La chimica dei colori: il blu

 Benvenuti su La chimica dei colori.
Dopo una introduzione in cui vi ho parlato di come si definiscono i colori e dello spettro della luce visibile, veniamo ad argomenti probabilmente più interessanti e pratici e al primo approfondimento su un colore in particolare: il blu.

Definizione di blu

Il blu è uno dei colori percepibili dall’uomo, appartenente pertanto allo spettro del visibile, situato a circa 470 nm fra il ciano e il violetto.

Nella pittura è sempre stato considerato un colore primario, ma secondo la moderna teoria dei colori questo non è corretto, essendo i colori primari il ciano, il magenta e il giallo.

È un colore storicamente molto apprezzato, in particolare dagli antichi Egizi, ma anche dai pittori medievali nonostante fosse molto difficile da reperire e pertanto riservato alla raffigurazione di Cristo o della Vergine, come simbolo di purezza e divinità.

Non era invece molto popolare fra Gregi e Romani, in quanto veniva associato al colore azzurro degli occhi dei barbari.

Un piccolo excursus: coloranti, pigmenti e lacche

Prima di lanciarci nella storia di questo colore, è utile dare qualche definizione che ci aiuti a capire la differenza fra i diversi tipi di sostante colorate utilizzate dall’uomo.


I pigmenti sono generalmente i più comuni, in particolare se si parla di arte pittorica. Sono chiamati anche “terre” in quanto sono costituiti da polveri di varia natura (più spesso di origine minerale) insolubili nel mezzo in cui sono utilizzate, che vengono applicate tramite dispersione meccanica.


I coloranti invece sono sostanze organiche (possono essere sia naturali che di sintesi) solubili in un solvente. Essi si legano direttamente alle molecole dell’oggetto da colorare (ad esempio un tessuto) e impartiscono una colorazione stabile non solo superficiale ma su tutta la massa.


Le lacche, infine, sono pigmenti ottenuti rendendo insolubili dei coloranti, o precipitandoli come sali insolubili di cationi metallici o, a seconda della natura del colorante, facendoli reagire con poliacidi complessi.

Il blu: un colore difficile da trovare

Nell’antichità il grande problema del blu fu la sua reperibilità. La fonte principale per il pigmento blu fu il Lapislazzulo, i cui giacimenti si trovavano dove ora sorge il moderno Afganistan, o il più abbondante minerale Azzurrite, un carbonato di rame che però presentava dei problemi di stabilità.

Lapislazzulo

 

La vera svolta avvenne nell’Antico Egitto, grazie a quello che è passato alla storia come Blu Egizio, quello che può essere considerato il primo pigmento di sintesi della storia.

La sua formula chimica è (CaCuSi4O10) e la sua produzione iniziò più di 5200 anni fa e fu conosciuto anche da Greci e Romani e persino in Mesopotamia.

Manufatto dipinto con il Blu Egizio

La sua sintesi partiva da materiali facilmente accessibili come il limo, la sabbia e minerali quali azzurrite o malachite, ma non sappiamo come questa produzione fu iniziata e perfezionata fino ad arrivare al prodotto che è giunto fino a noi, sappiamo però che per oltre 4000 anni la sua composizione è rimasta invariata e che quindi si può presumere che gli antichi egizi arrivarono ben presto alla formula definitiva. In ogni caso la sintesi di questo pigmento comportava anche l’aggiunta di additivi come sale o cenere di papiro, e un controllo costante della temperatura, che doveva mantenersi sempre fra gli 800° C e i 900° C, e considerando che all’epoca non si disponevano di strumenti per misurarla come i termometri, non doveva essere affatto un compito facile.

Simile al Blu Egizio è quello che viene chiamato Han Blu, un pigmento rinvenuto in Cina e che presenta con il più famoso fratello occidentale, una struttura chimica che differisce unicamente per la presenza del Bario (Ba) al posto del Calcio (Ca).

Generico MCuSi4O10

Dopo la caduta dell'Impero Romano, il Blu Egizio praticamente scomparve dall’arte, fino ai tempi moderni dove è stato riscoperto dagli archeologi e riprodotto in laboratorio dai chimici.

Più che per le sue doti artistiche, però, questo pigmento è oggi studiato per le sue caratteristiche chimico-fisiche molto interessanti: la sua struttura cristallina particolare fa sì che riesca ad assorbire radiazioni infrarosse.

