Catalizzatori bimetallici
Nov29

Catalizzatori bimetallici

I costi di un processo industriale dipendono, tra l’altro, dalla velocità delle reazioni coinvolte: abitualmente un aumento della temperatura provoca un aumento della velocità della reazione stessa ma, in molti casi, ci si avvale di catalizzatori che, abbassando l’energia di attivazione, accelerano il processo. I catalizzatori che vengono utilizzati sono di tipo poroso al fine di aumentare la superficie di contatto e la reazione procede sulla superficie del catalizzatore: le molecole reagenti diffondono infatti attraverso i pori del catalizzatore. Nei catalizzatori bimetallici  la presenza di un secondo metallo porta a cambiamenti nella struttura atomica ed elettronica delle nanoparticelle offrendo numerosi vantaggi rispetto ai catalizzatori monometallici in relazione a: effetti geometrici in quanto i siti attivi sono alterati a causa di modificazioni geometriche effetti elettronici in quanti i siti attivi sono modificati dal trasferimento di elettroni tra i metalli effetti di stabilizzazione effetti sinergici effetti bifunzionali in quanto ogni metallo può offrire una funzione diversa nel meccanismo della reazione costituzione della superficie Negli ultimi decenni sono state fatte ricerche sulla relazione esistente tra configurazione elettronica dei metalli utilizzati quali catalizzatori e la loro attività catalitica da cui si è riscontrato che un catalizzatore bimetallico costituisce un valido supporto nella catalisi eterogenea. Inizialmente furono compiute ricerche su catalizzatori costituiti rispettivamente da nichel– cromo, rutenio– rame, osmio– rame, platino– iridio e platino-rutenio nelle reazioni di idrogenazione, deidrogenazione e nei processi di isomerizzazione. Nell’ultimo decennio si sono studiate le attività catalitiche di catalizzatori bimetallici costituiti dagli elementi del Gruppo VIII i cui capostipiti sono ferro, cobalto e nichel con gli elementi del Gruppo IB costituiti da rame, argento e oro. Da queste ricerche sono stati ottenuti i catalizzatori bimetallici che vengono utilizzati in molte reazioni tra cui la riduzione dell’ossigeno nelle celle a combustibile. In particolare sono stati studiati gli effetti dei catalizzatori bimetallici nella produzione di biocarburanti da biomasse in cui si è dimostrato che essi presentano, rispetto ai catalizzatori tradizionali, una maggiore attività e un’alta selettività nella trasformazione delle biomasse. E’ inoltre stato studiato il ruolo dei catalizzatori bimetallici nella produzione dell’idrogeno e si è trovato che la selettività varia notevolmente a seconda delle diverse combinazioni di questo tipo di catalizzatori. I catalizzatori rutenio-rame usati nell’idrogenolisi del glicerolo mostrano infatti una diversa selettività e una diversa resa controllate dal differente rapporto dei due metalli. Ulteriori studi effettuati su nanoparticelle hanno evidenziato che le loro proprietà sia chimiche che fisiche sono influenzate da entrambi i metalli e, l’aggiunta di un altro metallo, produce proprietà completamente diverse. I catalizzatori bimetallici possono presentarsi con diverse strutture; ad esempio se è presente un metallo particolarmente costoso esso viene assemblato in particolari posizioni sulla superficie dell’altro...

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Elettrodi iono-selettivi
Nov27

Elettrodi iono-selettivi

Il potenziale di una cella elettrochimica è legato alle concentrazioni delle specie coinvolte nelle reazioni agli elettrodi; pertanto la misura del potenziale di una pila è utilizzata per la determinazione delle concentrazioni delle specie in soluzione. La cella consta di un elettrodo indicatore e di un elettrodo di riferimento; poiché il potenziale dell’elettrodo di riferimento è costante, il potenziale dell’elettrodo indicatore è quello che ci fornisce informazioni quantitative relative all’analita. Tra gli elettrodi indicatori che possono essere utilizzati per le determinazioni potenziometriche vi sono gli elettrodi iono-selettivi, ovvero sensori che convertono l’attività di uno ione presente in soluzione in potenziale correlato all’attività dello ione secondo l’equazione di Nernst. Gli elettrodi iono-selettivi hanno un grado elevato di selettività nei confronti di uno ione che può essere sia positivo che negativo anche in presenza di altre specie. La selettività di un elettrodo iono-selettivo è dovuta alla membrana che ne costituisce la parte caratterizzante e può essere di vari tipi. All’interno della membrana vi è una soluzione di riferimento che contiene una determinata concentrazione dello ione di interesse: tra la soluzione e la membrana si stabilisce un equilibrio di scambio ionico e il trasporto di ioni dalla soluzione a concentrazione maggiore a quella a concentrazione minore provoca una differenza di potenziale. Quando una specie carica diffonde da una regione con attività A1 a una regione con attività A2 si ha una diminuzione di energia libera: ΔG = – RT ln(A1/A2) Questa diminuzione di energia libera è pari al lavoro elettrico: – RT ln(A1/A2) = – nFE Da cui E =  RT/nF  ln(A1/A2) Tra gli elettrodi iono-selettivi il più noto è l’elettrodo a vetro costituito da un vetro speciale e utilizzato per la misura del pH di soluzioni acquose. Variando la composizione e i costituenti del vetro si possono ottenere elettrodi a vetro selettivi nei confronti di altre specie ed in particolare dello ione sodio. Vi sono poi elettrodi a membrana solida e, a seconda della costituzione della membrana, possono essere di vari tipi ma nelle linee generali sono costituiti da sali inorganici poco solubili. Essi esibiscono una buona selettività nei confronti di ioni che possono introdursi nel loro reticolo cristallino come l’elettrodo selettivo di fluoruro in cui la membrana è formata da fluoruro di lantanio drogato con europio. I cosiddetti elettrodi a membrana liquida dove la membrana in realtà è solida e porosa saturata con un solvente viscoso insolubile in acqua in cui è disciolto un agente ionoforo ovvero una specie in grado di trasportare ioni. Un esempio di elettrodo a membrana liquida è l’elettrodo sensibile allo ione Ca2+ in cui lo ionoforo è il di-(n-decil)fosfato di calcio (CH3(CH2)8CH2)2PO2 2-Ca2+ sciolto in di-(n-ottil)fenilfosfonato...

