovare applicazione tal quale in taluni settori, magari in seguito a semplice “miscelazione” (senza ulteriori reazioni chimiche) con altri prodotti, ad esempio per andare a costituire una vernice così come un prodotto per la pulizia delle superfici.
I singoli step di reazione previsti in un processo di trasformazione chimico, se si escludono alcuni casi più rari dove essi sono indotti unicamente da fattori fisici come il calore, richiedono nella maggior parte dei casi l’intervento di altri reagenti o catalizzatori.   Queste ulteriori sostanze chimiche vengono acquistate da fornitori che a loro volta li producono su larga scala per mezzo di impianti sicuramente differenti dai primi, che sfruttano altri processi di trasformazione ma anch’essi basati su di un certo numero di step di reazioni chimiche, separazioni e purificazione su base chimico-fisica, e così via.   A monte di questi ulteriori processi staranno altre materie prime di tipo chimico, che costituiranno a loro volta l’oggetto della produzione di un’altra filiera industriale, e così via in una rete fittissima di relazioni e di rapporti di interdipendenza commerciale.

Ma cosa sta a monte di tutto, ovvero quali sono le fonti primigenie delle materie prime utilizzate nell’industria chimica?   Ai giorni nostri sicuramente ai primi posti possiamo indicare fra le fonti definite “non rinnovabili” il petrolio ed i minerali, e fra quelle rinnovabili i prodotti di agricoli e forestali.    La quantità e la complessità dei passaggi che sono richiesti per arrivare da queste materie “primissime”, reperibili o tal quali sul pianeta, alla maggior parte delle sostanze chimiche che compongono per esempio gli oggetti con i quali abbiamo a che fare nella nostra vita quotidiana, è tuttavia così impressionante da costituire in sé uno degli argomenti più complessi della logistica delle relazioni commerciali internazionali.

Ma torniamo alla nostra filiera che avevamo momentaneamente lasciato a sé stessa.    Eravamo arrivati a considerare le materie prime a monte di tutta la sequenza di reazioni richieste per produrre il monomero dal quale si sarebbe poi ottenuto il polimero plastico morbido e poroso che riempiva il pancino del nostro peluche.

petrolio - minerale (bauxite) - prodotto agricolo (mais)

Queste materie prime sono però pur sempre sostanze chimicamente ben definite, tendenzialmente pure almeno quel tanto che è richiesto le trasformazioni alle quali saranno poi sottoposte: in pratica sostanze alle quali può essere riferita una struttura molecolare ben definita ed univoca.   A monte di queste singole specie chimiche vi sono però le suddette fonti naturali o coltivabili, che praticamente in tutti i casi non sono costituite da una sostanza singola e pura, bensì da miscele “naturali”.   Consideriamo il petrolio per esempioo, ma anche le rocce ottenute dall’estrazione da cave e miniere o i prodotti delle coltivazioni agronomiche e forestali: chi più chi meno, tutte queste “fonti primarie di materia” sono costituite da diverse, spesso moltissime tipologie di sostanze chimiche fra loro diverse, miscelate fra loro.   C’è tutto un settore industriale che si occupa per l’appunto di “sgrossare” queste miscele naturali di sostanze, iniziando a suddividerne i componenti in frazioni con minor numero di componenti, più uniformi al loro interno per struttura chimica e quindi per caratteristiche.   Il petrolio può per esempio essere distillato, andando a suddividere la complessità delle specie chimiche in esso contenute in un certo numero di frazioni, ancora piuttosto complesse al loro interno, sulla base del punto di ebollizione, dal catrame (frazione meno volatile) all’etere di petrolio (che bolle poco al di sopra della temperatura ambiente). Anche in questo caso per talune applicazioni anche la semplice frazione da distillazione frazionata può essere utilizzata tal quale: si pensi per esempio al catrame o allo stesso etere di petrolio quando viene utilizzato in certe applicazioni in ragione delle sue capacità solventi ed al tempo stesso della sua estrema volatilità.   Nel più dei casi, tuttavia, ciascuna frazione viene ulteriormente distillata oppure sottoposta ad altra tipologia di separazione al fine di ricavare da essa una o più di una sostanza chimica sufficientemente pura, da destinarsi come abbiamo visto ai più disparati settori industriali che la richiedono come materia prima a monte di un processo di trasformazione.

Ma come fanno questi produttori a comprendere cosa hanno per le mani, quali sostanze chimiche sono contenute nei prodotti di origine naturale, quali sono riusciti ad isolare, ad accertarsi della loro conformità e purezza e a controllare infine la loro successiva trasformazione al termine delle reazioni chimiche alle quali saranno sottoposte? Potranno farlo unicamente attraverso analisi chimiche.   E le analisi chimiche, eseguire in laboratori e da personale specializzato nel settore chimico-analitico, richiedono a loro volta reagenti specifici da aggiungere ai materiali da testare. Reagenti in piccolissima quantità, a volte quantificabili in pochi milligrammi per campione da analizzare, ma spesso altamente specifici e ad altissimo grado di purezza.    Per le analisi chimiche inoltre sono sempre richieste attrezzature e strumentazione, talvolta estremamente sofisticata che, proprio alla stregua dei nostri elettrodomestici di casa, contempla una parte elettronica, spesso un controllo da PC e tanti, tantissimi materiali diversi impiegati per realizzare le varie parti dello strumento.
Materiali quali metalli e leghe, vetri speciali, gomme ed altre materie plastiche, materiali ceramici e così via, ciascuno prodotto a sua volta da un settore industriale distinto che sfrutta una o di solito una sequenza di reazioni chimiche per trasformare altre materie prime nei materiali indispensabili per assemblare gli strumenti di laboratorio richiesti per fare le analisi chimiche. Magari analisi chimiche richieste per la produzione di un intermedio chimico a monte della produzione della stessa ceramica speciale che sarà poi utilizzata dal costruttore di strumentazione di laboratorio per assemblare un analizzatore indispensabile nell’industria della ceramica.

Sembra una di quelle filastrocche che si imparano da bambini, che dopo un breve giro narrativo tornano inevitabilmente al punto di partenza.   E’ un dato di fatto che il mondo della produzione chimica sia in buona misura auto-referenziale (nel significato migliore del termine), reso possibile e in parte sostenuto in primo luogo da sé stesso, a perfetto paradigma di quella complessità strutturale che caratterizza le relazioni economiche e commerciali, ma anche di conoscenza e di ricerca, tipiche della civiltà umana contemporanea.
Non credo di essere del tutto nel torto nel voler individuare proprio in questo settore il più complesso network di mutue relazioni che l’umanità sia mai riuscita a sviluppare nella sua storia.

Almeno in linea di principio, l’industria chimica è (o dovrebbe essere) come il maiale: non si butta via nulla.     E’ tutt’altro che raro il caso nel quale il sottoprodotto di un processo di trasformazione chimica possa tornare utile, addirittura indispensabile per un settore completamente diverso, che lo userà a sua volta come reagente o solvente per la produzione di sostanze chimiche del tutto diverse.
Ad esempio uno degli step di reazioni necessarie per produrre uno dei monomeri che stanno a monte del poliuretano della gommapiuma, genera fra i suoi prodotti di reazione una certa molecola X, del tutto inutile per la produzione del poliuretano e che anzi deve essere scrupolosamente separata dai prodotti di reazione utili.   Se considerassimo questa sostanza X unicamente in funzione di rifiuto da smaltire, arriveremo in molti casi alla insostenibilità del processo di trasformazione nel suo insieme, sia dal punto di vista ambientale siano essi stoccati in discarica o destinati all’abbattimento (i sottoprodotti industriali sono di solito valutabili a camionate, non di sicuro a cucchiai dal punto di vista delle quantità annue), sia dal punto di vista economico dal momento che comunque li si voglia gestire i rifiuti comportano un costo di gestione, spesso talmente elevato da incidere in modo pesante, talvolta insostenibile sul costo alla produzione e quindi sul prezzo di vendita del prodotto finale utile.   Come ricordato dalle linee guida della Chimica Verde, per i buoni criteri della produzione, uno dei primi criteri sui quali un processo di trasformazione chimica dovrebbe puntare è quella di non produrre rifiuti.   Sembrerebbe un’utopia, ma in reatà una sostanza chimica non nasce come rifiuto: diventa rifiuto se chi lo produce non se ne fa nulla e non riesce a trovare nessuno che sappia valorizzarla opportunamente.   Se esiste qualcuno, un altro settore industriale per esempio, disposto ad acquistare, addirittura pagandola, questa sostanza X perché questa costituisce per lui una materia prima utile per produrre qualcos’altro, ad esempio l’intermedio per un eccipiente farmaceutico, ecco che magicamente il rifiuto si trasforma in una risorsa, e l’azienda della filiera del poliuretano inizierà ad essere anche produttrice e fornitrice dell’ormai importantissimo intermedio X.

fogli di ABS e bottiglie di acetonitrile di grado analitico

Un caso di questo genere che mi è capitato di osservare in funzione del suo rincaro economico riscontrato negli ultimi anni è stato quello dell’acetonitrile.   L’acetonitrile è un solvente molto particolare, molto utilizzato dalla maggior parte dei laboratori che eseguono analisi chimiche (nello specifico analisi cromatografiche liquide ad alta pressione o HPLC).   Ad un certo punto il costo di questo solvente si è impennato in tutto il mondo: la ragione di questo brusco aumento, ci è stato comunicato dai rivenditori, risiedeva nella crisi del mercato dell’automobile su scala globale. E che c’entra l’auto con l’acetonitrile che è un solvente liquido?    Ci spiegarono che esso viene ottenuto a partire da un sottoprodotto dell’industria dell’ABS, il noto materiale plastico del quale sosno costituite molte parte, soprattutto i cruscotti e gli interni, delle automobili.   Meno richiesta di auto da parte del mercato aveva comportato un calo di produzione e quindi un rallentamento di tutte le filiere nate per la produzione dei materiali impiegati per la costruzione delle automobili, compreso l’ABS; e meno ABS significava meno “sottoprodotto” indispensabile per la produzione dell’acetonitrile, il nostro solvente per analisi, e quindi l’aumento vertiginoso del prezzo per il poco che veniva ancora prodotto. Immagino che molti laboratori di analisi abbiano compensato l’aumento di questa che per loro costituiva una spesa facendo semplicemente pagare di più le analisi chimiche eseguite. Sembrano un po’ gli equilibrii dell’ecosistema.

Ma proseguiamo, proseguiamo oltre ad osservare come si susseguono e si sorreggono l’una l’altro settori solo all’apparenza disgiunti fra loro.   Gli stessi impianti industriali, i materiali dei quali sono costruiti e l’energia che permette il loro funzionamento, non potrebbero essere realizzati senza il contributo di altri settori della chimica.   Dai pannelli solari alle centrali nucleari, dall’energia geotermica a quella idroelettrica, fino alle fonti tradizionali basate sui combustibili fossili come il petrolio ed il carbone, tutto il settore della produzione energetica è basato su impianti dai quali si richiede ogni giorno il massimo del rendimento, a fronte di sollecitazioni spesso estreme.    Si pensi alla necessità di resistenza al calore dei materiali utilizzati nelle centrali termoelettriche, alla resistenza meccanica delle turbine nelle centrali idroelettriche, all’assoluta necessità di assorbimento delle particelle elementari e delle radiazioni emesse dai processi di fissione nucleare negli omonimi reattori ed infine… vi siete mai chiesti cos’è che solitamente fa la differenza fra una tecnologia “vecchia” e meno efficiente, come ad esempio i primi pannelli solari che di fatto non sono riusciti ad affermarsi come alternativa praticabile, anche dal punto di vista del costo e del rendimento economico rispetto alle fonti energetiche tradizionali, e la stessa tecnologia rivista, di “nuova generazione”, in grado di competere e spesso di prevalere sulle altre tradizionali proprio ad iniziare dagli aspetti economici, oltre naturalmente sulle ricadute ambientali?   “Molti fattori” è la risposta universale di chi non vuole mai sbagliare, ma all’interno di questi fattori la parte del leone la fanno nel più dei casi i nuovi materiali resi via via disponibili dall’industria chimica.   Materiali scoperti da poco nell’ambito del settore Ricerca & Sviluppo, oppure scoperti da tempo nell’ambito della ricerca ma sviluppati da poco in applicazioni concrete utili, efficienti e soprattutto economiche.

Ricerca & Sviluppo.   Un binomio indissolubile ed imprescindibile, sul quale grava un anatema verso il quale molta classe politica più “brevi-mirante” risulta decisamente poco sensibile: guai a valorizzare, incentivare, finanziare solo uno dei due termini del binomio, senza in parallelo lavorare anche sull’altro.   Certo, nelle situazioni di stretta contingenza si pensa che la soluzione migliore sia quella di puntare tutto su una ricerca estremamente applicata, o meglio ancora sullo sviluppo di applicazioni basate su conoscenze già acquisite. Il nostro Paese, così come le piccole industrie che hanno poco denaro ed un orizzonte di investimento a breve termine, vanno chiaramente in questa direzione, tralasciando erroneamente il fatto che lo sviluppo e la stessa ricerca applicata prendono le mosse ed attingono a piene mani, in modo inevitabile, dalla ricerca di base. Quella per intenderci svolta nelle Università, dagli enti di ricerca pubblici (in Italia ai primo posti il CNR e l’ENEA) e da pochi grandi gruppi industriali. Quella per intenderci dei professori e dei ricercatori con la testa fra le nuvole che passano il giorno a discutere del sesso degli angeli, del tutto indifferenti alle priorità cogenti del mondo “là fuori” dove urgono risposte veloci, chiare e soprattutto spendibili.    Questa almeno la percezione da parte dei non addetti ai lavori e, cosa ben più grave, negli ultimi tempi anche di molti addetti responsabili delle scelte che contano.

