Urto efficace

E’ piacevole svolgere all’aria aperta un compito che solitamente si esegue al chiuso. Pensiamo ad una lezione: all’arrivo dei primi caldi qualche docente può eccezionalmente trasferirsi con la classe in cortile; magicamente alla luce del sole la spiegazione diventa meno ostica, le parole assumono un altro suono. Liberata dalla costrizione delle quattro mura dell’aula, è come se la mente si librasse in alto con più naturalezza. Giacomo Ciamician ha fatto di più: ha trasferito in terrazza un intero laboratorio chimico. Nato a Trieste nel 1857 da una famiglia di origini armene, Ciamician svolse gli studi universitari a Vienna. Desideroso di ritornare in Italia, si impegnò per raggiungere il gruppo di chimici del grande Stanislao Cannizzaro, come dimostra la lettera ricevuta da quest’ultimo da un professore austriaco che esaltava le qualità del giovane triestino:

Tra gli allievi del mio collega prof. Barth c’è un giovane di Trieste, Ciamician, il quale si considera italiano e desidera far la sua carriera scientifica in Italia. Egli mi pare molto intelligente ed abile, si è occupato tanto di chimica organica quanto di studi chimico-spettroscopici, ed ha pubblicato una serie di lavori che certamente fanno molto onore ad un giovane di 22 anni.

Dunque il giovane chimico aveva approfondito lo studio dei composti organici e della spettroscopia, connubio che lo portò a fondare la fotochimica, il cui oggetto di studio è l’influsso e l’utilizzo della radiazione nelle reazioni chimiche. Essendo il Sole il maggior dispensatore di radiazione abbondante e gratuita, Ciamician cominciò a indagare in che modo la luce solare potesse promuovere particolari reazioni, ragione per cui attrezzò un laboratorio sui tetti:

Un allievo di Ciamician, Giuseppe Bruni, racconta:

Chi in quel periodo ha visto il Professor Ciamician sul terrazzo del suo laboratorio, fra le sue selve di tubi di vetro chiusi, contenenti le più svariate sostanze e miscele esposte alla luce e lo ha udito parlare dei suoi risultati e dei suoi progetti, può dire quale entusiasmo lo animasse. Ma solo chi vi ha assistito da vicino ha un’idea qual somma di lavoro, quale instancabile pazienza, e quale insuperabile abilità sperimentale, quale meraviglioso fiuto (al proprio e al figurato) fosse necessario per  [...] isolare e caratterizzare i vari prodotti di così complesse reazioni.

Giuseppe Bruni, autore di un celebre trattato su cui si sono formati tantissimi chimici, fu uno dei numerosi allievi che raccolsero l’eredità di Ciamician. Un altro allievo è Riccardo Ciusa, che ho ricordato poco tempo fa in Puglia, dovendo parlare di alcuni chimici pugliesi celebri già citati in questo blog. In questa foto sono ritratti insieme Giacomo Ciamician e Riccardo Ciusa durante una lezione accompagnata da dimostrazioni pratiche:

L’interesse dello scienziato per la luce solare nacque da quello per le piante. Mentre la maggior parte delle reazioni di laboratorio necessitano di temperature elevate, determinati valori di pH ed altre particolari condizioni, le piante dalle piccole tracce di acido carbonico che offre loro l’aria, dalle piccole quantità di sali che esse sottraggono al terreno, dall’acqua ovunque presente, e per mezzo della luce riescono a preparare con apparente facilità tante svariate sostanze che noi a stento riusciamo a riprodurre. Sappiamo infatti che i vegetali, a differenza degli organismi animali, non hanno la necessità di muoversi per procurarsi il nutrimento, essendo capaci di sintetizzare una grande varietà di composti a partire da semplici sostanze chimiche. La nostra vita dipende dalla quantità e qualità del cibo ingerito: è il prezzo da pagare per l’altissimo grado di specializzazione raggiunto dai nostri organi. E’ stato una specie di baratto: siamo diventati schiavi della ricerca di cibo per ottenere un grado di evoluzione superiore  a quello di qualsiasi altro organismo; la nostra biochimica è talmente complessa da non lasciare spazio alla possibilità di ottenere il composito carburante di cui necessitiamo da poche sostanze coadiuvate dalla luce del sole. Questa particolare autosufficienza delle piante rende lo studio della biochimica vegetale particolarmente promettente per eventuali applicazioni alla fotochimica di laboratorio, e Ciamician fu il primo a intuirlo con stupefacente lucidità.

