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Unità di misura tra passato e futuro

1 Dic. 2011 | categoria libri, storia della chimica | Leggi tutto | 2 commenti

L’articolo della collega Francesca Magni – Unità di misura in definizione – mi ha indotto a scrivere sullo stesso argomento. La definizione delle unità di misura è solitamente considerata una parte noiosa del programma di fisica o chimica. Al contrario io credo che possa appassionare gli studenti non solo perchè, come fa notare la prof.ssa Magni, i riferimenti alle unità di misura devono essere continuamente rivisti e perfezionati; anche la storia delle unità di misura è appassionante, se si pensa che sin dai tempi antichi ogni popolo ha riconosciuto la necessità di sceglierle adeguatamente. In questo breve articolo riporterò dunque degli esempi di come alcune unità sono state inizialmente definite, in modo che gli studenti percepiscano gli sforzi e la passione che si celano dietro questa affannosa ricerca della perfezione. Sappiamo che in ambito scientifico le misure devono essere il più possibile precise e inequivocabili. Per questo motivo nel 1954 è stato completato l’elenco delle grandezze fisiche fondamentali (ad eccezione della mole) che costituiscono il “Sistema Internazionale di unità di misura”, ufficialmente nato nel 1960 e conosciuto con il nome francese di Système International d’Unités (abbreviato in SI). Il nome ufficiale è francese in quanto il SI viene gestito da un organismo, la Conférence Générale des Poids et des Mesures (CGPM, Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure) facente capo al Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure) che ha sede a Sèvres, nei pressi di Parigi. La CGPM ha inizialmente stabilito degli “standard” al fine di fissare le unità di misura in modo univoco. Ad esempio è stato realizzato uno standard in metallo per il metro; su questa base sono costruiti i nostri strumenti di misura, che rappresentano degli standard secondari (righelli, squadre e quant’altro serva a misurare distanze). Prima di costruire lo standard la grandezza in questione deve essere correttamente definita. I primi tentativi di definire una unità di misura in maniera univoca risalgono a due secoli fa, in Francia, e riguardarono proprio il metro.

Una spedizione scientifica per definire il metro!

Verso la fine del XVIII secolo l’Accademia delle Scienze di Parigi costituì una prestigiosa commissione di scienziati, la quale propose di definire il metro come undiecimilionesimo della distanza fra il Polo Nord e l’equatore misurata a livello del mare. In quel periodo i Poli non potevano ancora essere raggiunti, ma misurando una parte della distanza considerata si poteva ricavare il resto applicando le conoscenze matematiche e geometriche. Si decise di fare riferimento a una distanza ben precisa, visto che la lunghezza misurata poteva variare a seconda della posizione geografica a causa della non perfetta sfericità della Terra. Si decise quindi di effettuare la misurazione lungo il meridiano che passava per Parigi, lungo la direttrice tra Barcellona (Spagna) e Dunkerque (Francia). La spedizione, iniziata nel 1792, si concluse nel 1798 tra mille difficoltà: era impossibile evitare le catene montuose, senza considerare che alcuni membri della spedizione furono catturati a causa della Rivoluzione Francese. Tra i maggiori protagonisti di questa avventura troviamo gli astronomi e matematici Jean-Baptiste Delambre e Pierre Méchain (in alto). Dopo la loro liberazione si poté ragionare sulle rilevazioni effettuate: nel 1798 si costruì una barra di platino che potesse fungere da standard, il cui valore di lunghezza corrispondeva a quello calcolato tramite i dati raccolti durante la spedizione. Dato che i metalli si dilatano con il calore si convenne di misurare la lunghezza dello standard a 0 °C; circa un secolo dopo si decise di assumere come standard una barra di platino-iridio, una lega più resistente all’usura del tempo. Nel 1983 la CGPM ha definito il metro come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un tempo pari a una frazione di 1/299 792 458 s (circa un trecento milionesimo di secondo!). E’ evidente come la definizione di una unità di misura apparentemente banale come il metro implichi conoscenze scientifiche e mezzi tecnologici di altissimo livello, che alla fine del ‘700 non erano disponibili

