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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Quando ho telefonato alla casa produttrice di lettiere per gatti mi ha risposto una voce un pò stranita.

- Ma perché lo vuole sapere?

- Beh, perché …mi trovo bene con il prodotto e vorrei sapere qualcosa in più …

- Gliel’ho detto, si tratta di silice blu.

- Ma la silice non è blu!!!

- Ehmm … si … appunto … c’è un colorante.

- E come si chiama questo colorante? Che funzione ha?

- Beh, non le posso spiegare, è complicato … è una “faccenda di chimica”.

- Stia tranquilla, dica pure che cerco di seguirla; la chimica un pò la mastico …

- Ah … Allora la faccio richiamare dal nostro chimico. Mi dà un recapito?

Blogger chimici all’opera

Avevo letto delle proprietà battericide dei composti di cobalto, ma era da escludere questa funzione per il semplice fatto che quei granuli mal si prestano per una azione ad ampio raggio possibile invece per le soluzioni. E poi avevo già constatato che non si trattava di cobalto. O meglio, poteva essere cobalto, ma intrappolato nella struttura vetrosa della silice, quindi inattaccabile dall’acido; a meno di non usare le maniere forti, come suggerito da Paoloalbert del blog Chimica sperimentale:

“Il blu del gel di silice dovrebbe essere sicuramente Co++ (cloruro allo 0,5% circa oppure (NH4)2CoCl4). Mi spiace non averne sottomano un campioncino altrimenti farei qualche prova. Sicuramente il catione è fortemente intrappolato nella struttura vetrosa, ma attaccandolo convenientemente si dovrebbe riuscire a tirarlo fuori. Io proverei a disgregarlo brute-force con HF (vediamo chi la vince!) e sulla soluzione farei poi i saggi per il cobalto, per esempio il Vogel con tiocianato.”

Ne parlo con il mio collega di laboratorio, che mi guarda rassegnato: “e tu credi che il reagentario della scuola comprenda l’acido fluoridrico? Si vede che sei qui da poco!”. Eh già. Purtroppo nei laboratori scolastici non ci si può sbizzarrire; un pò per questioni di sicurezza, un pò per questioni blandamente economiche (motivo solitamente più ricorrente del primo) i laboratori didattici diventano ogni giorno più scarni. A malapena si ordina la merce in via di esaurimento; figurarsi acquistare nuovi prodotti, per di più il “brutale” HF.

Penso ad alta voce: e un saggio alla fiamma? Ma istantaneamente mi sovviene che il cobalto non dà particolari colorazioni della fiamma: il suo uso in questo particolare saggio si limita a mascherare l’invadente sodio quando questo cerca di prevalere sul timido potassio. I vetrini blu cobalto servono infatti per mascherare la tipica luce gialla del sodio ed evidenziare quella violetta originata dal potassio. Tuttavia l’ipotesi scartata del saggio alla fiamma dà i suoi frutti; lo pensiamo quasi istantaneamente, ma il collega mi precede: “con la fiamma no, ma un saggio alla perla al borace si può fare!”. Lo stesso suggerimento viene da Gifh, Il Chimico impertinente:

“Ripensandoci, mi è venuto in mente un altro sistema che potrebbe tagliare la testa al toro. I composti del cobalto sono rilevabili per via secca tramite il classico saggio della perla di borace o al sal di fosforo, con cui si ottengono delle splendide perle di un caratteristico azzurro intenso, sia in fiamma ossidante che riducente. Con questo metodo si dovrebbe riuscire nell’attacco di eventuali ioni di Co++ inclusi in una massa silicea vetrosa. Nel caso si tratti di un pigmento organico invece non ho idea di cosa possa succedere, anche se presumo avvenga una rapida decomposizione e nessuna colorazione alla perla.”

Mistero svelato … o quasi

Il saggio alla perla al borace è prossimo. Intanto vi dico cosa mi hanno risposto dalla casa produttrice quando, il giorno dopo il primo contatto, mi hanno finalmente richiamata. Mi parla la stessa voce, non il chimico con il quale avrei dovuto interagire:

- Signora, la richiamiamo per la questione della “silice blu”. Ebbene, si tratta di succo – di – cavolo – rosso. La funzione è esclusivamente estetica.

