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Sostituzione nucleofila: meccanismi

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

Meccanismi di sostituzione nucleofila in chimica organica

La sostituzione nucleofila è un processo che avviene con la rottura del legame preesistente tra carbonio e gruppo uscente, formando un nuovo legame tra carbonio e gruppo entrante. Un possibile meccanismo per questo tipo di reazione è chiamato SN1.

Nel primo stadio, il legame con il gruppo uscente si rompe, formando un carbocatione ad alta energia. Successivamente, il carbocatione viene attaccato da un nucleofilo per formare un nuovo legame. In molte reazioni di questo tipo, il nucleofilo può essere una molecola di solvente, ad esempio H2O, ROH o RCOOH, che comporta una solvolisi.

La velocità di queste reazioni dipende dalla stabilità degli ioni formati e dal potere ionizzante del solvente. Inoltre, la legge cinetica del primo ordine è consistente con un meccanismo via carbocationi, come nel caso della SN1.

Le reazioni SN1 mostrano stereochimica, in quanto la fuoriuscita del gruppo uscente può portare alla formazione di un carbocatione ibridato sp2. Questo può produrre una racemizzazione o inversione di configurazione, a seconda della stabilità del carbocatione. Inoltre, alcune reazioni di sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2) mostrano inversione di configurazione, influenzata dall’impedimento sterico.

In sintesi, le reazioni SN1 mostrano una cinetica del primo ordine, sono poco sensibili agli effetti sterici e sensibili agli effetti di polarità del solvente, mentre le reazioni SN2 sono bimolecolari e mostrano tipici secondi ordini cinetici, sono sensibili agli effetti sterici e poco sensibili agli effetti di polarità del solvente.

Elettrolisi: ottenere energia pulita

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Elettrolisi: un metodo innovativo per ottenere energia pulita

L’elettrolisi, termine di origine greca che significa “rompere con l’elettricità”, è un processo che consiste nella scomposizione di una sostanza nei suoi elementi costitutivi mediante l’uso della corrente elettrica. Uno dei casi più notevoli di elettrolisi è rappresentato dall’elettrolisi dell’acqua, durante la quale la corrente elettrica provoca la decomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno gassosi.

Recentemente, i ricercatori del Mit Nocera e Kanan hanno sviluppato un progetto innovativo che ha portato all’elettrolisi dell’acqua sfruttando l’energia solare. Questa tecnologia consente di creare energia pulita combinando idrogeno e ossigeno all’interno di una cella a combustibile, senza produrre emissioni dannose per l’ambiente.

La “foglia artificiale”, creata dal Mit, utilizza materiali come il silicio e metalli con funzione di catalizzatori per catturare l’energia solare e decomporre l’acqua. Il sistema permette la formazione di ossigeno e idrogeno mediante elettrodi inerti costituiti da materiali come l’ossido di indio, stagno, platino, nichel, molibdeno e zinco.

Il dispositivo si comporta come una vera e propria pianta, utilizzando l’energia solare per produrre energia in presenza di acqua, in un’area ridotta. Il prof. Nocera sottolinea che i materiali utilizzati sono abbondanti sulla Terra e a basso costo, rispetto alle soluzioni corrosive e costosi materiali utilizzati in passato.

L’obiettivo futuro potrebbe essere la produzione di prototipi da testare in Paesi in via di sviluppo, per fornire energia elettrica alle abitazioni dei villaggi tramite piccole centrali elettriche. La ricerca nel campo della chimica offre, dunque, potenzialità ancora tutte da esplorare e potrebbe riservare sorprese inaspettate, offrendo nuove soluzioni per un futuro più sostenibile.

In definitiva, l’elettrolisi rappresenta un notevole passo avanti verso l’ottenimento di energia pulita e sostenibile, attraverso un metodo innovativo che utilizza l’energia solare per produrre combustibile gassoso tramite la decomposizione dell’acqua, contribuendo così alla transizione verso un sistema energetico più ecologico.

