BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA'

Rinaldo Cervellati

L’antimonio (Sb) è l’elemento n. 51 della tavola periodica, collocato nel gruppo 15, 5° periodo, sotto l’arsenico, a fianco di stagno (a sinistra) e tellurio (a destra). La sua abbondanza nella crosta terrestre è stimata in 0,2-0,5 ppm, alquanto minore di quella dell’arsenico (stima: 1,6-1,8 ppm). L’antimonio si trova talvolta libero in natura, ma più frequentemente in minerali, il principale dei quali è la stibnite o stibina o antimonite (solfuro di antimonio, Sb2S3). È un semimetallo grigio lucente, i suoi composti sono noti fin dall’antichità, usati come cosmetici e rimedi medici, spesso noti con il nome arabo kohl.

Figura 1. Antimonio nativo (a sinistra), Stibnite (a destra)

Il minerale stibnite finemente polverizzato era utilizzato nell’Egitto predinastico come cosmetico per gli occhi già nel 3100 a.C., quando fu inventato il trucco del volto. Un manufatto, ritenuto facente parte di un vaso, risalente al 3000 a.C. circa, fatto con antimonio, fu trovato a Telloh, in Caldea (parte dell’attuale Iraq), e un oggetto di rame placcato con antimonio risalente al 2500-2200 a.C. fu rinvenuto in Egitto.

L’archeologo britannico Roger Moorey (1937-2004) non era convinto che il manufatto di Telloh fosse davvero un vaso, menzionando che I. R. Selimkhanov[1], dopo la sua analisi del reperto, “tentò di mettere in relazione il metallo con l’antimonio naturale transcaucasico” (cioè il metallo nativo) e che ” gli oggetti di antimonio della Transcaucasia sono tutti piccoli ornamenti personali, ciò che indebolisce l’evidenza di un’arte perduta per rendere malleabile l’antimonio “.

Lo studioso romano Plinio il Vecchio (23/24-79 d.C.), nel suo famoso trattato di storia naturale, descrisse diversi modi per preparare il solfuro di antimonio a scopi medici. Fece anche una distinzione tra forme di antimonio “maschili” e “femminili”: la forma maschile è probabilmente il solfuro, mentre la forma femminile, che è superiore, più pesante e meno friabile, è probabilmente antimonio metallico nativo.

Il naturalista greco Pedanius Dioscorides[2] ha scritto che il solfuro di antimonio potrebbe essere arrostito riscaldando in corrente d’aria. Si pensa che con questo sistema abbia prodotto antimonio metallico.

Figura 2. Dioscorides e copertina del De Materia Medica

L’isolamento intenzionale dell’antimonio è descritto da Jabir ibn Hayyan[3] prima dell’815 d.C. La descrizione di una procedura per isolare l’antimonio viene successivamente fornita nel libro De la pirotechnia del 1540 del metallurgista italiano Vannoccio Biringuccio[4], che precede il più famoso libro del 1556 di Agricola[5], il De re metallica. In questo contesto, ad Agricola è stata spesso erroneamente attribuita la scoperta dell’antimonio metallico. L’antimonio metallico era noto al chimico tedesco Andreas Libavius ​​ (1555-1616) nel 1615, che lo ottenne aggiungendo ferro a una miscela fusa di solfuro di antimonio, sale e tartrato di potassio. Questa procedura ha prodotto antimonio con una superficie cristallina stellata.

Con il tramonto della teoria del flogisto, fu riconosciuto che l’antimonio è un elemento che forma solfuri, ossidi e altri composti, così come altri metalli e semimetalli.

La prima scoperta dell’antimonio naturale presente nella crosta terrestre fu descritta nel 1783 da Anton von Swab, scienziato svedese e ingegnere del distretto minerario locale. Il campione studiato fu raccolto nella miniera d’argento di Sala nel distretto minerario Bergslagen, Västmanland, in Svezia.

Dalla forma latina medievale antimonium, l’antimonio prende il nome nel greco tardo bizantino e nelle lingue moderne. L’origine di questo nome è incerta; tutte le ipotesi hanno qualche difficoltà di forma o interpretazione. L’etimologia popolare, da αντίμοναχός (anti-monachos) o antimoine (francese), ha ancora sostenitori; significherebbe “uccisore di monaci”, dal fatto che molti dei primi alchimisti erano monaci e che l’antimonio è molto velenoso.

Figura 3. Simbolo alchemico per l’antimonio

Un’altra interpretazione etimologica popolare è l’ipotetica parola greca ἀντίμόνος antimonos, “contro la solitudine”, spiegata come “non trovato come metallo” o “non trovato non legato”. Fu ipotizzata anche un’ipotetica parola greca ανθήμόνιον (anthemonion), che significherebbe “fiorellino”, nonché alcuni esempi di parole greche correlate che descrivono efflorescenza chimica o biologica.

I primi usi dell’antimonium includono le traduzioni di trattati medici arabi effettuate dal medico africano Costantino nel 1050-1100. Diverse autorità ritengono quindi che antimonium sia una corruzione scribale di qualche forma araba; ad esempio derivata da ithmid; altre possibilità includono athimar, il nome arabo del metalloide, e un ipotetico as-stimmi, derivato o parallelo al greco.

Il simbolo chimico standard per l’antimonio (Sb) è attribuito a Jöns Jakob Berzelius, che ha derivato l’abbreviazione dallo stibio (in latino Stibium).

Gli egiziani chiamavano l’antimonio mśdmt; nei geroglifici le vocali sono incerte, ma la forma copta della parola è CTHM (stēm). La parola greca , stimmi, è probabilmente una parola in prestito dall’arabo o dall’egiziano stm, usato dai poeti tragici attici del V secolo a.C. Successivamente i Greci usarono anche στἰβι (stibi), così come Celso e Plinio, scrivendo in latino, nel Io secolo d.C. Plinio dà anche i nomi stimi, larbaris, alabastro, e il “molto comune” platyophthalmos, “grandangolo” (dall’effetto del cosmetico). Successivamente autori latini adattarono la parola al latino come stibio.

Proprietà

L’antimonio è un semimetallo grigio argenteo brillante con durezza 3 (scala Mohs), poco malleabile quindi non adatto da solo per formare oggetti duri; ha un’elettronegatività 2,05 (scala di Pauling), quindi, in accordo con le tendenze periodiche, è più elettronegativo di stagno o bismuto e meno elettronegativo di tellurio o arsenico. L’antimonio è stabile all’aria a temperatura ambiente, ma reagisce con l’ossigeno se riscaldato per produrre triossido di antimonio, Sb2O3, è resistente all’attacco degli acidi.

Sono noti quattro allotropi: la forma metallica stabile e tre forme metastabili (esplosivo, nero e giallo). Se fuso e lentamente raffreddato, cristallizza in una forma a celle trigonali, isomorfa con l’allotropo grigio dell’arsenico (figura 4).

Figura 4. Struttura dell’antimonio cristallino

Una rara forma esplosiva di antimonio può formarsi dall’elettrolisi del tricloruro di antimonio. Quando graffiato con un attrezzo affilato, si verifica una reazione esotermica e vengono emessi fumi bianchi di antimonio metallico; quando viene strofinato con un pestello in un mortaio, si verifica una forte detonazione. L’antimonio nero si forma con il rapido raffreddamento del vapore di antimonio. Ha la stessa struttura cristallina del fosforo rosso e dell’arsenico nero, si ossida nell’aria e può infiammarsi spontaneamente. A 100 °C, si trasforma gradualmente nella forma stabile. L’allotropo giallo è il più instabile, si forma soltanto se generato dall’ossidazione della stibina (idruro di antimonio, SbH3) a -90 °C. Sopra questa temperatura e alla luce ambientale, questo allotropo metastabile si trasforma nell’allotropo nero più stabile.

L’antimonio elementare adotta una struttura a strati costituiti da anelli concatenati, increspati, a sei membri. I membri più vicini formano un complesso ottaedrico irregolare, con i tre atomi in ciascun doppio strato leggermente più vicini dei tre atomi nel successivo. Questo impacchettamento relativamente vicino porta a una densità di 6,697 g/cm3, ma il debole legame tra gli strati è causa della bassa durezza e fragilità.

L’antimonio ha due isotopi stabili: 121Sb con un’abbondanza naturale del 57,36% e 123Sb con un’abbondanza naturale del 42,64%. Sono noti 35 radioisotopi artificiali, di cui il più longevo è 125Sb con un’emivita di 2,75 anni.

Disponibilità e tendenze future

Anche se questo elemento non è abbondante, si trova in oltre 100 specie minerali, oltre che nel suo minerale predominante che, come già ricordato è la stibnite solfidrica (figura 1).

Nel 2005, il British Geological Survey (BGS) riportò che la Cina era il principale produttore di antimonio con circa l’84% della quota mondiale, seguita a distanza da Sudafrica, Bolivia e Tagikistan.

Nel 2016, secondo lo US Geological Survey (USGS), la Cina rappresentava il 76,9% della produzione totale di antimonio, seguita al secondo posto dalla Russia con il 6,9% e dal Tagikistan con il 6,2% .

La produzione cinese di antimonio dovrebbe diminuire in futuro poiché le miniere e le fonderie saranno chiuse dal governo come politica di controllo dell’inquinamento. Soprattutto a causa dell’entrata in vigore di una nuova legge sulla protezione ambientale nel gennaio 2015 e della revisione degli “Standard di emissione degli inquinanti per Stagno, Antimonio e Mercurio”, gli ostacoli alla produzione sono più elevati. Secondo il National Bureau of Statistics, a settembre 2015 in Cina il 50% della capacità di produzione di antimonio nella provincia di Hunan (la provincia con maggiori riserve di antimonio in Cina) non era stata utilizzata. È quindi improbabile che aumenti nei prossimi anni, anche perché nessun deposito significativo di antimonio in Cina è più stato sfruttato e le rimanenti riserve si stanno rapidamente esaurendo.