L’espressione succo – di – cavolo – rosso è stata pronunciata in modo ben scandito, come a ripetere esattamente ciò che le era stato detto di riferire, senza alcuna titubanza. Anche la pronuncia di esclusivamente è particolarmente marcata: quindi nessuna funzione di indicatore di un qualche tipo, nessuna reazione con le “produzioni” del micio, tantomeno nessuna azione battericida. Penso istantaneamente all’estratto del cavolo cappuccio viola usato a scuola qualche anno fa per ricavare un indicatore acido-base naturale. Quindi si tratterebbe di innocue antocianine. Ma queste non sono idrosolubili? Ah, già, sono intrappolate nel vetro pure queste …Si è mai visto un vetro colorato che rilascia il colorante se immerso in acqua? Certo che no!

Sarebbe così grave se fosse cobalto?

La presenza delle antocianine spiega la biodegradabilità della lettiera e il suo possibile uso nel compost. Il problema dell’eventuale cobalto non è infatti la sua presenza allo stato cristallino: il micio non rischia niente se fa i suoi bisogni circondato da pietre blu, come giustamente fa notare anche il collega Sergio Palazzi che ha scritto un bell’articolo sull’utilità della chimica tintoria nel destreggiarsi nelle più svariate questioni di laboratorio:

“Anche i miei bicchieri da tavola sono stracarichi di cobalto, e allora? E l’ipotetico rilascio del piombo o pure dell’uranio dai vetri boemi è tale da creare una catastrofe ambientale? allora le modelle che si incollano gli “svaroschi” sulla pelle (cfr. anche certe pubblicità TV) a che rischi dovrebbero andare incontro? A parte le battute ed i paradossi, temo che si sia persa la percezione, anche in ambito tecnico, della distinzione tra rischio e pericolo, che dovrebbe essere alla base di ogni serio limite all’uso. Ma è chiaro che qui la discussione non può stare in un commento ad un post… e sulle possibilità di intossicazione per le bestiole, la mia non eccessiva simpatia per i felini potrebbe dare luogo a sospetti!”

A parte l’antipatia per i felini – che scava tra me e Sergio un solco moooolto profondo – sono d’accordo. Però il discorso cambia nel momento in cui si scrive che la lettiera può essere smaltita nei rifiuti generici o utilizzata per il compost. E poi, ammesso che il colorante sia del tutto innocuo, perchè non riportarne chiaramente la composizione chimica?

Cosa sono le antocianine?

Senza nominare le antocianine, chiedo se posso sapere maggiori particolari a livello di composizione chimica: “succo di cavolo rosso” è un pò troppo generico. La mia interlocutrice mi riferisce di non saper rispondere, quindi le comunico il mio indirizzo di posta elettronica al quale, dopo una mezz’oretta, arriva la conferma:

“Gentile Sig.ra Teresa,

dando seguito alla Sua richiesta in merito alla colorazione blu delle particelle presenti nella nostra lettiera in silice, La informiamo che da una piccola ricerca effettuata il colore blu è ottenuto utilizzando l’estratto del cavolo rosso/viola facente parte della “famiglia” degli ANTOCIANI.

Sperando di averLe fornito una informazione quanto più esaustiva possibile, ci è gradita l’occasione per porgerLe i nostri più cordiali saluti.”

Insomma, tante supposizioni per arrivare a capire che si tratta di cavolo …Le lettere maiuscole degli antociani mi comunicano sottilmente una lieve insofferenza: ti scrivo a chiare lettere di cosa si tratta, la finiamo qui? Le antocianine sono una classe di pigmenti idrosolubili all’origine della tipica colorazione viola-blu di molte specie vegetali, dai fiordalisi alle melanzane. Grazie a questi pigmenti l’estratto del cavolo rosso vira dal rosso al violetto o blu con l’aumentare dell’alcalinità dell’ambiente con il quale è posto in contatto. Numerose sostanze organiche naturali fungono da indicatori acido-base. Il succo della spremitura della rapa rossa, per esempio, si colora di rosso porpora in presenza di acido acetico, mantenendo tale colore fino a pH 7; addizionando ammoniaca passa a blu violaceo, mentre a pH 12 diventa marrone e floccula.