Per tornare dove eravamo rimasti, ovvero ai pannelli solari finalmente ben efficienti grazie a nuovi materiali, essi sono stati con tutta probabilità proposti sul mercato da ditte che hanno saputo sviluppare soluzioni idonee (nuove celle fotovoltaiche) sfruttando al meglio i risultati di una ricerca applicata (nuovi materiali) resa possibile solo grazie alla scoperta di nuovi metodi di sintesi chimica o di purificazione dei materiali, prima dei quali queste tecnologie risultavano del tutto ignote o nel migliore dei casi inaccessibili per una semplice ragione di costi.   Sono convinto, e credo di non essere l’unico a sostenere questa posizione, che la ricerca di base “quasi per definizione” non debba pensare ad una applicazione dei suoi risultati. Se lo facesse, in qualche modo, implicitamente, si auto-limiterebbe, tarpandosi le ali.   Magari raggiungerebbe i risultati prefissati, ma si trasformerebbe in questo modo in ricerca applicata e non potrebbe portare ad altro, neppure sul lungo periodo, all’infuori di ciò per cui è stata pensata.  Come suggeriva Primo Levi, un cercatore di funghi troverà probabilmente solo funghi ed è ben difficile che si accorga di un’altra prelibatezza che cresceva casualmente lungo in sentiero.   La ricerca scientifica pura ragiona al di fuori delle logiche dell’economia, ma è proprio questa la sua forza: il risultato di una scoperta fatta oggi su un argomento che per quanto importante non può scaturire in uno sviluppo applicativo per ragioni di costi, sarà poi recuperato fra molti anni (come è accaduto più volte) quando altre scoperte consentiranno di abbassare i costi di produzione o di sviluppo delle sue applicazioni. Sembra il pensiero di un inguaribile positivista, ma è effettivamente proprio nel periodo del positivismo che si sono gettate le basi più importanti della ricerca pura in chimica e in fisica dai quali sono scaturite molte della applicazioni degli anni successivi, fino ai giorni nostri.   Quindi non stiamo riponendo la nostra fiducia in una scienza onnipotente che, primo o poi, risolverà ogni problema ed ogni male.    Al contrario, il nostro deve essere inteso come un atto di modestia, la modestia di chi mette per un momento da parte la supponenza della propria conoscenza, quella che egli considera essere la sua idea di “bene” per le generazioni future, e semina un po’ tutte le specie di piante del suo erbario, anche quelle delle quali non conosce ancora i frutti o gli utilizzi, perché saranno i suoi figli ed i figli dei suoi figli a scegliere ed a scoprire ciò di cui avranno bisogno all’interno del giardino che insieme a tanta biodiversità conterrà anche tanta tantissima diversificazione della conoscenza.

laboratorio di Rutheford a McGill (1905): la scoperta del nucleo dell'atomo con attrezzature ancora artigianali

Per molti aspetti, noi siamo la terza, forse la quarta generazione che ha seguito il periodo d’oro delle ricerche di base, quando gli atomi neppure si sapeva cosa fossero con esattezza e gli scienziati si riunivano per discutere le basi fondanti della nostra disciplina. Se non ci fosse la conoscenza scientifica, e nello specifico chimica, ottenuta dalla ricerca di base, non sapremmo neppure da dove iniziare a sviluppare applicazioni e soluzioni ad hoc per i casi più pressanti ed economicamente vantaggiosi che la nostra società ci impone.
Il processo della conoscenza derivante dalla ricerca scientifica di solito non segue un andamento lineare e graduale ma, al contrario, assomiglia di più ad una funzione non dico esponenziale, ma per lo meno ad un ramo di iperbole.   Quando il network delle collaborazioni, delle relazioni commerciali, dello scambio di materiali e di conoscenza era appena all’inizio, il ricercatore doveva necessariamente costruirsi da solo i suoi apparecchi: poteva impiegare molti anni per metterli a punto, verificare la loro affidabilità e solo dopo poteva iniziare ad impiegarli per eseguire i suoi studi, rischiando oltre tutto di ripetere l’esperienza di un altro ricercatore che anni prima aveva studiato lo stesso argomento ma con del quale, per le ragioni de  l fato, non era riuscito ad avere notizia, o per lo meno a conoscerne i risultati in modo tale da non rischiare di buttare via tempo e denaro su un progetto già battuto, magari ripetendo gli stessi errori del suo predecessore. Non esisteva internet e la posta elettronica, le riviste scientifiche internazionali erano appena agli inizi, numericamente poche e distribuite in forma cartacea, e spostarsi da una parte all’altra del mondo per partecipare ai convegni di scienziati era sicuramente più difficile, lento ed oneroso.
Ora invece il network informativo scientifico, di tipo telematico, preesistente ad internet (o meglio: l’internet come lo sconosciamo noi è nato essenzialmente sulla base nel network telematico precedentemente sorto proprio per favorire lo scambio delle informazioni scientifiche) permette in poche ore di avere a disposizione un’informazione esaustiva di cosa è stato fatto, da parte di chi, quando, dove, come con che risultati su qualsiasi sostanza chimicamente definita della quale si conosca la struttura molecolare  . Compreso come ottenerla, come analizzarla e come farla reagire con altre molecole per ottenere prodotti diversi.    La condizione irrinunciabile perché tutto questo meraviglioso mondo stia in piedi è quella, ormai pienamente condivisa nel mondo della ricerca, di rinunciare alle logiche campanilistiche ed oscurantiste degli interessi di bottega e, al di là dei legittimi brevetti per le singole applicazioni, mettere a disposizione della comunità scientifica internazionale i risultati delle proprie ricerche di base, proponendole alla pubblicazione presso le riviste scientifiche specializzate su ciascuna argomento, oggi facilmente accessibili in formato elettronico e via telematica.

Questa è una delle mille storie possibili.   Siamo partiti dall’imbottitura dell’orsetto di peluche, ma potevamo partire anche con i suoi occhietti di plastica o con il suo pelo ed il risultato sarebbe stato analogo: presto o tardi, step più o step meno ci saremo presto buttati nuovamente a capofitto nell’intricato network della produzione chimica. Anche volendo dimenticare l’orsetto, se fossimo partiti dai vestiti che indossiamo, dagli alimenti cha mangiamo, dai farmaci con i quali ci curiamo o dalla bicicletta sulla quale andiamo al lavoro, il risultato sarebbe stato analogo.
Scusate, ho detto “una delle mille storie possibili” per modo di dire: in realtà, come avrete già avuto modo di intuire, sarebbero in realtà molte, molte di più.   Il catalogo di uno dei più importanti fornitori di reagenti per i laboratori di ricerca e controllo (quelli, per intenderci, forniti ad elevatissimo grado di purezza, in confezioni da armadietto, e che talvolta spuntano “giustificatamene” prezzi da gioielleria) annovera al suo interno diverse migliaia di “molecole” fra loro diverse.    Questo rappresenta a suo modo un buon indicatore del numero delle diverse sostanze chimiche attualmente prodotte nel mondo, la maggior parte in quantità davvero irrisorie, è vero, ma pur sempre inserite nel complesso network della produzione, commercio ed utilizzo delle sostanze chimiche.
Questa, come dicevo, è una delle mille storie possibili, ma a suo modo le riassume un po’ tutte.    Non ho intenzionalmente voluto scendere nello specifico delle singole sostanze chimiche e delle singole reazioni coinvolte, proprio per non raccontare “una” storia individuale ma per dare un’idea dello stile della narrazione: si tratta di un intreccio molto complesso, un reticolo fittissimo di relazioni, rimandi ed interdipendenze fra i soggetti più disparati, spesso fra loro distanti nello spazio e nel tempo. Una storia che è iniziata quando l’uomo ha acceso il suo primo fuoco, che si è sviluppata molto anni dopo con l’estrazione dei metalli e poi dopo ancora con la produzione di calce, pigmenti e così via.   In qualche modo, uno specchio autentico della storia dell’uomo.

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Avete tra le mani un prodotto liquido per uso domestico e sulla confezione c’è scritto di dosarne un certo numero di millilitri (ml) o di centimetri cubi (cm3 o c.c.) e non avete idea di

Per prima cosa scegliete un contenitore trasparente quel tanto che basti per poter vedere attraverso di esso il livello raggiunto dal liquido al suo interno, anche nel caso in cui il liquido risultasse del tutto incolore.   Il mio suggerimento è quello di scegliere un contenitore che sia almeno in parte cilindrico, ovvero col le pareti parallele, evitando in questo modo di utilizzare quelli eccessivamente bombati o conici o peggio ancora con sagome strane e forme in rilievo.   A titolo di esempio riporto qui a lato alcune immagini di contenitori adatti a questo scopo.

DIGRESSIONE SU PESO SPECIFICO E DENSITA’

Perché dovremmo parlare di densità e non di peso specifico?   Dietro a questa semplice domanda si aprirebbe a dire il vero una piccola-grande diatriba che i divulgatori della fisica si trascinano dietro da anni…  per dirla in due parole: quello che noi abitualmente siamo soliti chiamare il “peso” di un oggetto o di una sostanza, in realtà non dovrebbe essere chiamato peso bensì massa, fermo restando tutte le unità di misura alle quali siamo abituati, ovvero grammi, chilogrammi, tonnellate, ecc.   Quello che i fisici chiamano scientificamente come “peso” sarebbe in realtà una forza, la forza con la quale l’oggetto è richiamato verso terra (o, se volete, con la quale esso preme sul piatto di una bilancia), grazie a quella che comunemente di indica come “forza di gravità” e che in realtà, dal punto di vista fisico, dovrebbe essere chiamata “accelerazione” di gravità terrestre.  Non per niente si apprende fra le prime nozioni di fisica che una forza che agisce su un corpo è data dal prodotto della sua massa per l’accelerazione che agisce su di essa.

Da qui il fatto, noto a molti di noi almeno come nozione appresa, che andando sulla luna, su un altro pianeta o comunque molto molto lontano dalla terra (ovunque la gravità, ovvero “l’accelerazione di gravità” sia minore) lo stesso oggetto peserebbe molto di meno.  Peserebbe di meno anche se appoggiato sul piatto di una bilancia.   Seppur su scala molto ridotta, questo effetto lo si potrebbe registrare, sempre restando sul nostro pianeta, semplicemente passando dal livello del mare alla montagna d’alta quota.

Quindi il peso non è un indice assoluto per misurare la quantità di una data sostanza perché risente dell’entità dell’accelerazione di gravità.   Un valore sicuramente più assoluto è invece quello della massa che, specie per materiali complessi come sono le miscele di sostanze chimiche, non ultimi gli stessi ingredienti alimentari, può essere considerata un ottimo modo per misurare la quantità del materiale trattato.

Quello che a livello popolare viene quindi definito come “peso specifico” dovrebbe quindi a maggior rigore essere definito come “massa specifica”, se vogliamo che diventi una caratteristica intrinseca del materiale considerato.   La massa specifica è più brevemente indicata come “densità”.

Ma qui il fraintendimento sta ancora in agguato nei termini.  Un po’ tutti abbiamo ben fissata nella mente l’immagine di un liquido “denso” come un liquido che fatica a scorrere, sciropposo, oleoso, molto viscoso…  Ecco: per questo genere di materiali il termine “denso” è usato a sproposito e dovrebbe essere sostituito con l’aggettivo “viscoso”.   L’olio è certamente più viscoso, ma meno denso dell’acqua, ed è per questo che galleggia sopra ad essa.   Il concetto di densità può essere applicato ovviamente anche a materiali non liquidi, come ad esempio gas o solidi: l’acciaio è più denso dell’acqua ed è per questo che dadi e bulloni di acciaio non galleggiano ma stanno a fondo in un bicchiere d’acqua.

A livello più microscopico, mentre la viscosità è motivata dall’inerzia con la quale le molecole si oppongono ai loro spostamenti reciproci indotti dall’esterno, in pratica allo “scivolamento” di una molecola sull’altra che si verifica durante il trasferimento o il mescolamento del liquido, la densità dipende invece da quanto le molecole risultano fra loro compattate, con la capacità di riempire più o meno bene un certo volume con un numero più o meno grande di molecole.   Essendo ovviamente le molecole, con i loro atomi, e non lo spazio vuoto fra una molecola e l’altra, a determinare la massa di un corpo, anche di un liquido, più le molecole risultano “addensate” fra loro, più la densità del materiale risulterà elevata.

Quindi la densità dovrebbe essere correttamente “immaginata” come la quantità di materia, o anche la quantità di massa, che sta racchiusa in un volume unitario (es. 1 litro) di sostanza.  In termini microscopici, una specie chimica le cui molecole restano ben impaccate l’una vicina all’altra, minimizzando gli spazi vuoti, risulterà essere più “concentrata” dello stesso volume e pertanto avrà densità più elevata.

Quindi, riassumendo, avevamo inizialmente a che fare con ben 3 diverse confusioni lessicali: massa/peso, da questa peso specifico / densità, ed infine densità/viscosità.   Spero che dopo questa breve spiegazione i principali dubbi siano stati dissolti e si possa iniziare ad utilizzare in modo appropriato la grandezza della densità, almeno per quanto riguarda il caso in vero un po’ semplificato rappresentato dai liquidi.   Fatta questa digressione, dal momento che non è comunemente possibile, almeno a livello domestico, effettuare con una bilancia o con altra strumentazione una misura della massa svincolata dall’accelerazione di gravità e che quest’ultima può essere intesa come sufficientemente costante nell’ambito della superficie terrestre, accetteremo il compromesso verbale di utilizzare, come da consuetudine, la parola “peso” dove a rigore dovrebbe essere utilizzato il termine “massa”

In un prossimo post introdurremo invece concetti più appropriati per la misura della densità dei materiali solidi (dalle polveri ai granuli, fino ad oggetti interi), particolarmente utile ad esempio per il riconoscimento della natura dei medesimi e per la valutazione delle loro caratteristiche, come ad esempio la differenza fra densità apparente e la densità assoluta e gli strumenti, anche di natura domestica, utilizzabili per la misura di questi valori.

LA GRADUAZIONE DEL MISURINO

Torniamo ora al problema pratico della graduazione del nostro contenitore.
Se riuscissimo a trovare una sostanza particolare, un caso davvero speciale, la cui densità fosse esattamente uguale ad 1, significherebbe che un millilitro di questa peserebbe esattamente un grammo, ovvero un litro peserebbe un chilo, ovvero ancora un metro cubo (1000 litri) peserebbe una tonnellata. Guardiamoci un po’ intorno alla ricerca di questa specie di stele di Rosetta dei liquidi… E’ l’acqua!!!
In realtà non si tratta di un caso: per ovvie ragioni di abbondanza e di importanza la densità dell’acqua è servita in passato come riferimento per esprimere la densità di tutti gli altri materiali.
In particolare il riferimento pari esattamente ad 1 g/ml è quello relativo all’acqua pura alla temperatura di +4°C alla pressione di 1 bar, ovvero al livello del mare.

Pertanto per il caso speciale dell’acqua, essendo la densità pari ad 1, il valore numerico del peso in grammi “solo per questa sostanza” sarà esattamente uguale al volume in millilitri. Ad esempio 23 ml di acqua pesano esattamente 23 grammi, ed ovviamente viceversa. Quindi se vogliamo graduare il nostro misurino a 47 millilitri, è sufficiente che lo mettiamo sul piatto della bilancia, azzeriamo la tara ed aggiungiamo gradualmente acqua fino al raggiungimento del peso di 47 g. A questo punto appoggiamo il misurino sul piano del tavolo, mettiamoci con lo sguardo a livello dell’intefaccia liquido-aria (praticamente mettiamoci allo stesso livello di altezza del liquido) e segniamo con il pennarello la linea che corrisponde al livello dell’acqua: 47 g, “ovvero” (solo per l’acqua) 47 ml.
Parlare di centimetri cubi o cc è del tutto equivalente a parlare di millilitri (ml), come d’altronde un decimetro cubo (ovvero un volume corrispondente ad un cubo di 10x10x10 cm) corrisponde a quello che siamo abituati a chiamare litro.

