Chimica e bufale. In che modo la chimica ci può aiutare a comprendere le mezze verità, le leggende, i miti, insomma quelle che in rete vengono identificate come bufale? Ne parlo in Frammenti di Chimica.
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Vi siete mai chiesti come mai per lavare qualcosa bisogna usare il sapone e, preferibilmente, acqua calda? È tutta questione di chimica fisica.
Più volte ho scritto in merito all’acqua ed alle sue proprietà. Per esempio, qui e qui potete leggere in merito alle proprietà dei legami a idrogeno, qui in merito al ruolo dei legami a idrogeno nell’innalzamento ebullioscopico, qui trovate il significato di pH e la sua dipendenza dalla temperatura.
La chimica dei saponi
Il funzionamento dei saponi è molto semplice e lo ho già descritto qui, quando ho parlato di acqua micellare. In sintesi, un sapone è fatto da molecole anfifiliche, ovvero che hanno caratteristiche sia idrofiliche che idrofobiche. In particolare, le molecole si arrangiano in modo tale da permettere che le teste idrofiliche, rimanendo a contatto con l’acqua, isolino dall’acqua le code idrofobiche che non hanno con essa una buona affinità (Figura 1).
Figura 1. Struttura di una micella. Le teste idrofiliche formano una “pellicola” che separa le code idrofobiche dal contatto con l’acqua (Fonte)
La natura delle micelle è tale da “indebolire” i legami a idrogeno dell’acqua con la conseguenza che si riduce la tensione superficiale del liquido stesso (Figura 2).
Figura 2. La tensione superficiale permette alle zanzare di “camminare” sull’acqua (Fonte)
La riduzione della tensione superficiale consente alle molecole di acqua di penetrare meglio all’interno dei pori dei tessuti degli abiti o della pelle (in generale di tutti i sistemi porosi) così da permettere alle micelle del sapone di interagire meglio con lo sporco.
Quando ciò accade, le micelle “inglobano” lo sporco nella parte idrofobica mentre le teste polari a contatto con l’acqua fanno in modo che lo sporco venga trascinato via dall’acqua stessa (Figura 3).
Figura 3. Funzionamento dei saponi. I punti rossi sono le teste idofiliche, i bastoncini gialli sono le code idrofobiche (Fonte)
Cosa c’entra la temperatura?
Ormai anche le pietre sanno che l’acqua è una molecola polare. La polarità dell’acqua è dovuta alla distribuzione degli elettroni all’interno della stessa molecola. Essa è tale che il centro delle cariche negative è preferenzialmente localizzato sull’ossigeno, mentre quello delle cariche positive sugli atomi di idrogeno (Figura 4).
Figura 4. Distribuzione della densità elettronica nella molecola di acqua (Fonte)
Alla polarità della molecola di acqua, in genere, si attribuisce la “responsabilità” dei legami a idrogeno summenzionati. La polarità dell’acqua è legata anche a quella che si chiama costante dielettrica. La costante dielettrica è una misura della capacità delle molecole di un mezzo (in questo caso l’acqua) di allineare il proprio dipolo elettrico secondo le linee di forza di un campo elettrico applicato (Figura 5).
Figura 5. Orientamento del dipolo acqua all’interno di un campo elettrico. Il centro delle cariche positive del dipolo si orienta verso il polo negativo mentre quello delle cariche negative si orienta verso il polo positivo (Fonte)
Più elevata è la costante dielettrica, più facilmente le molecole si allineano al campo elettrico applicato.
Da un punto di vista sperimentale, la costante dielettrica dell’acqua riduce di circa 80 volte la forza con cui interagiscono gli ioni presenti in un composto chimico. È per questo motivo che i sali tendono a sciogliersi bene in acqua.
Il valore della costante dielettrica è anche una misura della tensione superficiale del sistema liquido per cui esso è misurato. Più elevato è il valore di questa costante, maggiore è la tensione superficiale del liquido.
La Figura 6 mostra come varia il valore della costante dielettrica dell’acqua al variare della temperatura. In parole povere, l’aumento della temperatura comporta una diminuzione della costante dielettrica, ovvero una diminuzione della polarità dell’acqua ed una riduzione della sua tensione superficiale.
Figura 6. Variazione della costante dielettrica relativa dell’acqua con la temperatura
Come già spiegato nel paragrafo precedente, la riduzione della tensione superficiale permette all’acqua di “interagire” meglio con la superficie dei mezzi porosi (per esempio la pelle o un tessuto di un abito).
Conclusioni
L’uso combinato dei saponi e dell’alta temperatura permette una drastica riduzione della tensione superficiale dell’acqua aumentandone la capacità pulente. L’aumento della temperatura consente anche di sterilizzare gli “oggetti” che vengono lavati. La sterilizzazione, naturalmente, ha luogo solo se i microorganismi che contaminano gli oggetti non sono termofili, ovvero in grado di resistere alle classiche temperature usate negli elettrodomestici di casa (gli organismi termofili sono in grado di resistere anche a temperature di 80-90 °C).
