Come lavare i denti a un elefante: i mille usi dell'acqua ossigenata

No, non è la nuova frontiera della protezione animali, ma il "dentifricio dell'elefante" è semplicemente il nome che viene dato alla spettacolare reazione chimica che si ottiene facendo decomporre il perossido di idrogeno in presenza di ioduro di potassio come catalizzatore.

Questa è una reazione che viene spesso usata a scuola con i bambini a causa della sua evidente spettacolarità, ma è anche molto interessante per i chimici perchè è un esempio pratico di come si possa rendere velocissimo un processo che normalmente è lentissimo. 

Ma partiamo dall'inizio e dal principale protagonista di questa reazione: il perossido di idrogeno.

Perossido di idrogeno a.k.a. Acqua Ossigenata

Comunemente chiamata Acqua Ossigenata, ha formula chimica H2O2 (non dissimile dall'acqua normale che invece è H2O) ed è un liquido trasparente e vischioso, che a volte se molto concentrato apparre azzurrino. Può essere apparentemente confuso con l'acqua, ma le sue proprietà sono estremamente diverse. 

Struttura del perossidodi idrogeno

Una delle caratteristiche principali è la sua capacità di comportarsi sia da ossidante (cioè che acquista elettroni) che da riducente (cioè che perde elettroni), inoltre si decompone liberando ossigeno ed è anche lievemente acido. 

Queste molte proprietà hanno fatto sì che gli usi dell'acqua ossigenata sia nell'industria che nel quotidiano siano molteplici: poichè è un ottimo sbiancante viene adoperato nell'industria tessile e per sbiancare la carta, viene utilizzato per la produzione di gomme e altri polimeri, inoltre possiede proprietà disinfettanti perciò viene usato anche per questo scopo per piccole ferite. 

L'acqua ossigenata che si trova in vendita non è molto concentrata, in genere non si supera mai il 20% in volume, ed infatti non è pericolosa se si viene a contatto con essa, anche se bisogna comunque stare attenti a non ingerirla o a non schizzarla sugli occhi. 

Soluzioni più concentrate, anche al 50% sono vendute in negozi specializzati come sbiancanti, e in quel caso si consiglia sempre di usare dei guanti.

Velivolo sperimentale X15

Uno degli utilizzi più impensabili è quello come propulsore per razzi. Come si è detto, la decomposizione del perossido di idrogeno produce ossigeno gassoso. Esattamente come per la reazione del dentifricio per elefanti, mettendo nel motore del razzo un catalizzatore che fa in modo che questa decomposizione avvenga molto velocemente, si sviluppa una quantità enormemente elevata di energia, tanto da funzionare come propulsore.

Reazione di dissociazione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno

Siete investigatori in erba? Non temete, novelli Sherlock Holmes, fra gli usi più singolari dell'acqua ossigenata c'è quello investigativo.
Il perossido di idrogeno, infatti, è usato dalla polizia scientifica per trovare le tracce di sangue, anche invisibili, sulla scena del crimine, grazie a una soluzione di acqua ossigenata e una sostanza chiamata luminol.

Struttura del luminol

Queste due sostanze chimiche reagiscono fra loro dando come risultato una luminescenza che è possibile individuare tramite speciali lampade a raggi UV. Questa reazione, però, per poter avvenire ha bisogno di un catalizzatore e il Ferro presente nell'emoglobina del sangue ha proprio questa funzione.

Luminol

Acqua ossigenata e la chimica verde

Ottenere l'acqua ossigenata non è facile e il principale processo di sintesi passa da una molecola chiamata antrachinone. Il problema principale di questo processo è che avvenire ha bisogno di un catalizzatore metallico al Palladio e perciò la reazione non è sostenibile nè economicamente nè ecologicamente.

Un altro metodo deriva dalla reazione diretta fra Ossigeno e Idrogeno, ma il pericolo principale deriva dall'esplosività di queste due molecole messe a contatto.

La ricerca di una via alternativa per la produzione di acqua ossigenata (come abbiamovisto una importantissima sostanza chimica con moltissimi usi anche industriali) è sempre stata una priorità per molti.

Ci siamo riusciti in Italia, al CNR in collaborazione con l'Università di Trieste. Un team coordinato dal Prof. Fornasiero, che ha detto: “Negli ultimi anni, team di ricercatori di diversi Paesi si sono concentrati per trovare un processo ecologico per la sintesi di H2O2. Recentemente, l’interesse si è focalizzato su un metodo che sfrutta idrogeno e ossigeno, cioè i due costituenti atomici della molecola".

I ricercatori hanno quindi sviluppato un catalizzatore basato su un nuovo nanomateriale simile al grafene, cioè formato da soli atomi di carbonio, che a differenza di altri materiali del genere usati precedentemente, è altamente selettivo ed efficiente e richiede una quantità di energia moderata.

Il processo si basa su una reazione elettrolitica, cioè una reazione chimica che avviene grazie all'impiego di energia elettrica, e fino a questo momento l'elettricità impiegata per far reagire Idrogeno e Ossigeno era moltissima. Il nanomateriale scoperto dai ricercatori funge quindi da elettrodo per catalizzare la reazione e incrementare la produzione di H2O2.

Fornasiero ha quindi concluso:  “Visto il costo e l’impatto ecologico per la sintesi del perossido di idrogeno, il nostro metodo potrebbe favorire una produzione più sostenibile e più economica, poiché eviterebbe l’attuale uso del palladio, metallo piuttosto costoso. In questo modo il composto potrebbe essere usato efficacemente anche per la rimozione di agenti inquinanti delle acque, perché non rilascia residui chimici nocivi, ed essere più diffuso quale disinfettante in ambito sanitario nelle aree economicamente più svantaggiate, quali l’Africa”.

Sicuramente un ottimo esempio di come la chimica può e deve guardare a nuovi modi per essere più efficiente e più green.

Fonti:

• https://curiosity.com/topics/the-mercury-13-should-have-been-the-first-women-in-space-curiosity/
•  www.chimica-online.it
• https://etd.adm.unipi.it/theses/available/etd-01312007-160037/unrestricted/capitolo1.PDF
• http://crimemagazine.citv.it/parola-investigatore/luminol-come-funziona-quando-si-usa/
• https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/8023/un-metodo-piu-economico-e-pulito-per-produrre-acqua-ossigenata
• IGLESIAS, Daniel, et al. N-Doped Graphitized Carbon Nanohorns as a Forefront Electrocatalyst in Highly Selective O2 Reduction to H2O2. Chem, 2018, 4.1: 106-123.