Si tratta di un elettrone che è descritto dall’equazione di Dirac (Figura 1).
Figura 1. Equazione di Dirac
Semplice vero? Certo come no! Questa è la classica spiegazione a ciambella, ovvero un giro di parole che non spiega nulla se non si è un addetto ai lavori.
Cerchiamo di capire cos’è e perché è importante l’equazione di Dirac.
Ormai è noto a tutti che l’inizio del XX secolo è stato molto prolifico in termini scientifici. È nata, infatti, la meccanica quantistica (MQ) grazie alla quale oggi tutti hanno sentito parlare almeno una volta nella vita dell’equazione di Schoeredinger che, tra le tante cose, permette di descrivere il comportamento degli elettroni.
Una delle cose che viene insegnata a livello semplicistico a tutti gli studenti dei primi anni di corsi di studio scientifici è che l’equazione di Schoeredinger permette di definire gli orbitali come quella zona di spazio in cui esiste una buona probabilità di trovare gli elettroni. Come ho già scritto, questa è una supersemplificazione. Tuttavia fatemela passare per buona perché qui non si sta facendo una lezione di meccanica quantistica, bensì si cerca di fare un po’ di divulgazione per avvicinare concetti complessi a chi non è del settore.
Negli stessi anni in cui nasceva e si sviluppava la MQ, nasceva e si sviluppava anche la teoria della relatività ristretta (RR) di Albert Einstein. Questa si basa sostanzialmente su due postulati. Il primo postulato stabilisce che le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali, il secondo afferma che la luce si propaga nel vuoto ad una velocità ben definita pari a 2.99 x 108 m s-1.
”Bene. Bravo. Ed ora? Dove vuoi arrivare mettendo assieme MQ e RR?” vi starete chiedendo.
Abbiate un attimo di pazienza, per favore. Lasciatemi ancora poche parole per arrivare al punto.
Meccanica quantistica e relatività ristretta sono due facce della stessa medaglia.
Fin da quando le due teorie, della MQ e della RR, si sono affermate, gli studiosi hanno cercato di unificarle. Tuttavia, tra le tante difficoltà che essi hanno incontrato, una particolarmente “ostica” è stata quella relativa alla asimmetria tra spazio e tempo della teoria di Schoeredinger che mal si conciliava con la simmetria spazio-temporale di Einstein. In altre parole, mentre Schoeredinger trattava spazio e tempo come se fossero due cose distinte e separate, Einstein considerava le dimensioni spaziali alla stessa stregua della dimensione temporale (prego i miei amici fisici di non essere troppo severi con me se sto semplificando troppo. Anzi, vi invito a correggermi se ritenete che io stia andando fuori dal seminato).
Solo Dirac, grazie alla sua genialità, riuscì a risolvere il problema elaborando una equazione (quella dell’immagine di Figura 1) con la quale riuscì a trattare le particelle quantistiche (quindi anche gli elettroni) nel regime relativistico.
Ma allora, a cosa serve sapere cosa sono gli elettroni di Dirac?
L’equazione di Dirac descrive molto bene il comportamento degli elettroni nei semiconduttori ed in sistemi quali il grafene. Per associazione, anche se studi del genere non sono stati ancora condotti, l’equazione di Dirac dovrebbe descrivere bene anche il comportamento di sistemi simil-grafene quali il biochar. Tuttavia, bisogna aggiungere che il numero di tecniche analitiche capaci di confermare sperimentalmente il comportamento degli elettroni secondo Dirac si può contare sulla punta delle dita di una sola mano. Si tratta di tecniche che sono “maneggiate” con una certa familiarità dai fisici, ma che per un chimico sono alquanto “ostiche”.
La risonanza magnetica nucleare (NMR) e gli elettroni di Dirac.
È di pochi giorni fa la notizia che su Nature Communication è apparso uno studio attraverso cui, per la prima volta, sono stati osservati mediante NMR (una tecnica molto amata dai chimici, incluso me che faccio l’NMR-ista sin dal 1992) gli effetti che gli stati elettronici di Dirac (ovvero quelli descritti dall’equazione di Figura 1) hanno sul comportamento dei nuclei di una lega metallica fatta da Bismuto e Tellurio (Bi2Te3) che viene utilizzata come isolante.
Se avete voglia di leggere l’articolo originale basta cliccare sull’immagine qui sotto.
Bella domanda. Intanto si aggiunge una nuova tecnica a quelle già usate per lo studio del comportamento degli elettroni e la verifica sperimentale dell’equazione di Dirac. Inoltre, si aprono nuovi scenari per la progettazione di nuovi materiali con proprietà sempre più sofisticate da poter utilizzare nei campi più disparati come la ricerca spaziale o quella medica.
Chiedo scusa ai miei lettori, ma questa pillola di scienza oggi è dedicata ai miei studenti ed a tutti quelli che hanno studiato la chimica organica. Per questo motivo userò un linguaggio poco divulgativo ed abbastanza tecnico.
Il linguaggio comune ed il linguaggio scientifico: usi ed abusi
Il termine “aromatico” viene attribuito, nel linguaggio comune, a un oggetto che emana un buon odore. Si tratta quindi di una qualità che viene associata a qualcosa di “buono”. Quante volte abbiamo sentito, o noi stessi abbiamo detto, “senti che buon aroma di caffè” oppure “hmmmm che buon profumo ha questa zuppa” laddove il termine “profumo” è sinonimo di “aroma”.
Ebbene, noi chimici, a causa delle limitazioni del nostro linguaggio, siamo abituati a prendere i termini comuni ed a cambiar loro di significato per attribuirne uno di carattere molto più tecnico. Ecco perché mi salta subito la mosca al naso quando sento le persone parlare di chimica o, più in generale, di scienza usando termini tecnici di cui, però, non conoscono il significato. Queste persone pensano che usare parole prese dal linguaggio scientifico e messe in fila in modo casuale dia un’àura di scientificità alle cose che dicono. Solo per citare pochi esempi mi vengono in mente quelli che esaltano la biodinamica scrivendo “robe” come quelle che vedete nell’immagine qui sotto. Cliccando sull’immagine si apre la pagina dalla quale ho fatto lo screenshot.
