CHIMICA sperimentale

Mi trovo a possedere un po' di tornasole, quello classico, vegetale.
Si tratta di una vecchia tintura di chissà quanti anni fa, la quale, inusata da altrettanto tempo, ho voluto far risorgere per un attimo agli onori del pH, vista anche la bella giornata di fine inverno che mi ha permesso di fare un paio di foto.
Per chi non lo sapesse (che ci sia qualcuno?) il tornasole è un indicatore, cioè una sostanza che cambia colore a seconda dell'acidità, neutralità o basicità dell'ambiente in cui si trova: in sostanza indica il pH della soluzione.
I meno giovani avranno forse visto le vecchie "cartine", delle striscette di carta di colore tra il rosa e il viola chiaro che venivano usate nei laboratori scolastici per la verifica del pH, quando i fondi per i laboratori di chimica c'erano perfino per la scuola media...

L'ho chiamato indicatore fuori moda perchè ormai è un ausilio chimico assolutamente obsoleto, sostituito produttivamente da molti altri indicatori molto più selettivi nel range di pH da controllare, e soprattutto dalle comodissime "cartine universali": sono dei lunghi rotolini di carta assorbente imbevuta di una speciale miscela di indicatori che cambiano una varietà di colori in un range molto ampio, tant'è che dalla tonalità di colore assunta si può apprezzare il valore del pH di una soluzione a step di una unità, da 1 a 12 e in un campo più ristretto anche con maggior definizione.

Il tornasole (come quasi tutti gli indicatori singoli) ha due tonalità di colore: è rosso sotto pH 4,5 e viola-bluastro sopra pH 8,3; tra i due valori, cioè circa alla neutralità, è un brutto rosa smorto.

Questa sostanza naturale è un colorante ricavato da molti vegetali diversi della famiglia dei licheni, a seconda della zona geografica; principalmente si ricavava dalla Roccella tinctoria, che è un lichene diffuso dall'area mediterranea a quella nordica.
Da questi licheni, fatti fermentare in bagni basici o ammoniacali (è interessante notare come nei secoli passati l'urina fosse un prodotto molto usato in preparazioni le più varie) si estraeva un tempo l"oricella", un colorante viola usato fin dal XVI secolo per tingere seta e lana.

Il principio colorante fondamentale di questi prodotti è il 7-idrossifenoxazone e suoi derivati, ma sono presenti molti altri costituenti, come le orceine, che sono molecole di 3,5-diidrossitoluene legato variamente al 7-idrossifenoxazone.

Non sono riuscito a trovare una giustificazione certa dell'etimologia del nome italiano tornasole e francese (tournesol); il prefisso "torna" esprime chiaramente il senso di "voltare, girare" come i girasoli si volgono verso il sole, come del resto ricorda anche il prof. Guilizzoni nella sua "Etimologia di alcuni termini scientifico-tecnici".
Ma perchè un così chiaro riferimento ai girasoli, piante estremamente diverse dalla Roccella mi rimane ignoto.
Molto più convincente è invece l'interpretazione per le lingue anglosassoni e nordiche, che lo chiamano litmus: dal vichingo "lit-mosi" (inglese litr "dye" e mosi "moss"), cioè "muschio colorante".
Il nostro arcaico termine "laccamuffa" con il quale si chiamava talvolta il tornasole, deriva sicuramente da questo termine nordico.
Questo storico indicatore, perso terreno nei laboratori chimici e negli opifici tintori, ne ha guadagnato altrettanto nel comune linguaggio per trasposizione figurata, tanto che oggi è diventato comune il modo di dire "cartina di tornasole" per indicare qualcosa che indica o meno lo stato d'essere di una situazione, magari anche politica.

Strana sorte per questa sostanza! Ma guardiamola qui sotto nella sua veste chimica più consona: le tre provette sono rispettivamente acida, basica e neutra, e questi sono i colori reali (che a dire il vero non sono un granchè) del vero tornasole.

Siamo in periodo di Carnevale (chimico, s'intende...): perchè non far sfilare virtualmente delle mascherine in costume d'epoca, travestite da Acque storiche?
Infatti c'è acqua e acqua nella vecchia chimica dei miei post: anzi ce ne sono tante!
Andiamo a dare un'occhiata...

Faccio marciare queste "Acque storiche" così come me le sono ricordate, più o meno secondo l'uso che di questa "acqua" si faceva; non è detto che siano tutte formate letteralmente da H₂O, (anzi nessuna lo è del tutto)  e nemmeno che siano completamente obsolete: qualcuna di esse si usa ancora ed ha conservato il nome originale. Immaginiamocele vestite come meglio ci pare: taca banda!

LE ACQUE ALOGENATE

Le soluzioni acquose degli alogeni sono abbastanza importanti per la chimica analitica:

Acqua di cloro: è una soluzione di due volumi di cloro Cl₂ in un volume di acqua (il cloro è poco in peso!); si forma un equilibrio ionico di Cl-, H+ e ClO-. Ha le stesse proprietà ossidanti del cloro gassoso, ma in forma blanda e maneggevole.

Acqua di bromo: bella soluzione di colore rosso aranciato al 3% di Br₂; usata soprattutto in chimica organica per il riconoscimento dei doppi legami, ai quali il bromo si lega con conseguente decolorazione del reattivo.

Esisteva anche una sfuggente Acqua di iodio, utile per la conferma analitica dei bromuri col metodo all'argento.

LE ACQUE "ALCALINO-TERROSE"

Chiamo in questo modo le soluzioni acquose degli idrossidi dei metalli alcalino-terrosi.

Acqua di calce: soluzione allo 0,5% di idrossido di calcio, Ca(OH)2; serve/serviva come liquido alcalino in varie occasioni, in arte, nel restauro, per regolare il pH degli acquari, ecc.

Acqua di barite: soluzione al 5% di idrossido dai bario, Ba(OH)₂; può essere ancora utile per la rivelazione o la conferma della presenza di anidride carbonica in un gas: il Ba(OH)₂ in presenza di anidride carbonica (CO₂) si trasforma in carbonato di bario BaCO₃ insolubile e ben visibile.

Per completezza c'era una volta anche la più esotica e suggestiva Acqua di stronziana, Sr(OH)₂, di usi analoghi, dove il metallo alcalino-terroso è il simpatico Stronzio.

