Urto efficace

Al seminario che si terrà a Latina in occasione dell’IYC 2011, presenterò un contributo relativo alla fermentazione. Come non pensare alle varie dispute scientifiche causate dalle differenti interpretazioni di questo affascinante fenomeno? Ho cominciato a rinfrescarmi la memoria sui vari volumi di storia della scienza della mia libreria. Un grosso aiuto mi è stato fornito dal dott. Franco Calascibetta dell’Università La Sapienza, esperto di didattica e storia della chimica che al convegno di Terracina mi ha gentilmente segnalato un suo vecchio articolo sull’argomento. Mi sono lasciata trasportare dalla lettura. L’articolo si sofferma in particolare sul ruolo di Liebig nell’affermarsi della corretta interpretazione dei fenomeni alla base della fermentazione.

J. von Liebig (1803-1873) dedicò una grande attenzione al problema della fermentazione. Lo scienziato formulò la cosiddetta teoria chimica, a fondamento della quale era l’idea che la fermentazione consistesse in una decomposizione di molecole organiche complesse innescata dal decadimento di altre molecole organiche facilmente alterabili, i fermenti. Anche se la teoria chimica di Liebig si rivelò non corretta, l’evoluzione delle sue idee sull’argomento portò un importante contributo al chiarimento dei vari aspetti della fermentazione e dei fenomeni enzimatici in genere.

Un primo studio sistematico della fermentazione fu condotto da A.L. Lavoisier (1743-1794). Il chimico francese si occupò di fermentazione alcolica, giungendo a stabilire una equivalenza tra lo zucchero messo a reagire e le sostanze prodotte (alcool e anidride carbonica); Lavoisier pensava che il ruolo del fermento fosse semplicemente quello di rompere l’equilibrio in cui le sostanze si trovavano prima della sua aggiunta all’ambiente di reazione. Questa interpretazione di Lavoisier costituì di fatto la base per una serie di studi che portarono, nei primi decenni del diciannovesimo secolo, a connettere il fenomeno della fermentazione a quello della catalisi; le teorie in voga sulla fermentazione nell’800 permettevano infatti di associare l’azione dei fermenti a quella dei catalizzatori. Lo stesso J.J. Berzelius (1779-1848) considerò come esempi di “forza catalitica” anche le fermentazioni. Tutto ciò contribuiva ad affermare una teoria prettamente chimica secondo la quale i fermenti erano delle sostanze che agivano chimicamente favorendo determinate trasformazioni della materia. Le osservazioni con microscopi sempre più efficienti cominciarono a mettere in crisi questa teoria: esse permisero di notare che il lievito di birra visto al microscopio appariva come un ammasso di globuli capaci di riprodursi. Dunque alcuni ricercatori, tra cui P.J.F. Turpin (1775-1882), cominciarono a ipotizzare che l’azione dei globuli di lievito era possibile solo quando erano in vita; di conseguenza la formazione di alcool e di anidride carbonica era dovuta a fenomeni di natura biologica.

Un riassunto dell’articolo di Turpin fu pubblicato sull’Annalen der Pharmacie, di cui da alcuni anni proprio Liebig, al massimo della fama, era responsabile. L’articolo presentava la teoria di Turpin in maniera chiaramente sarcastica. Si diceva che grazie ad un nuovo potente microscopio si era potuto osservare che i globuli di lievito erano in realtà delle uova che in presenza di zucchero si schiudevano rilasciando curiosi animaletti; questi possedevano una sorta di proboscide a ventosa provvista di setole all’interno, uno stomaco, un canale intestinale, un ano e un organo urinario. Appena usciti dalle uova questi animali, pur senza occhi né denti, si gettavano voracemente sullo zucchero, che veniva mangiato e digerito con rapidità, dando luogo a due tipi di escrementi: l’alcool (che usciva dall’ano) e l’anidride carbonica (che usciva sotto forma di bolle gassose dall’apparato urinario, gonfiandolo fino a dieci volte …). La fermentazione, inoltre, non avveniva in soluzioni zuccherine concentrate a causa della morte per indigestione dei poveri animaletti, che a un certo punto, non riuscendo a muoversi nella soluzione troppo densa, morivano per mancanza di esercizio. Per spiegare l’arresto della fermentazione si scriveva che, esaurito lo zucchero, gli animaletti affamati diventavano dei piccoli cannibali nutrendosi dei propri simili ….Sopravvivevano solo le uova, capaci di superare indenni il canale intestinale. Gli autori di questo scherzo erano Wöhler e Liebig, evidentemente infastiditi dall’intromissione dei biologi in un campo che ritenevano di esclusiva pertinenza dei chimici.