Che dire poi di quelli che si sono votati all’omeopatia, pratica esoterica di cui parlo abbondantemente in uno dei capitoli del mio libro “Frammenti di Chimica“? Ne ho già parlato tante volte. Alcune delle chicche sono analizzate nel link qui sotto:
Lasciamo da parte le polemiche e concentriamoci sul significato dell’aggettivo “aromatico” nel linguaggio chimico. Se cerchiamo sulla Treccani online, possiamo leggere:
aromàtico agg. [dal lat. tardo aromatĭcus, gr. ἀρωματικός] (pl. m. –ci). – […] In chimica organica, composti a. (così denominati perché vi appartengono molte sostanze aromatiche), serie di composti ciclici nella cui molecola sono contenuti uno o più sistemi a sei atomi di carbonio disposti ad anello (distinti in omociclici e eterociclici a seconda che ai vertici dell’anello si trovino tutti atomi di carbonio o anche altri atomi)
Questo è il classico esempio di informazione così generale da perdere completamente di significato in termini chimici. Infatti esistono tanti composti omociclici ed eterociclici che non hanno assolutamente la caratteristica di essere aromatici. E non necessariamente devono essere presenti sistemi ciclici a sei atomi di carbonio.
La regola di Hückel
Da un punto di vista chimico un sistema organico si dice aromatico quando:
contiene 4n+2 elettroni π (con n intero e ≥ 0)
è ciclico e planare
In tutti gli altri casi il sistema si dice antiaromatico. I sistemi aromatici hanno come peculiarità la bassa reattività, ovvero elevata stabilità chimica.
Vediamo alcuni esempi di composti aromatici ed antiaromatici
Il benzene è un sistema ciclico con la struttura descritta nella figura seguente:
La posizione dei doppi legami cambia e le due strutture, del tutto equivalenti, sono indicate come ibridi di risonanza. Nel sistema π del benzene sono presenti 6 elettroni, ovvero rispetta la regola del 4n+2 per n=1. Qui sotto viene evidenziato come l’ibridazione (sp2) degli atomi di carbonio consenta alla molecola di avere una struttura planare.
Entrambe le condizioni della regola di Hückel sono rispettate ed il benzene può essere considerato un composto aromatico.
Prendiamo adesso in considerazione il [10]annulene qui sotto:
C’è un anello, ci sono 10 elettroni π. Il numero di elettroni nel sistema π segue la regola di Hückel del 4n+2 per n=2. Tuttavia il composto non è aromatico perché non ha una struttura planare:
La non planarità è dovuta al fatto che gli atomi di idrogeno indicati nella figura sottostante si respingono per effetto sterico portando la molecola ad avere una struttura a twist.
Quando si studia la chimica organica e si arriva al capitolo sull’aromaticità, ci si imbatte anche nello ione tropilio (o catione cicloeptatrienile) che viene, in genere, indicato come lo ione più grande avente caratteristiche aromatiche. Esso si ottiene per allontanamento dello ione idruro dal cicloeptatriene. Quest’ultimo, pur avendo 6 elettroni π (n=1 nella regola di Hückel), non è aromatico a causa di un carbonio sp3 che lo rende non planare. Quando lo ione idruro viene allontanato, tutti gli atomi di carbonio risultano di tipo sp2, il sistema diventa planare, il numero di elettroni è quello previsto dalla regola di Hückel e lo ione è aromatico.
I sistemi aromatici “giganti”
La regola di Hückel è un utile strumento per comprendere cosa significhi il termine “aromatico” in chimica . Questa regola è di applicabilità generale e può essere validata sperimentalmente attraverso l’uso della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Infatti, gli elettroni del sistema π di un composto aromatico generano una corrente di anello (ring current) responsabile di un campo magnetico locale che si addiziona o si sottrae al campo magnetico applicato durante l’esperimento NMR. La variazione del campo magnetico dovuta alla corrente di anello comporta uno shift dei segnali dei nuclei soggetti a tale fenomeno. Per un approfondimento di carattere didattico cliccare qui.
La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare è la tecnica usata per sfatare un mito in base al quale più grande è la molecola contenente 4n+2 elettroni π e più facilmente essa è in grado di deformarsi così da allontanarsi dalle condizioni strutturali che soddisfano la regola di Hückel.
Nel 2016 è stato pubblicato un lavoro (qui) in cui viene descritta una molecola aromatica contenente fino a 62 elettroni π (ovvero n=15 nella regola del 4n+2):
Come mai una molecola così grande, la più grande sintetizzata fino al 2016, si comporta come un sistema aromatico rispettando la regola di Hückel? Gli autori dell’articolo ipotizzano che l’enorme flessibilità della molecola consenta la coesistenza di tanti conformeri. Tra questi possono sussistere dei conformeri in cui le nuvole elettroniche di tipo π interagiscano tra loro in modo da portare ad una delocalizzazione elettronica in grado di soddisfare la regola di Hückel. Questa stessa spiegazione è stata usata per giustificare il comportamento aromatico di una molecola sintetizzata più recentemente (il lavoro è stato pubblicato il 20 Gennaio 2020, qui) contenente ben 162 elettroni π (ovvero n=40 nella regola del 4n+2). Si tratta di una vera e propria ruota gigantesca in cui coesistono 12 anelli porfirinici.
A questo punto mi potreste chiedere: ok. Bella tutta ‘sta storia, ma a che serve? Voglio evidenziare che la sintesi di molecole così grandi consente di mettere a punto protocolli che possono essere usati per la sintesi di molecole diverse e con attività biochimiche da sfruttare per l’elaborazione di nuovi farmaci. Per poter “vedere” queste molecole è necessario spingersi ai limiti delle tecniche analitiche più utilizzate in chimica. Questo vuol dire che vengono migliorate le caratteristiche di tecniche che possono diventare di applicazione sempre più ampia e consentire di arrivare a limiti finora inesplorati. Infine, queste molecole aromatiche giganti possono essere utilizzate per studiare gli effetti quantistici a livello nanoscopico ben oltre i limiti imposti dalle dimensioni della costante di Planck.
Quando leggo queste notizie, che per me sono affascinanti perché mi consentono di immergermi in un mondo tutto mio, mi ricordo perché mi sono innamorato della chimica ed ho fatto del mio hobby il mio lavoro.
Guardate la foto di Figura 1. Il bicchiere sembra vuoto. In realtà avevo appena finito di bere un buonissimo vino e in controluce si osservano quelle che gli esperti chiamano le “lacrime del vino“. Di cosa si tratta?