La sostituzione nucleofila (Sn) : generalità

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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La sostituzione nucleofila (Sn) : generalità

La Sostituzione Nucleofila (SN): Principi e Meccanismi

La sostituzione nucleofila, conosciuta come S_n, rappresenta una delle reazioni fondamentali nella sintesi organica per modificare le molecole organiche. Consiste nell’attacco di un agente nucleofilo, ricco di elettroni, seguito dall’eliminazione di un gruppo uscente.

Meccanismi di Sostituzione Nucleofila

Le reazioni di S_n possono avvenire in due modi distinti: S_n1, in cui avviene una lenta rottura del legame tra il carbonio e il gruppo uscente, formando un carbocatione, e successivamente avviene l’attacco del nucleofilo; S_n2, in cui avviene contemporaneamente l’attacco del nucleofilo e la sostituzione del gruppo uscente.

Le due modalità possono essere schematizzate come segue: R-X + Nu:- → R-Nu + X:-.

Agenti Nucleofili

I principali agenti nucleofili possono essere divisi in agenti nucleofili ionici e molecole neutre. Tra gli agenti nucleofili ionici vi sono ioni idruro, carbanioni, ioni acetiluro, ioni ossigenati, e ioni alogenuro. Mentre tra gli agenti nucleofili molecole neutre troviamo enammine, derivati fosforati, derivati ossigenati, derivati solforati, e derivati azotati.

Gruppi Uscenti

I gruppi uscenti più comuni sono: ioni alogenuro, ioni idruro, ioni nitrito, ammine, ioni ossigenati, ioni solforati, carbanioni ed enolati.

Condizioni per la Sostituzione

Per favorire la reazione di sostituzione nucleofila, è importante considerare la forza dell’agente nucleofilo, la capacità del gruppo uscente di allontanarsi, e la presenza di un solvente polare che può influenzare la velocità di reazione.

Inoltre, è fondamentale considerare l’ingombro sterico del nucleofilo, la tendenza del gruppo uscente ad allontanarsi dal substrato e le caratteristiche del solvente.

È notevole come la reazione di sostituzione nucleofila possa essere influenzata da numerosi fattori, tra cui la natura degli agenti nucleofili, dei gruppi uscenti e del solvente, rendendo rilevante l’ottimizzazione di tali condizioni per favorire la reazione desiderata.

Molecolarità, meccanismo di reazione e teoria degli urti

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Molecolarità, meccanismo di reazione e teoria degli urti

Processi di Reazione e Molecolarità

Il meccanismo di una reazione si riferisce a una sequenza di processi elementari in cui si forma un composto intermedio, procedendo fino all’ottenimento dei prodotti finali. L’equazione chimica, pur rappresentando la reazione, non riflette il meccanismo stesso in quanto la reazione avviene tramite stadi intermedi che coinvolgono la formazione di composti instabili non rilevabili sperimentalmente, ma suggeriti dalla legge della velocità di reazione.

Tipi di processi elementari

Ogni processo elementare può coinvolgere una o più molecole, denominato molecolarità del processo. Se coinvolge una sola molecola, si tratta di un processo monomolecolare. Invece, se coinvolge contemporaneamente due molecole uguali o diverse, è bimolecolare. Questi concetti sono particolarmente rilevanti nelle reazioni organiche, e possono anche verificarsi processi trimolecolari o con una molecolarità maggiore di tre, sebbene siano poco probabili. È importante notare che la molecolarità non corrisponde all’ordine della reazione globale, poiché la prima è un concetto teorico, mentre l’ordine di reazione è un dato sperimentale.

Legge della Velocità e Processi Elementari

La legge della velocità sperimentale può essere diversa dalla molecolarità. Ad esempio, per una reazione in fase gassosa come 2 NO + O2 → 2 NO2, la legge della velocità dedotta sperimentalmente indica che la reazione è del terzo ordine, nonostante i processi elementari siano bimolecolari. Inoltre, la velocità complessiva di una reazione è influenzata dalla velocità del processo elementare più lento, come nel caso di 2 NO + O2 → 2 NO2, dove il secondo processo è determinante per la velocità globale della reazione.