Le grandezze fondamentali

Il metro è una delle sette grandezze fisiche fondamentali, elencate nella tabella sottostante. All’inizio di un corso di scienze è impossibile comprendere il funzionamento dei sistemi presi a riferimento nel definirli, tuttavia è bene leggerli per farsi una seppur vaga idea. Si noti la frequente presenza delle sostanze chimiche: platino, iridio, cesio, acqua, carbonio. Anche se non specificato nella definizione contenuta nella tabella, lo stesso metro fa riferimento alla luce emessa da una sostanza chimica pura: oggi il BIPM consiglia, a chi volesse ottenere uno standard del metro, di usare le radiazioni emesse da elementi (iodio, stronzio, itterbio, krypton, mercurio, ecc…) o da particolari composti chimici (metano, etilene, ecc…). I progressi della chimica hanno quindi rivestito un ruolo fondamentale nel far sì che l’intero corpo delle conoscenze scientifiche poggiasse su basi quantitative solide.

Il lavoro di Lavoisier

Particolarmente interessante è il modo in cui fu inizialmente ricavata l’unità di misura della massa. Tra il 1792 e il 1793 il grande chimico francese Antoine-Laurent de Lavoisier lavorò per la definizione del grammo, ottenendo un risultato con un errore piccolissimo rispetto al valore che oggi conosciamo. Il metodo di Lavoisier servì da modello per la definizione del kilogrammo. Nel 1795 il kilogrammo era definito come la massa di un decimetro cubo di acqua pura a + 4 °C, temperatura di massima densità. Non era però possibile costruire un cubo di acqua a quella temperatura, trattandosi di un corpo liquido; questo impediva di valutare precisamente il kilogrammo. Tra il 1798 e il 1799 Lefèvre-Gineau riprese il lavoro di Lavoisier sfruttando il noto principio di Archimede, in base al quale un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verso l’alto uguale al peso del liquido spostato. Pertanto Lefèvre-Gineau preparò un cilindro di ottone di dimensioni e volume noti il cui peso gli permettesse appena di affondare in acqua. Lo pesò prima in aria, quindi in acqua, calcolò la differenza tra i due pesi, da questa riuscì a ricavare il peso del liquido spostato e per proporzione quello di 1 dm3, che definirà il chilogrammo.

Novità per il kilogrammo …

In seguito furono costruiti pesi standard cilindrici prima usando il platino, poi la lega platino-iridio. Le tecnologie moderne hanno rivelato un lieve errore teorico: infatti un decimetro cubo di acqua misura leggermente meno di un kilogrammo (circa lo 0,000028% in meno). Sapevo che si stavano tentando nuove vie per definire l’unità di massa in modo più preciso. Una di queste aveva come protagonista un altro elemento chimico: si voleva definire il kilogrammo costruendo un cubo con un numero preciso di atomi di silicio.  Ora vengo a sapere da Francesca Magni che il kg si definirà molto probabilmente in riferimento alla costante di Planck. Questo consente senza dubbio di definire l’unità di massa in modo assoluto, come avviene per le restanti grandezze del SI, senza dover fare riferimento a degli standard fisici soggetti all’usura del tempo e a variazioni dovute a eventuali cambiamenti ambientali (temperatura, umidità, ecc…).

… e per il kelvin

Anche la definizione del kelvin è basata sulla misura della proprietà di una sostanza chimica, l’acqua (precisamente il suo “punto triplo”); dunque le caratteristiche che questa sostanza deve avere per poter fungere da riferimento per la definizione del kelvin sono state descritte con un altissimo livello di dettaglio da parte della IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata). Si tratta di una organizzazione non governativa il cui scopo è favorire l’applicazione della chimica al servizio dell’umanità, oltre ad attribuire il nome alle sostanze chimiche secondo regole chiare e condivise tra i vari paesi. Recentemente la stessa IUPAC stia valutando la possibilità di definire il kelvin relativamente alla costante di Boltzmann; anche in questo caso, il riferimento a costanti fisiche piuttosto che a sostanze chimiche elimina molti inconvenienti.

E la mole?

