la chimica dei materiali

Termochimica metallurgica

di Giorgio Poli

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

 

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

 

Assunti termodinamici

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

è possibile solo se è dotata di un ΔG negativo. Continua...

Ferro, acciaio ed altre “scoperte” siderurgiche

di Giorgio Poli

Prosegue il viaggio alla (ri)scoperta della chimica siderurgica, realizzato in piccola puntate a cura di Chimicare tramite domande-chiave all’esperto.
Nata ancor una volta dalla volontà di mettersi nei panni del lettore non professionale alla ricerca di una risposta ai suoi dubbi, la domanda di oggi suonava all’incirca in questo modo:
” Si tende a dire che sono “di ferro” molti oggetti metallici, specie quelli a basso costo, quando non sia evidente (ad esempio per la loro leggerezza o per il loro colore) che essi sono stati realizzati con altri metalli altrettanto noti, come ad esempio l’alluminio o il rame. E’ vero che esistono e si usano tanti oggetti “di ferro”? “

La risposta è molto semplice: non c’è niente al mondo che sia fatto di ferro, naturalmente inteso come elemento chimico puro. Nel gergo comune, dire che una cosa è di ferro è quasi come dire che una cosa è metallica. Soltanto i più avveduti, magari utilizzando una calamita o verificandone il peso o il colore, tendono a distinguere fra vari tipi di metallo. E spesso incorrono in errore, perché esistono oggetti fatti prevalentemente di ferro che non sono magnetici (provare con una posata su cui sia scritto 18-8 o 18-10. Continua...

I parabeni: nemici per la pelle?

di Silvia Barra

paraben freeSe siete consumatori attenti, avrete notato che da qualche anno, e sempre più spesso, compaiono scritte “Senza parabeni” o “Paraben free” sulle confezioni di cosmetici, prodotti per l’igiene personale e per la pulizia della casa.
Cosa sono i parabeni? In questo articolo scopriremo cosa sono queste sostanze, a cosa servono e perché sempre più spesso le case produttrici decidono di eliminarli dai loro prodotti e di dichiararlo sulle confezioni.

I parabeni sono una famiglia di composti organici aromatici, esteri dell’ acido 4-idrossibenzoico. I più utilizzati sono i metil-, etil-, propil-, butil-, isobutil- e benzilparabeni. Possono essere utilizzati da soli, ma più spesso vengono usati sotto forma di miscele per aumentarne l’efficacia. Sono generalmente prodotti dall’uomo, ma si possono trovare anche in natura, nelle piante e negli animali.
Sono ingredienti indispensabili per garantire la sicurezza e la qualità di molti prodotti usati quotidianamente, come medicinali, prodotti per la casa e l’igiene personale, cosmetici. Senza la loro presenza, infatti, batteri e altri microrganismi dannosi per l’uomo potrebbero svilupparsi all’interno dei prodotti, deteriorandoli e compromettendone le caratteristiche di qualità, fino a renderli talvolta anche pericolosi per la salute umana. Dopo l’apertura infatti, cosmetici e altri prodotti possono venire contaminati da batteri, funghi e muffe presenti nell’ambiente e, di conseguenza, alterarsi e mettere a rischio la salute del consumatore. Continua...

Metallurgia e Chimica

di Giorgio Poli

A chi mi chiedesse: “Si può parlare di metallurgia in un sito dedicato alla chimica?” risponderei: “Non solo si può, è addirittura doveroso!”. Naturalmente è solo un parere personale, forse derivato da anni di operatività nell’ambito della didattica metallurgica.

Potrei cominciare formulando io una domanda: “E’ la chimica che è figlia della metallurgia o è la metallurgia che è figlia della chimica?”. Credo nella prima di queste affermazioni e cerco di spiegare il perché.

Premetto la seguente considerazione. Si pensa che la prima chimica usata dal genere umano (naturalmente in modo incosciente) per fabbricare qualcosa non presente in natura sia stata quella che oggi chiameremmo “chimica della fermentazione”: si hanno indicazioni di uso di bevande fermentate (forse simili alla birra) fin dal neolitico, prima dell’età dei metalli. Ma in questa sede la discussione è indirizzata ai metalli o, meglio, ai “materiali” impiegati dall’uomo per farne “utensili” di varia utilità, senza considerare questioni relative alla biologia, ad agricoltura e pastorizia, ai rapporti sociali, ecc. che potrebbero inficiare almeno in parte quanto segue.

Andiamo alle origini, e rifacendosi ai dogmi della cristianità sulla creazione, si sul dire che Dio è un “ceramista”. Il chiaro riferimento è all’operazione di plasmatura  del fango (o della creta) a forma di essere umano, il quale prende vita attraverso l’assorbimento di un flusso “divino”. Continua...

