Pillole di scienza Archivi - Pagina 7 di 8

13 Marzo 201713 Marzo 2017

Come è fatto e come si ottiene l’olio di palma

L’olio di palma è ottenuto dai frutti delle palme da olio che si presentano a grappoli. Questi frutti vengono raccolti e poi sottoposti all’azione del vapore in modo da disattivare la lipasi (1) e separare la polpa dai semi. La polpa così ottenuta viene pressata e l’olio opportunamente recuperato. L’olio ottenuto dalla pressatura della polpa viene chiarificato (2) per centrifugazione, quindi lavato con acqua calda e poi seccato. Il prodotto così ottenuto contiene un elevato ammontare di beta-carotene ed il suo colore varia dal giallo scuro al rosso. Durante la raffinazione (3) il colore giallo/rosso dell’olio di palma viene perso ed il prodotto finale si presenta di un colore giallo chiaro.
La composizione percentuale media in acidi grassi (4) dell’olio di palma è:

14:0 – 1%
16:0 – 43.8%
16:1 – 0.5%
18:0 – 5%
18:1 (9) – 39%
18:2 (9, 12) – 10%
18:3 (9, 12, 15) – 0.2%
20:0 – 0.5%

Come si evince dalla tabella, l’olio di palma è, per lo più, costituito da acidi grassi saturi e contiene un acido grasso monoinsaturo a 18 atomi di carbonio in quantità vicine al 40% in peso del totale.

L’olio di palma fa male? non più di tanti altri oli alimentari. Come per ogni alimento, è la dose che fa il veleno. Un consumo oculato di olio di palma (negli alimenti che lo contengono) non comporta assolutamente nulla, esattamente come un consumo oculato di un qualsiasi altro tipo di olio.

E la Nutella che contiene olio di palma? La Nutella fa male solo se ne viene ingurgitata una quantità notevole. Ma non è l’olio di palma a creare problemi quanto, piuttosto, l’elevato contenuto in zuccheri che può sfociare nel diabete

Note
(1) Lipasi – si tratta di un enzima che ha la funzione di degradare gli acidi grassi
(2) La chiarificazione di un olio consiste nella separazione dall’olio di tutte quelle componenti che ne possono compromettere la qualità nel corso del tempo. In altre parole vengono allontanate le sostanze che possono favorire fenomeni di ossidazione, idrolisi e fermentazione
(3) La raffinazione di un olio viene effettuata ogni qual volta esso non viene ottenuto attraverso la semplice spremitura dei semi (come nel caso dell’olio extra vergine di oliva). Questa procedura consiste nell’allontanamento di sostanze che possono essere pericolose o alterare il sapore del prodotto. Per esempio la raffinazione degli oli, in generale, serve per la rimozione della lecitina, degli acidi grassi liberi, per la decolorazione, il degommaggio e la rimozione di odori sgradevoli
(4) Un acido grasso viene indicato con due numeri separati dal segno “:” come per esempio x:y. Il primo numero (la x) indica il numero di atomi di carbonio; il secondo numero, la y, indica quanti doppi legami ci sono. Se y=0 si ha un acido grasso saturo. Se y è diverso da zero si ha un acido grasso insaturo, ovvero con uno o più doppi legami. Se è necessario individuare la posizione del doppio legame, la coppia di numeri viene fatta seguire da un numero tra parentesi tonda che indica l’atomo di carbonio dove si trova il doppio legame. Per esempio, 18:2 (9, 12) sta ad indicare un acido grasso a 18 atomi di carbonio con due doppi legami, uno in posizione 9 e l’altro in posizione 12.

Per saperne di più:

Belitz, Grosch e Schieberle Food Chemistry, Springer (2009)

Olio di palma, qualche precisazione in più

13 Marzo 201725 Marzo 2017

L’inquinamento atmosferico

L’attività antropica, di qualsiasi natura, non è ad impatto nullo sull’ambiente. Questo vuol dire che qualsiasi cosa noi facciamo produciamo rifiuti che vanno ad influenzare gli equilibri tra biosfera, idrosfera, pedosfera ed atmosfera. In questa nota descrivo brevemente in cosa consiste l’inquinamento atmosferico. Si tratta di Uno dei problemi ambientali attualnente maggiormente al centro dell’attenzione mediatica. Questo non vuol dire che l’inquinamento di suoli, sedimenti ed acque sia meno importante; vuol dire solo che, al momento, sembra fare più notizia l’inquinamento atmosferico probabilmente perché fa una certa impressione, sul senso comune, pensare che l’immissione in atmosfera di gas apparentemente innocui possa provocare alterazioni notevoli sotto l’aspetto climatico.

In effetti è noto che tutte le molecole gassose che hanno un momento dipolare diverso da zero [1] sono in grado di assorbire la radiazione elettromagnetica che proviene dalla Terra così da passare da uno stato (vibrazionale/rotazionale) fondamentale ad uno eccitato. La transizione spontanea dallo stato eccitato a quello fondamentale può avvenire con emissione di calore portando ad un aumento globale della temperatura del pianeta, fenomeno che prende il nome di “effetto serra” [2].

Cerco di tradurre per i non tecnici. La radiazione solare è fatta da onde elettromagnetiche con lunghezza d’onda piuttosto corta (parte a destra della figura di copertina). Le molecole come anidride carbonica, metano ed acqua (sotto forma di vapore) risultano “trasparenti” alle lunghezze d’onda sopra citate. Per questo motivo le radiazioni suddette provenienti dal sole sono in grado di arrivare alla superficie della Terra.

