Elementi della Tavola periodica: Carbonio, C (seconda parte)

Rinaldo Cervellati

 

La prima parte di questo post è pubblicata qui.

Produzione

Grafite

Depositi naturali di grafite commercialmente utilizzabili si trovano in molte parti del mondo, ma le fonti economicamente più importanti sono in Cina, India, Brasile e Corea del Nord. I depositi di grafite sono di origine metamorfica, trovati in associazione con quarzo, mica e feldspati in scisti, e arenarie e anche calcare come vene, a volte di un metro o più di spessore.

Esistono tre tipi di grafite naturale: amorfa, in scaglie o in scaglie cristalline e in vena o nodulo. La grafite amorfa è la qualità più bassa e la più abbondante. Contrariamente al linguaggio scientifico, nell’industria “amorfo” si riferisce a dimensioni molto ridotte dei cristalli piuttosto che alla completa mancanza di struttura cristallina. La grafite amorfa è utilizzata per prodotti di basso valore e ha un prezzo contenuto. Grandi depositi di grafite amorfa si trovano in Cina, Europa, Messico e Stati Uniti.

La grafite in scaglie è meno comune e di qualità superiore a quella amorfa; si presenta come placche separate che si sono cristallizzate nella roccia metamorfica. La grafite a scaglie può avere un prezzo quattro volte quello dell’amorfa. Le scaglie di buona qualità possono essere trasformate in grafite espandibile per molti usi, come i ritardanti di fiamma. I depositi più importanti si trovano in Austria, Brasile, Canada, Cina, Germania e Madagascar.

La grafite venata o grumosa è il tipo di grafite naturale più rara, preziosa e di altissima qualità. Si trova nelle vene lungo i contatti intrusivi in ​​grumi solidi, e viene estratta per scopi commerciali solo in Sri Lanka.

In base i dati del Servizio Geologico degli Stati Uniti (USGS), la produzione mondiale di grafite naturale nel 2010 è stata di 1,1 milioni di tonnellate, cui la Cina ha contribuito con 800.000 t, l’India 130.000 t, il Brasile 76.000 t, la Corea del Nord 30.000 t e il Canada 25.000 t.

Diamante

Solo una frazione molto piccola del minerale contenente diamanti è costituita da essi. Il minerale viene frantumato, durante questo processo è necessario prestare attenzione per evitare che i diamanti più grandi vengano distrutti, successivamente le particelle vengono ordinate per densità. I diamanti si trovano nella frazione a densità più alta e vengono identificati con l’aiuto della fluorescenza a raggi X, dopodiché le fasi finali di smistamento vengono eseguite manualmente.

La produzione di diamanti da giacimenti primari (kimberliti e lamproiti) iniziò solo nel 1870 dopo la scoperta di questi minerali in Sud Africa. La produzione è aumentata nel tempo e ora da quella data sono stati estratti 4,5 miliardi di carati (una unità di misura di peso equivalente a 0,2 grammi). Solo negli ultimi 5 anni è stato estratto circa il 20% di tale importo, e negli ultimi dieci anni sono state avviate 9 nuove miniere mentre altre 4 sono in attesa di essere aperte a breve. La maggior parte di queste si trova in Canada, Zimbabwe, Angola e una in Russia.

Figura 11. Produzione mondiale di diamanti nel 2005

Oggi, la maggior parte dei depositi di diamanti commercialmente validi si trova in Russia, Botswana, Australia e Repubblica Democratica del Congo. Nel 2005, la Russia ha prodotto quasi un quinto della produzione mondiale di diamanti, come riportato dal British Geological Survey. Ci sono anche depositi commerciali attivamente usati nei Territori del Nordovest del Canada, in Siberia, in Brasile e nell’Australia settentrionale e occidentale.

Applicazioni

Il carbonio è essenziale per tutti i sistemi viventi conosciuti e senza di esso la vita come la conosciamo non potrebbe esistere. Il principale uso economico del carbonio diverso dal cibo e dal legno è sotto forma di idrocarburi liquidi e gassosi (combustibili fossili) ad esempio il gas metano  e il petrolio greggio. Il petrolio greggio viene distillato nelle raffinerie dall’industria petrolchimica per produrre benzina, cherosene e altri prodotti.

La cellulosa è un polimero naturale contenente carbonio prodotto dalle piante sotto forma di legno, cotone, lino e canapa. La cellulosa è utilizzata principalmente per mantenere la struttura nelle piante. I polimeri di carbonio di origine animale di valore commerciale includono lana, cashmere e seta. Le materie plastiche sono costituite da polimeri di carbonio sintetici, spesso con atomi di ossigeno e azoto inclusi a intervalli regolari nella catena polimerica principale. Le materie prime per molte di queste sostanze sintetiche provengono dal petrolio greggio.

Gli usi del carbonio e dei suoi composti sono estremamente vari. Può formare leghe con il ferro, di cui la più comune è l’acciaio al carbonio. La grafite è combinata con l’argilla per formare la mina utilizzata nelle matite.

Figura 12. Set di mine per matite

È anche usata come lubrificante e pigmento, come materiale di stampaggio nella fabbricazione del vetro, negli elettrodi per batterie a secco, nella galvanica ed elettroformatura, nelle spazzole per motori elettrici e come moderatore di neutroni nei reattori nucleari.

Il carbone di legna viene utilizzato come materiale da disegno in opere d’arte, nei barbecue, nella fusione del ferro e in molte altre applicazioni. Legno, carbone e petrolio sono usati come combustibili per la trasformazione in energia, anche sotto forma di riscaldamento.

I diamanti di qualità gemma vengono utilizzati in gioielleria, mentre quelli industriali sono utilizzati negli strumenti di perforazione, taglio e lucidatura per la lavorazione di pietre e metalli.

La plastica è composta da idrocarburi fossili e la fibra di carbonio, ottenuta dalla pirolisi di fibre sintetiche di poliestere, viene utilizzata per rinforzare la plastica per formare materiali compositi avanzati e leggeri.

La fibra di carbonio è prodotta dalla pirolisi di filamenti estrusi e stirati di poliacrilonitrile (PAN) e altre sostanze organiche. La struttura cristallografica e le proprietà meccaniche della fibra dipendono dal tipo di materiale di partenza e dalla lavorazione successiva. Le fibre di carbonio realizzate con PAN hanno una struttura simile a stretti filamenti di grafite, ma il trattamento termico può riordinare la struttura in un foglio laminato continuo. Il risultato sono fibre con una resistenza alla trazione specifica più elevata rispetto all’acciaio.

Il nero carbone viene utilizzato come pigmento nell’inchiostro da stampa, nella pittura a olio  e nei colori ad acqua, nella carta carbone, nelle finiture automobilistiche, nell’inchiostro di India e nel toner per stampanti laser. Il nerofumo è anche usato come riempitivo in prodotti in gomma come pneumatici e in composti di plastica. Il carbone attivo viene utilizzato come assorbente e adsorbente nel materiale filtrante in applicazioni diverse come maschere antigas, purificazione dell’acqua e cappe aspiranti da cucina e in medicina per assorbire tossine, veleni o gas dal sistema digestivo.

Il carbonio viene utilizzato nella riduzione chimica ad alte temperature. Il coke viene utilizzato per ridurre i minerali di ferro in ferro per fusione.

La tempra dell’acciaio si ottiene riscaldando i componenti in acciaio finiti in polvere di carbonio. I carburi di silicio, tungsteno, boro e titanio sono tra i materiali più duri conosciuti e sono utilizzati come abrasivi negli utensili da taglio e molatura. I composti del carbonio costituiscono la maggior parte dei materiali utilizzati nell’abbigliamento, come i tessuti naturali e sintetici e la pelle, e quasi tutte le superfici interne delle costruzioni , tranne il vetro, la pietra e il metallo.

L’industria dei diamanti si divide in due categorie: una si occupa di diamanti di qualità gemma e l’altra di diamanti di qualità industriale. Sebbene esista un grande commercio di entrambi i tipi di diamanti, i due mercati funzionano in modo notevolmente diverso.

A differenza dei metalli preziosi come l’oro o il platino, i diamanti gemma non sono scambiati come merce: c’è un notevole aumento nella vendita di diamanti e non c’è un mercato molto attivo per la rivendita di diamanti.

I diamanti industriali sono apprezzati principalmente per la loro durezza e conducibilità termica, con qualità gemmologiche di purezza e colore per lo più irrilevanti. I diamanti sintetici, inventati negli anni 50 del secolo scorso, hanno trovato applicazioni industriali quasi immediate; ogni anno sono prodotte 600 tonnellate di diamanti sintetici.

L’uso industriale dominante del diamante è nel taglio, perforazione, molatura e lucidatura. La maggior parte di queste applicazioni non richiede grandi diamanti; infatti, la maggior parte dei diamanti di qualità gemma di piccole dimensioni, possono essere utilizzati a livello industriale. I diamanti sono incorporati nelle punte dei trapani o nelle lame delle seghe, oppure vengono macinati in polvere per l’uso in applicazioni di molatura e lucidatura.

Le applicazioni specializzate includono l’uso nei laboratori come contenimento per esperimenti ad alta pressione (ad es. nelle celle a incudine di diamante), cuscinetti ad alte prestazioni e uso limitato in altre apparecchiature specializzate. Con i continui progressi nella produzione di diamanti sintetici, nuove applicazioni si stanno affacciando all’orizzonte. A suscitare molto interesse è il possibile utilizzo del diamante come semiconduttore adatto per microchip e, a causa delle sue eccezionali proprietà di conduttanza termica, come dissipatore di calore nell’elettronica.

Tossicologia e precauzioni

Il carbonio puro ha una tossicità estremamente bassa per l’uomo e può essere maneggiato in sicurezza sotto forma di grafite o carbone. È resistente alla dissoluzione o all’attacco chimico, anche nel contenuto acido del tubo digerente. Di conseguenza, una volta che entra nei tessuti del corpo è probabile che rimanga lì a tempo indeterminato. Il nerofumo è stato probabilmente uno dei primi pigmenti a essere utilizzati per i tatuaggi, e si è scoperto che Ötzi, l’uomo venuto dal ghiaccio, aveva tatuaggi al carbonio sopravvissuti per 5200 anni dopo la sua morte. 