Per il suo ruolo centrale in chimica, la mole vi accompagnerà finché studierete questa disciplina. Finalmente la mole sarà ufficialmente definita in base al numero di Avogadro e non più rispetto al carbonio-12; almeno così è stato annunciato. Il numero di Avogadro (NA) è pari a 6,022 141 79 x 1023. L’esponente 23 significa che per scrivere estesamente NA occorre spostare la virgola del numero 6,022 141 79 di ben 23 posizioni. Si tratta di un numero grandissimo, che rappresenta il numero di particelle contenute, ad esempio, in appena 18 g circa di acqua, più o meno il peso di una goccia. Il numero NA fa da “interprete” tra la bilancia e le particelle contenute in una certa quantità di una data sostanza. E’ difficile rendersi conto di quanto queste particelle siano piccole e, di conseguenza, di quanto NA sia elevato. Basti pensare che se potessimo distribuire il numero di molecole contenute in una goccia d’acqua tra tutti gli uomini della Terra, ciascuno ne avrebbe circa 200 miliardi; oppure, se contassimo queste molecole al ritmo di una al secondo, occorrerebbero quasi 32.000 anni per contarle tutte!

Per approfondire:

La misura di tutte le cose. L’avventurosa storia dell’invenzione del sistema metrico decimale, di Ken Alder (Ed. Rizzoli)

Il metro del mondo, di Denis Guedj (Ed. Longanesi)

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Ma l’acqua gira e passa…

20 Giu. 2011 | categoria chimica e arte | Leggi tutto | 2 commenti

L’acqua è stata la grande protagonista di questi ultimi mesi. Mi sono resa conto di aver scritto molti articoli sull’acqua, alla quale è stato anche dedicato un Carnevale della Chimica particolarmente riuscito. L’acqua è uno dei simboli più significativi dell’estate, che quest’anno si apre dopo i risultati di un referendum in cui ben due quesiti l’hanno coinvolta, e la cui affluenza - al di là delle diverse posizioni - ha costituito una grande prova di partecipazione popolare. Così, per celebrare l’inizio dell’imminente estate astronomica, vi saluto con un brano dedicato all’acqua. L’anno scorso ho chiuso il blog con De Andrè. Quest’anno lo faccio con il cantautore la cui musica è ormai, per me, una compagnia quotidiana. Nessun verso coglie meglio di così il lato implacabilmente inanimato di questa sostanza semplice, versatile ed essenziale:

Ma l’ acqua gira e passa e non sa dirmi niente di gente, me, o di quest’ aria bassa, ottusa e indifferente cammina e corre via lascia una scia e non gliene frega niente…

 

Seppure “ottusa e indifferente”, l’acqua ci permea: è un rapporto a senso unico, in cui solo una delle due parti ha bisogno dell’altra per vivere. L’acqua ci porta “odore d’ozono” (forse il cloro ha un suono meno poetico?), copre con il proprio scrosciare “lo spacco dei tuoni che restano appesi un momento nel cielo distratto”. La “distrazione” del cielo, così come il carattere “ottuso e indifferente” dell’acqua rendono bene il distacco della natura dai sentimenti umani:

E cade su me che la prendo e la sento filtrare,

leggera infeltrisce i vestiti e intristisce i giardini,

portandomi odore d’ ozono, giocando a danzare,

proietta ricordi sfiniti di vecchi bambini,

colpendo implacabile il tetto di lunghi vagoni,

destando annoiato interesse negli occhi di un gatto,

coprendo col proprio scrosciare lo spacco dei tuoni

che restano appesi un momento nel cielo distratto.

Il ciclo dell’acqua investe tutto: non solo la natura, ma la nostra stessa anima, in un “ingranaggio continuo, confuso e vivente” che condiziona sensi e pensieri. Mentre i nostri stati d’animo risentono di tuoni, crepitii, correnti d’acqua e di venti, nuvole e sole, nevi e pioggia …noi non riusciamo ad esercitare la benchè minima influenza sugli eterni cicli naturali (noi come singoli, l’intero genere umano ci sta purtroppo riuscendo!):

E mormora e urla, sussurra, ti parla, ti schianta,

evapora in nuvole cupe rigonfie di nero

e cade e rimbalza e si muta in persona od in pianta

diventa di terra, di vento, di sangue e pensiero.