Alcune di queste radiazioni sono comunque intercettate dall’ozono atmosferico e giungono “attenuate” sulla superficie terrestre come già spiegato nella nota al riferimento [3].

La superficie terrestre “restituisce” allo spazio aperto le radiazioni elettromagnetiche ma con lunghezza d’onda maggiore (parte a sinistra della figura di copertina) rispetto a quelle provenienti dall’esterno della Terra.

Le molecole come anidride carbonica, vapor d’acqua e metano (ovvero molecole a momento dipolare non nullo, sebbene questo momento dipolare risulti non nullo per la CO2 solo quando essa è nella conformazione non lineare) non sono “trasparenti” a queste lunghezze d’onda assorbendo, così, la radiazione proveniente dalla Terra. Il processo di assorbimento provoca delle “oscillazioni” molecolari (ovvero stiramenti e piegamenti dei legami chimici all’interno delle molecole) che a loro volta “restituiscono” energia termica (ovvero calore) alla superficie terrestre. Il risultato finale è molto simile a quello che si ottiene in una serra, ovvero un aumento della temperatura globale del pianeta.

Ci si potrebbe chiedere: ma come mai, invece, sembra che faccia sempre più freddo? dove è il riscaldamento? Chi chiede queste cose, in genere, non ha ben chiaro come funziona il riscaldamento globale. Faccio un esempio banale (didattico, oserei dire): supponiamo che si verifichi un aumento di 1 °C sulla superficie degli oceani a seguito dell’aumento di CO2 atmosferica. Questo aumento comporta un incremento della velocità di evaporazione dalla superficie degli oceani con immissione in atmosfera di quantità di vapor d’acqua più grandi rispetto a quelle che si avrebbero in assenza del riscaldamento anzidetto. Le correnti aeree trasportano queste enormi masse di vapor d’acqua sul continente dove, a contatto con aria più fredda, possono condensare e dar luogo a piogge più o meno torrenziali (le famose bombe d’acqua di cui parlano molto scenograficamente i giornalisti). La conseguenza di queste piogge è una temperatura più bassa sul continente. Tuttavia, a livello globale, la temperatura non è più bassa, ma più alta. E’ il riscaldamento globale la causa del clima simil-tropicale che oggi abbiamo nella parte Sud dell’Europa.

E’ stata data notizia [4] che uno scienziato che ha vissuto per una ventina di anni in Cina (uno dei paesi più contaminati della Terra) ha inventato un software per monitorare la contaminazione atmosferica terrestre ed essere informati minuto-per-minuto sulla quantità di particolato solido (quello che viene indicato come PM2.5) che si muove in atmosfera.

Se volete divertirvi a monitorare i flussi di corrente che trasportano questi PM2.5 basta cliccare su questo link: http://airvisual.com/earth, aspettare che la pagina si carichi e divertirsi a guardare momento per momento cosa accade nell’aria intorno a noi. Se poi si vuole conoscere la quantità di PM2.5 in un luogo particolare, basta cliccare sul luogo di interesse

Buon divertimento

Riferimenti
[1] https://www.scienzeascuola.it/…/legami-…/il-momento-dipolare
[2] http://www.castfvg.it/zzz/ids/effserra.html
[3] https://www.facebook.com/notes/rino-conte/pillole-di-scienza-il-buco-nellozono/1856401444581383
[4] http://www.sciencemag.org/…/watch-air-pollution-flow-across…

13 Marzo 2017

Perché non siamo vegetariani e men che meno vegani

Oggi va di moda il veganesimo, ovvero quella filosofia di vita che impone a chi fa questa scelta di evitare l’assunzione di qualsiasi cibo che abbia una qualsiasi origine animale. Come evidenziato, si tratta di una scelta dettata da motivazioni culturali di tipo anti specista; in altre parole si ritiene che tutti gli animali abbiano dignità pari a quella dell’uomo per cui quest’ultimo non deve uccidere animali di ogni specie, sebbene per scopi nutrizionali, perché, in questo modo, si configurerebbe un vero e proprio omicidio del tutto paragonabile a quello umano.

Non voglio discutere in questa sede dell’opportunità di questa scelta anti specista. Ognuno è libero di fare le scelte nutrizionali che preferisce e lascio a nutrizionisti esperti l’opportunità di valutare la dieta che ognuno di noi decide di seguire.

Qui voglio solo sfatare un mito di natura pseudo scientifica utilizzato dalle frange vegane oltranziste in base al quale gli uomini discendono dalle scimmie che sono erbivore e non hanno bisogno di proteine animali per sviluppare la forza di cui sono dotate. Per questo motivo l’uso che l’uomo fa della carne sarebbe una deviazione alimentare occorsa in un certo momento dell’evoluzione e priva di ogni validità scientifica.

Chi afferma una cosa del genere non fa altro che dimostrare la propria crassa ignoranza in fatto di conoscenze evolutive e di biologia animale. Cerca, in altre parole, di dare una giustificazione scientifica alle proprie remore morali che gli/le fanno immaginare gli animali come esseri “pucciosi” del tutto simili a quelli descritti nei fumetti Disney.

Veniamo al punto.