Dopo tale feroce attacco (che a noi può sembrare di cattivo gusto, ma che rende l’idea del grado di tensione all’interno della comunità scientifica), Liebig presentò la sua teoria chimica. Secondo Liebig le molecole organiche, più complesse di quelle inorganiche e formate principalmente di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, contenevano dei raggruppamenti caratteristici, i radicali. Le particolari proprietà dei composti organici dipendevano dalla natura dei radicali propri di ogni molecola. Secondo Liebig tutte le molecole organiche erano intrinsecamente instabili, soprattutto quelle costituite da un elevato numero di atomi: esse tendevano naturalmente a dissociarsi in molecole più semplici, sia reagendo tra di loro (in modalità diverse a seconda dell’affinità esistente tra i radicali di diverse molecole) sia per l’azione di perturbazioni esterne. In quest’ultimo caso una sostanza perturbava le molecole del composto organico pur senza partecipare effettivamente ad una reazione di decomposizione. In particolare i fermenti, quando l’ossigeno dell’aria cominciavano a decomporli, si trovavano in un particolare stato che conferiva loro la proprietà di alterare i composti organici. In pratica i fermenti trasmettevano il movimento molecolare alle molecole organiche rendendole alterabili; le molecole dello zucchero erano maggiormente sensibili all’azione dei fermenti. Dunque per Liebig il fermento era un corpo in putrefazione che trasmetteva a determinate sostanze la tendenza a decomporsi. Sebbene vi sia una forte analogia con la catalisi, Liebig non considerava i fermenti dei catalizzatori come invece sosteneva Berzelius: un catalizzatore esercita la sua azione rimanendo inalterato, mentre Liebig pensava che i fermenti erano attivi fintanto che proseguiva la loro decomposizione; una volta che questa era cessata, essi non erano più capaci di innescare l’alterazione dello zucchero.

Pur sostenendo l’intrinseca instabilità delle molecole organiche, Liebig non riusciva tuttavia a spiegare come mai molte sostanze erano stabilmente presenti per lungo tempo all’interno degli organismi viventi. Per spiegare tale contraddizione lo scienziato affermava che i meccanismi dei “fenomeni vitali” erano ancora in gran parte sconosciuti; del resto anche la cosiddetta ”affinità chimica” non era ancora del tutto chiara. Ricordiamo che Liebig, pur parlando di “fenomeni vitali”, era contrario alla teoria del vitalismo, che li attribuiva ad una energia non spiegabile in termini fisici e chimici. Quella che può sembrare una incongruenza in realtà non lo è: semplicemente lo scienziato, quando non riusciva a fornire una spiegazione in termini chimico-fisici, si appellava talvolta alla natura in parte sconosciuta dei meccanismi vitali.

Come spiegava Liebig le osservazioni al microscopio? Per Liebig la presenza dei microrganismi era dovuta all’ambiente circostante, del tutto slegata al fenomeno della fermentazione; farne la causa del processo sarebbe stato come ritenere che lo scorrere dell’acqua del Reno fosse dovuto ai mulini che esistevano lungo le rive del fiume. Quando le osservazioni al microscopio non potevano più essere ignorate, Liebig modificò leggermente la sua teoria ammettendo che il lievito aveva le caratteristiche di un essere vivente organizzato, ma continuando a spiegare l’origine della fermentazione tramite la decomposizione dei suoi “globuli” morti.