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Idrogeno pulito e a basso costo
Nov26

Idrogeno pulito e a basso costo

L’idrogeno ha numerosi utilizzi come la sintesi dell’ammoniaca e la produzione del metanolo e potrebbe diventare il combustibile in grado di sostituire la benzina nelle auto del futuro. L’idrogeno presenta infatti il vantaggio, rispetto ai combustibili tradizionali, di bruciare in presenza di ossigeno liberando una grande quantità di energia in una reazione esotermica e dando come unico prodotto di reazione l’acqua. In questa ipotesi verrebbero abbattute le emissioni di CO2 derivanti dalla combustione degli idrocarburi. Uno dei fattori che rallenta in qualche modo la ricerca per un’economia a idrogeno è la difficoltà di ottenere idrogeno su scala industriale a basso costo. Attualmente l’idrogeno viene ottenuto su larga scala tramite lo steam reforming a partire dagli idrocarburi; i prodotti della reazione sono costituiti da miscele di gas e quindi l’idrogeno non è puro e contiene contaminanti. Il metodo alternativo per ottenere l’idrogeno consiste nell’elettrolisi dell’acqua che tuttavia risulta un metodo antieconomico sia a causa del costo elevato degli elettrodi costituiti da platino che per l’alto consumo energetico necessario. Già da molti anni scienziati di tutto il mondo stanno studiando metodi economici per ottenere l’idrogeno per via elettrolitica a basso costo ricercando su catalizzatori a basso costo in grado di promuovere la reazione e tra essi il più accreditato sembrava essere il cobalto o materiali formati da più metalli tra cui il cobalto. Evidentemente non si era lontani dalla soluzione che, secondo recentissimi studi fatti da chimici spagnoli, potrebbe essere costituita da un composto costituito da cobalto e tungsteno appartenente alla famiglia dei poliossometallati ovvero ossidi molecolari di dimensioni nanometriche che hanno l’attività degli ossidi e sono molto versatili.   Secondo gli studiosi questo catalizzatore opera bene a basso voltaggio pertanto i costi di produzione dell’idrogeno verrebbero abbattuti ed inoltre supportandolo su materiali idrorepellenti si riscontra una maggiore efficienza del processo. L’elettrolisi avverrebbe in maniera più rapida e gli elettrodi avrebbero una maggiore durata. I  materiali idrorepellenti che supportano il catalizzatore possono inoltre essere utilizzati anche su altri catalizzatori e ciò apre il fronte ad altre...

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Solubilità dei composti organici
Nov25