Secondo le statistiche dell’USGS, le attuali riserve globali economicamente sfruttabili di antimonio si esauriranno tra 13 anni. Tuttavia, la stessa USGS non esclude che ne saranno trovate altre.

Processi produttivi

L’estrazione dai minerali dipende dalla qualità e dalla composizione del minerale. La maggior parte dell’antimonio viene estratto come solfuro; i minerali a concentrazione inferiore sono concentrati mediante flottazione, mentre quelli a concentrazione maggiore vengono riscaldati a 500–600 °C, la temperatura alla quale la stibnite fonde e viene separata dalla ganga. L’antimonio è quindi isolato dal solfuro di antimonio grezzo mediante riduzione con rottami di ferro:

Sb2S3 + 3Fe → 2Sb + 3FeS

Alternativamente, il solfuro è convertito in ossido; il prodotto viene quindi arrostito, a volte allo scopo di vaporizzare l’ossido di antimonio (III) volatile, che viene recuperato. Questo materiale è spesso utilizzato direttamente per le principali applicazioni, le impurità sono arsenico e solfuro.

L’antimonio metallico viene isolato dall’ossido mediante una riduzione carbotermica:

2Sb2O3 + 3C → 4Sb + 3CO2

I minerali a concentrazione inferiore sono ridotti negli altiforni mentre i minerali a concentrazione superiore sono ridotti nei forni a riverbero.

(continua)

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, p. 4-4

https://en.wikipedia.org/wiki/Antimony

https://it.wikipedia.org/wiki/Antimonio

[1] I. R. Selimkhanov, chimico sovietico, studioso dell’antica metallurgia.

[2] Pedanius Dioscorides (circa 40-90 d.C.) è stato un medico, farmacologo, botanico e scrittore greco, autore del De materia medica (Περὶ ὕλης ἰατρικῆς) trattato di fitoterapia e sostanze medicinali correlate, (una vera farmacopea), che è stato ampiamente usato per oltre 1.500 anni.

[3] Abū Mūsā Jābir ibn Hayyān, (arabo persiano, c. 721 – c. 815 d.C.), è il presunto autore di un numero enorme e varietà di opere in arabo spesso chiamato corpus jabiriano. Lo scopo del corpus è vasto e diversificato e copre una vasta gamma di argomenti, tra cui alchimia, cosmologia, numerologia, astrologia, medicina, magia, misticismo e filosofia.

[4] Vannoccio Vincenzio Austino Luca Biringuccio (Siena, 1480 –1539?) è stato un maestro artigiano nella fusione e nella metallurgia del XV e XVI secolo. Conosciuto soprattutto per il suo manuale di metallurgia, pubblicato nel 1540, che contiene anche la prima descrizione di una procedura per isolare l’antimonio, di cui è considerato lo scopritore.

[5] Georg (o Gregorio) Agricola (1494 – 1555) è stato uno scienziato e mineralogista tedesco. È conosciuto come il padre della mineralogia. Il suo vero nome era Georg Pawer (o Georg Bauer); Agricola è la versione latina del suo nome, poiché Bauer significa contadino.

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Il CO2 ha la responsabilità per i cambiamenti climatici, ma è solo una faccia del carbonio, un elemento per altri aspetti prezioso (si pensi ai metodi di datazione isotopica, alle nuove strutture molecolari del nanocarbonio) e per altri aspetti vero anello di congiunzione fra la materia vivente e quella inanimata.

Fra le strutture del nanocarbonio, il grafene è la più popolare per le applicazioni che ha avuto. Si tratta di  uno strato bidimensionale di atomi di carbonio impacchettati con proprietà elettroniche e meccaniche, considerato chimicamente inerte a causa della stabilità dei legami carbonio/carbonio che costituiscono la rete bidimensionale. Questo è però vero solo nel caso di grafene da solo e non stressato meccanicamente : in presenza di una perturbazione chimica (doping) o fisica la reattività aumenta e può essere modulata.

In presenza di un adsorbato sulla superficie del grafene si produce un’interazione, il cui valore ottimale è funzione del tipo di applicazione.

Ad esempio per l’uso di grafene come elemento attivo in dispositivi elettronici è necessario  che il gap energetico (prodotto dall’interazione) fra banda di valenza e banda di conduzione contenga  il livello di Fermi. In effetti l’adsorbimento di piccole molecole come anche la funzionalizzazione possono consentire che ciò avvenga. Studi teorici suggeriscono che un significativo aumento dell’energia di adsorbimento, che si correla a variazioni delle proprietà elettroniche e chimiche, può essere ottenuto drogando il grafene con atomi donatori o accettori. Anche le vacanze create artificialmente nella struttura del grafene possono essere utili per alcune applicazioni, in particolare nella catalisi e nella sensoristica.

In entrambi i casi è però necessario che adsorbimento e desorbimento siano reversibili.

Un ulteriore studio ha riguardato gli effetti della curvatura locale, ottenuta mediante tensione applicata, del grafene sulla sua reattività giungendo alla conclusione di una possibile finalizzazione del materiale per immagazzinare idrogeno che verrebbe poi rilasciato quando la tensione viene rimossa.

Nanomaterials 2020, 10, 344; doi:10.3390/nano10020344

Mauro Icardi

Nel gran flusso di notizie, che riguardano l’epidemia di coronavirus in corso, è piuttosto facile che ci sfuggano invece notizie diverse. Che si occupano di altre problematiche, e che spesso rischiano di non ricevere la dovuta attenzione.

Il settore del trattamento delle acque, come sostengo ormai da tempo, deve affrontare cambiamenti necessari, e deve farlo con un impegno costante. Impegno che deve coinvolgere una pluralità di soggetti, partendo dai gestori degli impianti e terminando con gli enti di ricerca e quelli di controllo. Ripeto questo invito, proprio perché ritengo di conoscere il settore, e di capire con una certa chiarezza quelle che sono le criticità che deve affrontare. Oltre che a viverle giornalmente sul campo.

Mentre per quanto riguarda i rifiuti è relativamente facile convincere i cittadini, o molti di essi ad effettuare raccolta differenziata, o a cercare di ridurre la quantità di rifiuti, per l’acqua molto spesso il problema risulta più complesso. O meno intuitivo. Nelle nostre acque residue, ma anche parzialmente in quelle per l’approvvigionamento potabile si stanno concentrando un gran numero di inquinanti emergenti. E può sfuggire il legame diretto che si può instaurare tra le nostre azioni personali, e le conseguenze che ne possono derivare per l’ambiente.

Molti inquinanti emergenti finiscono per contaminare le acque probabilmente all’insaputa di molti.

E sono inquinanti costituiti da molecole molto spesso refrattarie all’ordinario trattamento biologico.

Su questo blog abbiamo affrontato molte volte queste tematiche, per esempio parlando di PFAS. Per molecole così refrattarie alla degradazione con meccanismi biologici, è necessario trovare  tecniche alternative di trattamento. In attesa di sostituirle con altre. Dovremmo conoscere ed evitare  l’acquisto di merci che vengono prodotte tramite processi inquinanti e pericolosi. Sia per l’ambiente, che per i lavoratori.    La domanda che spesso mi viene posta  è “cosa si può fare per risolvere questi problemi?”

Una buona notizia è del Dicembre dello scorso anno. Prima che la nostra attenzione si concentrasse, per ovvi motivi, quasi esclusivamente sui problemi legati all’epidemia di Covid 19. Una buona notizia che arriva da un comunicato stampa del Consiglio nazionale delle ricerche  per la Sintesi organica e fotoreattività (Cnr-Isof) e per la Microelettronica e microsistemi (Cnr-Imm). L’ente pubblico di ricerca italiano, in collaborazione con l’università svedese Chalmers ha costruito e testato dei filtri per il trattamento dell’acqua tre volte più efficaci di quelli tradizionali grazie al materiale più sottile del mondo: il grafene.

I filtri sono costituiti da ossido di grafene e membrane di polisolfone (PSU). Il PSU è un polimero amorfo ad alte prestazioni, presenta una serie di eccellenti proprietà termiche, meccaniche ed elettriche. E’ trasparente (ambrato) ed ha un elevata stabilità all’idrolisi (resiste a ripetuti cicli di sterilizzazione a vapore), che lo rende ideale per l’utilizzo nell’industria alimentare e per attrezzature mediche.

L’accoppiamento di questi due materiali riesce a catturare contaminanti organici, molecole costituenti principi attivi di farmaci, cosmetici o detergenti che spesso non sono eliminati dai trattamenti convenzionali e che possono contaminare le acque della rete idrica.

Le prove per verificare la capacità di filtraggio del nuovo materiale sono state effettuate su campioni di acque contaminate con sostanze come il colorante rodamina, usato nell’industria tessile e farmaceutica, e principi attivi di antibiotici, antinfiammatori, colliri.

I coordinatori del gruppo di lavoro, Manuela Melucci e Vincenzo Palermo di Cnr-Isof hanno dichiarato: “Abbiamo realizzato filtri capaci di catturare contaminanti organici, molecole costituenti principi attivi di farmaci, cosmetici o detergenti che spesso non sono eliminati dai trattamenti convenzionali e che possono contaminare le acque della rete idrica”.

Secondo Palermo, vicedirettore del progetto europeo Graphene Flagship, le eccellenti prestazioni di questi nuovi filtri sono dovute alla struttura dell’ossido di grafene: la disposizione a strati dei foglietti di carbonio del grafene separati tra loro da distanze molto piccole che si possono controllare, è ideale per intrappolare le molecole contaminanti. Le membrane, inoltre, rileva Melucci, “possono essere recuperate dopo l’uso, lavate con un solvente per rimuovere i contaminanti che hanno raccolto e usate nuovamente”.

Questa è una realizzazione che è davvero molto importante e promettente. La realizzazione è già coperta da una domanda di brevetto internazionale. Si tratta di un altro passo avanti nel perfezionamento e nella scoperta di nuove tecniche di trattamento dell’acqua. Fortemente minacciata nella sua qualità originaria. Troppo spesso ci dimentichiamo il ruolo fondamentale che ha nel permettere lo sviluppo della vita. Intendendo come vita quella dell’intera biosfera, non limitiamo la nostra visione ai soli esseri umani.

Un altro non trascurabile aspetto di questa realizzazione, è che la chimica dei materiali ne è la protagonista. Grafene e Polisolfone sono materiali che nascono tramite la chimica. Quella dei ricercatori e quella dei tecnici di laboratorio e di quelli delle linee produttive. E questa è un’altra buona notizia. Che rende in parte giustizia della ormai proverbiale avversione generalizzata che molti hanno nei confronti di una scienza che può avere avuto luci ed ombre. Ma senza la quale la nostra vita quotidiana sarebbe davvero molto diversa da come la conosciamo. C’è bisogno di chimica per il trattamento delle acqua, e più in generale del risanamento ambientale.

 E’ fortemente auspicabile che, dalla dimensione delle prove di Laboratorio, il filtro possa poi essere utilizzato nelle reti acquedottistiche, o nei trattamenti terziari degli impianti di depurazione. Servono altri segnali incoraggianti come questo. Ma non basta. Dobbiamo anche imparare a rispettare il pianeta nel quale viviamo. Che pensiamo ci appartenga di diritto. Non è cosi. Lo abbiamo da sempre in prestito per le generazioni future, dobbiamo ricordarcelo sempre. Se non comprendiamo questo, qualunque realizzazione, qualunque scoperta, per quanto promettente e meravigliosa, perderebbe il suo significato.

La ricerca e conseguentemente le applicazioni tecniche che ne derivano da sole non bastano. Dobbiamo mettere in discussione il ruolo che abbiamo nelle trasformazioni permanenti che stiamo apportando al pianeta. Dobbiamo modificare gli stili di vita, essere capaci di diventare davvero resilienti. Di resistere alla lusinghe di un consumismo acritico. Di ripensare e criticare profondamente il pensiero unico, che vede capitalismo e liberismo incontrollati come unici sistemi economico- sociali possibili. Le leggi naturali e quelle fisiche ci dicono qualcosa di molto diverso.

https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/9135/nano-fogli-di-grafene-catturano-nuovi-contaminanti-nell-acqua-potabile

https://graphene-flagship.eu/

“

Vincenzo Balzani

Qui sotto due documenti: un comunicato di Vincenzo Balzani ed altri scienziati ed un’analisi tecnica contro una proposta del Governo attuale, un grande impianto CCS, ossia di cattura e immagazzinamento della CO2 (CCS) presso Ravenna.

Il CCS è ritenuto in alcuni circoli internazionali uno strumento contro il GW; a 5 anni dall’accordo di Parigi la battaglia per la riduzione delle emissioni non decolla poiché richiederebbe una decisa sterzata contro le aziende che si occupano di energia fossile (in Italia ENI) e che detengono un enorme potere economico. Ed allora si cerca una via di mezzo che non esclude l’uso dei fossili ma che intenderebbe catturare le loro emissioni col CCS: ossia intercettare le emissioni ed indirizzarle in depositi geologici profondi.

Ci sono pochi esempi di questo tipo di strategia, i principali negli USA, i tentativi fatti in altri paesi sono stati dopo tutto limitati; recentemente un documento della Corte dei Conti Europea  ha riconosciuto il sostanziale fallimento delle politiche europee in questo settore, ma gli interessi costituiti non demordono e tornano spesso alla ribalta chiedendo poi grandi investimenti allo Stato (che casomai li toglie a Sanità, Scuola e Ricerca).

La scienza sul tema si è espressa più volte per esempio con  un lavoro di Sgouris Sgouridis e collaboratori, fra cui il nostro Ugo Bardi, pubblicato su Nature Energy che dopo aver analizzato il ritorno energetico del metodo conclude che il CCS non regge il confronto con le moderne tecnologie rinnovabili con accumulo: renewables plus storage provide a more energetically effective approach to climate mitigation than constructing CCS fossil-fuel power stations.

Buona lettura.

1) Energia per l’Italia

Comunicato Stampa

Il progetto ENI di costruire a Ravenna il più grande centro mondiale per lo stoccaggio dell’anidride carbonica (CO2) è un enorme rischio finanziario senza certezze dal punto di vista climatico e ambientale

Nella conferenza stampa tenuta al termine degli Stati generali dell’Economia a Roma, il presidente Conte ha annunciato che fra le azioni per risolvere il problema energetico nascerà a Ravenna il più grande centro al mondo di cattura e stoccaggio di CO2.

Come è noto, la CO2 è un gas generato dall’uso dei combustibili fossili che, immesso nell’atmosfera, contribuisce a creare l’effetto serra e il conseguente cambiamento climatico.

Secondo gli scienziati dell’IPCC (un comitato che agisce sotto il patrocinio dell’ONU), per evitare un catastrofico cambiamento climatico, definito il pericolo più grave per l’umanità, è necessario azzerare le emissioni di CO2 entro il 2050. Questo è quanto prevede l’Accordo di Parigi, al quale hanno aderito praticamente tutte le nazioni del mondo, compresi gli Stati Uniti che poi, con Trump presidente, sono usciti dall’accordo. Le azioni sono urgenti, perché lo “spazio” rimasto per nuove emissioni è limitato, quindi si debbono realizzare entro il 2030 piani di riduzione delle emissioni nette.

La strada maestra per raggiungere l’obiettivo dell’azzeramento delle emissioni di CO2 entro il 2050 è la progressiva riduzione dell’uso dei combustibili fossili da attuare con una graduale transizione alle energie rinnovabili (Sole, vento e acqua) che non producono né CO2 né sostanze inquinanti. Le compagnie petrolifere invece, prima fra tutte ENI, stanno intensificando le ricerche in tutto il mondo e, con il loro grande potere, operano a tutti i livelli e con ogni mezzo per evitare che i combustibili fossili vengano messi al bando entro il 2050.

Secondo le compagnie petrolifere si può continuare ad usare i combustibili fossili evitando che la CO2 prodotta sia immessa in atmosfera e, addirittura, anche prelevando dall’atmosfera la CO2 già emessa. Queste operazioni, indicate con la sigla CCS (Carbon Capture and Sequestration), implicano la cattura della CO2 emessa o già in atmosfera e il suo immagazzinamento in giacimenti esauriti di idrocarburi. Questo processo, oltre ad essere poco logico, poiché si versano in atmosfere quantità sempre maggiori di CO2 per poi ricatturarle e sequestrarle, è complesso dal punto di vista ambientale; molto costoso; e richiede un forte sviluppo perché è ancora a livello di ricerca.

Infine, è solo una parte del complesso mosaico di interventi necessari per mantenere l’aumento di temperatura entro 1.5 (o 2) °C. Deve essere armonizzato con tutte le azioni che riguardano la pianificazione energetica e l’uso efficiente dell’energia.

L’adozione delle tecnologie CCS è critica per diversi motivi:

• lo stoccaggio nel sottosuolo è rischioso perché non sono noti i suoi effetti sismici. Tale rischio è ancora maggiore in una zona fragile come la costa di Ravenna, dove sono in corso significativi fenomeni di subsidenza.
• teoricamente può compensare le emissioni derivate dalla produzione di energia da fonti fossili, mantenendo quasi invariata l’attuale proporzione tra fonti energetiche rinnovabili e fossili. Tuttavia, i combustibili fossili sono limitati, quindi questa soluzione non può essere strutturale, ma solo temporanea, rendendo estremamente critici gli aspetti economico-finanziari dell’investimento.
• la cattura di CO2 all’interno degli impianti di produzione di energia da fonti fossili riduce le prestazioni del 10%-20%. I costi di produzione dell’energia sarebbero sostanzialmente raddoppiati. In alternativa, si può catturare la CO2 dall’aria, anche se non esistono tecnologie mature e verificate. Oppure, si può catturare la CO2 all’interno di impianti di conversione di biomasse in energia. Quest’ultima opzione avrebbe un forte impatto sull’uso del suolo agricolo e sulle emissioni di metano e NOx.
• oggi non esistono progetti industriali maturi relativi al CCS; si è ancora alla fase di ricerca. In Norvegia, che è il maggiore produttore europeo di idrocarburi, un report indipendente commissionato da Governo ha analizzato la possibile realizzazione di un impianto di stoccaggio di CO2 nei giacimenti esauriti del Mare del Nord. Tale progetto è stato valutato un potenziale disastro finanziario e il Governo sta valutando di sospendere il progetto stesso.

In conclusione, riteniamo non opportuno investire ingenti risorse pubbliche nella realizzazione di un sistema di stoccaggio di CO2, perché i risultati non sono garantiti, né dal punto di vista della sicurezza, né dal punto di vista climatico.