Terminati gli studi a Vienna Ciamician ottenne una sede italiana (mi viene spontaneo pensare ai tanti nostri talenti che invece non riescono a tornare dopo anni di ricerca all’estero …): dopo alcuni anni trascorsi a Roma e Padova si stabilì definitivamente a Bologna, scelta motivata da particolari interessi “scientifici” che confidò anni dopo all’allievo Bruni:

Si figuri che la ragione che mi spinse più di tutte fu che a Bologna c’era la Società del Quartetto e che vi si poteva sentire più buona musica che in ogni altra città d’Italia; ma non mi attentai a dirlo a nessuno per non farmi canzonare, e diedi l’altra ragione di cui in realtà m’importava poco.

Ovviamente “l’altra ragione” era legata all’attività di ricerca … ma lo scienziato nutriva anche altri interessi, e non solo musicali. Vi includerei anche la poesia, poesia in prosa. Leggendo gli scritti di Ciamician si ha infatti la sensazione di trovarsi di fronte ad uno scienziato visionario, capace di conferire un’aura poetica ed un grande potere immaginifico alle ricerche di cui si occupava. Un esempio? Nel corso di una conferenza avvenuta in un’epoca anteriore a quella del petrolio (La fotochimica del futuro, 1912), lo scienziato cominciò con il prefigurare l’esaurimento del carbon fossile, “sorgente precipua di forza e di ricchezza” di cui l’uomo si è servito con “crescente avidità e spensierata prodigalità per la conquista del mondo”; in seguito comunicò che, secondo i suoi studi “la quantità di energia solare che arrivava annualmente in un piccolo territorio tropicale che abbia una superficie grande come quella del Lazio equivale alla produzione annuale mondiale di carbon fossile”. Detto questo, Ciamician diede libero sfogo alle sue visioni immaginando nei territori desertici grandi oasi di vetro al cui interno sofisticati meccanismi immagazzinano e sfruttano l’energia del sole:

Sull’arido suolo sorgeranno colonie industriali senza fuliggine e senza camini: selve di tubi di vetro e serre di ogni dimensione – camere di vetro – s’innalzeranno al Sole ed in questi apparecchi trasparenti si compiranno quei processi fotochimici di cui fino allora le piante avevano il segreto ed il privilegio, ma che l’industria umana avrà saputo carpire: essa saprà farli ben altrimenti fruttare, perché la natura non ha fretta mentre l’umanità è frettolosa. E se giungerà in un lontano avvenire il momento in cui il carbone fossile sarà esaurito, non per questo la civiltà avrà fine: ché la vita  e la civiltà dureranno finché splende il Sole! E se anche alla civiltà del carbone, nera e nervosa dell’epoca nostra, dovesse far seguito quella forse più tranquilla dell’energia solare, non ne verrebbe un gran male per il progresso e la felicità umana.

Probabilmente se allora qualche romanziere si fosse interessato di fotochimica ne avrebbe tratto un racconto alla Jules Verne. Oggi quelle visioni sono molto vicine alla realtà: pensiamo ai pannelli fotovoltaici, di cui finalmente anche le scuole si stanno dotando, come ci racconta la prof.ssa Magni nel suo post.

In classe

I numerosi esperimenti di Giacomo Ciamician gli permisero di scoprire un gran numero di reazioni. Un insegnante di chimica organica può proporne alcune, tra le quali le quattro elencate di seguito, rispettivamente di idrolisi, condensazione, disproporzione, ossidazione:

Dopo aver identificato le famiglie di appartenenza delle molecole coinvolte riportandone i nomi, è interessante ricercare le condizioni di reazione per ottenere gli stessi prodotti per via non fotochimica: si constata facilmente che solo l’opportuno intervento della luce rende possibile l’ottenimento degli stessi prodotti in condizioni blande. Ancora più interessante è valutare l’utilità dei composti ottenuti, e di conseguenza l’interesse a sintetizzarli in grande quantità con processi poco dispendiosi.