L’inalazione di polvere di carbone o fuliggine (nerofumo) in grandi quantità può essere pericolosa, irritare i tessuti polmonari e causare la malattia polmonare (pneumoconiosi) dei carbonai.

La polvere di diamante usata come abrasivo può essere nociva se ingerita o inalata.

Le microparticelle di carbonio vengono prodotte nei gas di scarico dei motori diesel e possono accumularsi nei polmoni. In questi esempi, il danno può derivare da contaminanti (ad esempio, sostanze chimiche organiche, metalli pesanti) piuttosto che dal carbonio stesso.

Il carbone può bruciare vigorosamente e brillantemente in presenza di aria ad alte temperature. Grandi accumuli di carbone, che sono rimasti inerti per centinaia di milioni di anni in assenza di ossigeno, possono bruciare spontaneamente se esposti all’aria nelle discariche di rifiuti delle miniere di carbone, nelle stive delle navi e nelle discariche di stoccaggio.

La grande varietà di composti del carbonio include specie chimiche essenziali per la vita come il glucosio e le proteine, ma anche veleni letali come ad esempio la tetrodotossina, la lectina dai semi della pianta dell’olio di ricino, il Ricinus communis, il cianuro (CN⁻) e il monossido di carbonio.

Economia a basso consumo di combustibili fossili.

L’uso eccessivo dei combustibili fossili ha portato a un incremento impressionante di CO₂ e altri gas serra nell’atmosfera contribuendo al fenomeno del riscaldamento globale e conseguente cambiamento climatico.

Un’economia a basso consumo di combustibili fossili (LFFE), o a basse emissioni di carbonio (LCE) o un’economia decarbonizzata, è un’economia basata su fonti di energia a basse emissioni di carbonio che quindi ha una produzione minima di emissioni di gas (GHG) che aumentano l’effetto serra in atmosfera, in particolare l’anidride carbonica [1]. Le emissioni di GHG dovute all’attività antropica (umana) sono la causa principale del riscaldamento globale osservato dalla metà del XX secolo. La continua emissione di gas a effetto serra può causare cambiamenti duraturi in tutto il pianeta, aumentando la probabilità di effetti gravi, pervasivi e irreversibili per le persone e gli ecosistemi.

Il passaggio a un’economia a basse emissioni di gas serra su scala globale potrebbe portare vantaggi sostanziali sia ai paesi sviluppati sia a quelli in via di sviluppo. Molti paesi in tutto il mondo stanno progettando e implementando strategie di sviluppo a basse emissioni. Queste strategie cercano di raggiungere obiettivi di sviluppo sociale, economico e ambientale riducendo le emissioni di gas a effetto serra a lungo termine e aumentando la resilienza agli effetti del cambiamento climatico.

Le economie a basse emissioni di carbonio implementate a livello globale sono quindi proposte per evitare cambiamenti climatici catastrofici e come transizione per arrivare all’economia più avanzata a zero emissioni di carbonio.

L’indice GeGaLo dei guadagni e delle perdite geopolitiche valuta come potrebbe cambiare la posizione geopolitica di 156 paesi se il mondo passasse completamente alle risorse energetiche rinnovabili. Si prevede che gli ex esportatori di combustibili fossili perderanno potere, mentre si prevede un rafforzamento delle posizioni degli ex importatori di combustibili fossili e dei paesi ricchi di risorse energetiche rinnovabili.

Riciclaggio

La Carbon Recycling International (CRI), una società a responsabilità limitata islandese, creata nel 2006, ha sviluppato una tecnologia progettata per produrre metanolo rinnovabile da anidride carbonica e idrogeno, utilizzando l’elettrolisi dell’acqua o, in alternativa, l’idrogeno catturato dai gas di scarico industriali. La produzione di metanolo non dipende dalle risorse agricole, poiché l’idrogeno e l’anidride carbonica sono gli input primari. Il processo di produzione si basa su tre moduli principali, la purificazione dell’anidride carbonica, la generazione di idrogeno e il sistema di sintesi e purificazione del metanolo. Il processo di conversione catalitica da idrogeno e anidride carbonica avviene in una fase, mentre la produzione di metanolo da combustibili fossili, come il gas naturale o il carbone, comporta diverse fasi di reforming per ottenere il gas seguite dalla fase catalitica [2].

A parere di chi scrive, questa iniziativa lodevole non sarà sufficiente a eliminare le emissioni di CO₂ nell’atmosfera, dovuta all’uso eccessivo dei combustibili fossili.

Nel 2011, un gruppo di ricercatori italiani e francesi, ha pubblicato una review sul riciclaggio della CO₂ [3]. Lo scopo è di offrire una panoramica sull’utilizzo chimico della CO₂ (mineralizzazione inorganica, carbossilazione organica, reazioni di riduzione e conversione biochimica) con un focus specifico su progetti/impianti pilota attualmente emergenti a livello (pre) industriale.

Ciclo biogeochimico

Il ciclo biogeochimico del carbonio è uno dei più studiati, qui proponiamo quello tratto dal capitolo 3.2 del volume Environmental Biology a cura di Mattew R. Fisher [4]:

Figura 13. Ciclo biogeochimico del carbonio [4, Cap. 3.2]

Dicono gli autori di questo capitolo del libro:

I composti del carbonio contengono energia e molti di questi composti provenienti da piante morte e alghe si sono fossilizzati nel corso di milioni di anni e sono noti come combustibili fossili. Dal 1800, l’uso dei combustibili fossili è accelerato. Dall’inizio della rivoluzione industriale la domanda per le scorte limitate di combustibili fossili della Terra è aumentata, provocando un drastico aumento della quantità di anidride carbonica nella nostra atmosfera. Questo aumento di anidride carbonica è associato al cambiamento climatico ed è una delle principali preoccupazioni ambientali in tutto il mondo.

Un’altra significativa immagine è la seguente, che illustra la correlazione fra ciclo del carbonio e formazione di composti organici.

Figura 14.  Correlazione fra ciclo del carbonio e composti organici. Credit. CCPL

Nelle piante, l’anidride carbonica formata dalla fissazione del carbonio può unirsi all’acqua nella fotosintesi (in verde) per formare composti organici, che possono essere utilizzati e ulteriormente convertiti sia dalle piante sia dagli animali.

Opere consultate

Handbook of Chemistry and Physics 85^th Ed., 4-7,8

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon

Bibliografia

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Low-carbon_economy

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_Recycling_International

[3] Elsje A. Quadrelli et al., Carbon Dioxide Recycling: Emerging Large-Scale Technologies with Industrial Potential., ChemSusChem, 2011, 4, 1194 – 1215.

[4] Environmental Biology, Mattew R. Fischer Ed., Open Oregon Educational Resources, 2018, revised version 2019.

Elementi della tavola periodica: Carbonio, C (parte prima).

Rinaldo Cervellati

 

Il carbonio (inglese: carbon), simbolo C, è l’elemento n. 6 della Tavola Periodica, posto al 14° gruppo, 2° periodo. Benché fondamentale per la vita, costituisce solo lo 0,025% circa della crosta terrestre. È un non metallo tetravalente che ha quattro elettroni disponibili per formare legami chimici covalenti.

Il nome inglese carbon e il francese charbon derivano dal latino carbo, carbone. In tedesco, olandese e danese, i nomi per il carbonio sono rispettivamente Kohlenstoff, koolstof e kulstof, che letteralmente significano tutti carbone.

Il carbonio è stato scoperto nella preistoria ed era conosciuto nelle forme di fuliggine e carbone di legna dalle prime civiltà umane. I diamanti erano conosciuti probabilmente già nel 2500 a.C. in Cina, mentre il carbonio sotto forma di carbone veniva prodotto intorno all’epoca romana con lo stesso procedimento odierno, riscaldando il legno in una piramide ricoperta di argilla per escludere l’aria.

Nel 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1758) dimostrò che il ferro veniva trasformato in acciaio attraverso l’assorbimento di una sostanza, oggi nota come carbonio.

Nel 1772 Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) dimostrò che i diamanti sono una forma di carbonio; egli bruciò campioni di carbone e diamante, scoprendo che nessuno dei due produceva acqua e che entrambi rilasciavano la stessa quantità di anidride carbonica per grammo.

Figura 1. Antoine-Laurent Lavoisier

Nel 1779, Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) dimostrò che la grafite, che era ritenuta una forma di piombo, era invece identica al carbone ma con una piccola mescolanza di ferro, e che dava “acido aereo” (il suo nome per il diossido di carbonio) quando ossidata con acido nitrico.

Figura 2. Carl Wilhelm Scheele

Nel 1786, gli scienziati francesi Claude Louis Berthollet (1748-1822) e Gaspard Monge (1746-1818)  confermarono che la grafite era principalmente carbonio, ossidandola in ossigeno più o meno nello stesso modo in cui Lavoisier aveva fatto con il diamante. Rimase tuttavia del ferro, che i chimici francesi pensavano fosse necessario per la struttura della grafite. Nella loro pubblicazione proposero il nome carbone (latino carbonum) per l’elemento nella grafite che emetteva il gas durante la sua combustione. Antoine Lavoisier elencò poi il carbonio come un elemento nel suo libro Traitè Elementaire de Chimie del 1789.

Un nuovo allotropo del carbonio, il fullerene, scoperto nel 1985, include forme nanostrutturate come buckyball e nanotubi. I loro scopritori, Robert Curl, Harold Kroto e Richard Smalley, hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 1996. Il conseguente rinnovato interesse per nuove forme ha portato alla scoperta di ulteriori allotropi esotici, incluso il carbonio vetroso, e alla realizzazione che il “carbonio amorfo” non è strettamente amorfo.