Una frase del genere potrebbe non voler dire nulla a chi non è del mestiere, ma in realtà è una caratteristica importantissima e che può portare a moltissime applicazioni in vari campi.

Il primo e più comune è quello sempre crescente della diagnostica dei beni culturali, cioè quella scienza che si occupa di esaminare opere d’arte o reperti archeologici per stabilirne le caratteristiche, la provenienza, l’epoca storica o per valutarne l’autenticità. Naturalmente questo lavoro è molto delicato e la ricerca di metodi che riescano a trarre molte informazioni senza che l’oggetto in esame venga rovinato è sempre aperta. Fortuna vuole che questo antico pigmento, così comune in reperti di epoca egizia sia visibile a strumenti che emettono radiazioni Infrarosse e che quindi possa essere riconosciuto facilmente e senza andare ad intaccare in alcun modo l’oggetto.

L’assorbimento di radiazione IR, comunque, è una porta aperta anche sul mondo delle comunicazioni e delle tecnologie ad esse legate, e lo studio del pigmento Blu Egizio si muove anche in quella direzione, chissà se fra qualche anno non avremo fibre ottiche o computers fatti proprio di questo materiale!

Il blu nei secoli

Come ho detto, dopo la caduta dell’Impero Romano, del Blu Egizio si perde ogni traccia. Durante il Medioevo il blu diventa un colore estremamente raro e l’unica fonte era rappresentata dall’Acquamarina, un minerale molto prezioso. Nel Rinascimento pertanto il blu divenne simbolo di purezza associato al mantello della Vergine Maria, o di divinità associato alla figura di Cristo.

Bisogna aspettare il 1704 prima di avere un primo pigmento di sintesi, il cosiddetto Blu di Prussia: venne scoperto casualmente da Diesbach che stava tentando di sintetizzare un pigmento rosso utilizzando sali di potassio e alcali. Questo è un sale di Ferro, per la precisione un ferrocianuro ferrico, ed è utilizzato spesso nei saggi per la determinazione della presenza di cianuro o come chelante nel trattamento di avvelenamento da metalli pesanti. È il colore nazionale francese ed era usato per colorare le uniformi degli eserciti napoleonici.

Blu di Prussia

Grandissima importanza storicamente ha avuto il Cobalto per la produzione di pigmenti blu sintetici, in combinazione di ossido con alluminio, fosforo, zinco e altri materiali per dare una grande varietà di sfumature.

Indigofera Tinctoria

Infine è impossibile non nominare l’Indaco: non è un pigmento, ma un colorante estratto dalla pianta Indigofera Tinctoria; all’interno di questa pianta vi è il precursore dell’indaco, l’indacano, il quale viene privato del glucosio tramite un enzima e infine ossidato all’aria per dare l’indaco. La tintura della stoffa si ha pertanto immergendola in una soluzione di indacano ed enzima (che è incolore o leggermente giallina) e lasciandola poi asciugare all’aria. I tessuti tinti con questo colorante, grazie proprio al metodo usato, non tendono a scolorire come quelli tinti con altri coloranti.

 

Bluetiful

Dopo la sintesi del Blu Cobalto (1802) sono passati più di 200 anni prima che si sintetizzasse una nuova tonalità di blu: l’YInMn Blue (Y=Ittrio ; In=Indio; Mn=Manganese).

Noto anche come Mas Blue, è un pigmento inorganico blu scoperto per caso dallo studente Andrew Smith nel laboratorio del professor Mas Subramanian presso l'Università statale dell'Oregon nel 2009. Smith stava effettuando degli esperimenti per ottenere una fibra ad alta conducibilità elettrica mediante ossidi di Ittrio, Manganese e Indio. Dopo averli messi in forno a quasi 1200° F (circa 649°C) ottenne un impasto che non aveva le proprietà richieste, ma che era di colore blu brillante e che rifletteva in modo insolito la radiazione IR.

YInMn Blue o Mas Blue

Questo nuovo pigmento era inoltre privo di tossicità (a differenza del blu cobalto o del blu di prussia), incredibilmente stabile e la sua capacità di riflettere l’infrarosso lo faceva essere meno soggetto a riscaldamento e quindi adatto a essere usato come vernice per automobili o nel restauro dei dipinti.