Ulteriori perplessità …

Se è vero che di antocianine si tratta, resta sempre qualcosa che non mi convince nella presentazione del prodotto da parte dell’azienda:

1 - Non è riportata la composizione chimica, che si limita a “lettiera in gel di silice”. Ma anche all’acquirente più sprovveduto viene il dubbio che quel blu sia originato da un qualcosa che silice non è.

2 – Sulla confezione è riportato testualmente: “i cristalli blu impediscono qualsiasi formazione di batteri e agenti patogeni per il gatto e per l’uomo”, però mi è stato più volte ribadito che la funzione del colorante è esclusivamente estetica. Dunque – e questo è grave – si racconta all’acquirente qualcosa che non corrisponde a verità.

3 – Nonostante questa lacuna si evidenzia che il prodotto è al “100% naturale e anallergico: è puro gel di silice, prodotto completamente inattivo e a Ph neutro a cui non viene aggiunto nessun elemento chimico”. Ah, si? E le antocianine cosa sono? Non sono composti chimici? Il fatto che siano di origine naturale significa forse che si tratti si enti immateriali? Inoltre, intendiamoci sul termine “naturale”: questo non significa innocuo, e lo dimostrano i tanti veleni prodotti dalle piante; il gel di silice è innocuo ma NON è naturale, al contrario di quanto scrivono i produttori di lettiere. La silice è una cosa, il corrispondente gel è un’altra: questo è un polimero sintetizzato in laboratorio a partire dal diossido di silicio (questo si, di origine naturale; basti pensare alla sabbia che ne contiene in abbondanza!). No comment sul “Ph”: si scrive pH! Non è un’inezia come può sembrare, anche se l’informazione fornita presenta inesattezze ben più gravi. Il fatto è che qualunque tipo di etichettatura di un prodotto commerciale viene passata al vaglio da vari addetti: come è possibile una imprecisione così grossolana? Tanto più che il pH è ormai onnipresente nelle pubblicità dei detergenti.

4 – Questa considerazione riguarda invece le tecniche di marketing. Se il blu è dovuto a dell’innocuo succo di cavolo, perché non scriverlo per rendere il prodotto più convincente dal punto di vista della sostenibilità ambientale? Perchè lasciare il consumatore nel dubbio? A mio parere una informazione esaustiva fugherebbe molti dubbi e porterebbe un ritorno di immagine probabilmente utile al profitto economico. Alcuni miei conoscenti mi hanno detto di non acquistare la lettiera in gel di siliice perchè, oltre ad essere più costosa, desta sospetto per quel blu così “artificiale”. Se dovessi occuparmi della pubblicità del prodotto metterei bene in evidenza la provenienza del colorante, magari disegnando un bel cavolo blu a lato del riquadro che riporta la composizione chimica.

5 – Sulla confezione del prodotto si accenna a un processo chimico per spiegare la biodegradabilità della lettiera: è possibile infatti smaltire i cristalli nel “compost perchè con l’azione della luce e dell’acqua in circa 4-6 mesi ritornano sabbia”. Mi viene il dubbio che il tempo richiesto sia ben più lungo; provare, anche in questo caso, non costa nulla.

Insomma, a questo punto è perfettamente plausibile che si tratti di antocianine, anche se eseguirò comunque il saggio alla perla per due motivi: il primo riguarda l’informazione altamente difettosa che viene fornita del prodotto; il secondo è quel “Made in China” che, non lo nascondo, mi inquieta parecchio ….Se poi l’industria cinese ha sviluppato una tale sensibilità ambientale da sfruttare l’estratto di cavolo come colorante …onore al progresso cinese!

P.S.: sarà diffuso in Cina il cavolo rosso o lo importeranno allo scopo??

