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VIDEO – il dentifricio dell’elefante: interpretazione di una dismutazione spettacolare

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Una delle esperienze di chimica “spettacolare” più comunemente proposta negli show che vogliono mostrare al grande pubblico l’aspetto giocoso ed accattivante della chimica è quella nota come il “dentifricio dell’elefante”.

Video di questa spettacolare chemical experience sono diffusissimi su internet (ed infatti di seguito ne riporterò alcuni da YouTube), mentre meno frequenti risultano i commenti ad essi, ed in particolare quelli che si spingono oltre al fornire la ricetta degli ingredienti da miscelare per produrre da sé la reazione, non senza un filo di pericolo in certi casi colpevolmente sottovalutato da chi si espone in video senza gli idonei dispositivi di protezione individuali come guanti e mascherina adatti.

Di fatto cosa vediamo almeno negli esperimenti più dettagliati (come ad esempio nel secondo video riportato in questo articolo) è un operatore che mescola diversi componenti liquidi dentro ad un cilindro trasparente o ad una bottiglia; dopo l’aggiunta molto rapida dell’ultimo ingrediente l’operatore si ritira velocemente di scena mentre in pochi istanti dal contenitore inizia a generarsi un cilindro di schiuma, bianca o più spesso colorata, che velocemente cresce, straborda dal collo della bottiglia o del cilindro, esattamente come un dentifricio che esca da un enorme tubetto (da qui il nome di “dentifricio dell’elefante” dato all’esperienza), finchè il fenomeno dopo un periodo che varia da una manciata di secondi ad un minuto buono si esaurisce, non prima di avere sporcato tutto il tavolo di quella schiuma che, una volta a riposo, tende a trasformarsi inevitabilmente in una piccola quantità di liquido sparsa sul piano di lavoro.

Il mio approccio abituale in casi del genere è quello di cercare di differenziare la reazione in sé, ovvero la natura del fenomeno da spiegare, dai fattori di contorno che lo possono eventualmente rendere spettacolare, ma che in molti casi non fanno parte del fenomeno in sé stesso.
La reazione di per sè consiste nella dismutazione del perossido di idrogeno, per dare acqua ed ossigeno molecolare gassoso: in seguito avremo modo di scendere come si deve nel dettaglio di questa tipologia di reazioni.
Cosa lo rende spettacolare è l’aggiunta di un tensioattivo (ovvero nella pratica di un detersivo liquido molto schiumogeno) ed eventualmente di uno o più liquidi colorati, tutto visibile in video, che non partecipano minimamente alla reazione in sé, ma che fanno sì che il gas (ossigeno) prodotto in grande quantità sottoforma di bollicine dalla reazione suddetta, si traduca nell’evoluzione di in un simpatico blob di schiuma colorata.
Ma torniamo alla reazione.
Una dismutazione è un particolare caso di reazione di ossido-riduzione “interna” ad una sostanza chimica. In altre parole, lo scambio di elettroni che caratterizza una reazione redox avviene fra atomi dello stesso tipo: a partire da uno stato di ossidazione inziziale intermedio dell’elemento, alcuni dei suoi atomi si ossideranno (cedendo elettroni, quindi assumendo carica maggiormente positiva) ed altri, nello stesso numero, si ridurranno (acquistando elettroni, quindi assumendo carica maggiormente negativa).
Nello specifico, la molecola di partenza è il perossido di idrogeno H2O2(detto anche acqua ossigenata), nella quale ciascun ossigeno ha uno stato di ossidazione -1, intermedio quindi a quello dell’acqua H2O (-2) ed a quello dell’ossigeno molecolare, ovvero a quello gassoso che respiriamo dall’aria (stato di ossidazione 0).
La reazione di dismutazione dell’idrogeno perossido può pertanto essere scritta come:

2H2O2 ==> 2H2O + O2

I coefficienti davanti alle formule (detti anche coefficienti stechiometrici) indicano il rapporto fra le molecole che partecipano alla reazione (reagenti) o si formano da essa (prodotti di reazione).
Nello specifico di questa reazione si vede che per ogni due molecole di idrogeno perossido si formeranno due molecole di acqua ed una di ossigeno molecolare.
Altri esempi importanti di dismutazione sono, sempre nell’ambito della chimica inorganica, quella che porta un cosiddetto “alogeno molecolare”, ad esempio il cloro Cl2 (con numero di ossidazione 0) a trasformarsi in soluzioni acquose basiche (per esempio per la presenza di idrossido di sodio) in cloruro (-1) ed ipoclorito (+1).   Questa per esempio è la reazione che sta alla base della formazione della candeggina, che per l’appunto consiste commercialmente in una soluzione acquosa mista di cloruro di sodio e di ipoclorito di sodio (solo quest’ultimo attivo come sbiancante), ottenuta industrialmente per l’appunto facendo gorgogliare cloro molecolare, gassoso, in una soluzione acquosa concentrata di idrossido di sodio, ovvero di soda caustica.
Stanislao Cannizzaro - dismutazione di Cannizzaro Anche se non è più così corretto parlare di scambio di elettroni, esempi di dismutazione sono noti anche nell’universo della chimica organica: l’esempio forse più noto è rappresentato dalla “dismutazione di Cannizaro” (dal nome del famoso chimico siciliano, 1826-1910) dove sempre in ambiente basico un’aldeide in parte si ossida nel suo corrispondente acido carbossilico ed in parte si riduce al corrispondente alcol primario.
Ad esempio la formaldeide darà origine ad una miscela equimolecolare di acido formico e metanolo, mentre l’acetaldeide ad una miscela di acido acetico ed etanolo (alcol etilico).

A differenza di questi due casi che richiedevano la presenza di un altro reagente, ad esempio l’idrossido di sodio o un’altra base forte, tuttavia, la dismutazione del perossido di idrogeno risulta essere ancora più particolare, in quanto può avvenire in linea teorica anche senza l’intervento di altri reagenti.
L’idrogeno perossido infatti è considerato una sostanza altamente instabile ed è per questo che non viene commercializzata, per serie ragioni di sicurezza, a concentrazioni superiori al 60%; solitamente la parte rimanente del prodotto è costituita da acqua “ordinaria”, eventualmente con l’aggiunta di stabilizzanti che inibiscano la dismutazione spontanea del prodotto.
L’acqua ossigenata usata comunemente come disinfettante della cute ha una concentrazione di idrogeno perossido appena del 3%, mentre i prodotti usati per la decolorazione dei capelli raramente superano il 6% di concentrazione.
A riprova del fatto che l’acqua ossigenata possa, almeno nei contesti auspicati, generare gas, e nello specifico ossigeno, sta il fatto che i produttori più che sulla base della percentuale effettiva di idrogeno perossido, sono soliti esprimere la concentrazione di questi prodotti sulla base del volume di ossigeno molecolare gassoso che questi potrebbero essere in grado di generare in caso di dismutazione totale del perossido di idrogeno in essi contenuti.
Ad esempio una concentrazione del 3% di H2O2 corrisponde a 10 volumi di O2, una concentrazione del 10% a 34 volumi ed una concentrazione del 30% a 111 volumi, sempre di O2.
Quindi abbiamo compreso come il perossido di idrogeno possa in talune condizioni generare ossigeno gassoso per dismutazione, ovvero per ossidoriduzione interna, anche senza l’intervento di un reagente esterno che partecipi attivamente alla reazione.

