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Reazioni redox nella vita di tutti i giorni: fotosintesi, respirazione, imbrunimento, alterazione dei cibi, corrosione

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

Reazioni redox nella vita di tutti i giorni: fotosintesi, respirazione, imbrunimento, alterazione dei cibi, corrosione

Reazioni redox nella vita di tutti i giorni: come influenzano fotosintesi, respirazione, imbrunimento, alterazione dei cibi e corrosione

Le reazioni redox rappresentano un aspetto significativo della vita di tutti i giorni poiché avvengono costantemente intorno a noi. Fenomeni comuni come l’imbrunimento di una mela tagliata, la lucidatura dell’argento o la corrosione di oggetti metallici sono tutti esempi di reazioni redox che influenzano la nostra routine quotidiana.

La fotosintesi, ad esempio, è un processo fondamentale che coinvolge una reazione redox. Le piante utilizzano la luce per convertire anidride carbonica e acqua in glucosio, una fonte essenziale di energia, e ossigeno. Questo processo è di vitale importanza per l’ecosistema, poiché favorisce la riduzione dell’anidride carbonica e la produzione di ossigeno, contribuendo così a mantenere l’equilibrio ambientale.

Anche la respirazione, un altro esempio di reazione redox, svolge un ruolo cruciale per gli esseri viventi. Durante la respirazione, gli organismi viventi assorbono ossigeno e rilasciano anidride carbonica e acqua attraverso vari processi fisiologici. Questo processo, sebbene contrario alla fotosintesi, riflette l’importanza delle reazioni redox per il sostentamento della vita.

Le reazioni redox contribuiscono anche all’imbrunimento e all’alterazione dei cibi. Il taglio di frutta e verdura può avviare reazioni che alterano aspetto, sapore e valore nutrizionale degli alimenti a causa della presenza di ossigeno nell’aria. Allo stesso modo, la conservazione degli alimenti coinvolge reazioni redox, come l’irrancidimento dei grassi, che provoca l’alterazione degli alimenti.

Infine, la corrosione dei metalli è un altro esempio di reazione redox che influenza la vita di tutti i giorni. Problematiche come la formazione della ruggine danneggiano irreversibilmente oggetti metallici e impianti, contribuendo a limitarne la durata nel tempo. Questi processi richiamano l’attenzione sull’importanza di comprendere e gestire le reazioni redox per preservare e mantenere diversi aspetti della vita quotidiana.

In conclusione, le reazioni redox svolgono un ruolo essenziale nella vita di tutti i giorni, influenzando processi vitali come la fotosintesi e la respirazione, ma anche contribuendo a fenomeni indesiderati come l’alterazione dei cibi e la corrosione dei metalli. Comprendere queste reazioni può aiutarci a gestire e preservare gli elementi che costituiscono il tessuto quotidiano della nostra esistenza.

Penicillina: struttura, tipi

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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La Penicillina: Struttura e Vari Tipi

La penicillina, scoperta nel 1927 da Alexander Fleming, è il primo antibiotico utilizzato nel trattamento di infezioni batteriche. La sintesi della penicillina coinvolge una fermentazione comprensiva di vari processi chimici, microrganismi e sterilizzazione. Le penicilline fanno parte della famiglia degli antibiotici con struttura simile, caratterizzate da azione battericida sui batteri Gram-positivi.

Struttura della Penicillina

La molecola di penicillina presenta un sistema biciclico contenente un anello β-lattamico fuso con un anello tiazolidinico. Le varie penicilline commerciali differiscono tra loro per i gruppi costituenti la catena laterale unita al sistema biciclico. Esse esercitano il loro effetto biologico inibendo la sintesi di componenti essenziali delle pareti delle cellule batteriche.

Tipologie di Penicillina

La penicillina G, o benzil-penicillina, è un esempio di penicillina di prima generazione. Una serie di penicilline di seconda generazione o biosintetiche è stata ottenuta per l’addizione di precursori al liquido di fermentazione. La penicillina V è un esempio di penicillina biosintetica, resistente agli acidi diluiti e somministrabile per via orale. La terza generazione, le penicilline semisintetiche, sono ottenute dai liquidi di fermentazione senza l’aggiunta di precursori.

Struttura dell’Acido 6-Aminopenicillanico

Tutte le penicilline note sono degli acilderivati dell’acido 6-amminopenicillanico e si differenziano tra loro per la natura del gruppo acilico R-CO- unito all’amminogruppo. Le penicilline semisintetiche hanno reso possibile trattare le infezioni causate da batteri penicillino-resistenti.