Tutti noi esseri umani, come del resto tutti gli esseri viventi, siamo caratterizzati da tratti vestigiali che sono prova inconfutabile dei processi evolutivi cui siamo stati, ed ancora siamo, sottoposti. Uno dei caratteri vestigiali più famosi è l’appendice vermiforme che rappresenta il tratto terminale dell’intestino cieco e si trova alla congiunzione tra l’intestino crasso e l’intestino tenue. Le dimensioni dell’appendice variano da essere umano a essere umano potendo raggiungere una lunghezza variabile da qualche centimetro a 30 centimetri e potendo essere assente in alcuni esseri umani. L’appendice vermiforme sembra essere del tutto inutile, tanto è vero che possiamo farne a meno senza che la qualità della nostra vita ne sia influenzata. Tuttavia, come tutti i tratti vestigiali, anche l’appendice, oggi inutile, aveva una funzione ben precisa. Infatti, quando ancora ci cibavamo in prevalenza di piante, avevamo non solo un intestino cieco molto più voluminoso di adesso, ma anche una appendice vermiforme più sviluppata di quanto non sia ora. La maggiore voluminosità di intestino cieco ed appendice assicurava agli individui dalla dieta vegetariana la presenza di una camera di fermentazione corredata da batteri in grado di degradare la cellulosa in glucosio, zucchero più facilmente assimilabile.

Quando, per effetto di una qualche mutazione casuale, il volume di intestino cieco ed appendice si è ridotto, abbiamo cominciato ad avere maggiori difficoltà nella degradazione della cellulosa (oggi noi umani non siamo più in grado di idrolizzare il legame beta 1-4 glicosidico che tiene unite le unità di glucosio nella cellulosa perché non abbiamo più una flora batterica in grado di sintetizzare gli enzimi deputati a questo scopo), la nostra alimentazione è cominciata a cambiare perché ci siamo dovuti adattare alle mutazioni anzidette: siamo passati da una alimentazione vegetariana a base di foglie ad una alimentazione a base di carne. In altre parole, indagini biologiche hanno dimostrato che nel corso dei processi evolutivi, gli animali che possedevano intestini più voluminosi erano in grado di digerire la cellulosa, quelli con intestini meno voluminosi non erano in grado di mangiare foglie. I processi evolutivi, insomma, ci hanno “imposto” di essere carnivori in quanto ad un certo punto del nostro percorso evolutivo, non siamo più stati in grado di digerire le foglie (base alimentare dei nostri progenitori) ed assimilare nutrienti da una alimentazione esclusivamente vegetariana.

Altro che vegani…
La nostra dieta è il risultato degli adattamenti evolutivi.

Per saperne di più:

Jerry A. Coyne, Perché l’evoluzione è vera (2011), codice edizioni

13 Marzo 2017

La vitamina C (acido ascorbico) e l’evoluzione

Sapete cos’è la L – gulonolattone ossidasi? Devo dire che letta così, sembra una parolaccia. In realtà, dal solo nome, come chimico, io capisco che si tratta di un enzima. Tuttavia non essendo un biochimico ed avendo sostenuto l’esame di biochimica nel purtroppo lontano 1988 (accidenti… già tutto sto tempo è passato?), mi ricordo ben poco, se non nulla, in merito alla sua funzione. Ho dovuto studiare per scrivere questa pillola e renderla digeribile non solo a me, ma anche ai non addetti ai lavori. Spero di esserci riuscito.

La L-gulonolattone ossidasi, chiamiamola per semplicità GLO, è un enzima coinvolto nella biosintesi dell’acido ascorbico che, comunemente, siamo abituati a chiamare vitamina C.

La vitamina C è importantissima per tutti gli esseri viventi. Per i mammiferi come noi è utile a contrastare lo scorbuto, una malattia che nel XIX secolo colpiva soprattutto i marinai che per lunghi periodi di tempo, durante la navigazione, non erano in grado di mangiare frutta fresca. In realtà, nel XIX secolo, anche quando erano a riposo a terra, i marinai evitavano la frutta e la verdura per mangiare principalmente carne, quando potevano, perché ritenuta il cibo dei ricchi. A terra e nei giorni di paga, chi poteva si rimpinzava di carne. Una dieta ricca di proteine e povera di vegetali è comunque deleteria; ma di questo parlerò in un’altra pillola.

Torniamo a noi e al Gulonolattone.

L’enzima GLO serve per sintetizzare la vitamina C, come detto. Quasi tutti i mammiferi riescono a sintetizzarla. Solo alcuni primati, i megachirotteri, ovvero pipistrelli noti come volpi volanti, e le cavie riescono a recuperare la vitamina C dalla loro alimentazione. Seguendo un regime dietetico bilanciato (chiedo perdono ai nutrizionisti che mi leggono se uso un linguaggio inappropriato) i problemi legati alla carenza di vitamina C non si presentano. Anche noi, come accennato, abbiamo bisogno di alimentazione per assumere la vitamina C. Noi, come quei pochi animali citati, non siamo in grado di sintetizzare la GLO. ma…sorpresa sorpresa: dalla mappatura del nostro, come di altri, DNA è venuto fuori che nel nostro genoma possediamo la sequenza genica necessaria per la sintesi dell’enzima citato. Come è posibile? E come mai, pur avendo tutto quanto necessario alla sintesi della vitamina C, abbiamo bisogno di assumerla mangiando?