Richiami di chimica analitica

Nell’articolo si citano alcune classiche procedure di analisi riportate su qualunque testo di analisi chimica: il saggio di Vogel citato da Paoloalbert non è solitamente trattato, a meno che non si tratti di istituti a indirizzo chimico, mentre i saggi alla fiamma e i saggi alla perla sono comunemente eseguiti. Il sito dell’Istituto Tecnico di Chiavari ospita una pagina – a cura del prof. Roberto Bisceglia – nella quale sono elencate numerose esperienze didattiche; tra queste, i saggi alla perla citati da Gifh, sia quello al borace sia quello al sale di fosforo. Un possibile quesito dopo aver analizzato le esperienze proposte potrebbe essere: come mai il cobalto non si rivela alla fiamma ma con il saggio alla perla? Perchè quest’ultimo è efficace anche nei confronti di specie chimiche incapsulate in una maglia vetrosa? Altro richiamo utile è la teoria degli indicatori acido-base: da cosa è originato il viraggio? Qual è l’origine del colore dei composti organici contenuti negli indicatori sia naturali sia di sintesi? L’articolo può essere utile per sollecitare gli studenti a investigare chimicamente utilizzando conoscenze tutto sommato non troppo complicate; ma anche per indurli a vedere con occhio critico la fallace comunicazione pubblicitaria, gravemente inesatta dal punto di vista chimico e come tale ingannevole per il consumatore.

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Ormai lo sanno anche i miei studenti: ho preso una fissa per la “silice blu” usata per le lettiere dei mici. Il motivo è semplice: la silice non è blu, ma l’origine di questo colore non è specificata sulla confezione, la quale riporta però una precisazione importante, cioè il prodotto è al 100% naturale e come tale può essere usato per il compost. Scrivendo il precedente post ho dato per scontato che i cristalli blu fossero di cobalto, dato che i composti di questo metallo sono usati come indicatori di umidità: l’inconfondibile “blu cobalto” è quello caratteristico della forma anidra, mentre la forma idrata è di un bel rosa. Poi ho riflettuto: cobalto?? Compost?? Qualcosa non torna. Il cobalto è infatti un metallo tossico con effetto cancerogeno. Sperando di sbagliarmi ho portato i cristalli nel laboratorio della scuola per sottoporli a un saggio di prova. Non mi sono venuti in mente altri composti con i quali si può ottenere la transizione blu-rosa a seconda dell’assenza o presenza del legame metallo-acqua; dunque – ho pensato – se è possibile osservare questa transizione si tratta di un sale di cobalto.

Una prova di equilibrio

Ho pensato che potevo usare il saggio di prova per proporre agli studenti un’esperienza di laboratorio sull’equilibrio chimico, in particolare per verificare l’influenza su di esso della variazione di concentrazione o temperatura. L’esperimento deve essere eseguito alla luce del principio dell’equilibrio mobile di Le Chatelier, il quale afferma che “quando un sistema all’equilibrio viene perturbato, esso raggiungerà un nuovo equilibrio spostandosi nella direzione che tende ad annullare gli effetti della perturbazione”. Cominciamo con il dire che il cobalto è un elemento di transizione, quindi la sua configurazione elettronica è caratterizzata da orbitali d incompleti. Lo ione Co(II) ha sette elettroni nell’orbitale 3d, la cui mobilità è favorita dall’assorbimento di radiazione elettromagnetica nella regione del visibile. Per questo motivo i composti dello ione Co(II) sono colorati. L’energia assorbita, e quindi la frequenza della radiazione e il colore, dipendono dalla natura e dalla geometria dei composti che lo ione cobalto forma. Per questa ragione il cloruro di cobalto(II) assume due diverse colorazioni: è blu quando è legato a ioni cloruro in una geometria tetraedrica, mentre è rosa quando è legato anche a molecole di acqua in una geometria ottaedrica. Le due forme sono coinvolte nella seguente reazione di equilibrio:

Supponiamo di sciogliere in acqua CoCl2· 6H2O (cloruro di cobalto esaidrato, rosa) e aggiungiamo una soluzione concentrata di HCl. Si osserva l’immediata variazione di colore da rosa a blu, perché l’aggiunta di acido cloridrico, e quindi di ioni Cl-, ha spostato l’equilibrio verso destra. Per spostare nuovamente l’equilibrio verso i reagenti ripristinando la colorazione rosa, è necessario sottrarre ioni cloruro. Si aggiunge quindi alla miscela di reazione del nitrato di argento AgNO3:

Gli ioni argento reagiscono istantaneamente con gli ioni cloruro, dando luogo ad un precipitato insolubile di cloruro di argento AgCl:

Sottraendo ioni cloruro la soluzione torna rosa. Si può intervenire anche alterando la temperatura: siccome la reazione di equilibrio è esotermica, per effetto di un riscaldamento l’equilibrio si sposta verso destra (colorazione blu), nella direzione che, secondo il principio di Le Chatelier, sottrae calore al sistema. Viceversa, raffreddando in un bagno di ghiaccio si ottiene l’effetto opposto e la soluzione assume nuovamente il colore rosa tipico della specie esaidrata.