Figura 1. Immagine delle lacrime del vino in controluce
Il titolo di questa nota richiama il nome di un fisico italiano, il Dr. Marangoni, che nel 1865 per primo razionalizzò la formazione di queste lacrime. A onor del vero, il Dr. Marangoni studiò la dinamica del trasferimento di massa lungo una superficie. All’interno del modello da lui sviluppato si inquadra la formazione delle suddette lacrime.
Ma andiamo con ordine.
Prendiamo in considerazione una miscela di due liquidi che, per semplicità, indichiamo con A e B. Dalla chimica sappiamo che ogni liquido è in equilibrio con il suo vapore attraverso la relazione:
Nell’immagine ho considerato le due componenti della miscela separatamente. I pedici (l) e (g) indicano la fase liquida e gassosa, rispettivamente.
Gli equilibri descritti sono tanto più spostati verso la fase gassosa quanto più piccolo è lo spessore della fase liquida. Una spiegazione semplicistica di ciò è che più piccolo è lo spessore, minore è la forza con cui le molecole sono tenute legate alla superficie del liquido. Come conseguenza, le molecole sulla superficie di uno strato di liquido sottile riescono a “passare” più facilmente alla fase gassosa rispetto a quelle che sono sulla superficie di uno strato di liquido più spesso.
Cosa succede quando mescoliamo i due liquidi?
Quando i due liquidi vengono mescolati, l’equilibrio tra le fasi si può descrivere così:
In altre parole, ciò che è presente nella fase liquida lo è anche in quella gassosa. Ciò che cambia nella composizione della fase liquida rispetto a quella gassosa è il rapporto relativo tra le componenti.
Supponiamo, tanto per esempio, che la componente A abbia un punto di ebollizione più elevato rispetto a quello della componente B. Questo vuol dire che a parità di temperatura, le molecole di B si allontanano dalla superficie liquida più facilmente delle molecole di A. La conseguenza è che mentre la fase liquida contiene una maggiore quantità del composto A (che è più alto bollente), la fase gassosa contiene una maggiore quantità del composto B (che è più basso bollente).
Variazioni delle proprietà fisiche
La miscela fatta da A e B ha proprietà fisiche che sono intermedie tra quelle delle singole componenti. Ma cosa accade quando la stessa miscela si trova in due situazioni fisiche differenti, ovvero in un caso la fase liquida ha uno spessore più grande che nell’altro?
Quando diminuiamo lo spessore della fase liquida, la fase gassosa si arricchisce della componente più basso bollente e la densità del liquido (cioè il peso per unità di volume) tende verso quella della componente più alto bollente. Volendo semplificare con un linguaggio pseudo matematico, possiamo scrivere:
d(A+B) →dA
dove la lettera d indica la densità; il pedice (A+B) si riferisce alla miscela, mentre la freccia (→) si legge “tende”.
La tensione superficiale e la capillatirà
Avete presente l’acqua? Sì…proprio quella che si scrive H2O. Ebbene, quando questa molecola è assieme alle sue sorelle gemelle, accade che si generino delle proprietà che ogni singola molecola presa da sola non ha. In effetti quando diciamo che l’acqua bolle a 100 °C o diventa solida a 0 °C non stiamo parlando di proprietà di una singola molecola. Temperatura di ebollizione, temperatura di fusione, densità etc. sono tutte proprietà che fanno riferimento ad insiemi di molecole che interagiscono tra loro. Le molecole di acqua, in particolare, interagiscono tra loro mediante una rete di legami a idrogeno. Per semplicità rimando ad una mia nota per comprendere il ruolo che i legami a idrogeno hanno nel determinare alcune caratteristiche dell’acqua.
I legami a idrogeno sono anche responsabili di quella che viene indicata come tensione superficiale dell’acqua.
Prendiamo una bacinella e riempiamola di acqua. Immaginiamo ora di diventare piccoli fino ad arrivare alle dimensioni delle molecole di acqua. Quello che potremmo immaginarci di vedere all’interno della bacinella è un insieme di molecole che interagiscono tra loro in modo differente a seconda della loro posizione nel contenitore (Figura 2).
Figura 2. Molecole di acqua in una bacinella. Le forze attrattive tra le molecole dipendono dalla posizione nel contenitore
In particolare, le molecole di acqua che sono nel bel mezzo della bacinella sono circondate da analoghe molecole che le attraggono con forze (dovute ai legami a idrogeno intermolecolari) identiche in tutte le direzioni.
Le molecole di acqua che sono accanto alle pareti del recipiente sono attratte con forze di un certo tipo dalle pareti e con forze differenti dalle molecole di acqua ad esse vicine. Cerchiamo di capire perché. Ho già scritto che le forze che consentono alle molecole di acqua di interagire tra loro sono dovute ai legami a idrogeno intermolecolari. Per completezza aggiungo che queste forze vengono indicate come “forze di coesione” perché consentono alle molecole di acqua di essere “coese” tra loro. Le forze con le quali le pareti del recipiente agiscono sulle molecole di acqua con cui entrano in contatto si indicano come “forze di adesione”. Esse possono essere dovute sia alla formazione di dipoli indotti che a legami a idrogeno veri e propri. Questi ultimi, tuttavia, hanno energia differente rispetto a quelli che si formano tra identiche molecole di acqua a causa della differente natura chimica delle pareti del contentinore.
Infine, le molecole di acqua che si trovano in superficie risentono, da un lato, della presenza dei legami a idrogeno con analoghe molecole più interne nel liquido, dall’altro della presenza dell’aria atmosferica con cui esse non possono interagire allo stesso modo. Per questo motivo, l’energia termica necessaria per far “staccare” le molecole dalla superficie è meno intensa di quella necessaria per far allontanare le molecole più interne che sono “ancorate” meglio ad un numero maggiore di molecole di acqua.
Adesso restringiamo la bacinella di prima alle dimensioni di un capillare e cerchiamo di capire cosa accade (Figura 3).