Ma ecco entrare in scena L. Pasteur (1822-1895), che nel 1860 scrisse: Quanto all’interpretazione dell’insieme dei fatti nuovi che ho trovato nel corso delle presenti ricerche, ho fiducia che chiunque li giudicherà con imparzialità potrà riconoscere che la fermentazione è un atto correlato alla vita e all’organizzazione dei globuli, non alla loro morte e putrefazione. In questa frase è contenuta l’essenza della teoria biologica della fermentazione. L’interesse di Pasteur per la fermentazione era nato dall’osservazione che durante tale fenomeno si producevano sostanze otticamente attive. Pasteur, tramite accurate analisi chimiche, confutò la teoria di Liebig su basi quantitative, provando che in determinate condizioni il peso del lievito poteva addirittura aumentare (cosa non possibile ammettendo una progressiva moria dei suoi globuli!). Per esprimere la relazione tra l’attività del lievito e la decomposizione dello zucchero, lo scienziato non esitava a ipotizzare che il lievito si nutrisse di zucchero e restituisse in seguito come escremento l’alcool e l’acido carbonico. Dunque Pasteur poneva come ipotesi scientifica seria quella tanto derisa nell’articolo satirico di Wöhler e Liebig.

Pasteur studiò vari tipi di fermentazione, arrivando a identificare molti microrganismi responsabili. Liebig tacque fino al 1870, finché cominciò a confutare la teoria pasteuriana. Data la grande fama e la reputazione di Pasteur, Liebig non ne mise in discussione i dati sperimentali. Intanto la biologia aveva fatto dei progressi: Liebig non parlava più di “animaletti”, ma di parete cellulare, vacuoli, protoplasma, ecc… Pur riconoscendo la natura del lievito, Liebig affermava che identificando nei microrganismi la causa di determinati fenomeni si imboccava una strada senza uscita; occorreva distinguere, secondo Liebig, l’aspetto fisiologico dall’aspetto chimico. La replica di Pasteur non si fece attendere. In quegli anni Pasteur ebbe una disputa anche con il chimico francese M. Berthelot (1827-1907), difensore della cosiddetta teoria chimica modificata; Berthelot non negava la natura vivente del lievito, ma affermava che riportare una metamorfosi chimica ad un atto vitale non significa spiegarla. Mentre nella discussione con Berthelot, anch’egli francese, i toni di Pasteur erano accesi ma civili, nei confronti dello scienziato tedesco egli mostrò una particolare arroganza spiegabile in parte da motivazioni politiche (era il periodo della guerra franco-prussiana). Tali toni non erano giustificabili sul piano prettamente scientifico, anche in virtù del fatto che le due teorie sulla fermentazione stavano trovando un terreno comune: la fermentazione è in fatti un fenomeno chimico e biologico, ma Liebig continuava ad opporre argomentazioni pur di escludere la spiegazione biologica. Pasteur era talmente sicuro delle sue teorie da arrivare a proporre un esperimento alla presenza di Liebig e di testimoni autorevoli, in quanto è proprio dalle teorie vere dal luogo a delle deduzioni logiche, di cui la verità può essere affermata a priori. Relativamente alle idee di Liebig, affermava sempre Pasteur, niente è più sottile delle argomentazioni di una teoria che soccombe. Ad ogni modo Pasteur era certo di poter ribattere ad ogni sottile argomentazione con accurati dati sperimentali.

Nel 1873 Liebig morì, così la polemica tra i due scienziati terminò. La teoria chimica e la teoria biologica trovarono un punto d’incontro nella scoperta degli enzimi, sostanze secrete da microrganismi. Si spiegava così il fenomeno della fermentazione, che rientrava nel novero delle reazioni catalizzate dagli enzimi. Anche se la teoria di Liebig appare oggi estremamente semplicistica, occorre riconoscere che l’impegno dello scienziato tedesco nel trovare una spiegazione del fenomeno in termini chimici contribuì a indebolire la teoria del vitalismo come spiegazione dei fenomeni fisiologici. Le sue teorie contribuirono a chiarire il ruolo dei chimici nello studio dei fenomeni viventi; paradossalmente, nonostante l’infondatezza della teoria da lui sostenuta, il ruolo delle scienze chimiche ne uscì rafforzato, in quanto esse si rivelarono necessarie anche per la comprensione dei fenomeni biologici. Dunque non si doveva, come sosteneva Liebig, separare l’ambito fisiologico dall’ambito chimico: la chimica stessa era la chiave di lettura più importante dei fenomeni biologici. Si può dire che sia Liebig sia Pasteur fondarono, ognuno con il proprio contributo, quella branca della chimica che si occupa degli esseri viventi: la biochimica. Sebbene la teoria di Liebig si sia rivelata perdente, è bene ribadire che sono proprio le “teorie che soccombono” a svolgere un ruolo fondamentale nel rafforzare le argomentazioni delle teorie che vincono.

