Attrezzature da laboratorio chimico

Nei laboratori chimici le attrezzature più comunemente utilizzate sono in vetro pyrex che è particolarmente resistente al calore. I contenitori in porcellana sono adatti anche per sopportare la fiamma diretta. Tutti i contenitori devono essere rigorosamente puliti e asciutti prima dell’uso.

Attrezzature da laboratorio.
Da "The golden book of chemistry experimens" by Robert Brent - Golden Press New York

 La  vetreria comune comprende contenitori come becher, beute, palloni, provette, e strumenti di misura del volume di liquidi come cilindri, matracci, burette, pipette. I contenitori per la misura di volumi possono avere diverse capacità. Si dicono graduati quando presentano una scala che consente di misurare diversi volumi (cilindri e burette); si dicono tarati quando presentano un'unica tacca che consente di misurare un unico volume (matracci e alcuni tipi di pipette). Le beute e i becher, pur essendo graduati, consentono una misura del volume molto approssimata. I contenitori in porcellana sono mortai e crogioli. Altri strumenti sono in metallo: pinze, spatole, sostegni. Esistono anche provette monouso in plastica e di questo materiale sono fatti anche i porta provette e le spruzzette che servono a contenere l’acqua distillata.

In questo video una rapida panoramica della vetreria più comune:

https://www.youtube.com/watch?v=J40jZ6MxL3E

Modelli molecolari

Esistono diversi tipi di modelli molecolari:

I modelli a sfere e bastoncini (ball and stick), come quelli della foto, contengono sfere di plastica che rappresentano gli atomi e  cannucce che servono a legare tra loro le sfere e quindi a rappresentare i legami chimici.

I modelli a spazio pieno (space filling) utilizzano solo sfere di dimensioni opportune, collegabili tra loro, che rappresentano in scala il volume reale degli atomi e quindi danno un’ idea più realistica della forma delle molecole.

Nel caso dell'acqua:

E’ possibile prevedere la geometria di una molecola con la teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) basata sull’assunto che gli elettroni di valenza, sia quelli che partecipano alla formazione di legami, sia quelli non condivisi, si respingono tra loro e tendono perciò a disporsi tra loro il più lontano possibile.

Esistono però anche metodi diversi per creare modelli molecolari, anche con materiali riciclati, come illustrato nel seguente video:

http://www.scienzainrete.it/documenti/video/modelli-molecolari-riciclabili/may-2012

Materiali leganti

In edilizia i leganti sono materiali che hanno la funzione di legare tra loro gli elementi delle costruzioni. Si presentano sotto forma di polveri che impastate con acqua danno luogo alle cosiddette malte. Queste hanno la capacità di far presa nel tempo e quindi di trasformarsi in materiali solidi. Si dividono in leganti aerei che fanno presa all’aria e leganti idraulici che fanno presa anche in presenza di acqua. Rientrano nei leganti aerei la calce e il gesso. Il più comune legante idraulico è il cemento che, quando viene utilizzato in presenza di materiali lapidei, viene indicato come calcestruzzo e utilizzato come materiale strutturale.

CALCE

La calce è un materiale antico, che ha segnato le tappe fondamentali della storia millenaria dell'edilizia e dell'architettura. La calce aerea, così chiamata perchè indurisce per assorbimento dell'anidride carbonica dall'aria, è il prodotto della cottura di calcari puri cioè di  rocce ad alto contenuto di carbonato di calcio CaCO₃

"Intonaco" è il termine usato in architettura per indicare la parte più esterna del rivestimento superficiale delle strutture verticali. 
L'uso di rifinire le superfici murarie con intonaci di calce ha origini antichissime. La calce è disponibile sul mercato in polvere o in pasta. In questo video è descritto il ciclo della calce:

GESSO

Il gesso è un materiale di aspetto bianco-grigio e polveroso, è un legante aereo utilizzato in edilizia sotto forma di malta per la finitura di pareti lisce o con particolari effetti estetici e sottofondi lisci per pavimenti o carta da parati. In arte è usato per la realizzazione di calchi, modelli e statue. Dal punto di vista chimico è composto da solfato di calcio CaSO_4. La produzione del gesso si basa sulla macinazione e seguente cottura di rocce gessose, dunque contenenti CaSO₄· 2H₂O solfato di calcio biidrato. Nel corso della cottura, una volta giunti a 130 °C, la roccia gessosa perde i  3/4 dell'acqua di cristallizzazione: si forma così un semiidrato di calcio (CaSO₄ · 0,5 H₂O). A temperature più alte l'acqua di cristallizzazione viene eliminata completamente. Per l'impiego il gesso cotto viene macinato finemente e insaccato. I gessi da costruzione che si trovano in commercio sono costituiti da gesso semiidrato che, come nel caso della calce aerea, fa presa all’aria riconvertensosi in solfato di calcio biidrato (meno solubile del semiidrato).