Figura 3. Esempio di risalita capillare
In pratica diminuisce lo spazio a disposizione delle molecole di acqua che cominciano ad interagire sempre più fortemente con le pareti del recipiente. Le molecole a contatto con le pareti iniziano, quindi, ad “arrampicarsi” e si “trascinano” dietro tutte quelle che non sono direttamente interagenti con le pareti stesse. A causa delle forze di coesione più intense nella zona di spazio centrale (quella più lontana dalle pareti, per intenderci) si genera un menisco. Da un punto di vista fisico si osserva un fenomeno che senza le spiegazioni appena date aparirebbe magico, ovvero quella che è conosciuta comunemente come risalita capillare. Essa spiega la presenza di elevate concentrazioni di sali sulla superficie di suoli indicati come suoli salini, il movimento della linfa nelle piante e l’imbibizione di materiali porosi come la carta Scottex® che usiamo in cucina per asciugare le superfici su cui abbiamo fatto cadere l’acqua.
Le lacrime del vino
Siamo arrivati al momento cruciale: la spiegazione chimico-fisica delle lacrime del vino.
Il vino è una miscela complessa in cui le due componenti più importanti sono acqua e alcol etilico (indicato volgarmente con il solo termine di “alcol”). Non me ne vogliano gli enologi, ma il vino altro non è che una soluzione acquosa di alcol etilico. La poesia che i sommelier e gli enologi vedono nel vino è dovuta ad una piccolissima quantità di altre componenti che sono responsabili del sapore e del profumo di tale bevanda.
Tra le due componenti più abbondanti del vino, l’acqua è la più alto bollente (la temperatura di ebollizione a 1 atm è 100 °C), mentre l’etanolo ha una temperatura di ebollizione più bassa (a 1 atm, l’etanolo bolle a circa 78 °C). Aggiungiamo anche che la densità dell’etanolo a temperatura ambiente è circa 0.78 g/cm3 e quella dell’acqua è circa 1.0 g/cm3. La densità media dei vini è circa 0.99 g/cm3.
Mettiamo ora idealmente del vino in un calice e ruotiamo il calice (Figura 4).
Figura 4. Calici di vino che vengono fatti ruotare (Fonte)
Per effetto della rotazione, si genera un sottilissimo strato di liquido sulle pareti del calice. Alla luce di tutto quanto descritto nei paragrafi precedenti, ne viene che l’alcol etilico si allonatana facilmente da questo strato sottile. A causa di ciò, si intensificano le forze di adesione che spingono il liquido verso l’alto. Più il liquido si sposta verso l’alto, più si assottiglia lo strato e più facilmente l’alcol evapora. Come conseguenza aumenta progressivamente anche la densità del liquido nello strato sottile, ovvero aumenta il peso per unità di volume. Questo perché, alla luce delle spiegazioni date prima, la densità del liquido tende a quella dell’acqua. Quando, per effetto dell’aumento di densità, la forza di gravità diventa predominante sulle forze di adesione, l’anello di liquido che sale verso l’alto si rompe ed incominciano a formarsi gocce ed archetti, ovvero le lacrime del vino. Qualitativamente parlando, più elevato è il contenuto alcolico del vino e più elevato è il numero di gocce ed archetti.
Le lacrime del vino si formano sempre?
No. Non sempre le lacrime si formano. Come abbiamo visto, è necessario che per effetto della rotazione e conseguente evaporazione dell’alcol etilico, si intensifichino le forze di adesione che spingono lo strato sottile di liquido verso l’alto. Come ho già scritto, le forze di adesione sono dovute a interazioni dipolari e/o legami a idrogeno. Questo significa che se non ci sono “agganci” a cui le molecole di acqua si possono ancorare, non si possono formare le lacrime del vino. In altre parole, le lacrime dipendono da quanto bene abbiamo lavato i nostri calici. Se il lavaggio ha completamente “sgrassato“ le pareti del recipiente, gocce ed archetti non si formano.
In questi giorni è un susseguirsi di notizie in merito agli incendi che stanno mettendo in ginocchio l’Australia. Con questa breve pillola non intendo dire la mia su una situazione oggettivamente complessa che richiede approfondimenti molto dettagliati di cui, al momento, non mi sento in grado di discutere.
In questa sede voglio condividere una notizia molto interessante che viene dal National Institute of Standards and Technology (NIST). I ricercatori di questo istituto hanno “inventato” una palla ignifuga nella quale hanno inserito una telecamera. Scopo? Quello di monitorare la dinamica di un incendio boschivo dall’interno in modo da raccogliere informazioni che possono essere utilizzate per comprendere come si sviluppano e propagano gli incendi al fine di poter mettere in atto le migliori pratiche possibili per contrastarli.
Nel video qui sotto potete osservare un incendio come foste in mezzo ad esso. In alto a sinistra ci sono delle frecce con le quali potete muovere virtualmente la telecamera ed osservare cosa si vede man mano che il fuoco vi avvolge.
Impressionante, vero?
Se volete leggere un po’ più di dettagli basta cliccare sulla foto qui sotto
Avete sicuramente sentito nominare negli ultimi giorni il chlorpyrifos e del fatto che il suo utilizzo sia vietato in alcuni paesi della Comunità Europea, ma soprattutto che la EU sta tentando di vietarne l’uso in tutti i paesi membri (qui e qui). Nel caso in cui l’uso di questo agrofarmaco venisse vietato, si avrebbe un’arma in meno per la lotta a quegli insetti che fanno parecchi danni alle aziende agricole. Pensate che la cimice asiatica (Figura 1) ha provocato in Italia danni per circa 350 milioni di euro solo per il 2019 (qui).
Il chlorpyrifos è un insetticida molto utile per il contrasto alla cimice asiatica, così come per la lotta al punteruolo rosso (Figura 2) che ha decimato la popolazione di palme in tutta Italia negli ultimi anni.
Al di là delle decisioni che verranno prese entro la fine di Gennaio 2020, qui voglio spiegare alcune caratteristiche di questo agrofarmaco.
Cosa è il chlorpyrifos
Il nome IUPAC è O,O-diethyl-O-3,5,6-trichloro-2-pyridyl-phosphorothioate e la sua struttura è riportata in Figura 3.
Figura 3. Struttura ball-and-stick del chlorpyrifos. Le palline verdi sono atomi di cloro; quelle rosse atomi di ossigeno; le palline grigie sono gli atomi di carbonio; quelle bianche sono atomi di idrogeno; la pallina blu è l’atomo di azoto, la pallina gialla è l’atomo di zolfò, la pallina arancione è l’atomo di fosforo (fonte)
Si tratta di un composto organico la cui azione è quella di inibire l’attività della acetilcolinesterasi.