Simpatico, vero, l’effetto della temperatura sulle proprietà dell’acqua?
Quanti di noi hanno sentito parlare dei gas tossici usati tra la fine degli anni ottanta e l’inizio dei novanta del XX secolo da Saddam Hussein per sterminare i Curdi (qui)? E quanti ricordano l’attentato alla metropolitana di Tokyo nel 1995 le cui vicende giudiziarie si sono concluse solo qualche giorno fa con la morte dei responsabili (qui)?
Non voglio discutere dell’etica nell’uso delle armi. Non è il compito che mi sono dato nella gestione di questo blog. Oggi voglio semplicemente descrivere i meccasnismi con cui i gas nervini funzionano sull’organismo umano prendendo spunto da un articolo apparso su American Scientist (May-June 2018, pp. 138-140; qui).
Sapete cos’è la nicotina? È la molecola mostrata in Figura 1.
Si tratta di un alcaloide la cui funzione all’interno delle piante che lo producono è di tipo difensivo. Serve, in altre parole, per la protezione dai predatori. Ma qual è la relazione tra i gas nervini e la nicotina?
Erano gli anni ‘30 del XX secolo. In Italia era già presente il fascismo e da poco in Germania era salito al potere Hitler col suo partito nazionalsocialista.
Gli scienziati tedeschi erano alla ricerca di insetticidi alternativi alla nicotina. Nei laboratori chimici si sperimentavano nuove reazioni di sintesi e da una di queste venne ottenuto il (RS)-2-(fluoro-metil-fosforil)ossipropano che è più noto col nome comune di Sarin (Figura 2).
Il nome comune di questo biocida deriva da quello dei chimici che per primi lo sintetizzarono: Schrader, Ambros, Rüdiger e Van der Linde.
La molecola è un derivato organo fosfato, volatile ed incolore, del 2-propanolo che, fin da subito, mostrò enormi potenzialità biocide. Potenzialità talmente buone che risultò troppo tossico, anche per gli umani, per gli usi in agricoltura. Per questo motivo la descrizione del processo di sintesi fu passata ai chimici della Wehrmacht che cercarono fin da subito di industrializzarne la produzione per l’ottenimento di un’arma di distruzione di massa micidiale.
Sappiamo come è finita la seconda guerra mondiale. Per fortuna i tedeschi non furono in grado di produrre il Sarin in quantità belliche ed alla caduta del Reich millenario non avevano ancora risolto il problema di come passare la produzione dalla scala di laboratorio a quella industriale. Si racconta che durante il tentativo di upgrade alla sintesi industriale, due chimici della Wehrmacht fossero venuti a contatto con questo liquido volatile attraverso dei microstrappi nelle loro tute di protezione e siano morti. Questo episodio sembra sia stato poi alla base per la comprensione dei meccanismi di azione del Sarin.
La ricerca di alternative alla nicotina, portò gli scienziati tedeschi non solo alla sintesi del Sarin, ma anche a quella del N,N-Dimetilfosforamidocianidato di etile meglio noto col nome comune di Tabun (Figura 3).
Anche questo sistema chimico risultò troppo tossico per l’uso in agricoltura e la descrizione del suo processo di sintesi fu passato ai chimici dell’esercito Tedesco. Come nel caso del Sarin, gli scienziati della Wehrmacht non furono in grado di operare l’upgrade alla scala bellica del Tabun che non fu mai operativamente utilizzato nella seconda guerra mondiale contro gli alleati (qui e qui degli articoli interessanti sul ruolo dei chimici nazisti nella seconda guerra mondiale, mentre qui si trovano un po’ di articoli interessanti sull’invenzione delle armi di distruzione di massa, come oggi vengono indicati i gas a scopo bellico).
Dagli anni ’30 del XX secolo ad oggi, sono stati fatti notevoli progressi in termini di efficienza dei gas nervini (da qui, potete scaricare una interessante review in merito ai gas nervini: Wiener and Hoffman (2004) Nerve Agents: A Comprehensive Review, Journal of Intensive Care Medicine 19: 23-38).
Dal Sarin e dal Tabun si è passati ai Novichock agents (anche indicati con la sigla VX) la cui struttura non è ancora ben nota. In Figura 4 si riportano ipotesi di struttura per i gas VX.
Figura 4. Possibili strutture degli agenti nervini indicati con la sigla VX (Fonte)
Come funzionano i gas nervini?
Uno degli enzimi più importanti nel nostro metabolismo legato alla trasmissione degli impulsi nervosi è l’acetilcolinesterasi (AChE, Figura 5).