Ma a volte vorresti mangiarla o sentirtici dentro,

un sasso che l’ apre, che affonda, sparisce e non sente,

vorresti scavarla, afferrarla, lo senti che è il centro

di questo ingranaggio continuo, confuso e vivente.

Concludo con questo gucciniano inno all’acqua il post n. 200 di un blog su cui ho iniziato a scrivere tre anni or sono:

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Da una lacrima alla penicillina

15 Mar. 2011 | categoria biochimica, storia della chimica | Leggi tutto | 3 commenti

La terza edizione del Carnevale della Chimica sarà ospitata sul sito del Chimico impertinente e il tema, non vincolante, è l’acqua. Ho già scritto sull’acqua in passato; in particolare, in uno dei post parlavo della sua valenza culturale, evidenziando come il significato dell’acqua sia intrinsecamente legato al territorio. All’acqua è stato dedicato anche un concorso promosso dall’Ordine dei Chimici che mira a sviluppare la riflessione etica sulla distribuzione delle risorse idriche. Vi segnalo inoltre un filmato di una conferenza il cui tema è il ruolo dell’acqua nell’industria tessile, di cui potete trovare il link in questo post. Ho anche accennato all’acqua come solvente nelle sintesi organiche, tema caro a chi si occupa di Chimica Verde. E’ evidente come parlare di chimica sia quasi impossibile senza parlare di acqua.

In un articolo più datato mi soffermavo sull’acqua più diffusa del nostro pianeta, l’acqua marina. Tuttavia le soluzioni acquose con le quali abbiamo il legame più “intimo” non sono quelle di mari, fiumi o laghi, ma quelle presenti all’interno del nostro organismo come risultato di complesse reazioni biochimiche: il sudore, le urine, le lacrime. E’ proprio su queste ultime che vorrei soffermarmi per onorare questa terza edizione del Carnevale. Le lacrime hanno funzioni lubrificanti, igieniche, di difesa; garantiscono inoltre la trasparenza ottica e fungono da veicolo per numerose sostanze disciolte importanti per la nutrizione delle cellule della superficie oculare. Chi non si è mai chiesto di cosa sono fatte le lacrime?

La lacrima ha una struttura composta da più parti tra loro insolubili disposte a strati, formando il cosiddetto film lacrimale. Questo è composto da uno strato mucoso, uno strato acquoso e uno strato lipidico.

Lo strato mucoso è la componente più profonda del film lacrimale, quello a diretto contatto con la cornea. Il muco rende idrofila la superficie della cornea (altrimenti idrofoba) legandosi ai microvilli delle sue cellule superficiali.

La parte più esterna è costituita dallo strato lipidico, composto essenzialmente da grassi. La sua funzione è quella di formare una barriera idrofoba lungo la palpebra che impedisce l’uscita delle lacrime; questo consente di mantenere gli occhi idratati in particolare durante il sonno; la barriera lipidica esterna impedisce infatti allo strato acquoso intermedio di evaporare.

Lo strato acquoso si trova quindi in posizione intermedia tra uno strato di muco ed uno di grasso; esso costituisce la maggior parte del film lacrimale. Lo strato acquoso è prodotto principalmente dalle ghiandole lacrimali e risulta composto composto da sali, acidi organici, aminoacidi e proteine con funzioni antibatteriche. Proprio le funzioni battericide della parte acquosa del film lacrimale hanno consentito una delle più utili scoperte nella storia della scienza spesso annoverata tra i casi di serendipità: la penicillina.