Infine, esiste una varietà di tipi di penicillina, ognuno con la propria struttura chimica e il rispettivo nome commerciale, noti nella farmacopea ufficiale.

In conclusione, le penicilline, con le loro diverse caratteristiche strutturali e tipologie, rappresentano una parte significativa dell’arsenale terapeutico contro le infezioni batteriche. La loro capacità di trattare infezioni causate anche da batteri resistenti le rende agenti importanti nella lotta contro le malattie infettive.

Esercizi svolti sulle soluzioni tampone

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Esercizi pratici sul calcolo delle soluzioni tampone

Le soluzioni tampone rappresentano una parte essenziale della chimica. I tamponi sono costituiti da un acido debole o una base debole e la loro base coniugata o acido coniugato, rispettivamente. Sono in grado di mantenere costante il pH in presenza di piccole aggiunte di acidi o basi forti. Qui di seguito vengono presentati alcuni esercizi svolti sulle soluzioni tampone con la spiegazione dettagliata su come ottenerli.

Esercizi

1.

Acido propanoico CH3CH2COOH

–

a)

Calcolare la concentrazione dello ione H+ di una soluzione 0.20 M di acido propanoico
–

b)

Calcolare il grado di ionizzazione percentuale della soluzione
–

c)

Calcolare il rapporto tra lo ione propanoato e l’acido propionico se il pH di tale soluzione tampone vale 5.20
–

d)

Calcolare il pH di una soluzione 0.35 M di acido propionico e 0.50 M di propanoato di sodio se a 100 mL di tale soluzione tampone vengono aggiunte 0.0040 moli di NaOH

Risoluzione

a) Considerando l’equilibrio di dissociazione dell’acido propanoico.
CH3CH2COOH ⇄ CH3CH2COO- + H+
Scrivendo l’espressione della costante acida e sostituendo i valori, si ottiene x = 0.0016 M = [H+]
b) Il grado di dissociazione percentuale si ottiene applicando la formula α = 0.80 %
c) Applicando l’Equazione di Henderson-Hasselbalch si ricava il rapporto tra lo ione propanoato e l’acido propionico.
d) Calcolando il pH durante la reazione con NaOH, si ottiene pH = 5.1

2.

Metilammina CH3NH2

–

a)

Calcolare la concentrazione dello ione OH- di una soluzione 0.225 M di metilammina
–

b)

Calcolare il pH di una soluzione ottenuta aggiungendo 0.0100 moli di nitrato di metilammonio solido a 120.0 mL di una soluzione 0.225 M di metilammina
–

c)

Quante moli di NaOH o di HCl bisogna aggiungere alla soluzione b) per ottenere una soluzione il cui pH = 11.00

Risoluzione

a) La metilammina agisce come base secondo Brönsted e Lowry. Scrivendo l’espressione della costante basica e sostituendo i valori si ottiene x = 0.0109 M = [OH-]
b) Calcolando il pH durante la reazione con il nitrato di metilammonio
c) Calcolando la quantità di NaOH o HCl necessaria per ottenere un pH di 11.00

I tamponi sono importanti in molti contesti, dalla chimica analitica a quella farmaceutica. La comprensione della loro natura e del loro comportamento è fondamentale per molte applicazioni pratiche.Calcolo del pH e calcolo di HCl aggiunto in una soluzione tampone

Nel caso b), la concentrazione del ione metilammonio in soluzione è 0.0833 M, ottenuta utilizzando l’equazione di Henderson-Hasselbalch. Il valore di pKb è calcolato come 3.28. Sostituendo i valori, si ottiene un valore di pH di 11.2.

Per la domanda c), se il pH desiderato è di 11.00, sarà necessario aggiungere HCl alla soluzione. L’aggiunta di HCl porterà a una diminuzione della concentrazione di metilammina e un aumento della concentrazione di metilammonio. Applicando l’equazione di Henderson-Hasselbalch, viene calcolato che la quantità di HCl da aggiungere è di 0.00275 moli.

In conclusione, per raggiungere un pH di 11.00 dalla soluzione b), è necessario aggiungere 0.00275 moli di HCl.

Con queste considerazioni, è possibile comprendere come aggiungere HCl a una soluzione tampone influenzi il pH complessivo.