Come un metallo rivoluzionò la medicina: breve storia del cis-platino

di Giuseppe Alonci

Questo articolo è il secondo della serie dedicata agli effetti biologici dei metalli pesanti.  Nello scorso articolo (I metalli, la medicina e la salute: un rapporto complesso) avevamo introdotto alcuni dei concetti base che incontreremo via via in questo e nei prossimi lavori e avevamo visto, prendendo il mercurio come esempio, quanto può essere difficile e complesso delineare un limite tra buono e cattivo, sicuro e non sicuro.  Lo stesso problema lo incontreremo anche con i farmaci a base di platino, che sono l’oggetto di questo scritto, nei quali il miglioramento del rapporto tra danno e beneficio è continuo oggetto di studio e di ricerca.

 

Un metallo veramente prezioso

Quando pensiamo al platino pensiamo al denaro. Non è una novità, al sentire nominare questo elemento il pensiero di chi non è un chimico (o un oncologo) corre immediatamente a gioielli estremamente costosi, a carte di credito platinum, tessere fedeltà platinum e in generale a tutto ciò che è particolarmente costoso ed esclusivo.

In realtà il platino è ben più di un vezzo inutile o di un simbolo di ricchezza: esso infatti entra nelle nostre vite attraverso un ampio spettro di applicazioni. La maggior parte di noi si porta dietro, ogni giorno, dagli uno ai tre grammi di questo metallo, dato che costituisce il cuore delle nostre marmitte catalitiche, che ci permettono di rendere ecologicamente più sostenibili i (troppo) frequenti spostamenti su strada a cui siamo abituati. Continua...

Il sughero: un materiale naturale dalle proprietà sorprendenti

di Vincenzo Villani e Vito Lavallata

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

sughero e tappo di sughero Il sughero è un materiale molto diffuso e a tutti ben noto, ma non altrettanto ben conosciuto. L’uso che lo rende tanto comune è quello di sigillare bottiglie di vino, spumante, …, e nel periodo natalizio di risultare essenziale per la realizzazione del presepe. Ma il sughero è molto di più: la sua struttura microscopica e composizione è sorprendente, rendendolo campione di isolamento meccanico, acustico, termico ed elettromagnetico. In passato è stato largamente utilizzato per questi scopi e oggi viene riproposto, assieme a materiali polimerici di sintesi, in compositi dalle alte prestazioni tecnologiche.
Dal punto di vista microscopio è detto “materiale cellulare”, cioè costituito da una moltitudine di cellette simili all’alveare delle api. Le sue proprietà isolanti sono dovute alla capacità di dissipare energia, rendendolo quindi adatto a insonorizzare un ambiente, ad assorbire le vibrazioni di un motore, a coibentare degli apparati, e così via.

Con il termine ‘solidi cellulari’ si indicano quei materiali costituiti da un insieme di celle ovvero spazi contenenti gas delimitati da facce solide o da soli spigoli. Si tratta dunque, generalmente, di sistemi bifasici, tant’è che si può pensare ai materiali cellulari come ‘compositi’ costituiti da solido e gas. Continua...

Che cos’è un solvente? (1° parte)

solventi per pitturaUn operaio molto giovane della ditta che sta facendo interventi qui fuori entra nel nostro laboratorio.
– Avete per caso del solvente da darmi?
Certo – rispondo io con un ampio sorriso – Quale?
Il ragazzo, che probabilmente non si aspettava questa domanda, sembra un po’ imbarazzato
Non so… Uno qualsiasi
Allora ti darei dell’acqua
Con imbarazzo ancora migliore  – No, l’acqua no…
Eppure è uno dei migliori solventi che esistono: scioglie tantissime sostanze diverse!
…io devo togliere delle macchie di vernice da delle tubazioni
Di li a poco il ragazzo esce dal laboratorio con una bottiglia di essenza di trementina, una miscela naturale di terpeni (in primo luogo alfa- e beta-pinene) ottenuta per distillazione dalla resina di pino, la stessa dalla quale si ottiene la cosiddetta “acquaragia”.
Restituendo in seguito la bottiglia mi conferma la riuscita della pulizia ed il buon profumo del solvente, come valore aggiunto.

Riflettendoci, mi rendo conto che andare in un laboratorio chimico a chiedere “del solvente” non è molto diverso dall’andare in un ristorante a chiedere “del cibo” o in un magazzino d’abbigliamento a chiedere “un vestito”.