Nessuna soluzione!

Nessuna soluzione, sia in senso figurato si in senso letterale: non sono riuscita a sciogliere i cristalli, neanche in  acido concentrato a caldo e dopo aver ottenuto granelli finissimi con mortaio e pestello. Se il composto non passa in soluzione non si possono eseguire le prove descritte. Ma quindi non si tratta di cobalto? E allora cos’è? Il collega di laboratorio ha usato anche l’ammoniaca nel caso si tratti di una specie chimica in grado di reagire con le molecole azotate come l’urea, ma …. niente. I cristalli conservano imperturbabili la loro bella colorazione che mi ostino a chiamare “blu cobalto” … A questo punto ho scritto alla casa produttrice in cerca di lumi. Nel prossimo post vi dico cosa mi hanno risposto.

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Questo che sto per proporre è un compito per le vacanze un pò particolare: la preparazione di un compost. Il compost, detto anche terricciato o composta, ha origine da reazioni chimiche di decomposizione che avvengono in presenza di ossigeno ad opera di microrganismi. Sostanze complesse sono scisse in sostanze più semplici che i microrganismi utilizzano per il proprio metabolismo. Il compost può essere realizzato con i rifiuti domestici, ad esempio gli scarti del giardino o gli avanzi di cucina. Durante il compostaggio è necessario mantenere le condizioni ambientali in grado di favorire l’attività microbica.

Tra i fattori più importanti da controllare durante l’intero processo possiamo annoverare l’ossigeno, l’umidità, la temperatura e il pH. Per garantire un adeguato apporto di ossigeno è necessario rimescolare il compost con una certa frequenza. Il tenore di ossigeno nell’atmosfera delle masse deve essere compreso tra il 5 ed il 15% in volume. Al di sotto del 5% prevalgono batteri che promuovono processi putrefattivi, con produzione di sostanze maleodoranti come l’acido solfidrico e l’ammoniaca. La temperatura deve oscillare dalla temperatura ambiente a circa 75 °C. A queste temperature è garantito un certo tenore di umidità nei materiali e soprattutto l’abbattimento di germi patogeni e di semi infestanti. II range ottimale di umidità nel compostaggio va dal 50 al 55% di umidità relativa; al di sotto del 40% si blocca l’intero processo. Infine la varietà degli scarti che formano il compost deve essere il più possibile ampia, per garantire un adeguato quantitativo di materiali sia ricchi che poveri di acidi; in questo modo il pH si assesta su valori intermedi, ottimali per la formazione di un buon compost.

I microrganismi che si nutrono dei nostri rifiuti necessitano particolarmente di carbonio e azoto per sintetizzare le loro strutture. Il valore ottimale del rapporto C/N nel compost è di 15:1. Occorre pertanto miscelare scarti vegetali (ricchi di carbonio) ad un adeguato quantitativo di scarti di origine animale (ricchi in azoto).

I rifiuti più facilmente degradabili sono:

•  scarti alimentari di cucina (frutta e verdura, ossa, gusci di noci e uova, fondi di caffè e tè, ecc..);
•  scarti del giardino e dell’orto (foglie, erba, rametti ben sminuzzati ecc…).

Con cautela si possono impiegare inoltre:

•  carne e pesce (possono attirare animali indesiderati come topi e insetti se si opera con poca attenzione);
•  pane, pasta, dolciumi (vale l’avvertenza precedente);
•  foglie coriacee a lenta degradazione (come gli aghi di conifere) da aggiungere in quantità limitate in cumuli con prevalenza di scarti umidi di cucina e con materiale ad alto contenuto di azoto, come lettiere usate di cani e gatti;
•  bucce di agrumi (da aggiungere con parsimonia data la loro lenta degradazione).

E’ inoltre necessario un contenitore idoneo. Come procedere? 