Figura 5. Acetilcolinesterasi, enzima coinvolto nella trasmissione degli impulsi nervosi (Fonte)
Il ruolo dell’AChE è quello di idrolizzare (in termini più semplici “distruggere”) l’acetilcolina (ACh, Figura 6), un neurotrasmettitore che, quando si accumula nelle sinapsi o nelle giunzioni neuromuscolari, causa:
contrazione delle pupille
eccessiva produzione di muchi, lacrime, saliva e sudore
nausea e dolori gastrointestinali
broncocostrizione e irrigidimento del torso
spasmi, convulsioni e perdita del controllo delle funzioni intestinali
coma
morte
Figura 6. Struttura chimica del neurotrasmettitore acetilcolina (Fonte)
Il processo di idrolisi dell’acetilcolina ad opera dell’acetilcolinesterasi è mediato dalla presenza di due siti attivi nell’enzima: il primo (un sito con caratteristiche anioniche, ovvero carico negativamente) serve per posizionare (attraverso l’interazione con la carica positiva che vedete nella Figura 6) l’acetilcolina nel modo giusto accanto al secondo sito che funziona da “forbice” per “tagliare” la molecola nel punto indicato dalla freccia di Figura 6.
La reazione complessiva è, quindi, quella che vedete in Figura 7
Figura 7. Schema dell’idrolisi dell’acetilcolina
I gas nervini competono con l’acetilcolina per i siti attivi dell’acetilcolinesterasi (bello, vero, scritto così? significa che i gas nervini si legano all’acetilcolinesterasi al posto dell’acetilcolina), impedendo in questo modo la reazione di Figura 7 e consentendo l’accumulo di ACh nelle sinapsi e nelle giunzioni neuromuscolari con le conseguenze descritte poco più sopra.
Conclusioni
La morte per inalazione o contatto con gas nervini non è bella. Ci si rende conto della propria fine e, se non si utilizzano in tempo gli antitodi necessari a rompere le molecole di gas nervino, si muore soffrendo parecchio.
A margine di questa conclusione a cui si può arrivare intuitivamente leggendo le poche cose che ho scritto, voglio semplicemente aggiungere che tutto quello che ho scritto (sicuramente in modo semplicistico e non completo) è parte del bagaglio culturale di ogni chimico, biologo, medico o professionista del settore “scienze della vita” (per es. anche farmacisti e CTF) che, nel corso dei suoi studi, ha avuto a che fare con la biochimica.
Se la biochimica ci consente di spiegare in modo dettagliato il funzionamento di queste terribili armi chimiche, non si capisce perché stuoli di ignoranti imperversano in rete dispensando consigli non solo inutili ma anche palesemente falsi, perchè basati su nessuna conoscenza o su pseudo scienza, in merito al funzionamento di vaccini, omeopatia, scie chimiche e altre baggianate del genere.
La biochimica, cari i miei ignoranti, si studia all’università. È grazie al suo sviluppo ed alla sua evoluzione che noi oggi siamo in grado di vivere mediamente fino ad ottanta anni contro i 30/40 di un secolo fa.
Prima di dire idiozie in merito al funzionamento dei vaccini o pontificare sulla biodinamica e sull’omeopatia, studiate. Solo dopo aver studiato ed aver capito le basi del metabolismo animale avete il diritto di parlare. Prima di allora non avete alcun diritto di confrontarvi con chi ne sa più di voi il cui unico titolo di studio in termini chimici, biologici e medici è equivalente al vostro certificato di battesimo.
Ebbene sì. Mi son trovato in una pizzeria del Nord Italia. Una di quelle pizzerie che vanno per la maggiore, un po’ chic (in realtà lo era, ora è una pizzeria come tante altre) e tanto bio. Non è che io mi faccia infinocchiare dalla storia del bio. So perfettamente che è solo marketing: quelli che pensano che i prodotti bio siano migliori a livello nutrizionale sono tanti ed hanno soldi; ma allora perché non dar loro quello che vogliono e far transitare i soldi dalle loro tasche a quelle dei venditori di fumo?
Ma andiamo con ordine.
Pizzeria del Nord Italia; tutto bio; famosa per fare pizze molto buone. Mi accomodo e mi viene fornito un menu. E cosa ti leggo? Guardate un po’ qui (Figura 1)
Figura 1. Dettaglio del menu in una pizzeria del Nord Italia in cui si evidenzia la possibilità di avere acqua a basso residuo fisso ed alcalina
Ora, passi per i succhi di frutta e le bevande con un po’ di succo e tanta anidride carbonica, ma come è possibile mettere tra le bibite “bio” anche l’acqua naturale e l’acqua frizzante? Esiste un’acqua non bio, forse? E la cosa più simpatica è che per attirare i gonzi (onestamente non so se quelli che lavorano lì credano veramente a queste scemenze) l’acqua naturale (che regalano loro; ma come sono generosi!) è alcalinizzata. Sì, avete letto bene. Nelle mie peripezie ho finalmente trovato un locale che fornisce agli avventori acqua alcalinizzata. Potevo non assaggiarla? Ma certo che l’ho presa, tanto più che era regalata; non volevo offendere nessuno rifiutando un cotanto regalo.
cos’è l’acqua alcalina e ionizzata a basso residuo fisso?
