OLTRE LE APPARENZE …OLTRE LE APPARENZE …
COSA E’ IN REALTA’ LA COSA E’ IN REALTA’ LA COSA E’ IN REALTA’ LA COSA E’ IN REALTA’ LA CHIMICACHIMICACHIMICACHIMICA
CHIMICAScienza che studia le
proprietà la composizione proprietà, la composizione, l’identificazione, la
preparazione la capacità preparazione, la capacità e il modo di reagire delle
sostanze naturali e sostanze naturali e artificiali del regno inorganico e di quello inorganico e di quello
organico
CHIMICAScienza che studia le sostanze, naturali o sostanze, naturali o
artificiali, sia dal punto di vista della loro composizione e
struttura, sia da quello d ll t f i i h delle trasformazioni che
portano alla loro formazioneformazione
La Chimica non è amata dai giovaniLa Chimica non è amata dai giovaniLa Chimica non è amata dai giovaniLa Chimica non è amata dai giovani
U ff l 2004 h Una statistica effettuata nel 2004 ha rivelato che fra le materie di
ll l insegnamento delle scuole superiori questa disciplina è la meno amata; nella q pmigliore delle ipotesi viene considerata una materia difficile, astrusa e per p
nulla attraente
Le ragioni sono moltepliciLe ragioni sono molteplici
“Chimica è una parolaccia? Si di bb di sì iudic d ll Si direbbe di sì, a giudicare dalle reazioni della opinione pubblica che associa i pesticidi chimici all’inquinamento delle acque, gli q q , gadditivi chimici alla contaminazione dei cibi le industrie chimiche agli dei cibi, le industrie chimiche agli incidenti, …”
Giorgio Nebbia Airone – settembre 1988
La Chimica è attorno a noinei processi naturali come la fotosintesi,
la formazione della ruggine, la f m gg ,fermentazione dell’uva, la lievitazione del
pane la combustionepane, la combustione
La Chimica è in noiLa Chimica è in noiconcepimento, crescita, morte, memoria,
pensiero, l'esperienza, emozioni, ……
Tutto è Chimica, i di di l itàma a vari gradi di complessità
la Chimica è il nostro la Chimica è il nostro vivere quotidianovivere quotidiano
Tutto ciò che i chimici hanno creato e
ti t continuamente creano per rendere la nostra vita più rendere la nostra vita più facile, migliore e piacevole
Tessutiu
Microfibre: strutture macroscopiche con cavità e nicchie per la raccolta di particelle solideper la raccolta di particelle solide
Collanti e materiali adesivim
La “colla attacca e stacca” inventata nel 1968 trovò applicazione nel
1980
T tt iò h d int n n iTutto ciò che succede intorno a noie dentro di noi è Chimica
È necessario conoscere la È necessario conoscere la Chimica, la scienza che spiega i “ hé” i “ ” d ll “perché” e i “come” delle cose
usando un suo linguaggiog gg
Il linguaggio degli atomi Il linguaggio degli atomi e delle molecolee delle molecole
metri
Albero 10 m 101
Foglia (lunghezza) 10 cm 10-1
(spessore) 0,3 mm 3x10-4
Cellula 50 μm 5x10-5Cellula 50 μm 5x10 5
Cloroplasto 5 μm 5x10-6
Grano 200 nm 2x10-7
Membrana (spessore) 2 nm 2x10-9
tilacoide
Molecole 5 Å 5x10-10
ATOMO
• L’atomo è la più piccola particella p p pdella materiaIn n t i t n i n ntin i • In natura esistono circa un centinaio di specie atomiche elementari (H, C, p ( , ,O, Fe, …)Gli t i di t l t • Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti ugualig
Come è fatto l’atomo• L’atomo contiene protoni elettroni e neutroni
• Modello planetario: protoni e neutroni • Modello planetario: protoni e neutroni concentrati nel nucleo elettroni che ruotano attorno al nucleo
• Atomo dimensioni di uno stadio: • Atomo dimensioni di uno stadio: elettroni che ruotano ai bordi dello stadio e il nucleo grande come una coccinella posta al centro dello stadiococcinella posta al centro dello stadio
Atomi instabili: decadimenti radioattivi
I chimici hanno scoperto molte sostanze radioattive e le hanno sostanze radioattive e le hanno
usate per scopi benefici
Marie Curie: la prima donna insignita
del premio NobelpNe ha addirittura avuti due: uno per la Fisica e p
uno per la Chimica
Dimitri Mendeleev e il Sistema PeriodicoDimitri Mendeleev e il Sistema Periodico(1869)
Il Sistema Periodico è l’idea più brillante nella storia della Scienzanella storia della Scienza
Il Sistema Periodico di Mendeleev, che ,proprio in quelle settimane imparavamo laboriosamente a dipanare era una laboriosamente a dipanare, era una
poesia, più alta e più solenne di tutte le poesie digerite in liceo: a pensarci bene poesie digerite in liceo: a pensarci bene
aveva perfino le rime!