Bene, direte voi, adesso è tutto chiaro. Vero?
In effetti usare un nome complicato senza spiegarlo è come non spiegare nulla.
L’acetilcolinesterasi è un enzima, ovvero una proteina che ha delle specifiche funzioni all’interno del nostro organismo, che gioca un ruolo importantissimo nella trasmissione degli impulsi nervosi. Esso si trova nelle sinapsi tra le cellule nervose e quelle muscolari e interviene nelle contrazioni muscolari. In particolare, l’acetilcolinesterasi entra in azione dopo che un segnale nervoso è passato, demolendo l’acetilcolina nelle sue due componenti, l’acido acetico e la colina (Figura 4). Questa reazione ferma la trasmissione del segnale.
I due frammenti non vanno perduti, ma vengono riciclati per sintetizzare nuovi neurotrasmettitori per altre contrazioni muscolari. Il tempo necessario per la degradazione della molecola di acetilcolina è di circa 50 microsecondi.
Figura 4. Degradazione della acetilcolina. Nu è l’acronimo di “nucleofilo”, ovvero un sistema ricco di elettroni che reagisce con un elettrofilo, cioè un sistema povero di elettroni. Il nucleofilo è presente nel sito attivo della acetilcolinesterasi (fonte)
Come si vede dalla Figura 4, un gruppo funzionale ricco di elettroni (nucleofilo, Nu) presente nel sito attivo della acetilcolinesterasi (si tratta del gruppo -OH della catena laterale dell’amminoacido serina) attacca il gruppo carbonilico (-C=O) povero di elettroni presente nella acetilcolina determinando la frammentazione della molecola in una colina deprotonata e un sistema in cui il gruppo acetile (CH3CO-) rimane legato all’enzima. Quest’ultimo subisce una reazione di idrolisi con rigenerazione dell’enzima e formazione di acetato e colina.
Quando il chlorpyrifos si inserisce nel sito attivo della acetilcolinesterasi, il gruppo nucleofilo anzidetto va ad attaccare il fosforo presente nell’insetticida (Figura 5). Si formano, quindi, due frammenti (A e B in Figura 5) di cui uno, quello indicato con la lettera A, è l’enzima il cui sito attivo è “bloccato” dalla presenza del residuo contenente il fosforo. Il legame tra la serina e il residuo col fosforo non può essere idrolizzato, ovvero la serina non si può più “liberare” e l’acetilcolinesterasi non può più essere utilizzata per la reazione descritta in Figura 4. Questo significa che non si possono avere più contrazioni muscolari.
Figura 5. Reazione di inibizione dell’acetilcolinesterasi
Un insetto, come la cimice asiatica o il punteruolo rosso, colpito dal chlorpyrifos muore a causa del meccanismo appena descritto.
I limiti del chlorpyrifos
I meccanismi descritti provocano danni anche all’uomo. La concentrazione limite oltre la quale l’insetticida sotto indagine risulta tossico mediante assunzione orale per gli animali è nell’intervallo 32-1000 mg/kg. In altre parole, per risentire degli effetti del chlorpyrifos, un individuo di 70 kg deve assumere una dose orale di insetticida nell’intervallo compreso tra 2 e 70 grammi. Per avere effetto tossico mediante contatto epidermico, un individuo di 70 kg deve venire a contatto con circa 140 g di insetticida (riferimenti). La Comunità Europea sta cercando di proibire l’uso del chlorpyrifos sulla base del principio di precauzione legato al fatto che non è chiara la genotossicità dell’insetticida (qui). Tuttavia, stando a quanto riportato nel rapporto EFSA, gli esperimenti che sembrerebbero indicare genotossicità sono stati condotti con quantità di chlorpyrifos molto al di sopra dei limiti citati. Come al solito è necessario evidenziare che è la dose che fa il veleno. Un uso attento ed oculato di insetticida non provoca alcun danno. Occorre anche evidenziare che l’uso spregiudicato del principio di precauzione “spunta” le armi che gli agricoltori hanno a disposizione per combattere insetti nocivi alla nostra produzione alimentare
Avete presente i gas nobili? Sono quelli dell’ultimo gruppo della tavola periodica (riquadro in rosso di Figura 1).
Figura 1. Tavola periodica. Il riquadro in rosso evidenzia il gruppo dei gas nobili (Fonte)
Fin da quando cominciamo a frequentare le scuole superiori (lo so…oggi non si chiamano più così…ma lasciatemi il vezzo di chiamarle ancora nel modo noto quando le frequentavo) ci viene insegnato che i gas nobili prendono questo nome perché sono altezzosi, hanno la puzza sotto al naso…ovvero incarnano lo stereotipo dei nobili dal punto di vista dei popolani: non frequentano nessuno. Chimicamente vuol dire semplicemente che sono non reattivi. A differenza di tutti gli altri elementi della tavola periodica, Elio, Neon, Argo, Cripto, Xeno e Radon non si combinano con nessun altro elemento.
Ma ne siamo veramente sicuri?
No. In effetti non è così. Diciamo pure che, quando ho cominciato i miei studi di Chimica (nell’ormai lontano 1986), un composto dello Xeno era già stato sintetizzato. Nel 1962, infatti, Neil Bartlett riuscì ad ottenere l’esafluoroplatinato di Xeno (XePtF6). La Figura 2 mostra il lavoro di Bartlett pubblicato sui Proceedings of the Chemical Society.
Figura 2. Immagine del lavoro di Neil Bartlett in cui parla della sintesi dell’esafluoroplatinato di Xeno (Fonte)
Quindi, possiamo dire che a partire dal 1962 non si può più dire che i gas nobili siano inerti. Ce ne è almeno uno, lo Xeno, che forma dei composti.
Ma è l’unico?
No, non è l’unico. Facciamo un salto temporale: 1962-2019. Sono passati 57 anni. Ci sono voluti tutti questi anni per ottenere un nuovo composto da un gas nobile. Stavolta si tratta dell’Argo. E’ stato utilizzato in condizioni molto diverse da quelle in cui siamo adatti a vivere per ottenere una lega col Nickel (ArNi). Non ci credete? Ebbene, cliccate sulla figura qui sotto.
Alla fine i gas nobili sono come Superman. Hanno i superpoteri solo quando sono sulla Terra. Se si cambiano le condizioni (come per esempio Superman in presenza della kryptonite), perdono la loro nobiltà e si comportano come dei “volgari” metalli.