Partiamo dal fatto che l’acqua chimicamente pura viene usata solo in laboratorio. È quella che noi chiamiamo acqua iperpura. Vuol dire che oltre alle molecole H2O non contiene niente altro o, se c’è qualcosa, questo non è rilevabile con le tecniche analitiche di cui disponiamo. Questa acqua da laboratorio non è potabile. E sapete perché? Perché quando la ingeriamo viene a contatto con le pareti cellulari delle nostre cellule. Nella parte interna delle cellule c’è una soluzione acquosa in cui c’è di tutto: dalle sostanze organiche disciolte ai sali minerali. La membrana cellulare quindi si trova circondata da un lato da una soluzione molto concentrata di soluti di natura differente, dall’altro da acqua che contiene soluti a concentrazioni analiticamente non rilevabili. Sapete cosa accade? Accade che l’acqua che sta fuori, quella da laboratorio, tende a penetrare attraverso la membrana cellulare per diluire la concentrazione dei soluti presenti nella soluzione all’interno della cellula. Il processo si chiama osmosi (Figura 2).
Figura 2. Rappresentazione schematica dell’osmosi (Fonte)
Il processo osmotico consiste, quindi, nella diluizione della soluzione più concentrata da parte di quella meno concentrata. Il passaggio del solvente attraverso la membrana termina quando le concentrazioni da entrambi i lati della membrana sono uguali. C’è un “ma”. La differenza di concentrazione tra la zona interna e quella esterna alla cellula, genera una differenza di potenziale osmotico così elevata che la membrana cellulare si rompe. Occorre, cioè, quella che si chiama lisi cellulare. In termini più umani come possiamo trasporre in immagini più immediate quello che ho scritto? L’acqua iperpura che abbiamo ingerito è a diluizione infinita (significa che non c’è nulla dentro, ovvero, nel linguaggio scientifico, non è possibile determinare la presenza di soluti). Questo vuol dire che il processo osmotico descritto sopra continua fino a quando anche la soluzione all’interno della cellula diventa infinitamente diluita. In altre parole, l’acqua continua a passare all’interno della cellula gonfiandola. La cellula si può gonfiare fino a un certo punto come un palloncino. Dopo un certo limite scoppia. Ora capite che se ingeriamo l’acqua iperpura che usiamo in laboratorio rischiamo la morte per lisi cellulare. L’acqua che noi beviamo, in realtà, non è iperpura, ma contiene delle sostanze disciolte in quantità variabile in funzione della sorgente dell’acqua stessa. Il residuo fisso di cui si parla in Figura 1 non è altro che la quantità di materiale inorganico che è presente nell’acqua e che si rileva per differenza in peso dopo aver sottoposto una quantità nota di acqua ad un trattamento termico in stufa a 180 °C. Il residuo fisso non è un problema in termini di potabilità. Anzi, la sua presenza ci consente di dire che l’acqua che beviamo è sicura perché non innesca i processi descritti sopra. Ricordo che la potabilità dell’acqua non è solo chimica ma anche biologica; un’acqua chimicamente potabile potrebbe non esserlo microbiologicamente. Questo vuol dire che sto facendo un discorso non completo perché mi sto concentrando solo sulla composizione in termini chimici dell’acqua e non sulla presenza o meno di microorganismi.
Il residuo fisso è nocivo per la salute?
”Ma manco pe gniente” come direbbero in un improbabile dialetto. Tutto quello che leggete in merito ai danni sulla salute del residuo fisso sono sciocchezze messe in giro da gente che, molto probabilmente, non ha alcuna conoscenza chimica o, se ne ha, essa è abbastanza scarsa. Basta leggere, per esempio, il sito della Fondazione Veronesi o quello delle acque minerali italiane. In questo ultimo sito potete leggere che esistono delle acque con elevatissimo residuo fisso che vanno assunte sotto controllo medico. Alla luce di quanto ho spiegato sopra, si può capire perché. Se la concentrazione salina è troppo alta, la membrana cellulare si trova all’interfaccia di una soluzione poco concentrata, quella interna alla cellula, ed una molto concentrata, all’esterno della cellula. Il passaggio dell’acqua attraverso la membrana in base al meccanismo osmotico descritto, avviene dall’interno all’esterno della cellula. La conseguenza è ancora una volta la lisi cellulare ed il rischio di morte. Avete capito perché non possiamo bere l’acqua di mare? In definitiva le acque potabili che noi utilizziamo hanno un residuo fisso variabile in funzione della sorgente da cui preleviamo l’acqua. Se il residuo fisso è entro i limiti dei 1500 mg/L non ci sono problemi di sòrta (qui per i limiti del residuo fisso).
