La chimica dei fuochi d'artificio

La notte dell'ultimo dell'anno il cielo è rischiarato dai colori e dalle luci dei fuochi d'artificio, mentre il suono delle esplosioni risuona nel silenzio; sicuramente uno spettacolo tanto familiare a tutti noi quanto magnifico. 

Una questione di chimica!

La combustione della polvere nera

Alla base della chimica dei giochi pirotecnici c'è una reazione apparentemente molto banale: la combustione.

Tutti hanno presente la combustione della legna nel caminetto acceso, ma forse non si pensa che anche la notte di capodanno si assiste a centinaia di incredibili combustioni nei cieli delle nostre città

Non sono legna e ossigeno i protagonisti, ma la cosiddetta polvere nera.

La polvere nera, o polvere pirica, è una miscela di tre principali componenti:

• Nitrato di Potassio (KNO3) per il 74.65%

• Carbone vegetale per il 13.50%

• Zolfo per l'11.85%

La combustione di questa miscela produce tutta una serie di specie gassose come ossigeno, idrogeno, il carbonato di potassio, il solfato di potassio, il solfuro di potassio, il carbonato di ammonio, il biossido di carbonio (o anidride carbonica), il monossido di carbonio, la cui veloce espansione all'interno del cilindro in cui avviene la combustione provoca l'esplosione che lascia in ogni direzione i materiali luminosi, creando quindi i vari giochi di forme e colori.

Una grande differenza con una classica combustione sta nell'assenza dell'Ossigeno O2 come comburente: è infatti la polvere stessa, in particolare il nitrato di potassio, a fornire l'ossigeno necessario alla reazione.

Variando le percentuali dei suoi componenti è inoltre possibile variare la velocità con cui avviene la combustione.

Luci, colori e suoni

Uno dei primissimi esperimenti che uno studente di chimica impara a conoscere è il saggio alla fiamma, uno di quegli esperimenti che vengono spesso riproposti anche nei vari eventi divulgativi perché molto semplice da realizzare e di grande impatto visivo.

Quello che avviene è che diversi metalli, sia tal quali che in forma di sali, danno una diversa colorazione alla fiamma di un becco bunsen, questo a causa della loro diversa conformazione elettronica.

Sfruttando questo principio, chi crea i fuochi d'artificio mescola alla polvere diversi sali per ottenere i colori desiderati: nitrato di bario per una colorazione rossa, sali di rame per il verde e l'azzurro, il sodio per il giallo, i sali di calcio per l'arancione, sali di potassio per una colorazione violetta e così via, miscelandoli fra loro per ottenere diverse sfumature ed effetti pirotecnici.

Un altro trucco è quello di aggiungere solfuro di antimonio per avere una luce intensa ed abbagliante.

Infine anche il suono non viene trascurato: alcuni acidi organici, come l'acido gallico o l'acido pirico, quando bruciano hanno la caratteristica di emettere un suono particolarmente forte. Il botto finale, quello che chiude lo spettacolo lasciando tutti un po' più sordi, dipende da loro.

Per approfondire:

• http://www.asspi.it/
• https://www.chimica-online.it/laboratorio/saggi-fiamma.htm
• http://antincendio-italia.it/il-processo-di-combustione/

Matto come un cappellaio: il Mercurio e Lewis Carroll

Alice aveva sbirciato da sopra la spalla del Leprotto Marzolino con una certa curiosità. 

«Che buffo orologio!» osservò. «Dice qual è il giorno del mese, ma non dice l'ora!»

«Perché dovrebbe?» brontolò il Cappellaio. «Forse che il tuo orologio ti dice in che anno siamo?»

«No, naturalmente» rispose Alice con prontezza; «ma è perché ci sta tanto a lungo dentro lo stesso anno».

«E questo è esattamente il caso del mio orologio» disse il Cappellaio.

Alice era terribilmente perplessa. Non c'era alcun dubbio che il Cappellaio parlasse la sua stessa lingua, eppure quel discorso non aveva per lei alcun senso.

[Le Avventure di Alice nel Paese delle Meraviglie - Lewis Carroll]

Sicuramente il capolavoro di Lewis Carroll ha bisogno di poche presentazioni: fra il film di animazione Disney, il più recente di Tim Burton e svariati altri film per la tv, tutti conosciamo Alice, lo Stregatto, la Regina di Cuori e, naturalmente, il Cappellaio Matto.
Un personaggio che ha sempre lasciato il segno nei cuori dei lettori e degli spettatori, tanto da essere diventato ben più famoso della protagonista Alice e praticamente il simbolo del Paese delle Meraviglie, con la sua tuba altissima, le frasi sconnesse e la mania tutta sua per tè e orologi.
Matto come un cappellaio tra l'altro, è una frase di uso comune e lo era ancora di più nell'ottocento, l'epoca in cui Charles Dodgson, vero nome di Lewis Carroll, scriveva il suo iconico romanzo, questo perché la pazzia era, possiamo dire, una malattia professionale per i cappellai dell'epoca, che soffrivano di moltissimi sintomi psichici e fisici dovuti proprio alle sostanze chimiche usate per fabbricare i cappelli di feltro così di moda in epoca vittoriana.