Caratteristiche fisico chimiche

Gli allotropi del carbonio includono la grafite, una delle sostanze più morbide conosciute, e il diamante, la sostanza naturale più dura. Si lega prontamente con altri piccoli atomi, inclusi altri atomi di carbonio, ed è in grado di formare più legami covalenti stabili con atomi multivalenti. È noto che il carbonio forma quasi dieci milioni di composti, la grande maggioranza di tutti i composti chimici. Il carbonio ha anche il punto di sublimazione più alto di tutti gli elementi. A pressione atmosferica non ha punto di fusione, poiché il suo punto triplo è a 10,8 ± 0,2 MPa e 4.600 ± 300 K (4.330 ± 300 °C), quindi sublima a circa 3.900 K (3.630 °C). La grafite è molto più reattiva del diamante in condizioni standard, nonostante sia più termodinamicamente stabile, poiché il suo sistema di orbitali p delocalizzato è molto più vulnerabile agli attacchi. Ad es., la grafite può essere ossidata dall’acido nitrico concentrato a caldo in condizioni standard in acido mellitico, C₆(CO₂H)₆.

Il carbonio sublima in un arco di carbonio, che ha una temperatura di circa 5800 K (5.530 ° C). Pertanto, indipendentemente dalla sua forma allotropica, il carbonio rimane solido a temperature più elevate rispetto ai metalli con il punto di fusione più alto come il tungsteno o il renio. Sebbene termodinamicamente incline all’ossidazione, il carbonio resiste all’ossidazione in modo più efficace rispetto a elementi come ferro e rame, che sono agenti riducenti più deboli a temperatura ambiente.

Il carbonio è il sesto elemento, con una configurazione elettronica nello stato fondamentale di 1s²2s²2p², di cui i quattro elettroni esterni sono elettroni di valenza. Le sue prime quattro energie di ionizzazione, 1086,5, 2352,6, 4620,5 e 6222,7 kJ/mol, sono molto superiori a quelle degli elementi più pesanti del gruppo 14. L’elettronegatività è 2,5, significativamente più alta degli altri elementi del gruppo 14 (1,8-1,9), ma vicina alla maggior parte dei non metalli, così come ad alcuni metalli di transizione del secondo e terzo periodo. I raggi covalenti sono normalmente considerati come 77,2 pm (C − C), 66,7 pm (C = C) e 60,3 pm (C≡C), sebbene questi valori possano variare a seconda del numero di coordinazione e di ciò a cui il carbonio è legato.

I composti del carbonio costituiscono la base di tutta la vita conosciuta sulla Terra e il ciclo carbonio-azoto fornisce parte dell’energia trasformata dal Sole e da altre stelle. Sebbene formi una straordinaria varietà di composti, la maggior parte degli allotropi sono relativamente non reattivi in condizioni normali. A temperatura e pressione standard, resiste a tutti tranne ai più forti ossidanti. Non reagisce con acido solforico, acido cloridrico, cloro o altri alcali. A temperature elevate reagisce con l’ossigeno per formare ossidi di carbonio e toglie l’ossigeno dagli ossidi metallici per lasciare il metallo elementare. Questa reazione esotermica viene utilizzata nell’industria siderurgica per fondere il ferro e per controllare il contenuto di carbonio dell’acciaio:

Fe₃O₄ + 4C(s) → 3Fe(s) + 4CO(g)

Il monossido di carbonio può essere riciclato per ridurre ancora di più l’ossido di ferro:

Fe₃O₄ + 4CO_(g) → 3Fe(s) + 4CO₂(g)

Il carbonio reagisce anche con vapor d’acqua nella reazione carbone-gas:

C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g).

Il carbonio si combina con alcuni metalli ad alte temperature per formare carburi metallici, come la cementite (carburo di ferro) nell’acciaio e carburo di tungsteno, ampiamente utilizzato come abrasivo e per realizzare punte dure per utensili da taglio.

Figura 3. Carburo di ferro in polvere

Il carbonio ha due isotopi stabili presenti in natura: il carbonio-12 (¹²C) forma il 98,93% del carbonio sulla Terra, mentre il carbonio-13 (¹³C) forma il restante 1,07%. La concentrazione di ¹²C è ulteriormente aumentata nei materiali biologici perché le reazioni biochimiche discriminano il ¹³C. Nel 1961, l’International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) adottò l’isotopo carbonio-12 come base per i pesi atomici. L’identificazione del carbonio negli esperimenti di risonanza magnetica nucleare (NMR) viene eseguita con l’isotopo ¹³C.

Il carbonio-14 (¹⁴C) è un radioisotopo presente in natura, creato nell’atmosfera superiore (stratosfera inferiore e troposfera superiore) dall’interazione con i raggi cosmici. Si trova in tracce (1 parte per trilione, cioè 0,0000000001%) sulla Terra, per lo più confinato nell’atmosfera e nei depositi superficiali, in particolare di torba e altri materiali organici. A causa della sua emivita relativamente breve, 5730 anni, il ¹⁴C è praticamente assente nelle rocce antiche. La quantità di ¹⁴C nell’atmosfera e negli organismi viventi è pressoché costante, ma diminuisce in modo prevedibile nei loro corpi dopo la morte. Questo principio è utilizzato nella datazione al radiocarbonio, inventata nel 1949, che è stata ampiamente utilizzata per determinare l’età dei materiali carboniosi fino a circa 40.000 anni.

Ci sono altri 15 radioisotopi artificiali noti del carbonio.

Allotropi

Il carbonio atomico è una specie a vita molto breve e, quindi, il carbonio è stabilizzato in varie strutture multi-atomiche con diverse configurazioni molecolari chiamate allotropi. I tre allotropi più noti del carbonio sono grafite, diamante e carbonio amorfo (figura 4).

Figura 4. Diamante (a sinistra), grafite (al centro) e carbonio amorfo (a destra)

La forma amorfa è un assortimento di atomi di carbonio in uno stato non cristallino, irregolare. È presente sotto forma di polvere ed è il principale costituente di sostanze come carbone, nerofumo (fuliggine) e carbone attivo. A pressioni normali, il carbonio assume la forma di grafite, in cui ogni atomo è legato trigonalmente ad altri tre in un piano composto da anelli esagonali fusi, proprio come quelli degli idrocarburi aromatici. La rete risultante è bidimensionale e i fogli piatti risultanti sono impilati e legati in modo lasco attraverso deboli forze di van der Waals. Ciò conferisce alla grafite la sua morbidezza e le sue proprietà di taglio (i fogli scivolano facilmente l’uno sull’altro). A causa della delocalizzazione di uno degli elettroni esterni di ciascun atomo per formare una nuvola π, la grafite conduce l’elettricità, ma solo nel piano di ciascun foglio legato in modo covalente. Ciò si traduce in una conduttività elettrica di massa inferiore per il carbonio rispetto alla maggior parte dei metalli. La delocalizzazione spiega anche la stabilità energetica della grafite rispetto al diamante a temperatura ambiente.

Una volta considerati esotici, i fullereni sono oggi comunemente sintetizzati e utilizzati nella ricerca; includono buckyball, nanotubi di carbonio, nanobuds di carbonio e nanofibre (figura 5).

Figura 5. Strutture di alcuni allotropi del carbonio: a) diamante; b) grafite; c) lonsdaleite; d – f) fullereni (C60, C540, C70); g) carbonio amorfo; h) nanotubi di carbonio

Sono stati scoperti anche molti altri allotropi esotici, come la lonsdaleite, carbonio vetroso, nanofoam di carbonio e carbonio acetilenico lineare (carbyne).

A pressioni molto elevate, il carbonio forma l’allotropo più compatto, il diamante, con densità quasi doppia rispetto alla grafite. Nel diamante, ogni atomo è legato tetraedralmente ad altri quattro, formando una rete tridimensionale di anelli di atomi a sei membri. A causa della forza dei legami carbonio-carbonio, è la sostanza naturale più dura, resistente ai graffi. I diamanti sono termodinamicamente instabili in condizioni normali (298 K, 105 Pa) e si trasformano in grafite, tuttavia la transizione è così lenta da essere impercettibile.

In alcune condizioni, il carbonio cristallizza come lonsdaleite, un reticolo cristallino esagonale con tutti gli atomi legati in modo covalente e proprietà simili a quelle del diamante.

I fullereni sono una formazione cristallina sintetica con una struttura simile alla grafite, ma al posto delle sole celle esagonali piatte alcune di esse possono assumere forme diverse, pentagonali, esagonali non piane o anche eptagonali. Le proprietà dei fullereni non sono state ancora completamente analizzate e rappresentano un’intensa area di ricerca sui nanomateriali. Il nome fullereni viene da Richard Buckminster Fuller, divulgatore di cupole geodetiche, che assomigliano alla struttura dei fullereni. Il più noto e più semplice è il C₆₀ a forma di pallone da calcio. I nanotubi di carbonio (buckytubes) sono strutturalmente simili ai fullereni, tranne per il fatto che ogni atomo è legato trigonalmente in un foglio curvo che forma un cilindro cavo. I nanobuds sono stati segnalati per la prima volta nel 2007 e sono materiali ibridi nanotubi/fullereni che combinano le proprietà di entrambi in un’unica struttura.

Degli altri allotropi scoperti, la nanoschiuma (nanofoam) di carbonio è un allotropo ferromagnetico scoperto nel 1997. Consiste in un raggruppamento a bassa densità di atomi di carbonio legati insieme in una rete tridimensionale, in cui gli atomi sono legati trigonalmente in sei e sette anelli. È tra i solidi più leggeri conosciuti, con una densità di circa 2 kg/m³.

Allo stesso modo, il carbonio vetroso contiene un’alta percentuale di porosità, ma contrariamente alla grafite normale, gli strati non sono impilati come le pagine di un libro, ma hanno una disposizione più casuale.

Figura 6.  Campione di carbonio vetroso

Il carbonio acetilenico (carbyne) ha struttura chimica −(C ::: C)_n−. Il carbonio in questo allotropo è lineare ed è un polimero con legami singoli e tripli alternati.

Nel 2015, un team della North Carolina State University ha annunciato lo sviluppo di un altro allotropo soprannominato Q-carbon, creato da un impulso laser di alta energia e breve durata su polvere di carbonio amorfo. I ricercatori hanno riportato che il Q-carbon mostra ferromagnetismo, fluorescenza e una durezza superiore al diamante.

In fase vapore, una parte del carbonio è sotto forma di molecole biatomiche (C₂). Quando è eccitato, questo gas emette una luce verde.