Era il 1922, Alexander Fleming aveva 41 anni ed era ricercatore nel laboratorio di Sir Almroth Wright, celebre microbiologo del tempo. Fleming aveva un raffreddore che durava da alcuni giorni. Decise allora di prendere le proprie secrezioni nasali e di metterle su una piastra usata per coltivare i batteri e vedere se si sviluppava qualche germe. Il giorno seguente, mentre stava analizzando le colonie di batteri cresciute, una lacrima cadde inavvertitamente nella piastra di coltura. All’inizio Fleming non diede peso all’accaduto e, compiute le osservazioni, ripose la piastra. Il giorno dopo riprese la medesima piastra e con stupore si accorse che i batteri erano cresciuti tranne in un punto, dove si poteva scorgere chiaramente un’area tondeggiante, chiara, guarda caso proprio dove era caduta la lacrima. Pensò allora che nella lacrima potesse trovarsi una sostanza ad azione antibiotica naturale responsabile della morte dei batteri. Si trattava di un enzima capace di “lisare” i batteri, cioè di distruggerli per lisi. Fleming battezzò l’enzima con il nome lisozima, cercando di sfruttarne le caratteristiche per la cura delle malattie infettive. Purtroppo però il lisozima, normalmente presente nelle lacrime, è attivo contro germi che raramente provocano disturbi e quasi mai sono responsabili di malattie. L’idea di trovare un antibiotico efficace venne così accantonata, ma ritornò prepotentemente sei anni dopo.

Nel 1928, al ritorno da una vacanza estiva, Fleming riprese in mano delle colture che aveva fatto prima di partire, notando che in una piastra c’era un alone chiaro inusuale: in quella zona i batteri non erano cresciuti. Lo scienziato si ricordò dell’analogo fenomeno osservato anni prima provocato dalla lacrima caduta per caso nella coltura. Questa volta al centro dell’area più chiara non c’era una lacrima ma una muffa. Invece di eliminare la coltura contaminata, Fleming condusse alcuni esperimenti individuando la muffa, appartenente al genere Penicillum. Fleming chiamò penicillina la sostanza antibiotica isolata.

Fleming riconobbe alla sorte il proprio merito:

Ci sono migliaia di differenti muffe e ci sono migliaia di batteri differenti, e che la sorte abbia messo la muffa giusta nel posto giusto è stato come vincere alla Irish Sweep.

La Irish Sweep era la grande lotteria irlandese abbinata alle corse dei cavalli in Inghilterra. Tuttavia, analizzando l’evoluzione dei fatti, ci si rende conto che Fleming fu oltre misura umile nel considerarsi semplicemente fortunato come chi vince una lotteria: quanti, osservando quella muffa sulla piastra di coltura, si sarebbero ricordati di una lacrima di sei anni prima?

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Chimica verde tra realtà e romanzo

18 Nov. 2010 | categoria ambiente, chimica e letteratura, libri | Leggi tutto | 2 commenti

Dato che siamo in tema di acqua, seguite l’interessantissima conferenza dal titolo Acqua nel tessile: storia e nuove applicazioni eco-sostenibili. L’argomento calza a pennello con l’iniziativa promossa dal Consiglio Nazionale dei Chimici di cui abbiamo parlato poc’anzi. Sono state illustrate le molteplici relazioni tra l’acqua e le fibre tessili. Non tutti sanno che le fibre possono essere usate per depurare e recuperare i residui di tintoria; anche le fibre “viventi” degli steli d’erba possono essere utilizzate per depurare l’acqua, secondo il know how di un’azienda tessile friulana presentata nel corso della conferenza dal suo dirigente. Interessante l’excursus storico e le considerazioni di carattere ambientale: se ascolterete quale disastro ecologico ha causato la coltivazione del cotone, vi renderete conto di quanto sia sbagliato –soprattutto in chimica – ragionare per luoghi comuni (del tipo: fibra artificiale = danno ambientale, fibra naturale = rispetto dell’ecosistema).

I relatori intervenuti sono:

Andrea Taborelli, consigliere di giunta di Confindustria Como, uno dei fondatori di comON;

Sergio Palazzi, docente chimica al Setificio di Como (tiene corsi anche a livello universitario), esperto di nobilitazione tessile, chimica dei beni culturali, tecnologia dei materiali;

Giuseppe Crovato, presidente del consiglio di amministrazione di un’azienda tessile di Azzano Decimo (PD).