Il Mercurio: un metallo magico

Prima di tutto c'è da parlare di lui: il Mercurio.

Simbolo Alchemico
del Mercurio

Questo elemento ha sempre esercitato un grande fascino sugli uomini: è un metallo dalla brillantezza simile all'argento, ma è liquido a temperatura ambiente, cosa che non accade per nessun altro metallo pesante.
Fin dall'antichità gli si attribuivano quindi proprietà magiche, si riteneva che allungasse la vita, che curasse le fratture e che conservasse la salute.
Dal nome indù del Mercurio deriva la parola alchimia e in questa pratica a metà fra la scienza e la magia il Mercurio giocava un ruolo fondamentale: rappresentava infatti l'anima (dove invece lo zolfo era lo spirito e il sale la materia) ed era considerato uno degli elementi originari da cui discendevano acqua, fuoco, terra e aria.
Nel Medioevo, inoltre, era associato agli Unicorni, creature mitiche simbolo di purezza.
Oggi sappiamo invece che il Mercurio, il cui simbolo è Hg, fa parte dei metalli di transizione (si trova cioè nella parte centrale della Tavola Periodica), ha numero atomico 80, che è l'unico metallo a essere liquido a temperatura ambiente e che è fortemente tossico, soprattutto sotto forma di metilmercurio [CH3Hg]+.

I cappellai dai capelli arancioni

Fabbricare un cappello nell'ottocento era un lavoro lungo e certosino: prima di tutto si sceglieva la pelliccia di un piccolo animale, spesso si optava per le lepri perché erano di facile reperimento e non costavano molto, dopo di che si passava alla fase detta di carotatura, cioè si immergeva la pelliccia in una soluzione arancione di nitrato di mercurio la quale faceva staccare il pelo dalla pelle, e le donava una particolare resistenza ed impermeabilità. 

Se avete visto il film di Tim Burton Alice in Wonderland sicuramente ricorderete che Johnny Depp, interprete del Cappellaio, ha una bizzarra capigliatura arancione. 

Questo non è del tutto frutto della fantasia del regista, infatti accadeva spesso che i cappellai provassero i cappelli sulle loro teste prima che fossero foderati con raso o seta, perciò il nitrato di mercurio usato per la carotatura veniva a contatto con le loro teste e i loro capelli che, col tempo, a volte assumevano proprio una colorazione arancione.

Avvelenamento da mercurio: la sindrome del cappellaio matto

La pazzia dei cappellai è stata una questione molto studiata fin dalla fine dell'ottocento.

Già nel 1938 apparve chiaro come i colpevoli per i sintomi sperimentati dei cappellai, quali tremori, cambiamenti nel comportamento e riflessi esagerati, fossero causati dall'inalazione dei vapori di Mercurio a cui erano esposti a causa della loro professione.

Il Mercurio elementare veniva assorbito tramite la pelle e i polmoni ed entrava in circolo nel sistema vascolare, da cui riusciva facilmente a raggiungere il cervello. 

Qui si accumulava, causando ingenti danni alle cellule nervose: il Mercurio attacca e disattiva, infatti, dei composti contenenti zolfo all'interno delle cellule, questo provoca a sua volta una disattivazione dei mitocondri, organelli cellulari indispensabili affinché la cellula possa produrre energia e funzionare correttamente; così danneggiata, infine, la cellula cerebrale si distrugge, provocando grandissimi danni al sistema nervoso del povero cappellaio che sperimenta cambiamenti di umore e di personalità, tremori, depressione e molti altri sintomi che identificano l'avvelenamento cronico da Mercurio.

Una sindrome così caratteristica e diffusa da aver ispirato uno dei personaggi più iconici della letteratura, ma che nella realtà ha determinato una quantità incredibile di danni per decenni, fino a che la moda non è cambiata e, soprattutto, la ricerca scientifica non ha fatto luce su un elemento tanto affascinante quanto pericoloso come il Mercurio.