Primo LeviIl Sistema Periodico
L tt i ti iù La caratteristica più interessante degli atomiinteressante degli atomi
c p cità di c mbin si (d capacità di combinarsi (dare legami) con altri atomi per legami) con altri atomi per formare aggregati atomici, gg g ,
cioè le molecole
MOLECOLAIl concetto di molecola è emerso con
d diffi ltà ll t i d ll grande difficoltà nella storia della scienza e si è affermato solo verso il
1860, grazie a due grandi chimici italiani, Avogadro e CannizzaroAvogadro e Cannizzaro
Cannizzaro (1826−1910)Avogadro (1776−1856)
MOLECOLA
Oggi questo concetto gioca un ruolo gg q gfondamentale nella scienza, tanto
che c’è chi definisce la nostra “età” che c è chi definisce la nostra età come “l’età della molecola”
(l’età della pietra, del ferro, del bronzo )bronzo,..)
Gli atomi sono le lettere della materiaGli atomi sono le lettere della materiaLe molecole sono le parole della materia
Ogni parola ha un ben preciso Ogni parola ha un ben preciso significato, una specie di “valore
i t ” h l l h i tt aggiunto” che la parola ha rispetto all’insieme delle singole lettere che le g
compongono
Ogni molecola ha proprietà specifiche ’ d à b h e un’identità ben precisa che
rappresentano il “valore aggiunto” che pp n n gg unla molecola ha rispetto all’insieme dei
singoli atomi componentisingoli atomi componenti
l l lParole Molecoleparole corte O2, H2O
parole lunghe C H O Nparole lunghe C8H10O2N4
precipitevolissimevolmente (26 lettere)
Emoglobina (9072 atomi)C2954H4516N780O806S12Fe4
Parole MolecoleParole Molecole
Con le stesse lettere a,s,n,osano nasosano nasosano nasosano naso
Con gli stessi atomi 2C, 6H, 1O
l Parole
Le parole possono essere scomposte in lettere e le lettere possono poi essere
ricomposte in altre parole
MolecoleC’è un riciclaggio naturale degli atomi che
Molecolegg g
compongono le molecole. Ogni nostro respiro prende e rimette in ciclo atomi già riciclati da p galtri; la nostra pelle si rinnova ogni mese, il
nostro fegato ogni sei settimanenostro fegato ogni sei settimane
Il nostro corpo è una pagina in cui si scrivono e p p gsi cancellano di continuo moltissimi caratteri
D ff f d l f D ff f d l f Differenza fondamentale fra Differenza fondamentale fra le parole e le molecolele parole e le molecolele parole e le molecolele parole e le molecole
Le parole sono entità astratte
L m l l tità tLe molecole sono entità concrete
Le dimensioni delle molecoleLe dimensioni delle molecoleLe dimensioni delle molecoleLe dimensioni delle molecole
L'unità adatta per misurare le dimensioni delle molecole è ildimensioni delle molecole è il
nanometrocioè la miliardesima parte del metro
1 nm = 10-9 m
Lo spessore di un capello è
1 nm = 10 m
Lo spessore di un capello è centomila nanometri
