Urto efficace

Continuiamo il discorso sul sapone addentrandoci maggiormente nelle modalità di ottenimento di questo prodotto. Quella che leggete in basso è una particolare reazione di saponificazione in cui un particolare grasso, il gliceril tristearato, reagisce con la soda caustica a caldo per dare glicerolo e sodio stearato, uno dei saponi più comuni.

Come tutte le reazioni di saponificazione questa è una reazione di idrolisi (scissione) alcalina ed è irreversibile (i prodotti formati non reagiscono tra di loro per dare le sostanze di partenza).

Ci sono due modalità di produzione del sapone, ad alta e a bassa temperatura. Industrialmente la reazione avviene scaldando le miscele di grassi poste in apposite caldaie a temperatura compresa tra i 170 e i 180 gradi centigradi, alla pressione di 8-10 atmosfere e con soluzioni di idrossidi alcalini. La fine della reazione è rivelata dalla scomparsa dei grumi di grasso. A questo punto si aggiunge alla miscela il cloruro di sodio, NaCl; questi fa diventare insolubile il sapone formatosi e lo fa affiorare in superficie permettendo la separazione dalla parte liquida sottostante. Raffreddando si ottiene la miscela solida di saponi. Prima del raffreddamento si possono aggiungere varie sostanze per ottenere saponi con differenti caratteristiche commerciali. Queste sostanze sono, ad esempio: colofonia o pece greca (ha potere schiumogeno), sostanze coloranti, oli essenziali (per conferire particolari profumi), minerali come bentonite, talco o caolino (per abbassare il prezzo), glicerina e zucchero (per ottenere l’effetto trasparente). Per avere saponi molli o liquidi (come la schiuma da barba) si usa nella reazione di saponificazione l’idrossido di potassio (comunemente chiamato potassa) anzichè l’idrossido di sodio.

La miscela di grassi è composta in base al tipo di sapone che si vuole ottenere: l’olio di cocco dà una bella schiuma, l’olio di palma conferisce consistenza e durevolezza, gli oli di sesamo sono particolarmente indicati per la cura dei capelli. Il liquido nel quale si diluisce la soda o la potassa è generalmente l’acqua, ma si possono utilizzare anche succhi di frutta, infusi d’erbe o latte intero.

E’ possibile fare il sapone in casa? Certo! Basta avere un lavello, dei fornelli e l’attrezzatura necessaria: una bilancia, dei cucchiai di legno, delle caraffe in pirex, delle pentole d’acciaio, un termometro da forno, un frullatore e formine per dolci a volontà. Attenzione! Gli stampi devono resistere al materiale caustico e alle alte temperature. Ovviamente si deve usare la massima cautela nel maneggiare la soda utilizzando guanti adatti e occhiali protettivi. Guardate come questa signora si diverte nel fare il sapone in casa con latte e cannella:

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Il metodo “a freddo” sfrutta il calore naturale liberato dalla reazione tra i grassi e la soda caustica; occorre preservare questo calore avvolgendo il sapone fresco in una coperta e lasciandolo riposare per almeno un giorno. Il metodo “a caldo” utilizza una fonte di calore esterna per accelerare la reazione di saponificazione. In questa pagina si spiega come ottenere del sapone “casalingo” a caldo o a freddo, utilizzando soda ed olio di oliva.

Una delle migliori caratteristiche del sapone ottenuto da sostanze naturali è la biodegradabilità, di cui spesso difettano i saponi derivati da sostanze sintetiche. Ritornare ad utilizzare saponi naturali darebbe un significativo contributo all’abbassamento del livello di inquinamento. Molte sostanze sintetiche nocive penetrano infatti negli organismi viventi per inalazione, ingestione indiretta o per assorbimento cutaneo diffondendosi lungo la catena alimentare. Inoltre alcuni detergenti di produzione industriale contengono sostanze che possono causare allergie a livello dell’epidermide. Tra le sostanze ritenute più pericolose vi sono i muschi sintetici utilizzati come fragranze in sostituzione di quelli naturali, più costosi; questi possono interferire con i sistemi di comunicazione ormonale accentuando gli effetti dovuti all’esposizione ad altri agenti tossici.