Fonte: Calascibetta F., La teoria della fermentazione in Liebig e le sue concezioni generali sulle trasformazioni chimiche, Accademia Nazionale delle Scienze detta dei XL, Vol. XIV, Serie: 5-Sez. 2, Nr: 119, 1990.

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La catalisi sta nel cuore della chimica: è uno dei fenomeni che più la caratterizza, situandola al confine tra la razionalità e il miracolo. Mi sono sempre chiesta se un ciclo catalitico possa essere interpretato in termini puramente razionali: una reazione avviene molto lentamente, poi arriva un elemento o un composto che “sblocca” i reagenti, rende il cammino di reazione meno ispido conducendoli attraverso una o più scorciatoie; arrivati alla fine del viaggio, il catalizzatore abbandona la coppia di reagenti per ricominciare con un’altra, instancabile. Finchè arriva il momento in cui cede per il troppo lavoro e abbandona la partita. Difficile credere che accada davvero. Tutto avviene tramite rottura e formazione di legami che si riconfigurano diligentemente in modo da rendere possibile l’aggancio di Mr. Catalyst ai reagenti, consentirgli di svolgere la sua opera mediatrice e di lasciare il campo una volta concluso il matrimonio. Eh si, Mr. Catalyst è l’agenzia matrimoniale delle sostanze chimiche, quello che rende possibile le unioni impossibili. E guardate con quale perizia:

Non lasciatevi spaventare: si tratta di una reazione di idrocianazione di una olefina, una molecola che comprende un doppio legame carbonio-carbonio. Nel caso del ciclo catalitico rappresentato l’olefina è l’etene CH2=CH2, rappresentata con il solo doppio legame =. L’etene si trasforma in cianoetano CH3-CH2-CN, anch’esso rappresentato con un legame carbonio-carbonio seguito dal legame al gruppo -CN, il ”nitrile”

Nel percorso circolare mostrato si vede che l’etene “entra” nel ciclo e si ”intrufola” nel catalizzatore, il quale a sua volta lo libera sotto forma di cianoetano (che viene “espulso”) e accoglie una ulteriore molecola di etene per realizzare un’altra trasformazione. Le reazioni di idrocianazione di olefine sono importanti perchè i prodotti che si formano possono essere usati come base per sintetizzare vari tipi di composti (la DuPont le ha utilizzate per la sintesi del nylon). Esse sono velocizzate dal composto contenente platino (catalizzatore) rappresentato alla sommità del ciclo. Numerosi ricercatori stanno sperimentando nuove vie e nuovi catalizzatori per rendere questi cicli di reazione sempre più efficienti. Le molecole tra parentesi rappresentano i cosiddetti intermedi di reazione, in cui si stanno rompendo i vecchi legami e se ne formano di nuovi. Per quanto possa sembrare strano ai profani, questo è uno dei cicli catalitici più semplici che esistano; eppure, è straordinariamente complicato. Incredibilmente complicato. Soprattutto alla luce del fatto che i protagonisti sono esseri senza vita e senza volontà propria, aggregati di atomi che certo non hanno deciso di azionare una catena di montaggio per permetterci di indossare i nostri comodi indumenti in nylon. Eppur si muove, l’ingranaggio. All’università ero talmente affascinata dai cicli catalitici che essi tappezzavano intere mura della mia stanza; dicevo ai miei visitatori allibiti che dovevo memorizzarli in vista dell’esame, in realtà il senso estetico che mi trasmettevano (e mi trasmettono) li ha fatti permanere in bella vista per molto altro tempo.