Dopo la scoperta, è stato aperto al pubblico un concorso per poter stabilire un nome commerciale di questa nuova tonalità e alla fine l’azienda di pennarelli Crayola, nel 2017, lo ha finalmente commercializzato con il nome vincitore: Bluetiful.

 

 

Bibliografia:

• Berke, Heinz. "Chemistry in ancient times: the development of blue and purple pigments." Angewandte Chemie International Edition 41.14 (2002): 2483-2487.

• J.R. Barnett et al. / Optics & Laser Technology 38 (2006) 445–453

• Philip McCouat, "Egyptian blue: the colour of technology", www.artinsociety.com

• Accorsi, Gianluca, et al. "The exceptional near-infrared luminescence properties of cuprorivaite (Egyptian blue)." Chemical Communications 23 (2009): 3392-3394.

• García-Fernández, Pablo, Miguel Moreno, and José Antonio Aramburu. "Origin of the exotic blue color of copper-containing historical pigments." Inorganic chemistry 54.1 (2014): 192-199.

• http://www.artspecialday.com/9art/2017/05/20/la-scoperta-yinmn-blue/

• https://it.wikipedia.org/wiki/YInMn_Blue

La Tavola Periodica degli Elementi: 150 anni e non sentirli

Che vincere la materia è comprenderla, e comprendere la materia è necessario per comprendere l'universo e noi stessi: e che quindi il Sistema Periodico di Mendeleev, che proprio in quelle settimane imparavamo laboriosamente a dipanare, era una poesia, più alta e più solenne di tutte le poesie digerite in liceo: a pensarci bene, aveva perfino le rime!

[Primo Levi - Il Sistema Periodico] 

Il 2019 sarà, secondo l'UNESCO, l'anno internazionale della Tavola Periodica, strumento importantissimo, incubo degli studenti e, incredibilmente, fenomeno pop che ha avuto, negli anni, innumerevoli rivisitazioni, da quella in tema Star Wars a quella dedicata alla birra.
Eppure è un'invenzione piuttosto recente: solo 150 anni da quando il chimico russo Dimitri Ivanovich Mendeleev la presentò ufficialmente alla Russian Chemical Society, con solo 63 elementi e un sacco di spazi vuoti che aspettavano di essere riempiti.

Le Affinità Elettive

Nel XVIII secolo i primi tentativi di dare ordine agli elementi chimici si basavano più che altro sulla loro reattività e su una serie di coincidenze matematiche.

Le Tavole di affinità, molto diffuse all'epoca, ordinavano gli elementi che reagivano fra loro in liste verticali: elementi con maggiore affinità fra loro venivano posti sulla parte alta della tavola, mentre elementi con affinità minore, e che quindi reagivano meno fra loro, venivano posizionati in basso.

Nonostante non riuscissero a essere realmente efficaci, né tantomeno predittive, rimasero così popolari che prendendo spunto dal principio di affinità lo scrittore tedesco Goethe scrisse uno dei suoi romanzi più belli e famosi: Le Affinità Elettive.

All'inizio dell'800 molti chimici, invece, notarono che era possibile raggruppare in gruppi gli elementi in base a operazioni matematiche:  il chimico tedesco Wolfgang Döbereiner notò come prendendo tre elementi (Litio, Sodio, Potassio ad esempio) il peso atomico di quello centrale era la media aritmetica del peso atomico degli altri due.

Altri superarono questo concetto cercando di organizzare gli elementi in veri e propri sistemi periodici fino a Julius Lothar Meyer che possiamo considerare il precursore di Mendeleev: Meyer aveva notato che, se si tracciava un grafico dei volumi atomici degli elementi in funzione dei pesi atomici, si otteneva una serie di onde che formavano vertici appuntiti in corrispondenza dei metalli alcalini (sodio, potassio, rubidio e cesio). La distanza tra due vertici consecutivi corrispondeva a un periodo della tavola degli elementi e in ogni periodo, oltre al volume atomico, subiva un'oscillazione anche un certo numero di altre proprietà fisiche. 

Un sistema che guarda al futuro

La grande idea venne a Mendeleev mentre sistemava le sue carte per la stesura di un libro di testo, Principi di Chimica. Preparò quindi 63 tavole, una per ogni elemento allora conosciuto, in cui elencava tutte le sue caratteristiche e proprietà, ma quando li ordinò per numero atomico crescente si accorse che queste proprietà non erano casuali, ma seguivano un certo ordine, ripetendosi periodicamente.