Disponibilità

Il carbonio è il quarto elemento chimico più abbondante per massa nell’universo osservabile, dopo l’idrogeno, l’elio e l’ossigeno. Nel luglio 2020, gli astronomi hanno riportato prove che il carbonio si è formato principalmente nelle nane bianche, in particolare quelle più grandi di due masse solari. Il carbonio è abbondante nel Sole, nelle stelle, nelle comete e nelle atmosfere della maggior parte dei pianeti.

Nel 2014 la NASA ha annunciato un database notevolmente aggiornato per il monitoraggio degli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) nell’universo. Più del 20% del carbonio nell’universo può essere associato a IPA, composti complessi di carbonio e idrogeno senza ossigeno.

È stato stimato che la Terra solida nel suo complesso contiene 730 ppm di carbonio, con 2000 ppm nel nucleo e 120 ppm nel mantello e nella crosta.

In combinazione con l’ossigeno nell’anidride carbonica, il carbonio si trova nell’atmosfera terrestre (circa 900 Gt, cioè gigatonnellate) e disciolto in tutti i corpi idrici (circa 36.000 Gt). Nella biosfera è stato stimato a 550 Gt ma con una grande incertezza, dovuta principalmente alla scarsa conoscenza sulla quantità di batteri terrestri nel sottosuolo. Anche i combustibili fossili (come carbone, petrolio e gas naturale) contengono carbonio. Le “riserve” di carbone (non le “risorse”) ammontano a circa 900 Gt con forse 18.000 Gt di risorse. Le riserve di petrolio sono di circa 150 Gt. Le fonti provate di gas naturale sono circa 175 × 10¹² metri cubi (contenenti circa 105 Gt di carbonio), ma gli studi stimano altri 900 × 10¹² metri cubi di depositi “non convenzionali” come il gas di scisto, che rappresentano circa 540 Gt di carbonio.

Il carbonio si trova anche negli idrati di metano nelle regioni polari e sotto i mari. Varie stime mettono questo carbonio tra 500 – 2500 Gt, altre a 3.000 Gt.

In passato, le quantità di combustibili fossili erano maggiori. Secondo una fonte, nel periodo dal 1751 al 2008 circa 347 Gt di carbonio sono state rilasciate come anidride carbonica nell’atmosfera dalla combustione di combustibili fossili. Un’altra fonte stima la quantità aggiunta all’atmosfera per il periodo dal 1750 a 879 Gt, e il totale (in carbonio) destinato all’atmosfera, al mare e alla terra a quasi 2.000 Gt.

Il carbonio è un costituente (circa il 12% in massa) delle grandi quantità di rocce carbonatiche (calcare, dolomite, marmo e così via). Il carbone è molto ricco di carbonio (l’antracite contiene il 92-98%) ed è la più grande fonte commerciale di carbonio minerale, rappresentando 4.000 Gt.

Per quanto riguarda i singoli allotropi di carbonio, la grafite si trova in grandi quantità negli Stati Uniti, Russia, Messico, Groenlandia e India. I diamanti naturali si trovano nella roccia kimberlite, presente in antichi “colli” vulcanici.

Figura 7. Campione di kimberlite

La maggior parte dei depositi di diamanti si trova in Africa, in particolare in Sud Africa, Namibia, Botswana, Repubblica del Congo e Sierra Leone. Depositi di diamanti sono stati trovati anche in Arkansas, Canada, nell’Artico russo, Brasile e nell’Australia settentrionale e occidentale. I diamanti vengono ora recuperati anche dal fondo dell’oceano al largo del Capo di Buona Speranza. Circa il 30% di tutti i diamanti industriali utilizzati viene ora prodotto negli Stati Uniti.

Gli asteroidi ricchi di carbonio sono relativamente preponderanti nelle parti esterne della fascia degli asteroidi nel nostro sistema solare, e potrebbero essere utilizzati nell’ipotetica estrazione del carbonio dallo spazio in futuro, ma attualmente è tecnologicamente impossibile.

Principali composti inorganici

Comunemente i composti contenenti carbonio che sono associati a minerali o che non contengono legami con altri atomi di carbonio, alogeni o idrogeno, sono trattati separatamente dai composti organici classici; la definizione non è rigida e la classificazione di alcuni composti può variare da autore ad autore. Tra questi ci sono i semplici ossidi di carbonio. L’ossido più importante è il diossido di carbonio (anidride carbonica), CO₂. Questo un tempo era il principale costituente della paleoatmosfera ma oggi è un componente minore dell’atmosfera terrestre.  Dissolto in acqua, dovrebbe formare acido carbonico (H₂CO₃), ma poiché la maggior parte dei composti con più ossigeni a legame singolo su un singolo carbonio è instabile, si dissocia immediatamente in CO₂ e H₂O. Attraverso questo intermedio, tuttavia, vengono prodotti ioni carbonato stabilizzati dalla risonanza. Alcuni minerali importanti sono i carbonati, in particolare la calcite.

Il disolfuro di carbonio (CS₂) è strutturalmente simile a CO₂. Tuttavia, a causa delle sue proprietà fisiche e del suo largo impiego nella sintesi organica, il disolfuro di carbonio è talvolta classificato come solvente organico.

L’altro ossido comune è il monossido di carbonio (CO). Si forma nella combustione incompleta del carbonio ed è un gas incolore e inodore. Le molecole contengono ciascuna un triplo legame e sono abbastanza polari, con conseguente tendenza a legarsi permanentemente alle molecole di emoglobina, spostando l’ossigeno che ha un’affinità di legame inferiore. Il cianuro (CN⁻), ha una struttura analoga, ma si comporta in modo molto simile a uno ione alogenuro (pseudoalogeno). Ad esempio, può formare la molecola di cianogeno, (CN)₂, simile agli alogenuri biatomici. Altri ossidi non comuni sono il subossido di carbonio (C₃O₂), il monossido di dicarbonio instabile (C₂O), il triossido di carbonio (CO₃), il ciclopentanepentone (C₅O₅), il cicloesaneesone (C₆O₆), e l’anidride mellitica (C₁₂O₉). Tuttavia, quest’ultima è la tripla anidride acilica dell’acido mellitico (C₁₂H₆O₁₂); inoltre contiene un anello benzenico. Pertanto, molti chimici la considerano organica.

Con metalli reattivi, come il tungsteno, il carbonio forma carburi (C⁴⁻) o acetiluri (C₂²⁻) usati in leghe ad alto punto di fusione. Questi anioni sono anche associati al metano e all’acetilene, entrambi acidi molto deboli. Con un’elettronegatività di 2,5 il carbonio preferisce formare legami covalenti. Alcuni carburi sono reticoli covalenti, come il carborundum (SiC), che assomiglia al diamante. Tuttavia, anche i carburi più polari e salini non sono composti completamente ionici.

Figura 8. Cristallo singolo di carborundum

Composti organici

Il carbonio può formare catene molto lunghe di legami interconnessi carbonio-carbonio, una proprietà chiamata catenazione. I legami carbonio-carbonio sono forti e stabili. Attraverso la catenazione, il carbonio forma un numero quasi infinito di composti. Un’affermazione simile può essere fatta per l’idrogeno perché la maggior parte dei composti organici contiene idrogeno legato chimicamente al carbonio o un altro elemento come l’ossigeno o l’azoto.

La forma più semplice di una molecola organica è l’idrocarburo.

Figura 9. Struttura del metano (CH₄), il più semplice idrocarburo

Gli idrocarburi sono una grande famiglia di molecole organiche, composte da catene di atomi di carbonio legati a atomi di idrogeno. In una catena idrocarburica, alcuni atomi possono essere sostituiti da altri atomi, noti come eteroatomi. Gli eteroatomi comuni che compaiono nei composti organici includono ossigeno, azoto, zolfo, fosforo e alogeni. Gli idrocarburi costituiti da atomi di carbonio e idrogeno sono importanti per l’industria come refrigeranti, lubrificanti, solventi, come materie prime per la produzione di materie plastiche e petrolchimiche, nonché come combustibili fossili.

Alcuni raggruppamenti di atomi, spesso inclusi gli eteroatomi, ricorrono in un gran numero di composti organici. Questi raggruppamenti, noti come gruppi funzionali, conferiscono schemi di reattività comuni e consentono lo studio e la categorizzazione sistematici dei composti organici. Lunghezza della catena, forma e gruppi funzionali influenzano tutti le proprietà delle molecole organiche.

Nella maggior parte dei composti stabili del carbonio (e quasi tutti i composti organici stabili), il carbonio obbedisce alla regola dell’ottetto ed è tetravalente, il che significa che un atomo di carbonio forma un totale di quattro legami covalenti (che possono includere doppi e tripli legami). Le eccezioni includono un piccolo numero di carbocationi stabilizzati (tre legami, carica positiva), radicali (tre legami, neutri), carbanioni (tre legami, carica negativa) e carbeni (due legami, neutri), sebbene queste specie abbiano molte più probabilità di essere riscontrate come intermedi instabili e reattivi.

Il carbonio si trova in tutta la vita organica conosciuta ed è la base di quella che è chiamata chimica organica. Quando combinato con ossigeno e idrogeno, il carbonio può formare molti gruppi di importanti composti biologici tra cui alcoli, zuccheri, lignani, chitine, grassi ed esteri aromatici, carotenoidi e terpeni. Con l’azoto forma alcaloidi e con l’aggiunta di zolfo forma anche antibiotici, amminoacidi e altri prodotti. Con l’aggiunta di fosforo a questi altri elementi, forma DNA e RNA, i vettori del codice chimico della vita, e l’adenosina trifosfato (ATP), la più importante molecola di trasferimento di energia in tutte le cellule viventi.

Composti organometallici

I composti organometallici contengono per definizione almeno un legame covalente carbonio-metallo. Esiste un’ampia gamma di tali composti; classi principali includono semplici composti di metalli alchilici (ad esempio, piombo tetraetile), composti η2-alchenici (ad esempio, sale di Zeise) e composti η3-allilici (ad esempio, dimero di cloruro di allilpalladio); metalloceni contenenti ligandi ciclopentadienilici (ad esempio, ferrocene); e complessi di metalli di transizione.

Figura 10. Struttura del sale di Zeise

Esistono molti carbonili metallici e cianuri metallici (ad esempio, nicheltetracarbonile e ferricianuro di potassio); alcuni ricercatori considerano i complessi di metallo carbonile e ferricianuro senza altri leganti di carbonio come puramente inorganici e non organometallici.