Teoria degli urti molecolari

Secondo la teoria delle collisioni molecolari, affinché una reazione possa avvenire, è necessario che le molecole dei reagenti si urtino. La velocità della reazione è proporzionale al numero di molecole che si urtano nell’unità di tempo, aumentando con l’aumentare della concentrazione dei reagenti. Tuttavia, non tutti gli urti tra le molecole conducono a una reazione efficace, dipende anche dall’orientamento reciproco delle molecole e dalla loro energia. Inoltre, la teoria degli urti molecolari riguarda l’orientamento spaziale delle molecole al momento dell’urto e non soltanto il fatto che avvenga la collisione molecolare.

In sintesi, la molecolarità, il meccanismo di reazione e la teoria degli urti molecolari sono concetti fondamentali per comprendere la cinetica delle reazioni chimiche.

Reazioni del secondo e del terzo ordine

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Le reazioni del secondo e del terzo ordine in chimica sono caratterizzate da leggi di velocità specifiche e da equazioni cinetiche differenziali. Nel caso delle reazioni del secondo ordine, la somma degli esponenti nella legge di velocità è uguale a due. L’equazione cinetica differenziale per una reazione del secondo ordine può essere espressa come v = – d[A]/dt = K[A][B] quando i coefficienti stechiometrici sono entrambi uguali a uno e le concentrazioni iniziali di [A] e [B] sono diverse. Se invece le concentrazioni iniziali di [A] e [B] sono uguali, l’equazione diventa v = – d[A]/dt = K[A]². Queste equazioni possono essere applicate anche alle reazioni del tipo 2 A → Prodotti. Un esempio di una reazione del secondo ordine è la decomposizione dell’acido iodidrico: 2 HI = H₂ + I₂. La costante di tempo (t_1/2) per le reazioni del secondo ordine è inversamente proporzionale alla concentrazione iniziale della sostanza reagente. L’unità di misura della costante K per le reazioni del secondo ordine è L/s·mol.

Le reazioni del terzo ordine, al contrario, sono molto rare. Nelle reazioni del terzo ordine, la legge della velocità può essere espressa dall’equazione differenziale v = – d[A]/dt = K[A]²[B] nel caso di una reazione 2 A + B → Prodotti, e v = -d[A]/dt = K[A]³ nel caso di una reazione 3A → Prodotti. L’unità di misura della costante K per le reazioni del terzo ordine è L²/mol²·s.

Esercizi:
1) Per una reazione con K = 1 · 10^-5L/mol·min, calcolare il tempo necessario affinché la concentrazione di uno dei reagenti, inizialmente 2 M, venga ridotta della metà. Applicando l’equazione t_1/2= 1/K[A_o], si ottiene t_1/2= 1 / 1 · 10^-5 · 2= 5 · 10⁴ minuti.

2) Per una reazione del secondo ordine con K = 3.0 · 10^-4 L/mol·s, calcolare dopo quanto tempo la concentrazione del reagente A passa da 1.2 M a 0.80 M. Utilizzando l’equazione 3.0 · 10^-4= 1/t ( 1 / 0.80 – 1/ 1.2 ), si ottiene t = 0.42/ 3.0 · 10^-4= 1.4 · 10³ s.

Cinetica delle reazioni chimiche con i relativi esercizi

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Cinetica delle reazioni chimiche con i relativi esercizi

La cinetica delle reazioni chimiche: tutto quello che c’è da sapere

La cinetica è una branca della chimica che si occupa di studiare la velocità di una reazione e i fattori che la influenzano. Questo studio si pone due obiettivi principali: il primo è comprendere le condizioni necessarie affinché una reazione avvenga spontaneamente, mentre il secondo si concentra sui fattori che influenzano il tempo necessario affinché una reazione giunga a completa. Entrambi questi aspetti rivestono un ruolo cruciale nello studio della cinetica chimica.