Teorema di Nernst ed estensione di Planck

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Teorema di Nernst ed estensione di Planck

Teorema di Nernst e Estensione di Planck: Principi della Termodinamica

Il teorema di Nernst, essenziale in termodinamica, afferma che l’entropia di un sistema tende a zero quando la temperatura assoluta del sistema tende a zero. Nel primo decennio del ventesimo secolo, Walther Nernst, mediante lo studio delle capacità termiche e dei calori di reazione a temperature decrescenti, formulò il proprio teorema, noto anche come teorema del calore.

Le reazioni chimiche possono essere classificate in due categorie: quelle che producono calore (reazioni esotermiche) e quelle che assorbono calore dall’ambiente (reazioni endotermiche). A pressione costante, il calore acquisito o perso corrisponde a un aumento o una diminuzione dell’entalpia H. La variazione del calore di reazione, espressa come ΔH, risulta positiva per le reazioni endotermiche e negativa per le reazioni esotermiche.

L’entità della variazione di entalpia non fornisce informazioni sulla spontaneità della reazione. Infatti, sia le reazioni endotermiche che quelle esotermiche possono avvenire spontaneamente. L’unico parametro che consente di predire la spontaneità di una reazione dal punto di vista termodinamico è la variazione dell’energia libera di Gibbs.

Nernst dedusse dai suoi esperimenti che, con la diminuzione della temperatura, la variazione di entalpia e dell’energia libera di Gibbs assumevano valori sempre più simili, e che la variazione di ΔG con il variare della temperatura diventava sempre più ridotta man mano che la temperatura diminuiva.

Tali evidenze sperimentali sono coerenti con l’espressione della variazione dell’energia libera di Gibbs: ΔH = ΔG – T( δ(ΔG/δT)_p.

Nernst avanzò l’ipotesi che, nel limite in cui T tende a zero, ΔH dovrebbe essere uguale a ΔG, giustificato dal fatto che, per ( δ(ΔG/δT)_p = – ΔS, “le reazioni chimiche che avvengono alle temperature prossime allo zero assoluto avvengono senza variazione di entropia”, istituendo il teorema di Nernst.

Successivamente, Planck estese tali considerazioni suggerendo che non solo ΔG tende a ΔH quando T tende a zero, ma che l’entalpia e la funzione di Gibbs del sistema si avvicinano reciprocamente in modo asintotico allo stesso modo nel limite per T tendente a zero, G tende a H e ( δ(ΔG/δT)_p tende a 0.

Questa estensione porta a una vasta gamma di risultati, come ad esempio la definizione del significato di variazione di entropia, stabilendo che l’entropia si avvicina a zero quando la temperatura si avvicina a zero. Il teorema di Nernst e l’estensione di Planck portano alla formulazione del terzo principio della termodinamica: “Ogni sostanza pura ha un valore positivo di entropia che diviene pari a zero allo zero assoluto quando essa, in queste condizioni, è un solido cristallino perfetto”.

Acido ialuronico: usi, effetti

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Acido ialuronico: usi e benefici per la pelle

L’acido ialuronico, derivato sodico, è un composto che si trova nei tessuti connettivi, epiteliari e neurali del corpo umano, costituendo un importante componente della matrice extracellulare. Il suo peso molecolare spesso supera il milione e contribuisce alla proliferazione e migrazione cellulare, essendo coinvolto anche nella progressione di tumori maligni.

Usi dell’acido ialuronico

Questo composto ha numerose funzioni biologiche ed è ampiamente utilizzato nel settore cosmetico. Con il passare degli anni, la produzione di acido ialuronico diminuisce, contribuendo alla minore produzione di collagene, componente essenziale per la struttura fibrosa del tessuto connettivo e per la tensione della pelle.

Applicato topicamente, l’acido ialuronico contribuisce a ricreare un ambiente fisiologico ideale per le cellule del tessuto cutaneo, aiutandole ad assorbire e trattenere l’umidità e conferendo un effetto di pelle morbida ed elastica. È possibile suddividere l’acido ialuronico in acido a basso e alto peso molecolare, con quello a basso peso che consente una maggiore penetrazione e quindi è preferito nel campo cosmetico.

Effetti dell’acido ialuronico

Le iniezioni a base di acido ialuronico sono considerate un trattamento efficace e meno invasivo di un intervento di lifting. Tuttavia, i loro effetti non sono permanenti e richiedono ripetizioni periodiche a causa del graduale riassorbimento del filler. La FDA ha approvato l’uso di fillers a base di acido ialuronico che hanno un effetto tensore e riempitivo, offrendo immediati effetti di ringiovanimento della pelle.