I complessi metallici contenenti ligandi organici senza un legame covalente carbonio-metallo (ad esempio, carbossilati metallici) sono chiamati composti organici metallici.

Sebbene il carbonio preferisca fortemente la formazione di quattro legami covalenti, sono noti anche altri schemi esotici di legame. I carborani sono derivati ​​dodecaedrici altamente stabili dell’unità [B₁₂H₁₂]^2-, con un BH sostituito con un CH⁺. Pertanto, il carbonio è legato a cinque atomi di boro e un atomo di idrogeno.

Il catione [(Ph₃PAu)₆C]²⁺ contiene un carbonio ottaedrico legato a sei frammenti di fosfina-oro. Questo fenomeno è stato attribuito all’aurofilia dei ligandi dell’oro, che forniscono un’ulteriore stabilizzazione di una specie altrimenti labile.

In natura, anche il cofattore ferro-molibdeno (FeMoco) responsabile della fissazione dell’azoto microbico ha un centro di carbonio ottaedrico legato a sei atomi di ferro.

Opere consultate

Handbook of Chemistry and Physics 85^th Ed., 4-7,8

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon

Sempre carbonio!

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Il CO₂ ha la responsabilità per i cambiamenti climatici, ma è solo una faccia del carbonio, un elemento per altri aspetti prezioso (si pensi ai metodi di datazione isotopica, alle nuove strutture molecolari del nanocarbonio) e per altri aspetti vero anello di congiunzione fra la materia vivente e quella inanimata.

Fra le strutture del nanocarbonio, il grafene è la più popolare per le applicazioni che ha avuto. Si tratta di  uno strato bidimensionale di atomi di carbonio impacchettati con proprietà elettroniche e meccaniche, considerato chimicamente inerte a causa della stabilità dei legami carbonio/carbonio che costituiscono la rete bidimensionale. Questo è però vero solo nel caso di grafene da solo e non stressato meccanicamente : in presenza di una perturbazione chimica (doping) o fisica la reattività aumenta e può essere modulata.

In presenza di un adsorbato sulla superficie del grafene si produce un’interazione, il cui valore ottimale è funzione del tipo di applicazione.

Chinese Chemical Letters

Volume 31, Issue 2, February 2020, Pages 565-569

Ad esempio per l’uso di grafene come elemento attivo in dispositivi elettronici è necessario  che il gap energetico (prodotto dall’interazione) fra banda di valenza e banda di conduzione contenga  il livello di Fermi. In effetti l’adsorbimento di piccole molecole come anche la funzionalizzazione possono consentire che ciò avvenga. Studi teorici suggeriscono che un significativo aumento dell’energia di adsorbimento, che si correla a variazioni delle proprietà elettroniche e chimiche, può essere ottenuto drogando il grafene con atomi donatori o accettori. Anche le vacanze create artificialmente nella struttura del grafene possono essere utili per alcune applicazioni, in particolare nella catalisi e nella sensoristica.

In entrambi i casi è però necessario che adsorbimento e desorbimento siano reversibili.

Un ulteriore studio ha riguardato gli effetti della curvatura locale, ottenuta mediante tensione applicata, del grafene sulla sua reattività giungendo alla conclusione di una possibile finalizzazione del materiale per immagazzinare idrogeno che verrebbe poi rilasciato quando la tensione viene rimossa.

Nanomaterials 2020, 10, 344; doi:10.3390/nano10020344

 

Chimica e bicicletta

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Mauro Icardi e Claudio Della Volpe

Che chimica e bicicletta fossero associabili non ne dubita nessuno; abbiamo avuto dei casi eclatanti di tale associazione in Italia. L’attuale presidente di Confidustria, Giorgio Squinzi, nel giugno 2010, mise proprio la bici, di cui è un entusiastico sostenitore (Squinzi è amministratore delegato di Mapei, e quindi finanziatore della squadra di ciclismo Mapei-Quick Step), al centro di una iniziativa nella quale ebbe occasione di dichiarare:
“Anche se non ce ne accorgiamo, una grande parte dei materiali di una bicicletta e dell’abbigliamento sportivo è fatta di chimica e l’omaggio vuole ricordare a tutti il legame forte che esiste tra chimica e vita di ogni giorno. La chimica opera per mettere a disposizione di tutti materiali che consentano un tenore elevato di qualità della vita, così come traguardi sempre più alti nelle performance sportive”. E ancora “La bicicletta è anche un mezzo di trasporto a emissioni zero”.
Quindi questo post è ben motivato; ma dato che i due autori di questo post hanno una visione diversa del mondo rispetto a quella di Squinzi si diranno molte altre cose oltre a quelle già indicate.
E tanto per cominciare ricordiamo qui un inaspettato legame fra chimica e bici.
Molti anni fa un ricercatore abbastanza famoso, tale Albert Hofmann, classificato fino a qualche anno fa nella lista dei 100 geni viventi stilata dalla Creator Synetics nel 2007 e scopritore delll’LSD scriveva:

Albert Hofmann, 1906-2008

Chiesi al mio assistente di laboratorio, che era al corrente dell’esperimento, di accompagnarmi a casa. Andammo in bicicletta -non c’erano automobili in vista, durante la guerra solo pochi privilegiati potevano permettersele. Sulla via del ritorno, cominciai a sentirmi perseguitato. Ogni cosa nel mio campo visivo fluttuava ed era distorta, come se fosse vista in uno specchio ricurvo. Avevo inoltre la sensazione di essere bloccato nello stesso posto, anche se il mio assistente mi disse, in seguito, che avevamo pedalato di gran lena. Alla fine arrivai a casa sano e salvo; riuscii appena a chiedere al mio compagno di chiamare il medico di famiglia e di farsi dare un po’ di latte dai vicini. Malgrado il mio delirante stato confusionario, avevo brevi momenti di pensiero lucido e sensato -il latte come antidoto generico per intossicazioni….
(A. Hofmann, Il mio bambino difficile)

Si tratta della descrizione del secondo esperimento dell’LSD su un uomo (il primo era avvenuto casualmente tre giorni prima sempre da parte del medesimo ricercatore), uno scienziato peraltro divenuto poi famoso per i suoi esperimenti sulle droghe psicotrope; la bicicletta era come si capisce un must nella Svizzera del 19 aprile 1943, durante la 2 guerra mondiale e l’episodio è diventato famoso tanto da essere usato come simbolo da chi rivendica la libertà di usare le droghe di questo tipo.

La letteratura in effetti è ricca di citazioni che sottolineano i legami a prima vista inaspettati fra chimica e bicicletta.
Primo Levi parlando di chimica ne “L’altrui mestiere” si esprime così.
“…distillare è bello. Prima di tutto, perché è un mestiere lento, filosofico e silenzioso, che ti occupa ma ti lascia tempo di pensare ad altro, un po’ come l’andare in bicicletta.”

In effetti uno dei tanti benefici della bicicletta è proprio il senso di libertà che trasmette, la possibilità mentre si sta pedalando, di lasciarsi andare ai propri pensieri.
Si possono cogliere tanti legami tra l’uso della bicicletta e la chimica.
Per esempio l’utilizzo della bicicletta per gli spostamenti quotidiani permette di ridurre le emissioni di CO2. Il movimento fisico legato all’uso della bicicletta fa produrre endorfine all’organismo, aumentando il senso di benessere e serenità. Riduce i rischi di contrarre malattie cardiovascolari, e mantiene sotto controllo l’aumento di peso e la crescita del colesterolo.
Ma dal rapporto chimica bicicletta si può cogliere lo spunto anche per raccontare un’altra storia. Che riguarda la bicicletta, la sua evoluzione nel tempo, ed i materiali con cui è stata costruita. E qui i riferimenti con la chimica si fanno più stretti. Perché le biciclette di oggi sono costruite con materiali che i chimici conoscono bene. Per le biciclette moderne si parla di telai in Alluminio, Titanio, Carbonio. E immediatamente la mente del chimico torna alla tavola periodica. Ma la bicicletta ha una storia lunga, e qui vogliamo provare a raccontarla.
Nel codice atlantico di Leonardo si trova il disegno di un mezzo di trasporto molto simile alla bicicletta.

Leonardo da Vinci, Codice Atlantico (f. 133v)

Tuttavia ci sono alcuni dubbi sulla autenticità del progetto**.
I primi mezzi che si possono definire antenati della bicicletta sono il Celerifero, inventato dal conte francese Mede de Sivrac (1790)

e la più sofisticata Draisina inventata da un altro nobile questa volta tedesco Karl Friedrich Drais von Sauerbronn (1820) che come vedete presenta un manubrio.

Singolare come questi antenati di un mezzo che per decenni sarà il mezzo di trasporto delle classi popolari, siano costruiti da nobili che nell’ottocento ne saranno praticamente gli unici utilizzatori.

Il celerifero è sostanzialmente un asse di legno con due ruote poste alle estremità. Ci si siede a cavallo del mezzo e si spinge con i piedi. Spesso il celerifero ha, nella parte anteriore, una criniera leonina sulla quale il conducente si aggrappa. Non ha manubrio, le curve si affrontano inclinandosi come in motocicletta. Per cambiamenti di direzione più accentuati, ci si ferma e si indirizza il mezzo verso la direzione desiderata. La draisina, più sofisticata ha un manubrio per affrontare meglio i cambiamenti di direzione, e una sella. I materiali che la compongono oltre al legno sono i rinforzi in ferro e componenti in pelle, quindi materiali naturali principalmente con piccoli componenti chiave di metallo.
Le ruote sono di legno con eventualmente una copertura metallica esterna.
Fu solo nel 1855 che Michaux un meccanico quattordicenne aggiunse i pedali ad una struttura che si avviava a diventare ormai tutta di metallo:

Comunque nel 1868 il meccanico tedesco E. Meyer, che abitava a Parigi, ricorse per primo all’impiego di tubi in ferro per costruire i telai e si servì di cerchi cavi per permettere il fissaggio delle gomme piene. Poco dopo Jean Suriray di Melun inserì cuscinetti a sfere (brevettati nel 1861 negli Stati Uniti) nei mozzi delle ruote e nei pedali e costruì la prima sella in cuoio . Nel novembre del 1869 si svolse a Parigi la prima Esposizione del velocipede che vide la partecipazione di ben 19 costruttori.
Negli anni 70 dell’800 vi furono vari brevetti per l’introduzione di una trasmissione a catena, e qui effettivamente Leonardo può rivendicare la propria primogenitura, che è accertata storicamente anche se non applicata al caso in questione. Comunque fu solo nel 1876 che il tedesco Meyer (sempre lui) introdusse la trasmissione a catena che fu poi perfezionata tra gli altri da Edoardo Bianchi, fondatore dell’omonima marca di bici.