Le stesse risorse debbono essere investite sulle energie rinnovabili, sugli impianti di accumulo di energia elettrica, sull’efficienza energetica degli edifici e delle attività produttive e commerciali, settori con alta intensità di occupazione. Ovvero, debbono essere investite su tecnologie mature e disponibili che garantiscono una rapida riduzione delle emissioni a effetto serra, tecnologie che attendono solo di essere utilizzate.

Vincenzo Balzani

Coordinatore di Energia per l’Italia

vincenzo.balzani@unibo.it

Vincenzo Balzani

energiaperlitalia

2) Carbon capture and storage con riferimento al progetto ENI di Ravenna

I rapporti più recenti di IPCC confermano che è necessario raggiungere entro il 2050 un livello zero di emissioni di CO2, per limitare a 1.5 °C  l’aumento di temperatura rispetto all’epoca pre-industriale. IPCC ha simulato quattro scenari (Figura 1) che raggiungono l’obiettivo di portare a zero le emissioni di CO2 nel 2050 attraverso strategie diverse che in ogni caso richiedono azioni immediate [1].

Figura 1.  Quattro scenari per la riduzione delle emissioni nette di CO2 [1]

Le tecnologie per la cattura della anidride carbonica prodotta dalle combustioni sono genericamente indicate con la sigla CCS,   ma si possono distinguere tre casi:

– Carbon Capture and Storage (CCS): cattura di CO2 in impianti di produzione di energia elettrica da fonti fossili. Esistono due opzioni: pre-combustione o post-combustione. Nel primo caso, con un processo di gassificazione si separa l’idrogeno dalla CO2 prima della combustione dell’idrocarburo. Nel secondo caso, la CO2 viene separata dai gas esausti della combustione attraverso solventi liquidi, come ammine.

– Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS). Durante la produzione di bioenergia, ottenuta con la combustione di biomasse naturali, si applicano i processi di carbon capture.

– Direct Air Capture of CO2 (DACS), ovvero cattura diretta dall’aria della CO2, attraverso membrane o filtri.

A esse si aggiungono processi naturali come la riforestazione o la rigenerazione del suolo.

Quattro scenari

I quattro scenari P1-P4 illustrati nella Figura 1 sono molto diversi in termini di impatto sull’ecosistema (AFOLU = Agriculture, Forestry and Other Land Use).

Nel primo scenario la riduzione di emissioni è basata sul “supply-side”, attraverso l’uso di energie rinnovabili; i consumi sono ridotti attraverso l’aumento dell’efficienza energetica e la modifica del comportamento delle persone; non si adottano tecnologie per il CCS a esclusione della forestazione. Questo primo scenario è il più ragionevole ed è quello con meno imprevisti. Richiede azioni immediate per ridurre le emissioni del 60% nel 2030 (rispetto al 2010), ovvero una riduzione del 8% circa ogni anno. E’ un obiettivo possibile, ma per realizzarlo è necessaria una profonda e coordinata azione di ristrutturazione del sistema energetico mondiale.

Nel secondo scenario, si utilizzano anche tecnologie CCS, per una quota totale pari a 348 Gton CO2 nel periodo 2020-2100, ovvero circa 12% delle emissioni annuali attuali, supponendo che la quota di CCS sia costante nel periodo 2030-2100. Le tecnologie adottate prevedono per circa metà l’uso di BECCS.

Nel terzo scenario, l’uso di CCS è molto maggiore, per una quota totale pari a 687 Gton CO2 nel periodo 2020-2100, ovvero circa 25% delle emissioni annuali attuali, supponendo che la quota di CCS sia costante nel periodo 2030-2100. Oltre il 60% del CCS è realizzato attraverso BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage). In questo scenario la produzione di energia da gas naturale è aumentata del 30% nel 2050 rispetto ai livelli del 2010 e la produzione di energia da petrolio è mantenuta ai livelli attuali.

Nel quarto scenario, l’uso di CCS è ancora maggiore, per una quota totale pari a 1218 Gton CO2 nel periodo 2020-2100, ovvero circa 43% delle emissioni annuali attuali, supponendo che la quota di CCS sia costante nel periodo 2030-2100. Oltre il 95% del CCS è realizzato attraverso BECCS. In questo scenario, la produzione di energia da gas naturale è aumentata del 37% nel 2050 rispetto ai livelli del 2010 e la produzione di energia da petrolio è aumentata nel 2050 del 86% rispetto ai livelli attuali.

Nel terzo e quarto scenario, l’uso di BECCS ha un forte impatto sull’agricoltura, in particolare sono richieste nuove aree coltivate per un’estensione di 2.8 e 7.2 milioni di km2, rispettivamente, con un conseguente aumento di emissioni di CH4 e N2O da parte del settore agricoltura.

I tre scenari basati sul CCS appaiono poco logici (si versano in atmosfere quantità sempre maggiori di CO2 per poi ricatturarla e sequestrarla), sono molto complessi dal punto di vista ambientale, molto costosi e richiedono un forte sviluppo di una tecnologia che è ancora a livello di ricerca.

Figura 2. Grado di accettabilità delle varie tecniche collegate alla riduzione di CO2 in atmosfera

La CO2 recuperata con processi CCS andrebbe in piccola parte utilizzata per scopi alimentari o agricoli e, in massima parte, immagazzinata nel sottosuolo in caverne dove siano presenti materiali inerti porosi che possano conservare la CO2 senza reazioni per tempi geologici.

Gli effetti dello stoccaggio di CO2 su terremoti indotti sono controversi. e, in generale, tutte le tecnologie di cattura e accumulo sono molto costose. Oggi non esistono, di fatto, progetti industriali maturi, ma si è ancora in una fase di ricerca.

Problemi

• Non è possibile realizzare uno stoccaggio di CO2 senza una visione globale, ovvero senza una pianificazione di tutte le azioni necessarie, in coordinamento con la comunità internazionale.
• Lo stoccaggio di CO2 in caverne sottomarine è potenzialmente rischioso dal punto di vista geologico. Non è chiaro se siano stati valutati possibili effetti sulla sismicità indotta o innescata e sulla subsidenza della costa di Ravenna, fenomeni già in corso in modo significativo.
• In termini quantitativi IEA assume che la CCS abbia un ruolo marginale. Sembra invece che progetto CCS ENI di Ravenna sia il principale intervento previsto dal Governo italiano per contrastare i cambiamenti climatici.
• L’uso di tecnologie CCS è legato allo scopo di continuare la produzione di energia da fonti fossili; prevede infatti di mantenere quasi invariata la proporzione tra fonti energetiche rinnovabili e fossili. Rimane quindi il problema del limite delle risorse fossili, che sono in esaurimento.
• L’uso di tecnologie CCS diminuisce le prestazioni delle centrali alimentate da combustibili fossili con una riduzione di efficienza variabile tra 10 e 20%. Di conseguenza, il margine di profitto degli impianti di produzione di energia elettrica si riduce in maniera rilevante, raddoppiando, di fatto il costo di produzione dell’energia elettrica.
• Un recentissimo report indipendente, commissionato dal governo norvegese per valutare un grande progetto CCS per lo stoccaggio di CO2 nei giacimenti esauriti del Mare del Nord, definisce questa iniziativa un potenziale disastro finanziario. La Norvegia è il maggiore produttore europeo di idrocarburi. Il governo norvegese si è riservato di decidere se portare avanti o abbandonare il progetto entro il 2020 [5].

In conclusione, le tecnologie CCS sono ancora in una fase di ricerca e la loro adozione è controversa all’interno della comunità scientifica internazionale. Non è consigliabile basare una parte consistente degli investimenti e della strategia nazionale su impianti pilota per CCS. In ogni caso, è necessario progettare una strategia complessiva per mantenere l’aumento di temperatura globale entro 1.5 °C, in accordo alla Comunità Europea e agli organismi internazionali.

Bibliografia

[1] IPCC, 2018: Summary for Policymakers. In: Global Warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J.B.R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M.I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, and T. Waterfield (eds.)]. In Press.

[2] David Sandalow, Julio Friedmann, Colin McCormick, Sean McCoy, “Direct Air Capture of Carbon Dioxide”, ICEF Roadmap 2018, https://www.globalccsinstitute.com.

[3] Mario Marchionna, “CCS technology in the oil&gas industry”, la Chimica e l’Industria, luglio-agosto 2012.

[4] Sarang Supekar, Steven Skerlos, “Reassessing the efficiency penalty from carbon capture in coal-fired power plants”, Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 12576−12584.

[5] Mikael Holter, “Norway Warned $2.6 Billion Carbon Capture Plan May Be Too Costly”, Bloomberg News, 25 giugno 2020.

Rinaldo Cervellati

L’ossido di etilene, formula bruta C2H4O, è un importante prodotto di base per la fabbricazione di plastiche (resine epossidiche), detergenti e solventi, nonché per i liquidi antigelo che contengono il suo derivato, glicole etilenico. La struttura di questo ossido è mostrata in figura 1.

Figura 1. Struttura dell’ossido di etilene

Viene prodotto facendo reagire ossigeno ed etilene su un catalizzatore a base di argento a temperature di 200–300 °C e pressioni fino a 3 MPa, e la reazione genera quasi la stessa quantità di gas serra CO2 e  di ossido di etilene. Più della metà di questa CO2 proviene dall’ossidazione dell’etilene, il resto viene emesso dai combustibili fossili utilizzati per alimentare il processo.