Ovviamente il misurino non ci servirà nel futuro per misurare l’acqua ma un liquido differente che avrà quasi certamente densità diversa, maggiore o minore, rispetto a quella dell’acqua. Ma a questo punto nessun problema: se per l’acqua la graduazione che abbiamo tracciato poteva misurare indifferentemente il volume o l’equivalente in peso, per le altre sostanza con densità diverse da uno, la stessa tacchetta continuerà a misurare un volume corretto, ma semplicemente esso non sarà più numericamente equivalente al peso del liquido.

Possiamo fare molte tacchette sullo stesso contenitore, riferite a volumi diversi di acqua.
Se il contenitore è perfettamente cilindrico, senza restringimenti o allargamenti, ovvero di sezione costante, possiamo per esempio segnare una tacchetta in corrispondenza di un volume molto piccolo (es. 10 ml, corrispondenti a 10 g di acqua) ed una in corrispondenza di un volume molto grande (es. 100 ml): con righello e pennarello possiamo quindi dividere la distanza fra queste due tacchette in un numero uguale di tacche più piccole: ad esempio la differenza 100 ml – 10 ml = 90 ml può agevolmente essere divisa in 9 tacche uguali. Se la distanza sulla bottiglietta fra le due tacche è, facciamo un’ipotesi, di 13 cm, 13 cm diviso 9 fa circa 1.4 cm, ovvero 14 mm. Sarà per tanto possibile riportare un tacchetta ogni 14 mm che rappresenterà la graduazione di 10 ml.
Possiamo anche utilizzare contenitori che alla base o in cima non hanno forma cilindrica, magari per via di uno svasamento o di un collo, purché la graduazione venga effettuata solo nella zona cilindrica del contenitore.
Se invece non fossimo riusciti a procurarci un misurino in alcun modo cilindrico, per effettuare graduazioni intermedie dovremmo ripetere numerose volte la pesata di quantità diverse di acqua, togliendo ogni volta che abbiamo pesato il contenitore dalla bilancia, appoggiandolo sul piano e segnando il nuovo livello raggiunto dall’acqua, con insieme il valore numerico letto sulla bilancia.
Il noto contenitore di forma conica usato nei laboratori chimici ma anche in alcune case, la beuta o matraccio di Erlenmeyer, riporta di solito stampata sulla sua superficie una graduazione che è solo un’indicazione approssimata del suo volume: la principale complicazione è rappresentata in questo caso dall’inclinazione delle pareti che fa sì, come è possibile notare in figura, che le tacche di graduazione non siano distanziate in modo costante l’una dall’altra, ma si avvicinino fra loro al crescere del diametro della sezione del contenitore.

Solo un’ultima raccomandazione relativa alla temperatura: come ci insegna il principio di funzionamento dei vecchi termometri a mercurio, o se volete anche quelli ad alcol… comunque dei classici termometri “a colonnina”, il cui zona colorata (costituita da un liquido) “si alza”, ovvero sale di livello, in relazione alla temperatura dell’ambiente, il volume del liquido è dipendente dalla temperatura.
“Solitamente” il volume cresce al crescere della temperatura anche se non tutti i liquidi rispondono nello stesso modo alla medesima variazione della temperatura.
Pertanto se abbiamo graduato il nostro misurino in una calda giornata estiva e poi pensiamo di utilizzarlo in un gelido inverno per dosare un liquido in ambiente esterno, e siamo così sfortunati da avere a che fare con un liquido caratterizzato da un elevato “coefficiente di dilatazione termica” (il valore che indica di quanto si dilata il volume per ogni grado di aumento della temperatura), la graduazione effettuata potrebbe risultare di fatto un po’ sfalsata rispetto alla realtà. Anche la stessa acqua varia il suo volume, a parità di peso, in funzione della temperatura: nella figura qui a fianco si può vedere come essa passi da 1 g/ml esatto alla temperatura di +4°C (al livello del mare) a 0.9718 g/ml ad 80°C. Da un esame superficiale dei numeri il valore della sua densità non sembra essere cambiato di molto, eppure tale variazione corrisponde ad un “errore” (nel caso in cui utilizzassimo lo stesso misurino per le due temperature) di quasi il 3%. Per altri liquidi, come ad esempio quelli a base alcolica e per molti combustibili, questo errore sarebbe decisamente maggiore.

E SE VOLESSIMO SVINCOLARCI DALLA TEMPERATURA?

In questo caso, se volessimo effettuare delle misure sia più precise che più accurate ad ogni temperatura di lavoro, il mio suggerimento è quello di iniziare a ragionare in termini di peso (ehm… di “massa”), anziché di volume. Questo per due diverse ragioni, entrambe altrettanto valide: la prima è di natura scientifica ed è relativa all’invarianza del peso in relazione alla temperatura: se preleviamo da un flacone10 g di un antiparassitario da diluire e li mettiamo in un bicchierino, questi peseranno sempre 10 g indipendentemente dalla temperatura e persino dalla pressione alla quale saranno esposti (ovviamente a meno che una parte del prodotto evapori). La seconda ragione è di natura pratica: tanto in laboratorio quanto e soprattutto in casa, sono molto più affidabili gli strumenti in grado di misurare il peso (le bilance) piuttosto che quelli in grado di misurare il volume (contenitori graduati, pipette, contagocce, matracci, pompe, misuratori elettronici di varia natura, ecc).
Il problema è che, a differenza dell’acqua, gli altri liquidi hanno una densità solitamente diversa da 1 e di solito non conosciuta a priori. Come possiamo allora trasformare la dose di liquido richiesta in volume nella corrispondente dose in peso, invariante con la temperatura?

Niente di più facile: prendiamo il contenitore che abbiamo appena graduato e misuriamone la tara su un bilancino sensibile da cucina, uno di quelli in grado di misurare i singoli grammi, meglio se addirittura i decimi di grammo. Quindi riempiamolo fino ad una certa tacca con il liquido da valutare, ad esempio fino alla tacca che segna i 25 ml. Misuriamo il peso sulla bilancia di questi 25 ml netti di liquido (es. 30 g).
Dividendo il peso (in grammi) per il volume (in ml o cc) otteniamo la densità, espressa in g/ml o se preferite in g/cc, riferita a quello specifico liquido ed alla temperatura della misura, possibilmente quella ambientale (circa 20°C).

Densità  =  peso [g]  /  volume [ml]   =  30 g / 25 ml  =  1.2 g/ml

Immagino che chi ha compilato le istruzioni e le dosi di impiego di un prodotto liquido, se non si è espresso diversamente, intendesse riferirsi a condizioni volumetriche misurabili a temperatura ambiente.
Per ottenere il peso in grammi corrispondente alla quantità in volume indicata dal produttore (es. 80 ml), si moltiplica il volume richiesto per la densità appena calcolata per quel dato liquido:

Peso [g]  =  volume [ml]  x  densità [g/ml]  =  80 ml x 1.2 g/ml  =  96 g

Quindi 96 g del liquido in questione, tanto in una fredda giornata invernale quanto in una torrida estiva, saranno equivalenti alla quantità di prodotto che, riportata a temperatura ambiente, corrisponderà ad un volume di 80 ml (o 80 cc) dello stesso liquido.

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Con un certo sforzo cerco di ricordare quale sostanza volessi realizzare in quel momento.  Ecco: era l’acido alfa-naftilacetico, un’auxina sintetica in grado in concentrazioni veramente infinitesime di stimolare la crescita in lunghezza dei fusti delle piante, di preservare la caduta delle foglie e dei frutti e persino di stimolare la formazione delle radici qualora si fosse desiderato riprodurre le piante per talea.   In una remota farmacia lontano da casa, raggiunta con la mia inseparabile bicicletta, ero miracolosamente riuscito a reperire un composto per me veramente esotico: il beta-naftolo.   Ho messo a soqquadro l’altra sera la cantina per ritrovarlo, ed eccolo, è proprio lui, nella fotografia qui di fianco.  Vi assicuro che ventitré anni fa la confezione aveva un aspetto altrettanto antico.

In un’altra farmacia ero riuscito con molta più facilità a procurarmi dell’acido acetico puro, un liquido trasparente, piuttosto corrosivo e puzzolentissimo, ovviamente di aceto.
Ora vi faccio vedere in immagine la reazione che volevo realizzare, quella che avevo scritto su carta, sottoponendola al giudizio impietoso di mio cognato, allora al primo anno di odontoiatria:

fra i reagenti, a sinistra, vedete la formula di struttura del beta-naftolo, una polvere dall’intenso ed un po’ sinistro odore aromatico del barattolo in foto, seguita subito dopo dall’acido acetico, CH3COOH.
A destra della freccia di reazione, ovvero nei prodotti, avevo riportato ovviamente la struttura dell’acido beta-naftilacetico.  In questa molecola si può vedere chiaramente tutta una parte, il –CH2-COOH, derivante dall’acido acetico (non per niente il nome “ibrido” della molecola: acido naftil+acetico)…  sì, lo sapevo che probabilmente gli acidi alfa- e beta- naftilacetico non sarebbero stati esattamente la stessa cosa dal punto di vista dell’effetto ormonale sulle piante, ma in quella sede mi sembrava si trattasse di poco più di una quisquilia: io di naftolo ero riuscito a procurarmi soltanto il beta, e per di più avevo letto da qualche parte di altri tipi di ormoni vegetali dove invece la parte di molecola relativa al naftalene compariva proprio come beta.

Guardate bene questa reazione.  Scritta così, non sembra anche a voi che possa avvenire sul serio?   L’ –OH del beta-naftolo si combina con uno degli idrogeni H del CH3 dell’acido acetico per formare acqua (che troviamo infatti nei prodotti) e di conseguenza il gruppo alfa-naftilico (i due anelli esagonali condensati) si attaccano alla parte restante della molecola dell’acido acetico, ovvero al residuo –CH2-COOH.   Oltre tutto avevo letto di tante altre reazioni di condensazione fra due molecole organiche, dove l’eliminazione di una molecola di acqua permetteva la formazione di un legame fra i due reagenti.
A scriverlo sulla carta tutto sembrava ragionevole: peccato che nella pratica, ovvero se avessi provato a mescolare le due sostanze, questa reazione non sarebbe mai avvenuta.   Aveva proprio ragione il mio futuro cognato: anche un corso di base di chimica organica come quello pensato per i futuri dentisti era stato sufficiente per far comprendere come è ben difficile che un gruppo cosiddetto alchilico, come il metile CH3- dell’acido acetico, perda un suo idrogeno comportandosi come un acido.

2-naftil acetato

Semmai in un contesto come quello descritto, ovvero in presenza di beta-naftolo (una molecola di tipo fenolico) l’acido acetico sarebbe potuto entrare in gioco con il suo “pezzo forte”, ovvero con il suo gruppo funzionale carbossilico come gli capita di fare d’altronde nella stragrande maggioranza delle reazioni che lo vedono coinvolto (vedi intervento: “la chimica organica secondo i gruppi funzionali“)
Se proprio avessero dovuto formare un prodotto di reazione, in condizioni opportune, i due reagenti impiegati avrebbero dovuto formare la molecola riportata qui a lato: il beta-nafitil acetato, classificata come estere.
Una molecola che dubito fortemente possa mostrare qualche attività ormonale nelle piante.

REAZIONI POSSIBILI, IMPOSSIBILI E SFAVORITE

Per reagire fra loro le molecole seguono quindi regole ben definite e nell’annotazione grafica della reazione, la cosiddetta equazione chimica, il chimico descrive qualcosa che può effettivamente avvenire nella realtà, senza lasciarsi trasportare dalle proprie aspirazioni e fantasie.

Ma perché talune reazioni chimiche possono avvenire mentre altre di fatto non avvengono?
E fino a che punto una reazione non avviene perché essa è intrinsecamente impossibile (come a voler far entrare un pezzo tondo in un buco quadrato), rispetto al possibile caso in cui essa, seppur teoricamente ragionevole, risulta di fatto semplicemente sfavorita?

Di fatto, anche una reazione pensata e scritta in accordo con quelle “regole” che si trovano spesso descritte nei testi di chimica, soprattutto in quelli di chimica organica per uso scolastico, di fatto rischia di non essere realizzabile su di un piano concreto. Su tali testi si indicano infatti le tipologie di reazioni tipiche per ogni classe di composti, ovvero per i loro gruppi funzionali, con indicazione dei reagenti con i quali si combinano e dei prodotti di reazione ottenibili: la reazione descritta è quindi del tipo “possibile”, ma nella trattazione ad uso didattico mancano spesso, o non sono sufficientemente complete, le indicazioni relative alle condizioni di reazione: temperatura, pressione, eventuali solventi nei quali devono essere sciolti i reagenti, come i prodotti di reazione devono essere sottratti per far proseguire ulteriormente la trasformazione, se è necessario ricorrere all’aggiunta di eventuali catalizzatori e così via.
La conseguenza di tutto questo è che lo studente rischia di illudersi che basti semplicemente mescolare le due sostanze la cui formula è riportata sul alto sinistro della freccia di reazione, ovvero i reagenti, per ottenere dopo pochi istanti i prodotti di reazione previsti a destra della stessa freccia. Ma nel più dei casi, soprattutto in chimica organica, non è esattamente così che capita.

Al contrario, tantissime reazioni, pur possibili ed anzi addirittura prevedibili su di un piano teorico, risultano fortemente sfavorite, di fatto impossibili, in condizioni di temperatura e/o di pressione non adeguate, o richiedono la presenza di catalizzatori per poter decorrere ad una velocità apprezzabile e conveniente.

Torniamo dunque alla domanda iniziale, quando ci siamo chiesti, “Ma perché talune reazioni chimiche possono avvenire mentre altre di fatto non avvengono?”
Se volessimo stilare un elenco di possibili condizioni da rispettare, in ordine, affinché una reazione chimica possa avvenire, sia a livello teorico che poi su di un piano concreto, potremmo per esempio indicare:

1) giustificazione teorica della reazione sulla base delle proprietà chimico-reattive dei reagenti coinvolti;
2) spontaneità della reazione;
3) assenza di impedimenti sterici;
4) velocità di reazione apprezzabile;

Proveremo di seguito a scalfire la superficie di ciascuno di questi quattro punti (entrare nel dettaglio di ciascuno di essi significherebbe scrivere altrettanti libri di testo), provando ad accompagnare la spiegazione di ciascuno di essi con una strampalata metafora fra una reazione chimica ed il nostro amico Bart Simpson al quale mamma Marge propone di mangiare la minestra.