(http://www.museoscienza.org/) 1885: Bicicletta con telaio tubolare a croce in ferro e forcella in lamiera, verniciati di nero; la forcella è collegata al telaio per mezzo di uno sterzo a pivot. Un piccolo parafango in lamiera è appeso al tubo obliquo del telaio, in corrispondenza della ruota anteriore. Il manubrio è dotato di manopole in legno; nella parte destra del manubrio è posizionata la leva che comanda il freno a pattino sulla ruota anteriore. La bicicletta monta una sella rigida in cuoio. Il funzionamento si basa su una trasmissione a catena sulla ruota posteriore, tesa tra una corona a 18 denti e un pignone da 10; i pedali sono registrabili. La bicicletta appoggia su due ruote di uguale dimensione, provviste di 40 raggi tangenti e battistrada in gomma piena. La verniciatura del veicolo probabilmente non è originale.

Si noti il passo avanti pazzesco costuito dalla forcella curva che incrementa in modo enorme la stabilità di guida della bicicletta. Da notare ancora l’originale forma del telaio che lasciava solo immaginare la geometria chiusa a trapezio e che sarebbe arrivato fino ai giorni nostri; esso fu creato nel 1885 dall’inglese John Kemp Starley che lo chiamò Safety (sicurezza) The Rover” proprio perche’ garantiva maggiore stabilità e scorrevolezza al mezzo:

Nella Safety la forcella è ancora diritta, come potete vedere. Torneremo sulla questione forcella, perchè la modifica dei materiali e delle strade ha riportato poi alla forcella diritta.

Si può far risalire al 1839 l’invenzione casuale della vulcanizzazione da parte del chimico americano Charles Goodyear che scoprì per caso il processo osservando un miscuglio di lattice e zolfo caduto su una stufa. Fu solo nel 1869 che un altro americano, Bradfort fece il primo tentativo di applicare delle strisce di gomme piene sulle ruote dei velocipedi per attenuare le vibrazioni e i contraccolpi dovute alle strade del tempo. Alla fine del 1869 la gomma si impose sugli altri materiali soprattutto per merito del costruttore inglese Beck che presentò un biciclo con gomme piene inchiodate ai cerchioni in legno con delle strisce di tela gommata. Un anno dopo arrivarono i primi cerchioni in ferro sagomati a forma di U per contenere le strisce di gomma, mentre si moltiplicarono per vari anni i tentativi di trovare mescole di gomma sempre più adattabili alle necessita’. Pochi anni dopo, nel 1888 lo scozzese G.J. Boyd Dunlop, veterinario di professione, per eliminare i contraccolpi delle ruote del triciclo regalato al figlio sperimentò una sua idea: al posto delle gomme rigide inchiodò alle ruote dei tubi di gomma vulcanizzata gonfiati a pressione minima con una siringa di vetro. Nacque così il primo pneumatico. Dunlop propose ad una squadra di ciclisti inglesi che si accingevano a partecipare ad una gara, di montare il suo tipo di gomme e la squadra vinse la gara. Lo stesso Dunlop smise di esercitare e fondò a Dublino la “Dunlop pneumatic Tyre Co. Ltd” società che esiste ancora oggi.
Nel 1891 i fratelli francesi Andrè e Eduard Michelin, produttori locali di articoli in gomma, ebbero l’idea di dividere il pneumatico in due parti: un tubo in caucciù munito di una valvola, inserito in un altro tubo più spesso e resistente, facilmente smontabile dal cerchione: erano i primi copertoni smontabili agganciati alla ruota con due fili di acciaio. Per riparare una gomma forata bastava estrarre la camera d’aria e rappezzarla o sostituirla con una nuova. Siamo arrivati alla gomma moderna, inventata per la bicicletta non per l’automobile.
Prima della prima guerra mondiale la Bianchi produceva già decine di migliaia di biciclette e l’esercito le aveva introdotte in servizio già nel 1875; le bici Bianchi pieghevoli erano il mezzo di trasporto dei bersaglieri come si vede da queste foto dei modelli 1910-12:

http://bsamuseum.wordpress.com/1911-bianchi-military-folding-bicycle/

La bicicletta diventa un mezzo di guerra. Un bersagliere famoso che la utilizzerà è Enrico Toti. Nel 1908 Toti subisce l’amputazione di una gamba a seguito di un incidente sul lavoro. Ma in seguito, perso il lavoro, pedalerà con una gamba sola per L’Europa, andrà volontario al fronte e verrà ricordato per il gesto di lanciare la stampella contro il nemico, ormai ferito a morte.
« Quante volte di notte i nostri proiettori sono serviti unicamente per far luce ai nemici usciti per soccorrere i feriti e seppellire i morti; potevamo annientarli, eppure un senso di pietà ci spingeva ad aiutarli »
(Enrico Toti nelle lettere a casa del 1916)

Arrivano gli anni trenta e, soprattutto in Italia, la bicicletta è il mezzo di trasporto più diffuso. In città come in campagna. Gli operai spesso la usano al posto dei mezzi pubblici, che sono ancora troppo cari. Si vedono centinaia di biciclette fuori dalle fabbriche, e dagli stadi alla domenica. Le marche di biciclette sono molte: Legnano, Bianchi, Umberto Dei. Il ciclismo è uno degli sport più popolari, e alcuni ciclisti famosi aprono alla fine della carriera la loro fabbrica di biciclette. Uno fra i primi Giuseppe Olmo che chiude l’attività agonistica nel 1941. Ma negli anni a seguire anche Bartali, Moser, Fondriest. Una bicicletta di quel periodo è solitamente una bicicletta dall’aspetto robusto e classico. E’ munita di carter, parafanghi, luci azionate da una dinamo. Nel 1935 l’ importante innovazione tecnica è rappresentata dal cambio di velocità ad opera dell’italiano Tullio Campagnolo.

Prima dell’invenzione del cambio si correva con un pignone unico e due rapporti. Per passare da un rapporto all’altro si doveva scendere di bici, staccare la ruota posteriore e cambiare pignone. Girardengo in una Milano Sanremo con le mani gonfie nel disperato tentativo di effettuare questa operazione, lancia la bici a terra, e traccia una croce nella sabbia, a simboleggiare la resa. Lo stesso Campagnolo nel 1927 alle pendici del passo di Croce d’Aune, impreca per smontare la ruota bloccata dal gelo. Capisce che “Bisogna cambiar qualcossa de drio”. E quindi brevetta prima lo sgancio rapido, che è in uso ancora oggi, e poi il cambio a due leve, quello dove lo spostamento della catena da un pignone all’altro era fatto grazie ad un comando a bacchetta, che obbligava in ogni caso il corridore a dare un colpo di pedale all’indietro al momento del passaggio da un rapporto all’altro. Negli anni 30 il cambio di velocità è montato quasi esclusivamente sulle biciclette da corsa.

Tullio Campagnolo, inventore e ciclista italiano

Solo nei primi anni 40 lo sgancio rapido, ed il cambio Campagnolo cominciano a diffondersi nei cataloghi delle grandi marche di biciclette.
Nel 1949 al salone del ciclo e motociclo viene presentato il cambio gran sport di Campagnolo. Realizzato in bronzo cromato, con il parallelogramma deformabile (il principio su cui si basano i cambi moderni ancora oggi) è il cambio che permette lo spostamento della catena sul pignone con un filo metallico manovrato da una levetta posta sul tubo obliquo. Può gestire fino a cinque rapporti, e la posizione del tendicatena che è ora nella parte inferiore rispetto ai pignoni evita di dare il colpo di pedale all’indietro per effettuare la cambiata.
Successivamente verrà lanciato sul mercato il cambio record nel 1958. La novità è nella guarnitura, che viene realizzata in lega leggera. Aumentano l’efficienza e la velocità di cambiata.

Cercando in rete, si possono trovare le riproduzioni dei vecchi cataloghi di biciclette, quelli degli anni quaranta e cinquanta, e scoprire i materiali con cui vengono realizzati i telai. Possiamo trovare acciaio al manganese, ferro. Ma anche una delle prime leghe di allumino (il duralluminio) che ha tra i suoi componenti rame, manganese e magnesio. I telai subiscono trattamenti di cromatura, nichelatura, ed in tempo di guerra anche di cadmiatura.

Altri legami con la chimica vengono in mente perché in quegli anni si possono acquistare fari a carburo o ad acetilene per la bicicletta.
Nel dopoguerra si troveranno nel catalogo della Legnano modelli di biciclette che propongono come optional l’alluminizzazione delle parti in bianco del telaio, per proteggerle dall’ossidazione. La stessa funzione della cromatura, ma con meno effetto sul peso della bicicletta.
Sono i primi effetti della fine della guerra, si cominciano a produrre le bici denominate sportive. La bicicletta è ancora il mezzo più desiderato è più utilizzato. E la fine della guerra fa venire voglia di potersi permettere qualche finezza in più.
Ma a partire dagli anni 50 la bicicletta vivrà un periodo difficile. Lo scooter prima, e l’automobile poi, sembreranno relegarla nel dimenticatoio. Andare in bicicletta negli anni del boom economico sarà visto agli occhi di molti, come la certificazione del fallimento sociale. Sono gli anni che creano il mito dell’automobile.
Ben rappresentato in una scena del film “Il sorpasso”, il protagonista Bruno Cortona, interpretato magistralmente da Vittorio Gassman, durante il viaggio che si concluderà tragicamente, affianca un ciclista ansante e gli urla beffardamente “Fatte la Vespa!”

