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Articolo pubblicato il 19-04-2006
di Luigi Campanella
Ordinario di Chimica dell'Ambiente e dei Beni
Culturali nell'Università di Roma La Sapienza
Numero 27 - Anno 3
19 Aprile 2006
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La Chimica e la Qualità della vita
Presentato al Convegno del 19 aprile 2006 La chimica e l’Universo nell’ambito
dell’iniziativa “Le vetrine del CNR – L’uomo e la scienza – antiche e nuove teorie”
Due metodi per acquisire la conoscenza
Deduttivo: Basato sulla conoscenza a priori – sorgente
della verità (Platone, Hegel) – di certezze
assolute (idee) e di presupposti non discutibili
(assunzioni)
Aristotele, Cartesio, Kant -> elaborazioni
XX sec
- Individualismo Nietsche
- Esistenzialismo di Heidegger
- l’assoluto per scelta ed esercizio
(no a qualsiasi conoscenza non assiomatica)
- non ci sono assoluti universali
Induttivo (Bacone): Dati come conoscenza oggettiva e
registrata che può essere acquisita da ciascuno.
La teoria deve essere confermata ed allora rappresenta la certezza assoluta.
- (Hume = utilitarismo ed empirismo Mach = neopositivismo Wittgenstein =
positivismo logico
- Schaeffer (evidenzialismo)
- persuasione dovuta all’evidenza
-
ciclo ripetuto: evidenza fatto ipotesi teoria
La chimica, dalle origini e per molti anni, fu fortemente analitica, impegnata
nell’acquisizione di conoscenze sul mondo inorganico e poi su
quello organico, sulla composizione della materia
e sulla sua struttura, infine sui processi che si
determinavano nei sistemi indagati.
Quando il
bagaglio di conoscenze fu notevole, fu possibile
trarne vantaggi economici per l’uomo in termini di
merci migliori e in maggiore quantità, di tutela
della salute pubblica, di benessere generalizzato;
allora il ruolo euristico decadde per trasformarsi in
quello di tutore per la conservazione di quello
stato favorevole di cose.
La richiesta di valutazione e di documentazione del grado di
affidabilità delle analisi sulla base di riferimenti materiali, strutturali e
processuali accettati a livello internazionale.
- MR
- PR
- internazionalizzazione dei mercati
La chimica è il nostro vivere quotidiano. Essa è intorno a noi, si manifesta nei
fenomeni naturali ed è pronta a soddisfare
le nostre necessità con tutto ciò che i chimici creano di nuovo ed utile; è anche
dentro di noi dal momento che il nostro corpo, fatto di atomi e molecole, funziona
sfruttando complicatissimi processi chimici.
“La chimica e la qualità della vita”
Il benessere e la Il benessere e la qualità della vita qualità della vita dipendono
dipendono prevalentemente dalle scoperte fatte, nel corso dei secoli, prevalentemente
dalle scoperte fatte, nel corso dei secoli, nel campo delle discipline CHIMICHE.
- La scoperta dei metalli (bronzo, ferro, ecc.)
- Estrazione di sostanze naturali (per usi medicinali o Estrazione di
sostanze naturali (per usi medicinali o farmaceutici)
- Produzione di coloranti
 Nel medioevo il colore dominante era il grigio. La Nel medioevo il colore dominante
era il grigio. La chimica chimica ha reso il mondo colorato. I grandi pittori per
ha reso il mondo colorato. I grandi pittori per la produzione delle loro opere
dovevano utilizzare la produzione delle loro opere dovevano utilizzare conoscenze
di conoscenze di chimica chimica.
Materiali da costruzione (gesso, calce, cemento, ecc.)
La chimica ha un ruolo nello studio e nella produzione dei
materiali da costruzione: leganti e, più recentemente, additivi per
calcestruzzi (calcestruzzi ad alte prestazioni, calcestruzzi
autocompattanti), rivesimenti, materiali per il restauro (resine,
silani, ecc.).
Un altro filone di ricerca molto interessante è quello
dell’applicazione ai materiali da costruzione dei concetti dello
sviluppo sostenibile: ad esempio uso di sottoprodotti industriali
come aggiunte ai cementi per confezionare calcestruzzi, uso di
ceneri di incenerimento rifiuti.
Produzione di fertilizzanti
Le previsioni di crescita di popolazione mondiale (8 miliardi di
persone nel 2025), insieme all’impossibilità di incrementare i terreni
coltivabili, porta all’irrinunciabile necessità di sfruttare al meglio le
risorse disponibili.