CEMENTO

Il cemento viene preparato con una miscela di calcare e argilla che viene macinata e riscaldata fino alla fusione. Da tale cottura si ottiene una miscela di ossidi:

CaO e MgO ossido di calcio e ossido di magnesio, provenienti dal calcare, sono ossidi metallici o basici

SiO₂ biossido di silicio, proveniente dall’argilla, è un ossido non metallico o acido

Al₂O₃ e Fe₂O₃ triossido di dialuminio e triossido di biferro, provenienti anch’essi dall’argilla, si dicono anfoteri perché possono comportarsi da acidi o da basi secondo l’ambiente circostante

Tutti questi ossidi risultano essere i principali componenti del cemento, anche se nel corso della preparazione si combinano tra loro a formare strutture più complesse.

Le quantità degli ossidi determinano le caratteristiche di idraulicità delle malte, attraverso l’indice di idraulicità ovvero il rapporto tra le quantità di ossidi acidi e anfoteri e le quantità di ossidi basici:

I = SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ / CaO + MgO

Quanto più alto è l’indice tanto più il legante è idraulico, cioè in grado di far presa in presenza di acqua.

I polimeri

I polimeri sono macromolecole formate dall’unione di molecole più piccole dette monomeri legati tra loro con legami covalenti. Le proprietà dei polimeri dipendono dal tipo e dal numero di monomeri legati. L’unione avviene mediante due tipi di reazione come illustrato nel video:

https://www.youtube.com/watch?v=xGmsIHi5pao

Polimeri in tavola

I polimeri naturali che vengono prodotti nelle cellule animali e vegetali sono polisaccaridi, proteine e acidi nucleici.

Tra i polisaccaridi troviamo l’amido, componente principale della farina, formato da centinaia di monomeri di glucosio, e la cellulosa, componente di piante e fibre naturali. Anche la cellulosa è costituita da molecole di glucosio ma il legame ha una struttura diversa che ne modifica le proprietà e la rende non digeribile dagli esseri umani.

Le proteine sono formati dall’unione di un gran numero di monomeri detti amminoacidi. Gli amminoacidi presenti nelle proteine umane sono solo venti e la sequenza con cui si susseguono nel polimero determina il tipo di proteina. Le proteine svolgono importanti funzioni negli organismi poiché si trovano nei muscoli, nella cartilagine, nei capelli, nelle unghie. Anche gli enzimi sono proteine.

Gli acidi nucleici sono il DNA (acido deossiribonucleico) e l’RNA (acido ribonucleico) polimeri formati dall’unione di soli quattro tipi di monomeri detti nucleotidi. Gli acidi nucleici contenuti nelle cellule portano l’informazione per l’assemblaggio degli amminoacidi nella sintesi proteica.

I polimeri sintetici come il polietilene (PE), il polistirene (PS), il polivinilcloruro (PVC) si ottengono dall’unione di piccoli idrocarburi di derivazione petrolifera e sono alla base delle materie plastiche. Sono polimeri anche la gomma sintetica, molte sostanze adesive, e il nylon, una fibra sintetica più forte della fibra di seta  naturale.

Il ciclo del carbonio

Il carbonio è il costituente fondamentale degli organismi animali e vegetali, si trova nelle rocce come carbonato, nell'atmosfera sotto forma di anidride carbonica. 

In questo racconto di Primo Levi seguiamo il percorso di un atomo di carbonio.

L'AVVENTUROSA STORIA DI UN ATOMO DI CARBONIO

tratto da "Il sistema periodico" di Primo Levi  (1975)

Il nostro personaggio giace da centinaia di milioni di anni, legato a tre atomi d’ossigeno e a uno di calcio, sotto forma di roccia calcarea: ha già una lunghissima storia cosmica alle spalle ma la ignoreremo. Per lui il tempo non esiste, o esiste solo sotto forma di pigre variazioni di temperatura, giornaliere e stagionali, se, per la fortuna di questo racconto, la sua giacitura non è troppo lontana dalla superficie del suolo.