Margherita Aina, giornalista per People for Planet, mi ha chiesto un’intervista durante la quale mi sono divertito moltissimo. Abbiamo parlato di cappuccino e di come si faccia la schiuma di questo delizioso alimento col quale molti di noi fanno la prima colazione (ne avevo già parlato qui).
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Se siete amanti del cappuccino al bar converrete che un buon cappuccio è fatto da due cose: un buon caffè e una buona schiuma. Soffermiamoci su quest’ultima: a volte è più cremosa, altre così schiumosa che si possono vedere grandi bolle al suo interno, altre volte dopo pochi secondi si scioglie.
Vi siete mai chiesti da cosa dipende? È l’abilità del barista? È la qualità del latte? È la “macchina” che lo produce? Abbiamo provato a chiederlo al professor Pellegrino Conte, docente ordinario di Chimica Agraria presso l’Università degli studi di Palermo e che ha dedicato un articolo molto specifico alla chimica del cappuccino, un tema che usa per aprire le prime lezioni e interessare gli studenti. Abbiamo scoperto che un fattore determinante è una cosa a cui non avevamo pensato: la temperatura [continua…]
Oggi il mondo è concentrato sul premio Nobel per la chimica assegnato ieri. Tutti a parlare dell’evoluzione tecnologica che ha cambiato la nostra vita negli ultimi 30 anni. Tuttavia, l’evoluzione tecnologica non è solo quella delle batterie al litio grazie alle quali sono possibili cose che fino a ieri erano impensabili.
Oggi mi è capitata sotto mano una scheda perforata. Chi se le ricorda? Nella Figura 1 vedete l’evoluzione degli hard disk: dalla scheda perforata (in questo caso intonsa e non ancora perforata), ad un hard disk da 740 MB fino ad arrivare ad un HD da 512 GB. Lasciamo perdere il fatto che il disco da 512 GB è in stato solido (SSD) mentre quello da 740 MB non lo è. Mi sono chiesto: quaranta e passa anni fa, quante schede perforate sarebbero state necessarie per immagazzinare la quantità di dati che oggi sono contenuti in un disco in stato solido da 512 GB?
Figura 1. Scheda perforata e due hard disk moderni
Per rispondere alla mia domanda ho assunto che la scheda pesi approssimativamente 1 g, abbia uno spessore di circa 0.2 mm ed una grammatura di circa 100 g/mq. La scheda contiene una quantità di informazioni corrispondenti a 100 B (mi scuso con gli informatici se ho sbagliato a contare i byte sulla scheda che vedete in Figura 1).
Facendo i calcoli con i dati approssimati summenzionati, è venuto che un SSD da 512 GB corrisponde a 5.12 miliardi di schede perforate. Questo ammontare corrisponde ad un peso di 5120 tonnellate, ovvero a circa il peso di una mandria di mille elefanti africani adulti come quello mostrato in Figura 2. Non voglio neanche pensare a cosa potrebbe succedere se i componenti di questa mandria di elefanti si inc…ehmmm…innervosissero e mi caricassero.
Figura 2. Elefante africano che in media pesa 5 tonnellate (Fonte)
Ed il volume occupato da 5.12 miliardi di schede perforate? E’ pari a 10240 mc, ovvero un capannone di forma cubica avente lati di lunghezza di circa 22 m equivalente ad un palazzo di circa 7-8 piani.
Quante foreste abbiamo salvato e quanto spazio abbiamo risparmiato con lo sviluppo tecnologico e la miniaturizzazione informatica?
Avete mai sentito parlare di cremor tartaro? Anche se sono un chimico, non mi interesso molto di cucina (se non come assaggiatore professionale…nel senso che mi piace mangiare) e solo recentemente ne ho sentito il nome. Mi è venuta la curiosità di sapere cosa fosse ed ho scoperto che è un banale sale potassico dell’acido tartarico. La struttura di quest’ultimo è riportata in Figura 1.
Figura 1. Acido tartarico. I pallini neri sono gli atomi di carbonio; i pallini rossi sono gli atomi di ossigeno; i pallini bianchi sono gli atomi di idrogeno. Le linee doppie sono i doppi legami carbonio-ossigeno. I gruppi -COOH sono detti gruppi carbossilici; i gruppi -OH sono chiamati gruppi ossidrilici o gruppi alcolici. L’acido tartarico è un acido dicarbossilico con due gruppi ossidrilici vicinali, ovvero posizionati su due atomi di carbonio adiacenti. La conformazione è stata ottenuta mediante ottimizzazione con la app WebMO per iPad Pro 9.2.
La Figura 2 riporta la struttura del sale potassico dell’acido tartarico, ovvero del cremor tartaro.
Figura 2. Bitartrato di potassio. Il codice colori è identico a quello di figura 1. La pallina viola è lo ione potassio. Il legame tratteggiato è un legame a idrogeno. La configurazione è stata ottenuta mediante ottimizzazione con la app WebMO per iPad Pro 9.2.
Il cremor tartaro (ovvero il bitartrato di potassio) è indicato anche come lievito chimico. Cosa vuol dire?
I lieviti
I lieviti sono degli esseri viventi. Più specificatamente sono dei microorganismi eucarioti monocellulari (Figura 3), estremamente importanti in molti processi legati alla trasformazione alimentare come la panificazione e la vinificazione.
Figura 3. Microfotografia di cellule di lievito di birra (Fonte)
Il loro ruolo è quello di ridurre il glucosio normalmente presente nelle fibre alimentari (per esempio l’amido) o nei liquidi (come quelli che si ottengono dalla spremitura dell’uva nel processo che inizia la vinificazione) in etanolo ed anidride carbonica attraverso un processo che viene indicato come fermentazione alcolica (Figura 4).
Figura 4. Schema della fermentazione alcolica attraverso cui i lieviti riducono il glucosio ad alcol etilico ed anidride carbonica (Fonte)
L’anidride carbonica (Figura 5) che si sviluppa dalla fermentazione alcolica è la molecola che consente ai prodotti da forno, come il pane, la pizza ed i biscotti, di assumere quel loro caratteristico aspetto “gonfio” e una consistenza “sofficiosa”.
Figura 5. Molecola di anidride carbonica con la rappresentazione dei potenziali elettrostatici. La molecola ed i potenziali elettrostatici sono stati ottenuti mediante l’uso della app WebMO per iPad Pro 9.2.