Giustificazione teorica della reazione sulla base delle proprietà chimico-reattive dei reagenti coinvolti:

Il punto 1) è sicuramente quello che i testi scolastici di chimica considerano più nel dettaglio (con il rischio talvolta di lasciar immaginare che questo costituisca l’unica condizione da rispettare) e considera le caratteristiche più propriamente definite “chimiche” delle molecole prese in esame come reagenti.
In questo caso vengono sottolineate le differenze di attività, o meglio di “reattività” fra le diverse molecole, classificata sulla base di criteri di morfologici: non si dimentichi infatti che una delle verità fondamentali della chimica è la reazione esistente fra la struttura e la proprietà di una molecola.

tabella gruppi funzionali e radicali in ACD-ChemSketch

Le specie inorganiche formate dal legame di ossigeno con un metallo (ovvero un elemento pochissimo elettronegativo), per esempio, avranno un certo tipo di reattività, molto diversa da quelle dove l’ossigeno risulta legato ad un non-metallo, detti anche anidridi, e lo stesso vale anche per gli idruri e per gli elementi isolati allo stato elementare…   Nel caso della chimica organica, come ricordato in almeno due articoli precedenti (“la chimica organica secondo i gruppi funzionali“) si parla addirittura di “gruppo funzionale” per indicare quella parte caratteristica della struttura che giustifica un certo modo di reagire della molecola (anzi è esso stesso la parte reattiva) e getta le basi per la classificazione delle molecole organiche in classi e sottoclassi.
Secondo un approccio più moderno, le interazioni reattive fra le molecole vengono considerate non prendendo unicamente in esame i singoli gruppi funzionali, bensì considerando le molecole nella loro interezza. L’applicazione di sofisticati sistemi di calcolo permette di considerare le caratteristiche e le interazioni dei loro orbitali molecolari, nonché la distribuzione di alcune importanti proprietà che possono stare alla base delle interazioni (es. densità elettronica) sull’intera superficie della molecola.
In pratica il chimico, guardando la formula di struttura dei potenziali reagenti è in grado di dire se essi “possono” reagire fra loro e per formare quali prodotti. In alternativa, a fronte del desiderio di ottenere un certo prodotto, può suggerire alcune combinazioni di reagenti (spesso più di una combinazione possibile) che reagendo fra loro dovrebbero almeno teoricamente portare alla formazione del prodotto desiderato.

Nella metafora, Bart può mangiare la minestra solo se dotato di strumenti idonei (gruppi funzionali reattivi), ovvero di un utensile atto a raccoglierla, come un cucchiaio o un mestolo, mentre per esempio una forchetta risulterebbe del tutto inadatta; la minestra per contro dev’essere contenuta in qualcosa che la renda accessibile, per esempio un piatto fondo o una scodella e non può essere gettate direttamente sul piano del tavolo.
La combinazione Bart+minestra non porta a nulla se le due parti non sono predisposte (per forma e quindi per funzionalità) ad interagire fra loro.

Spontaneità della reazione:

Il punto 2) è quello che ci consente di comprendere se una reazione, pur possibile sul piano teorico, possa di fatto avvenire anche in pratica.    E’ questo l’ambito dove si considerano gli aspetti energetici del sistema, come ad esempio i trasferimenti di calore, le energie potenziali racchiuse nelle diverse specie molecolari (reagenti e prodotti) sotto forma di energia chimica associata ai legami, il lavori meccanico che può essere eseguito da o sul sistema, la variazione del grado di complessità organizzativa del sistema che può essere ipotizzata in seguito alla reazione, e così via.
Siamo nel campo della termodinamica, più specificamente della termochimica, una disciplina che faticherei a voler definire strettamente chimica ma piuttosto fisica.
L’espressione che più di ogni altra riassume l’approccio termochimico alla spontaneità o meno di una reazione chimica, pur teroricamente possibile, è quella per il calcolo della variazione dell’energia libera di Gibbs fra prodotti e reagenti di una possibile reazione:

ΔG = ΔH –TΔS

Josiah Willard Gibbs (USA, 1839-1903)

Sono sicuro che molti di voi l’avranno già incontrata nel corso dei propri trascorsi scolastici: è l’equazione che permette di calcolare l’Energia libera di Gibbs. Serve a prevedere, almeno su di un piano termodinamico, se una certa reazione può avvenire oppure no, ma non soltanto: ci dice su può avvenire oppure no “ad una data temperatura”, ed eventualmente a suggerirci al di sopra o al di sotto di quale temperatura la reazione potrebbe svolgersi spontaneamente. Ancora di più: può indicarci se la reazione nel suo decorso svilupperà o assorbirà calore, ovvero rispettivamente se sarà esotermica o endotermica.

Guardiamo ora com’è formata questa equazione e di cosa tiene conto al suo interno.    Come potete vedere ogni termine contiene la lettera greca delta Δ che nel linguaggio matematico significa “differenza”: in questo caso differenza fra prodotti e reagenti. L’equazione riportata si legge pertanto così: “la differenza di energia libera di Gibbs fra i prodotti ed i reagenti (ovvero quella dei prodotti “meno” quella dei reagenti) è uguale alla differenza dell’entalpia H (sempre fra i prodotti ed il reagenti) meno la differenza di entropia S, quest’ultima moltiplicata per la temperatura alla quale si considera la reazione”.
Entalpia ed Entropia.   Due paroloni ricchi d’effetto, senza dubbio, entrati a loro volta addirittura nel linguaggio quotidiano e giornalistico, ahimè senza troppa attinenza con cosa essi descrivono in realtà.
Questi tre concetti, entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs, sono pressoché onnipresenti nello studio della termodinamica, riproponendosi in forme e da punti di vista ogni volta differenti, in contesti applicativi talvolta inaspettati, che vanno di gran lunga oltre alla valutazione di spontaneità di una reazione chimica che abbiamo presentato.   Avremo certamente modo di tornare più approfonditamente su di essi in occasione in interventi ad essi specificamente dedicati.

Senza scendere quindi nei dettagli del significato fisico dei concetti qui solo menzionati, i valori numerici di H e di S sono disponibili in dettagliati database (e quando non sono tabulati è possibile spesso ricavarli in altro modo), con riferimento a condizioni sperimentali standard, per una grande varietà di molecole, sia inorganiche che organiche, dando per tanto la possibilità di calcolare il valore di ΔG per la reazione di nostro interesse.
Se il ΔG risultante dal calcolo è negativo, ovvero minore di zero, la reazione può avvenire ed anzi può procedere spontaneamente dai reagenti ai prodotti, a meno che non subentrino complicazioni diverse; nel caso ΔG sia positivo invece la reazione, magari pur sempre possibile sul piano formale, non può procedere spontaneamente (anzi, se fosse possibile avverrebbe in senso contrario!). Ci sarebbe però ancora la possibilità di provare ad agire sulla terza variabile dell’equazione, la temperatura (T), individuando con un semplice calcolo la temperatura richiesta per rendere negativo il ΔG, a parità ovviamente dei valori di ΔH e di ΔS che invece dipendono dagli specifici reagenti e dai prodotti previsti dalla reazione.
Un reazione con ΔG=0 si trova all’equilibrio, ovvero dal punto di vista statistico in un certo lasso di tempo ci sono tante molecole di reagenti che si combinano fra loro per formare i prodotti, quante molecole di prodotti che tornano a restituire i reagenti dai quali si sono formate.

Nella similitudine, Bart deve avere voglia di mangiare la minestra: per esempio deve avere fame, o anche semplicemente la deve trovare molto buona; nel caso in cui sia veramente ma veramente troppo sazio, la presentazione di un piatto colmo di minestra odorosa potrebbe persino scatenare in lui la reazione opposta all’atto dell’alimentazione, ovvero un conato di vomito: è il caso di un ΔG positivo, che comporterebbe la tendenza della reazione a procedere in senso contrario rispetto a come l’avevamo inizialmente immaginata.

Assenza di impedimenti sterici:
Il punto 3) è quello che deriva dal fatto, spesso sottovalutato da molti studenti, che le molecole sono strutture materiali dotate di una loro forma e di un loro volume, e lo spazio occupato da una parte di molecola non può essere occupato da un’altra.   Alcune zone della molecola, magari proprio quella intorno al gruppo funzionale che dovrebbe reagire, potrebbero risultare ingombre dalla presenza ravvicinata di parti voluminose e poco scansabili della stessa molecola.    E’ il caso del 2,6-di-tert-butil-fenolo della figura qui accanto: il gruppo fenolico in colore rosso risulta poco accessibile da parte di altre molecole, per esempio di quelle che tipicamente reagirebbero molto bene con i fenoli, e pertanto interagirà poco o nulla con esse, per quanto la reazione sarebbe stata teoricamente possibile e termodinamicamente favorita.    Si dice in questi casi che il gruppo funzionale risulta stericamente impedito (“sterici” sono definiti gli ingombri volumetrici delle molecole).

Nella metafora, Bart deve essere lasciato libero di mangiare: se ha le mani impegnate ad utilizzare la consolle di un videogioco o la bocca piena di altro cibo o semplicemente impegnata a parlare con i suoi amici, ben difficilmente riuscirà a portare con successo il cucchiaio colmo di minestra alla bocca.

Velocità di reazione apprezzabile:
Il punto 4) è quello relativo alla velocità effettiva di una reazione chimica.   Se i tre punti precedenti sono rispettati la reazione comunque può procedere e procede, con la trasformazione dei reagenti iniziali in prodotti finali.
C’è però una differenza sensibile fra un’esplosione (una reazione pressoché istantanea, con aumento di volume di solito sotto forma di gas) e la formazione di ruggine su un oggetto metallico (una ossidoriduzione che può richiedere anche molti anni per “divorare” completamente il pezzo).
Se la cinematica è quella branca della meccanica (a sua volta una branca delle fisica) che si interessa del moto in relazione alle cause che lo hanno indotto, si giustifica l’espressione “cinetica chimica” per indicare lo studio della velocità con la quale avanzano le reazioni chimiche.
La velocità di una reazione chimica è sempre proporzionale alla concentrazione dei suoi reagenti, anche se il criterio matematico di questa proporzionalità può variare anche in modo radicale da una reazione all’altra, in relazione ai meccanismi stessi della reazione ed al numero delle sostanze reagenti implicate.
A livello del tutto generale possiamo supporre che se i reagenti sono molto concentrati la reazione sarà anche più rapida, mentre se sono molto diluiti (ad esempio in un solvente neutrale che serve a scioglierli), saranno minori le possibilità di incontri e collisioni casuali fra le molecole dei reagenti, con conseguente allungamento dei tempi richiesti per il completamento della reazione, o per lo meno del raggiungimento dello stato di equilibrio fra reagenti e prodotti.
La velocità di reazione è inoltre influenzata dalla temperatura, che si traduce infatti in una maggiore energia cinetica delle molecole a temperature più elevate.

A ragion del vero non possiamo inoltre tacere il fatto che lo stato fisico di aggregazione con il quale si presentano uno o entrambe i reagenti possono influenzare anche in modo drammatico la velocità della reazione. Se prendiamo una compressa effervescente (come ad esempio quella dell’Aspirina o diversi tipi di compresse vitaminiche) i cui eccipienti sono in grado di reagire con l’acqua sviluppando, fra i prodotti di reazione, le note bollicine di anidride carbonica, possiamo valutare probabilmente sull’ordine di qualche minuto il tempo di reazione complessivo del reagente contenuto nella compressa.   Se questa viene però preventivamente sbriciolata finemente ed aggiunta alla stessa quantità di acqua, vediamo che l’effervescenza parte subito in modo estremamente vivace, rischiando di far trasbordare il tutto dall’orlo del bicchiere, per esaurirsi poi del tutto nell’arco di pochi secondi.   Lo stesso si verificherebbe, con le dovute proporzioni di tempi, se l’oggetto in ferro (che impiegherebbe anni per arrugginirsi completamente fino all’interno) viene limato con molta pazienza fino a ridurlo a fine limatura di ferro: in queste condizioni il mucchietto di limatura di ferro potrebbe trasformarsi in un mucchietto di ruggine (un misto di ossidi ed idrossidi di ferro) ad opera dell’ossigeno e dell’umidità atmosferica in un tempo incredibilmente più breve.
Per non parlare poi dell’influenza esercitata dallo stato fisico dei reagenti: ovviamente i gas, con la mobilità propria delle proprie molecole essenzialmente indipendenti l’una dall’altra, corrispondono allo stato fisico al quale la maggior parte delle molecole, almeno quelle gassificabili, risulta più reattivo.   Seguono i liquidi e per ultimi troviamo i solidi. Una miscela di due solidi in grado di reagire fra loro, per quanto ridotti ad una granulometria finissima e mescolati accuratamente l’un l’altro, potrebbe in certi casi conservarsi indefinitamente senza reagire apprezzabilmente   …a meno che non si aggiunga un solvente in grado di scioglierli!
Ed ecco qui introdotto forse l’ultimo elemento di questa breve carrellata: l’importanza di un idoneo solvente, specie nella reazione fra reagenti che altrimenti sarebbero allo stato solido, come per esempio i sali inorganici, o anche nel caso della compressa effervescente descritta poco fa.   Ci credereste? L’acqua in realtà non reagiva affatto con i componenti della pastiglia.   I due reagenti coinvolti (ad esempio acido acetilsalicilico e sodio bicarbonato), gli stessi che avrebbero poi formato le bollicine di anidride carbonica, erano entrambe già presenti nella compressa: semplicemente allo stato asciutto essi non erano in grado di reagire fra loro, erano praticamente “congelati” in un assetto strutturale rigido, come due colleghi che pur lavorando fianco a fianco continuano a mantenersi ognuno sulle sue. L’acqua ha permesso la solubilizzazione di entrambi, che per tanto hanno avuto modo di incontrarsi nell’ambiente idoneo in modo cosiddetto “solvatato”, più liberi di muoversi e di esprimere le loro funzionalità individuali e se son rose… intendevo: se son bollicine emergeranno.

Nella metafora, Bart potrebbe sì procedere iniziando a portarsi alla bocca il cucchiaio con la minestra ma, sopraffatto dalla pigrizia dovuta all’eccessivo peso del cucchiaio, nonché probabilmente da una fame piuttosto limitata, questa operazione potrebbe tirare veramente per le lunghe, tanto che il mattino dopo la sua mamma lo potrebbe sorprendere ancora in cucina con il cucchiaio in mano: “ma sei ancora lì?”.
Per fargli superare quel piccolo-grande gap di energia richiesta dall’atto stesso del mangiare, possiamo però aiutare il nostro amico giallo in un altro modo: possiamo cercare il giusto catalizzatore per aiutarlo a superare questa difficoltà iniziale, facendo tesoro del detto: “l’appetito vien mangiando”.
Un catalizzatore è una sostanza che pur “attraversando” intatta il processo di reazione, cioè non consumandosi né venendo prodotta dalla reazione, permette di velocizzare, spesso in modo veramente determinante, una reazione comunque possibile sulla base delle tre condizioni finora esaminate.   Per una descrizione corredata di video sul significato e la funzione della catalisi, si rimanda al precedente intervento: “bruciare lo zucchero? un piccolo stratagemma spiegato”
Nel caso di Bart, un catalizzatore molto amato dai bambini inappetenti è accendere la TV: magari stanno trasmettendo i Simpson!