La sequenza genica deputata alla sintesi del GLO è, purtroppo, disattivata. Fa parte dell’insieme delle informazioni genetiche che compongono il nostro junk DNA, ovvero il DNA spazzatura. La presenza di frammenti di DNA spazzatura è la prova tangibile che i processi evolutivi, che si basano su piccole modifiche di ciò che esiste per il miglioramento adattativo degli esseri viventi, sono un fatto reale e non la mera fantasia di un vecchio signore che, nella parte finale della sua vita, ha scritto una favoletta per far quadrare il cerchio delle sue osservazioni.

Quando, per effetto del cambiamento alimentare al quale ci siamo adattati durante la nostra evoluzione, abbiamo cominciato ad assumere vitamina C dagli alimenti, il nostro metabolismo ha pensato bene di spegnere l’interruttore per la sintesi di GLO per un motivo ben preciso: la via biosintetica per il GLO era troppo dispendiosa in termini energetici, mentre era più conveniente, energeticamente parlando, ricavare la vitamina C dagli alimenti. Il risultato finale è che, pur avendo gli strumenti adatti a fare un certo lavoro (sintesi della vitamina C), non siamo in grado di svolgerlo perché abbiamo perso la chiave che apre la cassetta degli attrezzi.

Per saperne di più:

Jerry A. Coyne, Perché l’evoluzione è vera, Codice edizioni (2011)

12 Marzo 201712 Marzo 2017

Pillole di scienza. Le matite copiative

Pillole di scienza: le matite copiative

Oggi 4 dicembre 2016 siamo chiamati alle urne per votare a favore o contro la riforma costituzionale proposta dal Parlamento Italiano.

Questa pagina è di carattere scientifico, quindi lascio fuori ogni considerazione inopportuna di carattere politico per concentrarmi unicamente su un aspetto scientifico che sta venendo fuori nelle ultime ore. Spero si tratti di bufale, ma sembra che alcuni personaggi famosi noti al grande pubblico stiano facendo mettere nei verbali delle commissioni presenti nei seggi elettorali che le matite copiative non siano indelebili. Questi personaggi farebbero meglio a fare il loro mestiere piuttosto che esacerbare gli animi, già di loro esacerbati, e fare figuracce da nulla mettendo in piazza la loro crassa ignoranza.

Le matite, in genere, sono dei bastoncini di legno con un’anima di grafite. La grafite è materiale carbonioso fatto da piani aromatici collegati tra loro da deboli interazioni di Van der Waals. Per effetto dello sfregamento su un foglio di carta, i legami di Van der Waals si rompono ed una traccia carboniosa è lasciata sul foglio di carta.

Le matite copiative che si usano nei seggi elettorali sono bastoncini di legno in cui l’anima non è fatta solo di grafite, ma contiene anche dei coloranti idrosolubili come, per esempio, violetto di metile, violetto cristallino, fucsina, rodamina, safranina,crisoidina, auramina, verde malachite, blu di metilene, bruno bismark. A seconda dei colori che si desiderano, si utilizzano uno o più dei vari coloranti in miscela. Quando la matita viene sfregata sul foglio di carta, non lascia solo una traccia carboniosa di tipo grafitico, ma anche del colorante. Mentre la traccia carboniosa può essere eliminata per abrasione, il colorante no. Quest’ultimo può essere eliminato solo con l’acqua, ma lascia una macchia indelebile che prova l’avvenuta manomissione della scheda elettorale.

In definitiva, cari personaggi famosi, fareste meglio ad imparare un po’ di chimica prima di addentrarvi in figuracce in merito alla non indelebilità delle matite copiative e ad eventuali complotti del tutto inesistenti.

Per saperne di più

https://unpodichimica.wordpress.com/…/…/24/matita-copiativa/

12 Marzo 2017

Pillole di scienza. Intolleranza al lattosio (Parte II)

Tempo fa ho scritto una nota sull’intolleranza al lattosio [1] in cui ho evidenziato che essa è dovuta all’assenza di un enzima (la lattasi) che è in grado di scindere il legame glicosidico che unisce glucosio e galattosio a formare la molecola anzidetta. La conseguenza di questa deficienza è l’insorgere di meteorismo, distensione addominale, digestione lenta, stanchezza, pesantezza di stomaco, senso di gonfiore gastrico e forti crampi in seguito ai processi di fermentazione a carico del lattosio che avvengono nel nostro stomaco [1].

Oggi completo la nota evidenziando come l’intolleranza non sia distribuita in modo uniforme tra le popolazioni del pianeta. Infatti, come indicato nella mappa a corredo di questa nota, ci sono popolazioni che riescono a “digerire” il lattosio come quelle del Nord Europa e dell’Nord-Est Asiatico, ed altre che mostrano una elevata intolleranza come quelle del Sud-Est Asiatico (le zone rosse o tendenti al rosso nella mappa indicano forte intolleranza, le zone verdi bassa intolleranza).

Circa 9000 anni fa l’uomo ha cominciato la domesticazione degli animali sviluppando, tra le tante cose, la pastorizia. Questa attività ha reso disponibile in grandi quantità anche agli adulti un alimento molto nutriente (il latte) utilizzato principalmente dai neonati prima dello svezzamento.