In Figura 6 si riporta un esempio di pane lievitato e di pane non lievitato. Si può chiaramente vedere come il primo sia molto più “gonfio” del secondo proprio grazie all’azione dei lieviti che hanno consentito lo sviluppo della anidride carbonica che, imprigionata nel sistema, ha permesso di ottenere quella “mollica” soffice e gustosa.
È possibile riprodurre gonfiore e sofficezza senza l’uso di lieviti? Certo che sì. La chimica ci aiuta. Il cremor tartaro è una molecola (Figura 2) che ha caratteristiche acide e che, sottoposta a riscaldamento, si decompone, attraverso un processo che si chiama decarbossilazione, in anidride carbonica e un derivato dell’acido propionico (Figura 7).
Figura 7. La decarbossilazione del bitartrato di potassio (ovvero del cremor tartaro) porta alla formazione di 1,2-diidrossi propionato di potassio (a sinistra) e anidride carbonica (a destra). Entrambe le molecole sono state ottenute mediante ottimizzazione energetica con la app WebMO per iPad Pro 9.2. Il codice dei colori è lo stesso che in Figura 1 e 2.
L’anidride carbonica che si ottiene dalla decarbossilazione del cremor tartaro ha la stessa funzione di quella che si sviluppa durante la fermentazione alcolica ad opera dei lieviti, ovvero garantisce gonfiore e sofficezza al prodotto (pane, pizza, dolce etc) a cui esso viene aggiunto. Questo è il motivo per cui questo sale dell’acido tartarico viene indicato come lievito chimico oppure, più correttamente, come agente lievitante. Esistono altri lieviti chimici? Assolutamente sì. Ci sono diverse molecole che, sottoposte a trattamento termico – come quello che occorre durante la cottura di un alimento, possono liberare anidride carbonica e conferire gonfiore e sofficezza al prodotto che prepariamo. Oltre al già citato cremor tartaro, agenti lievitanti sono il bicarbonato di ammonio, il bicarbonato di sodio, l’acido tartarico (Figura 1), il carbonato di calcio, il carbonato di magnesio ed i sali dell’acido pirofosforico (Figura 8).
Figura 8. Acido pirofosforico. Rosso e bianco sono i colori con cui vengono indicati rispettivamente ossigeno ed idrogeno. Le palline arancioni sono atomi di fosforo. La struttura è stata ottenuta mediante ottimizzazione energetica con la app WebMO per iPad Pro 9.2.
Note
Per i miei colleghi puntigliosi. Le configurazioni tridimensionali delle varie molecole riportate nelle varie figure sono solo dei minimi energetici relativi ottenuti mediante ottimizzazione con una app per iPad Pro 9.2 che ho appena scoperto e che sto imparando ad usare. Questo vuol dire che so benissimo che ci possono essere configurazioni ad energia minore e che quelle rappresentate possono essere sbagliate. Poiché questo NON è e NON vuole essere un lavoro scientifico da pubblicare su una rivista di alto impatto, ma solo una curiosità di carattere didattico divulgativo, non ho ritenuto necessario approfondire oltre le caratteristiche conformazionali delle diverse molecole. Grazie per la comprensione.
Sulla mia bacheca Facebook appaiono tante notizie. Sono soprattutto di carattere scientifico, dal momento che ho selezionato le cose in modo tale che mi appaiano prima queste rispetto ad altre. Tra le notizie scientifiche, oggi mi compare quella che dà il titolo a questo breve articoletto: “Bere tanti succhi di frutta fa male” (in basso lo screenshot dalla mia bacheca. Se cliccate sull’immagine si apre il link alla fonte della notizia)
Il web-magazine che riporta questa notizia è una fonte attendibile nell’ambito della divulgazione scientifica. Peraltro fa un lavoro egregio riportando notizie di lavori recenti in ambito medico senza alcuna inferenza soggettiva. Insomma, riportano le notizie che appaiono sulle riviste specialistiche traducendo il linguaggio tecnico in uno più facilmente comprensibile dalla massa delle persone che non hanno una preparazione specialistica. Fanno, in altre parole, quello che ci si aspetta da professionisti della divulgazione.
Ed allora perché sto scrivendo questa nota con termini che fanno chiaramente capire i miei intenti polemici? Non me la prendo con MedicalXpress, bensì con gli autori del lavoro che essi citano e che potete trovare cliccando sull’immagine qui sotto
Proviamo a leggerlo assieme.
Gli autori si chiedono ” Is the consumption of sugary beverages (ie, sugar-sweetened beverages and fruit juices) associated with an increased mortality risk?” ovvero: il consumo di bevande dolcificate – laddove per dolcificate intendono addizionate di zucchero (che si suppone sia il saccarosio) – tra cui i succhi di frutta, sono legate al rischio di una mortalità più elevata?
La domanda sembra legittima: se abusiamo di bevande zuccherate rischiamo o no di accorciare la nostra vita?
Per rispondere a questa domanda, gli autori hanno raccolto una serie di dati studiando il comportamento di ben 13 440 adulti con età ≥ 45 anni, specificando che hanno preso in considerazione sia bianchi che neri, nell’ambito di un progetto intitolato: “The Reasons for Geographic and Racial Differences in Stroke (REGARDS)“.
Considerazioni sul termine “razza”
Già il titolo del progetto, molto onestamente, mi dà fastidio.
Non sono un native English speaker, per cui mi faccio aiutare da un dizionario monolingue (TheSage, scaricabile liberamente qui) per capire cosa voglia dire “racial”. Qui sotto ciò che mi ha fornito la ricerca:
Da quanto si legge nella figura, il termine “racial” in inglese ha la stessa accezione di “razziale” in italiano.
Che il termine “razza” e gli aggettivi ad esso correlati vengano utilizzati da politici di varia estrazione per far leva sulla pancia di persone che hanno una visione della società civile che non va oltre il proprio ombelico, mi sta bene. Si tratta di politica. Secondo me andrebbe fatta in un altro modo, ma non si può pretendere che tutti abbiano il medesimo livello culturale. E’ compito del comparto istruzione, quindi anche il mio, fare in modo che certi concetti vengano diffusi e compresi, sempre che non ci sia asservimento al potere (qui il manifesto della razza del 1938 che fu firmato da “eminenti scienziati” dell’epoca, mentre qui un eloquente documento che riporta anche la lista dei 12 professori universitari, gli unici, che rifiutarono il giuramento al fascismo – quindi al potere costituito – nel 1931).