La Tavola Periodica originale di Mendeleev

C'è un motivo per cui, fra tutti i tentativi di dare ordine fra gli elementi chimici, quello di Mendeleev è stato il più importante e "definitivo": non si limitò, infatti, a ordinarli in ordine di numero atomico crescente, ma lasciò degli spazi vuoti, spazi per nuovi elementi ancora da scoprire, di cui fu in grado di prevedere numero atomico e proprietà chimico-fisiche con sorprendente accuratezza.

Sta qui la genialità la bellezza della Tavola Periodica ideata da Mendeleev.

Pochi anni dopo la presentazione ufficiale, furono scoperti tre nuovi elementi, Scandio Gallio e Germanio, le cui proprietà erano incredibilmente simili a quelle ipotizzate da Mendeleev.

Dal 1869 a oggi

Dopo lo Scandio, il Gallio e il Germanio, fra il 1885 e il 1890 si aggiunse alla Tavola Periodica una colonna a destra: erano i Gas Nobili (Elio, Neon, Argon e Radon). 

Lo sviluppo della meccanica quantistica rese evidente che ogni riga (periodo) corrispondeva al riempimento di livelli energetici che condividevano il numero quantico principale.

Minerale di Uranio

Nel 1905, Alfred Werner propose un modello esteso di tavola periodica su 32 colonne, in cui i lantanidi, gli attinidi e gli elementi di transizione erano inseriti fra il 2º e il 3º gruppo di Mendeleev.  Paul Pfeiffer nel 1920, tornò a una tavola a 18 colonne, come si rappresenta tuttora, mettendo i lantanidi e gli attinidi su di un unico rigo sottostante.

Poi fu la volta del Plutonio, sintetizzato nel 1943 dal chimico statunitense Glenn Seaborg, che ricevette per questo (e per il suo lavoro sulla teoria degli orbitali f) il premio Nobel.

L'ultimo degli elementi presente in natura è il Californio, di numero atomico 98, rinvenuto in piccolissime tracce dovute al decadimento radioattivo dell'Uranio, tuttavia la Tavola Periodica continua e nel 2016 sono stati ufficialmente inseriti dalla IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) il Nihonio, il Moscovio, il Tennesso e l’Oganesson (numero atomico 113, 115, 117 e 118), anche se di questi elementi non si conoscono le proprietà che potrebbero essere molto diverse da quelle prevedibili, a causa di effetti relativistici. 

L'ultimo elemento di cui si conoscono le proprietà chimico-fisiche è l'Hassio, con numero atomico 108, sintetizzato per la prima volta nel 1984 da un gruppo di ricerca tedesco. 

Verso l'infinito e oltre

Nel 1911 si ipotizzò che elementi con numero atomico superiore a 100 non potessero esistere. Naturalmente ora sappiamo che questo non è vero, ma il dibattito sul limite della Tavola Periodica è ancora aperto: il fisico Richard Feynman sosteneva che elementi con numero atomico 173 non potessero esistere poiché il loro primo elettrone si sarebbe mosso a una velocità superiore a quella della luce, ma oggi non tutti sono d'accordo. In ogni caso non si prevede di arrivare a sintetizzare elementi con quel numero atomico tanto presto.

Una cosa sola è certa: in 150 anni di storia la Tavola Periodica degli Elementi si è elevata da semplice strumento utile agli scienziati nei loro calcoli ed è diventata un vero e proprio fenomeno pop, un'immagine subito riconoscibile e radicata nell'immaginario collettivo anche di chi alla scienza non si è mai avvicinato.

Un bel traguardo per una tabella fatta solo di lettere e numeri!

Per approfondire:

• http://www.periodictable.com/
• http://www.tavolaperiodica.unicam.it/sviluppo.html
• http://www.rsc.org/news-events/features/2019/jan/finding-the-periodic-table/?utm_content=8-Jan-2019&utm_source=facebook&utm_medium=social&utm_campaign=mkt-dir-news
• https://iupac.org/
• RSCPublishing – Extended elements: new periodic table – DOI: 10.1039/c0cp01575j

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.

Un atomo pieno di atomi

Cosa c'è dentro un atomo? Di solito niente, ma questa risposta non deve essere piaciuta ai ricercatori delle Università di Vienna e di Harvard che hanno pensato bene di creare un atomo così grande da poter essere riempito con altri atomi.