Un approccio elettrochimico potrebbe contenere queste emissioni, ma dovrebbe superare due grandi problemi. Il primo è che l’etilene è scarsamente solubile in acqua, il solvente elettrolitico preferito utilizzato all’interno delle celle elettrochimiche. La bassa solubilità ostacolerebbe l’interazione dell’etilene con l’anodo della cella riducendo l’efficienza del processo di ossidazione. Aumentare la potenza della cella potrebbe migliorare il tasso di produzione di ossido di etilene, ma creerebbe il secondo problema: una eccessiva ossidazione dell’etilene, generando troppa indesiderata CO2.

Mark Peplow, l’11 giugno, su C&EN newsletter, riporta la notizia di un nuovo processo elettrochimico per produrre ossido di etilene a bassa emissione di diossido di carbonio (Electrochemistry cuts CO2 footprint of synthesizing ethylene oxide, C&EN, Vol. 98, n. 23, 2020).

Il gruppo di ricerca coordinato dal Prof. Edward H. Sargent[1] all’Università di Toronto ha risolto questi  problemi usando ioni cloruro nell’elettrolita come veicolo per trasportare la carica tra l’anodo della cella e l’etilene per migliorarne l’ interazione [1].

Edward H. Sargent

“Gli ioni cloruro fungono da mediatore redox”, spiega Wan Ru Leow, che ha guidato la ricerca del gruppo.

Wan Ru Leow

Mentre la corrente scorre attraverso l’anodo della cella elettrochimica, converte gli ioni cloruro in cloro (Cl2), che forma acido ipocloroso (HOCl) e acido cloridrico (HCl). L’acido ipocloroso reagisce quindi con etilene formando cloridrina etilenica (1-cloro-2-idrossietano):

2Cl– → Cl2 + 2e– (1)

Cl2 + H2O ⇋ HOCl + HCl (2)

C2H4 + HOCl → HOCH2CH2Cl (3)

Nel frattempo, al catodo avviene la riduzione dell’acqua con rilascio di anioni idrossido e idrogeno gassoso, che può essere raccolto come prodotto secondario:

2H2O + 2e– → H2 + 2OH– (4)

La cella realizzata dal gruppo canadese è provvista di una membrana che separa i due compartimenti, anodico e catodico, impedendo la miscelazione delle soluzioni fra i comparti.

Dopo che si sono verificate le reazioni dell’anodo e del catodo, i ricercatori rimuovono le due soluzioni dalla cellula e le combinano, consentendo all’etilene cloridrina di reagire con l’idrossido e produrre ossido di etilene:

HOCH2CH2Cl + OH– → C2H4O + Cl– + H2O (5)

HCl + OH– → Cl– + H2O (6)

La reazione globale è quindi la seguente:

C2H4 + H2O → C2H4O + H2  (7)

Leow afferma che in un processo industriale, queste operazioni potrebbero potenzialmente essere eseguite in un sistema a flusso continuo per migliorare ulteriormente l’efficienza.

Complessivamente, circa il 70% della corrente elettrica fornita alla cella contribuisce a ottenere il prodotto con un’efficienza ragionevolmente elevata e non produce emissioni di CO2. Circa il 97% dell’etilene che reagisce viene trasformato nell’epossido desiderato, e in linea di principio l’etilene non reagito potrebbe essere fatto ricircolare attraverso la cella, afferma il gruppo di ricerca. La cella converte anche il propilene in ossido di propilene con una efficienza simile.

L’elettrosintesi opera con un’alta densità di corrente fino a 1 A/cm2, che stabilisce la quantità di materiale che può essere prodotta da un determinato elettrodo.

“È abbastanza eccezionale“, afferma Karthish Manthiram dell Massachusetts Institute of Technology (USA), che sta sviluppando metodi elettrochimici per produrre epossidi e non è coinvolta nel nuovo lavoro. “Hanno impiegato la stessa densità necessaria per le operazioni industriali”.

I ricercatori canadesi hanno anche effettuato un’analisi tecnoeconomica del loro processo e hanno concluso che in condizioni ottimali il processo potrebbe produrre ossido di etilene ad un costo di circa $1.500 per tonnellata, corrispondente al processo convenzionale.

L’anno precedente, il gruppo di Sargent aveva presentato un metodo elettrochimico per ridurre la CO2 in etilene [2]. Combinando questo metodo con il nuovo processo elettrochimico, il gruppo ha anche dimostrato che potrebbe convertire la CO2 in ossido di etilene.

Un impianto pilota a Calgary che applica il processo CO2-etilene del gruppo è già in grado di produrre 100 kg di etilene al giorno e Sargent afferma che potrebbe essere possibile modificare l’impianto per testare il nuovo processo di produzione su una simile scala. Aggiunge che c’è un crescente interesse commerciale in questi processi: “L’industria chimica globale è ansiosa di vedere come si potrebbe decarbonizzare il settore“.

Bibliografia

[1] W. R. Leow et al., Chloride-mediated selective electrosynthesis of ethylene and propylene oxides at high current density., Science, 2020, 368, 1228–1233. DOI: 10.1126 / science.aaz8459

[2] F. Li et al., Molecular tuning of CO2-to-ethylene conversion., Nature, 2020, 577,509–513.

[1] Edward H. Sargent è professore ordinario nel Dipartimento di Ingegneria elettronica e informatica dell’Università di Toronto. Ricopre la cattedra di nanotecnologie ed è prorettore per gli affari internazionali dell’Università.

Rinaldo Cervellati

Applicazioni

Metallurgia

Il forte aumento della resistenza alla corrosione ha reso il cromo un importante materiale per l’acciaio. Gli acciai per utensili contengono tra il 3 e il 5% di cromo.

Figura 7. Set di posate in acciaio al cromo

L’acciaio inossidabile, la lega metallica resistente alla corrosione primaria, si forma quando il cromo è introdotto nel ferro in concentrazioni sufficienti, di solito superiore all’11%. Per la formazione dell’acciaio inossidabile, il ferrocromo è aggiunto al ferro fuso. Inoltre, le leghe a base di nichel aumentano di resistenza a causa della formazione di particelle di metallo duro stabili ai bordi della lega. Ad esempio, Inconel 718 contiene il 18,6% di cromo. A causa delle eccellenti proprietà ad alta temperatura di queste superleghe al nichel-cromo, sono utilizzate nei motori a reazione e nelle turbine a gas al posto dei comuni materiali strutturali.

La relativa elevata durezza e resistenza alla corrosione del cromo non legato lo rende un metallo affidabile per il rivestimento superficiale; è ancora il metallo più popolare per il rivestimento in lamiera con una durata superiore alla media rispetto ad altri metalli di rivestimento. Uno strato di cromo viene depositato su superfici metalliche pretrattate mediante tecniche galvaniche. Esistono due metodi di deposizione: sottile e spesso. La deposizione sottile comporta uno strato di cromo inferiore a 1 µm di spessore depositato dalla cromatura e viene utilizzata per superfici decorative. Gli strati di cromo più spessi vengono depositati se sono necessarie superfici resistenti all’usura. Entrambi i metodi utilizzano soluzioni di cromato acido o dicromato. Tuttavia, a causa delle normative ambientali e sanitarie sui cromati (cromo esavalente), sono in fase di sviluppo metodi di rivestimento alternativi. L’elevata tossicità dei composti di Cr(VI), utilizzati nel processo di galvanoplastica e il rafforzamento delle norme di sicurezza e ambientali richiedono la ricerca di sostituti del cromo o almeno una modifica che utilizzi composti di cromo (III) meno tossici.

Pigmenti

Il minerale crocoite è stato utilizzato come pigmento giallo poco dopo la sua scoperta. Dopo che un metodo di sintesi divenne disponibile a partire dalla più abbondante cromite, il giallo cromo era, insieme al giallo cadmio, uno dei pigmenti gialli più usati. Il pigmento non fotodegrada, ma tende a scurirsi a causa della formazione di ossido di cromo (III). Ha un colore deciso ed è stato utilizzato per gli scuolabus negli Stati Uniti e per il servizio postale (ad esempio Deutsche Post) in Europa. Da allora l’uso del giallo cromo è diminuito a causa di problemi ambientali e di sicurezza, ed è stato sostituito da pigmenti organici o altre alternative prive di piombo e cromo. Altri pigmenti che si basano sul cromo sono, ad esempio, la tonalità profonda del pigmento rosso cromo, che è semplicemente cromato di piombo con idrossido di piombo (II) (PbCrO4·Pb(OH)2). Il verde cromo è una miscela di blu di Prussia (esacianoferrato (III) di ferro (II), KFe(II)[Fe(III)(CN)6]) e giallo cromo, mentre il verde di ossido di cromo è semplicemente ossido di cromo (III).

Gli ossidi di cromo sono anche usati come pigmento verde nel campo della lavorazione del vetro e anche come smalto per ceramiche. L’ossido di cromo verde è estremamente resistente alla luce e come tale viene utilizzato nei rivestimenti di lamiere. È anche l’ingrediente principale nelle vernici riflettenti agli infrarossi, utilizzate dalle forze armate per dipingere i veicoli e per dare loro la stessa riflettanza agli infrarossi delle foglie verdi.

Altri impieghi

Gli ioni di cromo (III) presenti nei cristalli di corindone (ossido di alluminio) li colorano in rosso; quando il corindone assume questo colore, è noto come rubino.

Figura 8. Rubino (corindone rosso)

Un rubino artificiale di colore rosso può anche essere ottenuto drogando con cromo (III) cristalli di corindone artificiale, rendendo così il cromo un requisito per la produzione di rubini sintetici. Un tale cristallo di rubino sintetico costituiva la base del primo laser, prodotto nel 1960, che si basava sull’emissione stimolata di luce dagli atomi di cromo in tale cristallo.