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CHE COS’E’ UNA REAZIONE CHIMICA?

Una reazione chimica può essere definita come il processo che, tramite la variazione della modalità con la quale gli atomi risultano fra loro legati per formare specie chimiche più complesse (molecole o ioni), porta ad una ricombinazione degli stessi atomi con la formazione di specie chimiche diverse da quelle di partenza.

A partire dall’evidenza che tutto ciò che ci circonda, solido liquido o gassoso che sia, è costituito da atomi organizzati fra loro in modo preciso tramite legami chimici per formare molecole e, in minima parte, da atomi isolati sottoforma di molecole monoatomiche, lo studio delle reazioni chimiche è potenzialmente in grado di descrivere e spesso anche di prevedere la stragrande maggioranza dei mutamenti più intimi della materia, ed in particolare quelle che comportano la trasformazione di una sostanza chimica in un’altra.

immagini reazioni chimiche: combustione, precipitazione composto insolubile, ossidazione di un metallo, liberazione biossido di carbonio per attacco acido su un carbonato

- nota -
Un’utile lettura a questo proposito, specie per districarsi nella sottile differenza fra alcuni termini solo apparentemente sinonimi fra loro (come ad esempio sostanza, molecola e specie chimica) può essere rappresentata dall’articolo “sostanza, molecola, composto o specie chimica:? …le definizioni a confronto”
[relativamente all’articolo corrente, i puristi mi perdonino l’utilizzo improprio del termine “molecola” per indicare anche i composti ionici, ma si concorderà che l’impiego di troppi “estendo” e “distinguo” avrebbe reso l’attuale trattazione troppo farraginosa per il contesto attuale]

Una nota di particolare rilievo, che deriva direttamente dalle definizione data di reazione chimica e che tornerà utile anche per definire in seguito quelle che “non sono” reazioni chimiche, prende le mosse dall’essenza stessa del legame chimico.    Qualsiasi tipo di legame chimico che tenga insieme gli atomi per formare una molecola o uno ione, interessa e coinvolge in modo specifico i suoi elettroni più periferici, ovvero quelli collocati in gusci elettronici più esterni, più distanti dal nucleo e quindi a minore energia.    Anche trascurando la tipologia specifica dei legami chimici coinvolti, la natura della specie chimica e l’effetto della reazione considerata, possiamo quindi affermare che una reazione chimica è un fenomeno che non si spinge più profondamente, come grado di incidenza sulla struttura atomica dei reagenti, rispetto all’organizzazione degli elettroni più periferici.   D’altronde tutta la chimica sta proprio lì, in quel manipolo di elettroni più esterni di ciascun atomo, quelli a minore energia, quelli che, risentendo indirettamente dell’effetto dell’organizzazione atomica più “interna”, determinano le caratteristiche chimiche e quindi anche reattive dell’elemento, da solo o all’interno di molecole.

Una reazione chimica descrive un fatto che avviene su base temporale, ovvero quella che anche al di fuori della chimica verrebbe a definirsi come una trasformazione, e come tale comporta che vi siano “un prima” ed un “dopo”, da collocarsi su di una scala dei tempi che può passare dalle semi-istantaneità all’arco dei secoli.   Le specie chimiche presenti “prima” della reazione, ovvero quelle originarie che vengono poi trasformate nella reazione medesima, prendono il nome di “reagenti”; quelle inizialmente assenti ma che si formano “dopo”, per effetto della reazione prendono il nome di “prodotti”.

Nella stragrande maggioranza dei casi una reazione chimica coinvolge, nei reagenti e/o nei prodotti, non una soltanto ma due o più specie chimiche differenti. Anche se non mancano certamente i casi nei quali un unico reagente di scinde in più prodotti, oppure più reagenti si assemblano in un prodotto solo, nella maggior parte dei casi assistiamo alla reazione fra due o più reagenti per la formazione di due o più prodotti di reazione.

TRASFORMAZIONI CHE NON SONO REAZIONI CHIMICHE

Non sono quindi reazioni chimiche le semplici transizioni di stato, come ad esempio l’evaporazione/ebollizione, la fusione, la condensazione, la solidificazione e la sublimazione di una sostanza: in questi fenomeni, infatti, le molecole rimangono intatte nei legami che le costituiscono e quello che cambia è la modalità (e di conseguenza la forza) con la quale l’insieme delle molecole dello stesso tipo interagiscono fra loro. Interazioni molto forti tra una molecola e l’altra (o tra i diversi ioni nel caso di una specie chimica ionica), con distanze e posizioni sostanzialmente definite, corrispondono allo stato solido; interazioni più labili e mutevoli, ma comunque fortemente attrattive corrispondono allo stato liquido, mentre interazioni molto deboli, con la possibilità da parte delle molecole di allontanarsi o avvicinarsi liberamente l’una dall’altra corrisponderanno allo stato aeriforme gassoso.
La natura delle specie chimiche descritte resta tuttavia sempre la stessa perché nulla è cambiato, in una semplice transizione di stato, nella tipologia dei legami che tengono uniti un atomo con l’altro all’interno della stessa molecola.

Altra esclusione è quella relativa alle cosiddette reazioni nucleari, termine con il quale si intende solitamente una trasformazione a carico non dell’ambiente elettronico (come invece capita nelle reazioni chimiche), bensì della struttura del nucleo di un atomo.   Dato che è proprio l’identità del nucleo, ed in particolare il numero di protoni in esso contenuti, a definire la natura di un elemento chimico e quindi a farne la differenza rispetto ad un elemento diverso fra i cento e più conosciuti, si può dire che una reazione nucleare porta alla trasformazione di un elemento in un altro.    Le reazioni nucleari non possono quindi essere considerate trasformazioni appartenenti al campo di competenza della chimica (che inizia a definire il suo campo di pertinenza “a partire” dal livello di organizzazione dell’atomo, non al di sotto), per quanto ne condividano alcuni formalismi di rappresentazione schematica, in forma di “reazione” appunto, ma appartengono probabilmente di più al campo della fisica ed in particolare della cosiddetta fisica nucleare.

Un caso di confine può essere rappresentato dalle interazioni di tipo supramolecolare, con le quali molecole “fatte e finite” (dello stesso tipo o di tipo differente) si organizzano fra loro spazialmente, tramite legami di solito piuttosto deboli rispetto a quelli interni a ciascuna molecola, creando i presupposti per una particolare organizzazione di ordine superiore a quella chimica.    Dato che l’oggetto della chimica sono essenzialmente le molecole, questo tipo di organizzazione reciproca fra le molecole viene spesso definita supramolecolare, cioè “al di sopra di quella molecolare” e crea come un ponte fra la chimica e le discipline scientifiche più macroscopiche, come ad esempio la scienza dei materiali e la biologia molecolare.
Il passaggio dei “reagenti” da uno stato disorganizzato ad uno organizzato può essere in qualche modo interpretato come una reazione chimica, per quanto ciascuna molecola potrebbe esistere e di fatto esisteva inizialmente, anche in forma indipendente e continua a mantenere la sua identità di specie chimica anche nel prodotto di reazione.

esempi di interazioni ed assemblati supramolecolari

Casi di questo genere sono per esempio la creazione di micelle a partire dai sali degli acidi grassi in soluzione sia acquosa che di solvente apolare, il trattenimento di un catione inorganico all’interno della cavità avente un ben preciso diametro (e quindi molto selettiva verso il raggio ionico dell’ospitato) negli eteri corona, introduzione di una piccola molecola nella cavità conica dei calixareni, ma anche l’accoppiamento in foglietti beta delle catene proteiche, l’interazione enzima-substrato e persino l’accoppiamento fra due filamenti di DNA per formare la nota struttura a doppia elica.
Si tratta di un argomento a tal punto affascinante e dalla conseguenze così presenti nella nostra vita anche di tutti i giorni che sono certo avremo modo di tornarci nelle prossime settimane con un intervento appositamente incentrato su di esso.

MODALITA’ DI RAPPRESENTAZIONE DI UNA REAZIONE CHIMICA

La notazione grafica utilizzata per rappresentare una reazione chimica prende spunto dalla matematica mutuando l’idea di equazione: in questo caso l’uguaglianza fra i membri sinistro (reagenti, R) e quello destro (prodotti, P) dell’equazione è riferita in primo luogo al numero ed all’identità degli atomi, che in alcun modo possono crearsi, distruggersi o trasformarsi l’un l’altro nel corso della reazione.

In secondo luogo, esistono criteri un po’ più sottili (che per il momento NON prenderemo in considerazione) che devono essere rispettati nell’estensione formalmente corretta dell’equazione chimica, specie quando sono rappresentate specie chimiche scritte in modo “incompleto”, ovvero che non potrebbero esistere tal quali isolate in natura, ad esempio gli ioni: in questi casi risulta fondamentale tenere conto, oltre al bilanciamento del numero di ciascun tipo di atomi fra i due membri dell’equazione, anche del bilanciamento delle cariche elettriche (principio di conservazione della carica), che non deve trascurare gli eventuali elettroni scambiati da un atomo all’altro.

Ma parlando di questo siamo già andati ben oltre lo scopo di questo intervento.
In realtà il ricorso al concetto di “equazione” nel descrivere una reazione chimica regge fino a un certo punto, fino cioè al punto in cui ci serve effettuare su di essa dei calcoli matematici, magari allo scopo di valutare le dosi di reagenti da utilizzare o prevedere la quantità di prodotti teoricamente ottenibili.   Dal punto di vista concettuale, invece, una reazione chimica non può essere intesa come la rappresentazione di un’uguaglianza bensì come un processo di vera e propria trasformazione che avviene su scala temporale, fra un “prima” ed un “dopo”, come già descritto nel capitolo precedente, con la formazione di prodotti che sono di fatto, almeno dal punto di vista chimico, diversi dai reagenti.
La reazione stessa, che porta dai reagenti ai prodotti, è rappresentata con una freccia direzionale, da sinistra a destra. Nel caso di trasformazione di un reagente R in un prodotto P possiamo scrivere lo schema di reazione come segue:

Nel caso in cui sia presente insieme al reagente R un’altra specie chimica (Z) che non è coinvolta nella reazione, essa si troverà tal quale fra i prodotti:

Solitamente le specie chimiche che non reagiscono non vengono riportate nello schema di reazione: è il caso del solvente, ovvero del materiale, nel più dei casi liquido, nel quale sono sciolti i reagenti e nei quali troveremo alla fine sciolti i prodotti della reazione.   Il solvente, ed eventuali altre specie chimiche che a vario titolo possono essere presenti nella miscela iniziale pur senza venire trasformate dalla reazione, possono essere riportate sopra ed eventualmente sotto alla freccia di reazione, insieme ad eventuali annotazioni in merito alle condizioni di reazione.

Questo schema di reazione indica la trasformazione del reagente R nel prodotto P, all’interno di una soluzione acquosa, alla temperatura di 80°C ed in presenza di una specie chimica “cat” che assiste alla reazione, magari favorendola come ad esempio un catalizzatore.
Ovviamente in sistemi molto complessi, come ad esempio in un prodotto di origine naturale costituito da centinaia di specie chimiche differenti in miscela, la reazione che ci interessa rappresentare potrebbe riguardare un numero molto limitato di reagenti, magari solo due o addirittura uno soltanto: in questo caso, molto semplicemente, tutte le altre specie chimiche presenti nella miscela vengono ignorate dalla notazione semplificata della reazione.

Spesso davanti alla formula dei reagenti e dei prodotti è riportato un numero, chiamato coefficiente stechiometrico di reazione: esso indica semplicemente il numero delle molecole di ciascuna specie chimica che entra a far parte della reazione, consumandosi o venendo prodotto.     In ogni reazione solitamente le molecole coinvolte di ciascuna specie chimica sono in un numero terribilmente elevato, per lo meno di miliardi di miliardi, per cui quando si parla di “numero di molecole” si intende semplicemente il rapporto minimale fra le molecole di ciascuna specie chimica che fra loro reagiscono o vengono prodotte:

In questo caso, per esempio, 2 molecole di A reagiscono con 2 di B per formare come prodotti una molecola di C e tre molecole di D.  Ragionando in grande, ovvero in dosi “pesabili” di sostanze chimiche, tutto viene riportato proporzionalmente in scala, ma attenzione!   La proporzionalità non è tra i coefficienti di reazione ed il peso delle sostanze, bensì fra i coefficienti di reazione ed il numero di moli (nota per i puristi: non fatemi tirare fuori in questa sede l’argomento degli equivalenti!).   Cos’è una mole?  Cercando di liquidare in due righe questo concetto in realtà di non così immediata comprensibilità, possiamo dire che corrisponde al peso, espresso in grammi, di un numero di molecole (o di atomi nel caso di una specie monoatomica) di quella sostanza pari al numero di Avogadro.   Se la molecola è leggera, ovvero composta da pochi atomi e fra i primi della tavola periodica (es. metano, CH4) singolarmente essa avrà un peso assoluto molto basso: in questo caso lo stesso numero di Avogadro di molecole corrisponderà ad un peso in grammi inferiore rispetto a quello che si avrebbe magari con una molecola composta dallo stesso numero di atomi ma magari di elementi più pesanti (es. tetracloruro di carbonio, CCl4), ed ancora più rispetto ad una avente un numero più elevato di atomi più pesanti (es. esacloroetano, C2Cl6).

L’impiego dei coefficienti di reazione, in combinazione con il calcolo del peso molecolare della molecola (in pratica il peso di una “mole” della sostanza), permette al chimico di conoscere la giusta quantità di reagenti da pesare in funzione della reazione desiderata, dando inoltre la possibilità di prevedere, nei limiti della resa, la quantità in peso di ciascun prodotto di reazione ottenibile.

La notazione relativa ad una reazione chimica può utilizzare formule brute, di semi-struttura o di struttura per indicare la natura dei reagenti e dei prodotti.   Si consiglia a questo proposito una lettura dell’articolo “perché si usano le formula chimiche? (e come interpretarle)”

Le formule brute si utilizzano soprattutto per le sostanze inorganiche; quelle di semi-struttura (es. CH3COOH invece di C2H4O2) per le molecole organiche più semplici al fine di evidenziare in esse il gruppo funzionale, ovvero la parte della molecola soggetta a reazione (in questo caso il gruppo carbossilico –COOH).