E l’acqua ionizzata alcalina?
Vi ricordate questa scena del film “Amici miei”?
Ecco. Si tratta di una supercazzola.
Uno ione è una qualsiasi specie chimica che ha una carica elettrica positiva (e si chiama catione) o negativa (e si chiama anione). Esistono anche specie chimiche che, pur essendo elettricamente neutre – ovvero non sono né cationi né anioni, sono comunque caratterizzate dalla presenza di cariche. Si tratta degli zwitterioni in cui il numero di cariche elettriche positive eguaglia quello delle cariche elettriche negative col risultato finale di non essere soggetti all’azione di un campo elettrico applicato. Quindi che vuol dire acqua ionizzata? Assolutamente nulla. A meno che questi chimici della domenica non intendano riferirsi all’equilibrio di dissociazione dell’acqua che è:
ed intendano dire che le specie a destra dell’equilibrio descritto siano acqua ionizzata. In realtà questi chimici improvvisati non sanno che quello descritto è un processo di equilibrio che risponde a tutta una serie di parametri di cui ho già discusso tempo fa (qui). Il problema è che oggi va di moda l’acqua alcalinizzata. Banalmente è un’acqua il cui pH è > 7. Questo perché fin dalle scuole elementari viene insegnato che quando il pH < 7 l’acqua è acida, quando pH > 7 l’acqua è basica o alcalina, quando pH=7 l’acqua è neutra. Poiché ho già scritto in merito, non mi ripeto, ma vi invito ad andare a questo link per informazioni dettagliate. Basti solo ricordare che il valore del pH, tra le altre cose, dipende anche dalla temperatura e che non è possibile separare gli ioni H+ da quelli OH- come vogliono farci credere nella Figura 3.
Figura 3. Meccanismo secondo cui sarebbe possibile separare gli ioni H+ da quelli OH- (Fonte)
Perché l’acqua alcalinizzata dovrebbe far bene?
Semplicemente perché un giorno un medico, della cui professionalità dubito fortemente, fece una “scoperta” epocale: le zone limitrofe a tessuti tumorali avevano un pH acido per cui il contrasto del tumore può essere realizzato alcalinizzando il nostro organismo. Avete capito la scemenza? Un medico…cioè uno che avrebbe dovuto studiare la chimica, la biochimica e la fisiologia animale che afferma che è possibile combattere I tumori alcalinizzando i nostri tessuti. Questo bel tipo (taccio nomi e siti web perché non voglio offrire visibilità a questo pseudo scienziato) neanche sa cosa sia un sistema tampone e come lui tutti quegli altri ignoranti che propongono diete alcaline e rimedi alcalini.
Cosa c’è di vero nella relazione tumori-acidità?
Già da tempo è noto che le zone limitrofe di tessuti tumorali sono caratterizzati da un valore di pH acido (un lavoro di riferimento lo trovate qui). Il perché lo potete trovare in un lavoro del 2013 pubblicato su Cancer Cell Journal (qui). I ricercatori giapponesi, responsabili dello studio citato, hanno compreso che l’acidificazione dei tessuti tumorali è dovuta alla secrezione di acido lattico da un processo che si chiama glicolisi anaerobica, oltre che alla CO2 prodotta nella via dei pentoso fosfati. Non sto qui a descrivere i dettagli del lavoro, basti comprendere che questa secrezione non è la causa, ma la conseguenza del tumore. Tuttavia, l’acidificazione sembra inneschi un meccanismo a cascata in base al quale si velocizza la produzione di metastasi (mi scuso con i miei lettori medici se ho usato i termini sbagliati). Capite, ora, che non basta alcalinizzare il nostro organismo per curare I tumori. Prima di tutto perché i nostri tessuti sono dei veri e propri tamponi, quindi rispondono a piccole variazioni di pH in modo da ritornare alle condizioni fisiologiche; in secondo luogo perché anche se fossimo in grado di alterare il pH dei tessuti in modo da neutralizzare l’acido lattico e la CO2 responsabili del microambiente acido intorno alle cellule tumorali, non si risolverebbe la causa che ha innescato quelle alterazioni metaboliche, di cui secrezioni di acido lattico e incremento di CO2 sono la conseguenza. È come voler riparare la perdita di acqua da una tubazione eliminando l’acqua che esce, senza tappare il buco.
Conclusioni
Andate a mangiare la pizza dove vi pare. Quella che ho mangiato io era buonissima. Sappiate però che se vi propongono cose strane, vi vogliono solo prendere soldi senza alcun motivo reale se non un loro personale arricchimento economico. L’arricchimento economico nel caso del locale dove ho mangiato non è certo legato al fatto che mi hanno regalato acqua ionizzata alcalinizzata, ma alla reputazione che guadagnano se questo regalo è fatto a persone ricettive del messaggio naturistico. Queste persone arricchiscono il locale col passaparola. Non è una cosa grave, per carità, l’importante è la consapevolezza di andare in un posto in cui i prezzi sono di un certo tipo perché seguono una moda che di scientifico non ha assolutamente nulla.