Solubilità dei composti organici

Lo studio della solubilità di un composto organico costituisce un valido aiuto per avere delle informazioni relative alla sua struttura. Viceversa la conoscenza della struttura di un composto organico consente di prevedere la sua solubilità in opportuni solventi e ciò può risultare di grande utilità quando lo si vuol purificare ad esempio tramite cristallizzazione o isolarlo da una miscela tramite estrazione. La solubilità di un composto organico riveste inoltre una grande importanza ai fini sintetici in quanto i reagenti vengono portati in soluzione. La solubilità è influenzata dalle forze intermolecolari che si instaurano tra le molecole di soluto, tra quelle di solvente e tra quelle tra soluto e solvente che possono essere di diversa natura essendo alcune di esse deboli come quelle dipolo indotto-dipolo indotto, si media forza come quelle dipolo-dipolo fino a quelle più forti dovute alla formazione di legami a idrogeno. Esiste comunque una regola, nota fin dall’antichità, secondo la quale “il simile scioglie il suo simile” che si basa sulla polarità delle molecole: le molecole polari si solubilizzano infatti in solventi polari come acqua o alcol mentre molecole apolari si solubilizzano in molecole apolari come l’esano o benzene. La polarità delle molecole organiche è dovuta prevalentemente alla presenza di atomi quali l’azoto o l’ossigeno dotati di elevata elettronegatività. La polarità delle molecole organiche è quindi dovuta alla presenza di particolari gruppi funzionali quali quello amminico o alcolico pertanto la solubilità in determinati solventi può fornire un’evidenza sperimentale della presenza o dell’assenza di alcuni gruppi funzionali. La maggior parte delle molecole organiche sono poco polari e sono solubili quindi in solventi quali il dietil etere, il cloroformio, il diclorometano ma non sono solubili in acqua. Le maggiori informazioni possono essere ottenute effettuando dei test di solubilità in acqua, idrossido di sodio al 5%, bicarbonato di sodio al 5% e acido cloridrico al 5%. Se una specie è solubile in acqua è polare e in essa è presente un elevato rapporto di gruppi polari rispetto a quelli non polari come, ad esempio un composto a basso peso molecolare in cui può essere presente un gruppo –OH, NH2 o –COOH o un composto a peso molecolare più elevato che contiene più gruppi polari. La presenza di un gruppo acido o basico può essere evidenziata, per i composti solubili in acqua, dal valore del pH. I composti insolubili in acqua possono essere testati con acidi o basi in quanto possono formare in tali ambienti specie ioniche. Ad esempio l’acido benzoico è scarsamente solubile in solventi polari come l’acqua, ma se viene trattato con una soluzione al 5% di idrossido di sodio diventa solubile a causa della formazione del benzoato di...

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Come scrivere le formule dei sali
Nov16

Come scrivere le formule dei sali

Anche se appare riduttivo l’idea comune a molti che la chimica sia solo un insieme di formule può essere utile poter scrivere rapidamente le formula dei sali più comuni senza avere grandi conoscenze della disciplina. I sali sono elettricamente neutri e sono costituiti da uno ione positivo e da uno ione negativo. Nella tabella vengono indicati gli ioni positivi e negativi più comuni dalla cui combinazione si può ottenere la formula di un sale e il suo nome comune. Ioni positivi Li+ Na+ K+ Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+ Al3+ Fe2+ Fe3+ Ag+ Cu+ Cu2+ Zn2+ Pb2+ Pb4+ Sn2+ Sn4+ * NH4+ * Si tenga conto che uno ione positivo poliatomico che può essere presente nei sali è lo ione ammonio NH4+ Ioni negativi Nome F– Fluoruro Cl– Cloruro Br– Bromuro I– Ioduro S2- Solfuro HS– Idrosolfuro o idrogenosolfuro CN– Cianuro NO3– Nitrato NO2– Nitrito CO32- Carbonato HCO3– Idrogeno carbonato o bicarbonato SO42- Solfato HSO4– Idrogenosolfato SO32- Solfito HSO4– Idrogenosolfito PO43- Fosfato HPO42- Idrogenofosfato H2PO4– Diidrogenofosfato ClO– Ipoclorito ClO2– Clorito ClO3– Clorato ClO4– Perclorato   Per poter scrivere la formula di un sale formato da questi ioni basta accoppiare uno ione positivo e uno ione negativo tenendo conto della loro carica e facendo in modo che la molecola sia neutra. Supponiamo di voler scrivere la formula del cloruro di sodio. Poiché lo ione sodio ha una sola carica positiva e lo ione cloruro ha una sola carica negativa la formula è NaCl. Se invece dovessimo scrivere la formula del cloruro di calcio bisogna tenere conto che lo ione calcio ha due cariche positive mentre lo ione cloruro ha una sola carica negativa pertanto affinché le cariche siano bilanciate sono necessari due ioni Cl– per ogni ione Ca2+ quindi la formula è CaCl2. Analogamente la formula del cloruro di alluminio, tenendo conto che lo ione alluminio ha tre cariche positive e lo ione cloruro ha una sola carica negativa, è AlCl3. Supponiamo di voler scrivere le formule dei carbonati di calcio, sodio e alluminio. Nel primo caso, poiché lo ione carbonato ha due cariche positive e lo ione calcio ha due cariche positive, la formula è CaCO3. Nel caso del carbonato di sodio poiché lo ione carbonato ha due cariche positive e lo ione sodio ha due cariche positive, la formula è Na2CO3. Nel caso del carbonato di alluminio  poiché lo ione carbonato ha due cariche negative e lo ione alluminio ha tre cariche positive per bilanciare le cariche occorrono tre ioni carbonato ( 3 ∙ -2 = – 6) e due ioni alluminio ( 2 ∙ +3 = +6) e la formula è Al2(CO3)3. Si noti che alcuni ioni metallici...

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