Le formule di struttura vere e proprie si utilizzano invece per le molecole organiche più complesse, dove sarebbe ben difficile far capire “di cosa si tratta” utilizzando una formula più semplificata, ad esempio in ragione della presenza di più gruppi funzionali o della trasformazione, in seguito alla reazione, di parti che costituiscono in qualche modo l’ossatura, il cosiddetto “scheletro molecolare”.

reazione della fenolftaleina in ambiente basico per idrossido di sodio, con passaggio alla forma salificata (prodotto) di colore fucsia

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Se la trasformazione da reagenti a prodotti non è del tutto completa, o meglio se essa può in una certa misura risultare reversibile, con ritrasformazione quindi di una parte di P in R, in sostituzione della freccia unidirezionale dovremmo utilizzare una coppia di frecce con direzione opposta, che rappresentano appunto la reversibilità della reazione:

Le reazioni chimiche possono avvenire fra (o possono generare delle) specie chimiche in forma solida, liquida o gassosa: lo stato fisico della sostanza coinvolta è talvolta (ma non obbligatoriamente) segnalato rispettivamente con una (s), (l), (g) in basso a destra rispetto alla formula bruta della specie interessata.   Un’annotazione dal sapore ottocentesco, ma a mio avviso molto utile, specie per le finalità didattiche, è quella di evidenziare subito a destra di un prodotto di reazione una eventuale freccetta verso l’alto oppure verso il basso, per indicare quei prodotti che a vario titolo si separano dal sistema di reazione, inzialmente omogeneo.

A partire dal sistema omogeneo rappresentato da reagenti sciolti in soluzione, un prodotto potrebbe per esempio “sfuggire” sottoforma di gas, rappresentabile quindi con una freccia diretta verso l’alto.  Un’altra possibilità è invece rappresentata dalla formazione di un prodotto insolubile, che pertanto si separa dalla soluzione, in alcuni casi intorbidendola  semplicemente, in altri casi depositandosi più o meno velocemente sul fondo del contenitore (si parla in questo caso di “precipitazione” del prodotto di reazione, che va così a formare un “precipitato”).

Un esempio di reazione chimica con formazione di un precipitato insolubile è visibile in questo video, che rappresenta la reazione di due sostanze chimiche pure, l’argento nitrato ed il sodio cloruro (entrambe sciolti in acqua, in due flaconi separati), con formazione di sodio nitrato (che rimane in soluzione) ed argento cloruro, insolubile in acqua, che precipita sotto forma di polvere bianca pesante:

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Nel seguente video possiamo invece assistere alla reazione fra bicarbonato di sodio (detto più correttamente sodio carbonato acido, di formula bruta NaHCO3) ed un materiale più complesso, l’aceto di vino, con lo sviluppo di un prodotto di reazione in forma gassosa:

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Le specie chimiche dell’aceto che prendono parte a questa reazione, come molti potranno facilmente immaginare, sono tutte quelle acide in esso presenti, ed in particolare l’acido organico più abbondante in questo liquido: l’acido acetico.   Mentre il sodio bicarbonato è una specie chimica pura, classificata come sale acido, nell’aceto sono presenti numerosissime sostanze diverse, fra le quali polifenoli, carboidrati, etanolo, acidi organici di varia natura: per rappresentare la reazione che ci interessa però non compiamo un grave errore nel trascurare di riportare tutte le altre, concentrando invece la nostra attenzione unicamente sull’acido acetico, di formula di semi-struttura CH3COOH:

Non avendo segnalato nulla per i due reagenti e per i primi due prodotti della reazione (il sodio acetato e l’acqua) si intende semplicemente che essi erano presenti (o si formano) in soluzione, quindi nella massa omogenea di reazione.

L’anidride carbonica, o biossido di carbonio, invece, riportata come ultimo dei tre prodotti di reazione, si libera dalla miscela in reazione sotto forma di gas chiaramente visibile nel video in forma di bolle che, proprio come indica la freccia posta a destra della formula, tende a sfuggire “verso l’alto” dalla soluzione contenente in prodotti di reazione.

Questa notazione risulta tanto più importante considerando il fatto che le reazioni nelle quali almeno uno dei prodotti sono in grado di separarsi da soli (o l’operatore riesce in qualche modo a toglierli) dalla miscela di reazione, sono spesso fra le più favorite, come avremo sicuramente modo di illustrare e giustificare più avanti, nella seconda parte di questo intervento.

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Lo zucchero sembrerebbe non bruciare affatto.
L’operatore ha afferrato uno zolletta di saccarosio (il comune zucchero alimentare usato in cucina), scegliendo di operare su una zolletta per una semplice problema di comodità, ed ha provato “ad accenderla” su una fiamma, garantita in questo caso da una candela accesa.    Il risultato? Nessuno: la fiamma “non prende”, la zolletta non si accende, ovvero lo zucchero non brucia.   Alla peggio, dopo un po’ di tempo di esposizione alla fiamma (quello che in altri contesti si definirebbe “innesco”) si assiste alla degradazione del saccarosio con la formazione di una massa fluida e scura di caramello e lo sviluppo del caratteristico aroma dolciastro. Ma niente combustione.
Cosa concludere allora?   Forse che i biologi e i biochimici hanno congiurato per tutto questo tempo nel prenderci in giro con questa falsa informazione fin dalla scuola dell’obbligo?

Qualcuno potrebbe giustamente obiettare che forse è l’interpretazione del termine bruciare” che andrebbe un po’ allargata, magari con una metafora, dal suo senso letterale ad uno più esteso.   Ed effettivamente potrebbe avere ragione, ma anche senza tirare in ballo metafore o allegorie, perché quella che avviene agli zuccheri nel nostro corpo “è” in effetti una forma di combustione.   Per un chimico, la combustione (ovvero il processo attraverso il quale un combustibile brucia) non è in realtà indissolubilmente legata allo sviluppo di fuoco e fiamme, che in un certo senso possono essere intese come una semplice manifestazione fisica secondaria, una specie di effetto collaterale e derivato di una reazione vera e propria che sta nascosta dietro: la vera reazione di combustione, quella propriamente detta (vedi l’intervento “che cos’è il fuoco?”).    Il cuore del concetto di combustione sta nella reazione di ossido-riduzione che vede la trasformazione ossidativa (quindi con perdita di elettroni) di un combustibile (in questo caso una sostanza organica come lo zucchero) in anidride carbonica ad opera dell’ossigeno atmosferico, che a sua volta si riduce formando acqua, con liberazione di energia.   Sono quindi in qualche modo fissati reagenti, prodotti ed energia liberata: “in che modo” possa decorrere questa reazione, ed in che modo l’energia liberata possa essere gestita ed eventualmente imbrigliata, non condiziona in modo sostanziale l’idea di combustione.
E’ vero che nel nostro organismo e nei contesti biologici in genere questa reazione si svolge in decine di step che hanno lo scopo essenziale di “imbrigliare” e di sfruttare al meglio l’energia prodotta, accumulandola in molecole energetiche di riserva e che la partecipazione dell’ossigeno in funzione di comburente compare soltanto nell’ultimissimo passaggio dei tanti

In un certo senso la differenza che sta fra respirazione e combustione ricorda un po’ quella che intercorre fra coricarsi a terra e cadere incidentalmente: in entrambe i casi passiamo dalla posizione eretta a quella distesa, ma la complessità e la dinamica dei due processi, eventualmente la velocità ed il numero muscoli coinvolti, nonché con tutta probabilità anche le conseguenze per il nostro organismo non saranno di sicuro le stesse!

Cerchiamo allora di capire per quale ragione lo stesso zucchero che nel nostro organismo va incontro ad un processo ossidativi, non subisce la medesima trasformazione, pure in condizioni apparentemente più drastiche, quando proviamo ad incendiarlo sotto forma con una fiamma diretta.

Una cosa che certamente ricordata, per quanto banale possa apparire una volta enunciata, è che per quanto “ad alto contenuto energetico” una sostanza non si trasforma da sola, ovvero non reagisce spontaneamente liberando quest’energia racchiusa nella sua struttura molecolare a partire da uno stato di quiete e senza interventi dall’esterno: se così fosse la molecola non risulterebbe stabile e per tanto neppure facilmente isolabile, non almeno quel tanto che basterebbe per essere prodotta industrialmente e chiusa in sacchetti o barattoli per un uso dilazionato nel tempo.     L’avvio del processo di combustione a carico dei materiali combustibili più noti nella pratica quotidiana, dal legno al carbone al petrolio richiedono per poter avviare il loro processo di combustione di una piccola “spintarella” fornita dall’esterno, definita anche innesco: nel migliore dei casi una semplice scintilla, in altri addirittura l’esposizione diretta e più o meno prolungata a temperature particolarmente elevate, in pratica ad una fiamma come nel caso di un ceppo di legno.   Persino gli esplosivi più sensibili richiedono per lo meno uno stimolo di tipo meccanico per poter deflagrare e l’esplosione, com’è noto, consiste anch’essa in una forma di ossido-riduzione molto simile ad una combustione interna, anche se ti tipo estremamente rapido.
Tutte queste tipologie di inneschi (scintilla, fiamma, urto, ecc) sono tutti modi per fornire al sistema combustibile+comburente (aria), di per sé stabile nelle condizioni di stoccaggio, quella piccola o grande quantità di energia necessaria per far sì che il processo di combustione di avvii.    Una volta attivato il processo, questo fornirà una quantità fin dai primi istanti una quantità di energia sufficiente per mantenersi vivo, di solito fino all’esaurimento del combustibile (oppure dell’ossigeno comburente).    Questa piccola quantità di energia inizialmente richiesta è detta appunto “energia di attivazione” della reazione e la sua entità non dipende affatto dalla quantità di energia racchiusa nel combustibile e che potrà successivamente liberarsi nel corso della reazione.
Possiamo immaginare l’energia di attivazione come la spinta che un uomo deve dare ad un masso per farlo cadere giù da un burrone: per farlo spostare, anche solo di quel mezzo metro necessario per farlo cadere, egli dovrà fornire energia meccanica sotto forma di spinta muscolare, magari facendogli superare come illustrato nella figura una piccola cunetta del terreno.   Una volta superato questo limite, il masso cadrà da solo fino a raggiungere un livello energetico più basso di quello di partenza: se al posto di un masso di pietra immaginassimo una quantità di acqua, ecco che a valle potremo pensare di inserire le turbine di una centrale idroelettrica per lo sfruttamento dell’energia cinetica liberata nel salto.

Ecco: lo zucchero, come del resto molte altre sostanze organiche, ha un contenuto energetico interno molto elevato, ma richiede anche un’energia di attivazione piuttosto alta per l’avvio del processo di combustione.
Di fatto nel limite delle nostre possibilità faticheremo non poco ad immaginare una fonte più energetica di una fiamma accesa per fornire l’energia necessaria all’attivazione di una reazione.   Questo genere di problematica, com’è facile intuire, non riguarda solo la combustione, e neppure “soltanto” le ossidoriduzioni, bensì sia a livello di laboratorio che, soprattutto, industriale, l’attivazione in genere di tutte quelle reazioni chimiche che seppur di tipo esoergonico, ossia in grado di liberare energia una volta avviate, soffrono tuttavia di una barriera energetica di attivazione un po’ troppo elevata per essere superata con i mezzi a disposizione.
La strategia più comunemente seguita in tutti questi casi cerca in qualche modo di aggirare il problema cercando di modificare in qualche modo il meccanismo stesso della reazione con l’obiettivo di ridurre il più possibile l’entità dell’energia di attivazione richiesta.

Prima di spendere altre parole su questo argomento, guardiamo nel seguente video un piccolo stratagemma “casalingo” concepito per ovviare a questo problema nel caso della combustione dello zucchero, ispirato proprio a quanto appena anticipato:

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Nel video si vede l’operatore che prima di esporre la zolletta alla fiamma la “sporca” con un’altra sostanza, nel caso specifico della cenere di sigaretta. Attenzione a non fraintendere il significato dell’esperimento: la cenere di sigaretta non è affatto accesa (quindi non si tratta di brace) e può anche essere vecchia di anni e, in vero, può essere agevolmente sostituita da diverse altre sostanze, magari più difficili da procurare in casa, che nulla hanno a che fare con la cenere ma che possono svolgere la medesima funzione.
La zolletta di zucchero contaminata da cenere, se esposta alla fiamma inizia a bruciare, proseguendo a questo punto fino al completo consumo del combustibile disponibile, ovvero dello zucchero.   Se si dovesse osservare il tutto nel dettaglio si noterebbe che la reazione ha preso piede solo sulle porzioni di superficie sulle quali sono rimaste attaccate particelle di cenere; inoltre a fine processo, una volta terminata la combustione della zolletta, dovrebbe essere possibile ritrovare inalterata la stessa cenere di sigaretta che era stata utilizzata inizialmente per sporcare il saccarosio.    Questo piccolo residuo può benissimo essere riutilizzato per “sporcare” una nuova zolletta di zucchero e permettere in questo modo la combustione anche della seconda, e così via, virtualmente all’infinito.

La quantità di cenere che si è addizionata inizialmente alla zolletta non è poi così fondamentale, o per lo meno non si può far dipendere da essa il fatto che poi la reazione esoergonica di combustione del saccarosio possa procedere più o meno speditamente una volta avviata.   La cenere non è un reagente e non viene consumata nel corso della reazione, per tanto la sua concentrazione in rapporto ai reagenti non condiziona la velocità del processo di combustione una volta avviato, ma al limita la velocità del primo avvio.

Mettendo insieme tutte queste caratteristiche che descrivono il comportamento della cenere di sigaretta nel favorire l’innesco della reazione di combustione del saccarosio, possiamo concludere che essa:
1) Abbassa l’energia di attivazione della reazione, rendendo possibile il decorso della stessa reazione nel senso energeticamente più favorevole;
2) Non viene consumata dalla reazione ma, al contrario, la si trova inalterata in quantità e qualità al termine del processo.

Quelle appena descritte sono precisamente le caratteristiche di un catalizzatore.    La cenere di sigaretta in questo caso catalizza la reazione di combustione del saccarosio in zolletta con la partecipazione in qualità di comburente dell’ossigeno dell’aria.
La definizione di catalizzatore fornita da Wikipedia è:
“Un catalizzatore è una sostanza, fonte o dispositivo che interviene in una reazione chimica aumentandone la velocità ma rimanendo inalterato al termine della stessa.
L’aumento di velocità viene reso possibile grazie alla diminuzione dell’energia di attivazione (energia potenziale), che deve essere raggiunta per far sì che i reagenti evolvano poi spontaneamente verso il prodotto/i.”

