L’IMPORTANZA DELLA CHIMICA
NEL MONDO MODERNO
ITIS “Tullio Buzzi” PRATO
Certamente non sono molti coloro che, pur
essendo attorniati in ogni istante della giornata
da ciò che la chimica offre in molteplici varietà ed
in abbondante quantità, riconoscono il
sostanziale contributo portato da questa scienza
all'evoluzione ed al progresso dell'uomo.
La chimica rimane ancora per la maggioranza
delle persone una scienza strana ed indefinita,
legata a sfuocate immagini di solitari scienziati,
intenti a mettere a punto, in laboratori inaccessibili, misteriose invenzioni, lontane dalla realtà
quotidiana.
Benché i giornali pubblichino con sempre maggiore frequenza annunci di nuove prestigiose
scoperte nel campo della chimica, si è ancora
spesso propensi a credere che queste siano
frutto di eventi casuali, piuttosto che di duro lavoro fisico e mentale, e ad assimilare la figura dello
scienziato a quella di un prestigiatore che, al
posto delle bianche colombe, estrae dal cappello
nuovi prodotti chimici.
Il prodigioso sviluppo della chimica
risiede nel fatto che nel suo raggio di
azione rientrano tutti quei fenomeni
che intervengono direttamente a mutare le caratteristiche e le proprietà
di alcuni prodotti per ottenerne altri
di natura e struttura completamente
diverse : basti pensare che materie
plastiche, elastomeri, fibre sintetiche,
fertilizzanti, prodotti farmaceutici,
coloranti, ecc. sono ricavati, attraverso successive trasformazioni
chimiche da petrolio, aria, acqua
carbone, ecc.
La chimica ha strappato alla natura i
segreti più profondi e, donandoli
all'umanità, ha offerto ad essa la
possibilità di una esistenza sempre
migliore.
Se Talete poteva affermare che « tutto è acqua », oggi il suo detto può
essere parafrasato con uno più valido: «tutto è chimica».
Diventa pertanto impossibile elencare tutti gli oggetti della chimica che fanno parte
della nostra vita quotidiana. Qui sotto ne riportiamo alcuni.
La plastica
A centotrenta anni dall’invenzione della celluloide, a quasi settanta dalla comparsa delle
prime calze in nylon, la plastica, nelle sue sconfinate declinazioni, è diventata
protagonista della nostra epoca.
Gli additivi alimentari
A volte non pensiamo all’indispensabile contributo della chimica al cibo che
consumiamo.
Le fibre artificiali e sintetiche
Sono fibre tessili fatte dall’uomo che, per produrle, utilizza composti esistenti in
natura come la cellulosa, il petrolio, l’acqua, l’azoto e altri elementi in piccole dosi.
I detergenti
Come potremmo gestire l’igiene delle nostre case se non esistessero i detergenti?
I cosmetici
Ogni giorno milioni di uomini e donne si lavano, si truccano, si curano il corpo e i
capelli, dedicando sempre più tempo alla cura della propria persona.
Pitture, vernici, inchiostri, adesivi
Pitture e vernici, inchiostri e adesivi sono presenti nella vita di ogni giorno
ma, “nascosti” come sono in ogni manufatto, e a volte non sono percepiti con
sufficiente evidenza dal grande pubblico.
E tanta altra chimica per la nostra vita
I prodotti della chimica per la nostra vita sono spesso incorporati nella stragrande
maggioranza degli oggetti a noi familiari: televisori, telefoni cellulari, elettrodomestici.
TANTO CHE : E’ POSSIBILE VIVERE SENZA CHIMICA ?
Si possono tracciare alcune linee distintive nella storia della
chimica industriale:
 la grande industria inorganica
nata dalla rivoluzione industriale
 l'industria chimica organica dei
prodotti "fini" (fine chemicals)
 il rinnovamento delle tecnologie
di sintesi, con la ricerca di
condizioni di reazione estreme
 l'affermarsi dell'industria
organica pesante dei nostri
giorni
 il moderno affermarsi di
tecniche sintetiche legate alle
biotecnologie
Origini e sviluppo dell'industria chimica (1750 - 1900)
 Il settore dell'industria chimica
che per primo realizzò una
produzione economicamente
cospicua fu quello degli alcali.
Esso giunse a maturità
tecnologica negli ultimi decenni
dell'Ottocento.
 Per tutto l'Ottocento con il termine
"industria degli alcali" si intendeva
un sistema di produzioni diverse,
che comprendeva soda, soda
caustica e, in modo del tutto
improprio, acido solforico.
