VIDEO: bruciare lo zucchero? un piccolo stratagemma spiegato

L’espressione “bruciare gli zuccheri” è entrata da tempo nel nostro frasario di tutti i giorni: brucia gli zuccheri assunti con una bella alimentazione energetica lo sportivo nello sforzo della prestazione atletica, così come li brucia (o li vorrebbe bruciare) la persona con qualche problema di linea che, seguendo un regime dietetico ipocalorico, cerca in tutti i modi di evitare la loro conversione in lipidi che andrebbero ad incrementare la massa grassa accumulata in cuscinetti antiestetici su pancia e fianchi.
L’espressione è entrata a tal punto a far parte del linguaggio quotidiano che il video che segue, relativo proprio al tentativo di “bruciare” lo zucchero nel senso letterale del termine, potrebbe sollevare un filo di sconcerto, a questo punto quanto mai ragionevole:

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.

energia di attivazione per una reazione chimica esoergonicaUna 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:

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.

abbassamento dell'energia di attivazione di una reazione esoergonica ad opera di un catalizzatoreQuelle 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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