LE ACQUE MEDICINALI

Le acque ad uso di farmacopea sono infinite se ci si vuol riferire anche ai decotti e soluzioni di sostanze curative di origine per lo più vegetale; in questa sede voglio ricordare invece solo un paio di acque prettamente chimiche, la cui presenza nelle domestiche "farmacie" risale fino a non molti decenni fa.

Acqua borica: soluzione al 3% di acido borico, H₃BO₃, estratto soprattutto da alcune sorgenti toscane di vapore caldo (soffioni boraciferi); l’acqua borica veniva generalmente utilizzata per disinfettare leggere lesioni come eczemi e ustioni, e per bagni oculari. Ricordo che mia nonna ne aveva sempre una bottiglia pronta nell'armadietto... assieme a tante altre belle cose dei tempi che furono. Sicuramente devo qualcosa anche a mia nonna riguardo il virus chimico che mi ha contagiato sin da piccolo!

Acqua vegeto-minerale: era una soluzione al 1% di acetato basico di piombo, Pb(CH₃-COO)₂.Pb(OH)₂, ed era detta anche Acqua di Saturno; serviva per lenire i dolori dovuti a contusioni o slogature. Oggi questo zuccherino sale di piombo, anche allora sorvegliato speciale, non sarebbe certo lasciato libero...).

Acqua epatica (anche Acqua zolfa): è una soluzione naturale di acido solfidrico H₂S.
Ancora oggi questa acqua termale è in vendita (a carissimo prezzo!) in minibottigliette con spruzzatore per irrigazioni nasali. Sentite cosa dice in merito Pier Segni sulle sue "Chiose sopra Dante" nel 1846:
"Et era questo lago sì puzzolente in alcune parti per l'acqua zolfa che dentro vi entrava, che spesse volte gli uccelli che sopra vi volavano, per lo gran puzzo cadevano morti".

Acqua tofana: mi prendo la libertà di aggiungere qui, anche se certamente medicinale non è, la cosiddetta Acqua tofana o Acquetta di Perugia: nonostante il nome carino e insospettabile, era una micidiale soluzione, in gran voga soprattutto nel periodo rinascimentale, di anidride arseniosa As₂O₃, con aggiunta di altre sostanze estremamente tossiche (sali di piombo, alcaloidi come cantaridina, atropina, aconitina) usata espressamente per avvelenare il prossimo. E' uno dei simboli degli antichi veleni, un tempo assai più usati di oggi per liberarsi degli scomodi concorrenti agli effimeri troni o, più modestamente, dei concorrenti... di letto!

LE ACQUE SBIANCANTI

Sono soluzioni di ipocloriti alcalini, utili prodotti per l'industria e per l'impiego domestico.

Acqua di Javel: è una soluzione al 5% di ipoclorito di sodio, NaClO, ed è ancora ai giorni nostri sulla cresta dell'onda. Se potessimo andare in un ipotetico supermercato di un secolo fa, la normale candeggina si troverebbe sullo scaffale in una bella bottiglia di vetro con una arzigogolata etichetta belle epoque: "Acqua di Javel"! (dal nome del quartiere parigino Javel, nel quale lavorava a fine '700 il famoso chimico C.L.Berthollet).

Acqua di Labarraque: idem come sopra, ma si dà un po' le arie da nobile! Anzichè essere plebeo ipoclorito di sodio era aristocratico ipoclorito di potassio KClO.
Non è più in uso da un centinaio d'anni perchè i sali potassici costano assai di più di quelli sodici e non ha quindi ragion d'essere.

Acqua ossigenata: il perossido di idrogeno H₂O₂ non è certo caduto in disuso e rimane un importantissimo prodotto industriale e reagente chimico. Come uso detergente/sbiancante l'acqua ossigenata viene oggi usata spesso sotto forma di perborato di sodio (NaBO₂.H₂O₂.3H₂O) , ormai anche lui sostituito dal percarbonato di sodio (Na₂CO₃.1,5H₂O₂), sostanze che in acqua calda liberano H₂O₂ e indirettamente ossigeno attivo, dalle proprietà disinfettanti e sbiancanti per il bucato.
L'acqua ossigenata entrerebbe di diritto anche nelle precedenti acque medicinali, ma la cito solo qui dato che la sua azione disinfettante è dovuta proprio allo svolgimento di ossigeno attivo, fortemente ossidante.

LE ACQUE ACIDE

Non mi riferisco alle deboli e dannose piogge acide, ma a sostanze che acide lo sono veramente in massimo grado.

Acqua regia: L'acqua regia è una miscela composta da un volume di acido nitrico HNO₃ e tre volumi di acido cloridrico HCl concentrati. I due acidi mescolati danno origine al cloruro di nitrosile NOCl, sostanza estremamente aggressiva nei confronti di quasi tutti i metalli; il suo nome deriva dalla sua capacità di sciogliere i metalli nobili, oro compreso, considerato dagli alchimisti il "re dei metalli" in quanto praticamente inattaccabile dalle altre sostanze. Nessuno dei due acidi che compongono l'acqua regia riuscirebbe singolarmente ad attaccare l'oro ed il platino; d'altra parte vi sono alcuni metalli particolari, come il tantalio, l'iridio, l'osmio e pochi altri, che sono eroicamente in grado di resistere anche all’acqua regia!

Acqua forte: è acido nitrico, HNO₃, al 65%; si usava e si usa ancora per la corrosione del rame nella fabbricazione delle cosiddette "acqueforti"; è una tecnica di stampa nella quale lastre di rame sono incise opportunamente con immagini per mezzo dell'acido, e forniscono le matrici per delle vere opere d'arte, alle quali si sono cimentati grandissimi artisti del passato e del presente (allego in fondo come piccolo esempio una vecchia cartolina ottocentesca ottenuta all'acquaforte).