Come possiamo quindi favorire questa dismutazione, rendendola così veloce da poterla utilizzare ai fini dell’esperimento mostrato nel video?
Ad esempio con l’aggiunta di un catalizzatore. Un catalizzatore è una specie chimica, inorganica o organica, anche un semplice elemento o ione, la cui presenza favorisce una reazione pur senza consumarsi, ovvero senza essere annoverato nei reagenti.    Un catalizzatore entra ed esce con la stessa composizione chimica da una reazione, quindi a livello di rappresentazione schematica non può essere riportato né nei reagenti (a sinistra) né nei prodotti (a destra), bensì sulla freccia stessa che indica la direzione della reazione.   Su questa freccia il chimico è solito riportare le condizioni ambientali richieste per la reazione, ad esempio il riscaldamento, la presenza di luce ad esempio ultravioletta, le condizioni di pressurizzazione particolare, il solvente specifico richiesto nel quale sciogliere i reagenti… ed anche la presenza e la specifica tipologia del catalizzatore richiesto!
La reazione di dismutazione dell’idrogeno perossido è di tipo esoergonico, ovvero genera calore man mano che progredisce, e questo calore favorisce a sua volta il proseguimento della reazione: è per questo che una volta iniziato il processo, esso tenderebbe a progredire velocemente anche “togliendo” il catalizzatore.   Il problema sta all’inizio, nel dare il via al tutto, ovvero per attivare il processo.   Per attivare una reazione chimica è spesso richiesta una piccola quantità di energia (come il primo tocco alla prima tessera di un lungo domino), dopo di che in molti casi quella prodotta dalle prime molecole che reagiscono è più che sufficiente a mantenere vivo il processo. rappresentazione pittorica dell'energia di attivazione di una reazione chimica Questa piccola quantità di energia iniziale richiesta è l’energia di attivazione.   Spesso le condizioni ambientali non sono sufficientemente energetiche da superare la soglia di questo scoglio energetico iniziale: ecco allora che un catalizzatore agisce abbassando la soglia di questa energia di attivazione, ed innescando quindi un processo esoergonico (ovvero con liberazione di energia) e spesso anche esotermico (ovvero con liberazione di calore) che poi è in grado di mantenersi da solo.
Nella figura qui a lato è riportata una metafora dell’energia di attivazione: per far si che il masso scenda ad un livello B ancora più basso di quello iniziale A (ovvero ad una minore altitudine, ovvero ancora ad una minor livello di energia potenziale) è spesso necessario fargli superare un picco ostacolo.   Se così non fosse, il masso sarebbe già rotolato da solo verso lo stato energetico inferiore ed il problema non si sarebbe neppure posto all’operatotre!

Tornando quindi all’argomento della reazione che sta alla base del dentifricio dell’elefante, fra i vari ingredienti ad un certo punto il performer aggiunge un catalizzatore.   Lo fa alla fine di tutto, dopo aver aggiunto l’acqua ossigenata (soluzione di perossido di idrogeno), il tensioattivo schiumogeno e gli eventuali coloranti: l’ultimo liquido che introduce, appena prima di farsi da parte, è solitamente una soluzione acquosa di ioduro di potassio (KI).   A questo punto la reazione di dismutazione del perossido di idrogeno sia avvia, tutto o quasi il reagente si converte in acqua ed ossigeno molecolare gassoso, quest’ultimo viene imbrigliato, imprigionato in una matrice liquida ad elevatissima tensione superficiale dando origine ad una schiuma, ed il tutto viene spinto fuori dal contenitore in funzione del fatto che, anche se per ogni due molecole di idrogeno perossido se ne forma solo una di ossigeno molecolare, le molecole di quest’ultimo essendo allo stato gassoso occupano un volume terribilmente superiore rispetto a quello del liquido iniziale, giustificando una netta dilatazione della miscela.
Ecco quindi un video della stessa reazione, completo di tutti gli step di aggiunta di reagente, catalizzatore e coadiuvanti, e dettagliatamente “commentato”:

Il fatto che il gas prodotto sia proprio ossigeno si può comprovare avvicinando un bastoncino di legno, precedentemente acceso e poi spento soffiandoci sopra, fino al livello di brace rossa; lo stesso lo si può fare tranquillamente con una sigaretta accesa: in entrambe i casi si tratta di un oggetto in combustione “tranquilla”, ovvero che brucia senza incendiarsi, in modo lento, senza fiamme visibili.   Avvicinato alla nostra schiuma in corso di evoluzione, questo tizzoncino, come anche la sigaretta, si incendiano letteralmente, generando una fiamma viva.
Numerosi sono i catalizzatori che si sarebbero potuti utilizzare in sostituzione dello ioduro di potassio, ad esempio un sale ferroso, come ad esempio il ferro(II) solfato, come anche il biossido di manganese e l’argento MnO2 e l’argento. In alcuni di questi casi la sostanza aggiunta è un catalizzatore solo a metà, nel senso che essa reagisce di fatto con il perossido di idrogeno (ad esempio nel caso del potassio ioduro, lo iodio viene ossidato da ione ioduro -1 a iodio molecolare I2 con stato di ossidazione 0): a differenza di una reazione ordinaria dove l’esaurimento di un reagente porterebbe all’interrompersi della trasformazione, in questo caso la reazione fra perossido e ioduro da il via ad un processo in grado poi di automantenersi anche in assenza di ulteriore ioduro.

H2O2 + 2I- + 2H+ ==> 4H2O + I2

Anziché utilizzare una sostanza chimica allo stato puro come lo ioduro di potassio in soluzione o una delle altre appena proposte, è possibile utilizzare un prodotto diverso, anche di origine naturale, purchè sia ricco in questi catalizzatori: è il caso riportato nel seguente video, dove nella bottiglietta contenete una soluzione concentrata di idrogeno perossido sono lasciate cadere delle bustine di the (precedentemente tenute sollevate dal tappo mediante i loro cordini).    Il the è un prodotto naturalmente ricco di sali di manganese, che possono catalizzare la reazione di dismutazione del perossido di idrogeno.

La reazione in questo caso decorre in modo “spurio” dal momento che non sono stati miscelati all’origine né tensioattivi schiumogeni né coloranti: quello che si forma è semplicemente l’ossigeno molecolare allo stato gassoso che, senza essere imbrigliato in alcuna struttura schiumosa che ne rallenti lo sviluppo, si sprigiona sotto forma di un getto propulsivo di gas frammisto ad acqua nebulizzata.
Nel linguaggio della rete, questo tipo di esperienza è nota anche come “il genio nella bottiglia”.

Di particolare interesse è a mio avviso una delle tanti varianti della dimostrazione del dentifricio dell’elefante, quella che in sostituzione della soluzione di potassio ioduro o di altro catalizzatore chimico inorganico, utilizza semplicemente lievito di birra (vedi documento dettagliato e fotografico, in lingua inglese).
Lo lievito di birra è costituito da una massa di funghi unicellulari, il Saccharomyces cerevisiae (o altre specie dello stesso genere Saccharomyces) che, in linea con tutti gli altri esseri viventi che già molti milioni di anni fa si adattarono alla vita su questo pianeta ricco di ossigeno, producono enzimi in grado di catalizzare la dismutazione del perossido di idrogeno che questo induce nei tessuti viventi. immagine al microscopio elettronico a scansione di cellule di Saccharomyces cerevisiae, il comune lievito di birra
Gli enzimi sono infatti proteine, quindi molecole organiche strutturalmente complesse prodotte da una cellula vivente, che svolgono attività enzimatica e sono pertanto definite come catalizzatori biologici.   Uno degli enzimi che si è sviluppato prima nella storia evolutiva della vita aerobica sul nostro pianeta è stato proprio la catalasi, una molecola biologica contenente guarda caso ioni ferro, che come suggerisce il nome molto evocativo “catalizza” la reazione di dismutazione del perossido di idrogeno in acqua ed ossigeno molecolare.
E’ grazie alla catalasi se una ferita sulla nostra pelle “frigge” di ossigeno quando trattata con acqua ossigenata, ed è anche grazie alle catalasi contenute nello lievito di birra se la reazione di dismutazione dell’idrogeno perossido riesce a prendere il via nella versione “biologica” della performance del dentifricio dell’elefante.
Oltre ad essere una reazione capace di coinvolgerci emozionalmente, previo il mescolamento di schiume e coloranti, la dismutazione del perossido di idrogeno è quindi una reazione fondamentale per l’esistenza biologica così come oggi la conosciamo: pluricellulare, all’aria aperta, ma al riparo dall’insidia ossidativa con la quale l’accumulo di perossido di idrogeno minerebbe alla base ogni possibilità di vita sul nostro pianeta.
(vedi anche post sulla preservazione dei tessuti biologici dall’azione dei radicali liberi ossigenati e dal perossido di idrogeno)

3 risposte a VIDEO – il dentifricio dell’elefante: interpretazione di una dismutazione spettacolare

  • Filomena Velleca scrive:

    Trovo l’articolo chiaro, coinvolgente, via via crescente in termini di complessità, di ottimo ausilio per un percorso didattico riguardante la cinetica chimica.

  • admin scrive:

    Certamente! Anzi è già accaduto più volte ed incoraggio sempre i lettori a farlo: l’unica limitazione, dal momento che non siamo tuttologi, è che l’argomento rientri nella sfera di conoscenze e soprattutto di competenze del curatore e dei principali collaboratori di Chimicare. In secondo luogo, essendo la finalità del sito di tipo “divulgativo”, l’argomento deve prestarsi ad una trattazione semplificata ma non per questo meno scientificamente corretta.
    Comunque non esiti a proporre! Spero di poterla incontrare ancora su queste pagine e nel frattempo la saluto cordialmente.

    Franco

  • Tommybond scrive:

    Buongiorno, complimenti per l’articolo. E’possibile proporre degli argomenti da trattare negli articoli?

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