L'industria degli alcali si pose al
servizio di altri settori: in primo
luogo il settore tessile, trainante
dell'intera rivoluzione industriale,
poi quelli del sapone, del vetro,
della carta
LA SODA LEBLANC
Nel 1775 l’Accademia delle Scienze di Parigi
aveva offerto un ingente premio in danaro per
chi fosse riuscito ad ottenere la soda dal
salmarino. Nicolas Leblanc modificò alcuni
procedimenti noti, producendo soda Na2CO3 ,
ma sversando nell’ambiente acido cloridrico
gassoso e solfuro di calcio solido. Sorse così il
primo sistema industriale chimico. Il metodo
della soda Leblanc rimase sostanzialmente
invariato fino al 1863, quando per una
singolare coincidenza esso si trovò sottoposto
ad una duplice pressione: economica e
politica. La prima veniva dalla proposta di un
processo alternativo da parte del belga Ernest
Solvay, la seconda era costituita dalla prima
legge anti-inquinamento inglese, la Alkali Act.
LA SODA SOLVAY
Il tecnico belga Ernest Solvay aveva
notato casualmente che se in una soluzione
di sale, saturata con ammoniaca veniva fatta
gorgogliare anidride carbonica, si otteneva
un precipitato di bicarbonato di sodio.
Da questo per riscaldamento si otteneva
facilmente la soda. Il metodo nella pratica
aveva posto problemi di ingegneria che
erano stati risolti con la messa a punto di
una speciale torre di carbonatazione.
La Société Solvay et Cie fu fondata nel
1863
Da quel momento la concorrenza fra i due
processi divenne spietata, anche se, già
nel 1912, quando fu costruito lo stabilimento di Rosignano, il processo Leblanc era
quasi del tutto abbandonato.
I coloranti sintetici (1850 - 1950) La nascita di una nuova
industria: Perkin e la porpora d'anilina
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Nel 1855 il diciassettenne William Henry
Perkin, entrato nel Royal College of Chemistry;
gli fu affidato il compito di ricercare una
possibile sintesi della chinina, una sostanza
vegetale impiegata nella cura della malaria. Nel
suo laboratorio, Perkin prese alla lettera le
indicazioni ricevute, seguendo la via di ossidare
una serie di ammine aromatiche; si imbatté più
volte in precipitati di incerta composizione, ma
di spiccata colorazione.
Perkin accentrò il suo interesse sui risultati
della reazione fra dicromato potassico e anilina.
Il giovanissimo ricercatore si convinse subito
delle ottime capacità tintorie del nuovo
prodotto, e ne sottopose un campione
all'attenzione di Pullar, titolare di una grande
tintoria di Perth. Ottenutane una risposta
positiva (12 giugno 1856), depositò il 26 agosto
1856 il brevetto del nuovo colorante, la porpora
di anilina o mauveina. Il nuovo colorante non
dava risultati soddisfacenti con il cotone e solo
quando Perkin usò l‘ acido tannico come
mordente riuscì a ottenere delle stoffe di cotone
commerciabili. A questo punto il successo fu
immenso, immortalato nella leggenda dalla
comparsa della regina Vittoria all'Esposizione
Universale del 1862 interamente vestita in
mauve, secondo il nome francese del colorante
L'industria farmaceutica (1850 1950) I nuovi farmaci l’aspirina e
gli antibiotici
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L'uso dell‘ acido salicilico come
febbrifugo e antireumatico era stato
spinto con vigore da Hermann Kolbe,
che ne aveva realizzato la sintesi nel
1853, ma la sua azione irritante sul
sistema digestivo ne aveva limitato
l'impiego. Felix Hoffmann, sintetizzò
l'estere acetilico dell‘ acido salicilico
che non aveva effetti collaterali
importanti ; fu messo in commercio
dalla Bayer nel 1899, sotto il nome
commerciale di aspirina .
Il batteriologo inglese Alexander
Fleming aveva osservato nel 1928
che una muffa blu aveva parzialmente
invaso una capsula Petri e aveva
causato tutto intorno a sé una lisi delle
colonie preesistenti di stafilococchi.
Fleming aveva provato sperimentalmente che il Penicillum notatum
produceva una sostanza (incognita e
allora non isolata) con proprietà
antibatteriche, e non tossica per gli
animali.
Formula di struttura dell'acido acetilsalicilico
Formula chimica della penicillina
La fissazione dell'azoto
La sintesi dell’ammoniaca 1902-1930
L’azoto, presente nell’aria, è alla base di molte industrie, come quella degli esplosivi, agli inizi del XX° secolo, si riuscì
a fissarlo con un processo che usava : metano, acqua e aria : la sintesi dell’ ammoniaca. La BASF, partendo dal
metodo Haber-Bosch, produsse ammoniaca sintetica e solfato d' ammonio. Georges Claude, Luigi Casale e Giacomo
Fauser misero a punto degli impianti ad alta pressione , fino a 1000 Atm., che miglioravano il processo Haber-Bosch.