Giace, infatti,  alla portata dell’uomo e, nell’anno 1840, un colpo di piccone lo staccò e gli diede l’avvio verso il forno a calce, precipitandolo nel mondo delle cose che mutano. Venne arrostito affinché si separasse dal calcio, il quale rimase per così dire con i piedi per terra e andò incontro a un destino meno brillante che non narreremo; lui, tuttora fermamente abbarbicato a due dei tre suoi compagni ossigeni di prima, uscì per il camino e prese la via dell’aria. La sua storia, da immobile, si fece tumultuosa. Fu colto dal vento, abbattuto al suolo, sollevato a dieci chilometri. Fu respirato da un falco, discese nei suoi polmoni precipitosi, ma non penetrò nel suo sangue ricco, e fu espulso. Si sciolse per tre volte nell’acqua del mare, una volta nell’acqua di un torrente in cascata, e ancora fu espulso. Viaggiò col vento per otto anni, ora alto, ora basso, sul mare e fra le nubi, sopra foreste, deserti e smisurate distese di ghiaccio; poi incappò nella cattura e nell’avventura organica.

Fu dunque condotto dal vento, nell’anno 1848, lungo un filare di viti. Ebbe la fortuna di rasentare una foglia,di penetrarvi, e di essere inchiodato da un raggio di sole. Ecco dunque che entra nella foglia, collidendo con altre innumerevoli molecole di azoto e ossigeno. Aderisce a una grossa e complicata molecola che lo attiva, e simultaneamente riceve il decisivo messaggio dal cielo, sotto la forma folgorante di un pacchetto di luce solare: in un istante, come un insetto preda del ragno, viene separato dal suo ossigeno e combinato con idrogeno.

Ora il nostro atomo è inserito: fa parte di una struttura, nel senso degli architetti; si è imparentato e legato con cinque compagni, talmente identici a lui che solo la finzione del racconto mi permette di distinguerli. E’ una bella struttura ad anello, un esagono quasi regolare. E’ entrato a far parte di una molecola di glucosio.

Il carbonio, infatti, è un elemento singolare: è il solo che sappia legarsi con se stesso in lunghe catene stabili senza grande spesa di energia, ed alla vita sulla terra (la sola che finora conosciamo) occorrono appunto lunghe catene. Perciò il carbonio è l’elemento chiave della sostanza vivente: ma la sua promozione, il suo ingresso nel mondo vivo, non è agevole, e deve seguire un cammino obbligato, intricato, chiarito solo in questi ultimi anni.

Il nostro atomo di carbonio viaggiò dunque, col lento passo dei succhi vegetali, dalla foglia per il picciolo e per il tralcio fino al tronco, e di qui discese fino a un grappolo quasi maturo. Quello che seguì è di pertinenza dei vinai: a noi interessa solo precisare che sfuggì (con nostro vantaggio, perché non lo sapremmo ridurre in parole)alla fermentazione alcoolica, e giunse al vino senza mutare natura.E’ destino del vino essere bevuto, ed è destino del glucosio essere ossidato. Ma non fu ossidato subito: il suo bevitore se lo tenne nel fegato per più di una settimana, bene aggomitolato e tranquillo, come alimento di riserva per uno sforzo improvviso; sforzo che fu costretto a fare la domenica seguente, inseguendo un cavallo che si era adombrato.

Addio alla struttura esagonale: nel giro di pochi istanti il gomitolo fu dipanato e ridivenne glucosio, questo venne trascinato dalla corrente del sangue fino ad una fibrilla muscolare di una coscia, e qui brutalmente spaccato in due molecole di acido lattico, il tristo araldo della fatica: solo più tardi, qualche minuto dopo, l’ansito dei polmoni poté procurare   l’ossigeno necessario ad ossidare con calma quest’ultimo. Così una nuova molecola di anidride carbonica ritornò all’atmosfera, ed una parcella dell’energia che il sole aveva ceduta al tralcio passò dallo stato di energia chimica a quello di energia meccanica e quindi si adagiò nell’ignava condizione di calore, riscaldando impercettibilmente l’aria smossa dalla corsa e il sangue del corridore.

Siamo di nuovo anidride carbonica: è un passaggio obbligato. Di nuovo vento, che questa volta porta lontano: supera gli Appennini e l’Adriatico, la Grecia l’Egeo e Cipro: siamo sul Libano e la danza si ripete. L’atomo di cui ci occupiamo è ora intrappolato in una struttura che promette di durare a lungo: è il tronco venerabile di un cedro, uno degli ultimi; è ripassato per gli stadi che abbiamo già descritti, ed il glucosio di cui fa parte appartiene, come il grano di un rosario, ad una lunga catena di cellulosa.

Dopo vent’anni (siamo nel 1868) se ne occupa un tarlo. Ha scavato la sua galleria fra il tronco e la corteccia, con la voracità cieca e ostinata della sua razza; trapanando è cresciuto, il suo cunicolo è andato ingrossando. Ecco, ha ingoiato e incastonato in se stesso il soggetto di questa storia; poi si è impupato, ed è uscito in primavera sotto forma di brutta farfalla grigia che ora si sta asciugando al sole,frastornata e abbagliata dallo splendore del giorno: lui è là , in uno dei mille occhi dell’insetto, e contribuisce alla visione sommaria e rozza con cui esso si orienta nello spazio. L’insetto viene fecondato, depone le uova e muore:il piccolo cadavere giace nel sottobosco, si svuota dei suoi umori, ma la corazza di chitina resiste a lungo, quasi indistruttibile. La neve e il sole ritornano sopra di lei senza intaccarla: è sepolta dalle foglie morte e dal terriccio, è diventata una spoglia, una “cosa”, ma la morte degli atomi, a differenza della nostra, non è mai irrevocabile.

Ecco al lavoro gli onnipresenti, gli instancabili e invisibili becchini del sottobosco, i microrganismi dell’humus. La corazza, con i suoi occhi ormai ciechi, è lentamente disintegrata, e l’ex bevitore, l’ex cedro, ex tarlo, ha nuovamente preso il volo (sotto forma di anidride carbonica).

Lo lasceremo volare per tre volte intorno al mondo, fino al 1960, ed a giustificazione di questo intervallo così lungo rispetto alla misura umana faremo notare che esso è assai più breve della media: questa, ci si assicura, è di duecento anni.

L’anidride carbonica, la forma aerea del carbonio di cui abbiamo finora parlato,  e che costituisce la materia prima della vita, non è uno dei componenti principali dell’aria,bensì un rimasuglio ridicolo, un’”impurezza” trenta volte meno abbondante dell’argon di cui nessuno si accorge. L’aria ne contiene lo 0,03 %: se l’Italia fosse l’aria, i soli italiani abilitati ad edificare la vita sarebbero ad esempio i 15000 abitanti di Milazzo, in provincia di Messina. Questo, in scala umana, è un’acrobazia ironica, uno scherzo da giocoliere,una incomprensibile ostentazione di onnipotenza-prepotenza, poiché da questa sempre rinnovata impurezza dell’aria veniamo noi: noi animali e noi piante, e noi specie umana, coi nostri quattro miliardi di opinioni discordi, i nostri millenni di storia, le nostre guerre e vergogne e nobiltà e orgoglio.

Ogni duecento anni, ogni atomo di carbonio che non sia congelato in materiali ormai stabili (come appunto il calcare, o il carbon fossile, o il diamante, o certe materie plastiche) entra e rientra nel ciclo della vita, attraverso la porta stretta della fotosintesi.

Esistono alte porte? Sono porte ancora molto più strette di quella del verde vegetale: consapevolmente o no, l’uomo non ha cercato finora di competere con la natura su questo terreno,e cioè non si è sforzato di attingere, dall’anidride carbonica dell’aria, il carbonio che gli è necessario per nutrirsi, per vestirsi, per riscaldarsi, e per i cento altri bisogni più sofisticati della vita moderna. Non lo ha fatto perché non ne ha avuto bisogno: ha trovato, e tuttora trova (ma per quanti decenni ancora?) gigantesche riserve di carbonio costituite dai giacimenti di carbon fossile e di petrolio: ma anche questi sono eredità di attività fotosintetiche compiute in epoche lontane, per cui si può bene affermare che la fotosintesi non è solo l’unica via per cui il carbonio si fa vivente, ma anche la sola per cui l’energia del sole si fa utilizzabile chimicamente.

Si può dimostrare che questa storia, del tutto arbitraria, è tuttavia vera. Potrei raccontare innumerevoli storie diverse, e sarebbero tutte vere: tutte letteralmente vere, nella natura dei trapassi, nel loro ordine e nella loro data.

Il numero degli atomi è tanto grande che se ne troverebbe sempre uno la cui storia coincida con una qualsiasi storia inventata a capriccio. Potrei raccontare storie a non finire, di atomi di carbonio che si fanno colore o profumo nei fiori; di altri che da alghe minute a piccoli crostacei, a pesci via via più grossi, ritornano anidride carbonica nelle acque del mare, in un perpetuo spaventoso girotondo di vita e di morte.