Indagini condotte su resti fossili datati tra i 3000 e gli 8000 anni fa, hanno dimostrato inequivocabilmente che la tolleranza/intolleranza al lattosio è legata proprio alla pastorizia [2]. Quelle popolazioni che hanno sviluppato prima la pastorizia risultano anche oggi più tolleranti al lattosio. Quelle popolazioni che, invece, hanno sviluppato più tardi la pastorizia hanno una capacità di digerire il lattosio più bassa [3].

La lattasi è un enzima prodotto grazie all’azione di un gene presente nel nostro DNA. La produzione di questo enzima richiede un lavoro biochimico enorme, per cui se il latte non è facilmente disponibile, come quando siamo in età pre-svezzamento, il gene per la produzione dell’enzima anzidetto viene disattivato. In altre parole, il nostro metabolismo, piuttosto che consumare risorse per produrre una molecola sotto utilizzata per mancanza di latte, preferisce chiudere l’attività e dedicare le proprie risorse alla produzione di sistemi molecolari più utilizzati e, di conseguenza, più utili al sostentamento della vita. Ecco perché da adulti noi possiamo risultare intolleranti al lattosio.

Il metabolismo delle popolazioni nelle quali il latte viene consumato in abbondanza anche da adulti perché facilmente disponibile, trova conveniente, sotto il profilo energetico, continuare a produrre la lattasi determinando, quindi, una maggiore tolleranza al disaccaride citato.

La presenza/assenza della lattasi nell’organismo umano è un bellissimo esempio di co-evoluzione genetico-culturale. In altre parole lo sviluppo puramente “culturale” della pastorizia, ha permesso l’adattamento e, quindi, l’evoluzione di popolazioni atte a digerire un alimento altamente nutriente.

Riferimenti

[1] https://www.facebook.com/RinoConte1967/photos/a.1652785024943027.1073741829.1652784858276377/1851447868410074/?type=3

[2] https://it.wikipedia.org/wiki/Pastorizia

[3] https://www.facebook.com/RinoConte1967/posts/1897417257146468

12 Marzo 201712 Marzo 2017

Riusciamo a sbucciare un’arancia senza sporcarci?

Riusciamo a sbucciare le arance senza sporcarci?
Inverno, tempo di freddo e di agrumi. Buone le arance, i mandarini ma buone soprattutto le clementine senza semi. Per uno come me, non dover “sputazzare” semi in giro per la stanza, è una gran cosa!

Avete mai fatto caso che quando si sbuccia un frutto del genere le mani si sporcano di succo? C’è stato qualcuno che si è chiesto se sia possibile trovare un metodo per evitare di sporcarsi quando si sbucciano gli agrumi. La notizia è apparsa nelle news di Science [1]. Ebbene è stato evidenziato che non c’è modo di non sporcarsi quando si sbucciano gli agrumi. Pare che basti una minima pressione per far schizzare via gocce di succo ad una velocità di circa 10 m/s, ovvero una velocità più elevata di quella degli insetti, con una accelerazione circa 1000 più intensa di quella che “sentono” gli astronauti quando lasciano la Terra.

Interessante, vero? Immagino che se qualcuno ha fatto uno studio del genere, c’è stato un committente che ha fatto una specifica richiesta. Magari in futuro potranno essere prodotti agrumi che non sporcano le mani mentre vengono sbucciati, con buona pace di quelli come me a cui piace sentire l’odore “agrumoso” sulle dita.

Riferimenti
[1] http://www.sciencemag.org/…/video-reveals-why-there-s-no-cl…

12 Marzo 201726 Marzo 2017

Il buco nell’ozono. Breve escursione nella chimica dell’atmosfera

La funzione “filtro” dell’ozono.

Si legge da tutte le parti che l’inquinamento ambientale, ed in particolar modo quello di origine antropica, provoca numerosi problemi ai vari comparti ambientali. Uno di questi è l’aria la cui composizione, negli strati più elevati, vede la presenza di una molecola che prende il nome di ozono.

L’ozono è una forma allotropica dell’ossigeno. In altre parole, l’ossigeno si può trovare sia sotto forma di molecola biatomica (O2) che di molecola triatomica (O3). E’ questa ultima forma di ossigeno a cui si dà il nome di “ozono” la cui struttura, per i più curiosi, è descritta nel riferimento [1].

La presenza dell’ozono negli strati alti dell’atmosfera è molto importante perché questa molecola è in grado di “intercettare” le radiazioni ultraviolette (RUV) proteggendoci dai loro effetti deleteri [2]. Sotto il profilo chimico, la reazione di “schermatura” da parte dell’ozono è:

O₃ + RUV → O + O₂ (1)

In altre parole si forma un atomo di ossigeno eccitato ed una molecola di ossigeno. Il primo può ricombinarsi col secondo per riformare l’ozono (reazione (2)), oppure può reagire con un’altra molecola di ozono per formare ossigeno molecolare (reazione (3)):

O + O₂ → O₃ (2)

O + O₃ → 2O₂ (3)

L’inquinamento come causa della riduzione dell’ozono atmosferico

Come si intuisce, in sistemi non perturbati (come per esempio in assenza di contaminazione) le reazioni (1)-(3) assicurano il corretto apporto di ozono per evitare gli effetti delle radiazioni UV [2]. Nel momento in cui un certo tipo di contaminanti (che tecnicamente possiamo indicare come “catalizzatori”) viene in contatto con l’ozono, le reazioni (1)-(3) subiscono delle “alterazioni” legate al fatto che viene inibita la reazione (2) con incremento della quantità di ossigeno molecolare che non viene più trasformato in O3. La conseguenza è l’assottigliamento progressivo dello strato di ozono atmosferico che, giornalisticamente parlando, è conosciuto come “buco nell’ozono”. L’insieme delle reazioni che trasformano l’ozono in ossigeno molecolare in presenza di un generico contaminante (indicato con X) è:

X· + O₃ → XO +O₂ (4)

XO + O → X· +O₂ (5)

X· è un radicale libero [3], ovvero un sistema molto reattivo che ha come caratteristica quella di avere un elettrone spaiato. La somma delle reazioni (4) e (5) dà la reazione (6) che consente di dire che l’azione di X· è quella di incrementare la quantità di ossigeno mediante l’inibizione della reazione (2), ovvero la riconversione in ozono, con conseguente assottigliamento dello spessore dello strato di ozono nell’atmosfera:

O₃+ O → 2O₂ (6)

I precursori dei radicali liberi

Alcuni precursori dei radicali coinvolti nelle reazioni (4) e (5) grazie ai quali si genera l’assottigliamento dello strato di ozono sono metano (CH4), acqua (H2O), protossido di azoto (N2O, meglio conosciuto come gas esilarante), o i famigerati clorofluorocarburi (CFC).

Metano ed acqua reagiscono con l’ossigeno atomico eccitato ottenuto nella reazione (1) per formare radicali ossidrili (OH·), ovvero i “catalizzatori” indicati con X nelle reazioni (4) e (5), secondo le reazioni (7) e (8):

O + CH₄ → OH· + CH₃ (7)

O + H₂O → 2 OH· (8)

Sostituendo i radicali ossidrili alle X delle reazioni (4) e (5) si completa lo schema reattivo che porta alla degradazione dell’ozono in ossigeno molecolare.

Il ruolo del protossido di azoto è descrivibile con lo schema di reazioni da (9) a (11):

O + N₂O → 2 NO· (9)

NO· + O₃ → NO₂ · + O₂ (10)

NO₂ · + O → NO· + O₂ (11)

Infine i clorofluorocarburi come il CF₂Cl₂(una volta usati come liquidi refrigeranti come per esempio nei frigoriferi) reagiscono come indicato nelle reazioni da (12) a (15)

CF₂Cl₂ + RUV → CF₂Cl∙ + Cl∙ (12)

Cl∙ + O₃ → ClO∙ + O₂ (13)

ClO∙ + O∙ → Cl∙ + O₂ (14)

CF₂Cl∙ + O₂ → CF₂O + ClO∙ (15)

Questi appena descritti sono solo alcuni esempi di precursori dei radicali coinvolti nella degradazione dell’ozono atmosferico. Molti altri, con meccanismi più dettagliati che sono al di là dello scopo di una nota divulgativa su un bolg, sono riportati nelle letture consigliate.

Nuove ipotesi in merito alla degradazione dell’ozono atmosferico

Recentemente [4] è stato proposto un meccanismo alternativo per l’azione dei CFC nella degradazione dell’ozono. In particolare, l’acqua sotto forma di minuscoli cristalli di ghiaccio sospesi in atmosfera, interagisce con la radiazione cosmica, ovvero la luce solare, generando elettroni solvatati (e-) che rimangono assorbiti sulla superficie solida (Figura 1) secondo la reazione (16):

H₂O + radiazione cosmica → e- + H₃O+ + OH· (16)

Gli elettroni solvatati reagiscono con i clorofluorocarburi assorbiti sulla superficie dei cristalli di ghiaccio per formare CF2Cl∙ e Cl∙ che poi innescano le reazioni riportate in (13)-(15)

L’ozono fa bene?

Alla luce di tutto quanto scritto si potrebbe pensare che siano tutte rose e fiori, ovvero che l’ozono apporti benefici all’essere umano. In realtà, non è così. Quanto appena analizzato in modo sommario ci informa che l’ozono è utile per impedire che raggi dannosi per la salute umana possano arrivare alla superficie terrestre. Noi ci siamo evoluti nel modo in cui ci presentiamo anche grazie al fatto che un “ombrello” fatto di ozono ha impedito ai raggi ultravioletti di una certa intensità di arrivare negli strati più bassi dell’atmosfera. Come si sarebbe evoluta la vita se questi raggi non fossero stati schermati? Non è dato saperlo e, comunque, la scienza non si fa con le ipotesi assurde. Resta il fatto che è grazie alla protezione offerta dall’ozono che la vita si presenta come la conosciamo. Da tutto quanto scritto si intuisce anche che l’ozono è una molecola reattiva ed in effetti i suoi effetti sulla salute umana si possono riassumere come segue:

“Concentrazioni relativamente basse di Ozono provocano effetti quali irritazioni alla gola ed alle vie respiratorie e bruciore agli occhi; concentrazioni superiori possono portare alterazioni delle funzioni respiratorie ed aumento della frequenza degli attacchi asmatici” [5].

L’Ozono, infine, “è responsabile anche di danni alla vegetazione e ai raccolti, con la scomparsa di alcune specie arbore dalle aree urbane. Alcune specie vegetali particolarmente sensibili alle concentrazioni di Ozono in atmosfera vengono oggi utilizzate come bioindicatori della formazione di smog fotochimico” [5].