Queste iniezioni non sono prive di effetti collaterali, causando lividi, intorpidimento, bruciore e sensazione di fastidio, ma grazie alla tecnica delle microcannule a punta smussata è possibile ridurre al minimo il traumatismo del trattamento. È di fondamentale importanza rivolgersi a medici qualificati, come specialisti in chirurgia plastica o dermatologia operanti in strutture autorizzate, per garantire la sicurezza e l’efficacia del trattamento.

In conclusione, l’acido ialuronico è un prezioso alleato per contrastare i segni dell’invecchiamento cutaneo, offrendo numerosi benefici nel campo cosmetico e medico.

Catalisi eterogenea nell’industria: esempi

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Catalisi eterogenea nell’industria: esempi

La catalisi eterogenea: un’analisi dei suoi esempi più rilevanti

La catalisi eterogenea, un importante fenomeno industriale, si basa sulla capacità delle superfici solide di formare e rompere legami con le molecole. Questo processo è cruciale nella produzione di sostanze chimiche su scala industriale. Coinvolge reazioni superficiali che richiedono l’adsorbimento di almeno uno dei reagenti sulla superficie del catalizzatore. I catalizzatori, elementi o composti che riducono l’energia di attivazione, sono essenziali per accelerare la velocità di una reazione. Spesso, questi catalizzatori sono specifici per una particolare reazione, caratteristica tipica anche degli enzimi, che agiscono come catalizzatori biologici.

La ricerca sulle caratteristiche dei catalizzatori in relazione alle loro funzioni durante le reazioni chimiche è in corso. Trovare il catalizzatore adatto offre l’opportunità di variare le condizioni di temperatura e pressione per la reazione in assenza di catalizzatore. La catalisi è definita come omogenea quando il catalizzatore si trova nella stessa fase dei reagenti, mentre è considerata eterogenea quando si trova in una fase diversa rispetto ai reagenti.

Esempi rilevanti della catalisi eterogenea in ambito industriale riguardano le reazioni dei gas, per le quali vengono impiegati solidi come metalli, ossidi metallici e zeoliti come catalizzatori. Alcuni processi industriali di catalisi eterogenea includono la sintesi dell’ammoniaca, la produzione di gas di sintesi mediante reforming del vapore, il reforming della nafta, la produzione di acido nitrico e la produzione di acido solforico.

Il fisisorbimento e il chemisorbimento sono processi fondamentali associati alla catalisi eterogenea. Le molecole gassose interagiscono con gli atomi o gli ioni sulla superficie del solido. Il fisisorbimento coinvolge l’associazione deboli tra adsorbente ed adsorbato, senza instaurare legami chimici, mentre il chemisorbimento comporta uno scambio di carica tra molecole adsorbite e la superficie, stabilendo veri e propri legami chimici.

Un esempio concreto di catalisi eterogenea è rappresentato dall’ossidazione del monossido di carbonio a biossido di carbonio, utilizzando il palladio come catalizzatore. Le automobili sono dotate di marmitte catalitiche contenenti palladio e rodio dispersi su un supporto ceramico. Questi catalizzatori favoriscono la reazione dei gas di combustione contenenti monossido di carbonio e idrocarburi incombusti con un eccesso di ossigeno per produrre biossido di carbonio e acqua.

Il meccanismo di catalisi eterogenea in questo contesto coinvolge anche la trasformazione dell’ossido di azoto (II) in azoto molecolare, catalizzata dal rodio. La catalisi eterogenea emerge così come un processo cruciale in numerosi contesti industriali, rivelandosi fondamentale per agevolare reazioni chimiche di rilievo.

In conclusione, la catalisi eterogenea ha un impatto significativo su diverse industrie e processi produttivi, svolgendo un ruolo cruciale nell’accelerare reazioni chimiche fondamentali.La chimica della catalisi: come avviene la reazione di biossido di carbonio
Il processo di conversione di monossido di carbonio in biossido di carbonio coinvolge il chemisorbimento di molecole di monossido di carbonio e di ossigeno sulla superficie dei metalli. Le molecole di ossigeno si dissociano in due atomi di ossigeno atomico, che reagiscono con la molecola di monossido di carbonio chemisorbita, producendo biossido di carbonio che viene rilasciato dalla superficie del catalizzatore.

Energia di attivazione e nanotecnologie nella catalisi
Ogni fase del processo presenta un’energia di attivazione minore rispetto alla reazione che avviene in fase omogenea tra monossido di carbonio e ossigeno. Date le alte spese associate al platino, palladio e rodio, la ricerca si concentra su ottenere particelle estremamente piccole, sfruttando le nanotecnologie.