Bibliografia:

• Alice nel paese delle meraviglie di Lewis Carroll, Feltrinelli ed.
• http://www.disegnailcentro.it/antropologia/i-3-principi-alchemici/
• VanPatten, Peg, "The Mad Hatter Mercury Mystery" (2002).Wrack Lines. 24. http://digitalcommons.uconn.edu/wracklines/24
• Neal, P.A., Jones, R.R., 1938. Chronic mercurialism in the hatters’ fur cutting industry. JAMA 110, 337–343.
• Feldman, R.G., 1982. Neurological manifestations of mercury intoxication. Occupational neurology. Acta Neurol. Scand. 66 (Suppl. 92), 201–209.

Vedere le molecole: filosofia, stregoneria, sogni e computer

A scuola, più o meno tutti quanti abbiamo osservato al microscopio le cellule di cipolla, o magari di sangue. Qualcuno avrà visto anche qualche batterio.

Ma le molecole? Qualcuno le ha mai viste? Gli atomi si possono osservare al microscopio?

Al contrario di quanto avviene per le cellule che, per quanto microscopiche, possono essere osservate piuttosto bene anche utilizzando un microscopio non troppo sofisticato, gli atomi e le molecole sono davvero troppo piccoli per essere visti, persino con il più fantasmagorico dei microscopi.
Questo è stato un gran bel problema per moltissimi secoli, infatti, mentre la fisica era una scienza studiata già dagli antichi greci (basti pensare al Principio di Archimede) e la Biologia fiorì con i primi passi della microscopia all'inizio del 1800, la Chimica e i chimici sono dovuti andare sempre un po' a tentoni, passando dalla teoria filosofica all'antro dell'alchimista.

Prima vennero i Greci

Il primo in assoluto a parlare di atomi fu il filosofo greco Democrito.

Secondo lui l'intera realtà era costituita da particelle minuscole, indivisibili, che differiscono fra loro solo in quanto a grandezza, forma, ordine e posizione, in moto perpetuo fra di loro; proprio questo moto, che porta le particelle a unirsi e a separarsi, è all'origine della nascita, della morte e di tutte le trasformazioni correlate alla vita.

Democrito

Democrito chiama queste particelle Atomi, che vuol dire proprio "particelle indivisibili". Le teorie di Democrito si discostano da quelli che erano i pensieri ricorrenti nella Grecia del tempo, basati maggiormente su concetti più metafisici, e perla prima volta parla di qualcosa di concreto, di misurabile (e su questo tornerà, secoli dopo, un certo Galileo Galilei) e si spinge a dire che persino l'anima non è composta d'altro che da atomi leggerissimi, sottilissimi e lisci.

Il povero Democrito non ebbe molto successo, però, e la sua teoria degli Atomi rimase praticamente inutilizzata fino a tempi molto più moderni.

Chi invece riscosse grande consenso fu Aristotele, che affermava come ogni cosa fosse formata da quattro elementi principali: acqua, fuoco, terra ed aria.

Questa teoria ha avuto talmente successo che tempo dopo un altro filosofo, Empedocle, vi contribuì moltissimo.

Secondo Empedocle la nascita, la morte, la vita in genere, avviene perché c'è una mescolanza e una separazione costante di sostanze che lui individua essere proprio le quattro di cui aveva parlato Aristotele.

Insomma, nessuno ci credeva a questi fantomatici atomi di cui aveva parlato Democrito, d'altro canto nessuno li aveva mai visti!

Gli alchimisti, la chimica e la Pietra Filosofale

Di Alchimia si potrebbe parlare per giorni interi e si potrebbero scrivere tomi lungi migliaia di pagine. L'origine di questa pratica a metà fra la scienza e la magia è antichissima, ma non è certo se provenga dall'antico Egitto o addirittura dal mondo Islamico. Anche in Cina, seppur con metodi e fini molto diversi che si intersecano con la medicina tradizionale, si ritrovano tracce di Alchimia.

"Alchimista" di David Teniers il giovane  

In Europa si diffonde nel Medioevo grazie al contatto con il mondo Islamico e gli Arabi in particolare , riprende il concetto dei quattro elementi (aria, terra, acqua e fuoco) e lo amplia, mischiando occultismo con i primi esperimenti di natura più strettamente chimica. 

Il principale fine degli Alchimisti era la trasmutazione dei Metalli in Oro, in particolare del Piombo, oltre che, naturalmente, la ricerca della mitica Pietra Filosofale, un artefatto che avrebbe dato l'immortalità al suo possessore.

Non è facile distinguere fra processi in qualche modo scientifici e credenze mistiche, perché per gli alchimisti non c'era una vera e propria differenza fra le due cose, perciò troviamo, nella lista dei simboli alchemici, accanto a draghi ed unicorni, anche il mercurio.

Il sogno di Kekulè

Nonostante la chimica vera e propria nasca nel 1700 e la fisica sia una scienza molto molto più antica, di atomi e molecole ancora si parlava con qualche dubbio, soprattutto fra i fisici. 

