Meccanismo d’azione dei catalizzatori
Nov07

Meccanismo d’azione dei catalizzatori

Un catalizzatore è una specie che accelera la velocità di una reazione termodinamicamente favorita portando a una diminuzione dell’energia di attivazione. Il catalizzatore pur partecipando alla reazione non compare né tra i reagenti né tra i prodotti e viene ritrovato inalterato alla fine di essa. Affinché avvenga una reazione prima che si formano i prodotti si devono rompere i legami tra i reagenti e ciò richiede energia detta energia di attivazione. Alcune reazioni presentano una energia di attivazione così elevata che esse avvengono in tempi molto lunghi. I catalizzatori costituiscono un mezzo per rompere i legami fornendo un percorso alternativo di reazione pertanto essi formano legami temporanei con il reagente e quindi devono essere reattivi ma non devono essere tali da formare legami permanenti con i reagenti. Il meccanismo con cui agiscono i catalizzatori in una reazione non è sempre lo stesso ad esempio la reazione tra biossido di zolfo e ossigeno avviene in presenza del pentossido di divanadio che agisce da catalizzatore. Il vanadio che presenta diversi numeri di ossidazione tra cui +4 si trasforma in tetrossido di divanadio che, per successiva ossidazione, ritorna allo stato di partenza SO2 + V2O5 → SO3 + V2O4 V2O4 + ½   O2 →  V2O5 Pertanto la reazione complessiva è SO2 + ½   O2 →  SO3 in cui il catalizzatore non compare né tra i reagenti né tra i prodotti. Un altro esempio è costituito dalla reazione tra monossido di carbonio e ossigeno in cui si ottiene biossido di carbonio in presenza del palladio in qualità di catalizzatore. Secondo il meccanismo della reazione si ha l’adsorbimento sia del monossido di carbonio che dell’ossigeno sulla superficie del catalizzatore. Le molecole di ossigeno si dissociano in due atomi di ossigeno che si combinano con il monossido di carbonio che viene deadsorbito dalla superficie del catalizzatore. Un altro esempio è costituito dalla reazione di idrogenazione di un alchene in cui si ottiene l’alcano in presenza di Nichel Raney in qualità di catalizzatore. L’idrogeno viene adsorbito sulla superficie del catalizzatore con conseguente rottura del legame idrogeno-idrogeno, l’alchene viene adsorbito sulla superficie del catalizzatore con rottura del doppio legame presente e formazione di legami nichel-carbonio; gli atomi diffondono sulla superficie del catalizzatore con formazione di legami carbonio-idrogeno e l’alcano formatosi viene deadsorbito dal catalizzatore. I catalizzatori sono specifici per ogni reazione e agiscono diversamente secondo un determinato meccanismo; possono agire da catalizzatori, oltre che i metalli di transizione e alcuni del loro composti e tipicamente gli ossidi, sia lo ione H+ come avviene, ad esempio nell’esterificazione e nella isomerizzazione delle olefine, che lo ione OH– come avviene, ad esempio nell’idratazione delle aldeidi e nella reazione tra un...