•  A partire dalla fine dell’anno scolastico prepara un compost con l’aiuto di parenti e/o amici seguendo le istruzioni di guide come questa.
•  Tieni un diario per annotare dettagliatamente i procedimenti e le osservazioni, inserendo eventualmente anche delle foto.
•  Prepara una relazione da presentare alla classe all’inizio del nuovo anno scolastico.

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Zucchero con polpa di pomodoro o miele, sale grosso e olio di oliva. No, questo articolo non riguarda la ”chimica in cucina”; sto parlando dello scrub casalingo. Come vi avevo già scritto per il sapone, molte associazioni culturali organizzano spesso corsi e laboratori che insegnano a preparare in casa cosmetici e prodotti di detergenza. Non solo saponi e creme idratanti, ma anche lozioni esfolianti, maschere per il viso… L’intento è quello di diffondere una cultura ecologica attraverso la cosmesi naturale. Soffermiamoci sullo scrub, dall’inglese to scrub – pulire strofinando - verbo di significato simile a quello di to peel – sbucciare, pelare. Lo scrub della pelle realizza infatti il cosiddetto peeling, operazione con la quale si rimuovono le cellule morte superficiali rendendo la pelle lucente, tersa e come tale meglio disposta all’assorbimento di creme o altri prodotti. Di certo i cosmetici in commercio presentano una formulazione più complessa di quelli fai-da-te: i loro ingredienti devono essere testati contro le allergie e resistenti alla degradazione; molto importante è anche la stabilità della formulazione: le varie fasi non devono separarsi. Anche l’odore è un aspetto non trascurabile. Di conseguenza i prodotti commerciali contengono emulsionanti, stabilizzanti di vario tipo, profumi, ecc…

Come formulare un prodotto cosmetico in un laboratorio di scuola? Certo non possiamo applicare le ricette casalinghe, sebbene esse siano generalmente facili da eseguire e innocue per la salute. Dobbiamo impostare un’esperienza semplice ma rigorosa, ordinando presso le case produttrici sostanze specifiche  e imparando a miscelarle sapientemente. Già, perchè lo scopo di una simile esperienza di laboratorio a livello scolastico è quella di capire l’importanza delle formulazioni nell’industria,  studiare le interazioni chimico-fisiche tra i vari componenti e comprendere come favorirle per ottenere preparati stabili ed efficaci.

Durante un corso di aggiornamento di qualche anno fa all’Università di Barcellona (Facoltà di Farmacia) noi insegnanti ci siamo cimentati con la realizzazione di: una emulsione all’olio di jojoba; un latte per il corpo all’olio di calendula e Aloe Vera; uno shampoo con balsamo all’estratto di avena; una lozione esfoliante (scrub). Conservo ancora tutte le ”manifacturing guideline”, vere e proprie schede di laboratorio da consegnare agli studenti per guidarli passo dopo passo alla realizzazione della specifica formulazione. Lo scopo era infatti quello di acquisire nozioni teorico-pratiche per familiarizzare i nostri allievi con le formulazioni dei prodotti cosmetici più comuni e con le norme di buona fabbricazione ad essi associate. Una buona occasione per trattare anche gli aspetti normativi della legislazione europea relativi alla preparazione e all’etichettatura dei cosmetici. Fino a qualche mese fa avevo ancora parte dei prodotti preparati in Spagna, posti in appositi contenitori con tanto di nome, luogo, numero di lotto e data sull’etichetta. Li ho usati ed erano ancora perfetti! Ma attenzione: per non incappare in qualche guaio, le formulazioni che realizzerete in laboratorio con i vostri studenti devono riportare la dicitura “Formulazione cosmetica in fase di sviluppo, non idonea per immediata applicazione sulla pelle”. Questa precauzione è necessaria quando il prodotto cosmetico non ha subito alcun tipo di test di tossicità, stabilità, efficienza, ecc…

Lo scrub è interessante a fini didattici perchè può essere realizzato con il gel, ad esempio con un idrogel; quest’ultimo consiste in una rete tridimensionale di catene polimeriche idrofiliche tenute insieme da legami interatomici (ad esempio legami covalenti) o intermolecolari (come legami idrogeno, interazioni ioniche, di Van der Waals, ecc…). L’idrogel è composto da un liquido idrofilo (glicerolo, propilenglicole, miscela acqua-etanolo, acqua, ecc…) e un polimero anch’esso idrofilo. A causa della natura delle catene polimeriche, la rete da esse composta può accogliere molecole di acqua al suo interno e rigonfiarsi senza dissolversi, mantenendo stabilmente le dimensioni raggiunte. Esempi di polimeri comunemente utilizzati per ottenere idrogel sono l’amido, alcuni derivati della cellulosa, la poliacrilamide, il polivinilpirrolidone o i silicati di alluminio e magnesio.