Da notare che, secondo la definizione, la reazione potrebbe avverrebbe comunque, almeno in linea di principio, anche in assenza del catalizzatore, magari in modo lentissimo, essendo essa pur sempre favorita in termini termodinamici e nello specifico energetici: non si dimentichi infatti che l’energia contenuta nei prodotti di reazione (anidride carbonica + vapore d’acqua) è pur sempre inferiore, e non di poco, rispetto a quella contenuta nei reagenti, ovvero saccarosio + ossigeno.   Un catalizzatore non rende possibile cosa in assenza di esso sarebbe da ritenere impossibile: semplicemente aiuta a rendere più veloce un processo comunque possibile, segnando spesso una differenza sostanziale.

Quello che si osserva macroscopicamente nel caso di molte reazioni però è esattamente quello che abbiamo potuto vedere nel primo video: in tempi “umani” e sulla stragrande maggioranza delle molecole delle quali è composto il materiale reagente, la reazione non prende piede.    E se il tempo richiesto per l’avanzamento di una reazione diventa troppo lungo, altre reazioni secondarie possono prendere il sopravvento a carico degli stessi reagenti: vedi nel nostro caso la complessa reazione di caramellizzazione alla quale il saccarosio va incontro se si insiste nel riscaldarlo a oltranza sulla fiamma.
Taluni mi hanno domandato quali siano esattamente le molecole contenute nella cenere di sigaretta a catalizzare la reazione osservata.   Non lo so con certezza e d’altronde credo non sia neppure fondamentale al fine della comprensione dell’argomento trattato finora: suppongo si tratti di ossidi di metalli di transizione (come ad esempio ferro, manganese, rame, ecc) dei quali la cenere è ricca e che svolgono già una riconosciuta azione catalitica nei confronti di altre reazioni.   Un’altra possibilità, questa forse meno accattivante, è che si tratti dell’azione dei noti “promotori della combustione”, catalizzatori appunto, introdotti dagli stessi produttori di sigarette in talune linee di prodotto allo scopo di scongiurare il più possibile il rischio che sa sigaretta si spenga fra una boccata e l’altra.
Sono diversi i concetti appena abbozzati che meriteranno un approfondimento dedicato in altri interventi: dall’azione stessa dei catalizzatori, inorganici, organici e specificamente biologici, al significato di quella che per il momento mi sono limitato a definire “energia interna” di una molecola, fino alle considerazioni relative al fatto che una data reazione possa essere più o meno favorita in condizioni standard e cosa fare eventualmente per cambiare il decorso naturale delle cose.
In chiusura, una nota doverosa relativa alla cenere di sigaretta: se volete ripetere voi stessi questo esperimento, non è affatto necessario che fumiate, compromettendo come ormai ampiamente comprovato la salute ed il benessere vostro e di chi vi sta accanto.   Potete lasciare “consumare” una o più sigarette accese direttamente in un posacenere, in condizioni controllate di sicurezza, in un ambiente esterno ed areato.
Così nessuno a questo punto potrà accusarmi, se mai ne avesse avuto il sospetto, di aver scritto un intervento di istigazione a fumare!

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ALL’INIZIO ERANO ENTRAMBE UN LIQUIDO

Per comprendere meglio la differenza fra un vetro ed un cristallo dobbiamo fare un passo indietro nella storia della nostra sostanza.   Un passo che può risalire ad un’ora come a molti milioni di anni prima.  Dobbiamo tornare alla nostra sostanza quando si trovava in forma fusa, ovvero allo stato liquido.

A temperature sufficientemente elevate, qualsiasi specie chimica che non sia andata prima incontro ad un’eventuale decomposizione (con formazione di specie chimiche diverse), raggiunge lo stato liquido attraverso una transizione di stato detta fusione.   Questo stato può essere mantenuto fintanto che la sua temperatura resta nel range compreso fra il punto di fusione e quello di ebollizione di quella sostanza.   Anche sostanze insospettabili come i sali inorganici, quindi di natura ionica, possono essere fuse, seppur a temperature molto alte: il cloruro di sodio infatti fonde ad 804°C, il biossido di silicio (la silice, che costituisce il principale componente della comune sabbia) addirittura 1723°C.

All’interno di un liquido le molecole risultano attratte l’una dall’altra e quindi non si separano liberamente sfuggendo in tutte le direzione come invece capita nello stato aeriforme, ma al contrario formano nel loro insieme un “corpo” più pesante dell’aria, dotato di un volume definito (ad una data temperatura) per quanto di forma varabile in funzione del contenitore dove esso viene posto.   Ma la cosa più importante ai nostri fini è che le molecole di una sostanza allo stato liquido, quindi anche le sostanze fuse, grazie alla limitata forza di coesione fra le molecole che li compongono, presentano un grado di fluidità tendenzialmente elevato (i liquidi meno fluidi sono detti viscosi).   Quando gli “attriti” fra le diverse molecole sono ridotti, ovvero quando è limitata la tendenza a formare legami intermolecolari, il liquido risulta particolarmente fluido ed in esso le molecole sono in grado di muoversi con un buon grado di libertà l’una rispetto all’altra, in pratica di “scivolare” una sull’altra come le molecole di acqua visibili in questo video.

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I CRISTALLI

Quando una sostanza allo stato liquido viene gradualmente raffreddata, le molecole tendono ad organizzarsi nello spazio disponibile in modo decisamente più strutturato, andando a sistemarsi una rispetto all’altra in punti e con orientamenti reciproci definiti in modo tale da ridurre il più possibile quella che potrebbe essere in un certo senso definita (i chimico-fisici più rigorosi mi perdonino!) come l’energia associata alla conformazione del sistema.

Numerosi sono i fattori che entrano in gioco nel determinare l’energia associabile ad un sistema di particelle uguali fra loro, come quello rappresentato da una sostanza fusa che inizia a solidificare per raffreddamento ed il maggior peso di uno o dell’altro dipende in larga misura del tipo di sostanza con la quale abbiamo a che fare, ovvero dalla sua struttura molecolare.   Genericamente si può dire che le molecole si orientano una rispetto all’altra in un modo regolare, secondo uno schema per così dire modulare di costruzione del corpo solido, minimizzando gli spazi vuoti e massimizzando la compattezza dell’assemblaggio molecolare, certamente, ma subendo anche la fortissima influenza delle interazioni fra le singole parti delle molecole.  Nella maggior parte delle molecole è infatti possibile riscontrare fenomeni di polarità (concettualmente non molto dissimili da quelli delle calamite) che derivano da una maggiore densità di elettroni su una o alcune parti della molecola rispetto che su altre, fenomeno questo dovuto a sua volta a particolari atomi o gruppi di atomi presenti nella molecola.   Durante la solidificazione un importante criterio di minimizzazione energetica sarà quello di pervenire ad un orientamento reciproco fra le molecole tale per cui la massima parte di cariche parziali positive di una molecola sia orientata ed in prossimità della massima parte delle cariche negative di un’altra, e viceversa, evitando pertanto porzioni positive di molecole diverse arrivino troppo in prossimità l’una dell’altra, e lo stesso per le porzioni negative delle stesse molecole. Nel video che segue si osserva come l’orientamento dipolo-dipolo (in questo caso fra gli atomi di ossigeno e di idrogeno di molecole diverse) risulta tutt’altro che casuale già nell’acqua liquida, fissandosi definitivamente nel congelamento nella posizione di massimo accoppiamento reciproco.

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Anche i legami doppi e tripli, ed in particolare la presenza di anelli aromatici come quello del benzene sono in grado di influenzare l’orientamento reciproco delle molecole quando la loro libertà di movimento si riduce gradualmente con il diminuire della temperatura: in particolare gli anelli benzenici, che possiamo facilmente immaginare come degli esagoni appiattiti su un piano bidimensionale, tendono ad avvicinare fra loro le loro facce piane, sotto l’effetto di un’interazione fra le loro rispettive nuvole elettroniche detta “interazione pi-greco pi-greco”.   Per molecole piuttosto grandi, costituite magari da una catena di atomi, anche la forma che la singola molecola assume durante la solidificazione può costituire un fattore importante nel determinare il contenuto energetico del solido prodotto.   Allo stato liquido molte di queste molecole di muovono snodandosi, distendendosi e ripiegandosi con grande libertà, tenendo ad assumere un po’ tutte le forme che l’organizzazione dei loro atomi legati consente loro: ci saranno certo delle “conformazioni” favorite che se dovessimo riprendere con una fotografia istantanea l’insieme di tutte le molecole vedremmo essere più ricorrenti, ma questo non impedisce che la stessa molecola continui a flettersi, distendersi, appallottolarsi e dispiegarsi come una ginnasta di aerobica.   Proprio come una sportiva quando le viene viene detto “ok, riposo!” tende ad assumere una posizione quieta, tranquilla e senza tensioni inutili muscolari, allo stesso modo le stesse molecole quando devono organizzarsi nella solidificazione tendono ad assumere la forma, in linguaggio chimico “la conformazione” alla quale corrisponde in minimo energetico.  Anche questa forma è influenzata da fattori di polarità, ma questa volta interni alla stessa molecola, di interazioni attrattive fra alcune parti della molecola (ad es. dalle sue eventuali catene di atomi di carbonio, che tendono in molti casi ad avvicinarsi disponendosi in modo parallelo), come anche dal fattore di ingombro dovuto a determinate parti “voluminose” della molecola (i cosiddetti “ingombri sterici”).
Sono quindi numerosi i fattori che entrano in gioco quando una sostanza allo stato liquido viene raffreddata gradualmente fino al punto di solidificazione: tutti questi fattori, portano comunque le molecole ad organizzarsi reciprocamente nello spazio tridimensionale in un modo preciso, modulare e riproducibile, caratteristico di quel tipo di sostanza.

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NEL VIDEO: cristallizzazione dell’acqua liquida in ghiaccio. Si notano una moltitudine di molecole composte ciascuna da un atomo di ossigeno (rosso in figura) che lega due atomi di idrogeno (azzurro in figura). Nel corso del raffreddamento i movimenti rallentano, iniziano a formarsi strutture effimere ed infine il tutto prende definitivamente forma quasi all’improvviso in una struttura cristallina costituita da un reticoli di forme esagonali.

Una sostanza che solidifica secondo questi criteri si dice che “cristallizza”, ed il prodotto solido che risulta dal processo di cristallizzazione sono per l’appunto cristalli.   Secondo la sua definizione, che siamo ora in grado di comprendere meglio, “un cristallo è un oggetto solido costituito da atomi, molecole o ioni (in pratica da qualsiasi specie chimica) aventi una disposizione geometricamente regolare, che si ripete indefinitamente nelle tre dimensioni, detta reticolo cristallino”.
La stessa cristallografia viene definita come la scienza sperimentale che si occupa di determinare la disposizione degli atomi nei solidi.

reticolo cristallino (tipo cubico a facce centrate) del cloruro di sodio

Non ci si sorprenda del termine “reticolo cristallino” appena introdotto nella definizione di cristallo: esso è semplicemente un modo di descrivere la disposizione geometrica tridimensionale dei punti occupati dagli atomi.  Voglio tentare una metafora.  Avete presente quelle pavimentazioni elaborate, comuni in molte antiche chiese o edifici nobiliari, dove mattonelle di forma e con motivi diversi sono incastrate fra loro per creare un motivo complesso che però si riproduce modularmente sull’intera superficie della sala?  Se facciamo attenzione riusciamo a vedere che il motivo risulta descritto da un numero limitato di mattonelle fra loro confinanti, ipotizzo da nove mattonelle di forma e motivo diverso che messe insieme descrivono un grande fiore.   Se le singole mattonelle rappresentano gli atomi e l’intero pavimento rappresenta il cristallo, queste nove mattonelle fra loro confinanti rappresentano la cosiddetta “cella cristallina”.  Nel caso dei cristalli le celle cristalline sono tridimensionali.  Si tratta di un gruppo di punti (occupati da atomi) che può essere preso a campione per descrivere l’organizzazione geometrica di tutto il cristallo.   Il reticolo cristallino è invece l’insieme di “tutti” i punti occupati da atomi all’interno di un cristallo, quindi un insieme di atomi posti in posizioni regolari che si estende regolarmente all’infinito…  almeno finchè si estende il cristallo.

La strutturazione di un solido sotto forma cristallina è favorita come crescita di uno o più cristalli già formati piuttosto che nella formazione di cristalli ex-novo a partire da un liquido che ne è ancora del tutto privo: eventuali cristallini già preformati presenti nel liquido (talvolta anche banali ed ubiquitarie impurezze insolubili, costituite anche da sostanze differenti) possono costituire una valida guida organizzativa per la solidificazione strutturata di nuova sostanza in forma cristallina, che in questo caso contribuirà alla crescita in dimensioni e peso dei cristalli già esistenti.

Abbiamo visto come la formazione di cristalli costituisca la modalità di solidificazione per certi versi più naturale a partire da un prodotto fuso.   In realtà la cristallizzazione di una sostanza può avvenire anche a partire da una sua soluzione.   Nell’articolo “solido in un liquido: interpretazione di una sparizione” abbiamo imparato a distinguere fra fusione, soluzione, dispersione ed altre modalità di interazione solido-liquido eventualmente mediate dal calore.
Nel caso di una soluzione ogni singola molecola di sostanza disciolta (soluto) risulta circondata da molecole di solvente e non manifesta pertanto la tendenza a coedere con altre molecole dello stesso tipo per formare aggregati più grandi.   Siamo solitamente abituati a pensare alle soluzioni per antonomasia come quelle di un solido in un solvente liquido, ma in realtà possono esistere, ed anzi sono assai più comuni di quanto si pensi, soluzioni di una qualsiasi fase in qualsiasi altra, ad esempio di un gas in un liquido, di un liquido in un solido, di un solido in un gas, ecc.

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Nel video è ripresa in modalità accelerata la crescita di cristalli di rame (II) solfato pentaidrato a partire da una soluzione acquosa dello stesso sale.

La solubilità massima consentita di un dato soluto in un determinato solvente (in grammi di soluto per grammo di soluzione, oppure in moli/litro o in qualsiasi altra unità di misura la si voglia esprimere) è un valore che dipende da vari fattori fra i quali la temperatura e la pressione.   Tenendo costante la pressione (ad esempio lavorando in contenitori aperti, alla pressione ambientale) possiamo far superare questo limite di solubilità o riducendo la temperatura (in quanto per la maggior parte delle sostanze la solubilità è direttamente proporzionale alla temperatura) oppure facendo evaporare gradualmente il solvente a temperatura costante, con il risultato che il rapporto fra peso di soluto e peso di solvente crescerà gradualmente.   In entrambe i casi, la quota di soluto che avrà superato il limite di solubilità per quelle date condizioni inizierà a separarsi in forma cristallina, generando ex-novo piccoli cristalli o, ancora più facilmente, determinando la crescita in peso e dimensioni di cristalli della stessa sostanza già presenti nella soluzione.