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Chemiluminescenza
Nov04

Chemiluminescenza

La chemiluminescenza è la produzione di luce che accompagna alcune reazioni chimiche in cui si formano intermedi reattivi allo stato eccitato. In ogni reazione chimica gli atomi, le molecole o gli ioni che reagiscono collidono tra loro formando uno stato di transizione da cui si ottengono i prodotti di reazione. Lo stato di transizione corrisponde allo stato energetico più elevato rispetto sia ai reagenti che ai prodotti che, se la reazione è esotermica, hanno energia minore rispetto a quella dei reagenti. Nelle reazioni che danno luogo alla chemiluminescenza i reagenti A e B danno luogo alla formazione di un intermedio allo stato eccitato da cui si ottiene luce oltre che i prodotti di reazione essendo rilasciato un fotone di opportuna lunghezza d’onda. La chemiluminescenza si differenzia dalla fluorescenza in quanto quest’ultima è dovuta ad un assorbimento della luce incidente da parte del campione e a una successiva emissione di radiazioni di lunghezza d’onda diversa da quella incidente Un esempio di reazione che avviene con emissione di luce è quella tra monossido di azoto e ozono. dalla reazione si ottiene biossido di azoto in uno stato eccitato e ossigeno: NO + O3 → NO2* + O2 Il biossido di azoto dallo stato eccitato ritorna allo stato fondamentale con produzione di luce: NO2* → NO2 + luce Un altro esempio di reazione in cui si manifesta la chemiluminescenza è quella del luminol ovvero il 5-ammino-2,3diidro-1,4-ftalazimdione. Esso reagisce con il perossido di idrogeno per dare il 3-amminoftalato secondo la reazione C8H7N3O2 + H2O2 → [3-amminoftalato]* → 3-amminoftalato + luce Poiché il ferro è uno degli ioni metallici che catalizza la reazione, questa reazione può essere utilizzata per rilevare tracce di sangue che contiene l’emoglobina ed è quindi tuttora utilizzata nella ricerca di piccole quantità di sangue sulla scena di un crimine. Il primo esempio di chemiluminescenza risale alla scoperta del fosforo elementare da parte dell’alchimista tedesco Hennig Brand nel 1669. Egli isolò dalle urine un materiale bianco e ceroso che si ossidava lentamente a temperatura ambiente dando una tenue luce verde a cui diede il nome di fosforo dal greco ϕωσϕόρος ovvero portatore di luce. Il meccanismo della reazione prevede la formazione di intermedi (PO)2 e HPO che sono i responsabili della colorazione. Un altro esempio di chemiluminescenza che trova utilizzo nei braccialetti che emettono luce è la reazione tra un estere aromatico che viene ossidato dal perossido di idrogeno per dare un perossiossalato che rapidamente si trasforma in 1,2-diossietandione. Quest’ultimo reagisce con il colorante per dare biossido di carbonio e colorante allo stato eccitato che ricadendo allo stato fondamentale emette luce. La chemiluminescenza è influenzata dagli stessi fattori che influenzano le...

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Relazione tra legame e proprietà dei solidi
Ott28

Relazione tra legame e proprietà dei solidi

I solidi, a seconda della natura del tipo di legame presente, vengono classificati come ionici, covalenti, metallici e molecolari che presentano proprietà diverse. In un solido ionico sono presenti due ioni di segno opposto e la forza di legame è dovuta all’attrazione elettrostatica tra le due cariche la cui intensità dipende dalla carica e dalle dimensioni degli ioni. I composti ionici sono solidi cristallini in cui è presente una disposizione periodica e ordinata di ioni ai vertici di una struttura reticolare e sono anisotropi. L’energia reticolare, ovvero l’energia necessaria per separare una mole del solido cristallino in ioni allo stato gassoso è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche ioniche e inversamente proporzionale alla somma dei raggi degli ioni. Si considerino ad esempio il fluoruro di sodio e l’ossido di calcio che cristallizzano entrambi in un reticolo cubico a facce centrate i cui ioni hanno circa le stesse dimensioni. Lo ione Na+ ha un raggio di 102 pm e lo ione Ca2+ ha un raggio di 102 pm mentre lo ione F– ha un raggio di 133 pm rispetto allo ione O2- che ha un raggio di 140 pm. Poiché gli ioni Ca2+ e O2- hanno una carica maggiore rispetto a Na+ e F–, l’energia reticolare dell’ossido di calcio è di circa quattro volte maggiore rispetto a quella del fluoruro di sodio pertanto la forza del legame presente in CaO è maggiore rispetto a quella presente in NaF e di conseguenza la temperatura di fusione di CaO è maggiore rispetto a quella di NaF. Le proprietà dei solidi ionici sono influenzate dall’elevata energia reticolare ed essi presentano elevato punto di fusione e di ebollizione, solubilità in acqua o in altri solventi polari, buona conducibilità elettrica quando si trovano allo stato fuso o in soluzione, elevata durezza e fragilità. I solidi covalenti sono costituiti da atomi o molecole direttamente legati tramite legami di natura covalente di modo che nel cristallo non sono individuabili singole molecole. L’energia dei legami nei cristalli covalenti è molto elevata, simile a quella dei legami covalenti quindi i solidi covalenti hanno elevata temperatura di fusione, sono duri, insolubili e cattivi conduttori sia allo stato solido che allo stato fuso. Un esempio tipico è costituito dal diamante, solido perfettamente trasparente e incolore, duro e alto fondente con elevata densità. In questa forma allotropica, ogni atomo di C utilizza orbitali ibridi sp3 per legarsi covalentemente ai 4 atomi di C posti ai vertici di un tetraedro al cui centro c’è l’atomo in questione. Altri esempi di solidi covalenti sono il nitruro di boro, il biossido di silicio e il carburo di silicio. I solidi molecolari sono costituiti da aggregati...