LE ACQUE SOLVENTI

Acqua ragia: dal greco "radnis" goccia, si intende per acqua ragia un distillato ottenuto dalla resina che stilla dalle conifere, specialmente dal pino marittimo. Mi è capitato di vedere di persona questa raccolta qualche anno fa campeggiando in un suggestivo bosco portoghese circondato da queste profumate piante, ognuna col suo barattolino alla base pieno di resina!
E' detta anche olio di trementina o essenza di trementina ed è un liquido incolore, di odore penetrante, usato come solvente; è composta principalmente da terpeni (pinene) e  sesquiterpeni.
I terpeni sono biomolecole costituite da multipli dell'isoprene...
L'acqua ragia naturale (più costosa) è sempre più sostituita dalla cosiddetta "acqua ragia minerale", che è una miscela di idrocarburi alifatici e in minor misura aromatici. Per motivi commerciali si tende a mantenere il nome originale per dare un senso più "naturale"  al prodotto, visto che oggi la stupida moda del "chimicamente corretto" impone che tutto ciò che è "naturale" sia buono e tutto ciò che è "chimico" sia  per definizione cattivo.

L'Acqua in sè è il principale solvente della natura, ma ciò è sottinteso e non val la pena di aggiungere nulla a questo concetto, che è fondamentale e complesso dal punto di vista chimico-fisico, ma che esula da questi nostri semplici discorsi.

Le mie 16 liquide mascherine del Carnevale Chimico sono sfilate, magari qualcuna mi è anche sfuggita... se la trovate in giro, ditemelo! Mi spiace solo non poter abbinare ad ogni "acqua" una adeguata immagine, che ci sarebbe stata benissimo! Ma ne sarebbe risultato un post troppo ingombrante (lo è già così com'è!) ed allora ne metto solo una in rappresentanza di tutte e in omaggio, se mi è permesso il singolare accostamento, all'acido nitrico e a Durer, con la sua acquaforte sull'Arte e l'Alchimia.

In chimica analitica tradizionale s'intende per reazione specifica una reazione (che si evidenzia in qualche modo) che avviene solo con un determinato catione o anione.
Ricordo che i cationi sono i metalli (o meglio i loro ioni in soluzione) e gli anioni i residui acidi (solfati, cloruri, nitrati, ecc.).

Quando la chimica analitica poteva contare meno di adesso di sofisticate e ultrasensibili apparecchiature per la determinazione della composizione di una sostanza incognita, l'impiego delle reazioni specifiche era abbastanza diffuso e di evidente utilità per dirimere qualche dubbio in merito ad una analisi.
Avendone l'occasione ho riprovato un vecchio metodo per la ricerca del rame per mezzo di un reattivo particolare, la benzoinossima.
Le ossime sono in chimica organica quelle sostanze che hanno attaccato da qualche parte il gruppo =N-OH, come si può vedere dalla formula del reattivo protagonista dell'esperimento di oggi.

Anche questo metodo di analisi è merito di quello spirito intraprendente di Fritz Feigl (1923, foto) del quale già ho parlato brevemente in occasione del periodato di potassio.

Materiale occorrente:

-soluzione al 5% di benzoinossima in etanolo
- soluzione diluitissima di un sale di rame
- ammoniaca
- vetreria opportuna

Ho seguito la procedura indicata qui sotto, provando il test su una soluzione contenente circa 200 mg/l di acetato di rame, pari ad una concentrazione di poco più di  50 mg/l di ioni rame.

-Mettere in un piccolo becker qualche ml di ammoniaca concentrata e coprirlo con una carta da filtro; porre al centro un paio di gocce di soluzione contenente Cu²⁺, lasciare che si espandano sulla carta; aggiungervi sopra un altro paio di gocce di reattivo benzoinossima.

Dopo un po' apparirà un alone verde chiaro, in dipendenza della concentrazione.
Come si vede la reazione è sensibilissima.

Per visualizzare macroscopicamente il complesso verde che il reattivo forma con il rame, ho preparato una provetta con una concentrazione in rame maggiore, resa leggermente basica con ammoniaca, ed ho aggiunto lentamente, senza mescolare, circa 1 ml di reattivo: si vede bene il precipitato verde nell'interfaccia tra i due liquidi.

Il metodo con la carta da filtro è comunque molto più sensibile e corretto.

Un altro reattivo interessante e molto simile che dà più o meno le stesse reazioni con il rame è la salicilaldossima, che da soluzioni debolmente acetiche forma un precipitato giallo-verde. 
Avevo già detto che mi sono simpatici tutti i composti dello zolfo? No?
Allora ci sarebbe anche un terzo interesssantissimo e molto più esotico reagente, l'acido rubeanidrico o dithiooxamide (H2N-CS-CS-NH2)... ma per ora lasciamo in pace questo composto visto che la sua sintesi, nonostante la semplice formula, non è proprio fattibile.

Per quella serie di considerazioni aerodinamiche viste, per le quali le pale nella rotazione attorno all'asse del rotore sono alternativamente una forza motrice e un freno, la soluzione migliore (se non ci fossero problemi di bilanciamento) si otterrebbe con un sistema monopala, che avrebbe la maggior velocità di rotazione e quindi maggior rendimento meccanico al sistema di ingranaggi per l'alternatore collegato all'asse.
Questo perchè un'elica, a parità di potenza assorbita, gira tanto più velocemente quanto meno numerose sono le pale.
La velocità di rotazione di un sistema eolico è quindi inversamente proporzionale al numero delle pale: una sola pala (bilanciata!) = velocità alta; tante pale = velocità bassa.
(Ricordare i film western: le palette sono tante e fanno un bell'effetto ottico, ma il rotore gira lento!).

Fondamentale per questi lavori è la legge di Betz che mette in relazione la potenza ottenibile al rotore con i parametri del vento e della superficie descritta dall'elica:

P = 0,5 d S v (v₁² - v₂²)
dove d è la densità dell'aria, S la superficie descritta dal rotore, v la velocità del vento libero a quella quota, v₁ e v₂ rispettivamente le velocità davanti e dietro al rotore.

Salta immediatamente all'occhio che nella formula non appare il numero delle pale, ma l'area da esse sottesa nella rotazione e che l'energia è proporzionale al cubo della velocità!

Una conseguenza fondamentale e dimostrabile (non qui!) della legge di Betz è che la potenza massima estraibile dal vento è il 59% dell'energia cinetica del vento stesso (è facilmente intuibile che se TUTTA l'energia fosse estratta, il vento dovrebbe "fermarsi" tra le pale... I moderni rotori ne estraggono al massimo circa il 50%.