Riferimenti

[1] http://www.chimicamo.org/chimica-ge…

[2] http://www.lescienze.it/news/2007/0…

[3] http://online.scuola.zanichelli.it/…

[4] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/…

[5] http://www.sistemapiemonte.it/ambie…

Letture consigliate ed approfondimenti

https://www1.dcci.unipi.it/home/ivo…

http://www.univpm.it/Entra/Engine/R…

12 Marzo 2017

L’ innalzamento ebullioscopico: il ruolo dei legami a idrogeno nel comportamento dell’acqua.

Un po’ di tempo fa ho scritto un post riguardante il ruolo che i legami a idrogeno ricoprono nel comportamento dell’acqua. In particolare è stata analizzata la caratteristica delle molecole di acqua di “escludere” i soluti durante il processo di raffreddamento [1]. Adesso voglio concentrarmi (come promesso) sul ruolo che i legami a idrogeno ricoprono nel modulare le proprietà colligative. In particolare, voglio concentrarmi sull’innalzamento ebullioscopico [2], rimandando ad una nota successiva la spiegazione sull’abbassamento crioscopico [3].

E’ stato già evidenziato [1] che per innalzamento ebullioscopico si intende l’aumento della temperatura di ebollizione conseguente alla dissoluzione di un soluto in un solvente. In genere, per spiegare questo fenomeno si fa riferimento al fatto che l’addizione di un soluto in un solvente comporta un abbassamento della tensione di vapore di quest’ultimo con la conseguenza che è necessaria una temperatura più elevata per arrivare all’ebollizione [2].

Cosa vuol dire tensione di vapore? Molto semplicisticamente la “tensione di vapore” è la pressione (ovvero la forza) esercitata sulle pareti di un recipiente chiuso da parte delle molecole di vapore di una sostanza in equilibrio con la fase condensata (liquida o solida) della stessa sostanza [4].

La Figura 1 esemplifica quanto appena scritto. Le molecole sulla superficie del liquido racchiuso nel pallone tappato di Figura 1 “sfuggono” dalla superficie e “galleggiano” nello spazio vuoto seguendo delle traiettorie casuali. Nelle condizioni di equilibrio, il numero di molecole di vapore che ritornano nella fase condensata (ovvero liquida, in questo caso) è uguale al numero di molecole che “sfuggono” dalla superficie. L’ “abbassamento della tensione di vapore” di cui si diceva sopra significa che la pressione esercitata dalle molecole di vapore sulle pareti del recipiente chiuso si abbassa per effetto dell’addizione di un soluto al solvente. In altre parole, l’equilibrio descritto dalla reazione riportata in Figura 2 si sposta verso sinistra (ovvero dalla parte del solvente in fase liquida) e l’ebollizione si interrompe. Occorre innalzare la temperatura per riportare il sistema all’ebollizione

Come mai l’addizione di un soluto ad un solvente comporta l’abbassamento della tensione di vapore con conseguente innalzamento ebullioscopico? Molto semplicisticamente si potrebbe dire che il soluto “aggancia” le molecole di solvente impedendo che esse “sfuggano” dalla superficie della fase condensata. Occorre una quantità di calore più elevata (e, quindi, una temperatura più alta) per consentire alle molecole di solvente di opporsi alla resistenza offerta dal soluto e ristabilire le condizioni di equilibrio all’ebollizione.

Per spiegare meglio quanto accade addizioniamo il cloruro di sodio (NaCl) in acqua. il cloruro di sodio è un solido ionico [5] in cui lo ione sodio (catione) interagisce con lo ione cloruro (anione) mediante interazioni di natura elettrostatica. L’acqua è una molecola in cui la densità elettronica intorno all’ossigeno è più elevata che attorno agli atomi di idrogeno (Figura 3). Per questo motivo, l’ossigeno è dotato di una parziale carica negativa, mentre gli atomi di idrogeno di una parziale carica positiva (Figura 3). Dal momento che il centro delle cariche negative è diverso da quello delle cariche positive (ovvero si osserva l’anzidetta separazione di carica), la molecola di acqua ha carattere dipolare.

Abbiamo già evidenziato che il carattere dipolare della molecola di acqua è causa della formazione dei legami a idrogeno [1]. In questa sede il carattere dipolare dell’acqua ci consente di spiegare il meccanismo di dissoluzione del cloruro di sodio. Infatti, quando il cloruro di sodio viene messo in acqua si generano delle interazioni di natura elettrostatica del tipo Na(+)/H2O e Cl(-)/H2O. La componente negativa del dipolo acqua è orientata verso la carica positiva del sodio, mentre la parte positiva dello stesso dipolo è orientata verso lo ione cloro (Figura 4). In questo modo i due ioni del solido ionico si separano e si realizza la dissoluzione del sale.

Il processo di dissoluzione mediato dall’azione dell’acqua che circonda i due ioni si chiama “solvatazione”. In generale, i processi di dissoluzione di un soluto in un solvente sono dovuti alla solvatazione. Se questa non si può realizzare, la dissoluzione non avviene.

Le molecole di acqua si dispongono “a strati” intorno agli ioni. Ognuno degli strati viene indicato come “sfera di idratazione”. Le molecole di acqua più interne, ovvero quelle più vicine agli ioni, si collocano nella prima sfera di idratazione. A seguire tutte le altre sfere di idratazione [6]. L’identificazione del numero di sfere di idratazione richiede degli studi approfonditi [7] che vanno oltre gli scopi di questa nota.