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Fertilizzanti
Ott19

Fertilizzanti

I fertilizzanti sono sostanze di origine naturale o sintetica che forniscono alle piante i nutrienti necessari per la loro crescita. Per crescere un modo sano una pianta ha bisogno di alcuni elementi quali carbonio, idrogeno e ossigeno di cui hanno in genere una offerta abbondante, di macronutrienti ovvero azoto, fosforo e potassio, di nutrienti secondari ovvero zolfo, calcio e magnesio e di micronutrienti costituiti da boro, cobalto, rame, ferro, manganese, molibdeno e zinco. Poiché il terreno su cui crescono le piante possono essere carenti in particolare dei macronutrienti si rende necessario una sostanza o un insieme di sostanze che possa fornirli. L’azoto, infatti, è uno dei componenti fondamentali delle proteine, degli acidi nucleici e di altri costituenti cellulari; il fosforo entra nella composizione sia degli acidi nucleici che dell’ATP da cui la pianta trae l’energia per svolgere le sue funzioni vitali tra cui la fotosintesi clorofilliana; il potassio gioca un ruolo per la sintesi degli zuccheri ed è coinvolto nella traspirazione delle piante. La carenza di uno solo di questi tre elementi determina forti problematiche per lo sviluppo e la crescita della pianta infatti per la legge di Liebig o legge del minimo la crescita viene determinata dalla disponibilità dell’elemento più carente: infatti la somministrazione di sostanze già disponibili non migliora la crescita della pianta. I fertilizzanti possono essere diretti se contengono quell’elemento necessario alla pianta o complessi se contengono almeno due nutrienti. L’azoto viene assorbito dalle piante sotto forma di nitrato NO3– o sotto forma di ione ammonio NH4+ che viene trasformato in nitrato pertanto i fertilizzanti azotati si suddividono in fertilizzanti nitrici costituiti, in genere, da nitrato di sodio, calcio o potassio, ammoniacali come solfato, cloruro o carbonato acido di ammonio, nitroammoniacali come il nitrato di ammonio e concimi azoto organici costituiti da urea e calciocianammide . Tra i fertilizzanti contenenti fosforo vi è il diidrogenofosfato di calcio Ca(H2PO4)2 che viene ottenuto dal fosfato di calcio presente nei minerali per trattamento con acido solforico concentrato: Ca3(PO4)3 + H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4 I fertilizzanti potassici sono di varia natura differenziandosi per l’anione in essi contenuto e vengono quindi usati, a seconda del tipo di terreno e di coltura il cloruro, il solfato e il nitrato di potassio. I fertilizzanti complessi contengono due o tutti e tre i macronutrienti come il diammonio idrogenofosfato (NH4)2HPO4, il nitrato di ammonio e il fosfato di ammonio. Alcuni di questi fertilizzanti complessi vengono ottenuti tramite il processo Odda in cui dapprima il fosfato di calcio viene trattato con acido nitrico con formazione di acido fosforico e nitrato di calcio: Ca3(PO4)3 + 6 HNO3 → 2 H3PO4 + 3 Ca(NO3)2 La miscela...

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Fosfuri
Ott18

Fosfuri

I fosfuri sono composti in cui è presente l’anione P3- legato a un elemento meno elettronegativo e quindi tipicamente a un metallo. I fosfuri possono essere di tipo binario che, a seconda del rapporto stechiometrico metallo/fosforo si distinguono in fosfuri ricchi di metallo, monofosfuri e fosfuri ricchi di fosforo, e polifosfuri in cui è presente un legame P-P che sono costituiti da catene o cluster di fosforo. I fosfuri ricchi di fosforo in cui il rapporto metallo/fosforo è minore di 1 presentano una minore stabilità termica e temperature di fusione minori rispetto agli altri fosfuri. A seconda della loro struttura i fosfuri presentano diverse proprietà fisiche e chimiche presentando solubilità e reattività diverse. La maggior parte dei fosfuri binari presentano un’analogia con gli analoghi arseniuri sia per quanto attiene le proprietà che la struttura. Alcuni fosfuri metallici sono usati come semiconduttori mentre altri mostrano superconduttività o una vasta gamma di proprietà magnetiche e possono essere usati nei LED o in materiali nanostrutturati. Per ottenere i fosfuri binari generalmente utilizzate quantità stechiometriche del metallo e di fosforo rosso ad elevate temperature e in atmosfera inerte o nel vuoto come ad esempio: 12 Li + P4 → 4 Li3P 4 Ge + P4 → 4 GeP In alcuni casi i fosfuri possono essere preparati facendo a partire dalla fosfina che può essere fatta reagire con un metallo alcalino: 6 Na + 2 PH3 → 2 Na3P + 3 H2 oppure con un ossido del metallo: Ge2O3 + 2 PH3 → 2 GeP + 3 H2O oppure con un cloruro metallico: 3 ZnCl2 + 2 PH3 → Zn3P2 + 6 HCl In alternativa si può effettuare, in opportune condizioni, la riduzione di un fosfato in presenza di carbonio: Ca3(PO4)2 + 8 C → Ca3P2 + 8 CO Altri metodi prevedono la reazione del fosfuro di calcio con polvere di metalli come Ti, V, Mn, Co, Cr, Nb, Ta, Mo, W alla temperatura di circa 1200°C: Ca3P2 + 2 Ta → 2 TaP + 3 Ca Il fosfuro di calcio può essere fatto reagire anche con un cloruro del metallo di cui si vuole ottenere il fosfuro: Ca3P2 + 2 CrCl3 → 2 CrP + 3 CaCl2 Tra i fosfuri più noti vi è il fosfuro di alluminio AlP che trova utilizzo sia nel campo dei semiconduttori che come insetticida in quanto reagisce sia in acqua che in ambiente acido rilasciando fosfina che  è un gas altamente tossico secondo le reazioni: AlP + H2O → 3Al(OH)3 + PH3 AlP + 3 H+ → Al3+ + PH3 Analoghe reazioni sono date dal fosfuro di calcio, di magnesio e di zinco. Il fosfuro di indio,...