Il ruolo della chimica e dell’ingegneria chimica è di fondamentale
importanza in questo settore: sperimentazione dei processi,
sviluppo e ottimizzazione degli impianti per la produzione dei
fertilizzanti per ridurne l’impatto ambientale.
La disponibilità sul mercato di alimenti con caratteristiche igieniche
ben definite, la conservazione dei cibi (si pensi ad esempio ai
processi di sterilizzazione e pastorizzazione) si avvalgono di
processi industriali nei quali il ruolo della chimica e dell’ingegneria
chimica è determinante.
Produzione di fibre per tessuti
Produzione di fibre per materiali compositi
Produzione di fibre per materiali compositi (dalle attrezzature
sportive …. dall’aeronautica …. al ripristino della Basilica di S.
Francesco di Assisi)
Era già noto agli antichi egizi che i materiali compositi potessero
avere migliori proprietà meccaniche rispetto a quelle dei singoli
costituenti: essi, migliaia di anni fa, miscelavano paglia e fango
per ottenere mattoni da costruzione più resistenti e meno fragili
di quelli ottenuti da solo fango.
Oggi, i composti con matrice polimerica e fibre ad elevate
proprietà meccaniche (di vetro, di carbonio, aramidiche)
possono avere proprietà meccaniche paragonabili a quelle degli
acciai con densità notevolmente inferiori. La tecnologia dei
materiali compositi è in continua evoluzione:
sviluppo di nuovi processi di fabbricazione, messa a punto di
nuove matrici polimeriche, facilmente processabili e riciclabili…
Produzione di antiparassitari e fitofarmaci
La produzione agricola mondiale verrebbe drasticamente ridotta in
assenza di antiparassitari o fitofarmaci. Oggi, ricerche avanzate
permettono la sintesi di sostanze molto selettive e a basso impatto
ambientale e con elevata efficacia.
Produzione di materiali polimerici (gomme, plastiche, pitture,
ecc.)
Il termine polimero è un parola composta che deriva dal greco ‘poli’
(molti) e ‘meros’ (unità o parte) ed è usata per designare una
sostanza costituita da grosse molecole ottenute dall’unione in catena
di molte piccole molecole di una o più specie. I polimeri esistono in
natura; basti pensare alla gomma naturale.
Accanto alla vulcanizzazione della gomma naturale (Goodyear,
1839), si ricordano alcuni dei primi polimeri come il nitrato di
cellulosa (Hyatt, 1868) meglio conosciuto come celluloide, o la
resina fenolo-formaldeide (Baekeland, 1909) brevettata poi con il
nome di Bakelite.
Successivamente con la messa a punto del
processo di polimerizzazione, è iniziata la commercializzazione di
molti importanti polimeri quali polistirene (1920), polivinilcloruro e
polimetacrilato (1927), poliammide (1938), poliestere (1941),
polietilene (1942).
Ma soltanto nel dopoguerra si realizza in modo estensivo la
produzione e lavorazione dei nuovi polimeri, conseguenza anche
dello sviluppo di nuove tecnologie di sintesi e di trasformazione.
Sintesi di farmaci (dai semplici disinfettanti …. alle molecole
antitumorali)
Fin dai tempi più antichi si sono sviluppate le conoscenze per
utilizzare nel modo migliore gli estratti delle piante per alleviare
dolori e curare malattie. Pur non conoscendo la chimica e le sue
leggi, l’uomo fu in grado di modificare empiricamente, a suo
beneficio, i prodotti della natura. Successivamente i chimici furono
in grado di estrarre i principi attivi, identificarli e sintetizzare prodotti
analoghi più efficienti.
I medici determinarono le dosi corrette per
una migliore efficacia e i farmacisti provvidero al dosaggio e a un
opportuno confezionamento. Così furono disponibili i farmaci per
l’uomo, per gli animali e per la protezione delle piante, più in
generale prodotti che migliorano la salute e la qualità della vita.
Produzione di semiconduttori
Oggi, qualcuno definisce l’informatizzazione una rivoluzione
paragonabile alla rivoluzione industriale. Parlare di semiconduttori,
significa parlare della chimica di alcuni elementi come silicio,
germanio, ecc.
Nuovi materiali
Ad esempio: materiali nanostrutturati a base di carbonio, cristalli
liquidi, plasma, superconduttori, ecc.
Produzione e conversione dell’energia
L’energia è parte integrante della nostra esistenza: si pensi che il
nostro stesso corpo produce e consuma energia.
La fonte primaria mondiale di energia è a tutt’oggi costituita dai combustibili fossili.
Il contributo della chimica e dell’ingegneria chimica può essere
fondamentale per aumentare l’efficienza della produzione
energetica: sia nei settori tradizionali, come le centrali
termoelettriche di grande potenza, i piccoli impianti domestici, i
motori per auto trazione (diesel e benzina), sia per settori meno
tradizionali come la termoutilizzazione per il trattamento dei rifiuti,
sia a settori molto innovativi come i pannelli solari, le pile a
combustibile, l’utilizzo di idrogeno come combustibile.
Tecnologie di disinquinamento
Qualunque processo industriale provoca un impatto sull’ambiente.
Sebbene questo impatto possa essere molto ridotto (vedi oltre
<>) la chimica ha un ruolo determinante
anche nelle tecnologie di disinquinamento: di dispositivi
antinquinamento per il controllo delle emissioni gassose delle
centrali termoelettriche e degli inceneritori di rifiuti, di strumenti
avanzati per il trattamento delle acque e la bonifica dei terreni
contaminati.
In definitiva, la chimica è indispensabile sia per la
produzione di qualunque tipo di materiale non
naturale, sia per la trasformazione di qualunque tipo
di materiale naturale.
Ossia in assenza della CHIMICA:
- lo sviluppo della civiltà occidentale moderna sarebbe ferma a epoche preistoriche
- l’aspettativa di vita non sarebbe superiore ai 30-35 anni
- non sarebbe possibile sfamare la maggior parte della popolazione mondiale attuale
- non sapremmo come vestire la maggior parte della popolazione mondiale attuale
- abiteremmo ancora in caverne o capanne
- useremmo ancora la trazione animale
- telecomunicazioni, televisione e informatica non sarebbero neanche concepibili
- ecc.
Nella vita di tutti i giorni, si utilizzano prodotti
per produrre i quali il ruolo della chimica è
fondamentale.
Il principale aspetto negativo di qualunque
processo industriale (chimico o non chimico) è
l’inevitabile inquinamento ambientale, ma
questo, anche se non può essere totalmente
eliminato, può e deve essere ricondotto entro
limiti accettabili.
Per questo oggi si deve parlare di una “chimica sostenibile” (green chemistry)
Chimica Sostenibile (Green Chemistry)
La Chimica Sostenibile è l’impiego della Chimica per
prevenire l’inquinamento.
Essa si esplica in una serie di principi atti a ridurre o
eliminare l’uso o la formazione di sostanze pericolose e
nella progettazione, produzione e applicazione dei prodotti chimici.
Sostenibile (definizione)
Capace di mantenersi a lungo senza interruzione, decadimento, o perdita di forza o qualità.
Impiego e trasformazione di una risorsa senza diminuirla o danneggiarla permanentemente.
Gli elementi chiave nel definire “sostenibile” sono:
il lasso di tempo che definisce la “lunghezza” del mantenimento (e stabilisce la scala
temporale di analisi), e i criteri usati per valutare la “qualità” del sistema.
I venti principi di Chimica Sostenibile
Prevenzione: È meglio prevenire la formazione di scarichi piuttosto che trattarli
o purificarli dopo averli creati.
Economia atomica: I metodi sintetici devono essere progettati per massimizzare
l’incorporazione nel prodotto finale di tutti i prodotti impiegati nel processo.
Esempio:
- ossidazioni con ossigeno anziché con ossidanti metallici
Sintesi chimiche meno pericolose:
Dovunque impiegabili, i metodi sintetici devono essere progettati per impiegare e
generare sostanze che possiedono poca o nulla tossicità per la salute umana e per l’ambiente.
Esempio:
- Impiego di acqua ad alta temperatura per reazioni organiche
- Uso del dimetilcarbonato anziché fosgene nella sintesi di isocianati e uretani
Progettazione di composti chimici più sicuri: I prodotti chimici devono essere
progettati per assolvere alle funzioni desiderate ma nel contempo se ne deve minimizzare la
tossicità.
Solventi e ausiliari più sicuri:L’impiego di sostanze ausiliarie (solventi,
agenti di separazione, e altro) deve essere il più possibile ridotto e devono essere
innocui se utilizzati.
Esempio:
- uso di anidride carbonica in condizioni supercritiche
- uso di sali liquidi come solventi non volatili ad elevato riciclo
Progettazione per l’efficienza energetica e Intensificazione del processo:
Le necessità energetiche dei processi chimici devono essere valutate per il loro
impatto ambientale ed economico e devono essere minimizzate.
I metodi sintetici devono esser condotti, ove possibile, a temperatura e
pressione ambiente.