Nella maggioranza dei casi i solidi con i quali abbiamo a che fare quotidianamente sono di tipo “policristallino”, ovvero sono costituiti da una moltitudine di cristalli minuscoli (detti cristalliti), talvolta così piccoli ed appressati saldamente l’un l’altro che possono facilmente sfuggire ad un’osservazione superficiale, facendoci percepire l’oggetto come costituito da un materiale uniforme e continuo.   Tanto gli oggetti metallici quanto quelli di pietra, il cemento, diversi tipi di materiali plastici e le ceramiche sono esempi di materiali policristallini di uso comune.  La ragione per la quale essi sono costituiti da una moltitudine di cristalli in alternativa ad un solo cristallo enorme dipende dal fatto che nel liquido di partenza (sostanza unica fusa oppure soluzione di più specie chimiche) il processo di formazione del cristallo è partito contemporaneamente o quasi in punti diversi del volume disponibile.  Superata una fase iniziale di formazione dei primi nuclei cristallini (nucleazione) tendenzialmente non si formeranno cristalli nuovi ma quelli già formati continueranno a crescere, costituendo una sorta di guida organizzativa per la deposizione su di essi di nuovo materiale solido cristallino.

riflettanza diffusa della luce in un solido policristallino

I cristalliti possono presentarsi all’interno dello stesso materiale policristallino in una molteplicità di dimensioni ed orientazioni spaziali diverse: le interfacce fra un cristalline e l’altro, dette “bordi di grano” possono così essere orientate secondo un po’ tutte le direzioni, rifrangendo di conseguenza la luce incidente in altrettante direzioni diverse con l’esito di caratterizzare il materiale il questione risulterà diafano nei confronti della luce incidente, fino alla caratteristica di completa opacità.   Attraverso particolari tecnologie di preparazione è invece possibile far sì che tutti i cristalliti di un solido policristallino risultino orientati nello stesso modo, con bordi di grano fra loro paralleli: è il caso della strutture policristallina di tipo fibroso tipica di molti materiali plastici trasparenti come il plexiglass, il policarbonato, il polistirene (non espanso).

Esistono ovviamente anche solidi mono-cristallini, ovvero costituiti da un solo grande cristallo, cresciuto solitamente a partire da una fase liquida di elevata limpidezza, in condizioni di sovrassaturazione lievissima ed in tempi davvero molto lunghi…  diciamo “geologici”.

smeraldi (grezzi) - allumino-silicato di berillio, contenente tracce di cromo e di vanadio

E’ il caso delle moltissime gemme, pietre dure di tipo prezioso o semi-prezioso come lo smeraldo, il rubino, lo zaffiro e l’ametista, ma entro una certa misura anche di alcuni prodotti granulari o meglio “micro-cristallini” come il comune sale ed il comune zucchero usati in cucina: in questi casi ogni granello è costituito da un cristallo differente, anche se potrebbero essere tutt’altro che rari i casi in cui due o più cristalli risultino attaccati insieme, tanto più se si considera che si tratta di materiali igroscopici, che tendono a compattarsi con l’umidità (formazione di legami idrogeno fra molecole di acqua, che fungono da ponte, e due cristalli vicini).

cristalli di cloruro di sodio (sale da cucina) ingrenditi

Con una buona lente d’ingrandimento o un microscopio chiunque può passare in rassegna cristallo per cristallo il cloruro di sodio del barattolo in cucina per determinare quanti monocristalli siano in esso presenti, tenendo conto comunque che questa caratteristica non influenza in nessun modo le caratteristiche di questo prodotto una volta che esso viene sciolto in acqua.

Una delle caratteristiche fondamentali che differenzia i materiali cristallini (soprattutto i monocristalli) dai materiali amorfi come i vetri è l’elevato grado di anisotropia tipico dei cristalli.   Numerose proprietà fisiche ed alcune proprietà chimiche dei cristalli dipendenti da una qualche sollecitazione esterna, possono variare anche in modo radicale a seconda della direzione rispetto al singolo cristallo dalla quale proviene la sollecitazione.   Un esempio è il comportamento nei confronti della luce, che può essere riflessa o rifratta in modo diverso a seconda della faccia sulla quale agisce il raggio, la trasmissione di calore e di elettricità, ed infine anche la risposta ad una sollecitazione meccanica forte come ad esempio un urto.   E’ noto infatti che i cristalli non possono essere liberamente spezzati nella direzione voluta per cosi dire “a colpi di scalpello”, ma ogni azione meccanica forte avrà successo soprattutto se sarà esercitata nella direzione di determinati piani di taglio, la cui direzione dipende indirettamente dalla forma del reticolo e quindi della cella cristallina.   Il risultato di questo è che minuscoli o molto grandi che siano, i cristalli della stessa sostanza tenderanno ad assumere sempre la stessa forma, il loro cosiddetto “abito cristallino” tipico.

Avremo modo di approfondire meglio l’affascinante fenomeno della cristallizzazione e le sue strategie di conduzione in un prossimo intervento specificamente dedicato all’argomento.

I VETRI

E’ possibile che vi sia sfuggito, sembrava una parolina messa lì giusto per caso, ma quando ho descritto proprio nella prima riga le condizioni che portano alla cristallizzazione di un liquido, ho detto “Quando una sostanza allo stato liquido viene gradualmente raffreddata”…  E’ su questo “gradualmente” che si gioca tutta la differenza fra un vetro ed un cristallo.

Il processo di riordino delle molecole, la modifica della loro conformazione spaziale indirizzata al raggiungimento di quella ottimale a minore energia, l’orientamento reciproco di queste molecole, la loro migrazione destinata a coprire i punti che definiscono il reticolo ideale per la cristallizzazione di quella determinata sostanza, sono tutti fenomeni che comportano in un modo o nell’altro il movimento su scala microscopica di molecole o di parte di esse, secondo moti traslazionali e rotazionali.   Come per gli oggetti macroscopici, anche nell’ambito non propriamente quantistico rappresentato dalle molecole e degli ioni, questi movimenti non posso sicuramente essere immaginati come istantanei ed anzi, in taluni casi richiedono un certo tempo per realizzarsi.

In un liquido molto viscoso, come sono in effetti tantissimi quando la temperatura si abbassa fino in prossimità del punto di salificazione o congelamento, la viscosità cresce in modo molto accentuato, tale da rallentare anche in modo significativo i movimenti di molecole e ioni.    Ho navigato per più di un ora in internet su youtube e vi assicuro che non ho reperito (ne ricordo di aver mai visto finora) un video dove il vetro fuso apparisse più fluido, ovvero meno viscoso, di quella sorta di pasta giallo-arancio arroventata e luminescente che siamo solite vedere lavorare da sapienti artigiani presso i loro laboratori.   Di fatto, a quanto mi è dato apprendere, non vi sarebbe una forte motivazione tecnologica (se non per applicazioni davvero speciali in campo tecnologico) nello spingersi a temperature maggiori, difficili e costose da ottenere e da mantenere nel tempo, essendo la pasta di vetro ottimamente lavorabile anche e soprattutto nelle condizioni di liquido viscoso.

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Quando il raffreddamento del liquido avviene troppo rapidamente, accade semplicemente che la viscosità divenuta davvero molto elevata impedisce al sistema di raggiungere il suo equilibrio geometrico e quindi il suo minimo energetico.   Se conformazione molecolare ed orientamento reciproco tutto sommato richiedono piccoli movimenti, soprattutto rotazionali ed “in loco”, la disposizione delle molecole, o degli atomi, o degli ioni nei nodi del reticolo cristallino ideale per quella sostanza richiedono spesso movimenti molecolari anche di tipo traslazionale, anche di più ampia portata.   Le molecole restano quindi lì dove sono, anche se la situazione è ben lungi dall’equilibrio, e più passa il tempo e più il sistema si raffredda meno esse sono in grado di muoversi.  Finchè la viscosità cresce a tal punto da rendere compatto e solido il materiale in questione: abbiamo creato un vetro.

E’ come se nel noto gioco della sedia la temperatura nella sala scendesse improvvisamente ad una valore tale che tutti dovessero rimanere congelati lì dove sono: con i posti solo in parte occupati e tanta gente in piedi nelle posizioni più improbabili.   Guardando un’istantanea di questa scena si crederebbe che la gente stia ancora ballando.    Ed allo stesso modo, la disposizione delle molecole o degli atomi in un vetro ricorda molto da vicino quella che si sarebbe potuta osservare nel liquido di partenza, semplicemente ora le molecole non si muovono più liberamente l’una rispetto all’altra ma risultano di fatto “congelate” nelle posizioni più diverse: considerando la massa del prodotto, ovvero un grandissimo numero di molecole, potremmo praticamente dire che vi sono molecole orientate e direzionate secondo tutte le direzioni possibili.
Da questo deriva il fatto che, salvo possibili lievi fluttuazioni di densità, impurezze ed inclusioni disperse, un vetro è un materiale isotropo: a differenza di un cristallo le sue caratteristiche fisiche non variano in relazione alla direzione di osservazione o di prova.   Presenterà grosso modo la stessa trasparenza nei confronti della luce, la stessa conduttività termica, la stessa durezza e, diciamo così, la stessa propensione a rompersi indipendentemente dalla direzione dalla quale proverrà la sollecitazione.

moldavite (grezza e lavorata): un vetro naturale probabilmente formato in seguito all'impatto di un meteorite con la crosta terrestre

In linea teorica tutte le sostanze potrebbero solidificare come vetro.  Nella pratica, non sono molte quelle che sono suscettibili di questa modalità di solidificazione.   Per poter vetrificare con un normale abbassamenti di temperatura, senza ricorrere ad abbattitori di calore in grado di far crollare la temperatura di un corpo in pochi istanti, fra le molecole di un liquido devono sussistere delle resistenze al libero scorrimento, dovute per lo più a forti interazioni attrattive fra le diverse molecole, o eventualmente a ragioni dette steriche, legate cioè all’ingombro spaziale delle molecole o di parti di esse.   In entrambe i casi il liquido presenta ad una osservazione macroscopica una elevata viscosità, ed in ultima analisi una velocità di cristallizzazione spontanea particolarmente lenta.

Oltre al biossido di silicio (base fondamentale per la formulazione dei vetri così come li intendiamo nell’accezione comune),

ossidiana

opale montata in un pendente

L’opale poi è davvero un caso strano e degno di una descrizione più approfondita: esso è costituito da minuscole sferette di silice amorfa, ovvero da quella che potremo definire un vetro, ma esse sono a loro volta impaccate ed organizzate in modo regolare sui nodi di un reticolo cristallino proprio come se ciascuna sferetta di vetro fosse un atomo o una molecola singola.  In aggiunta a questo, l’opale contiene fino ad un 20% di acqua legata chimicamente all’interno di essa: tutte condizioni queste indispensabili per la resa di quell’effetto di luce e di colori noto appunto come “opalescenza” che è dato dalla combinazione di effetti di interferenza e di diffrazione della luce.

Diventa comunque difficile per la maggior parte di noi pensare al “vetro” come ad un’idea generale, ad una forma di aggregazione della materia allo stato solido, senza far coincidere necessariamente questa immagine con quella del vetro comunemente detto, quello diciamo di uso quotidiano.  Questo risulta costituito essenzialmente da biossido di silicio (silice), formalmente SiO2 ma che nel contesto specifico, grazie anche all’aggiunta di altri ingredienti quali sali di sodio, di calcio e di alluminio, forma un reticolo tridimensionale e complesso, dove lo scheletro principale è costituito da atomi di silicio che legano a loro volta in modo covalente quattro atomi di ossigeno, a loro volta legati ad altro silicio.   L’alluminio può eventualmente sostituire in qualche punto in silicio, mentre un certo numero di atomi di ossigeno risultano ionizzati (conferendo alla sottostruttura la qualità di anione silicato) grazie anche alla presenza di cationi come il sodio o il calcio.  Alcuni atomi di ossigeno, soprattutto quelli posti più sulla superficie sul materiale, possono legare direttamente un idrogenione, costituendo il gruppo Si-OH noto come silanolo.

Composizione, struttura e proprietà del vetro, proprio lui, quello “comune”, a base di biossido di silicio, costituiscono un insieme di conoscenze talmente complesso ed affascinante, anche in relazione alle implicazioni che ne derivano per la nostra vita domestica, che si renderà presto necessario editare un intervento specifico su questo argomento.

struttura tridimensionale della silice (in blu gli atomi di silicio, in rosso quelli di ossigeno)

Per ora potrà essere sufficiente osservare l’esempio di struttura riportata a lato (che fra l’altro rappresenta un ipotetico vetro di silice pura, senza né sodio, né alluminio o altri coadiuvanti tecnologici aggiunti), per comprendere come un vetro sia basato su un reticolo veramente fitto di legami, tutti fra l’altro molto forti in quanto di natura prevalentemente covalente.   Non stupisce quindi che la formazione incipiente di questi legami possa costituire un forte ostacolo nei confronti della fluidità del liquido rappresentato dal vetro fuso, rendendo la sua cristallizzazione veramente molto difficile ed orientando il processo di solidificazione nella direazione della formazione di una massa amorfa, il vetro appunto, estremamente simile nella disposizione dei suoi atomi e dei suoi legami al liquido dal quale si è formato.

Infatti, per quanto possa suonare incredibile, i vetri sono spesso descritti come: “liquidi sotto raffreddati ad elevatissima viscosità, i cui legami intramolecolari e gli attriti interni ne mantengono inalterata la forma per un tempo lunghissimo”.

Per lunghissimo tempo?  Non per sempre?

Sì, in effetti almeno in linea teorica un vetro non è un materiale stabile, e non soltanto per la sua facilità a frantumarsi con gli urti.   Un campione o un manufatto di vetro conservato per un tempo sufficientemente lungo tende comunque a trasformarsi cristallizzare.   Per quanto tenacemente imbrigliati dai suddetti legami intermolecolari ed attriti, in condizioni anche di poco superiori al valore di temperatura corrispondente alo zero assoluto (come ad esempio alla nostra temperatura ambientale) atomi, ioni e molecole riescono ancora, seppur con estrema difficoltà, a compiere qualche movimento anche attraverso lo stato solido.  Ed i movimenti saranno certamente in direzione di quegli agognati punti del reticolo cristallino ancora mai raggiunti, a cui corrisponde l’eden molecolare della minore energia interna del sistema.
Possiamo quindi consolarci di fronte al fatto che i nostri calici di Boemia non sono dei veri cristalli: lo diventeranno un giorno, forse fra migliaia di anni, ma è probabile che il loro aspetto cristallino possa poi deluderci.
Se proprio volevamo dei cristalli, forse era meglio investire il tempo per effettuare una solidificazione più lenta.

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