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L’IMPORTANZA DELLA CHIMICA NEL MONDO MODERNO. ITIS “Tullio Buzzi” PRATO.
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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 inacces-sibili, misteriose invenzioni, lontane dalla realtà quotidiana. Benché i giornali pubblichino con sempre mag-giore 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 lavo-ro 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 mu-tare 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, attra-verso 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 stabili- mento 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 • 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 porporadi 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 di Perkin.
L'industria farmaceutica (1850 - 1950) I nuovi farmaci l’aspirina e gli antibiotici • 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 sperimental-mente che il Penicillumnotatum 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'azotoLa sintesi dell’ammoniaca 1902-1930L’azoto, presente nell’aria, è alla base di molte industrie, come quella degli esplosivi, agli inizidel 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 • 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 • 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 • 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 MATERIALI METALLICImetalli puri e innumerevoli leghe metalliche sono protagonisti di un’ampia gamma di campi di impiego
