SCOPERTE

Letture estive IV – “Per me ossigeno, ossigeno”

Ricercatori dell'università Cornell si fanno strane domande sulla molecola detta un tempo "aria vitale". Lo è anche per la chimica teorica.

L’esperimento con il quale Lavoisier scoprì l’ossigeno, stampa d’epoca. Dopo la sua combustione, l’aria composta di solo azoto uccise “rapidamente” il topolino.

SCOPERTE – Sui quotidiani, la chimica è quasi sempre biochimica, scienza dei materiali, nanoscienze, quanto alle sue teorie fondamentali sembrano estinte insieme alle domande irriverenti che servono a saggiarne i limiti.

Non è così, per fortuna. Un grande teorico (anche sperimentale e pratico come sanno i lettori) continua a porle con dottorandi e giovani colleghi. L’anno scorso provavano a ossidare l’oro:

Quando venne aperta la tomba di Tutankhamon, gli oggetti d’oro brillavano come nel giorno in cui era stata sigillata. Il motivo, ovviamente, sta nella serie elettrochimica: qualunque cosa al mondo o quasi ridurrà ioni Au in Au metallico. Pertanto gli ossidi d’oro sembrano improbabili candidati alla stabilità [termodinamica].

“Sembrano” finché gli autori non preparano un cocktail – teorico – di due Au per ogni O2 e lo schiacciano sotto pressioni mostruose, fino a 400 gigapascal. Dai 200 in su, saltano fuori ossidi in quantità sproporzionate e tanti stati di ossidazione, misteri che gli autori promettevano di sondare in una prossima puntata.

Due mesi fa invece, sono tornati sul tema del legame a idrogeno da un altro punto di vista, ma con la stessa prosa amichevole, e un rimando alla canzone di Lady Gaga:

Con l’ossigeno, quasi ogni composto del nostro corpo, di tutti gli esseri viventi – ad eccezione di alcuni ioni inorganici come fosfato e carbonato – è soggetto a combustione. Possiamo bruciare, e non solo di passione.

Siamo partiti, riassume Hoffmann per la cronista, da questo koan: “Se tutte le cose bruciano, perché non bruciano?”

Sì che bruciano! protesta lei mentre afferra il lanciafiamme per difendere Lavoisier (nota 1). Lui in parte concilia:

Salvo l’oro, ogni elemento reagisce esotermicamente con l’ossigeno, a volte rilasciando un sacco di energia. Poi mescoli l’ossigeno con gli elementi e non succede niente. Perché? La miscela di idrogeno e ossigeno nel palloncino esplode. Ma solo se inneschi la reazione con una scintilla o una fiamma, fino a quel momento i componenti, che in realtà “vorrebbero” tanto diventare acqua, stanno lì placidi.

Detto così sembra facile, ma ci vuole un lungo articolo sul Journal of the American Chemical Society per far capire se e come l’O2 esce dalla placidità:

Oh sì, l’ossigeno è assolutamente essenziale per tante forme di vita sul pianeta. Eppure, eppure, quando arrivò in grandi quantità nell’atmosfera, presumibilmente prodotto da batteri fotosintetici circa 2,3 miliardi di anni fa, fece strage delle forme di vita…

Ok, ma parlandone oggi, è stabile o reattivo? Momento, prima serve una precisazione:

I chimici sanno che c’è una distinzione tra termodinamica e cinetica

Sanno anche del principio di Bell−Evans−Polanyi: il tasso delle due reazioni è determinato da quella più termodinamica, una distinzione anche semantica. Gli autori usano

i termini entalpici “esotermica, endotermica” a proposito della stabilità termodinamica e i termini qualitativi “persistente, reattiva” per le inclinazioni [sic, “proclivities“] cinetiche della molecola.

Chi non ha inclinazioni per le funzioni d’onda degli orbitali molecolari le salti e vada dritto alla conclusione, consiglia Hoffmann (conosce i suoi polli). Eccola. La risposta al koan sta di nuovo nel legame “speciale”, nella

combinazione insolita di un legame forte π e di uno debole σ tra O e O che consente alla molecola di fornire l’energia chimica a sostegno di tutte le forme aerobiche della vita sulla terra.

E a sostegno delle loro passioni.

Note

1 – Lavoisier è uno dei tre protagonisti di Ossigeno, una commedia di Roald Hoffmann e Carl Djerassi. Hoffmann scrive “poesia“, è un “uomo di lettere“, difetti che da settimane inducono a dargli dell’incompetente un creazionista fautore della superiorità della “scienza cristiana“, e al suo ammiratore: un chimico nucleare del defunto ma sempre costoso CAMEN.