Ma negli anni 70, complice la prima crisi del petrolio che impatterà in maniera forte sulle abitudini dei cittadini italiani, quella del 1973, la bicicletta verrà riscoperta. E inizierà una specie di rinascimento per questo mezzo, che nel corso della sua storia non è mai cambiato nella sua configurazione di base: un sistema a pedali, una trasmissione a catena, un manubrio e due ruote. Ci saranno ovviamente modifiche, uso di nuovi materiali, trasferimento di tecnologie da un tipo di bicicletta all’altra (ultimo in ordine di tempo il montaggio dei freni a disco sulle bici da corsa), ci sarà il boom delle mountain bike.
Quindi il nostro racconto può ripartire dagli ultimi anni, da quando cioè la bicicletta viene riscoperta per l’uso ricreativo, ma anche per l’uso quotidiano. E quindi raccontare di biciclette moderne, super accessoriate, costruite con materiali quali leghe leggere, titanio, alluminio, fino ai telai in carbonio. Dell’evoluzione della bicicletta con l’adozione della pedalata assistita, e dei vari tipi di batterie che si possono utilizzare.
Piano piano, a partire dagli anni 80, con l’avvento delle prime mountan bike, la bicicletta si riappropria degli spazi che le erano stati sottratti. La mountan bike risolleva le vendite. E’ una novità, un modo diverso di concepire l’uso della bicicletta. Ha un successo molto superiore a quello di biciclette in stile “Graziella” o bici da cross, che negli anni 70 erano il mezzo di trasporto di ragazzini ancora troppo giovani per il cinquantino.
Permette di effettuare escursioni in montagna, in strade di campagna. E grazie alla mountan bike inevitabilmente anche le altre bici vengono riscoperte. Fino ad arrivare ad oggi, quando a causa di una grave crisi, paragonabile se non addirittura più grave di quella del 1929, dopo quasi cinquant’anni le vendite delle biciclette supererano quelle delle automobili nel 2011 e nel 2012. Si torna ad usare la bicicletta in città, per lo shopping, e per andare al lavoro.
Nel frattempo l’offerta si diversifica: si possono acquistare bici da corsa, mountan bike, city bike, bici ibride (un po mountain bike, un po city bike), bici sportive con telaio da corsa ma senza il manubrio a corna d’ariete per chi non sopporta la posizione molto piegata in sella. L’evoluzione delle bici modello “Graziella” porta alla bici pieghevole, per chi ha scoperto l’intermodalità. Chi può uscire di casa per andare in stazione, ripiegare la bicicletta e salire su un treno o un autobus per andare al lavoro.
E ultima in ordine di tempo la bici a pedalata assistita, pensata per chi non vuole fare troppa fatica, magari in salita.
E nelle biciclette a pedalata assistita oltre al telaio diventa importante la batteria. Ecco quindi altri legami con la chimica. (l’elettrochimica).
La batteria nelle BIPA (biciclette a pedalata assistita) dà energia al motore ausiliario che aiuta il ciclista, ed è in questo tipo di biciclette il componente più costoso: in Italia può fornire al massimo 250W e solo in condizioni di pedalata attiva.
Le batterie possono essere divise in tre grandi gruppi.
Batterie agli ioni di Litio (Li-Ion): questa è attualmente la tecnologia migliore fra quelle usate per produrre batterie di bici elettriche. Sono molto più piccole e leggere delle altre, con una capacità di 90-150 Wh per Kg: ciò può tradursi in un ridotto peso a parità di capacità, o in una maggiore capacità a parità di peso, aumentando quindi l’autonomia della bici; è più frequente naturalmente un compromesso fra questi due estremi, per creare bici che sono più leggere e con maggiore autonomia di quelle che montano batterie al piombo. Inoltre, le batterie agli ioni di litio non soffrono del famigerato “effetto memoria”. Il lato negativo è che hanno un prezzo maggiore degli altri tipi, dovuto anche al più complesso sistema elettronico di gestione della batteria.
Batterie al piombo (PB): questa è la tecnologia più vecchia ancora in uso per le batterie ricaricabili. Il rapporto peso/autonomia è sfavorevole, nel senso che sono molto pesanti per l’autonomia che riescono ad offrire (circa 25-30Wh per Kg). I tempi di ricarica sono molto lunghi, richiedendo in genere 8 o più ore. Sono quindi indicate per chi prevede di usare la bici elettrica per percorsi brevi.
Batterie al Nichel-metallo idruro (Ni-MH), migliori di quelle al piombo ma non ancora al top dell’efficienza (hanno una capacità di 55-70 Wh per Kg). Hanno lo svantaggio di soffrire maggiormente dell’effetto di autoscarica (nel senso che tendono a scaricarsi anche quando non utilizzate).
Quali sono i materiali delle biciclette attuali?
Abbiamo 4 set di materiali:
-acciaio
-leghe di alluminio
-composito in fibra di carbonio
-leghe di titanio o di magnesio
a cui si potrebbero aggiungere dei tentativi artigianali in bamboo, almeno per quanto riguarda il telaio.

Le bici di acciaio tradizionali sono più pesanti ma molto robuste; possono essere ottenute sulla base di leghe di acciaio ad alta resistenza e più leggere, con profili ridotti ma i loro costi ovviamente aumentano; in genere le bici di acciaio sono meno costose ma più durature. In anni recenti le bici di acciaio costruite da tubi non sono saldate ma brasate, ossia i tubi del telaio sono infilati in un pezzo metallico più ampio e la temperatura aumentata in modo da favorire la penetrazione capillare di un metallo nell’altro, questo tipo di connessione è migliore e meno costoso di una saldatura tradizionale, perché fatta a temperature più basse.
Le bici in lega di alluminio sono più leggere, ma la loro durata può essere ridotta a causa della minore resistenza a fatica delle leghe di alluminio; anche qui tuttavia tutto dipende dai dettagli; le leghe con le migliori proprietà sono quelle delle serie 6000 e 7000 che si usano anche per applicazioni aeronautiche; le saldature per esempio che non sono banali, anche se sono state automatizzate, devono essere condotte in atmosfera non ossidante per evitare la formazione di ossido di alluminio.
Le bici in fibra di carbonio, sono fatte di un materiale composito, fibre di carbonio immerse in una matrice epossidica; la bici acquista una leggerezza inimitabile, ma va incontro a potenziali problemi di invecchiamento a fatica ma anche in dipendenza dell’esposizione alle intemperie che possono ridurne la durata e portare eventualmente anche a veri e propri cedimenti strutturali improvvisi; ovviamente anche qui la scelta e il trattamento esatto dei materiali può fare la differenza. Costi elevati.

Tocca qui ritornare a parlare di forcella; la curvatura delle forcelle era data da due elementi: dalla necessità di assorbire le vibrazioni della strada: in pratica si aveva una sorta di “balestra” la cui deformazione é ridottissima (si sta nel mm) e poi questo elemento si sposa anche con la necessità di creare l’avancorsa necessaria per dare la stabilità al telaio (si veda nelle note scientifiche).
Anni fa le forcelle avevano una curvatura molto piú accentuata soprattutto sia per enfatizzare l’assorbimento, visto che i telai erano a spessore costante e risultavano piú “rigidi” nel modo sbagliato (assorbimento delle vibrazioni scarso, e poco rigidi nella pedalata) che per un secondo elemento: l’avancorsa era ridotta per via degli angoli molto rilassati, ed il passo molto lungo delle bici contribuiva alla stabilità.

Oggigiorno si ha un buon compromesso tra stabilità e guidabilità;  i telai hanno migliori qualità di assorbimento per cui si é potuti tornare sulle forcelle dritte, e l’uso del carbonio ha migliorato ancora questo aspetto, in quanto la struttura del carbonio puó essere modificata a livello di sezioni, orientamento e tipo delle fibre in modo da ottenere parti della forcella che assorbano bene le vibrazioni, mantenendo allo stesso tempo una rigidità necessaria ad una buona guidabilità.

Hanno costi molto elevati le leghe di titanio che offrono probabilmente il miglior mix di leggerezza e resistenza e durata nel tempo; ma a fronte di costi veramente alti. Le leghe di Ti con Al e Va offrono le migliori performances.
La scienza dei materiali e le tecnologie del calcolo ingegneristico consentono di ottimizzare i rapporti dimensionali dei tubi usati a seconda del tipo di materiale.
Per esempio nel caso di telai costruiti in lega di magnesio il calcolo conclude che la forma migliore è quella ad I, come una putrella; mentre invece le superiori performances della fibra di carbonio o addirittura del kevlar consentono di sagomare il profilo del tubo per ottimizzarne la resistenza aerodinamica quando le velocità da mantenere superano (come nelle gare attuali) i 30-40 kmh di media.
Recentemente sono stati fatti tentativi con altri materiali; leghe a base di Scandio, di Berillio e più recentemente tubi di bamboo con elementi di unione metallici.
L’evoluzione della bicicletta continua. Inarrestabile come la sua riscoperta. Il futuro sono queste super biciclette di oggi. La bici più leggera del mondo. 2.7 chilogrammi di tecnologia industriale.

http://www.tririg.com/articles.php?id=1035_Worlds_Lightest_Bike

Oppure la Varna Diablo, una bicicletta reclinata o “ricombente” che ha raggiunto la velocità di 133 km/h sulla distanza misurata necessaria al record. Le bici reclinate offrono risultati migliori in tutte le performances di durata e velocità, potendo sfruttare meglio la muscolatura umana, ma non sono ammesse attualmente alle gare internazionali.

Oggi parlando di chimica e bicicletta si rischia di trovare come immagine di riferimento la morte di Pantani, l’EPO, l’ormone della crescita, il testosterone, ma perfino la cocaina. Perché tutto questo? Perché gli interessi economici spingono ad ottenere e ripetere risultati impensabili ed inottenibili senza l’”aiutino” sintetico che è molto pericoloso per l’organismo e che falsa ogni risultato. L’uso duale della chimica anche qui, da una parte la tecnologia splendida e il sudore, dall’altra l’aiutino che fa vincere i mondiali.

Al di fuori delle indicazioni previste nella scheda tecnica, il farmaco EPO è stato anche impiegato come sostanza dopante sfruttando la sua capacità di aumentare il numero di eritrociti anche in soggetti sani, come gli atleti, al fine di aumentare il trasporto di ossigeno ai tessuti (specie quello muscolare scheletrico e cardiaco) e di migliorare quindi la performance sportiva.