La molecola d’acqua H O ha La molecola d acqua H2O ha un diametro di 0,2 nm,
In una goccia d’acqua ci sono circa In una goccia d acqua ci sono circa 1021 molecole
• Se potessimo distribuirle fra tutti gli bit ti d ll T i abitanti della Terra, a ciascuno
toccherebbero 200 miliardi di molecole• Se potessimo contarle una al secondo,
impiegheremmo 30.000 miliardi di anni
Gli atomi sono ancora più piccoliGli atomi sono ancora più piccoliGli atomi sono ancora più piccoliGli atomi sono ancora più piccoliLa punta di una matita è fatta di grafite,
l d f d d bun solido formato da atomi di carbonioUna riga lunga 3 cm e spessa 0,2 cm p
tracciata con la matita________________
lascia sul foglio un “maxi-esercito” di lascia sul foglio un maxi esercito di atomi: circa un milione di file allineate le une vicine alle altre e formate ciascuna une vicine alle altre e formate ciascuna
da circa un centinaio di milioni di questi “soldatini” invisibili soldatini invisibili
T ò h d è Tutto ciò che ci circonda è costituito da un numero costituito da un numero enorme di atomi e di enorme di atomi e di
molecole
h l’ è f di Anche l’uomo è fatto di atomi e molecoleatomi e molecole
Quanti atomi ci sonoQuanti atomi ci sonoQQin un Uomo?in un Uomo?
circa1 000 000 000 000 000 000 000 000 0001 000 000 000 000 000 000 000 000 000
(un miliardo di miliardi di miliardi)
M ti M ti Ma… quanti sonoMa… quanti sonoun milardo di miliardi di un milardo di miliardi di
miliardi di atomi?!?miliardi di atomi?!?
S f di S f di Se fossero grandi come un Se fossero grandi come un granello di sabbia, potremmo granello di sabbia, potremmo g , pg , pricoprire un’autostrada larga ricoprire un’autostrada larga
70 000 km che va dalla Terra al 70 000 km che va dalla Terra al 70.000 km che va dalla Terra al 70.000 km che va dalla Terra al Sole...Sole...
Oggetti così piccoli presi Oggetti così piccoli, presi singolarmente, non possono p
essere né visti, né pesati, né misuratimisurati
N d bb Nonostante questa indubbia difficoltà i chimici da più di difficoltà i chimici da più di cento anni hanno imparato a p
conoscere molto bene le molecolemolecole
Il mestiere del ChimicoIl mestiere del Chimico
“ i hi i i ti ti d ll t i i
Il mestiere del ChimicoIl mestiere del Chimico
“… noi chimici montiamo e smontiamo delle costruzioni molto piccole. Ci dividiamo in due rami principali, quelli h t lli h t li i li lt i che montano e quelli che smontano, e gli uni e gli altri
siamo come dei ciechi con dita sensibili. Dico come dei h hé l h l ciechi, perché appunto, le cose che noi manipoliamo
sono troppo piccole per essere viste, anche coi ùmicroscopi più potenti; e allora abbiamo inventato
diversi trucchi intelligenti per riconoscerle senza vederle.”