L’orientazione delle molecole di acqua intorno allo ione sodio è tale che non vengono più soddisfatti i requisiti geometrici necessari per la realizzazione dei legami a idrogeno (dei requisiti necessari per la formazione dei legami a idrogeno se ne è già parlato nel post precedente [1]). Per questo motivo i legami a idrogeno tra le molecole di acqua nella prima sfera di idratazione si interrompono [7]. Inoltre, l’interazione acqua/sodio comporta uno “scivolamento” della densità elettronica dei legami H-O dell’acqua verso l’ossigeno. Tradotto, vuol dire che aumenta la polarità del legame H-O, ovvero aumenta l’intensità della carica positiva sugli atomi di idrogeno a causa dell’aumento dell’intensità della carica negativa sull’ossigeno come effetto dell’interazione con lo ione sodio [7]. Per questo motivo le molecole di acqua nella prima sfera di idratazione (incapaci di formare legami a idrogeno tra loro) sono in grado di legarsi alle molecole di acqua nella seconda sfera di idratazione con legami a idrogeno la cui intensità è più forte che nell’acqua libera (ovvero l’acqua in cui non è disciolto alcun soluto). La natura dei legami a idrogeno tra le molecole di acqua nella prima e nella seconda sfera di idratazione incrementa la polarità dei legami H-O nelle molecole di quest’ultima sfera di idratazione. Le molecole di acqua della seconda sfera di idratazione sono, quindi, in grado di interagire con le molecole della terza sfera di idratazione con legami a idrogeno più forti di quelli che si realizzano tra le molecole di acqua libera. L’intensità dei legami a idrogeno diminuisce all’aumentare della distanza delle molecole di acqua dallo ione.

Uno ione in grado di intensificare le interazioni a idrogeno tra le molecole di acqua presenti nelle diverse sfere di idratazione si dice “strutturante”. La capacità strutturante di uno ione dipende dalle sue dimensioni. Più lo ione è piccolo, più elevata è la sua densità di carica (ovvero la quantità di carica per unità di volume) e più elevata è la forza del campo elettrico da essa generata in conseguenza della quale lo ione è in grado di indurre un ordine tra le molecole di acqua oltre la prima sfera di idratazione. Sono ioni destrutturanti quelli che hanno densità di carica tale che il campo elettrico da essa generato non è in grado di polarizzare le molecole di acqua al di fuori della prima sfera di idratazione (in altre parole ioni a dimensione crescente sono progressivamente più destrutturanti). Lo ione sodio ha caratteristiche strutturanti, mentre lo ione cloro ha caratteristiche destrutturanti. Tuttavia, è possibile misurare la forza strutturante/destrutturante di uno ione [7] e concludere che nel cloruro di sodio la natura strutturante dello ione sodio predomina su quella destrutturanrte dello ione cloro.

La conseguenza di tutto quanto scritto è che il sale da cucina (ma questo è un discorso di carattere generale) ha caratteristiche “strutturanti” per cui esso è in grado di ancorare le molecole di acqua alla superficie della fase liquida in modo tale che la quantità di energia necessaria per rimuoverle risulta essere più alta che in assenza del soluto.

Note conclusive

Questa trattazione si applica alle soluzioni lontane dall’idealità quali quelle ambientali come per esempio quella che viene indicata come “soluzione suolo”. Lo so. Sono stato particolarmente prolisso, ma mi sono lasciato prendere la mano. Una nota nata come “Pillola di scienza” è diventata la trascrizione di una delle mie lezioni di chimica del suolo. Spero di non aver annoiato e che qualcuno possa trovare ispirazione da quanto scritto. I miei studenti possono, certamente, usare queste cose come appunti integrativi al loro studio.

Riferimenti

12 Marzo 2017

Richard Willstätter ed i pigmenti vegetali

Pigmenti vegetali e la ricerca del chimico tedesco Willstätter.

Richard Martin Willstätter nasce a Karlsruhe il 13 Agosto del 1872. Si tratta di un chimico tedesco pioniere dello studio delle sostanze naturali, ovvero dei metaboliti secondari delle piante.

I suoi studi si incentrano inizialmente sulla struttura e la sintesi di alcuni alcaloidi vegetali (cocaina ed atropina) oltre che di alcuni chinoni.

Durante questa prima fase della sua vita accademica, approfondisce le tecniche analitiche che, successivamente gli spianano la strada per il riconoscimento della struttura di flavoni e antociani, ovvero dei tipici pigmenti delle piante, oltre che della clorofilla, pigmento fondamentale per la fotosintesi clorofilliana.

Le sue scoperte nel campo dei pigmenti vegetali gli valgono nel 1915 il premio Nobel per la chimica con la seguente motivazione: “for his researches on plant pigments, especially chlorophyll” (fonte: https://www.nobelprize.org/nobel_pr…)

Il lavoro pioneristico di Willstätter gli consentì di capire che esistono diverse forme di clorofilla e che sebbene isolate da piante diverse, esse sono identiche in tutti gli organismi vegetali.

Infine, riuscì a capire che esiste una relazione tra clorofilla ed emoglobina.

Approfondimenti

http://curba.racine.ra.it/local/bio…

https://www.nobelprize.org/nobel_pr…