Nelle mie lezioni di chimica del suolo c’è una parte del programma che riguarda la chimica dei colloidi. Ogni anno accademico, quando descrivo i colloidi del suolo, alleggerisco la lezione facendo esempi di sistemi colloidali nella vita di tutti i giorni discutendo, tra le altre cose, della schiuma del cappuccino.
Ma andiamo con ordine.
Cos’è un sistema colloidale?
Un sistema colloidale si definisce tale solo in base alle dimensioni delle particelle di soluto che lo costituiscono. Qui sotto una tabella in cui si riportano le dimensioni delle particelle di soluto che ci consentono di distinguere tra soluzioni vere, dispersioni colloidali e sospensioni solide
Sistemi chimici Dimensioni delle particelle di soluto
Soluzioni vere < 2 x 10-9 m (ovvero < 2 nm)
Dispersioni colloidali tra 2 x 10-9 e 2 x 10-6 m (cioè tra 2 nm e 2 μm)
Sospensioni solide > 2 x 10-6 m (ovvero > 2 μm)
Un sistema colloidale può essere del tipo liquido-solido (come, per esempio, nel caso della soluzione suolo in cui i minerali argillosi, delle dimensioni indicate in tabella, sono disperse nell’acqua dei suoli), liquido-liquido (come, per esempio, nel caso delle microgoccioline di olio disperse in acqua o della maionese), gas-liquido (come, per esempio, nel caso della panna montata, dei gelati o del cappuccino, di cui si dirà fra poco) e gas-gas (come, per esempio, nel caso della dispersione di microgocce di acqua in aria così da costituire la nebbia).
Per convenzione si ritiene che una dispersione colloidale sia stabile quando il tempo di flocculazione è > 2 h, ovvero se ci vogliono più di due ore prima che cominci la flocculazione. Quest’ultima consiste nel processo di aggregazione delle diverse particelle colloidali che, dopo il raggiungimento di certe dimensioni limite, risentono più della forza di gravità che delle forze di dispersione. Nel caso di particelle colloidali cariche elettricamente, le forze di dispersione sono le repulsioni elettrostatiche e le dispersioni vengono indicate come elettrocratiche. Nel caso di soluti neutri, le forze di dispersione dipendono dalle interazioni soluto-solvente e le dispersioni vengono indicate come solventocratiche.
La schiuma del cappuccino
Alla luce delle poche cose scritte, si evince che la schiuma del cappuccino è una dispersione colloidale di un gas in un liquido. Il liquido è il latte usato per il cappuccino, mentre il gas è costituito dall’aria e dal vapor d’acqua usati per montare il latte. Le goccioline di aria possono formare una dispersione colloidale nel latte grazie alla presenza in esso di surfattanti1, ovvero di molecole in grado di abbassare la tensione superficiale2 del liquido in cui esse sono presenti. La caratteristica chimica più importante dei surfattanti è l’anfifilicità, ovvero la presenza nella struttura sia di gruppi idrofili che di gruppi idrofobi. Nel latte queste molecole sono le proteine (di cui le caseine rappresentano l’80% del totale proteico) ed i fosfolipidi (che mediamente sono lo 0.8% della massa grassa).
Quando il latte viene insufflato col vapore acqueo mediante l’utilizzo di una tipica macchina da bar (Figura 1), si forma una schiuma in cui goccioline di gas delle dimensioni comprese tra 2 nm e 2 μm sono disperse nel mezzo liquido.
Figura 1. Macchina da caffè per bar. In fondo a destra c’è il cannello usato per insufflare aria e vapore acqueo nel latte per la preparazione del cappuccino (Fonte)
La stabilità di questa schiuma dipende dalla concentrazione relativa di surfattanti. Più essa è elevata, più la schiuma è stabile, ovvero le goccioline di gas non si uniscono a formare gocce più grandiche si allontanano dalla bevanda3. È per questo motivo che più è bassa la concentrazione di grassi come i trigliceridi che non sono surfattanti e rappresentano circa il 90% della massa grassa del latte, e più persistente è la schiuma o “cappuccio” del caffé. Tuttavia, l’uso del latte scremato o parzialmente scremato produce un cappuccino non molto gustoso; è meglio usare un latte intero per avere una bevanda migliore in termini di sapore, sebbene con una schiuma meno persistente.
È importante la temperatura del latte?
Chi ha familiarità con la chimica, come i miei studenti, avrà sicuramente sentito dire che la solubilità di un gas in un liquido dipende sia dalla pressione esercitata dal gas sulla superficie del liquido che dalla temperatura.
Più alta è la pressione del gas sulla superficie del liquido, maggiore è la quantità di gas disciolta (Figura 2).