Quello di solvente, per un chimico, non è in effetti un modo per identificare una sostanza e neppure un loro gruppo.  Continua...

L’ottica non lineare ed i materiali a suo supporto

di Giuseppe Alonci

Molte delle tecnologie che ci circondano sono legate, a vario titolo, all’ottica e ai fenomeni ottici. Non parlo solamente di lenti, occhiali e binocoli, ma anche di strumenti modernissimi, come laser, fibre ottiche, satelliti, microscopi, ma anche televisori, schermi LCD o i banali lettori CD-DVD.  Lo stesso premio nobel per la fisica 2014 è stato assegnato a Akasaki, Amano e Nakamura per i loro lavori pioneristici su i primi LED a luce blu. Dagli sviluppi dell’ottica dipenderà fortemente la nostra tecnologia futura: usare i fotoni per trasmettere informazioni, invece degli elettroni, renderà i computer quantistici del futuro delle macchine dalle potenzialità immense.
Ma tra le varie branche che costituiscono l’ottica, particolare importanza sta acquistando negli ultimi anni la cosidetta “ottica non-lineare”, che oggi trova spazio in infinite tecnologie, dai blu-ray ai dispositivi medicali, e che è l’argomento principale di questo articolo. Ma prima di potervi mostrare le infinite potenzialità di una disciplina così complessa è necessario fare una piccola introduzione sulla natura della luce e sul concetto di non linearità.
La natura della luce è sempre stata un dilemma che ha contrapposto scienziati tra i più illustri. Se in certe condizioni infatti la luce sembra comportarsi come un’onda, in altre sembra invece comportarsi come se fosse costituita da tanti microscopici corpuscoli. Continua...

La chimica computazionale e le motivazioni del Nobel 2013

di Giuseppe Alonci

Se chiedeste a un fisico di tracciare la traiettoria di una pallina, probabilmente non avrebbe molte difficoltà a farlo.
Conoscendo la posizione, l’angolo e la velocità iniziale, un semplice conto matematico è più che sufficiente a simulare quasi con esattezza la traiettoria che seguirà, a conoscere la sua energia in ogni momento e a prevedere cosa farà dopo l’urto.

Se però scendiamo nell’infinitamente piccolo e tentiamo di seguire lo stesso approccio per studiare il moto e le energie di atomi, elettroni e particelle il discorso si complica enormemente. Alla meccanica classica, cioè il ramo della fisica che si occupa di studiare oggetti macroscopici (e lenti rispetto la velocità della luce), bisogna infatti sostituire la meccanica quantistica, la parte della fisica che si occupa invece della particelle microscopiche e che è molto più complicata e laboriosa.
Chi volesse approfondire questo argomento, può leggere i due articoli introduttivi di Giovanni Villani sulla meccanica quantistica (Il concetto di struttura e la meccanica quantistica e L’atomo quantistico. Uno strano oggetto).
In effetti, le leggi che governano gran parte del mondo fisico e praticamente tutta la chimica sono note ormai da più di settant’anni.  Già lo stesso Paul Dirac, uno dei padri della fisica moderna, nel 1929 scriveva:
“The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistryare thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble. Continua...

Concentrare e separare il soluto da una soluzione: altri approcci possibili (parte II)

(prosegue dalla 1° parte: “Come concentrare una soluzione: i mille approcci per i mille casi“)

SEPARAZIONE
FISICA IN LOCO

 

– Cristallizzazione

(per raffreddamento, per evaporazione parziale del solvente) Secondo questo approccio, il solvente non è materialmente rimosso dal sistema dove si trovava inizialmente: semplicemente se ne determina una separazione “in loco”, parziale o totale, rispetto al soluto. In linea di massima si ottiene un soluto puro (cristallino), accanto ad un solvente che ne contiene ancora una certa quantità al suo interno (soluzione satura). La cristallizzazione del soluto, per antonomasia recuperato allo stato solido, può essere operata a sua volta per: – raffreddamento della soluzione: per la maggior parte delle sostanze solubili in un certo sovente (anche se non tutte), il limite massimo di concentrazione oltre il quale cessano di solubilizzarsi – o vista dal punto di vista del solvente, la concentrazione massima della soluzione satura – è proporzionale alla temperatura. Raffreddando una soluzione è possibile far superare a questa il suo limite di saturazione, con la conseguente cristallizzazione del soluto in eccesso, in forma pura.

Questo procedimento è realizzabile anche con la variante denominata “crioconcentrazione” attraverso la quale si cristallizza non il soluto ma il solvente in forma pura, provocando di conseguenza una concentrazione del soluto della parte della soluzione che non è cristallizzata. Continua...

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