Uso di materie prime rinnovabili: Una materia prima o fonte
naturale deve essere rinnovabile piuttosto che non rinnovabile
nella misura in cui sia tecnicamente ed economicamente
praticabile.
Esempio:
- Impiego nel biodiesel (esteri metilici di acidi grassi C12-C20) come
combustibile in sostituzione dei diesel
Riduzione dei composti derivatizzati: Si devono
minimizzare o se possibile evitare le derivatizzazioni non
necessarie dei composti (uso di gruppi protettivi,
protezione/sblocchi, modifiche temporanee di processi
chimico-fisici). Queste operazioni richiedono altri reagenti e
possono produrre ulteriori scarti.
Catalisi: I reagenti catalitici (della massima selettività
possibile) sono superiori ai reagenti stechiometrici.
Progettazione per la degradazione: I prodotti chimici
devono essre progettati premendone le possibilità di
trasformazione e/o reimpiego. Alla fine del loro ciclo di vita
devono essere trasformati in prodotti di degradazione innocui
e non devono persistere nell’ambiente.
Analisi in tempo reale per prevenire inquinamenti: È
necessario lo sviluppo di metodologie analitiche che
consentono il monitoraggio ed il controllo in tempo reale nel
corso del processo prima della formazione di sostanze
pericolose.
Chimica intrinsecamente più sicura per la prevenzione degli incidenti: Si deve
scegliere le sostanze e i formulati di sostanze impiegati nei processi chimici
in modo da minimizzare il rischio di incidenti chimici, inclusi i rilasci
le esplosioni, le fiamme, ecc.
Indici monitorati
Rappresentatività
Caratteri marker
Esigenza modellistica (terpeni)
Nuovi indici (radicali)
Qualità integrale (tossicità atmosferica
integrale, tossicità PM, ecopersistenza)
Microsensori e nanofiltri per il controllo di aggregati molecolari e di micro-organismi in
fase liquida
Applicazione alla Potabilizzazione dell’Acqua
Negli ultimi anni si è registrato un notevole interesse del mondo della ricerca per
l’individuazione e caratterizzazione di sistemi capaci di realizzare lo splitting
fotochimico dell’acqua a ossigeno e idrogeno.
Un approccio, tra gli altri, che al momento appare promettente è rappresentato
dall’utilizzo di una sospensione di un ossido semiconduttore in una soluzione
contenente un particolare ione metallico (si pensi, ad esempio, al sistema WO3/Fe (III)
in acqua) che viene sottoposta ad irraggiamento UV per l > 290 nm (1).
Rischio (noto e non noto) per la salute
- composti naturali
- composti di sintesi
- Alimenti, aria, H2O (meccanismi di difesa dell’organismo spesso non messi a punto per il
poco tempo a disposizione)
Thermodynamic Risk Assessment
OXYGEN BALANCE for a compound with general formulas CxHyOz:
B > - 200
DECOMPOSITION ENTHALPY
>-0.7 high risk
-0.7 < > -0.3 low risk
-0.7 < < -0.3 medium
Hcomb – Hdecomp proportional to k/R
EMPIRIC
R=10× H × M/n
N = number of atoms in the molecule
M = molecular weight
R > 110 high risk
R < 30 low risk
- Test a risposta rapida
- Basso costo (4 – 500 dollari)
- Screening
- Principio del semaforo
PROGETTI FINALIZZATI
Nuovi processi e nuovi materiali
Energia da processi chimici
Produzione e conservazione di alimenti
Biotecnologie
Protezione dell’ambiente
Sicurezza e salute
Formazione di nuovi scienziati e tecnologi
SETTORI DISCIPLINARI
Cinetica chimica
Reattività chimica (in condizioni “estreme”)
Chimica teorica
Catalisi
Scienza dei materiali
Sintesi
Processi del ciclo vitale
Metodologie analitiche
- Tecniche cromatogr.
- Ionizzaz. in spettrom. di massa
- Analisi di superficie
- Metodi elettroanal.
- Nuove tecniche spettr.
Strategia politica
Incrementare rapporti CHIMICA-INDUSTRIA
Promuovere il rinnovamento e l’arruolamento del chimico
Maggiore impegno dei Ministeri
- dell’INDUSTRIA (tecnologia dell’Energia)
- della SANITÀ (interfase Fisiologia/Chimica)
- della DIFESA (materiali strategici)
- dell’AGRICOLTURA
- (Protezione del suolo e degli animali)
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Autore: Luigi Campanella
Ordinario di Chimica dell'Ambiente e dei Beni
Culturali nell'Università di Roma La Sapienza
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