P i L iPrimo LeviLa chiave a stella
Le molecole non hanno segretiLe molecole non hanno segretiper i chimiciper i chimici
Ogni molecola è identificata da un nome è sinteticamente rappresentata nome, è sinteticamente rappresentata da una formula (che indica da quali e
quanti atomi è costituita) quanti atomi è costituita) e ha una sua forma
Una visione tridimensionale delle molecole i ò d lli l si può avere attraverso modelli, molto
ingranditi ma realistici, che si ottengono g gusando una specie di lego
Il lego dei chimiciIl lego dei chimiciIl lego dei chimiciIl lego dei chimici
HO
HHO
HacquaH2O
iHH
NH ammoniaca NHH
NHH
NH3
alcol etilico H C C
OHC2H5OH H3C C
H22 5
Caffeina CCaffeina C88HH1010OO22NN44
NN
O
NNO
Colesterolo CColesterolo C2727HH4646OOColesterolo CColesterolo C2727HH4646OO
OH
Le proprietà di una molecola dipendono dalla sua composizione struttura e formadalla sua composizione, struttura e forma
ParoleTutte le parole sono create dall’uomoLa lingua italiana ha circa 160.000 paroleLa ngua ta ana ha c rca 6 . paroL’uomo crea frequentemente parole nuove
M lti imi tipi di m l l p ti i MolecoleMoltissimi tipi di molecole sono presenti in natura (scoperte finora decine di milioni)
Moltissimi nuovi tipi di molecole sono creati dall’uomo (finora decine di milioni)dall uomo (finora decine di milioni)
Le molecole (naturali ed artificiali)Le molecole (naturali ed artificiali)conosciute ad oggi sono 60 milioni
Il grande libro della natura non è gsoltanto da leggere (scoprire), ma anche da scrivere (inventare); se anche da scrivere (inventare); se
la parte ancora da leggere è ll h i ò i è vasta, quella che si può scrivere è praticamente infinitapraticamente infinita
I grandi progressi I grandi progressi g p gg p gnella chimica di sintesinella chimica di sintesi
I chimici sono oggi in grado di sintetizzare I chimici sono oggi in grado di sintetizzare molecole con caratteristiche su “ordinazione”
Ad esempio, alcune molecole hanno forme ff i i h i d ll d li i affascinanti che ricordano quelle degli oggetti macroscopici e delle strutture artistiche che
i i ll i idiincontriamo nella vita quotidiana
FarmaciF m
Acido salicilico
Acido acetilsalicilico (aspirina) C9H8O4
Inventore: Felix Hoffmann (C.F. Gerhardt)Brevettato dalla Bayer entra nel mercato nel 1899Brevettato dalla Bayer entra nel mercato nel 899
A tutt’oggi è il farmaco più venduto al mondo(unico farmaco che si portarono gli astronauti nella
ll )missione sulla Luna)
FarmaciSaccarina CSaccarina C HH OO NSNS
F m
O
Saccarina CSaccarina C77HH55OO33NSNS
SNH
O O
La saccarina, primo dolcificante artificiale, ha un potere dolcificante circa 300 (secondo altre fonti: 500) volte
i ll d l isuperiore a quello del saccarosioVeniva usato dai diabetici
Inventore: Ira Remsen nel 1879Inventore: Ira Remsen nel 1879Brevettato da Fahlberg nel 1884
I chimici non hanno mai I chimici non hanno mai abbandonato l’idea di riuscire abbandonato l idea di riuscire
a vedere le molecole spingendo le loro indagini
iù il i lsempre più verso il piccolo
Goethe si opponeva all’uso del pp umicroscopio affermando:
“non è giusto cercare di vedere ciò gche non si può vedere ad occhio nudo perché evidentemente è nudo, perché evidentemente è
nascosto per qualche buona ragione”
L’invenzione di nuove tecnicheL’invenzione di nuove tecnicheL invenzione di nuove tecnicheL invenzione di nuove tecnichedi indaginedi indaginedi indaginedi indagine
ha permesso di …
“Vedere”, “toccare” e “manipolare” l i l l lle singole molecole
a
La data celebrativa del nuovo millennio è stata ottenuta posizionando 47