Un esperto di saponi è sicuramente il chimico autore del blog The Independent Chemist, il cui ultimo post parla di “saponi sostenibili” di produzione propria a base di olio di oliva e scorze di arancia, limone e mandarini. Dove vive? In Sicily, of course!

La foto sopra fa parte della collezione di Richard Heeks, fotografo inglese che vede il mondo attraverso le bolle di sapone. Chissà se questa bolla, raffigurante un poetico paesaggio naturale, è stata ottenuta da un buon sapone fatto in casa …

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Rosario Nicoletti, docente universitario ora in pensione, ha scritto un libro utile e interessante: Cucina, chimica e salute. Il libro offre un’analisi semplice dei processi chimici e fisici che avvengono durante la preparazione dei cibi, valutandone l’impatto sulla salute dei consumatori. Malgrado il tono leggero il volume è particolarmente curato dal punto di vista scientifico, come dimostra la ricca bibliografia.

Nei primi tre capitoli si illustra la relazione tra cibo e salute analizzando modalità ed effetti di cottura e conservazione degli alimenti.  Particolarmente interessanti sono il quarto, quinto e sesto capitolo, relativi alla cottura delle carni, alla frittura e alle cotture non convenzionali. Il settimo -Creme, dolci e biscotti. Le salse- è dedicato ai golosi di dolciumi, mentre il successivo ci parla di caffè, the, tisane, vini. Il volume si conclude con una disamina dei principali utensili culinari e dei detergenti. Uno dei pregi del volume di Nicoletti è quello di parlare di chimica in modo semplice e rigoroso senza usare neanche una formula! Un piccolo miracolo che pochi divulgatori chimici sanno fare.

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Mi capita sempre più spesso di discutere sull’opportunità di installare centrali nucleari sul nostro territorio, soprattutto alla luce delle notizie di questi ultimi giorni. Nonostante il tema sia molto dibattuto esiste scarsa informazione sull’argomento, tanto che recentemente è stata avanzata la proposta di trattare l’energia nucleare nelle scuole, dove spesso viene colpevolmente trascurata. Beh, io quest’anno insegno in un istituto tecnico a indirizzo ambientale, dove lo studio degli impianti di produzione dell’energia, nucleare compreso, è obbligatorio e non affidato alla sensibilità del singolo docente. Tuttavia ho sempre parlato dell’energia fissile anche in altri tipi di scuole, poiché ritengo che una delle funzioni principali dell’insegnamento sia quella di fornire a qualunque cittadino gli strumenti per codificare le questioni scientifiche, soprattutto quelle più scottanti. Tempo fa un collega mi disse, nel corso di un acceso tête-à-tête, che “bisogna fidarsi degli esperti” in merito a certi provvedimenti. Ritengo gravissimo tale atteggiamento da parte di un insegnante: anzitutto è palese che gli “esperti” non la pensano tutti allo stesso modo; inoltre è ormai evidente che un certo tipo di scelte politiche non può fare a meno dell’appoggio dei cittadini per tradursi sul piano concreto. Tocca quindi a noi collaborare in maniera costruttiva con il potere, e questo si ottiene solo con un adeguato livello di istruzione e di consapevolezza, altro che affidarsi agli esperti!

Non è necessario essere degli scienziati per maturare un’opinione sul nucleare, così come sulla gestione dei rifiuti e in genere sul rischio chimico; basta una buona base culturale che consenta di pensare con la propria testa, informandosi nel modo più fruttuoso e imparziale possibile. Di solito in classe uso questo paragone: se si vuole ottenere un finanziamento non occorre diventare economisti titolati, ma acquisire gli strumenti per comprendere quale banca propone le condizioni più vantaggiose. Allo stesso modo per decidere sul nucleare non occorre essere ingegneri, fisici o chimici, ma sapersi muovere sul terreno scientifico individuando la direzione più vantaggiosa per la propria salute.

Solitamente, dopo aver illustrato il principio e l’impianto sul quale si basa l’energia nucleare, cerco di stimolare il dibattito nel gruppo classe. Divido la lavagna in due parti e invito gli studenti a prendere posizione. A questo punto scrivo su una parte della lavagna i pro e sull’altra i contro suggeriti dagli alunni stessi. In genere vengono fuori le panzane più fantasiose da entrambe le parti, frutto di una visione ingenua o superficiale dell’argomento. Perciò io svolgo la parte di colei che cerca di mettere in luce le contraddizioni interne dei vari interventi, ovviamente basandomi su cifre, calcoli, dati di riviste accreditate ed opinioni di “esperti” che la pensano in modo diametralmente opposto (ormai ho collezionato materiale a iosa). Le macroaree su cui le opinioni si dividono sono ovviamente due: la salute e l’economia. Qualche esempio:

• I posti di lavoro. Una centrale nucleare, dice uno studente, potrebbe creare posti di lavoro. Qui in genere cerco di quantificare riportando esempi di centrali estere, oltre a sollevare interrogativi del tipo: solo una centrale nucleare comporta la creazione di posti di lavoro? Ed una idroelettrica? Ed una solare? Se si costruisce una centrale in prossimità di un’area a vocazione turistica potrebbe invece sottrarre posti di lavoro in altri comparti?

• Gli importi delle bollette. Quanto e quando risparmierebbe una famiglia media sui costi dell’energia elettrica in presenza di una centrale nucleare? Quanto tempo richiederebbe l’ammortamento dei costi di costruzione? Quanto costa, allo stato attuale, costruire in Italia una centrale? Quale potrebbe essere il rendimento a regime?

• La disponibilità dell’uranio. Quali sono le stime più affidabili sulla quantità di uranio ancora presente? In quanto tempo l’uranio potrebbe esaurirsi? Quanto la disponibilità di uranio potrebbe influire sui costi dello stesso, e di conseguenza sulle nostre tasche?

• La riduzione dei gas serra. Il nucleare è considerato una fonte di energia pulita che sicuramente porta a mitigare l’effetto serra. Potrebbe però dare luogo ad altri problemi ambientali, come quelli connessi allo stoccaggio delle scorie.

• I possibili danni alla salute. Su questo punto un accordo tra le due fazioni c’è sempre: è il più importante, e  riguarda non solo la probabilità di incidenti, ma anche quella di sviluppare malattie in vicinanza di una centrale. Purtroppo i dati epidemiologici risultanti dagli studi avviati sin dai primi anni novanta sono frammentari, oltre a presentare varie discordanze. In Italia non è disponibile un quadro organico della situazione sanitaria relativo alle centrali dismesse, per cui è impossibile argomentare con i “dati alla mano”. Però qualcosa si sta muovendo oltre confine. Prima di parlarne illustro brevissimamente come funziona una centrale nucleare.

A partire da sinistra abbiamo in sequenza:

• il reattore nucleare in una struttura di contenimento. In esso la reazione di fissione genera energia, che viene utilizzata per bollire l’acqua ed ottenere vapore;

• il vapore ottenuto aziona una turbina, la quale mette in funzione un generatore;

• l’energia viene trasportata attraverso un trasformatore;

• il vapore della turbina viene fatto condensare raffreddando l’acqua. Riparte quindi un nuovo ciclo.

Come potete osservare, una centrale per essere operativa ha bisogno di molta acqua. Infatti i neutroni che al momento della fissione lasciano il nucleo di uranio 235 viaggiano in modo troppo veloce per essere efficacemente assorbiti da altri nuclei e causare ulteriore fissione; per tale motivo occorre che la loro corsa venga rallentata per facilitarne l’impiego. Questo avviene grazie all’uso di un moderatore, che può essere acqua comune, acqua pesante o grafite. Anche il materiale di raffreddamento utilizzato nella maggior parte dei reattori per estrarre l’energia termica prodotta dalla fissione è costituito da acqua (in alcuni casi viene impiegato il biossido di carbonio gassoso). Il raffreddamento è necessario perché le centrali nucleari comportano la formazione di vapore a temperatura e pressione elevate, così come accade nelle centrali che ricavano energia da combustibili fossili. Una delle caratteristiche peculiari del vapore prodotto dalle centrali nucleari è il suo inevitabile contenuto in nuclidi radioattivi, i cosiddetti radionuclidi.

Recentemente i radionuclidi contenuti nel vapore sono stati messi sotto accusa dall’ente governativo tedesco per il controllo radioattivo (BfS), che basandosi su autorevoli studi sta avanzando il sospetto che siano responsabili di alcuni tipi di malattie. Leggendo questo articolo potete farvi un’idea delle ricerche relative alla correlazione tra impianti nucleari e tumori.

E qui ritorniamo alla questione dei dati epidemiologici. In sintesi l’articolo segnalato dice che nel raggio di 5 km da una centrale nucleare l’incremento delle leucemie infantili è del 70%; tale incremento diminuisce gradualmente a distanze via via maggiori. Si suppone che questo sia dovuto ai radionuclidi liberati dagli impianti. L’importante rivista Environmental Health (qui la versione integrale dell’articolo) ipotizza che i radionuclidi imputati siano principalmente il trizio, il carbonio 14 e quelli relativi a gas nobili come kripton, argon, xenon, che verrebbero incorporati nel suolo entrando a far parte della catena alimentare. Le donne incinte esposte a questi radionuclidi li trasmetterebbero ai feti tramite una sorta di imprinting cellulare che indurrebbe tumori in tenera età. Ulteriori studi canadesi confermano che la concentrazione di trizio in frutta, verdura, carne, latte e uova è tanto più alta quanto più si è vicini all’impianto nucleare. C’è chi si ostina a vedere nei pesticidi la causa principale di tumori dovuti a sostanze chimiche; tuttavia i pesticidi hanno una diffusione tutto sommato omogenea dovuta al loro uso su larga scala: essi sono utilizzati indipendentemente dalla presenza di centrali, cosa che non consente di additarli come una delle principali cause dell’incremento di leucemie infantili in prossimità degli impianti.

Questo è solo un esempio di come potrebbero essere riportate argomentazioni sul nucleare dentro (e fuori) un’aula scolastica. Inutile dire che il confronto dialettico non deve avvenire con opinioni pronunciate sull’onda dell’emotività, ma basate su dati e ricerche autorevoli. Non è facile inculcare questa modalità di discussione in una classe di adolescenti, poiché i dibattiti televisivi ci hanno tristemente abituato al chiasso e alla prevaricazione di chi la pensa diversamente. Un sano confronto richiede testa, non pancia.

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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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Una recente notizia dal mondo scientifico mi ha fatto particolarmente piacere per due motivi: primo, si tratta di una efficace collaborazione tra chimica e medicina; secondo, lo studio è stato condotto a Trieste, la mia città universitaria. La novità riguarda la messa a punto di una tecnica per analizzare cellule in vivo senza prelevarle; una vera conquista possibile grazie all’utilizzo della spettroscopia Raman, tramite la quale si hanno informazioni sui tessuti valutando la loro peculiare interazione con un laser.

Infatti ogni tessuto assorbe luce di lunghezza d’onda corrispondente alla propria frequenza di vibrazione, emettendo a sua volta radiazioni caratteristiche a diversa frequenza che possono essere divise in tre tipologie: Stokes, anti-Stokes e Rayleigh (la prima possiede energia minore rispetto alla radiazione originaria incidente, la seconda è caratterizzata da maggiore energia, mentre la terza, risultando da scattering elastico, possiede la stessa energia della radiazione incidente). In tal modo i tessuti del paziente possono essere identificati e analizzati tramite una mappa che il chimico e il medico decifrano insieme. Oltre a presentare il vantaggio di non rendere necessario il prelevamento del campione, questa tecnica è molto utile per “vedere” particolari altrimenti invisibili al microscopio; inoltre può essere una guida di enorme aiuto al chirurgo durante un intervento, nel momento in cui deve decidere se continuare o meno a recidere un tessuto.

Attualmente la spettroscopia Raman è di notevole supporto ai diabetici, in quanto permette di calcolare la concentrazione di glucosio nel sangue tramite la semplice registrazione di frequenze luminose. Questo breve abstract descrive invece un’applicazione della spettroscopia Raman nella diagnosi di una malformazione congenita. Gli studi per mettere a punto i kit diagnostici basati su questa particolare tecnica spettroscopica sono condotti a Trieste presso il CENMAT, Center of Excellence for Nanomaterials and Nanostructured Surfaces.

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