L'Atomo di Rydberg

Immaginiamo l'atomo come una sorta di piccolo (piccolissimo) sistema solare in cui al centro al posto del sole vi è un nucleo formato da neutroni (particelle neutre) e protoni (particelle di carica positiva) e al posto dei pianeti che vi orbitano intorno ci sono gli elettroni (particelle negative). 

Naturalmente la realtà è molto più complicaa di così e richiede complessi calcoli matematici, ma per molte cose questa semplificazione è ancora oggi efficace.

Ad ogni orbita corrisponde un numero da 1 a infinito, chiamato numero quantico la cui importanza è fondamentale poichè ci fornisce informazioni specifiche sull'energia e la forma di un determinato atomo e un determinato elettrone.

Quando si fornisce una certa quantità di energia a un atomo, l'elettrone salta da un livello (cioè un'orbita) a un'altro superiore, con un numero quantico più alto, e questo atomo si dice perciò eccitato.

Normalmente i salti che un elettrone può compiere non sono particolarmente lunghi, ma utilizzando particolari tecniche e solo in alcune condizioni, gli scienziati sono riusciti a creare un atomo eccitato con un numero quantico principale molto alto, tanto che l'elettrone si trova ad orbitare anche a molte centinaia nanometri di distanza dal nucleo, cioè più di mille volte superiore al raggio di un atomo di Idrogeno.

A questo "super atomo" è stato dato il nome di Atomo di Rydberg, in onore del fisico che per primo ha descritto le lunghezze d'onda degli spettri luminosi dell'Idrogeno.

Il condensato di Bose-Einstein: un'altro stato della materia

Nella meccanica quantistica le particelle piccolissime come gli atomi sono definite anche come onde e queste onde (chiamate armoniche sferiche) possono avere una forma diversa a seconda dell'energia dell'atomo, che è continuamente in vibrazione. A temperature più alte la vibrazione e quindi l'energia dell'atomo sarà maggiore che a basse temperature.

Si prenda ora per esempio l'isotopo 23 del Sodio (cioè un atomo di Sodio con 23 neutroni) che è un isotopo bosonico, e per questo motivo gli atomi di Sodio possono avere tutti la stessa energia e la stessa funzione d'onda che li descrive, cosa che in altre condizioni sarebbe impossibile.

Il Sodio viene riscaldato fino a diventare un gas e fatto passare attraverso un foro minuscolo, fino a raggiungere la temperatura di 9000 Kelvin (più di 8700°C). Gli atomi di sodio così caldi si muovono a una velocità altissima, circa 1000 metri al secondo, e si trovano a un'energia elevatissima tanto che vanno raffreddati. Per fare questo si usano dei laser che, grazie a una serie di processi, riescono a raffreddare gli atomi di Sodio fino a una temperatura di 0.0000024 Kelvin.

A questo punto, questi atomi vengono intrappolati all'interno di un campo magnetico, in cui si avranno gli atomi più caldi in alto e quelli più freddi in basso. Passo dopo passo questa trappola magnetica raffredda ulteriormente gli atomi fino alla temperatura più bassa che è possibile raggiungere in un laboratorio, ovvero  0.000000001 Kelvin (la temperatura di 0 Kelvin, detta zero assoluto, è impossibile da raggiungere).

A temperature così basse quasi il 100% degli atomi di Sodio esistono allo stato fondamentale, cioè al livello più basso di energia possibile per un atomo e questo è possibile per il sodio proprio perchè è un atomo bosonico, come si diceva all'inizio.

Il condensato di Bose-Einstein è proprio questo stato in cui tutti gli atomi sono al livello più basso di energia ed è considerato uno stato della materia vero e proprio, esattamente come lo stato solido, liquido e gassoso.

Polarone di Rydberg: un atomo che mangia tutti gli altri

Ora, sia gli atomi di Rydberg che i condensati di Bose-Einstein sono concetti ben radicati nella fisica moderna, perciò gli scienziati hanno deciso di unirli.

In questo esperimento hanno creato un condensato di BE usando atomi di Stronzio, quindi, con un laser, ne hanno eccitato uno per creare un Atomo di Rydberg.