In laboratorio

Una tipica reazione catalizzata dalla luce è l’ossidoriduzione reversibile della tionina, un composto organico che può esistere in due forme, una ossidata di colore porpora e una ridotta incolore. Quando un agente riducente come lo ione ferroso è aggiunto ad una soluzione acida di tionina, questa molecola accetta due atomi di idrogeno riducendosi nella forma incolore (in chimica organica nella maggioranza dei casi la riduzione di una molecola si realizza tramite aumento del numero di idrogeni legati ad uno o più atomi in essa contenuti, mentre l’ossidazione si realizza tramite aumento del numero di ossigeni). La decolorazione della soluzione di tionina avviene solo in presenza di una intensa sorgente di luce. La reazione della tionina è la seguente:

Materiale occorrente: solfato di ferro (II) eptaidrato, FeSO4 . 7H2O – acido solforico 95%, H2SO4 – soluzione di tionina – lampada o luce solare diretta

Procedimento

In un becher si prepara una soluzione 0,001 M di tionina sciogliendone 0,023 g in 100 ml di acqua distillata, ottenendo un colore porpora. A 5 ml di tale soluzione si aggiungono 250 ml di acqua e 5 ml di acido solforico 3 M (preparato aggiungendo 10 ml di acqua a 1,7 ml di acido solforico al 95%). Infine si aggiungono 0,4 g di solfato di ferro eptaidrato e si agita fino a completa dissoluzione del sale. Si pone il becher sotto la luce di una lampada o alla luce diretta del sole: dopo pochi secondi si osserva la decolorazione della soluzione. Spegnendo la lampada ricompare il colore porpora.

Domande&Riposte:

Una volta conclusa l’esperienza è utile porre le seguenti domande (in verde le risposte):

1. Nella reazione considerata si ha conversione tra due particolari forme di energia: quali? L’energia luminosa è convertita in energia chimica.

2. Da quale osservazione si deduce che la reazione è reversibile? Dal fatto che rimuovendo la sorgente di luce la soluzione riassume il colore porpora.

3. Qual è l’agente ossidante e qual è il riducente? Nella reazione diretta l’agente ossidante è la tionina (che si riduce), mentre lo ione ferroso è l’agente riducente (che si ossida a ione ferrico); nella reazione inversa la tioninaH2+ agisce da riducente, lo ione ferrico da ossidante.

4. Quali atomi variano il proprio numero di ossidazione? Il numero di ossidazione del ferro passa da + 2 a + 3 (e viceversa). Nella tionina due dei tre atomi di azoto (quelli che si legano agli idrogeni nel prodotto della reazione diretta) variano il numero di ossidazione: uno dei due, dapprima legato a due carboni con un legame singolo e uno doppio, risulta poi legato a due carboni e un idrogeno con tre legami singoli; il numero di ossidazione dell’azoto subisce una riduzione in quanto subentra il legame con l’idrogeno, meno elettronegativo del carbonio. L’altro azoto, dapprima legato a un carbonio con legame doppio e a due idrogeni con legame singolo, nella forma ridotta è legato al carbonio e a tre idrogeni con quattro legami singoli; il numero di ossidazione dell’azoto diminuisce a causa del legame con un ulteriore idrogeno.

5. Perché la tionina è una molecola carica? Un atomo di azoto di valenza 3 è legato, sia nella forma ossidata sia nella forma ridotta della tionina, con quattro legami (tutti singoli nella forma ridotta, uno doppio e due singoli nella forma ossidata). Questa situazione conferisce all’atomo di azoto una carica formale pari a + 1, in quanto esso viene privato della coppia solitaria presente nella situazione elettricamente neutra.

Risorse

Le citazioni sono riportate negli atti del convegno storico-scientifico in occasione dei 150 anni dalla nascita di Ciamician (Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician” dell’Università di Bologna, 16-18 settembre 2007): Ciamician – Profeta dell’energia solare, a cura di Margherita Venturi. Tra gli atti troviamo quello del prof. Marco Taddia (Ciamician, un chimico di vario sapere) e quello dei proff. Vincenzo Balzani, Maria Teresa Gandolfi, Margherita Venturi (Energia: la profezia di Giacomo Ciamician, le difficoltà del presente, le speranze per il futuro). Il primo è particolarmente utile per ricostruire il tempo nel quale lo scienziato è vissuto, mentre il secondo opera una proiezione del suo pensiero e delle sue ricerche nel futuro, evidenziando come alcune delle profezie di Ciamician si siano già avverate.

Approfondimenti

Energia solare, fra scienza ed etica – del prof. Luigi Cerruti

Sono nipote di Ciamician anch’io – del prof. Giorgio Nebbia

Prophet of Solar Energy: A Retrospective View of Giacomo Luigi Ciamician (1857–1922), the Founder of Green Chemistry, on the 150th Anniversary of His Birth – di Giorgio Nebbia e George B. Kauffman (Chem. Educator 2007, 12, 362–369)

L’esempio di Giacomo Ciamician, articolo di Marco Taddia segnalatomi da Il dentista di provincia in un commento al precedente post.

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