L’esperienza che sto per presentare prevede il propilenglicole e l’acqua deionizzata come fase liquida (solvente), mentre il polimero è un gliceril poliacrilato il cui nome commerciale è Hispagel 200. La scelta è motivata dalla buona compatibilità di questi prodotti: il solvente penetra tra le catene polimeriche permettendo una buona solvatazione grazie ai “crosslink” instaurati che fortificano l’intero network di legami. L’azione esfoliante dello scrub è possibile grazie ai granuli di jojoba, mentre il Phenonip è un conservante che impedisce la crescita dei microrganismi all’interno dell’idrogel. Le quantità sono le seguenti:

A. Hispagel 200: 25,0% (in peso)

B. Propilenglicole: 3,0%

Granuli di jojoba: 2,0%

C. Phenonip: 0,5%

Acqua deionizzata: 70,5%

Le lettere A, B, C richiamano le fasi di preparazione riportate di seguito. È bene consegnare agli studenti una “Manifacturing guideline” impostata nel seguente modo: nell’intestazione si scrive

• Obiettivo (ad esempio “Formulazione cosmetica – Laboratorio di Chimica, prof. ….)
• Formulazione (“Scrub idratante idrogel [n. 1]“)
• Data di fabbricazione
• Data di scadenza
• Laboratorio (“Laboratorio di Chimica, Istituto Tecnico ….”).

Segue una tabella in cui

• nella prima colonna si riportano le lettere A, B, C in corrispondenza dei componenti come indicato sopra;
• nella seconda colonna si riporta la percentuale in peso come indicato sopra;
• nella terza colonna la quantità corrispondente in grammi sul totale (ad es. per 200 g totali occorrono 50 g Hispagel (il 25% in peso),
• nella quarta colonna la quantità in peso effettiva (ad es. 50,05 g di Hispagel, nelle formulazioni non è sempre necessario rispettare le percentuali al centesimo di grammo!)
• nella quinta e ultima colonna c’è la firma di chi ha eseguito i calcoli e la pesata del prodotto corrispondente (nel caso di lavori di gruppo).

Passiamo quindi alla parte operativa. Questa prevede 4 punti. Ogni punto deve essere corredato dalla firma di chi ha eseguito l’operazione:

1. 1. Preparare C (Phenonip + acqua deionizzata) agitando a temperatura ambiente manualmente o con l’ausilio di un mezzo meccanico (attenzione: spesso il classico minipimer da cucina è troppo veloce per questo tipo di operazione!).
2. 2. Preparare separatamente B agitando a temperatura ambiente manualmente o con l’ausilio di un mezzo meccanico.
3. 3. Disperdere A in C agitando a temperatura ambiente manualmente o con l’ausilio di un mezzo meccanico, cercando di incorporare il minimo possibile di aria nella miscela.
4. 4. Disperdere B in (A+C) agitando a temperatura ambiente manualmente o con l’ausilio di un mezzo meccanico, cercando di incorporare il minimo possibile di aria nella miscela.

Nella parte finale della scheda si lasciano alcune righe per il “Controllo qualità”, che in questo caso prevede la semplice descrizione delle caratteristiche organolettiche del prodotto (sempre corredata dalla firma dello studente).

In calce alla scheda:

• a sinistra nome e cognome del tecnico operatore (ad esempio dello studente capogruppo), con data e firma;
• a destra nome e cognome della persona responsabile del laboratorio (l’insegnante) con data e firma.

Il prodotto ottenuto da ciascun gruppo va poi inserito in un contenitore di plastica ed etichettato. Spiacente per le studentesse, ma non potete usare lo scrub per il motivo detto prima. Se però l’insegnante è una donna e ha seguito con cura le operazioni dei suoi allievi può farne incetta: un motivo in più per dedicare qualche ora di laboratorio alle formulazioni!

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