Figura 9. Componente di un laser a rubino

A causa della loro tossicità, i sali di cromo (VI) sono utilizzati per la conservazione del legno. Ad esempio, l’arsenato di rame cromato (CCA) è utilizzato nel trattamento del legno per proteggerlo da funghi in decomposizione, insetti che attaccano il legno, comprese le termiti e trivellatori marini. Le formulazioni contengono anidride cromica (CrO3) tra il 35,3% e il 65,5%.

I sali di cromo (III), in particolare l’allume di cromo e il solfato di cromo (III), vengono utilizzati nella concia delle pelli. Il cromo (III) stabilizza la pelle legando in modo incrociato le fibre di collagene. Le pelli conciate al cromo possono contenere tra il 4 e il 5% di cromo, che è strettamente legato alle proteine. Sebbene la forma di cromo utilizzata per la concia non sia la varietà esavalente tossica, permane un notevole interesse per il cromo nell’industria conciaria. Recupero e riutilizzo, riciclaggio diretto/indiretto, e concia “senza cromo” sono praticati per gestire meglio il suo utilizzo.

L’elevata resistività al calore e l’alto punto di fusione rendono la cromite e l’ossido di cromo (III) un materiale refrattario ad alta temperatura, come altiforni, forni per cemento, stampi per la cottura di mattoni e sabbie di fonderia per la fusione di metalli. In queste applicazioni, i materiali refrattari sono realizzati con miscele di cromite e magnesite. Tuttavia questo impiego è in calo a causa delle normative ambientali dovute alla possibilità di formazione di cromo esavalente.

Numerosi composti di cromo sono utilizzati come catalizzatori per la sintesi di idrocarburi e plastiche polietileniche.

Ruolo biologico

Gli effetti biologicamente benefici del cromo (III) continuano a essere oggetto di controversie. Alcuni esperti ritengono che riflettano risposte farmacologiche piuttosto che nutrizionali, mentre altri suggeriscono che sono effetti collaterali di un metallo tossico. Il cromo è accettato dal National Institutes of Health degli Stati Uniti come oligoelemento per il suo ruolo nell’azione dell’insulina, un ormone fondamentale per il metabolismo e la conservazione di carboidrati, grassi e proteine. Il preciso meccanismo delle sue azioni nel corpo, tuttavia, non è stato completamente definito, mettendo  in discussione se il cromo è essenziale per le persone sane.

Al contrario, il cromo esavalente (Cr(VI)) è altamente tossico e mutageno quando inalato. L’ingestione di cromo (VI) nell’acqua è stata collegata a tumori allo stomaco e può anche causare dermatite allergica da contatto.

La carenza di cromo, che comporta una mancanza di Cr(III) nel corpo, o forse un suo complesso come fattore di tolleranza al glucosio, è controversa. Alcuni studi suggeriscono che la forma biologicamente attiva di cromo (III) sia trasportata nel corpo attraverso un oligopeptide a basso peso molecolare che legherebbe il cromo (LMWCr), svolgendo un ruolo nel metabolismo dell’insulina.

Il contenuto di cromo degli alimenti comuni è generalmente basso (1-13 microgrammi per porzione) e varia ampiamente a causa delle differenze nel contenuto di minerali nel suolo, nella stagione di crescita, nella cultivar delle piante e nella contaminazione durante la lavorazione. Inoltre, il cromo (e il nichel) penetra negli alimenti cotti in acciaio inossidabile, con effetto maggiore quando le pentole sono nuove. Anche gli alimenti acidi come la salsa di pomodoro che vengono cotti per molte ore aggravano questo effetto.

Vi è disaccordo sul cromo come oligoelemento essenziale. Gli Istituti per la Salute di Australia, Nuova Zelanda, India, Giappone e Stati Uniti considerano il cromo essenziale, mentre l’Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA), che rappresenta l’Unione europea, non lo considera tale. Quindi è inutile riportare dosi di assunzione giornaliera raccomandate.

Diffusione nell’ambiente, tossicità e precauzioni

Il cromo è naturalmente presente nell’ambiente in tracce, ma i suoi impieghi industriali contaminano i sistemi acquatici. I fiumi dentro o a valle delle aree industrializzate presentano contaminazioni dai suoi composti. La quantità standard  nell’acqua per il cromo è 0,1 mg/L, ma in alcuni fiumi è anche cinque volte superiore. Lo standard per i pesci destinati al consumo umano è inferiore a 1 mg/kg, ma in molti campioni testati è risultata più di cinque volte superiore. Il cromo, in particolare il cromo esavalente, è altamente tossico per i pesci perché è facilmente assorbito attraverso le branchie, entra rapidamente nella circolazione sanguigna, attraversa le membrane cellulari e si diffonde nella catena alimentare. Al contrario, la tossicità del cromo trivalente è molto bassa, attribuita alla scarsa permeabilità della membrana e alla scarsa biomagnificazione.

L’esposizione acuta e cronica al cromo (VI) influenza il comportamento, la fisiologia, la riproduzione e la sopravvivenza dei pesci. Nei pesci adulti sono stati segnalati danni istopatologici a fegato, reni, muscoli, intestino e branchie.

I composti di cromo (III) insolubili in acqua e il cromo metallico non sono considerati un pericolo per la salute, mentre la tossicità e le proprietà cancerogene del cromo (VI) sono note da molto tempo. A causa dei meccanismi specifici di trasporto, solo una quantità limitata di cromo (III) entra nelle cellule. La tossicità acuta per via orale varia tra 50 e 150 mg/kg.

La tossicità acuta per via orale del cromo (VI) varia tra 1,5 e 3,3 mg/kg. Nel corpo umano, il cromo esavalente è ridotto a cromo (III) già nel sangue prima che entri nelle cellule. Questo viene escreto dal corpo, mentre lo ione cromato viene trasferito nella cellula da un meccanismo di trasporto, attraverso il quale anche gli ioni solfato e fosfato entrano nella cellula. La tossicità acuta del cromo (VI) è dovuta alle sue forti proprietà ossidanti. Dopo che raggiunge il flusso sanguigno, danneggia i reni, il fegato e le cellule del sangue attraverso reazioni di ossidazione. Risultato: emolisi, insufficienza renale ed epatica.

La cancerogenicità della polvere di cromato è nota da molto tempo, già nel 1890 una prima pubblicazione descriveva l’elevato rischio di cancro dei lavoratori in una fabbrica di coloranti.  Sono stati proposti tre meccanismi per descrivere la genotossicità del cromo esavalente. Il primo meccanismo include radicali idrossilici altamente reattivi e altri radicali  prodotti dalla riduzione del cromo (VI) a cromo (III). Il secondo processo include il legame diretto del cromo (V), prodotto dalla riduzione nella cellula, e dei composti di cromo (IV) al DNA. L’ultimo meccanismo ha attribuito la genotossicità al legame con il DNA del prodotto finale della riduzione a cromo (III).

I sali di cromo (cromati) sono anche causa di reazioni allergiche e dermatiti da contatto in alcune persone, specialmente nei lavoratori delle industrie conciarie e tintorie.

Riciclaggio

Il riciclaggio dei rifiuti di lavorazione delle leghe contenenti cromo metallico dell’industria metallurgica e di oggetti scartati da privati perché diventati obsoleti viene generalmente effettuato da ditte specializzate, come ad esempio la tedesca RS-Recycling GmbH. Un report USA non troppo recente riporta che la quantità stimata riciclata era di circa 99 mt di cromo. Gran parte di questo materiale (97 mt di cromo) era contenuto in acciaio inossidabile e superleghe. Quasi tutto il materiale metallurgico è riciclato, in gran parte per il suo contenuto di cromo [1]. Lo stesso report mostra il seguente diagramma di flusso del riciclo (figura 10)

Figura 10. Tipico diagramma di processo e riciclo del cromo [1]

Gli estensori del rapporto sostengono che tale diagramma resterà valido anche nel futuro.

Maggior attenzione viene posta al riciclaggio dei rifiuti di concerie e tintorie che contengono il tossico cromo esavalente (cromo (VI)).

Nel 2005 Vladimír Vašek et al., al XVI Congresso Internazionale dell’IFAC (International Federation of Automatic Control) presentarono la descrizione di un sistema di controllo e monitoraggio computerizzato per un processo tecnologico di riciclaggio di rifiuti liquidi e solidi al cromo per l’industria conciaria [2].

Recentemente Janez Scancar e Radmila Milacic hanno riportato un metodo basato su ossidoriduzioni per lo smaltimento e riutilizzo di materiali di scarto ricchi di cromo [3].

Ancora più recentemente, un gruppo di ricerca dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia (EPFL), coordinato da Wendy L. Queen[1], ha sintetizzato strutture molecolari metallo-organiche (MOF) che riducono gli ioni Cr(VI) a ioni Cr(III).

Figura 11. Prof. Wendy L. Queen

Questi materiali funzionano anche da catalizzatori fotosensibili che, se illuminati dalla luce, riducono e rimuovono contemporaneamente l’inquinante cromo esavalente rendendo potabile l’acqua inquinata [4]. Un altro vantaggio è che i MOF sono rigenerabili. In figura 12 è riportato lo schema del metodo.

Figura 12. Schema di funzionamento del MOF sintetizzato all’EPFL [4]

Sebbene i MOF siano costosi, sono molto efficienti nell’eliminazione di questi inquinanti, certamente di più degli usuali materiali porosi come carboni attivi o zeoliti, che soffrono di scarsa selettività e bassa capacità ma sono più economici.