E via danzando tra le forme. A volte ho nostalgia della mia stanza tappezzata di cicli catalitici; li userei per adornare le pareti della mia attuale abitazione, se non avessi legittimi impedimenti … Di certo le aule scolastiche sarebbero il posto più indicato: non importa essere capaci di decifrare schemi sin troppo complicati. La cosa importante è percepire la bellezza, l’importanza del segno grafico in chimica. L’accordo di molecole che si muovono insieme per un fine comune, quello di facilitare l’unione di una coppia recalcitrante. Chissà, forse questa attrazione per la catalisi era l’espressione di un desiderio inconscio di ordine, di una necessità nascosta di credere nell’esistenza di uno scopo al di là della rigida logica causa-effetto. Ora che mi rendo conto dell’intrinseca pericolosità delle teorie finaliste nella scienza non mi resta che il senso di armonia, come quello che si percepisce ammirando la coreografia di un gruppo di danzatori.

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Qualche tempo fa mi è stato segnalato un articolo scientifico che ho colpevolmente trascurato. L’articolo parla dei superatomi, cioè gruppi di atomi (come nella foto a lato) che si comportano come se fossero un unico grande atomo. Qualche esempio? Il monossido di titanio mima il nichel, mentre il carburo di tungsteno riesce ad assumere le “sembianze” del prezioso platino; un cluster di 13 atomi di alluminio corrisponde invece a un singolo atomo di iodio.

La similarità tra atomi e superatomi è stata determinata attraverso una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione elettronica. Questa tecnica misura le energie di ionizzazione negli atomi e nelle molecole, e costituisce uno degli strumenti più efficaci nello studio delle proprietà molecolari e delle superifici solide. La tecnica si fonda su un’espressione analoga a quella adoperata per descrivere l’effetto fotoelettrico: nel processo in questione un fotone di energia hν colpisce un materiale e, nel caso questo sia solido, penetra nella superficie e viene assorbito da un elettrone. Se il fotone ha un’energia cinetica sufficientemente alta, l’elettrone eccitato emergerà dalla superficie con un ‘energia cinetica KE pari a:

KE = hν – BE – Фs

dove BE (binding energy) è l’energia di legame dell’orbitale atomico da cui l’elettrone proviene, e Фs la funzione lavoro del solido. Una rappresentazione eemplificativa del processo di fotoemissione è illustrata nella figura sottostante:

L’energia cinetica del fotoelettrone è caratteristica dell’atomo emettitore; la funzione lavoro Фs è costante e dipende dalle condizioni strumentali. Se si conosce esattamente hν è possibile ricavare un grafico che ha in ordinata il numero di elettroni emessi e in ascissa la BE, nel quale si avrà un picco la cui posizione e forma fornisce indicazioni sullo stato chimico dell’atomo considerato. Ad esempio, osserviamo gli spettri di fotoemissione ricavati dal gruppo di A. Welford Castleman, il professore della Pennsylvania State University che ha guidato le ricerche descritte nell’articolo:

Come vedete gli spettri dei due grafici sono molto simili: i picchi di fotoemissione corrispondono a valori abbastanza vicini di binding energy. Il primo grafico rappresenta lo spettro di un elemento, il nichel; il secondo è relativo a un composto, il monossido di titanio. Evidentemente l’atomo di nichel e la molecola TiO hanno una configurazione elettronica in qualche modo simile; questo li rende stranamente somiglianti (più precisamente isoelettronici), pur essendo chimicamente molto diversi. Lo stesso fenomeno si presenta con altre coppie, come Pt e WC, Pd e  ZrO. Molto probabilmente altri atomi della Tavola Periodica hanno i corrispondenti superatomi. Questo rende ancora più affascinante l’ordine quasi magico con cui gli elementi sono disposti all’interno della Tavola, e lascia intuire la probabile esistenza di un’armonia superiore ancora sconosciuta. Forse, chissà, un giorno si scoprirà una legge matematica che lega superatomi e atomi in funzione della loro posizione nella Tavola!

Ma rimaniamo con i piedi per terra. Per ora un’ipotesi realistica sugli sviluppi futuri di queste ricerche lascia prefigurare applicazioni che porterebbero a notevoli risparmi economici: il platino, ad esempio, è impiegato nelle marmitte catalitiche delle automobili, ma è molto caro; al contrario il carburo di tungsteno è poco costoso. Allo stesso modo il palladio, usato come catalizzatore in certi processi di combustione, potrebbe essere sostituito dall’ossido di zirconio a un prezzo 500 volte minore. Insomma, si renderebbero disponibili catalizzatori in offerta speciale: due (o più) atomi al posto di uno. Meno costosi e forse, chi lo sa, anche più efficienti.