Fattori che influenzano la cinetica di una reazione

La cinetica di una reazione è influenzata da diversi fattori. La natura dei reagenti è il primo di essi: alcune reazioni avvengono rapidamente, come le reazioni di neutralizzazione e di precipitazione, mentre altre sono più lente. La concentrazione dei reagenti è un altro fattore chiave. Maggiore è la concentrazione dei reagenti, maggiore è la probabilità che essi reagiscano tra loro. La temperatura ha un impatto significativo sulla cinetica di una reazione: in generale, un aumento della temperatura accelera il decorso di una reazione. Infine, i catalizzatori possono accelerare una reazione senza apparentemente parteciparvi direttamente.

Legge della velocità delle reazioni chimiche

La legge della velocità di una reazione chimica è espressa matematicamente dall’equazione v = K [A]^m[B]ⁿ, dove v rappresenta la velocità, [A] e [B] indicano le concentrazioni molari dei reagenti, m e n sono due esponenti che rappresentano l’ordine della reazione rispetto ad A e B, e K è la costante specifica della velocità della reazione. Questi parametri possono essere determinati solo sperimentalmente per la specifica reazione.

Esercizi

Per comprendere meglio l’applicazione pratica di questi concetti, consideriamo alcuni esercizi. Nel primo caso, dobbiamo calcolare l’ordine di reazione e la costante specifica di velocità della reazione di decomposizione dell’etanale. Dai dati sperimentali, possiamo concludere che l’ordine di reazione rispetto all’etanale è due. Utilizzando la formula K = v / [CH₃CHO]², possiamo calcolare la costante specifica di velocità della reazione.

Nel secondo esercizio, dobbiamo calcolare l’ordine di reazione rispetto a ciascun reagente e la costante specifica di velocità della reazione di formazione del NOCl. Dall’analisi dei dati sperimentali, possiamo determinare l’ordine di reazione rispetto a ciascun reagente e ottenere l’equazione della legge di velocità della reazione.

Conclusione

Studiare la cinetica delle reazioni chimiche e la legge della velocità è fondamentale per comprendere come le reazioni avvengano e quali fattori ne influenzino la velocità. Applicando queste conoscenze a esercizi pratici, è possibile ottenere informazioni utili sulla cinetica di specifiche reazioni chimiche, fondamentali per numerosi settori della chimica applicata.

Sostanze organiche volatili killer in casa

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Sostanze organiche volatili killer in casa

I rischi di inquinamento da Sostanze Organiche Volatili (VOC) in casa
L’inquinamento indoor da Sostanze Organiche Volatili (VOC) è un problema spesso trascurato, ma che può avere effetti nocivi sulla salute. Le fonti di queste sostanze includono prodotti comuni come pitture, vernici, prodotti per la pulizia, cosmetici, pesticidi e altri. Inoltre, il fumo di sigaretta, muffe, pavimenti in vinile, moquette, oggetti in legno composito, stampanti e fotocopiatrici possono anche rilasciare VOC nell’ambiente interno. Queste sostanze possono causare irritazioni alle vie respiratorie, lacrimazione, nausea, vertigini, emicrania e asma, in particolare nei bambini, negli anziani e nelle persone con particolari patologie.

Sostanze tossiche
Alcune delle Sostanze Organiche Volatili sono non solo nocive, ma anche potenzialmente cancerogene. Il benzene, emesso nel fumo di sigaretta, incenso e nelle vernici, è classificato come cancerogeno di tipo 1 e può causare leucemia. La formaldeide, presente in molte resine e tessuti, è anche considerata cancerogena. Altri composti come il cloruro di metilene e il percloroetilene sono stati collegati a casi di cancro ai polmoni, fegato e pancreas.