Meccanismo di catalisi e contributo di Gerhard Ertl
La comprensione dei meccanismi di catalisi e della sintesi dell’ammoniaca è stata avanzata da Gerhard Ertl, vincitore del Premio Nobel per la Chimica nel 2007. Egli ha dimostrato come il ferro, usato come catalizzatore, catalizzi la dissociazione delle molecole di azoto e di idrogeno per produrre ammoniaca. Le energie di attivazione in questa reazione sono significativamente inferiori rispetto a una sintesi dell’ammoniaca senza catalizzatore.

I requisiti dell’efficace catalizzatore
Un catalizzatore efficace deve abbassare l’energia di attivazione della reazione, ma anche rispondere a criteri di economicità. Deve permettere la reazione a temperature e pressioni più basse possibili e garantirne la prolungata durata nel tempo.

Le comete: composizione, caratterizzazione

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Le comete: composizione, caratterizzazione

Comete: Composizione e Caratteristiche

Il termine “cometa” deriva dal greco κόμη, che significa “chioma” o “capelli”, poiché gli antichi paragonavano la coda di questi corpi celesti a una lunga capigliatura.

Solo negli anni ’50, lo studioso Oort, osservando le traiettorie di alcune comete, ipotizzò l’esistenza di un deposito di piccoli asteroidi localizzati a metà strada tra l’ultimo pianeta del sistema solare, Plutone, e l’Alpha Centauri, la stella più vicina a noi. Questi asteroidi sono principalmente composti da ghiaccio e polvere di roccia, e la loro composizione è oggetto di continuo studio.

Composizione

Le comete sono caratterizzate da un nucleo che varia dalle dimensioni di 100 m a 40 km e sono conosciute come “palle di neve sporca” poiché sono prevalentemente costituite da ghiaccio. Allo stato solido, contengono monossido di carbonio (CO), biossido di carbonio (CO2), ammoniaca (NH3) e metano (CH4), oltre a frammenti di roccia contenenti silicati e polvere. Inoltre, presentano una vasta gamma di composti organici, come metanolo (CH3OH), formaldeide (HCHO), etanolo (CH3CH2OH), idrocarburi a catena lunga e amminoacidi. Recenti osservazioni hanno rivelato la presenza di glicina, il più semplice degli aminoacidi, nonché cianuro di idrogeno (HCN).

La superficie delle comete è polverosa, e le sostanze ghiacciate sono protette dalle radiazioni solari da una crosta.

Caratterizzazione

Analisi spettroscopiche condotte sulla cometa Tempel 1 nel 2005 hanno rivelato la presenza di polveri di composti inorganici sia amorfi che cristallini, tra cui forsterite Mg2SiO4, fayalite, ferrosilite, pirosseno, nontronite e altri minerali contenenti ferro. Inoltre, vi sono tracce di alluminio, sodio, carbonio amorfo, solfuri e idrocarburi poliaromatici.

Quando le comete si avvicinano al Sole, la temperatura della loro superficie aumenta, causando la fuoriuscita di materiale nello spazio vuoto. Durante questo processo, polvere e altre particelle, insieme ai gas fusi, vengono rilasciati nello spazio.

La parte visibile di una cometa durante il suo passaggio è la testa o chioma, che si forma intorno al nucleo a causa del processo di degassamento e vaporizzazione di parte dei suoi componenti, avvenuto a una velocità stimata di 1 km/s.

In conclusione, nonostante le numerose scoperte scientifiche e quelle ancora in attesa di essere fatte, il fascino delle comete che passano e sembrano scomparire nel nulla è un mistero che affascina ancora l’umanità.

È interessante notare che questo articolo viene pubblicato il 25 dicembre, giorno in cui tutti, indipendentemente dalle proprie convinzioni, ricordano la cometa che, secondo la tradizione, guidò i Magi a Betlemme e che troneggia in tutti i presepi.

Spettri e struttura molecolare: spettro U.V., I.R., N.M.R., spettro di massa

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Spettri e struttura molecolare: spettro U.V., I.R., N.M.R., spettro di massa

Spettroscopia molecolare: l’anatomia delle molecole attraverso gli spettri U.V., I.R., N.M.R. e spettro di massa

I vincoli tra struttura molecolare e proprietà spettroscopiche rivelano dettagli intriganti della materia.
La formula molecolare, oltre a determinare le dimensioni della molecola, può essere confermata dall’osservazione della massa dello ione molecolare nello spettro di massa. Inoltre, fornisce informazioni sul numero e le specie di eteroatomi, che a loro volta definiscono e limitano il numero e la natura dei gruppi funzionali. Il *grado di insaturazione* offre indicazioni sul numero di doppi o tripli legami e sulla possibilità che la molecola sia ciclica.