Ci furono i primi modelli atomici all'inizio del 1900, per tentare di dare una qualche spiegazione della struttura dell'atomo, come quello "a panettone" di Thomson, quello "a planetario" di Rutherford e soprattutto l'atomo di Bohr, quello che (non sempre e con moltissime modifiche) si usa ancora oggi nelle spiegazioni di base.

Modelli atomici (da sinistra) di Thomson, di Rutherford e di Bohr

C'era stato anche qualcuno che aveva provato, soprattutto nella chimica organica, a fare delle ipotesi sulla forma e la struttura delle molecole. 

Uno di questi e probabilmente il più importante di tutti fu il chimico tedesco Friedrich August Kekulé che propose la struttura esagonale del Benzene nel 1865.

La struttura del Benzene e il serpente di Kekulé

Inizialmente Kekulé non volle dire a nessuno e fu solo 25 anni dopo, sotto l'insistenza di amici e colleghi, raccontò come l'incredibile intuizione gli fosse venuta in sogno, quando, addormentatosi davanti al fuoco, sognò un serpente che si mordeva la coda.

Una storia senza dubbio affascinante e un modo alquanto insolito per sopperire al problema delle molecole non visibili a occhio nudo, ma nel 1984 alcuni studiosi dell'università di Chicago scoprirono che Kekulé, pur essendo un brillante chimico, non era proprio quel che si dice un uomo onesto.

Infatti non fu per pudore che tacque per 25 anni, ma perché la sua incredibile intuizione arrivò dopo che quella stessa struttura esagonale era stata già proposta ben 12 anni prima di Kekulé da un chimico francese di nome Auguste Laurent.

Ciechi dalle mani sensibili

Il problema con le molecole è che la lunghezza d'onda del fotone, la particella che compone la luce e che è anche un'onda, è troppo grande rispetto alle distanze che esistono fra gli atomi, per questo è impossibile vedere una molecola a occhio nudo (o con un normale microscopio ottico). 

Appurato che Democrito aveva ragione e che gli elementi sono molto più di quattro, si è quindi fatto ricorso all'immaginazione, se vogliamo chiamarla così, per cercare di capire come fosse fatto un atomo e quale fosse la struttura di tutte le molecole che ci circondano. 

Se per quanto riguarda il singolo atomo, per il momento, non possiamo che affidarci ancora alla teoria, per le molecole fortunatamente abbiamo sviluppato qualche arma in più.

Nel 1895 il fisico Wilhelm Conrad (premio Nobel nel 1901) scoprì i Raggi X. Grazie all'avanzamento di questa tecnica è possibile fare una sorta di "fotografia" di un cristallo, analizzando in quale modo ogni atomo del reticolo cristallino devia la radiazione elettromagnetica. Uno schermo fotografico o, più modernamente, un rilevatore, capta questa radiazione deviata e, tramite degli algoritmi matematici, elabora una struttura del cristallo, posizionando ogni atomo al proprio posto.

Esempio di struttura ottenuta ai Raggi X

Il grande limite di questa tecnica, però, è che la sostanza che si vuole conoscere deve essere cristallina e purtroppo moltissime molecole organiche non lo sono.

Uno strumento utilissimo e usato massicciamente dai chimici organici di tutto il mondo è la Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), che utilizza i nuclei degli atomi (principalmente quelli di Idrogeno e di Carbonio) come dei piccoli magneti che vengono influenzati da un magnete più grande in modo diverso a seconda degli atomi che sono lì intorno. I primi a sfruttare queste proprietà dei nuclei per studiare la struttura molecolare furono Felix Bloch dell'Università di Stanford ed Edward Purcell dell'Università di Harvard, due fisici, nel 1946.

In realtà non è proprio corretto dire che questa tecnica permette di vedere le molecole, perché quello che si ottiene non assomiglia per niente all'immagine che abbiamo di una molecola, ma imparando a interpretare i dati è possibile ricostruire la struttura anche di sostanze sconosciute. 

D'altronde anche con i Raggi X si ottiene una serie di numeri che poi è un computer (o, qualche anno fa, l'abilità dell'uomo) a trasformare in una struttura.

Esempio di Spettro NMR

Un mio professore, a questo proposito, diceva (citando Primo Levi) che i chimici sono come dei ciechi, incapaci di vedere, ma con mani sensibili che permettono di individuare, anche nel buio, la forma delle cose.

Per Appofondire:

• https://www.lsgalilei.org/lavori/Hypertesto/atomismo_dem.htm
• http://www.treccani.it/enciclopedia/alchimia/
• "Diffrazione dei raggi X dai materiali policristallini" di Daniele Mazza
• "Metodi spettroscopici in chimica Organica" di M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh