I.T.I. “B. Focaccia” Via Monticelli, 1 – Salerno
Olimpiadi della Scienza
Premio Green Scuola
VII edizione - a.s. 2011-2012
Terzo classificato
Estratto per la Cerimonia di Premiazione
Roma, 29 gennaio 2013
Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca
Sviluppo sostenibile: un concetto antico
“Non abbiamo ereditato il mondo dai nostri padri,
l’abbiamo preso in prestito dai nostri figli”
Popolo Cherokee
Lo sviluppo sostenibile oggi
La “sostenibilità” dello sviluppo è stata definita nel rapporto
Brundtland (1987) delle Nazioni Unite come:
”Uno sviluppo in grado di soddisfare i bisogni della
presente generazione senza compromettere la capacità
delle generazioni future di soddisfare i propri”
In occasione della Conferenza di Rio de
Janeiro (1992) su ambiente e sviluppo, la
comunità internazionale ha riconosciuto,
per la prima volta, la necessità di individuare
azioni da avviare nella direzione dello
sviluppo sostenibile.
Agenda 21
“Programma di
azione", scaturito dalla
Conferenza ONU di
Rio de Janeiro (1992),
che costituisce una
sorta di manuale per lo
sviluppo sostenibile del
pianeta in vista del 21°
secolo.
Un piano da realizzare su scala globale,
nazionale e locale.
Piani nazionali
La realizzazione degli obiettivi
previsti in Agenda 21 è stata
recepita dai vari stati sottoscriventi
attraverso piani nazionali, che
prevedono interventi nei settori
produttivi quali l’industria,
l’agricoltura ed il turismo, nelle
infrastrutture di base (energia e
trasporti) e nel settore dei rifiuti.
Sostenibilità della ricerca scientifica
Anche la scienza è stata chiamata a
fare la sua parte, e ogni paese si è
organizzato attraverso delle
Piattaforme Tecnologiche Nazionali,
che hanno il compito di predisporre
un’agenda per la ricerca, pubblica e
privata, che risponda a esigenze di
sostenibilità.
Green Chemistry: un approccio etico allo
sviluppo industriale
La “Green Chemistry” è un nuovo approccio tecnologico nato
negli USA nei primi anni ’90 che oggi costituisce, anche in
Europa, uno strumento fondamentale per conseguire uno
sviluppo sostenibile.
Applica 12 principi innovativi (Anastas e Warner, 1998) nella
progettazione di processi chimici industriali, puntando
all’eliminazione o alla riduzione dell'uso e della produzione di
sostanze nocive per l'ambiente o per la salute e al risparmio
energetico.
Possibili applicazioni della Green Chemistry
 il miglioramento delle condizioni di reazione per vecchie
sintesi (es. sostituzione di un solvente organico con acqua o
eliminazione del solvente)
 nuove sintesi per materiali già noti (es. sintesi che usino
biomasse anziché materiali di origine petrolchimica)
 sintesi di nuove sostanze meno tossiche ma con le stesse
proprietà desiderabili di sostanze esistenti (es. un nuovo
insetticida che sia tossico in maniera selettiva verso alcuni
organismi e sia biodegradabile formando sostanze non
pericolose per l' ambiente)
Sintesi in emulsione acquosa del polistirene
atattico. Un’applicazione di Green Chemistry
La polimerizzazione in emulsione acquosa dello
stirene, che abbiamo realizzato in laboratorio,
si configura come un esempio di applicazione
della Green Chemistry, poiché comporta un
miglioramento delle condizioni del processo di
reazione, rispetto alle altre tecniche. L’impiego
dell’acqua come solvente è solo uno degli
aspetti green……
…..gli altri li valuteremo dopo una breve
descrizione delle tecniche di
polimerizzazione impiegate nei processi
industriali.
Polistirene
Il polistirene è un polimero di addizione ottenuto per
polimerizzazione radicalica vinilica dello stirene.
H
H
CH2 CH
n
Polimerizzazione
radicalica vinilica
H
polistirene
stirene
CH2 CH
CH2 CH
CH2 CH
CH2 CH
CH2 CH
La polimerizzazione di addizione radicalica
La reazione a catena avviene in tre stadi:
1)
2)
3)
Stadio d’inizio
Stadio di propagazione
Stadio di terminazione
La reazione necessita di un iniziatore radicalico (perossido
o persolfato), che si decompone per dare origine a specie
radicaliche che possono iniziare la catena.
Polimerizzazione in massa 1/2
Condotta in assenza di solventi. Il sistema di reazione è
formato solo dal monomero e dall’iniziatore e l’iniziatore è
solubile nel monomero
XO. = iniziatore radicalico
H
H
.
XO
stirene
H
H
H
H
n
.
XO
H
H
.
CH2 CH
CH2 CH
H
XO
H
H
.
.
XO
XO
H
H
n
polistirene
H
H
CH2 CH
H
n
H
H
.
XO
Polimerizzazione in massa 2/2
VANTAGGI
Questa tecnica richiede il numero minimo di reagenti necessari per
l’ottenimento del polimero, infatti non si usano solventi o mezzi disperdenti
SVANTAGGI
 Durante la crescita della catena il monomero viene inglobato fisicamente
nel polimero e non può più reagire (bassa resa)
 Prima della lavorazione, il polimero ottenuto deve essere ulteriormente
processato per allontanare il monomero che non ha reagito (purificazione)
 Viscosità elevata
 Reazione molto esotermica (problemi di scambio termico)
 Svantaggioso da un punto di vista economico
 Dannoso da un punto di vista dell’impatto ambientale ( lo stirene è tossico!)
 Polimero ramificato e di lunghezze diverse
Polimerizzazione in emulsione acquosa
Si definisce emulsione una sospensione colloidale stabile formata da
un liquido immiscibile, disperso e trattenuto in un altro liquido grazie
ad emulsionanti o tensioattivi (saponi).
Il sistema di reazione è formato da:
 Monomero
 Mezzo disperdente polare (acqua)
 Iniziatore (solubile in acqua e insolubile nel monomero)
 Tensioattivo
VANTAGGI → viscosità ridotta; efficace controllo della temperatura;
alta velocità di polimerizzazione e contemporaneamente
alto grado di polimerizzazione
SVANTAGGI → eliminazione del tensioattivo
Polimerizzazione in emulsione dello stirene 1/5
In questa tecnica il tensioattivo dodecilbenzensolfonato di sodio viene
aggiunto all’acqua, fino a raggiungere il valore della concentrazione
micellare critica (CMC), cioè quel valore della concentrazione al di sopra
della quale le molecole di sapone si aggregano formando micelle della
dimensione di circa 10-100 Å.
In questi aggregati, che possono avere
forme diverse, le molecole di sapone
espongono la testa polare verso l’acqua e
la coda apolare verso il centro della
micella.
H2O
H3C
O
S
O
-
+
O Na
Polimerizzazione in emulsione dello stirene 2/5
CH2
Successivamente, si aggiunge
lo stirene monomero,
insolubile nel solvente di
reazione, che andrà a
sistemarsi all’interno delle
micelle.
H2O
CH2
CH2
CH2
CH2
Polimerizzazione in emulsione dello stirene 3/5
O
+
K O
-
S
O
O
O
S
O
80°C
O
-
2
+
O K
+ -
K O
S
O
O
H2O
L’iniziatore radicalico
persolfato di potassio può così
essere aggiunto al sistema di
reazione, che viene riscaldato
fino a 80°C per determinare la
scissione omolitica del legame
perossidico e la formazione
dei radicali iniziatori di catena
O
80°C
O
+
K O
-
S
O
CH2
O
O
O
S
+
-
O K
O
O
+ -
K O
S
O
O
CH2
CH2
O
+ -
K O
S
O
O
Polimerizzazione in emulsione dello stirene 4/5
L'iniziatore è insolubile nel monomero e quindi ha una bassissima
probabilità di entrare nella micella.
Questa probabilità è bassa ma non nulla!
La reazione di inizio, e quindi la
reazione di polimerizzazione, parte
nel momento in cui una molecola di
iniziatore migra all'interno di una
micella e reagisce con una molecola
di monomero.
In media si ha un radicale polimerico
per micella (una catena in crescita
per ogni micella) e proprio per
questo motivo la reazione di
terminazione per accoppiamento tra
catene radicaliche è sfavorita, come
le altre.
H2O
80°C
O
+ -
O
+ -
K O
S
K O
S
CH2
O
O
O
CH2
CH2
O
+ -
K O
S
O
O
O
Polimerizzazione in emulsione dello stirene 5/5
VANTAGGI
Il monomero nel nano-reattore non ha “concorrenti”, la reazione terminerà in
ogni micella quando tutto il monomero contenuto avrà reagito
(resa prossima al 100%!).
H2O
Data la dimensione delle micelle e
la presenza, in media, di un’unica
catena polimerica per micella, il
polimero ottenuto risulta molto
omogeneo e può essere processato
(stampato, colorato…) senza
ulteriori purificazioni o
trattamenti.
Perché la polimerizzazione dello stirene in emulsione
rientra nei “principi” della Green Chemistry?
 E’ una polimerizzazione in acqua
 Il reagente più inquinante, lo stirene, viene
completamente trasformato in polimero e non è quindi
presente nei prodotti di scarto
 Il polimero, così come ottenuto, non deve
essere ulteriormente processato ma può
essere trasformato direttamente nel
prodotto finale (piatti, contenitori, oggetti
vari…).
Prodotto di reazione
Il polimero ottenuto mediante
polimerizzazione in emulsione ha
un aspetto cristallino, bianco e
granulare
Il polimero ottenuto mediante
polimerizzazione in massa si
presenta come un aggregato
solido
Campione fornito dalla dott.ssa Lucia
Caporaso dell’Università di Salerno
Caratterizzazione prodotto di reazione
CH2 CH
n
Sintetizziamo
il polistirene!!!!
CH2 CH
n
……In
Laboratorio…..