Che il termine venga utilizzato da scienziati per dar titolo ad un progetto scientifico, mi infastidisce non poco. Cliccando sull’immagine qui sotto si apre un ottimo articolo apparso nel 2005 a firma del Prof. Luigi Cavalli Sforza e riproposto da Il Sole24Ore nel Settembre 2018 – per commemorare la morte del Prof. Cavalli Sforza avvenuta un paio di giorni prima – in cui si capisce come il concetto di “razza” applicato agli esseri umani non abbia alcun significato.
Tutti coloro che si occupano di scienza dovrebbero sapere ciò che dice il Prof. Cavalli Sforza, anche gli scienziati che hanno firmato l’articolo di cui si sta discutendo in questa sede e che lavorano ad Atlanta – capitale della Georgia (USA), uno dei sette stati che diedero vita alla Confederazione che scatenò la guerra civile americana e combatté contro l’abolizione della schiavitù.
Ma la mia vena polemica non è destinata all’uso inopportuno dell’aggettivo “razziale”. Va ben oltre.
Continuiamo la lettura.
Gli autori dichiarano
“On enrollment in the REGARDS study, diet was assessed using a self-administered Block 98 food frequency questionnaire (FFQ), a validated semiquantitative FFQ that assesses the usual dietary consumption of 110 food items (NutritionQuest). For each food item included in the FFQ, participants were asked about their usual consumption patterns during the preceding year, with response options ranging from never to every day. In addition to frequency of consumption, participants were asked to estimate the usual quantity of food consumed as either the number of specified units or the portion of food served on a plate. The FFQ survey form was given to participants during the baseline in-home visit. Once completed, they were mailed by participants in preaddressed envelopes to the REGARDS operations center. Questionnaires were verified for completeness and sent to NutritionQuest for analysis”.
In pratica è stato somministrato un questionario al quale i candidati al progetto hanno dovuto dare risposta. A questo questionario che ha consentito la selezione dei pazienti, hanno fatto seguito interviste telefoniche a cadenza semestrale:
“Study participants (or their family members) were interviewed by telephone every 6 months to log all hospital visits or death events“.
Il resto dello studio è tutta una descrizione dei risultati ed una discussione che mi ricorda molto da vicino quella fatta per il progetto EPI3 di cui ho parlato sia nel mio libro “Frammenti di chimica” che nel mio blog (qui sotto):
Manca un controllo, un bianco, da usare come riferimento per capire se, effettivamente, l’abuso delle bevande dolcificate sia veramente correlato ad una elevata probabilità di morte. Inoltre, il lavoro si basa su interviste (come per il progetto EPI3 già ampiamente criticato) in cui si dà una grande importanza alla componente soggettiva di chi viene intervistato. Come conseguenza dei pochi limiti che ho evidenziato, viene elaborata una correlazione che potrebbe essere senza causazionetra mortalità e bevande dolcificate.
Correlazione e casusazione
Immaginiamo di elaborare un progetto nel quale è previsto che vengano intervistate qualcosa come 50000 persone. Le domande vertono sull’uso di prodotti da agricoltura biologica e sulla eventuale presenza, in ogni famiglia, di individui con disturbi dello spettro autistico. Una possibile correlazione è quella riportata nella seguente figura:
Da questa figura si può concludere che il consumo di cibo biologico è correlato ai disturbi dello spettro autistico. Invito, tuttavia, i lettori a voler leggere la fonte prima di trarre conclusioni in merito.
Immaginiamo ora un altro progetto in cui, attraverso interviste telefoniche, si cerca di comprendere quanti suicidi attraverso impiccagione, strangolamento e soffocamento siano avvenuti in un certo lasso di tempo e quale tipologia di rivista stessero leggendo i malcapitati nel periodo immediatamente precedente la loro morte. Potrebbe venir fuori una cosa come quella della figura qui sotto:
Da questa figura si capisce che le spese per finanziare la scienza, lo sviluppo delle tecnologie in generale e quelle per andare nello spazio, in particolare, sono direttamente responsabili dei suicidi per impiccagione, strangolamento e soffocamento. Anche in questo caso invito i lettori ad accedere alla fonte della figura prima di esprimere ogni opinione in merito.
Di correlazioni senza causazioni ne possiamo fare parecchie. Anche un paio di anni fa avevo evidenziato come il consumo abitudinario di mozzarelle fosse direttamente responsabile della capacità degli studenti statunitensi di conseguire un dottorato in ingegneria civile (qui sotto il link)
A onor del vero, gli autori dello studio concludono il loro lavoro scrivendo:
“Despite the availability of a large national sample, the number of participants who died during the relatively short follow-up period was small. This increases the risk of a type 2 error, particularly in stratified analyses. In addition, sugary beverage consumption was based on self-report, which is subject to an underreporting bias, specifically for SSBs, that has been shown to differ by a respondent’s weight status, among other factors.25 In addition, beverage exposure estimates were available only at baseline. The extent to which that measure reflects consumption throughout the follow-up period is unknown. Furthermore, we were unable to estimate consumption of all types of SSBs, including sweetened teas, which is known to be high among some adults. Nevertheless, it is important to note that the absence of these data is likely to have biased the observed associations toward the null. Third, nearly one-third of the REGARDS cohort did not complete an FFQ, which may have led to selection bias, compromising the interval validity of our study“.
In altre parole, gli stessi autori si rendono perfettamente conto che le loro conclusioni non sono definitive e che lo studio avrebbe dovuto essere fatto prendendo in considerazione un approccio differente.
Nonostante questa conclusione che consente di dire che lo studio deve essere preso con le mollette, cosa pensate titoleranno le migliori testate giornalistiche quando si accorgeranno di poter scrivere “contrordine compagni. I succhi di frutta fanno male“, potendo in questo modo ottenere tanti like e tante condivisioni che vuol dire anche tanta pubblicità?
Ai posteri l’ardua sentenza. Intanto io mi vado a sbafare un ottimo succo di frutta. Visto che aumento la mia possibilità di morire (cosa che comunque accadrà), che almeno possa avvenire mentre si sviluppa in me la sensazione di soddisfazione conseguente all’aver assunto una bevanda dolcificata.
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