La rotazione delle pale sul loro asse viene usata per angolarle in modo che presentino un differente angolo di attacco al vento e mantengano costante il loro numero di giri indipendentemente dalla forza vento; quando esso supera i limiti di progettazione le pale vengono messe in bandiera e il sistema si ferma.
E' interessante anche considerare gli sforzi che deve sopportare il sistema per bruschi cambiamenti nella direzione del vento per regolare l'imbardata: si pensi al lavoro richiesto per variare l'asse di rotazione verticale di questo enorme giroscopio...

Il fatto che le pale siano sottili (cioè che abbiano un forte allungamento), è per migliorare il rendimento aerodinamico delle stesse, in quanto in questa configurazione si riducono le resistenze indotte, come nel principio delle ali degli alianti, che hanno allungamenti spaventosamente più elevati rispetto a quelli di un aereo a motore.
Tutto il discorso spiega bene anche il perchè (ragionando all'inverso) le eliche degli aerei non abbiano trenta pale, "per avvitarsi meglio nell'aria", come qualcuno potrebbe credere..., ma in genere solo tre anch'esse!!!
Mi viene in mente anche il caso delle eliche dei moderni sommergibili atomici, che per essere silenziosissimi devono avere una rotazione dell'elica la più lenta possibile: ecco spiegato perchè le loro eliche hanno (queste sì) tante pale!

Da tutte queste lunghissime considerazioni (un discorso a puntate così lungo di sicuro non lo faccio più... ma dovevo prima di tutto essere convinto io stesso!), si deduce che il sistema a tre pale è la soluzione più usata perchè è quella col maggior rendimento fluidodinamico/economico:
                                                C.V.D.!

Spero che anche Guglielmo si sia convinto: io tutto quello che avevo da dire l'ho detto.

Ora facciamo finta che il nostro generatore eolico abbia solo due pale.

La pala in alto ha una spinta data dal vento molto più elevata di quella in basso, perchè la differenza di quota rispetto al suolo è un fattore importantissimo; essa ha una grande efficenza ma deve sopportare una grande spinta assiale nella direzione del vento e questo la fa torcere nella sua direzione; la pala in basso ha una spinta inferiore e una efficenza più bassa, inoltre contribuisce negativamente anche la presenza ricorrente della torre che crea un flusso di sottovento.
Questa pala ha una spinta in direzione del vento molto più ridotta; ne consegue che ad ogni giro del rotore, la pala in alto è spinta indietro e questo fa torcere verso l'alto l'asse dell'elica; quando la pala che era in alto comincia a scendere la spinta del vento cala e la torsione diminuisce ma contemporaneamente inizia la spinta sulla pala opposta che stà salendo e che quando sarà in alto provocherà una torsione dell'asse nell'altra direzione rispetto alla precedente...

Da queste considerazioni si vede chiaramente che quando le pale sono orizzontali rispetto al terreno, la pala che scende diventa un freno per la pala che sale, e viceversa!
Quando la pala che è scesa in basso passa davanti alla torre praticamente non subisce nessuna pressione verso la direzione del vento, proprio mentre la pala in alto è al massimo di pressione e torsione, e questo comporta una notevole oscillazione del piano di rotazione delle pale, che in alto è spinto nella direzione del vento e in basso al contrario.
L'oscillazione avanti indietro delle pale sul piano di rotazione ne potrebbe compromettere l'integrità se non ci fosse una torre enormemente più robusta di quello che sembrerebbe necessario a prima vista. Combinando insieme tutte queste grossolane considerazioni, si vede che il rotore e l'asse di rotazione sono sottoposti a incredibili torsioni momentanee e questo richiede strutture robuste e pesanti, con i relativi problemi di peso, inerzia e stabilità da mettere in conto economico.

Proviamo allora ad aggiungere una ulteriore pala e creiamo il rotore a tre pale poste a 120 gradi.
Si vedrà che quando una pala è in alto le altre sono a 120 gradi in basso e la loro somma riduce o equilibra lo sbilanciamento del rotore nella parte alta; inoltre quando una pala passa davanti alla torre e riduce al minimo la spinta frontale, le altre si trovano a 120 gradi superirmente, ma meno alte che non nella situazione verticale più sfavorevole. Il sistema diventa molto più equilibrato.

Se usiamo un rotore a 4 pale torniamo al problema delle 2 pale ma con doppio peso; se ne usassimo di più (per esempio cinque, sette), per la teoria delle turbine a canale aperto (dove non c'è una voluta di contenimento al flusso del fluido) le resistenze sulle pale dipendono dal numero delle pale stesse, per cui più numerose sono, maggiore è la resistenza al vento e minore è la velocità di rotazione.

Ecco che la cosa diventa subito sfavorevole, a cui si devono aggiungere anche le complicazioni insostenibili (economicamente) per il peso e gli sforzi dei quali dicevamo sopra.

La prossima puntata aggiungerà alteriori elementi e sarà finalmente quella conclusiva.

- Ma perchè mai i generatori eolici hanno tutti tre pale?- mi chiese qualche tempo fa il mio amico Guglielmo, anche lui come il sottoscritto un "curiosone" di scienza e tecnica.
Bella domanda! Preso in contropiede, la mia risposta immediata fu: -perchè il "tre pale" è la situazione strutturale con il massimo rendimento fluidodinamico/economico.

Ero sicuro della giustezza della risposta (e la confermo ancora di più ora) ma restava da vedere il perchè, senza il quale una risposta anche se corretta non ha senso.
Ho cercato navigando in rete di dare una motivazione soddisfacente a questa risposta data di getto, senza coinvolgere concetti e formule matematiche, ma solo bastando una spiegazione che potesse essere capita intuitivamente.

L'obiezione che il profano (intendo il profano evoluto, non colui che bovinamente non si chiede mai niente!) fa di solito è:
- perchè solo tre pale? Perchè tutto quello spazio tra una pala e l'altra, dove il vento passa senza spingere? Se con tre pale spinge con forza 3, con otto pale spingerà con forza 8! Elementare Watson!

Nossignori... elementare un cavolo! Vediamo se riesco a riassumere le motivazioni fisiche che mi hanno convinto che effettivamente il sistema a tre pale è il migliore compromesso.