molecole di ossido di carbonio CO su molecole di ossido di carbonio, CO, su una superficie di rame, mediante tecniche di microscopie a sondab
ChemPhysChem, 2, 2001, pag. 362
Science, 1998, 281, 531Science, 1998, 281, 531
Le proprietà di una molecola li l i di sono gli elementi di
informazioni che permettono informazioni che permettono alla molecola stessa di alla molecola stessa di interagire con il mondo
circostante, cioè con le altre l lmolecole
Quando una molecola incontra un’altra Quando una molecola ncontra un altra molecola possono verificarsi tre diverse
situazioni:situazioni:
le molecole non si riconosconoA + B A + B
le molecole si trasformano in altre molecolele molecole si trasformano in altre molecoleA + B C + D
le molecole si associanoA + B ABA + B AB
Lo sviluppo dellaLo sviluppo dellappppChimica SupramolecolareChimica Supramolecolare
La chimica supramolecolare si può definire l hi i lt l l l i come la chimica oltre la molecola; essa si
occupa delle entità organizzate che si p gottengono dall’associazione di due o più
molecolemolecole
I i t i h i tt d tti I sistemi che si ottengono sono detti sistemi supramolecolari o supermolecole
L’ i i f l l i b l L’associazione fra molecole si basa sul riconoscimento molecolare
un fenomeno altamente selettivo e specifico
+
NH
RO
OHN
O
CH(CH )
N
RO
OOH
N
NHO
R
OO
O
O
H3C (CH2)k
H3C (CH2)l
HNNH
ON
O
CH3(CH2)m
CH3(CH2)n
N
NO
R
OO
O
O
H3C (CH2)k
H3C (CH2)l
NNH
ON
O
CH3(CH2)m
CH3(CH2)nH
H
+
NH HN
O O
O ONH HN
O O
NN
NH HNO O HN NH
O
OO
HN NH
OO
NN
NH HNO O
O O O O
La Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamentei sistemi supramolecolarii sistemi supramolecolaripp
• Sono flessibili
+
NH
RO
OHN
O
CH(CH )
N
RO
OOH
N
NHO
R
OO
O
O
H3C (CH2)k
H3C (CH2)l
HNNH
ON
O
CH3(CH2)m
CH3(CH2)n
N
NO
R
OO
O
O
H3C (CH2)k
H3C (CH2)l
NNH
ON
O
CH3(CH2)m
CH3(CH2)nH
H
+
NH HN
O O
O ONH HN
O O
NN
NH HNO O HN NH
O
OO
HN NH
OO
NN
NH HNO O
O O O O
La Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamentei sistemi supramolecolarii sistemi supramolecolaripp
• Sono in grado di svolgere funzioni iù i t d ll i l l l più pregiate delle singole molecole
che li compongonoche li compongono
+
NH
RO
OHN
O
CH(CH )
N
RO
OOH
N
NHO
R
OO
O
O
H3C (CH2)k
H3C (CH2)l
HNNH
ON
O
CH3(CH2)m
CH3(CH2)n
N
NO
R
OO
O
O
H3C (CH2)k
H3C (CH2)l
NNH
ON
O
CH3(CH2)m
CH3(CH2)nH
H
+
NH HN
O O
O ONH HN
O O
NN
NH HNO O HN NH
O
OO
HN NH
OO
NN
NH HNO O
O O O O
Chimica Supramolecolare e Sistemi Biologici
OPHO O
O
PO
HO OH
N
OCH3
HOH2C
O
O
base TH2C
O N
HO
N
O
H
O
nonu
cleo
tide P
OH2C
O
HO O
base
C
O
PO
H2CO N
HO OH
N
N
O
HH
Mo O
PO
H2CO
HO O
base
HO
O
PO
HO OH
N NH
H
OPO
H2C
HO O
base
A
O
H2CO N
HO
NN
2 O
OPO
HO O
GO
PO
H2CO N
HO OH
N
NN
O
H
N HOHO
N HH
I Chimici così come hanno I Chimici, così come hanno imparato ha creare p
molecole artificiali, sono i p i di m tt oggi capaci di mettere
assieme più molecole per assieme più molecole per ottenere sistemi
l l f lsupramolecolari artificiali
Il chimico ingegnere a livello molecolareIl chimico ingegnere a livello molecolareIl chimico ingegnere a livello molecolareIl chimico ingegnere a livello molecolare
Sfruttare approccio di tipo ingegneristico per costruire “oggetti” di dimensioni per costruire oggetti di dimensioni
nanometriche tecnologicamente avanzati, i è d i i i i li ll cioè dei veri e propri congegni a livello
molecolare
ingegneria a livello molecolare = nanotecnologiaingegneria a livello molecolare = nanotecnologia
NanotecnologiaNanotecnologia