Gli spettri vengono esaminati separatamente per evidenziare ogni elemento di struttura che emerge dalla loro osservazione. È cruciale elencare sia gli elementi strutturali presenti che quelli che si possono dimostrare essere assenti. Le evidenze spettrali sono analizzate nell’ordine: UV, IR, MS, NMR e si considerano anche evidenze qualitative sull’acidità o sulla basicità del composto.

Per riassumere gli elementi strutturali dedotti in ciascuno stadio, vengono scritte strutture parziali, così da ordinare e illustrare l’intera sequenza di deduzioni attraverso una progressione di strutture parziali di complessità crescente e sempre meglio definite, culminanti con la struttura completa.

Inoltre, ciascuna caratteristica strutturale e ciascuna struttura parziale viene controllata per essere certi che sia compatibile con la formula molecolare, mentre, ad ogni stadio, si notano gli atomi ancora restanti. Se, ad un certo stadio, più strutture o famiglie di strutture, appaiono ugualmente compatibili, ciascuna deve essere portata avanti separatamente.

Spettro U.V.

Lo spettro U.V. fornisce informazioni sulla presenza di cromofori coniugati nella molecola. L’assorbimento al di sopra di ∼ 210 nm indica la presenza di sistemi coniugati. Spettri più complessi richiedono una ricerca bibliografica per trovare modelli che diano uno spettro analogo.

Spettro I.R.

Gli spettri I.R. indicano i gruppi funzionali presenti e sono utilizzati per l’analisi qualitativa dei composti organici. La zona delle vibrazioni fondamentali può essere suddivisa in due parti: la regione dei gruppi funzionali (da 4100 a 1500 cm^–1) e la regione delle impronte digitali (da 1500 a 600 cm^-1).

Spettro di massa

Dallo spettro di massa si possono ottenere indicazioni rilevanti, rilevando le masse vicine a quelle dello ione molecolare e notando l’espulsione di frammenti, indicazioni che servono a stabilire la presenza di questi gruppi legati con un singolo legame in modo inequivocabile.

Spettro N.M.R.

Nello spettro NMR, si attribuisce per ciascun segnale il numero degli idrogeni adiacenti basandosi sullo splitting del segnale stesso. È inoltre importante vedere se si distinguono segnali che hanno lo stesso splitting in quanto essi corrispondono ad idrogeni accoppiati tra loro e quindi adiacenti. La presenza di un gruppo metilico avente tre idrogeni identici dà un segnale intenso; inoltre, se l’atomo legato al gruppo –CH₃ non ha idrogeni si ha un singoletto di area 3, de l’atomo invece ha un idrogeno come nel caso –CH-CH₃ si ha un doppietto mentre se l’atomo a cui è legato il gruppo metilico ha due idrogeni come nel caso di –CH₂-CH₃ si avrà un tripletto.

Attraverso questi spettri, è possibile decifrare la struttura molecolare e le sue caratteristiche, un passo fondamentale nell’analisi chimica e molecolare.

Interpretazione statistica dell’entropia: macrostati e microstati

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Interpretazione statistica dell’entropia: macrostati e microstati

Entropia: Macro e Microstati

Nel 1870, Ludwig Boltzmann ha proposto l’interpretazione statistica dell’entropia, esaminando il comportamento statistico delle particelle microscopiche di un sistema.

Le varie formulazioni del secondo principio della termodinamica spiegano ciò che accade, ma non il motivo. Il disordine è più probabile dell’ordine, e l’interpretazione statistica offre un modo per comprendere diversi fenomeni.

Le possibilità associate al lancio di 5 monete possono essere espresse sinteticamente con una tabella.

Macrostati

I macrostati rappresentano le proprietà complessive di un sistema. Un macrostato non specifica l’ordine specifico in cui escono testa o croce o quali monete abbiano dato quel risultato. Un sistema di cinque monete presenta sei possibili macrostati. Successivamente, si considera l’ordine con cui si verificano gli eventi. Ogni sequenza è un microstato, una descrizione dettagliata di ogni elemento del sistema.

Interpretazione statistica

Macrostati correlati a 3 teste e 2 croci o a 2 teste e 5 croci sono 10 volte più probabili dei macrostati con 5 teste o 5 croci, assumendo che tutti i microstati abbiano la stessa probabilità. Gli eventi più ordinati corrispondono a 5 teste o 5 croci, rappresentando complessivamente solo 2 su 32 possibilità. Gli eventi che comportano un disordine maggiore costituiscono 20 su 32 possibilità.