Figura 2. Più alta è la pressione del gas sulla superficie del liquido, maggiore è la quantità di gas disciolta in soluzione (Fonte)
All’aumentare della temperatura la quantità di gas disciolto in un liquido diminuisce (Figura 3).
Figura 3. Dipendenza della solubilità di un gas dalla temperatura (Fonte)
Alla luce di quanto appena scritto, appare chiaro che per avere una schiuma consistente per il cappuccino occorre sciogliere quanto più gas possibile. Questo si può realizzare se il latte viene preso direttamente dal frigorifero e se il bricco entro cui si prepara la schiuma è freddo.
Quanto appena scritto è la lezione di chimica del cappuccino che faccio ad ogni barista nuovo che si mette dietro al bancone nel bar di fronte al mio dipartimento. Lo so, sembro arrogante, ma ci tengo a bere un buon cappuccino la mattina. Il latte e caffè me lo faccio da solo a casa e non ho bisogno del bar per questo. Buon cappuccino a tutti
Note
Per quei chimici che hanno il vezzo del purismo della lingua italiana: il termine “surfattante”, anche se non piace, esiste nel dizionario di italiano ed è sinonimo di “tensioattivo”. Esso è entrato nell’uso comune e non è più da considerarsi errore o cattiva traduzione dell’inglese surfactant che è l’acronimo di surface active agent. (Surfattante nel dizionario Treccani)
La locuzione “tensione superficiale” si riferisce alle forze di coesione che, all’interfaccia liquido-gas, tengono unite le molecole del liquido alla superficie del liquido stesso. In termini quantitativi, la tensione superficiale è la forza necessaria a tener uniti i lembi di un ipotetico taglio fatto sulla superficie del liquido. All’aumentare della temperatura, le forze di coesione che tengono unite le molecole alla superficie del liquido diminuiscono di intensità e la tensione superficiale diminuisce.
Le microparticelle di soluto tendono ad unirsi ed a formare aggregati a dimensione progressivamente maggiore per diminuire l’area superficiale a contatto col mezzo liquido in cui esse sono insolubili. Per questo motivo, nel tempo, tutte le dispersioni colloidali tendono a subire una separazione di fase: le emulsioni olio-acqua tendono a formare una fase acquosa sul fondo ed una fase organica sulla superficie; la maionese tende a formare uno strato di olio superficiale per effetto della separazione di quest’ultimo dalla fase acquosa; le sostanze umiche (acidi umici, fulvici ed umina) tendono ad aggregarsi ed a flocculare; etc etc.
Conoscete Stradivari? Beh, chi non conosce il famoso liutaio i cui strumenti sono entrati nella leggenda? Fino a qualche tempo fa si diceva che Stradivari avesse un segreto ben custodito che gli consentiva di ottenere strumenti musicali dalle caratteristiche eccezionali. Certamente la scelta di materiali di ottima qualità gioca un ruolo importantissimo nella definizione del suono di uno strumento, Ma come mai ancora oggi tali strumenti conservano intatte le loro caratteristiche rendendoli ineguagliabili e preziosissimi?
All’inizio di quest’anno è apparso su PNAS (rivista molto prestigiosa in ambito scientifico) un articolo in cui gli autori spiegavano che la conservazione della qualità degli strumenti di Stradivari era legata ai processi messi in atto dal liutaio in fase di costruzione e di rifinitura di ognuno di essi. Potete trovare qui il lavoro su PNAS e qui una breve sintesi dello stesso in italiano.
Devo aggiungere con tanto orgoglio per tutta una serie di questioni che vanno al di là della semplice appartenenza istituzionale, che è stato recentemente pubblicato su Journal of Polymer Science, Part A: Polymer Chemistry un lavoro a primo nome di un mio carissimo amico, Alberto Spinella, in cui, per la prima volta, vengono delucidati i meccanismi alla base delle resine che Stradivari ha usato per assicurare la conservazione dei suoi famosissimi strumenti musicali. Il lavoro originale lo potete trovare a questo link. Purtroppo non esiste una sintesi in Italiano perché le riviste di divulgazione scientifica generaliste italiane non sembrano interessate a lavori pubblicati su riviste meno impattate di Nature, PNAS o Science. È un vero peccato perché si trovano lavori innovativi anche su riviste meno quotate di quelle citate ma col difetto di essere un po’ troppo tecnici per quelle summenzionate.
Ma veniamo ai dettagli.
Alberto è un ottimo NMR-ista. Come me si occupa, cioè, di risonanza magnetica nucleare. Io applico la tecnica ai comparti ambientali, Alberto la applica ai materiali.
Con la collaborazione di colleghi dell’universitã di Pavia, ha messo a punto una serie di esperimenti grazie ai quali ha potuto stabilire la composizione esatta delle vernici usate da Stradivari costituite da olio di semi di lino e colofonia. Quest’ultima è una resina che si ottiene dalla distillazione delle trementine ed il cui componente principale è l’acido abietico (Figura 1).