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Vedete la foto a lato? Si tratta di un giovane chimico tedesco che l’anno scorso era ritenuto uno dei possibili vincitori del Nobel. Il motivo è scritto nella pagina web che riassume i contenuti delle ricerche del suo gruppo, nella quale si legge:

Inventing new strategies for the development of “perfect chemical reactions” that approach 100% yield, while not requiring toxic solvents, protecting groups, heating, cooling, or inert gas atmosphere is the ultimate goal of our research. We approach this goal using selective catalysis based on small organic molecules. This area has recently become a goldmine for the discovery of new reactivity.

In pratica le ricerche del gruppo del prof. Benjamin List sono orientate ad aumentare la resa di reazione minimizzando i passaggi necessari ad una sintesi organica e la quantità di solventi necessari; data la tossicità di molti di questi, è evidente quanto il lavoro di List sia importante. Il mezzo principale per aumentare l’efficienza e l’ecocompatibilità delle reazioni chimiche è rappresentato dalla catalisi operata da piccole molecole organiche.

Nel precedente articolo ho parlato in tono semiserio dei solventi e della loro funzione. Illustro ora un possibile percorso didattico utile per trattare l’impatto ambientale dei solventi e spiegare come i catalizzatori possono aiutare a ridurlo.

Consideriamo un solvente organico; si tratta di una sostanza organica capace di sciogliere altre sostanze per dare un sistema omogeneo. Come tutti i solventi esso consente ai diversi reagenti di incontrarsi, favorendone in tal modo l’attivazione senza reagire con essi. Inoltre il solvente deve poter essere rimosso alla fine e possibilmente riciclato.

Quali sono i principali campi di utilizzo dei solventi organici? Essi sono impiegati come mezzo di reazione, per separazioni, purificazioni e come smacchianti. Sono particolarmente usati nell’industria di vernici, lacche, pitture ed inchiostri. Grandi quantità di solventi sono necessarie per la preparazione di fibre sintetiche e polimeri.

I solventi “classici” delle reazioni organiche presentano alcuni gravi inconvenienti: sono tossici, infiammabili, volatili, inquinanti. Spesso hanno alti costi di produzione, impianto, recupero, smaltimento, purificazione e stoccaggio.

Perché molti solventi sono pericolosi? Essi possono provocare danni alla salute tramite il contatto con la pelle, la respirazione dei vapori e l’ingestione, comportando effetti tossici, cancerogeni e teratogeni. Per l’ambiente i pericoli sono correlati ai rischi di perdite, allo scarico incontrollato e ai gas di sfiato, con conseguenti piogge acide, distruzione dell’ozono atmosferico, effetto serra ecc…

I solventi classici hanno però dei vantaggi: generano specie solvatate molto reattive; possono avere caratteristiche acide o basiche sfruttabili in determinati contesti; possono formare legami idrogeno con molti soluti; se ne può sfruttare la polarità; consentono di monitorare in modo ottimale la cinetica e la selettività delle reazioni.

Quando si cerca un solvente “pulito” bisogna quindi considerare vari fattori che consentano di usufruire dei vantaggi dei solventi classici. I principali fattori sono:

1. Potere solvatante. Questo dipende dal meccanismo di solvatazione e dallo stato fisico della soluzione (a sua volta dipendente da temperatura, agitazione, pressione).

2. Reattività delle specie solvatate. Queste devono avere sufficiente reattività e fornire i prodotti desiderati.

3. Selettività della reazione. Essa implica la comprensione del meccanismo di azione del solvente e l’ottimizzazione delle condizioni sperimentali.

4. Criteri che riguardano la natura del solvente, vale a dire:

a. come si distribuisce o si disperde nell’ambiente;

b. come viene assimilato dagli organismi viventi (tenendo conto di volatilità, lipofilicità, peso e dimensioni molecolari, degradazione);

c. canali di assorbimento per l’uomo e gli animali (attraverso pelle/occhi, polmoni, apparato digerente);

d. tossicità

Come sappiamo il solvente più a buon mercato è l’acqua. Nelle sintesi organiche l’acqua è considerata un solvente “alternativo”, in quanto non usuale per un certo campo di reazioni. L’acqua possiede notevoli vantaggi:

- è poco costosa;

- è disponibile in grandi quantità;

- non è infiammabile;

- non è tossica;

- può essere immessa nell’ambiente previa purificazione.

Gli svantaggi sono principalmente tre:

- la scarsa solubilità dei reagenti organici;

- l’inerzia non è sempre garantita;

- l’alto punto di ebollizione;

Un esempio di impiego dell’acqua come solvente è dato dalle vernici per le automobili: sono infatti state sviluppate vernici con solventi acquosi che riducono la formazione di VOC (Volatile Organic Compounds).

Il discorso sui solventi è basilare per l’industria chimica; è infatti sempre più urgente la necessità di usare solventi ecocompatibili possibilmente a basso costo, riservandosi la possibilità di recuperare e riutilizzare il catalizzatore (spesso costoso) impiegato per promuovere una particolare reazione. Operazioni come la distillazione comportano uno stress termico per il catalizzatore. Questo può causare reazioni di decomposizione e progressiva disattivazione del catalizzatore; inoltre difficilmente il recupero del catalizzatore è quantitativo, e questo comporta una perdita di produttività (per sapere qualcosa in più sulla catalisi in chimica organica leggete The world of organocatalysis, scritto in inglese da un giovane ricercatore italiano, oppure articoli sull’organocatalisi come questo).

Una delle strategie utilizzate in tal senso è l’impiego della catalisi bifasica.

Con la catalisi bifasica il problema del recupero del solvente risulta notevolmente ridotto. In un sistema bifasico la scelta della fase catalitica dipende principalmente dalla fase in cui si trova il prodotto. Se il prodotto è apolare la fase catalitica deve essere polare e viceversa. E’ fondamentale che il catalizzatore sia tale da solubilizzarsi nella fase catalitica in modo da poter esplicare la sua azione e poi dissociarsi facilmente dal prodotto, cosa possibile grazie alle diverse polarità. Grazie a questa modalità il recupero e il riciclaggio del catalizzatore avvengono con maggiore facilità rispetto ai processi monofasici. In questo modo si rendono le reazioni più veloci e si riutilizza il catalizzatore, con conseguente risparmio economico e minore impatto ambientale. La catalisi bifasica e i processi solvent-free (di cui ho scritto nel precedente post) sono al momento fra le strade più innovative che la ricerca di base e applicata sta percorrendo per aumentare l’ecocompatibilità dell’industria chimica.

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In un blog dedicato ad una disciplina devono trovare spazio notizie e riflessioni che non è possibile leggere in un libro di testo. Quest’ultimo è un punto di riferimento, mentre il blog è un luogo dinamico, dove l’autore scrive articoli con i quali tenta di gestire il continuo flusso di informazioni relativo all’oggetto di interesse. Ovviamente il blog risente fortemente della sensibilità e della personalità dell’autore, mentre i libri scolastici sono per definizione quasi impersonali. Questa premessa è necessaria per spiegare come mai la descrizione di esperienze di laboratorio non rivesta un grande ruolo in questo diario on line dedicato alla chimica: i libri di testo sono già pieni zeppi di esperienze di laboratorio, le quali sono spesso riportare in un apposito fascicolo allegato al libro. Inoltre questo blog, nel suo piccolo, mira a sconfiggere un pregiudizio purtroppo molto diffuso: quello secondo il quale la chimica è un insieme di procedure manuali o strumentali. Niente di più falso: la vera chimica offre innanzitutto una visione del mondo, e il laboratorio non è altro che un mezzo per sottoporre tale visione a continue prove di verità. In altre parole, la chimica è innanzitutto cultura, cultura che si nutre di risultati sperimentali. Se non si entra in questo sistema di idee sarà molto difficile ampliare la conoscenza di questa materia a platee sempre più vaste di studenti. Solo una minoranza di ragazzi appassionati studierà chimica all’università o lavorerà in campo chimico dopo il diploma; tutti gli altri hanno bisogno di un motivo per studiare questa disciplina che si collochi oltre il ”saper fare” (una distillazione, una sintesi, un’analisi…). Per questa ragione è di basilare importanza fornire una visione della chimica quale ramo del sapere che plasma la forma mentis; quale scienza che deve essere studiata per la sua intrinseca bellezza, e perchè condiziona in modo pesante le nostre vite, anche se spesso non lo percepiamo.

Insomma, la chimica è una scienza sperimentale nella quale l’attività pratica è fondante; allo stesso tempo la chimica non è il laboratorio, così come l’informatica non è il computer e l’astronomia non è il telescopio. Questi sono solo strumenti che aiutano il lavorio della mente. E seppure siano essenziali, sempre di strumenti si tratta. Perchè scrivo questo?  Uno dei miei precedenti post, in polemica con una certa estremizzazione della didattica costruttivista e il suo uso insensato del laboratorio, lo spiega molto bene.

Fatta questa premessa, è indubbio che l’attività sperimentale ben progettata sia una grande fonte di piacere per un insegnante, specialmente quando nota l’entusiasmo e l’interesse degli allievi. Nella scelta delle esperienze di laboratorio di questo blog ho privilegiato due categorie: la prima comprende procedure sperimentali particolarmente originali, solitamente non descritte dai libri scolastici (come la valutazione dell’espressione di un gene che i miei allievi hanno eseguito all’università durante un mini-stage, o come l’analisi cromatografica di alcuni oli essenziali, che richiede specifiche sostanze da ordinare appositamente); alla seconda categoria appartengono invece esperienze estremamente semplici, così semplici che …spesso gli insegnanti ne trascurano l’esecuzione. Eppure c’è una miriade di esperimenti che possono essere eseguiti con materiali alla portata di tutti: monetine, alimenti, stoffe …Una sorta di laboratorio “povero” ma non per questo meno efficace.

Un esempio? Osservare l’azione della saliva può servire a spiegare l’azione degli enzimi. Occorre solo della farina e della tintura di iodio. Come sappiamo, la digestione è un processo che inizia già durante la masticazione dei cibi. Infatti la saliva contiene un enzima, la ptialina, che catalizza le reazioni che trasformano l’amido (un polimero del glucosio) in maltosio (un dimero del glucosio), uno zucchero più facilmente assimilabile dall’organismo. Per verificare l’azione della saliva si ammorbidisce un cucchiaio di farina con poca acqua fresca, poi si riempie la tazza di acqua calda. Quando la miscela si raffredda, si preleva un cucchiaino e lo si versa in un piatto. Si versano un paio di gocce di una soluzione iodica, ottenuta versando 6 gocce di tintura di iodio in mezzo bicchiere d’acqua, e si osserva che la miscela di acqua e farina si tinge di viola rivelando la presenza di amido. Si riempie una provetta con la maggior quantità possibile di saliva, si aggiunge un cucchiaio della miscela di acqua e farina e si agita energicamente, tenendo la provetta chiusa con il pollice. Successivamente si versa dell’acqua tiepida in un barattolo di vetro e vi si immerge la provetta, facendo attenzione che non vi entri acqua. Ogni mezz’ora si preleva con un contagocce una piccola quantità del contenuto della provetta e, lavando ogni volta il piatto, si ripete la prova con la soluzione iodica. Si osserva che con il passare del tempo la soluzione iodica provoca un cambiamento di colore nella miscela farina-saliva sempre meno evidente, e infine nessun cambiamento.

Cos’è accaduto? Lo Iodio (I2) funziona come rivelatore della presenza di amido negli alimenti. Lo iodio contenuto nella tintura, infatti, reagisce con l’amido e forma un complesso dalla caratteristica colorazione viola. La miscela di acqua e farina si colora di viola perchè la farina contiene amido. In presenza di saliva, la ptialina in essa contenuta trasforma progessivamente l’amido in maltosio, negativo al test dello iodio. Nella foto sono evidenti le due colorazioni: quella più scura evidenzia la presenza di amido. Semplice, no?

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