Si nota che partendo da uno stato ordinato (5 teste o 5 croci) e lanciando le monete, è molto probabile ottenere uno stato meno ordinato, con 30 su 32 possibilità di avere un ordine inferiore. I risultati sono ancora più evidenti lavorando su numeri più grandi; per esempio, considerando il lancio di 100 monete.

Disordine e Entropia

Ogni macrostato ha un altissimo numero di microstati, ovvero una vasta gamma di modi in cui un atomo può trovarsi nelle stesse condizioni di temperatura e pressione. Gli atomi si trovano nello spazio secondo la distribuzione di Maxwell-Boltzmann e si muovono casualmente in una condizione di massimo disordine. La possibilità che tutti gli atomi si trovino confinati in un angolo e con velocità uguali è minima, al punto da poter essere considerata impossibile. Boltzmann provò che l’entropia di un sistema in un dato stato può essere scritta come S = k ln W, dove k è la costante di Boltzmann e ln W è il logaritmo naturale dei numeri di microstati che corrispondono a un determinato macrostato. L’entropia risulta così relazionata alla probabilità di uno stato; il secondo principio della termodinamica può quindi essere espresso come un aumento spontaneo di entropia in ogni processo.

Pompe di calore e refrigeranti: funzionamento, coefficiente di prestazione

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Pompe di calore e refrigeranti: funzionamento, coefficiente di prestazione

Le pompe di calore e i refrigeranti: funzionamento e coefficiente di prestazione

Le apparecchiature come le pompe di calore, i condizionatori e i refrigeranti sfruttano il trasferimento di calore da una sorgente a temperatura più bassa a una sorgente a temperatura più alta.

Un ciclo termodinamico è composto da trasformazioni su un fluido in modo che torni alle condizioni iniziali di pressione, volume e temperatura. Il ciclo termodinamico può essere diretto, se trasforma calore in lavoro, o inverso, se trasferisce calore da un corpo a temperatura più bassa a un altro a temperatura più alta.

Per il secondo principio della termodinamica, il ciclo inverso richiede lavoro meccanico. Se serve a sottrarre calore da un ambiente a una temperatura più bassa della temperatura esterna, è detto ciclo frigorifero; se invece è realizzato per somministrare calore ad un ambiente a temperatura maggiore rispetto a quella esterna, si tratta di una pompa di calore.

Il trasferimento di calore avviene da un serbatoio freddo Qc a uno caldo, mediante l’effetto del lavoro W che viene convertito in trasferimento di calore secondo l’equazione Qh = Qc + W.

Le componenti di un impianto frigorifero sono il compressore, il condensatore, lo strozzatore e l’evaporatore. Il coefficiente di prestazione COPref valuta la quantità di calore trasferito Qc in rapporto al lavoro W.

Un altro metodo per valutare la qualità di un impianto refrigerante è dato dal Coefficiente di effetto utile (EER), definito come EER = Qc t2 / W t1.

Le pompe di calore sono macchine in grado di trasportare il calore da un ambiente a un altro. In estate, sottraggono calore all’ambiente che si vuole rinfrescare, portandolo all’esterno; in inverno forniscono calore all’ambiente che si vuole riscaldare, sottraendolo all’ambiente esterno.

Il principio di funzionamento delle pompe di calore è lo stesso del frigorifero quando si vuole raffreddare e l’opposto quando si vuole riscaldare. In quest’ultimo caso, il fluido circolante assorbe calore dall’esterno e lo cede all’interno della struttura. Le fasi coinvolte sono l’evaporazione, la compressione, la condensazione e l’espansione.

La qualità di una pompa di calore viene valutata in funzione del calore trasferito Qh rispetto al lavoro richiesto. Il coefficiente di prestazione COPhp rappresenta questo rapporto.

Energia libera di Helmholtz e di Gibbs- Chimica

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Energia libera di Helmholtz e di Gibbs- Chimica

Energia libera di Helmholtz e di Gibbs in Chimica

L’energia libera di Helmholtz è una funzione di stato utilizzata per rappresentare l’energia libera in una trasformazione dove la temperatura e il volume rimangono costanti. Il secondo principio della termodinamica consente di prevedere la spontaneità e la reversibilità di un processo. In un processo spontaneo, la variazione totale di entropia è maggiore di zero, mentre in condizioni di equilibrio o in un processo reversibile la variazione totale di entropia è uguale a zero. Per prevedere la spontaneità di una reazione, è necessario trovare altri criteri basati sull’uso di funzioni termodinamiche relative esclusivamente al sistema, piuttosto che all’ambiente, imponendo specifici vincoli come condizioni di volume costante, temperatura costante o volume e temperatura costanti.