Il mio amico giustamente osservava che i rotori eolici usati per pompare l'acqua nelle fattorie western hanno tantissime palette, tante che quasi non ci vede attraverso... quelli sì che dovrebbero rendere!
Nossignori nemmeno qui: questi generatori eolici rudimentali (come i bei mulini a vento del paese dei tulipani) sfruttano il vento secondo la teoria della turbina ad impulso, in cui l'energia prelevata dal vento è solo quella parte di energia meccanica bruta che sbatte sulle pale e le spinge via; in questi rotori le pale sono dei semplici pannelli piani che essendo angolati rispetto alla direzione del vento ricevono una spinta laterale la cui componente sommata tra tutte le varie pale crea la rotazione. L'efficenza di questi antichi rotori, pur essendo bassissima (non essendoci mezzi di paragone!), era però ottima a quei tempi piuttosto di niente e non mancando mai il vento si pompava acqua e si macinava il grano che era un piacere!

I moderni generatori eolici basano invece il loro funzionamento non sulla spinta ma sull'effetto di portanza creato sulle pale dal flusso del vento; le pale in questo caso non sono più dei pannelli piani ma sono strutture a profilo alare altamente efficenti dal punto di vista aerodinamico, esattaemente come la differenza tra il flusso di aria che scorre sotto e sopra le ali di un aereo lo tiene sollevato o come una barca Hi-Tech che partecipa alla America's Cup vola sull'acqua grazie al flusso d'aria che scorre davanti e dietro alle sue vele.

Eliminiamo quindi subito i generatori "tipo western" (la cui efficienza è paragonabile agli ottocenteschi battelli a pale del Mississippi) e teniamo buoni quelli moderni (la cui efficienza è paragonabile alle eliche delle superpetroliere).

Fine della prima puntata: poichè il discorso tutto unito era troppo lungo e diventava noioso, lo devo spezzare addirittura in tre parti; fra un po' di tempo la seconda puntata.

Chimicamente, di cosa è fatto l'olio di oliva?
Ecco che torna utile ciò che è stato detto in precedenza riguardo gli acidi, gli alcoli, gli esteri.
L'olio è praticamente una miscela di esteri (combinazione fra un acido e un alcol) dove in questo caso l'alcol è uno solo, la glicerina, e l'acido è una miscela di vari acidi a 18 e 16 atomi di carbonio.
Riassumendo in formule:

-glicerina: HO-CH₂-CH(OH)-CH₂-OH è un alcol trivalente, tre sono gli ossidrili -OH a disposizione per essere esterificati dagli acidi; ricordiamo che ad ogni ossidrile "si attacca" una molecola di acido eliminando una molecola di acqua.

-acido oleico: CH₃-(CH₂)₇-CH=CH-(CH₂)₇-COOH
dove si nota un doppio legame tra gli atomi di carbonio centrali

-acido palmitico: CH₃-(CH₂)₁₄-COOH
dove si nota la lunga catena idrocarburica a 15 atomi di carbonio ed il -COOH finale

-acido linoleico:
CH₃-(CH₂)₄-CH=CH-CH₂-CH=CH-(CH₂)₇-COOH
dove si notano due doppi legami nella molecola

-acido stearico: CH₃-(CH₂)₁₆-COOH
idem come l'acido palmitico, con la catena ancora più lunga

Li ho elencati in ordine di abbondanza, tralasciando gli altri acidi presenti in quantità molto bassa (palmitoleico, linolenico, arachico, eicosenoico, beenico) e considerando sottinteso olio extravergine di oliva.

L'acido oleico è presente in percentuale minima del 65%, ma supera di solito il 75%
L'acido palmitico è presente in percentuale massima del 17%
L'acido linoleico è presente in percentuale massima del 13%
L'acido stearico è presente in percentuale massima del 4%

Attenzione che tutti questi acidi NON sono allo sato libero, ma come ho detto sono sotto forma esterificata con la glicerina (i famosi trigliceridi), quindi in realtà il maggior costituente dell'olio di oliva sarà il trioleato di glicerile, del quale metto qui sotto la corposa formula:

Quei serpentelli rappresentano la catena di atomi di carbonio (dove c'è un angolo lì c'è un -CH2-) ed il nucleo centrale è la glicerina salificata con tre atomi di acido oleico.
Poi in quantità minore seguiranno rispettivamente il palmitato, il linoleato e lo stearato di glicerile (ma guarda un po' cosa mangiamo... la prossima volta che mettiamo un bel filo d'olio sull'insalatina, ricordiamo che ci facciamo cader sopra queste belle formulette in forma liquida! Non è un'altra buona ragione per apprezzare la chimica?).

Per rendere buono e caratteristico un olio non bastano ovviamente questi componenti principali, ma concorrono al sapore, odore e colore anche molte altre sostanze presenti in piccola quantità (che non cito, si possono vedere altrove), che conferiscono le caratteristiche organolettiche alle infinite qualità di olii di cui il nostro Paese è così ricco.

Osservare anche che due acidi (oleico e linoleico) hanno nella molecola uno e due doppi legami, il chè fa prendere il nome di "insaturi" a questi acidi e danno pregio al nostro ottimo grasso vegetale per le sue capacità antiossidanti (assieme ai polifenoli), oggi giustamente tanto valorizzate; per confronto, l'acido principale presente nel burro è il palmitico, che è invece un acido saturo (senza doppi legami, ved. sopra).
Ecco perchè la pubblicità dell'olio extravergine ne esalta le proprietà salutari dicendo: ...ricco di acidi insaturi...

Ma allora, tutto ciò premesso, l'olio è acido o non è acido, visto che (scusate il bisticcio di parole) gli acidi sono tutti esterificati e quindi non presenti fisicamente nel giallo e profumato liquido?

La risposta nella prossima puntata, nella quale ridaremo la parola alle provette!

Nel post n.56 avevo dedicato una puntata di queste mie riflessioni a quegli occasionali passanti ai quali  non sarebbe dispiaciuto sentirsi dire senza tante complicazioni cosa sono gli acidi carbossilici.
Siccome nella bella saga della chimica organica ci sono tantisisssimi protagonisti, forse val la pena di dedicare due parole ad altri fondamentali attori della odierna commediola: gli alcoli.
(A proposito: alcoli, alcooli, alcol, alcool, alcole, alcoole...? Ognuno scelga secondo il proprio gusto).