Ridurre i rischi di inquinamento da VOC
Per limitare l’esposizione a queste sostanze nocive, è consigliabile leggere attentamente le etichette dei prodotti e evitare l’acquisto di quelli che contengono VOC. Se possibile, è bene conservare vernici, adesivi e solventi in luoghi ben ventilati come il garage e evitare di fare lavori di ristrutturazione quando la casa è occupata. Inoltre, è fondamentale mantenere una corretta ventilazione negli ambienti interni e mantenere le temperature non troppo elevate.

In conclusione, la consapevolezza dei rischi e l’adozione di misure preventive possono contribuire a ridurre l’esposizione alle Sostanze Organiche Volatili in ambito domestico, garantendo un ambiente più sicuro e salutare per le famiglie.

Temperature di ebollizione di composti organici

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Temperature di ebollizione di composti organici

Le Temperature di Ebollizione dei Composti Organici e i Fattori che le Influenzano

Le temperature di ebollizione dei composti organici forniscono preziose informazioni relative alle loro proprietà fisiche e strutturali. Esse rappresentano uno dei parametri fondamentali per identificare e caratterizzare un composto.

Il processo di ebollizione avviene quando la tensione di vapore di un liquido, determinata dall’energia cinetica delle molecole, uguaglia la pressione atmosferica. L’energia cinetica è influenzata dalla temperatura, dalla massa e dalla velocità delle molecole. Con l’aumentare della temperatura, la velocità delle molecole cresce, superando infine le forze di attrazione tra le particelle liquide. Questo consente alle molecole in superficie di allontanarsi e trasformarsi in vapore.

La temperatura di ebollizione è quindi un indicatore della volatilità di un composto: maggiore è la temperatura di ebollizione, minore è la sua volatilità.

Fattori che Influenzano la Temperatura di Ebollizione

La temperatura di ebollizione dipende da diverse variabili, tra cui l’intensità delle forze intramolecolari e intermolecolari che sono influenzate dai gruppi funzionali presenti nella molecola. I legami ionici sono i più forti, seguiti dal legame a idrogeno, interazione dipolo-dipolo e le forze di van der Waals.

Ad esempio, se consideriamo quattro composti organici contenenti quattro atomi di carbonio, quali n-butano, etere dietilico, 1-butanolo e butossido di sodio, è possibile osservare come la presenza di diversi gruppi funzionali influenzi le loro temperature di ebollizione.

Un altro fattore che influenza la temperatura di ebollizione è la lunghezza della catena carboniosa. Molecole con lo stesso gruppo funzionale mostrano temperature di ebollizione crescenti all’aumentare della lunghezza della catena a causa delle maggiori forze di van der Waals.

Le ramificazioni sono un altro fattore significativo. All’aumentare della lunghezza della catena carboniosa, l’area superficiale aumenta, incrementando di conseguenza le forze di van der Waals. Le molecole a catena lineare, quindi, hanno una temperatura di ebollizione maggiore rispetto a quelle a catena ramificata con lo stesso numero di atomi di carbonio.

Allo stesso tempo, la polarità di una molecola influisce sulla temperatura di ebollizione. Le molecole polari costituiscono un dipolo permanente, il che porta alla formazione di legami dipolo-dipolo e legami a idrogeno tra molecole polari, risultando in una maggiore attrazione e, di conseguenza, una temperatura di ebollizione più alta.

In conclusione, le temperature di ebollizione dei composti organici sono influenzate da numerosi fattori, inclusi la presenza di gruppi funzionali, la lunghezza della catena, le ramificazioni e la polarità. La comprensione di questi fattori è cruciale per predire e spiegare le proprietà fisiche dei composti organici.