Energia libera di Helmholtz

L’energia libera di Helmholtz viene definita come A = U – TS, dove U rappresenta l’energia interna. In un processo spontaneo che avviene a volume e temperatura costante, la variazione dell’energia libera di Helmholtz dA è inferiore a zero. Se dA è uguale a zero, il processo è reversibile o ha raggiunto uno stato di equilibrio.

Energia libera di Gibbs

L’energia libera di Gibbs, definita come G = H – TS, fornisce ulteriori utili informazioni sulla spontaneità di un processo a pressione e temperatura costanti. Un processo è spontaneo se, a pressione e temperatura costante, la variazione di energia libera di Gibbs ΔG è inferiore a zero. Se ΔG è uguale a zero, il processo è reversibile o ha raggiunto uno stato di equilibrio.

Le funzioni termodinamiche dell’energia libera di Helmholtz e l’energia libera di Gibbs consentono anche di ottenere utili informazioni. Ad esempio, l’energia libera di Helmholtz fornisce informazioni sul massimo lavoro che può essere fatto da un sistema a temperatura costante, mentre l’energia libera di Gibbs fornisce informazioni sul massimo lavoro che può essere fatto da un sistema a pressione costante. Infine, a pressione e temperatura costanti, il massimo lavoro corrisponde alla variazione di energia libera del processo.

Minerali metalliferi: riduzione dei metalli

Fabrice Deseaux

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30 Novembre 2023

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Minerali metalliferi: riduzione dei metalli

La riduzione dei minerali metalliferi

I minerali metalliferi possono contenere uno o più metalli ed è economicamente vantaggioso estrarre da essi un metallo. Le materie prime utilizzate per l’estrazione dei metalli sono i minerali metalliferi. Alcuni metalli come platino, oro, argento hanno scarsa tendenza a ossidarsi e si trovano più facilmente allo stato ridotto ovvero i metalli allo stato natio.

La maggior parte dei metalli si trovano nello stato ossidato, principalmente come ossidi, ossidi idrati, solfuri, carbonati, e cloruri. Pertanto, la preparazione dei metalli è in gran parte un processo di riduzione. I minerali metalliferi contengono impurezze, chiamate ganga, che devono essere eliminate per aumentare la concentrazione della sostanza utile. I vari trattamenti di concentrazione vengono adottati in base alle caratteristiche del materiale.

Flottazione

Il primo trattamento effettuato è la flottazione. Questo metodo sfrutta le differenze di polarità e affinità con l’acqua tra la ganga e il minerale. La flottazione si realizza polverizzando i minerali metalliferi, sospendendoli in acqua contenente oli ed agitando in presenza di tensioattivi. Successivamente si forma una schiuma che trascina le particelle di solfuro poco solubili in acqua, favorendone il galleggiamento, mentre la ganga idrofila resta sul fondo del bacino di flottazione.

Levigazione

La levigazione è effettuata quando tra il minerale e la ganga che lo accompagna esiste una notevole differenza di peso specifico. Il materiale, previamente macinato, viene sottoposto all’azione di una corrente d’acqua che trascina più lontano le particelle meno pesanti. Questo processo è adatto, ad esempio, per le sabbie aurifere sfruttando la notevole differenza tra il peso specifico dell’oro e quello della sabbia.

Concentrazione elettromagnetica

La concentrazione elettromagnetica è applicabile ai minerali metalliferi in cui un componente è dotato di proprietà magnetiche; la separazione si realizza sottoponendo il materiale polverizzato all’azione di un’elettrocalamita.

Una volta ottenuto il minerale arricchito, si procede con la riduzione.

Riduzione

Sugli ossidi si esegue la riduzione con carbone o con un ossido di carbonio. Se gli ossidi dei metalli hanno potenziali redox molto bassi, è necessario un processo di riduzione più energico. I solfuri devono essere trasformati in ossidi per riscaldamento all’aria, un processo noto come “arrostimento”. I carbonati vengono trasformati in ossidi per riscaldamento, in un processo chiamato calcinazione e possono comportare anche ossidazione del metallo ad opera dell’ossigeno atmosferico con successiva riduzione degli ossidi.