La ricerca di Queen (e di altri gruppi che studiano i MOF) ha ora l’obiettivo di realizzare  materiali che possano rendere attuabile il loro impiego commercialmente vantaggioso per portare acqua pulita alle popolazioni che più ne necessitano. Intendono testare questi materiali sul campo per applicarli ai dispositivi di purificazione dell’acqua utilizzati in tutto il mondo.

Ciclo biogeochimico

Non sono molti gli studi sul ciclo biogeochimico globale del cromo poiché la natura vulcanica dei suoi minerali non ne consente una distribuzione uniforme.

Tuttavia, nel 1991, un dettagliato lavoro di Richmond J. Bartlett aveva stabilito l’interconversione fra Cr(III) e Cr(VI) come la principale nel ciclo del cromo nei terreni e nelle acque naturali [4]. In questa interconversione principale partecipano molti processi che coinvolgono la mobilitazione e ossidazione di Cr(III) e riduzione di Cr(VI). Dice Bartlett: Ci sono lacune nella nostra comprensione dei fattori che controllano questi processi. Se il Cr(III) solubile viene aggiunto a un terreno “medio”, parte di essa verrà immediatamente ossidata dagli ossidi di manganese in Cr(VI). Il resto del Cr(III) può rimanere ridotto per lunghi periodi di tempo, anche in presenza di ossidi di manganese . Tuttavia, questo Cr(III) meno disponibile può essere mobilitato da  composti organici  complessanti a basso peso molecolare e quindi ossidati dove le condizioni redox sono ottimali… [5]

Secondo questi presupposti, ricerche sul campo e analisi di laboratorio, Bartlett giunse a proporre il seguente schema (figura 13)

Figura 13. Schema del ciclo del cromo [5]

Molto recentemente, un gruppo internazionale di ricercatori, coordinati dal Prof. Wei Wei, utilizzando le moderne tecniche di spettrometria di massa, ha identificato un ampio intervallo di concentrazione di isotopi del cromo durante la sua mobilitazione in ambienti terrestri, fluviali e oceanici, utile non solo per tracciare un ciclo biogeochimico attuale, ma anche per ipotizzare il paleo-ambiente [6].

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-9

https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium

Bibliografia

[1] Chromium Recycling, https://www.911metallurgist.com/chromium-recycling/#gsc.tab=0

[2] V. Vašek et al., Control System for Chromium Recycling Technology from Tannery Waste., Proceedings of 16th IFAC, 2005, 139-142.

[3] J. Scancar, R. Milacic, Safe disposal and re-use of chromium rich waste material., in M. J. Balart Murria Ed.: Management of Hazardous Residues Containing Cr(VI), Nova Science Publishers Inc., NY, 2011, Cap 15, pp. 295-317.

[4] B. Valizadeh et al., A novel integrated Cr(VI) adsorption–photoreduction system using MOF@polymer composite beads., Journal of Materials Chemistry A, 2020, DOI: 10.1039/d0ta01046d

[5] R.J. Bartlett, Chromium Cycling in Soils and Water: Links, Gaps, and Methods., Environmental Health Perspectives, 1991, 92, 17-24.

[6] W. Wei et al., Biogeochemical cycle of chromium isotopes at the modern Earth’s surface and its applications as a paleo-environment., Chemical Geology, 2020,  DOI: 10.1016/j.chemgeo.2020.119570

[1] Wendy Lee Queen è Assistant Professor nel Laboratory of Functional Inorganic Materials dell’EPFL di Losanna.

Rinaldo Cervellati

Il cromo (ingl. Chromium), simbolo Cr, è l’elemento n. 24 della tavola periodica, primo del 6° Gruppo, 4o periodo prima serie degli elementi di transizione. Si trova al ventunesimo posto per abbondanza nella crosta terrestre con una media valutata in 100 ppm. È un metallo brillante color grigio acciaio. Sebbene rari, esistono depositi di cromo nativo, particolarmente in Russia. Il minerale più importante che lo contiene è la cromite, un ossido misto di ferro e cromo (FeCr2O4) dal quale il metallo viene estratto. Il nome dell’elemento deriva dalla parola greca χρῶμα (chrōma), che significa colore, perché molti composti di cromo sono intensamente colorati.

Figura 1. Cromite (a sinistra), cromo nativo (a destra)

Sembra che le punte in bronzo di spade e bulloni di balestra trovati in fosse di sepoltura risalenti alla fine del III secolo a.C. fossero ricoperte con uno strato di ossido di cromo. Le armi trovate nel famoso esercito di terracotta scoperto vicino a Xi’an in Cina, risalente alla dinastia Qin, mostrano un’inaspettata scarsa corrosione, probabilmente proprio perché il bronzo fu rivestito con un sottile strato di ossido di cromo.

I minerali di cromo come pigmenti attirarono l’attenzione dell’Occidente nel XVIII secolo. Nel 1761, il mineralogista germanico Johann Gottlob Lehmann (1719-1767) trovò un minerale rosso arancio nelle miniere di Beryozovskoye negli Urali, che chiamò piombo rosso siberiano. Sebbene erroneamente identificato come composto di piombo con selenio e componenti di ferro, il minerale era in realtà crocoite (cromato di piombo, PbCrO4).

Peter Simon Pallas (1741-1811), zoologo e botanico prussiano, visitò lo stesso sito di Lehmann e trovò un minerale di piombo rosso che scoprì possedere proprietà utili come pigmento nelle vernici. Dopo Pallas, l’uso del piombo rosso siberiano come pigmento per vernici iniziò a svilupparsi rapidamente in tutta la regione. La crocoite sarebbe stata la principale fonte di cromo nei pigmenti fino alla scoperta della cromite molti anni dopo.

Figura 2. Crocoite

Nel 1794, Louis Nicolas Vauquelin[1] ricevette campioni di crocoite con i quali produsse triossido di cromo (CrO3) miscelandoli con acido cloridrico. Nel 1797, Vauquelin scoprì di poter isolare il cromo metallico riscaldando l’ossido in un forno a carbone, è pertanto accreditato come colui che ha realmente scoperto l’elemento. Vauquelin è stato anche in grado di rilevare tracce di cromo in pietre preziose, come il rubino e lo smeraldo.

Figura 3. Louis Nicolas Vauquelin

Durante il diciannovesimo secolo, il cromo era utilizzato non solo come componente delle vernici, ma anche nei sali abbronzanti. Per diverso tempo la crocoite trovata in Russia è stata la fonte principale di questi prodotti abbronzanti. Nel 1827 fu scoperto un grande deposito di cromite vicino a Baltimora, negli Stati Uniti, che soddisfò la domanda di sali abbronzanti molto più adeguatamente della crocoite che era stata utilizzata in precedenza. Ciò rese gli Stati Uniti il ​​maggiore produttore di prodotti di cromo fino all’anno 1848, quando furono scoperti depositi più grandi di cromite vicino alla città di Bursa, in Turchia.

Il cromo era usato per ricoprimenti galvanici già nel 1848, ma questo uso si diffuse solo con lo sviluppo di un processo migliorato nel 1924.

Proprietà fisiche

Il cromo è il quarto metallo di transizione nella tavola periodica e ha una configurazione elettronica di [Ar]3d54s1. È anche il primo elemento nella tavola periodica la cui configurazione elettronica di stato fondamentale viola il principio di Aufbau.

Il cromo è estremamente duro, essendo il terzo elemento più duro dopo il carbonio (diamante) e il boro. La sua durezza è 8,5 (scala di Mohs), il che significa che può graffiare campioni di quarzo e topazio (silicato di alluminio e fluoro), ma può essere graffiato dal corindone (ossido di alluminio). Il cromo è altamente resistente all’aria, proprietà che lo rende utile come metallo che preserva il suo strato più esterno dalla corrosione, a differenza di altri metalli come rame, magnesio e alluminio.

Il cromo ha un punto di fusione di 1907 °C, relativamente basso rispetto alla maggior parte dei metalli di transizione. Tuttavia, ha il secondo punto di fusione più alto tra tutti gli elementi del 4o Periodo. Il punto di ebollizione di 2671 °C è il più basso fra i soli metalli di transizione del 4o periodo, dietro manganese e zinco. La resistività elettrica del cromo a 20 °C è 125 nanoohm-metri.

Il cromo ha un’alta riflettanza rispetto ad altri metalli di transizione. Nell’infrarosso, a 425 μm, il cromo ha una riflettanza massima di circa il 72%, riducendosi a un minimo del 62% a 750 μm prima di risalire al 90% a 4000 μm. Quando il cromo viene utilizzato nelle leghe di acciaio inossidabile e lucidato, la riflessione speculare diminuisce causa l’inclusione degli altri metalli, ma è ancora elevata rispetto ad altre leghe. Tra il 40% e il 60% dello spettro visibile è riflesso dall’acciaio inossidabile lucidato. La spiegazione di questa caratteristica è attribuita alle sue proprietà magnetiche. Il cromo ha proprietà magnetiche uniche nel senso che è l’unico solido elementare che mostra un ordinamento antiferromagnetico a temperatura ambiente o inferiore. Sopra 38 °C, diventa paramagnetico. Le proprietà antiferromagnetiche, che causano la ionizzazione temporanea e del legame degli atomi di cromo con se stessi, sono presenti poiché le proprietà magnetiche della sua struttura cristallina cubica a corpo centrato sono sproporzionate rispetto alla periodicità del reticolo.