Dall’ ammoniaca si ottenne poi l’ acido nitrico
Il petrolio e le materie plastiche
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Le vicende dell‘ industria petrolifera e di quella chimica rimasero a lungo separate. Fino ai primi anni del XX
secolo le raffinerie di petrolio avevano il compito esclusivo di distillare il greggio per separare le varie frazioni di
idrocarburi e commercializzarle per i diversi usi. Dopo la fine della seconda guerra mondiale la formazione di un
nuovo mercato e la crescente domanda di intermedi chimici, potò ad un’inversione di tendenza, si passò dal
"tutto dal carbone" al "tutto dal petrolio".
il cracking catalitico, già usato dagli anni venti, fu ancora migliorato dal punto di vista della produzione di
combustibili, con l'introduzione dei catalizzatori zeolitici (1965). Il cracking termico invece permise una svolta
radicale nei rifornimenti di materie prime all'industria chimica, e dette un impeto violento alla produzione di
materie plastiche.
I primi materiali plastici
1870 - 1970
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Negli Stati Uniti era stato offerto un premio di 10.000 $ per chi avesse trovato un
materiale sostitutivo dell'avorio, per la fabbricazione delle palle da biliardo. John Hyatt
puntò a vincere il premio e, fra le varie sostanze prese in considerazione, studiò la
nitrocellulosa; egli scoprì che la soluzione di canfora in etanolo era un solvente perfetto
e un plastificante ideale della nitrocellulosa. Nel 1872 Hyatt mise in commercio i primi
articoli di celluloide, una soluzione solida di nitrocellulosa e canfora ; malgrado
l'estrema infiammabilità, l'eccellente stabilità dimensionale della celluloide la rese
insostituibile nei lavori fotografici di precisione, fin quando fu sostituita nel secondo
dopoguerra dal triacetato di cellulosa, molto meno infiammabile.
Un secondo materiale plastico destinato a una lunghissima vita sul mercato fu ottenuto
da Leo Hendrik Baekeland
Con la reazione fra fenolo e formaldeide in presenza di alcali aveva ottenuto un
materiale resinoso che una volta riscaldato diventava duro, insolubile e non più fusibile.
Il nuovo materiale era un ottimo isolante; il materiale era termoindurente,era nata la
bachelite
PVC, polietilene e polipropilene
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La prima sintesi del cloruro di vinile risale alle ricerche giovanili di Henri Regnault nel 1835, Il polimero era
instabile e solo nel 1930 nei laboratori di Ludwigshafen la sintesi del PVC, con la polimerizzazione in
emulsione, dette dei buoni risultati e lanciò questo polimero verso la commercializzazione come materiale
adatto agli usi più svariati.
Anche la nascita del polietilene è abbastanza recente : nel dicembre del 1935 l'etilene fu fatto polimerizzare,
con l'ottenimento di 8 g di polimero. Uno sviluppo imprevisto venne dalle ricerche di Karl Ziegler, che nel
1953 stava cercando di sintetizzare derivati tri-alchilici superiori dell'alluminio scaldando i termini inferiori con
etilene, quando si imbatté in un risultato sorprendente: la dimerizzazione completa dell'etilene in butilene.
Seguendo questa traccia, Ziegler scoprì che il tetracloruro di titanio favoriva la formazione di alti polimeri
lineari dell'etilene in condizioni di temperatura e pressione assai blande. Era l'inizio di una vera rivoluzione,
non solo per il nuovo processo di sintesi del polietilene (Höchst, 1955), ma laboratorio milanese di Giulio
Natta, che da tempo era in contatto con Ziegler attraverso la mediazione della Montecatini. Natta estese la
reazione di Ziegler al propilene, scoprendo un'intera nuova classe di polimeri, e spiegandone le eccezionali
proprietà attraverso una precisa indagine strutturale. La Montecatini cominciò la produzione commerciale del
polipropilene nel 1957. Nel 1962 la produzione mondiale del polietilene ad alta densità di Ziegler e del
polipropilene di Natta raggiungeva le 250.000 t; l'anno successivo i due scienziati ricevettero congiuntamente
il premio Nobel per la chimica.