Sostengono entrambi da tre anni che il 2° principio della termodinamica “spianerà le Dolomiti entro qualche milione di anni”: è la triste sorte di tutte le montagne (nota 2).

Consulente ventennale della cronista, femmina quindi deficiente, Hoffmann fa parte degli “ocaboys“, tutti deficienti per associazione. Lui di più. In un altro articolo da lettura estiva, aveva infatti spiegato perché i principi della termodinamica non consentono di prevedere l’evoluzione di un pianeta e dei suoi rilievi.

2 – Ai lettori di OggiScienza serve ricordare che sulla Terra, la Luna e Marte svettano tuttora montagne nate miliardi di anni fa?

Leggi anche: Più semplice di così

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3 Commenti

  1. Non avevo ancora letto questo articolo, tuttavia per un chimico come il sottoscritto vi è troppa carne al fuoco che rischia di far saltare a chiunque la sua lettura. Diciamo subito che la TERMODINAMICA si interessa di stabilire SE UN EVENTO PUO’ O NON PUO’ AVVENIRE ed in quali condizioni lo fa. La CINETICA invece indica IN QUANTO TEMPO un evento può avvenire. Semplificando nella TERMODINAMICA è escluso il fattore tempo. Ad esempio se in un pallone di vetro chiuso (dove è contenuta aria e quindi ossigeno molecolare O2) inietto attraverso il tappo di gomma, con una siringa, dell’idrogeno gassoso la cui formula è H2. Posso aspettare una eternità e NON AVVERRA’ NIENTE. Attenzione che la scienza NON DICE che la reazione NON avviene ma dice che in tali condizioni è estremamente improbabile. Ovvero la reazione è possibile ma nelle condizioni poste ha scarsa possibilità di avvenire perchè E’ TROPPO LENTA Infatti la reazione avviene in quanto le molecole di idrogeno ed ossigeno si debbono incontrare. Tuttavia nelle condizioni ambientali 20°C ed una Atmosfera gli urti NON SONO EFFICACI. Tuttavia se in qualche modo magari aprendo il pallone ed immediatamente si avvicina una fiamma si ha una reazione repentina e rumorosa denominata REAZIONE DEL GAS TONANTE che i chimici (bravi) usano per testare la presenza di idrogeno. Pertanto cambiando le condizioni di temperatura circa 400°C (locali) una reazione improbabile a 25°C diventa probabilissima, reale e pericolosissima a 400°C . E’ successo semplicemente che aumentando il numero di urti la probabilità che la reazione avvenga aumenta in modo tale che ad ogni 10 gradi di temperatura in più la VELOCITA’ DELLA REAZIONE RADDOPPIA. Cosicché se a 10°C la velocità di reazione è V a 20°C la velocita’ è V^2, a 40°C è V^4 ed a 80°C è V^8 ed a 100°C è V^10. Chiaro! Per quanto concerne la lucentezza dell’oro ritrovato nella tomba come tutti sappiamo guardando la FEDE al dito essa è sempre brillante, come l’acciaio, come dire che l’oro è praticamente inossidabile nelle condizioni date. Gli orafi ed i chimici sanno però che basta un poco di ACQUA REGIA per dissolvere l’ oro ed ottenere una soluzione giallina di HAuCl4. L’oro è stabile fino a quando non incontra la pericolosissima miscela 3/1 di HCl ed HNO3. che miseramente lo discioglie formando una soluzione di acido tetracloroaurico.
    Pertanto l’ossigeno oggi sulla terra è reattivissimo. Se per esempio mutassero le condizioni atmosferiche da una atmosfera si passasse a due atmosfere di pressione la morte dell’umanità sarebbe inesorabile perchè i nostri polmoni non sopporterebbereo tale incremento. Lo stesso vale se la pressione scendesse a 0,5atmosfere (come gli scalatori di vette sanno) . Pertanto il problema non è se una sostanza, un materiale, un essere vivente è “stabile” e quindi in equilibrio termodinamico utile nelle condizioni date. Il problema è SE TALI CONDIZIONI CAMBIANO.!!

  2. N.B Errore di scrittura: Si deve leggere: Cosicché se a 10°C la velocità di reazione è V a 20°C la velocita’ è V*2, a 40°C è V*2^2 ed a 80°C è V*2^3 ed a 160°C è V*2^4.

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