                                       -°-°-°-°-°-°-°-

In principio era l'Idrocarburo... si potrebbe dire, e devo per forza partire da qui, facendomi scudo con mille sottintesi omissis...

Diciamo comunque per lo meno che gli idrocarburi sono composti solo da carbonio e idrogeno e si dividono in alcani, alcheni, alchini.

La differenza strutturale è che i primi hanno nella molecola un semplice legame tra gli atomi di carbonio ( -C-C- ), i secondi un doppio legame ( -C=C- ) e gli ultimi un triplo legame ( -C≡C- )
Un esempio vale più di mille parole:

l'etano H₃C-CH₃ è un alcano; l'etilene H₂C=CH₂ è un alchene; l'acetilene H-C≡C-H è un alchino.
Naturalmente esistono idrocarburi complessi con tutte le combinazioni intermedie, ma non complichiamo le cose.

Ora se da un idrocarburo eliminiamo un atomo di idrogeno e lo sostituiamo con un gruppo ossidrile -OH, otteniamo un'altra classe di composti, completamente diversa in tutto e per tutto dai genitori di origine: gli alcoli, che acquistano nel nome il suffisso "olo".
Prendendo in considerazione solo un paio di alcani:

CH₃-H cioè il metano, dà origine a CH₃-OH, l'alcool metilico o detto più propriamente metanolo.
CH₃-CH₂-H cioè l'etano, dà origine a CH₃-CH₂-OH, l'etanolo, da tutti conosciuto col nome di alcool etilico.
E così via...
In generale chiamando R- tutta la parte di molecola idrocarburica escluso un idrogeno, possiamo finalmente dire che la formula generale degli alcoli è --> R-OH

Semplice no? Detto così sembra semplice, ma poi ci sono gli alcoli primari, secondari e terziari, a seconda di "dove" è legato l'ossidrile... poi gli alcoli insaturi... e via discorrendo, come tutte le cose che basta approfondirle un pochino e subito si complicano!

Ecco un po' di alcoli in successione da C1 a C5, chiamandoli col loro classico vecchio nome:

CH₃-OH alcool metilico
CH₃-CH₂-OH alcool etilico
CH₃-CH₂-CH₂-OH alcool propilico
CH₃-CH(OH)-CH₃ alcool isopropilico (se l'ossidrile è legato ad un carbonio centrale l'alcool prende il prefisso "iso")
CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-OH  alcool butilico
CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-OH alcool amilico

E se in un idrocarburo sostituiamo due idrogeni con due ossidrili? E' possibile questo? Certo! Ne derivano gli alcoli diossidrilici, triossidrolici... poliossidrilici, ognuno col suo bel nome e le sue interessanti proprietà.

Tre esempi? Il glicol, la glicerina e la mannite:
HO-CH₂-CH₂-OH glicol etilenico (il liquido antigelo per i radiatori)
HO-CH₂-CH(OH)-CH₂-OH glicerina (che deriva dalla fabbricazione dei saponi)
HO-CH₂-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH(OH)-CH₂-OH (questo ha addirittura sei ossidrili per sei atomi di carbonio: la biblica manna!)

Ci sarebbero da aggiungere un'infinità di cose sugli alcoli, ma termino qui per non approffittare della pazienza dei volonterosi.
A cosa è servito tutto questo discorso mezzo idrocarburico e mezzo alcolico? Ad arrivare pian piano all'analisi dell'olio di oliva... ma guarda un po' da dove ci tocca partire!

Nel ragionamento sulle coppie del post 77 si parlava di solubilità (o meglio, insolubilità) dei sali, che è stato poi messo in pratica con la preparazione del bromato di bario nel post 78.
A questo punto per completezza potrebbe sorgere spontanea la domanda: un sale insolubile è proprio "insolubile"?

Si potrebbe pensare che, per quanto restio a sciogliersi, un sale sarà sempre un pochino solubile... non è concepibile che non se ne sciolga nemmeno una molecola in un oceano d'acqua!
Vediamo se la risposta quantitativa a questa domanda ci riserverà delle sorprese oppure no.

Questo concetto è definito dal cosiddetto Prodotto di solubilità, che viene applicato allo studio di sali veramente "insolubili" (non come il nostro bromato che è semplicemente "poco" solubile). Quando un sale si pone in acqua avviene una dissociazione della molecola, che si scinde in ioni, positivi da parte del metallo e negativi da parte del "radicale acido", come si è visto l'altra volta.

Ma cosa succede se metto in acqua un sale "del tutto" insolubile?
Per esempio solfuro di rame CuS? (In natura questo solfuro è il raro minerale covellite).
Naturalmente dovrò mescolare, lasciar agire l'acqua e tenere un po' di sostanza sul fondo per essere assolutamente certo che la soluzione sia satura e che ci sia equilibrio tra sciolto ed indisciolto.

CuS <--> Cu⁺⁺ + S^-- e si stabilisce un equilibrio tra sostanza solida indisciolta (CuS) e ioni rame e solfuro in soluzione.

Il prodotto tra le concentrazioni ioniche [Cu⁺⁺] e [S^--] (le concentrazioni si indicano tra parentesi quadre) si chiama Prodotto di solubilità, si indica con Kps ed è una costante che dipende dalla sostanza in esame.
Per esempio per il solfuro di rame questa costante vale 6x10^-37 (sì, avete letto bene, 10 elevato alla meno 37!).

Che senso ha un numero così piccolo? Per noi che siamo sperimentatori e vogliamo toccar con mano le cose, se buttiamo una spatolata di CuS in un litro d'acqua quanto se ne scioglierà, in pratica?
Facciamo quattro calcoli...

Kps = [Cu2+][S2-]    Kps = 6x10^-37

Poichè una molecola di CuS dà origine ad uno ione Cu²⁺ ed uno solfuro S^2- (in quantità identiche), ed il loro prodotto è 6x10^-37, per sapere la concentrazione del CuS basterà estrarre (in questo caso) la radice quadrata del Kps, che vale 7,7x10^-19
Si ottiene così la concentrazione molare, ovvero quante moli di CuS sono presenti all'equilibrio in un litro d'acqua; per trasformare in grammi basta moltiplicare per il peso molecolare del CuS, cioè per 95:

7,7x10^-19 x 95 = 7,3x10^-17 grammi sciolti in un litro

Traducendo terra-terra con un po' di conversioni: per sciogliere completamente un milligrammo di solfuro di rame ci vuole qualcosa come tredici miliardi di metri cubi d'acqua...!!! C'era la sorpresa vero?