Azzano Decimo … e qui mi sovviene istantaneamente uno dei libri legati alla mia adolescenza, ambientato proprio in questo paesino del Friuli. Il libro è Il patriarcato della luna di Carlo Sgorlon, cantore di favole moderne che in questo romanzo è riuscito a intrecciare abilmente l’antico della fiaba con la modernità della tecnologia. Il protagonista – di nome Morvàn - è un bambino speciale, enigmatico, che silenziosamente rivela una sorta di genio alchemico, una sorprendente capacità nel manipolare la materia e “sintonizzarsi” con essa. Diventato adulto, metterà a punto un metodo per sbiancare la carta senza inquinare, vivendo al contempo una tormentata e bellissima storia d’amore con una donna volitiva e coraggiosa. Un romanzo dove chimica e alchimia si fondono senza mai cadere nel banale; un romanzo di denuncia di certi aspetti dell’odierna civiltà occidentale, ma che al tempo stesso vede la chimica e il contatto con la natura come i migliori alleati per un futuro ripulito dalle scorie materiali e immateriali. Il tutto ambientato nella grande famiglia friulana per poi estendersi verso l’Università di Padova fino ad abbracciare l’intero pianeta: perché si può cambiare il mondo solo con le radici ben piantate, ci dice Sgorlon.

Che peccato aver perso le lezioni che l’autore – scomparso nel 2009 – teneva di tanto in tanto all’Università di Trieste, dove ho studiato. E che peccato non avere il libro qui con me. Rileggerei alcuni passi per ricordare almeno vagamente quelle proiezioni adolescenziali del mondo adulto; proiezioni la cui ingenuità era, ora lo comprendo, un grande punto di forza: come altrimenti avrei potuto affrontare la vita universitaria 1000 km fuori sede sapendo in partenza le inevitabili difficoltà che si sarebbero presentate? Il patriarcato della luna è servito anche a questo: a caricarmi di un candido ottimismo che smorzava le mie paure. Più tardi ho compreso che studiare e lavorare in un laboratorio chimico non era poi così romantico come nel romanzo, che i  momenti di soddisfazione erano davvero pochi e che non tutti riuscivano a brevettare con facilità procedure rivoluzionarie …. Eppure il senso di meraviglia non è mai morto, e si rinfocola al ricordo di un romanzo visionario.

Leggete il romanzo e seguite la conferenza. Qualcuno, ad Azzano Decimo, è riuscito in piccola parte nell’intento di ripulire il mondo.

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Refreshment or Responsibility?

18 Nov. 2010 | categoria ambiente, chimica e arte, chimica e salute | Leggi tutto | 2 commenti

In occasione dell’International Year of Chemistry, il Consiglio Nazionale dei Chimici è stato invitato dalla Royal Society of Chemistry a partecipare al progetto dal titolo “IYC Europe Africa project on sustainable chemistry for water”, che mira a mettere in risalto il tema della qualità e della disponibilità dell’acqua.

Nell’ambito di tale progetto il Consiglio Nazionale dei Chimici invita tutte le scuole medie inferiori e tutte le scuole medie superiori (primo biennio) a inviare elaborati su questa tematica.

In tale contesto verrà allestita una mostra internazionale di dipinti e fotografie dedicata all’acqua e al ruolo essenziale della chimica per garantirne sicurezza e disponibilità. Studenti da 11 a 15 anni di diverse parti dell’Africa e dell’Europa potranno così esprimere il loro pensiero mediante dipinti o fotografie sull’interrogativo: Water: Refreshment or Responsibility? (Acqua: Ristoro o Responsabilità?)

I lavori devono pervenire al Consiglio Nazionale dei Chimici entro il 15 gennaio 2011. La collezione di opere così ottenuta servirà a mostrare immagini e punti di vista sull’acqua secondo diverse e provocatorie opinioni. La mostra potrà attirare l’attenzione sul ruolo dei ricercatori dell’industria e dell’università per fornire acqua pulita e sicura alla popolazione dell’Europa e dell’Africa.

Di seguito:

- Modalità di partecipazione

- Presentazione in power point della Royal Society of Chemistry

- Linee guida per la presentazione del power point

- Esempi

Per maggiori informazioni, visitate la pagina Chemistry for Tomorrow’s World.

Dell’acqua e dei suoi mille significati abbiamo parlato anche qui.

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