Cloruro di benzalconio: attenti al gatto

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Cloruro di benzalconio: attenti al gatto

L’uso del cloruro di benzalconio e le possibili conseguenze per i gatti

Il cloruro di benzalconio è un sale di ammonio quaternario ampiamente utilizzato come biocida, tensioattivo cationico e catalizzatore per il trasferimento di fase. È presente in molte soluzioni non alcoliche adoperati come disinfettanti, antisettici e conservanti in diversi prodotti di uso comune. Grazie alle sue proprietà antisettiche, è utilizzato anche nella cura della pelle, tessuti e mucose, e nella sterilizzazione di materiali medici e chirurgici.

Tuttavia, l’uso eccessivo di cloruro di benzalconio può provocare effetti avversi sulla salute. Concentrazioni tra lo 0,1% e lo 0,5% possono causare irritazioni agli occhi e alla pelle. L’esposizione prolungata può portare a irritazioni cutanee, asma, dermatiti croniche e disturbi del sistema immunitario. Inoltre, è importante notare che il cloruro di benzalconio non è efficace in presenza di saponi e detergenti anionici.

Rischio di esposizione per i gatti

Nei gatti, l’esposizione al cloruro di benzalconio avviene principalmente per ingestione o contatto cutaneo con le superfici trattate. Questo composto è presente in numerosi detergenti per pavimenti e superfici comuni. L’esposizione dei gatti a soluzioni scarsamente diluite può causare gravi danni, poiché gli animali sono soliti pulirsi le zampe con la loro lingua. L’ingestione di elevate quantità di cloruro di benzalconio può portare a irritazioni alle mucose orali e buccali, provocando ulcere sulla lingua e sul palato.

Per prevenire danni ai gatti, è consigliabile risciacquare accuratamente le superfici trattate con il cloruro di benzalconio con acqua calda per evitare qualsiasi rischio di esposizione. Questa precauzione è particolarmente importante per garantire la sicurezza dei nostri amici pelosi.

In conclusione, se si utilizzano prodotti contenenti cloruro di benzalconio, è fondamentale adottare accorgimenti per proteggere la salute dei nostri animali domestici e garantire un ambiente sicuro per loro.

Bomba esplosa a New York: composizione

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Bomba esplosa a New York: composizione e pericoli associati

Il 18 settembre si è verificata un’esplosione a New York che ha causato il ferimento di 29 persone; fortunatamente non si sono registrati decessi. Inizialmente si era ipotizzato che la bomba potesse essere realizzata con Tannerite, un esplosivo composto da nitrato di ammonio, perclorato di ammonio e polveri di alluminio, titanio e idruro di zirconio come catalizzatori. Tuttavia, analisi più approfondite hanno indicato che potrebbe trattarsi di un composto diverso, esametilene triperossido diammina (HMTD), più sensibile e meno potente del perossido di acetone. Questa composizione è nota per essere utilizzata in attacchi terroristici, come quello avvenuto a Londra nel luglio 2005.

HMTD è classificato come esplosivo primario e risponde a stimoli come colpi, attrito, calore, elettricità statica e radiazioni elettromagnetiche. Sebbene sia meno instabile di altri perossidi in condizioni normali, è considerato un esplosivo potente e pericoloso per la sua elevata sensibilità. Nonostante non sia spesso impiegato a fini militari, la sua relativa facilità di sintesi ne ha aumentato l’uso in attacchi terroristici.

La sintesi dell’esametilene triperossido diammina è stata sviluppata per la prima volta nel 1885 da Legler e coinvolge l’utilizzo di esametilentetrammina e perossido di idrogeno in presenza di acido citrico o acido solforico come catalizzatori. Nel corso degli anni, sono stati condotti numerosi studi sulla struttura del composto, e nel 1984 è stata confermata la sua struttura tramite risonanza magnetica nucleare.

La decomposizione dell’HMTD a temperature inferiori a 150°C in presenza di aria può portare alla formazione di biossido di carbonio, trimetilammina e ammoniaca. Nonostante siano disponibili istruzioni dettagliate per la sintesi dell’esplosivo su vari siti web, la divulgazione di tali informazioni potrebbe costituire un rischio, pertanto è importante evitarne la diffusione per garantire la sicurezza pubblica.