Naturalmente ho scelto una sostanza particolarmente insolubile per dare un'idea di come certe grandezze in gioco assumano valori intuitivamente del tutto inconcepibili.

Ma il CuS non è il più insolubile dei sali! Il solfuro di mercurio HgS (il cinabro) ha un pazzesco Kps di 2x10^-53...!!!
Quest'ultimo è un valore estremo (una soluzione satura di HgS conterrebbe solo tre molecole per metro cubo...), comunque Kps con potenze del dieci che spaziano dal ^-10 al ^-35 sono comuni.
 
Cosa discende da tutto ciò?
Discorsi accademici campati in aria? Nossignori, nelle scienze niente è campato in aria... una conseguenza tangibile è proprio l'esistenza stessa dei minerali: è dalla storia del mondo che "ci piove su" ed ancora non si sono sciolti...

Per capire bene la preparazione di questo sale da parte dei non chimici, bisognerebbe leggere la storiella dell'altra volta, riguardo lo scambio di coppie.

Per prepararlo ho usato prorio una reazione di metatesi, facendo scambiare tra di loro due metalli (bario e potassio) con altrettanti "radicali acidi" (cloruro e bromato).

La reazione è la seguente:

BaCl₂ + 2 KBrO₃ --> 2 KCl + Ba(BrO₃)₂

All'inizio abbiamo cloruro di bario e bromato di potassio; alla fine avremo cloruro di potassio e bromato di bario... un bello scambio di coppia!

Ma perchè avviene questa reazione?
Non lo dico! Rileggere la storiella precedente, please!

Procedura:

- in un becker da 50 ml sciogliere 10 g KBrO₃ in 21 ml di acqua bollente ed in un altro becker sciogliere 6,2 g BaCl₂ in 8 ml di acqua bollente. Attenzione che l'acqua è in quantità proprio al limite della solubilità dei sali a 100°, pertanto i sali stessi non si scioglieranno completamente fino al raggiungimento del punto di ebollizione. Se del caso aggiungere qualche goccia d'acqua fino a soluzione limpida.
Quando entrambe le soluzioni sono bollenti e limpide, aggiungerle rapidamente una all'altra; si formerà immediatamente un precipitato bianco, che andrà pian piano aumentando man mano che la miscela raffredda.
Lasciar raffreddare a minor temperatura possibile e filtrare su buchner, aspirando bene e lavando a più riprese con pochissima acqua gelida.
Seccando all'aria si ottengono dei bei cristallini bianchi di bromato di bario monoidrato Ba(BrO₃)₂.H₂O pochissimo solubile in acqua fredda, che conserveremo per tutti gli usi eventuali, oppure solo per curiosità.
In teoria si dovrebbero ottenere dalla reazione 11,2 g di bromato, in pratica se ne ottengono meno perchè se ne perde un po' per solubilità e durante i lavaggi.

Il bromato di bario è un sale dalle interessanti proprietà ossidanti; si decompone per esempio volentieri sviluppando una bella fiamma verde, come quella che vediamo durante gli spettacoli pirotecnici, dei quali abbiamo già parlato.
In quella festosa occasione però il sale di bario non è bromato, ma un altro suo parente stretto più economico ma altrettanto efficace nella generazione del caratteristico colore verde dello ione bario ad alta temperatura.

Non fraintendiamo, si parla di coppie... chimiche!
Ma facciamo finta che ci siano due maschi e due femmine, Aldo, Bruna, Carlo e Daria, che fra poco entreranno in gioco per far capire meglio il post della prossima puntata.

Faccio qualche premessa di chimica a livello terza media o poco più.

Un acido inorganico è un composto formato da due individualità diverse per carica elettrica: idrogeno, di carica positiva, e un'altra parte che chiamerò "radicale acido", di carica negativa.

Per esempio l'acido solforico H₂SO₄ è formato da idrogeno H (+) e dal radicale solfato -SO4 (--); siccome la carica totale deve essere compensata, per le due cariche negative del solfato ci devono essere due idrogeni, ognuno avente una sola carica positiva. Risultato: H2SO4, molecola elettricamente neutra.
Ancora: l'acido cloridrico HCl è formato da idrogeno H (+) e dal radicale cloruro -Cl (-). Basta il rapporto 1:1 per compensare le cariche, quindi la formula HCl è corretta. E così via per tutti gli altri acidi.
Sulla quantificazione delle cariche e altri particolari non è il caso di approfondire, ho detto che siamo in terza media...
Ora, se in un acido al posto dell'idrogeno si pone un metallo, il composto che si forma è detto "sale".

Due esempi: se sostituisco il rame (++) al posto dell'idrogeno dell'acido solforico ottengo CuSO4, un sale azzurro detto solfato di rame.
Se metto il sodio (+) al posto dell'idrogeno dell'acido cloridrico ottengo NaCl, il "sale" per antonomasia, cloruro di sodio per i chimici. E anche qui devo dire: e così via per tutti gli altri sali.

Ma cosa ottengo se faccio reagire due sali tra di loro, sciogliendoli in acqua e mescolando le soluzioni?
Può succedere tanto o niente... dipende dalla fuga di una coppia...(???)

Allora torniamo alle nostre coppie umane, Aldo con Bruna, Carlo con Daria.
Facciamo altresì finta che i maschi siano i metalli dei due sali (A e C) e le femmine siano i rispettivi due "radicali acidi" (B e D).
Abbiamo inizialmente la coppia Aldo e Bruna (il sale A⁺B^-) e la coppia Carlo e Daria (il sale C⁺D^-).
Può succedere che le coppie siano fedeli oppure meno, se capita l'occasione giusta!
Se le mettiamo assieme a ballare al buio (i due sali in soluzione) le due coppie piano piano si scindono e capita casualmente che A balli con B oppure con D e così via per tutte le combinazioni.
Si crea un equilibrio (soluzione ionica) e tutti vanno d'accordo con tutti, senza gelosie.