La Scoperta dei microrganismi: nascita delle
biotecnologie innovative
•
Pasteur tra il 1857 e il 1876 studiò la produzione della birra e i microrganismi che la
permettono. Per questo viene considerato il padre della biotecnologia. Inoltre,
individuò i batteri responsabili della fermentazione del latte e del burro, i microbi
responsabili delle alterazioni della birra e del vino.
Pasteur creò un vaccino per la rabbia, selezionando dei mutanti del virus della rabbia
che hanno perso la virulenza rispetto all'uomo. Questa è una tecnica che anticipa la
biotecnologia moderna , basata sull'ingegneria genetica.Nel 1878 vengono scoperti i
componenti delle cellule di lievito e vengono chiamati "enzimi".
Le biotecnologie sono tutte quelle tecnologie che usano organismi
viventi, o parti di essi allo scopo di produrre quantità commerciali di
prodotti utili all'uomo, di migliorare piante ed animali o sviluppare
microrganismi utili per usi specifici.
Molte persone pensano che le biotecnologie sono nate solo negli ultimi
tempi, ma in realtà esistono da migliaia di anni...
Nascita dell'ingegneria genetica
•
Griffith è il padre dell’ingegneria
genetica. Si deve a lui la scoperta
che i batteri, attraverso un processo
definito trasformazione batterica,
possono acquisire, riconoscere e
mantenere materiale ereditario
esterno, derivante da altri batteri.
Egli non sapeva che il materiale
ereditario era costituito da DNA.
Saranno Avery, MacLeod e
McCarthy nel 1944 a fare tale
scoperta.
Nel 1953 Watson e Crick scoprono il
modo di duplicarsi del DNA.
L’avvento delle tecnologie del DNA
ricombinante o ingegneria genetica
segna una linea di demarcazione fra
biotecnologie tradizionali e
biotecnologie innovative,
caratterizzate dal cambiamento
mirato di attività di organismi ottenute
modificandone il patrimonio genetico.
Questo porta alle innumerevoli
scoperte recenti: le piante
transgeniche, gli animali modificati, la
clonazione (prima con la pecora Dolly
e poi in seguito persino con una
mucca, e negli ultimi tempi anche
quella umana), la mappatura del
genoma umano.
LA CHIMICA OLTRE IL LUOGO COMUNE
I PROGRESSI DELLA CHIMICA IN ITALIA DAL DOPOGUERRA A OGGI
I MATERIALI
•
INTRODUZIONE
I materiali costituiscono un aspetto primario della nostra vita quotidiana,
probabilmente molto di più di quanto normalmente si consideri. I
trasporti, le telecomunicazioni, gli ambienti domestici, il tempo libero,
l'alimentazione, sono tutti settori fortemente influenzati dalla qualità, dai
costi e dalla disponibilità dei materiali.
Molte delle sofisticate tecnologie che rendono oggi la vita quotidiana più
confortevole sono state rese possibili dalla disponibilità di materiali
adatti: gli enormi progressi nell'elettronica sono anche il frutto della
disponibilità di materiali semiconduttori, per la fabbricazione dei
microchips.
Aeroplani e satelliti sono realizzati con materiali leggeri e resistenti
(leghe metalliche, materiali compositi).
Gli ingegneri operanti nei diversi settori della meccanica, dell'ingegneria
civile, dell'elettronica ed elettrotecnica, della chimica e della fisica
devono tutti, più o meno, affrontare di frequente problemi legati al
comportamento dei manufatti. Conoscere in maniera più approfondita le
diverse CLASSI di materiali con cui tali manufatti possono essere
realizzati, rappresenta, quindi, un valido passaporto per qualsiasi settore
del mondo professionale della scienza e dell'ingegneria.
Le classi di materiali
• Secondo criteri puramente scientifici, i
materiali solidi si possono distinguere in
METALLI, CERAMICI o POLIMERICI,
secondo la loro struttura atomica.
• La moderna tecnologia consente di
aggiungere un paio di ulteriori famiglie
che si sommano a quelle predisposte
dalla natura: i MATERIALI COMPOSITI
ed i SEMICONDUTTORI.
• Osservando l'ampio panorama dei
materiali utilizzati nelle varie applicazioni
della vita quotidiana e degli impieghi
industriali scopriamo inoltre che di fatto si
sono radicate ancora tante altre
suddivisioni che riguardano i MATERIALI
CEMENTIZI, i TESSUTI, i VETRI, i
NANOMATERIALI
I POLIMERI
I MATERIALI METALLICI
metalli puri e innumerevoli leghe metalliche sono protagonisti di
un’ampia gamma di campi di impiego
Materiali ceramici e vetri
I biomateriali
Materiali per lo sport
I Leganti
I Nanomateriali