Fondi di caffè per allontanare metalli pesanti

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Fondi di caffè per allontanare metalli pesanti

Utilizzi innovativi dei fondi di caffè per la rimozione di metalli pesanti

I fondi di caffè sono stati a lungo utilizzati per una vasta gamma di scopi, come la tintura dei tessuti, la pulizia della casa, il deodorante per auto e persino come repellente per insetti. Tuttavia, recenti studi hanno evidenziato un nuovo impiego sorprendente per i fondi di caffè: la rimozione di metalli pesanti dalle acque reflue.

I fondi di caffè sono ricchi di sostanze antiossidanti benefiche, tra cui acidi grassi, amminoacidi, polifenoli, polisaccaridi e minerali. Queste proprietà rendono i fondi di caffè un potenziale filtro naturale per i metalli pesanti presenti nelle acque reflue industriali.

Recentemente, alcuni ricercatori hanno sviluppato una schiuma viscosa utilizzando i fondi di caffè e il silicone, capace di trattenere ioni di metalli pesanti come mercurio e piombo dall’acqua. Questa schiuma è stata testata per 30 ore in una soluzione contenente ioni di piombo e mercurio, dimostrando di assorbire più del 5 volte il suo peso in ioni di piombo. Questa scoperta potrebbe portare a un’applicazione su larga scala per la rimozione di metalli pesanti dalle acque reflue.

Gli scienziati stanno attualmente studiando metodi per rendere le schiume biodegradabili e per sviluppare sistemi per il riciclo e riutilizzo di queste innovative schiume a base di fondi di caffè.

Reazioni metallotermiche

Fabrice Deseaux

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15 Novembre 2023

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Metallotermia: il processo di estrazione dei metalli

Le reazioni metallotermiche consentono di ottenere un metallo a partire dai suoi composti presenti in un minerale, tramite un processo metallurgico che impiega un altro metallo con elevata affinità chimica con l’ossigeno per ridurre l’ossido e ottenere il metallo puro.

Questa tecnica, conosciuta come metallotermia, è stata resa possibile grazie alla scoperta e all’isolamento dei metalli alcalini da parte di Sir Humphry Davy nel 1808, nonché allo sviluppo successivo derivato dalla scoperta e isolamento dell’alluminio da parte di Hans Christian Ørsted nel 1826.

La prima applicazione industriale delle reazioni metallotermiche risale al 1854, quando Henri Sainte-Claire Deville riuscì ad ottenere alluminio attraverso la riduzione di un sale costituito da cloruro di alluminio e cloruro di sodio. La reazione endotermica fu condotta in un forno a riverbero e portò alla produzione di alluminio.

Le reazioni metallotermiche possono essere espresse dall’equazione generale: MO2(s,l) + R(s,l) → M(s,l) + RO2(s), dove il metallo M può essere ottenuto riducendo l’ossido metallico MO2 con l’agente riducente R.

Affinché la reazione proceda verso destra, RO2 deve avere una stabilità maggiore rispetto a MO2, ovvero l’energia libera di formazione di RO2 deve essere più negativa rispetto a quella di MO2. La variazione di energia libera della reazione deve essere negativa affinché la costante di equilibrio K correlata a ΔG dall’espressione ΔG° = – RT ln K sia sufficientemente elevata.

Conoscendo le variazioni di energia libera correlate alle reazioni, è possibile calcolare la variazione di energia libera della reazione e prevedere la sua spontaneità e la dimensione di K. Ad esempio, trattando l’ossido di cromo (III) con alluminio, è possibile ottenere cromo a seguito di un trattamento ad alta temperatura.

In conclusione, le reazioni metallotermiche rappresentano un importante processo nella produzione di metalli a partire dai loro minerali, consentendo di ottenere metalli puri da composti presenti nelle rocce.