Della chimica e della bicicletta abbiamo detto tante cose. Del rapporto tra chimica e sport, pensiamo sia giusto parlare in un post apposito. L’argomento è interessante e ampio: sono rimasti fuori i materiali dell’abbigliamento: scarpe, magliette impermeabili, caschi etc. Cosi come interessante, ampio e sterminato è il rapporto della chimica, con la vita di tutti i giorni. E con la passione di noi che di chimica (ma non solo di quella) scriviamo, e con la chimica manteniamo questo stretto rapporto di professione e di passione. Parleremo ancora di bicicletta.

Ma nel frattempo voi che ne pensate?

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**si veda per esempio: http://www.bclaudios.net/leonardo/other.html 

oppure

http://www.leonardo3.it/bicicletta/index.html

Nota:

Anche questo link aiuta a raccontare la storia della bici

http://www.bicidepoca.com/index.php?option=com_content&task=view&id=74&Itemid=73

Altre cose da qua:
http://www.cyclinside.com/Storia-della-Bicicletta/Evoluzione-dei-materiali.html

Note scientifiche: per approfondire la fisica della bicicletta occorre approfondire la sua meccanica e la stabilità del mezzo; occorrono decine di equazioni differenziali per analizzare la questione stabilità; gli interessati possono trovare ampie indicazioni in:

http://home.phys.ntnu.no/brukdef/undervisning/tfy4145/diverse/UnridableBicycle.pdf

http://www.real-world-physics-problems.com/bicycle-physics.html

http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=9&ved=0CGkQFjAI&url=http%3A%2F%2Fwww.sewanee.edu%2Fphysics%2FSEMINARS%2FDaniel06.ppt&ei=SvI9U5D4H83M0AWHpoDgBA&usg=AFQjCNHSOqgBgf1qyiHWtkJ9ojNpGyNlIA&sig2=XyEqozvIe40mXM3cXdHDaw&bvm=bv.64125504,d.d2k

Bilanci di materia.

a cura di C. Della Volpe

Negli ultimi anni è cresciuta la coscienza del ruolo della attività umana nel sistema Terra con effetti climatici ed ambientali enormi. Nonostante le prove di questi stravolgimenti si accumulino sempre più, costringendo alle corde i pochi e rarefatti oppositori scientifici ed onesti di questa visione, rimane a livello di grande pubblico una diffusa ignoranza. Grandi masse di persone ignorano le leggi scientifiche e i risultati della ricerca, rimanendo schiave di visioni e concezioni “neghiste” di varia natura.

Una delle cose più difficili da accettare è la dimensione fisica, nel senso scientifico del termine, dell’umanità, ossia il ruolo che l’attività produttiva ha rispetto alle dimensioni dei flussi planetari di materia, una attività umana che ha sconvolto o alterato praticamente tutti i cicli importanti del pianeta. Tento in questo breve post di dare un piccolo contributo per colmare questa ignoranza fornendo alcune informazioni di base sulle quantità di materia processate dall’uomo in rapporto alle quantità di materia che la natura riesce a riciclare ogni anno.

Sapete, per esempio, quali quantità di acqua usiamo rispetto a quella che riceviamo dalle precipitazioni totali sul globo? Secondo i dati Aquastat, che sono dati ufficiali ONU, nel 2008 le precipitazioni totali contano 108.000km³, se eliminiamo l’acqua che evapora e che ammonta a 65.000km³ rimangono circa 43.000km³ di risorse interne, a fronte dei nostri usi complessivi che sono stati di  3860 km³, ossia il 9% delle risorse interne dell’acqua disponibile.

La percentuale è alta ma all’apparenza non enorme. C’è un ma; come la restituiamo l’acqua che usiamo? Beh, parecchio più sporca! Recentemente l’ISPRA, (Istituto superiore per la ricerca e la protezione ambientale) nel Rapporto Nazionale Pesticidi nelle Acque 2013, realizzato sulla base delle informazioni fornite dalle Regioni e dalle Agenzie regionali e provinciali per la protezione dell’ambiente ha concluso che in Italia il 55% dei punti di campionamento superficiale e il 28% di quelli sotterranei era inquinato da qualcuno dei 350 tipi di sostanze fitosanitarie usate in agricoltura e che in circa un terzo dei casi (34.1%) tale inquinamento superava i valori ammessi per la potabilità delle acque. E la situazione non è migliore nel resto del mondo.

Un secondo dato da conoscere è la quantità di anidride carbonica che immettiamo in atmosfera; è difficile valutarla con precisione perché una parte è diretta, ossia dipende dalle combustioni e l’altra invece è indiretta, ossia dipende dalle nostre attività agricole e forestali. Beh, la sola parte diretta assomma a circa 10 miliardi di ton di carbonio equivalente: i nostri consumi di energia primaria sono di oltre 12 miliardi di ton di petrolio equivalente e per l’87% sono di combustibili fossili, e

Source: BP Statistical Review of World Energy, 2012

usando le formule brute di petrolio (CH₂), carbone (C) e metano (CH₄) la quota di carbonio emessa è esattamente di 9.4Gton anno.

Bene, la stima dell’input totale di carbonio in atmosfera da parte dei produttori naturali terrestri è di circa 60Gton/anno. Quindi per questo solo fattore contiamo per il 15% del totale. Ovviamente una parte di questo carbonio in eccesso viene riassorbito da tutti i meccanismi di riassorbimento (principalmente dal mare il cui pH si è spostato verso il basso negli ultimi 250 anni di circa 0.1 unità di pH, pari al 21%) e quindi l’apporto “netto” al carbonio atmosferico è circa la metà di questo valore.

La domanda è che cosa cambiano 4.5Gton di carbonio, come CO₂, ossia 4.5×3.66=16.5 Gton di CO₂? Ebbene esse costituiscono all’incirca lo 0.5% in aggiunta allo stock atmosferico di questo gas (sono all’incirca 3000Gton, attualmente corrispondenti a 390ppmv) che così aumenta ogni anno in proporzione: ed ecco le circa 2 ppmv di aumento medio annuo della concentrazione di anidride carbonica!

Sto facendo certo una enorme semplificazione rispetto ai complessi flussi di tutti i meccanismi, ma è impressionante come le quantità complessive si ritrovino:

Volete qualche altro esempio? Allora consideriamo i due elementi non “fungibili” della vita P e N; nella sua poesia Robert Garrels,

che ne analizzò fra i primi i comportamenti, recitava:

I put some P into the sea
the biomass did swell
But settling down soon overcame
and P went down toward Hell

From Purgatory soon released
it moved up to the land

To make a perfect rose for thee
to carry in thy hand

But roses wilt and die you know
then P falls on the ground

Gobbled up as ferric P
a nasty brown compound

The world is moral still you know
and Nature’s wheels do grind

Put ferric P into the sea
and a rose someday you’ll find

Quante sostanze contenenti fosforo usiamo? In agricoltura usiamo i minerali fosfatici in ragione di 200Mton/anno;

(dati USGS)

che, dato che le rocce fosfatiche contengono circa un terzo in massa di ione fosfato PO₄^-3, corrispondono approssimativamente a 7×10¹¹ moli di P. Ebbene questa quantità corrisponde a 7 volte la stima del “fosforo” che arriva in mare dalla degradazione naturale delle rocce (The Earth System 3rd ed. Kump, Kasting, Crane, ed Pearson) e ad un settimo di tutto il “fosforo” che la “pompa biologica”, ossia il complesso dei flussi oceanici in upwelling e downwelling mobilizza ogni anno.

Un numero mostruoso!

Ma non è il solo; che succede con l’azoto? Una cosa equivalente. L’industria dell’ammoniaca, basata sulla reazione di Haber-Bosch, è in grado di fissare ogni anno quasi 140Mton di azoto.

(dati USGS)

Stiamo quindi parlando di circa 10¹³ mol di azoto all’anno che è circa quanto viene “fissato” sulla terra e sul mare dal resto della biosfera, ossia 1.4×10¹³ mol (The Earth System 3rd ed. Kump, Kasting, Crane, ed Pearson).

Secondo i testi universitari ci sono molti dubbi che attualmente il ciclo dell’azoto e del fosforo siano effettivamente bilanciati, dato il gigantesco apporto umano legato alla moderna agricoltura industrializzata e che non prevede alcun meccanismo retroattivo utile di recupero. Azoto e fosforo si accumulano nell’ambiente con enormi danni alla catena trofica.

La Terra e l’aria sono i nostri depositi dell’immmondizia! Per P e N l’uomo è il player principale. Ha di gran lunga superato ogni altra specie vivente e anche parecchi processi naturali a scala planetaria.

E la cosa più assurda è che nonostante questa gigantesca produzione di azoto e fosforo abbia sbilanciato i due cicli naturali preesistenti, oltre un miliardo di uomini soffre la fame e i più ricchi soffrono di malattie da sovra-alimentazione. La tanto celebrata rivoluzione verde, pur non riuscendo a nutrire tutti, ha certamente sbilanciato i cicli della biosfera e l’unico modo per renderla sostenibile sarebbe di attivare meccanismi di riassorbimento efficaci.

Quale conclusione possiamo trarre?

Direi che gli attuali metodi ed approcci produttivi non sono più a lungo sostenibili e la Chimica avrà la responsabilità di cercare delle alternative sostenibili.

Ma soprattutto chi ha la responsabilità di fare scelte a livello globale deve conoscere e riflettere su questi numeri ed operare scelte conseguenti.

E, infine ciascuno di noi consapevole di questi trend, deve, nel suo quotidiano, vivere cercando di ridurre  il proprio impatto sul pianeta.

Enzo Tiezzi avrebbe detto: L’economia non può fare  a meno della Chimica.

Per approfondire:

The Earth System 3rd ed. Kump, Kasting, Crane, ed Pearson

http://www.educazionesostenibile.it/portale/sostenibilita/tecnica-a-ecologia/racconti/1524-breve-storia-dei-fosfati-nutrimento-della-terra.html

la pagina dello US Geological Survey è una miniera di dati sui minerali

http://www.usgs.gov/

http://www.wri.org/publication/content/8398

Fai clic per accedere a factsheet12.pdf