Il risultato è stato quello di avere un elettrone che orbita intorno a se stesso e a migliaia di altri atomi di Stronzio, inglobati in questa sorta di super atomo gigantesco che hanno chiamato Polarone di Rydberg. La cosa interessante è che poichè gli atomi non hanno carica elettrica, esercitano solo una forza minima sull'elettrone e quindi non ne distruggono l'orbita, perciò l'energia globale di tutto il sistema è minore di quella che si avrebbe se gli atomi di Stronzio non fossero intrappolati, ed il legame fra l'Atomo di Rydberg gigante e gli atomi all'interno è permesso.

Questa situazione è possibile però solo a temperature vicine allo zero assoluto, perchè a temperature più alte l'energia degli atomi è maggiore e il legame si rompe, distruggendo il polarone.

Anche questa particolare struttura è un nuovo stato della materia, chiamato stato esotico.

Potrebbe sembrare solo un giochino dei fisici, ma in realtà è una ricerca estremamente importante che permetterà di studiare la fisica degli atomi ultrafreddi, scoprire nuove proprietà della materia e, chissà , a portare anche a nuove applicazioni pratiche che potrebbero rivoluzionare la nostra vita di tutti i giorni. Basta solo aspettare e vedere.

Bibliografia:

• https://www.nature.com/articles/nature12592
• https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125643/
• https://steemit.com/steemstem/@physics.benjamin/the-coldest-place-in-the-universe-is-in-our-physics-laboratories-the-bose-einstein-condensate

Bianco Natale: la chimica della neve

Il Natale si avvicina e mentre siamo tutti impegnati con regali, panettoni e preparativi vari, anche il freddo è arrivato definitivamente e in moltissimi luoghi della Terra è caduta la neve.

Bellissima, silenziosa e bianca, è uno spettacolo fantastico e un piacere osservarla venire giù dal cielo, magari con una bella tazza di té e un buon libro. Ma cos'è esattamente la neve? Perché è bianca? Come si forma?

 

C'era una volta una nuvola

Tutti sanno che le nuvole non sono altro che milioni di goccioline d'acqua in sospensione nelle parti più alte dell'atmosfera, acqua che deriva da svariate fonti come fiumi, laghi, mari, ma non solo. Questo enorme nuvolone però non contiene solo ed unicamente acqua, ma anche minuscole particelle di polvere (il cosiddetto pulviscolo atmosferico), vapore e ghiaccio, tutti lì a scontrarsi fra loro.

Quando la temperatura è sufficientemente bassa, ecco che uno dei granelli di pulviscolo fa da nucleo di condensazione, cioè richiama su di sé tutte le goccioline di acqua e vapore, ingrandendosi sempre di più e solidificandosi in un cristallo di ghiaccio.

Dovete immaginare un enorme movimento caotico di gocce d'acqua che vanno da una parte all'altra, finché non vengono "catturate" e imprigionate in quello che sarà il futuro fiocco di neve. 

Man mano che la temperatura si abbassa ancora, questo movimento diventa sempre più lento, e infine ogni molecola d'acqua si trova bloccata al vertice di un tetraedro.

L'acqua (composta da Ossigeno in rosso e Idrogeno in blu) si dispone ai vertici di un tetraedro

La particolare forma delle molecole d'acqua (il cui angolo è di 109° allo stato solido e di 104.5° allo stato liquido) fa sì che i tetraedri si dispongano a formare una struttura esagonale tridimensionale composta da vari strati.

A questo punto tutto dipende dalle condizioni atmosferiche di temperatura e umidità che il fiocco di neve incontra nel suo viaggio dalla nuvola al suolo e che sono responsabili delle infinite varietà di forme che possiamo ammirare al microscopio e da cui nasce il detto secondo cui non esistono due fiocchi di neve uguali fra loro.

Naturalmente se, precipitando verso il suolo, il fiocco  incontra una pressione e una umidità maggiore, la struttura esagonale originaria sarà maggiormente modificata, diventando più aghiforme e più complessa, mentre se nel percorso le sollecitazioni atmosferiche sono limitate, anche le modifiche apportate all'esagono saranno poche e quindi sarà possibile vedere chiaramente la forma primigenia del fiocco di neve.

Una piccola curiosità: alcuni ricercatori inglesi sono riusciti a far crescere fiocchi di neve dalla forma pentagonale. Come hanno fatto? Su una superficie di Rame, a una temperatura di -173°C e in condizioni di vuoto.