Figura 1. Acido abietico, principale costituente della colofonia
Quando colofonia ed olio di semi di lino vengono mescolati in rapporti differenti e riscaldati ad una temperatura di 270 °C si realizza una reazione di esterificazione simile a quella descritta nella Figura 2.
Figura 2. Reazione di esterificazione tra un componente dell’olio di semi di lino e l’acido abietico, componente della colofonia
Tra tutte le possibili miscele, quella 25 : 75 (colofonia : olio di semi di lino) è la più simile alla vernice usata da Stradivari. Perché proprio quel rapporto e non un altro? Perché quel rapporto rappresenta il rapporto stechiometrico 1 : 1 tra i reagenti riportati in Figura 2 ed è quello che assicura la massima protezione dall’invecchiamento dei legni usati per la fabbricazione degli strumenti del liutaio Cremonese.
Quando si dice la chimica al servizio della musica. Interessante, vero?
Qualche giorno fa è stato annunciato il premio Nobel per la chimica. Ne ho parlato qui. Si tratta del contributo al miglioramento della microscopia crio-elettronica, una tecnica molto utile in campo biochimico.
Come ogni anno, il mondo scientifico si stringe intorno ai vincitori di questo ambito riconoscimento e fioccano informazioni ed iniziative in merito alla biografia dei vincitori o all’importanza della loro scoperta.
Una delle iniziative più interessanti, a mio avviso, è quella di avere la possibilità di leggere i lavori che hanno consentito l’attribuzione del Nobel in originale. Come docente universitario, ricevo costantemente lettere di ogni tipo da case editrici di ogni tipo. La sorpresa stamattina è stata quella di trovare una lettera dalla Elsevier, una delle case editrici più importanti in ambito scientifico.
È, quindi, con enorme piacere che ricevo e condivido, la lettera della Elsevier con il link ai lavori più significativi dei tre vincitori del premio Nobel per la Chimica 2017. Eccola nella versione online: link
Cliccando su “read more” si apre una pagina da cui si possono leggere/scaricare i lavori suddetti gratuitamente.
Vi siete mai chiesti da dove originano i nomi degli elementi? Di tanto in tanto me lo sono chiesto anche io. Quando insegnavo la chimica generale e la chimica organica, era divertente sbalordire gli studenti con aneddoti curiosi e carini. Smorza la tensione per la lezione oggettivamente pesante e consente di andare avanti con più leggerezza.
Uno degli aneddoti che mi piaceva raccontare, ancora oggi lo faccio se ne ho la possibilità, è quello relativo all’azoto.
L’azoto è un elemento molto importante in natura. E’ presente in tantissimi composti organici che assolvono a funzioni metaboliche importantissime. E’ presente nelle proteine, nel RNA, nel DNA, in molte sostanze che i chimici definiscono composti naturali e compagnia cantando.
Ma perché si chiama azoto? Il nome è stato coniato da Lavoisier (https://it.wikipedia.org/wiki/Antoine-Laurent_de_Lavoisier) in Francia: “azote”. Significa “senza vita”. Deriva dal greco in cui al termine “zotos” (che viene da zoe, vivere) si associa la alfa privativa, da cui “a-zoto”, ovvero “azoto”. Sembra un paradosso, vero? Un elemento che è fondamentale per il metabolismo, ovvero per i processi alla base della vita, porta un nome che si riferisce alla morte.
Beh, ai tempi di Lavoisier non si conoscevano certo le molecole come si conoscono oggi. Non si conosceva l’importanza di questo elemento nei metaboliti. Si sapeva però che una atmosfera privata di ossigeno provocava la morte, da cui il termine “azote” che in Italiano è diventato “azoto”.
Ma se il nome è “azoto”, perché ha simbolo “N”?
In realtà,questo elemento ha un nome con doppia etimologia. Il termine “azoto” è usato prevalentemente nei paesi non anglosassoni.
Nei paesi anglosassoni “azoto” è indicato con “nitrogen”. Il nome fu coniato nel 1790 da Chaptal (https://it.wikipedia.org/wiki/Jean-Antoine_Chaptal), un altro chimico francese, che capì che l’elemento era uno dei costituenti del nitrato di potassio, un sale, comunemente noto come “salnitro” ed usato come sapone ai tempi dei Romani. “Nitro”-“gen” vuol dire quindi “genitore” del “nitron”, laddove “nitron” è l’antico nome del nitrato di Potassio.
In definitiva benché Paperino in questa vignetta http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.… si riferisca ad un certo “nitrogeno” commettendo un errore che molti chimici ritengono grave perché in Italiano N = azoto, posso dire che, in realtà, si tratta solo di un errore veniale perché sia “azoto” che “nitrogeno” sono i nomi che possiamo attribuire all’elemento di simbolo “N” con numero atomico 7 e peso atomico 14 g/mol.
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