Riassumendo: A⁺B^- + C⁺D^- (in acqua) --> A⁺ + B^- + C⁺ + D^-

Ma cosa succede se un maschio ed una femmina (mettiamo che siano Carlo e Bruna) che prima non stavano insieme ed ora si trovano liberi di ballare al buio, hanno un terribile colpo di fulmine l'un l'altra?
Non possono proprio farne a meno: per stare d'ora in poi insieme fuggono dall'ambiente e per forza di cose si ritroveranno soli Aldo e Daria, che prima nemmeno si conoscevano.

Riassumendo AB + CD --> AD + CB (e CB se ne vanno per conto loro)

Si sono formate due nuove coppie per "doppio scambio", solo perchè i due nuovi partner CB sono fuggiti assieme!

Cosa vuol dire fuggire per i sali? Mica possono saltar fuori dal recipiente!
Vuol dire separarsi per "precipitazione", cioè per insolubilità nell'acqua e cadere al fondo, come coppia indissolubilmente legata, che non partecipa più al ballo comune.
Se quindi mescolando due sali si dovesse formare per doppio scambio (metàtesi) un sale insolubile, allora la reazione avviene; se invece tutto rimane solubile si crea quell'equilibrio detto prima e in pratica niente accade.

Esempio: avverrà la reazione tra cloruro di ferro e solfato di zinco per formare cloruro di zinco e solfato di ferro?   

FeCl₂ + ZnSO₄ --> FeSO₄ + ZnCl₂ ?

Dobbiamo chiederci: si formarà un sale insolubile? Risposta: no, sia il cloruro di zinco che il solfato di ferro sono solubilissimi in acqua e rimangono disciolti sotto forma di ioni in equilibrio tra di loro. La reazione non avviene.

Sostituiamo solo il ferro col calcio: cloruro di calcio e solfato di zinco formeranno cloruro di zinco e solfato di calcio?

CaCl₂ + ZnSO₄ --> CaSO₄ + ZnCl₂ ?

Siccome il solfato di calcio CaSO4 è insolubile, precipita (si dice così!) sul fondo del recipiente e si separa: la reazione di doppio scambio avviene, perchè la nuova coppia calcio/solfato è fuggita, lasciando da soli gli altri due!
E come si fa a sapere se si formerà un sale insolubile? Ci sono delle regolette anche qui e l'esperienza aiuta in maniera determinante, ma questo è un problema secondario.

Sembra incredibile, ma questo semplice concetto di swapping tra le coppie rimane fonte di dubbio fino alla maturità ed oltre...

La prossima volta faremo ballare assieme al buio gli ioni bario, potassio, cloruro e bromato. Vedremo se ci saranno colpi di fulmine oppure no!

In questo blog capita talvolta uno strampalato "chef" chimico che va a preparare le sue indigeste ricette (magari a base di 2-naftalensulfonato sodico o peggio!) e poi tenta di propinarle a quei benevoli commensali che si prestano agli esperimenti, non so con quanto successo...
Oggi però il cuoco ha giurato che farà veramente il suo mestiere, e ci preparerà un delizioso soffritto di cipolla per servire di base a chissà quali manicaretti!

La plebea cipolla, insieme all'aristocratico scalogno, al porro gentile e all'erba cipollina, fa parte delle 500 specie del genere Allium; sono tutti ortaggi antichi, le cui benefiche proprietà sono troppo note perchè sia il caso di approfondirle in questa sede.
Tutti sanno però che il prezzo di questa salutare bontà è il pianto!

Ecco, e te pareva! dirà qualcuno, vedrai che ricadiamo inesorabilmente nella chimica e adesso salterà fuori la storia del perchè la cipolla fa piangere chi la taglia.
Indovinato! Ma non fatemene una colpa, s'è capito che questo non è un blog di cucina!
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Allora, veniamo al sodo, perchè si piange?
Gli oli volatili che contribuiscono a dare alle verdure del genere Allium i loro sapori distintivi contengono una classe di molecole organiche complesse contenenti zolfo nella loro particolare struttura.

(Spero sia sottinteso che non si intende "zolfo" in quanto elemento, ma che esso è combinato chimicamente a formare sostanze con caratteristiche peculiari che con l'elemento non hanno niente a che vedere.
Siccome buona parte della chimica sta in questo concetto, forse non è inutile ripeterlo).

Ma quella particolare molecola di cui dicevo non è sufficiente: ci vuole qualcos'altro, tipicamente biologico.
Quando si affetta l'Allium cepa, ovvero la volgare cipolla, è chiaro che si va a rompere le pareti cellulari provocando uno sconvolgimento interno: le sostanze contenute nel citoplasma della cellula, che sono poi quelle che danno l'aroma e la caretteristiche organolettiche di questa sanissima verdura, vengono traumaticamente messe in contatto con due enzimi, l'allinasi e la sintasi LFS, che normalmente alloggiano in opportuni vacuoli ben isolate dal resto.
Il contatto di questi enzimi con gli aminoacidi solforati provoca in pochi secondi una serie di reazioni fra le quali quella che ci interessa dà origine al rilascio di acido propenilsulfenico:

Successivamente questa sostanza per rapido riarrangiamento (riarrangiamento si ha quando in una molecola cambiano di posto certi atomi o gruppi di atomi rispetto alla posizione di partenza) porta alla formazione di... (rullino i tamburi): 

propanetiale solfossido! La sostanza lacromogena.

Questa tioaldeide è un gas reattivo e irritante, che stimolando i neuroni sensoriali degli occhi agisce come un agente di lacrimazione e di bruciore, al quale reagiscono le ghiandole lacrimali generando liquido allo scopo di tentare di diluire il fastidioso agente chimico estraneo.

Ci sono vari e più o meno fantasiosi consigli per cercare di evitare questo piccolo inconveniente a cui va incontro ogni brava massaia alle prese con un soffritto di cipolla; sono consigli che magari si provano una volta ma che poi nessuno per fretta e semplicità mette in pratica.

Quindi vai tranquillo cuoco: zac-zac-zac, una bella affettatina senza starci proprio sopra con gli occhi, olio quanto basta, uno spicchietto d'aglio e un rametto di rosmarino... e lasciamo pure che il povero propanetiale sulfossido tenti anche lui di fare il lavoro di difesa per il quale è stato creato.

Stavolta "Buon appetito" non è fuori luogo come l'ultima volta, vero?