La nanotecnologia deriva dal La nanotecnologia deriva dal connubio tra il talento sintetico connubio tra il talento sintetico dei Chimici ed una mentalità di
tipo “ingegneristico”
ld ffRoald Hoffmann
Lo Sapevate cheLo Sapevate che
Nell’universo:l l f è lil primo elemento ad essersi formato è stato l’idrogenogli elementi più abbondanti sono l’idrogeno e l’elio
Sulla Terra:gli elementi più abbondanti facendo riferimento alla gli elementi più abbondanti, facendo riferimento alla loro percentuale in peso, sono:
l’ossigeno (48 9) il silicio (26 3) l’alluminio (7 7) l ossigeno (48,9), il silicio (26,3), l alluminio (7,7), il ferro (4,7) e il calcio (3,4)
l’elemento (non radioattivo) più raro è il kripton, presente con una percentuale in peso pari a 1,9×10−8p p p p
Lo Sapevate cheLo Sapevate chel Nel corpo umano:
elementi più abbondanti (% in peso): l’ i (65 4) il b i (18 1)l’ossigeno (65,4), il carbonio (18,1),
l’idrogeno (10,1), l’azoto (3,0), il calcio (1,5), il fosforo (1 0) e lo zolfo (0 25)il fosforo (1,0) e lo zolfo (0,25)
questo significa che in un uomo di 70 kg ci sono circa questo significa che in un uomo di 70 kg ci sono circa 45,5 kg di ossigeno, 12,6 kg di carbonio, 7,0 kg di idrogeno, 2,1 kg di azoto, 1,1 kg di calcio, 0,7 kg di fosforo e 0 2 kg di zolfofosforo e 0,2 kg di zolfo
Elementi essenziali per la vita meno abbondanti:Elementi essenziali per la vita meno abbondantiil cromo, il cobalto e il molibdeno,
ciascuno presente in quantità da 3 a 5 mgp q g
Lo sapevate cheLo sapevate che
♦ Le molecole più esplosive sono:
CH3
NO2O2N N
NO2
N
N
N NOO N
NO2
OO
O2N NO2
NO2
N NNO2O2N
N N
N
NO2
NO2
O2NO
ONO2
nitroglicerina tritolo RDX HMXg
La nitroglicerina (detta anche dinamite) preparata da Alfred Nobel La nitroglicerina (detta anche dinamite), preparata da Alfred Nobel, è stato il primo esplosivo messo in commercio (1870) a cui è seguito
(1910) il tritolo (TNT). L’RDX è l’esplosivo commerciale più economico, mentre l’HMX è il più p p p
potente esplosivo ad oggi messo in commercio (1955).
L t hL t hLo sapevate cheLo sapevate che
♦La molecola più tossica ottenuta partificialmente è la diossina:
O ClCl
O ClCl O ClCl
Lo sapevate cheLo sapevate che♦♦ Le molecole Le molecole più aromatichepiù aromatiche sono:sono:♦♦ Le molecole Le molecole più aromatichepiù aromatiche sono:sono:
OMeO eClCl
O
SH Cl
O
O
di l di “t ” b t d l isapore di pompelmo sapore di “tappo” bouquet del vino
Il nostro gusto è in grado di percepire la presenza del composto che dà il sapore di pompelmo quando in 1 × 109 L d’acqua ne sono
stati sciolti appena 2 mg
P il t bil d l di “t ” è ffi i t h Per il composto responsabile del sapore di “tappo” è sufficiente che in una bottiglia di vino ce ne siano 10−9 g per rimanerne disgustati
Il nostro olfatto è così sensibile al composto che conferisce al vino un Il nostro olfatto è così sensibile al composto che conferisce al vino un bouquet dolce, misto di cocco e resina, da avvertirne la presenza di soli
10−14 g per litro di aria
Lo sapevate cheLo sapevate cheLo sapevate cheLo sapevate che
♦ La molecola più piccante è la ♦ La molecola più piccante è la caspicina presente nel peperoncino:
O
NH
O
OM
OH
H
OMe
Lo sapevate cheLo sapevate cheppLa molecola più dolce è l’acido sucronico
N
CNNH
+NH
O
OO
Il suo potere dolcificante è 200 000 volte maggiore di Il suo potere dolcificante è 200.000 volte maggiore di quello del saccarosio (il comune zucchero da cucina) e
300 volte maggiore di quello della saccarina 300 volte maggiore di quello della saccarina (il dolcificante artificiale usato dai diabetici)