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Inquinamento dell’aria
Ott15

Inquinamento dell’aria

L’inquinamento dell’aria è dovuto alla presenza di sostanze a una concentrazione tale da produrre effetti indesiderati sulle persone, animali e vegetazione o da alterare un ecosistema. Gli inquinanti possono essere solidi, liquidi o gassosi e possono essere di origine antropica o provenire da fonti naturali come eruzioni vulcaniche, incendi boschivi e decomposizione di sostanze organiche. I danni dell’inquinamento dell’aria sono notevoli e il peggioramento della qualità dell’aria comporta un alto prezzo sia in termini di vite umane che di patologie che colpiscono i bambini e i soggetti più deboli. Gli agenti inquinanti si suddividono in primari ovvero quelli immessi direttamente nell’atmosfera e quelli secondari ottenuti dalla reazione di inquinanti primari. Tra gli inquinanti primari vi sono: monossido di carbonio, biossido di azoto, monossido di azoto, biossido di zolfo, particolato, ammoniaca e composti organici volatili. Il monossido di carbonio CO è un gas inodore, incolore, insapore, non irritante e tossico che si forma nel corso di combustioni incomplete e viene prodotto in genere nelle reazioni di combustione di legna, carbone, benzina, gasolio e altri combustibili quando la combustione avviene in carenza di ossigeno. Il monossido di carbonio è pericoloso per gli esseri umani in quanto una volta inalato compete con l’ossigeno nel legarsi all’emoglobina dando luogo alla formazione di carbossiemoglobina e impedisce all’emoglobina di trasportare ossigeno con conseguente ipossia anemica. Gli ossidi di azoto indicati con la formula generica NOx costituiscono i sottoprodotti delle combustioni ed in particolare dal traffico delle autovetture specialmente di quelle con motore diesel. Gli ossidi di azoto vengono emessi a livello industriale dagli impianti di produzione di acido nitrico e dalle industrie in cui si utilizzano composti azotati come quelle dei fertilizzanti. Il monossido di azoto si forma principalmente per reazione dell’azoto contenuto nell’aria con l’ossigeno in processi che avvengono ad elevata temperatura come la combustione: N2 + O2 → 2 NO Il monossido di azoto ottenuto reagisce in eccesso di ossigeno formando il biossido di azoto: 2 NO + O2 → 2 NO2 Il biossido di azoto, gas dall’odore pungente che può provocare irritazione oculare, nasale o a carico della gola e tosse è tra gli inquinanti più comuni dell’aria indoor nelle abitazioni in cui vi è uso di gas per il riscaldamento e per la cucina. Il biossido di azoto ha effetti a lungo termine che includono alterazioni polmonari a livello cellulare e tessutale, e aumento della suscettibilità alle infezioni polmonari batteriche e virali. Gli ossidi di zolfo indicati con la formula generica SOx derivano dalla combustione di combustibili fossili di cui lo zolfo costituisce un’impurezza. Dei due ossidi dello zolfo il biossido di zolfo è quello maggiormente presente nell’atmosfera; esso ad alte concentrazione ha un...

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