La chimica del carbonio

Fino alla metà dell'800 si riteneva che tutte le sostanze potessero essere suddivise in due categorie distinte: le sostanze organiche prodotte solo dagli organismi viventi e tutte le altre che venivano indicate come sostanze inorganiche. Nel 1828 il chimico tedesco F. Wholer riuscì a produrre l'urea (sostanza organica costituente dell'urina dei mammiferi) partendo dal cianato di ammonio che è un composto inorganico. Solo successivamente a questa scoperta si cominciò a delineare l'idea che non esista un confine netto tra le due branche della chimica. 

Il nome chimica organica viene tutt'oggi utilizzato per indicare la chimica dei composti del carbonio. Questo elemento infatti forma un numero enorme di composti diversi per struttura e proprietà.

Tra le più importanti classi di composti del carbonio troviamo gli idrocarburi che contengono solo carbonio e idrogeno, e che sono contenuti nei combustibili fossili formati dai resti di piante e animali. Sono combustibili fossili il carbone, il gas naturale e il petrolio.

Come si forma il petrolio:
https://www.youtube.com/watch?v=tGsTSISXqzo

Altre classi di composti organici contengono anche l'ossigeno oltre a carbonio e idrogeno. Sono alcoli, eteri, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri.

Tra le sostanze di uso comune troviamo per esempio:

-L’alcool etilico o etanolo di formula C₂H₅OH appartenente alla categoria degli alcoli. Viene ottenuto per distillazione di liquidi zuccherini fermentati come vini di scarto, oppure da sostanze amidacee sottoposte all’azione di lieviti fermentanti. L’alcol assoluto è l’alcol puro usato per la preparazione di bevande. L’alcol denaturato è quello utilizzato come disinfettante. Non è puro ma addizionato di sostanze estranee, in genere idrocarburi, che ne impediscono l’uso alimentare. E’ destinato ad altre preparazioni industriali ed è esente da imposta.

-L’acetone è il costituente dei solventi per smalti. Ha formula CH₃COCH₃, è un liquido infiammabile e volatile appartenente alla classe dei chetoni. Molto utilizzato come solvente anche nell’industria.

-L'acido  acetico CH3COOH è uno dei membri più piccoli della famiglia acidi carbossilici ed è un acido debole contenuto nell'aceto.

-Il saccarosio che è il  comune zucchero da tavola ha formula C₁₂H₂₂O₁₁. Fa parte della serie di composti complessivamente indicati come zuccheri, glucidi o carboidrati. Questa classe di sostanze molto comuni comprende tre grosse famiglie: i monosaccaridi come il glucosio o il fruttosio, i disaccaridi come il lattosio e il saccarosio (composti da due monosaccaridi legati tra loro), i polisaccaridi  come l’amido  e la cellulosa (composti da un gran numero di monosaccaridi legati tra loro). Il saccarosio, in particolare, contiene glucosio e fruttosio perciò è un disaccaride. Viene ottenuto dalla barbabietola da zucchero o dalla canna da zucchero.

Fanno parte della chimica organica anche le cosiddette biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici

Rivedi la lezione in video:

La velocità delle reazioni

Ogni reazione ha la sua velocità: esistono reazioni lente come la formazione della ruggine, e reazioni veloci come quelle esplosive. In ogni caso la velocità è definita come il rapporto tra la variazione della quantità di un reagente o di prodotto e il tempo impiegato per la variazione.

Diversi fattori influenzano la velocità di reazione e sono illustrati in questo video:

https://www.youtube.com/watch?v=6a4G85J4R7Y

Catalizzatori

I catalizzatori sono materiali che aumentano la velocità di una reazione senza parteciparvi direttamente, ma abbassando l'energia di attivazione. Diversi metalli nobili come l'oro, argento e il platino trovano applicazione come catalizzatori nei processi industriali. Il platino viene utilizzato anche nelle marmitte catalitiche delle auto dove catalizza la reazione di ossidazione delle componenti più nocive dei gas di scarico: idrocarburi incombusti, monossido di carbonio e ossidi di azoto.
Il ruolo dei catalizzatori è essenziale anche nei processi biologici. La maggior parte delle reazioni che avvengono negli organismi viventi sono catalizzate da particolari proteine dette enzimi. Senza di essi la velocità delle reazioni non sarebbe sufficiente. Per esempio l'enzima lattasi è quello che permette la digestione del latte perché consente di separare il disaccaride lattosio in galattosio e glucosio. L'enzima è localizzato sulla parete intestinale e quando manca o è in quantità insufficiente si manifesta l'intolleranza al lattosio Per le persone che hanno questo problema esiste in commercio il latte HD (High Digestibility) in cui il latte viene pretrattato per decomporre il lattosio.