Giochi di luce

Ora che la neve si è formata e sta cadendo dolcemente sulle nostre città, possiamo renderci conto di qualcosa che, pur essendo abbastanza ovvia, non è poi così immediata: se i cristalli di ghiaccio di cui la neve è formata sono trasparenti (come lo è l'acqua), perché la neve è bianca?

Il trucco sta tutto nel modo in cui la luce colpisce la superficie del manto nevoso e viene riflessa verso i nostri occhi.

Innanzitutto bisogna sapere che il bianco non è un colore vero e proprio, ma il risultato dell'insieme di tutti i colori dello spettro luminoso che, riflessi tutti insieme verso il nostro occhio, ci appaiono come bianco.

Un oggetto trasparente, invece, è quello che permette alla luce di attraversarlo, uscendo (più o meno deviata) dall'altra parte.

Nel caso di una superficie innevata, la luce passa attraverso ogni piccolo cristallo di neve e viene leggermente deviata da ognuno di essi, questo accade così tante volte che il risultato è che il raggio luminoso torna indietro da dove era venuto, con il risultato che guardandolo noi lo vediamo bianco e anche molto brillante, tanto da risultarne quasi accecati e da dover indossare gli occhiali da sole.

Strani nuovi mondi

Ok, la neve è bellissima sulla Terra, ma sugli altri pianeti può nevicare? 

Sembrerà incredibile, ma la risposta è sì.

Nel 2009 la sonda Phoenix ha rilevato precipitazioni nevose sulla superficie di Marte. Questo è possibile perché le nuvole marziane (che di giorno trattengono il calore del sole), di notte raggiungono temperature bassissime ed è quindi possibile la formazione di cristalli di ghiaccio. Purtroppo però queste nevicate non raggiungono mai il suolo ed evaporano prima.

Non solo il Pianeta Rosso, però, ma anche altri pianeti potrebbero avere, almeno in teoria, le condizioni adatte alla formazione di precipitazioni nevose. Inoltre molti scienziati ipotizzano che su Urano e Nettuno, a causa dell'atmosfera carica di metano, sia possibile, con l'aiuto dalle altissime pressioni, che Idrogeno e Carbonio si combinino dando vita a... piogge di diamanti!

Insomma, che la si osservi dalla finestra della nostra casa o attraverso i rilevatori di una sonda spaziale, la neve non perde nulla del suo fascino e continua a essere uno degli spettacoli più suggestivi dell'Universo. 

Specialmente a Natale!

Per approfondire:

• https://www.newscientist.com/gallery/dn16715-pentagonal-ice/
• http://edition.cnn.com/2017/08/23/world/martian-snow-diamond-rain/index.html
• https://www.newscientist.com/gallery/dn16170-snowflakes/

Il Carbonio, l'Idrogeno e la tavola periodica

Così avviene, dunque, che ogni elemento dica qualcosa a qualcuno (a ciascuno una cosa diversa), come le valli o le spiagge visitate in giovinezza: si deve forse fare un'eccezione per il carbonio, perché dice tutto a tutti.

[Primo Levi - Il Sistema Periodico]

Benvenuti, sia che voi siate scienziati, sia che siate semplici appassionati o, ancora più benvenuti voi che di scienza non sapete nulla: questo spazio è per voi.

Probabilmente vi starete chiedendo: perché il Carbonio?

Se la risposta vi sembra ovvia, beh, è possibile che anche voi, come me, siate dei chimici.

Il Carbonio sarà principio e arrivo di ogni cosa che tratterò, perché non c'è nulla di più importante del Carbonio nella vita di tutti noi.

Noi siamo Carbonio, infatti, e più precisamente lunghe catene di carbonio: gli acidi grassi che costituiscono la membrana cellulare, gli amminoacidi che formano le proteine, il DNA che definisce precisamente chi siamo e come siamo.

E Idrogeno, naturalmente, perché non c'è Carbonio senza Idrogeno.

Ma siamo anche Ossigeno, Ferro, Cobalto, Rame, Fosforo...

Insomma, di storie da raccontare ce ne sono tante con un numero potenzialmente infinito di elementi che conosciamo o che non sono stati ancora scoperti per arricchire la Tavola Periodica.

Chissà se Dmitrij Mendeleev, lo scienziato russo che per primo ebbe l'idea di ordinare gli elementi chimici secondo il loro numero atomico (cioè il loro numero di protoni), avrebbe mai immaginato un giorno di arrivare fino all'Oganessio, numero atomico 118, l'ultimo arrivato nel 2015.