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Il cambiamento: dalla chimica che inquina alla chimica per l’ambiente

“Il cambiamento: dalla chimica che inquina alla chimica per l’ambiente“

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Paolo Manzelli: Chimica ed Ambiente – RosignanoSolvay. 02/dic/2016

 

 

La chimica, cosi come piu’ in generale la scienza, deve superare il riduzionismo che limita la osservazione di sistemi complessi come è una trasformazione chimica in quella di un semplice passaggio lineare tra reagenti e prodotti.

 

Ad es. quando scriviamo Ab+Cd=Ad+Cb , in proposito di una reazione chimica di doppio scambio , la chimica tradizionale propria dell’ epoca industriale, ha focalizzato in rendimento lineare della trasformazione in prodotti , trattando come rifiuti i prodotti di meno valore. Es . NaCo3 +2HNO3 = NaNO3 + CO2+H2O

In vero le tutte le trasformazioni chimiche divengono assai complesse, se dobbiamo riutilizzare i prodotti di scarto in modo circolare, come avviene in natura, dove le principali trasformazioni degli elementi che generano la vita nel nostro pianeta corrispondono ad attivita’ di equilibrio ciclico che ben conosciamo ; come il Ciclo dell’ Acqua , con i suoi cambiamenti di stato  (liquido, vapore e ghiaccio) ; il Ciclo del Carbonio e dell’Ossigeno , tramite la fotosintesi della CO2 delle piante in zuccheri che cibano animali terrestri e pesci nel mare con composti di Carbonio , che poi vengono nuovamente ossidati in CO2; il Ciclo dell’ azoto ,con batteri azoto fissatori che ( come fanno anche i fulmini) trasformano lo N2 dell’ aria, in composti ammoniacali o dell’ acido nitrico, che i batteri de-nitrificatori, in simbiosi con le radici delle piante e di funghi ritraducono in N2 molecolare; il ciclo del Fosforo , cosi importante nel metabolismo e cosi via dicendo, Infatti il ciclo di Krebs è di fondamentale importanza per il fabbisogno energetico tradotto in ATP nelle cellule e permette di riutilizzare il Fosforo (P) senza avere la necessita di consumarne grandi quantita’.

Questa circolarita’ della chimica in natura e quella che dovra’ essere presa in considerazione nel passaggio da una chimica che crea rifiuti ed inquina ad una chimica capace di utilizzare i sottoprodotti di ciascun processo industriale in modo che lo scarto dell’ uno divenga utile per un processo successivo, cio’ esattamente come possiamo imparare a fare dalla natura.

La ragione profonda della “non linearita” della chimica risiede nella dinamica di espansione del fronte di reazione che è visibile facilmente dalla osservazione delle reazioni dette di Belousow Zabotinsky ( dette anche reazioni dell’ Orologio) (1) e degli Anelli di Liasegang (2) , cinetiche chimiche che sono state studiate approfonditamente dal Premio Nobel per la chimica Ilyia Prigogine

Come un sasso che cadendo nell’ aqua crea cerchi cosi il “ fronte di sviluppo delle reazioni chimiche”, la dove si rende visibile, come nelle reazioni sopra indicate.si comporta circolarmente e non linearmente.

Le reazioni dette dell’ orologio sono ad es. lereazioni “RedOx”. Esse mostrano un andamento ciclico non solo nella forma circolare ma proprio nella successione ciclica che avviene ritmicamente nel tempo, dove un indicatore segnala che la reazione prima si trova in uno stato riducente (Red) a cui segue una fase ossidante (Ox) cio’ fino ad esaurimento dei prodotti cosi che la reazione ha fine .

Facciamo un esempio: se prendo il Cloruro di Cobalto che è di colore rosa , ed aggiungo ammoniaca al 30 % in volume e mescolo, come siamo soliti fare noi chimici, ottengo come prodotto il [Co(NH3)6]Cl3.  (complesso ammoniacale esavalente ) che è di colore blu , ed un residuo insolubile.

Se pero’ voglio rallentare il processo di reazione per osservare la ciclicita’ dello sviluppo del fronte di reazione , allora mescolo omogeneamente il CoCl2 in un gel di silice ( che è un supporto amorfo e quindi non reagisce) , e lo immetto in una provetta che è tutta rosa, poi aggiungo la NH3 al 30% , in cima alla provetta. Osservo allora che si formano strati “blu” succeduti da strati che rimangono di color “rosa” , in una sequenza bicolore, dove man mano che la ammoniaca scende per gravita’ ed adsorbimento del gel, l’ andamento ritmico di successsione dei due colori si infittisce .

Per quando stupisca questo andamento ciclico delle fronte delle reazioni chimiche esso è del tutto naturale. Come esempio di clock-reaction in natura possiamo osservare la sezione trasversale di un tronco di albero , la quale ci dice l’ andamento delle reazioni di fotosintesi della pianta nel tempo , nelle quale viene impressa la traccia di altre interessanti informazioni sulla vita vegetale dell’albero e la sua eta’ e sviluppo dalla nascita.

Tutte queste osservazioni sul comportamento ciclico delle reazioni chimiche, che qui ho brevemente riportato, sono ben note e facilmente riproducibili (ad es. le reazioni di Liesegang, che era un fotografo, sono note dal 1928 . Egli cercando di risparmiare Cloruro di Argento nel gel della sua lastra fotografica vide che anziche’ precipitare un pallino nero d’ argento per la reazione fotochimica, si formavano gli anelli che presero il suo nome e che gli sfuocavano la fotografia, Poi capi che il pallino d’argento nero era fatto a strati come una cipolla cosi che per compattarlo si rese conto che era necessario accelerare la reazione fotosintetica aggiungendo un catalizzatore .

Fino a non molto tempo fa queste osservazioni sono state considerate come curiosita’ interessanti ma di poco conto scientifico, e pertanto la semplificazione lineare delle trasformazioni chimiche è stata considerata piu che sufficiente rispetto all’ obiettivo di ottenere grandi quantita’ nuovi prodotti spendibili nel mercato.

Oggi l’ interesse a queste osservazioni sulla ciclicita’ del fronte di reazione stanno avendo la massima attenzione dei ricercatori . Cio in quanto il fronte d’onda e’ una interfaccia bidimensionale che si espande e che va ad assumere spessori cosi sottili done, come succede nei “materiali nanometrici”, si verificano nuove capacita’ di grande interesse per le moderne nano-tecnologie con le quali che esplorano le nuovi sistemi energetici della chimica nella dimensione “DIECI alla MENO NOVE”, che per molti aspetti dimostrano opportunita’ applicative ed innovative nello sviluppo della chimica per l’ ambiente. (3)

In una prossima lezione potro’ relazionarvi sulla “nano-chimica” e sulle nuove ed importanti correlazioni tra concetti e costi //benefici sociali ed economici delle applicazioni tecnologiche della dimensione “Nano” sia n relazione ala salute umana ( Nano-medicina) che per ripulire l’ ambiente dall’ inquinamento, ma ora … non ho piu’ il tempo assegnatomi. Quindi ci rivedremo.

Paolo Manzelli <pmanzelli2016@gmail.com>

 

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