Il cromo metallico lasciato per molto tempo all’aria si passiva, forma cioè uno strato sottile, protettivo, di ossido. Questo strato ha una struttura a spinello, con solo pochi strati atomici, molto denso che inibisce la diffusione dell’ossigeno nel metallo sottostante. Al contrario, il ferro forma un ossido più poroso attraverso il quale l’ossigeno può migrare, causando continuamente ruggine. La passivazione può essere rimossa con un forte agente riducente che distrugge lo strato di ossido protettivo sul metallo. Il metallo al cromo così trattato si dissolve facilmente in acidi deboli.

Il cromo, a differenza di metalli come ferro e nichel, non soffre di infragilimento da idrogeno. Tuttavia, soffre di infragilimento da azoto, reagendo con azoto dall’aria e formando nitruri fragili alle alte temperature necessarie per lavorare le parti metalliche.

Il cromo presente in natura è composto di tre isotopi stabili; 52Cr, 53Cr e 54Cr, essendo 52Cr il più abbondante (83,789% di abbondanza naturale). Sono stati caratterizzati 19 radioisotopi, il più stabile dei quali è 50Cr con un’emivita superiore a 1,8 × 1017 anni.

Proprietà chimiche e principali composti

Gli stati di ossidazione del cromo nei suoi principali composti sono +3 e +6. Stati +1, +4 e +5 sono rari, i relativi composti esistono solo occasionalmente.

Composti di cromo (III)

È noto un gran numero di composti di cromo (III), come cloruro di cromo (III), nitrato di cromo (III), acetato di cromo (III) e ossido di cromo (III). Il cromo (III) può essere ottenuto sciogliendo il cromo elementare in acidi come acido cloridrico o acido solforico, ma può anche essere formato attraverso la riduzione del cromo (VI) dal citocromo c7. Lo ione Cr3+ ha un raggio simile (63 pm) a quello di Al3+ (raggio 50 pm) e possono sostituirsi a vicenda in alcuni composti, come l’allume di cromo.

Il cromo (III) tende a formare complessi ottaedrici. L’idrato di cloruro di cromo (III) disponibile in commercio è il complesso verde scuro [CrCl2(H2O)4]Cl. Composti strettamente correlati sono il verde chiaro [CrCl (H2O)5]Cl2 e il viola [Cr(H2O)6]Cl3. Se il cloruro di cromo (III) verde anidro è sciolto in acqua, la soluzione verde diventa viola dopo un po’ di tempo poiché il cloruro nella sfera di coordinazione interna è sostituito dall’acqua. Questo tipo di reazione si osserva anche con soluzioni di allume di cromo e altri sali di cromo (III) idrosolubili.

Il cromo (III) idrossido (Cr(OH)3) è anfotero, si dissolve in soluzioni acide per formare il catione [Cr(H2O)6]3+ e in soluzioni di base per formare l’anione [Cr(OH)6]3-. Per riscaldamento forma l’ossido di cromo verde (III) (Cr2O3), un ossido stabile con una struttura cristallina identica a quella del corindone.

Figura 4. Struttura cristallina del corindone

Composti di cromo (VI) o cromo esavalente

Gli alogenuri di cromo (VI) sono noti e includono l’esafluoruro CrF6 e il cloruro di cromile (CrO2Cl2).

I composti di cromo (VI) sono ossidanti a pH basso o neutro. Anioni cromato (CrO42−) e dicromato (Cr2O72−) sono gli ioni principali in questo stato di ossidazione. Esistono in un equilibrio, determinato dal pH:

2[CrO4]2- + 2H+ ⇌ [Cr2O7]2- + H2O

Il cromato di sodio (K2CrO4) è prodotto industrialmente dalla torrefazione ossidativa del minerale cromite con calcio o carbonato di sodio. Lo spostamento dell’equilibrio per aggiunta di acido è visibile per il passaggio da giallo (colore del cromato) all’arancione (colore del dicromato), come quando si aggiunge un acido a una soluzione neutra di cromato di potassio. A valori di pH ancora inferiori, è possibile un’ulteriore condensazione a ossianioni del cromo più complessi.

Sia l’anione cromato che quello bicromato sono reagenti fortemente ossidanti a basso pH:

Cr2O72- + 14H3O+ + 6e− → 2Cr3+ + 21H2O (Eo = 1,33 V)

Tuttavia, si ossidano solo moderatamente ad alto pH:

CrO42- + 4H2O + 3e− → Cr(OH)3 + 5OH− (Eo = −0,13 V)

I composti di cromo esavalente in soluzione possono essere individuati aggiungendo una soluzione acida di perossido di idrogeno. Si forma il perossido di cromo (VI) blu scuro instabile (CrO5), che può essere stabilizzato come addotto con eteri CrO5·OR2.

L’acido cromico, da cui derivano cromati e dicromati, ha l’ipotetica formula H2CrO4 ed è una sostanza vagamente descritta. L’ossido di cromo (VI) rosso scuro, CrO3, o anidride dell’acido cromico, è venduto industrialmente come “acido cromico”. Può essere prodotto miscelando acido solforico con dicromato di potassio ed è un forte agente ossidante.

Composti organocromici

La chimica degli organocromi è una branca della chimica organometallica che si occupa di composti organici contenenti un legame cromo-carbonio e le loro reazioni. Il campo è di una certa importanza per la sintesi organica. Gli stati di ossidazione rilevanti per i complessi di organocromo comprendono l’intera gamma di possibili stati di ossidazione da –4 nel cromo carbonile di sodio Na4[Cr(CO)4] a +6 in complessi osso-alchilici. Altri complessi di cromo (I) contengono ligandi ciclopentadienilici. È stato anche descritto un legame quintuplo Cr-Cr (figura 5).

Figura 5. Organocromo con legame Cr-Cr

I ligandi monodentati estremamente voluminosi stabilizzano questo composto proteggendo il legame quintuplo da ulteriori reazioni.

Estrazione e produzione

I composti del cromo che si trovano nell’ambiente sono dovuti all’erosione delle rocce che li contengono e possono essere stati ridistribuiti da eruzioni vulcaniche. Le concentrazioni tipiche di cromo sono: atmosfera <10 ng/m3; suolo <500 mg/kg; vegetazione <0,5 mg/kg; acqua dolce <10 μg/L; acqua di mare <1 μg/L; sedimenti <80 mg/kg.

I maggiori produttori del minerale di cromo nel 2013 sono stati il ​​Sudafrica (48%), il Kazakistan (13%), la Turchia (11%), l’India (10%), con diversi altri paesi che hanno prodotto il resto (circa il 18% della produzione mondiale). I depositi di cromite non sfruttati sono abbondanti, geograficamente concentrati in Kazakistan e nell’Africa meridionale. La miniera Udachnaya in Russia produce campioni del metallo nativo. Questa è una riserva di kimberlite, ricca di diamanti, e l’ambiente riducente ha contribuito a produrre sia cromo elementare sia diamanti.

La relazione tra Cr(III) e Cr(VI) dipende fortemente dal pH e dalle proprietà ossidative del luogo. Nella maggior parte dei casi, Cr(III) è la specie dominante, ma in alcune aree, le acque sotterranee possono contenere fino a 39 µg/L di cromo totale, di cui 30 µg/L è cromo esavalente.

Nel 2013 sono state estratte circa 28,8 milioni di tonnellate (Mt) di minerale cromite commercializzabile, convertite in 7,5 Mt di lega ferrocromo.

Figura 6. Produzione mondiale di Cr negli anni

Secondo l’USGS (United States Geological Survey), il ferrocromo è il principale uso finale della cromite, e l’acciaio inossidabile è il principale uso finale del ferrocromo.

I due prodotti principali della raffinazione del minerale sono il ferrocromo e il cromo metallico. Per questi prodotti il ​​processo di fusione dei minerali differisce notevolmente. Per la produzione di ferrocromo, la cromite (FeCr2O4) viene ridotta su larga scala in fornaci ad arco elettrico o in fonderie più piccole con alluminio o silicio in una reazione alluminotermica.

Per la produzione di cromo puro, il ferro deve essere separato dal cromo in un processo di tostatura e lisciviazione in due fasi. Il minerale viene riscaldato con una miscela di carbonato di calcio e carbonato di sodio in presenza di aria. Il cromo viene ossidato nella forma esavalente, mentre il ferro forma l’ossido Fe2O3 stabile. La successiva lisciviazione a temperature più elevate dissolve i cromati e lascia l’ossido di ferro insolubile. Il cromato è convertito in dicromato con acido solforico:

4FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 → 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2

2Na2CrO4 + H2SO4 → Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O

Il dicromato è convertito in ossido di cromo (III) per riduzione con carbonio e quindi ridotto in una reazione alluminotermica al cromo:

Na2Cr2O7 + 2C → Cr2O3 + Na2CO3 + CO

Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-9

https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium

(continua)

[1] Louis Nicolas Vauquelin (1763 – 1829) è stato un farmacista e chimico francese. Fu lo scopritore sia del cromo sia del berillio.

Mauro Icardi

Il 6 maggio 1937, il dirigibile Hindenburg ( che è ancora oggi il più grande oggetto volante mai costruito al mondo), al termine del volo inaugurale  che prevede di sorvolare l’Oceano Atlantico per collegare la Germania agli Stati Uniti, si incendia pochi minuti prima della manovra di attracco al pilone situato nella base navale di Lakehurst nel New Jersey, destinazione finale della traversata aerea.

L’Hindenburg era partito da Francoforte  tre giorni prima.  In soli 34 secondi l’enorme dirigibile viene completamente distrutto. Nonostante la rapidità dello sprigionarsi delle fiamme, delle 97 persone presenti a bordo (tra passeggeri e membri dell’equipaggio), 62 riuscirono a sopravvivere, anche se alcune furono gravemente ustionate. Le vittime furono 36 (fu coinvolto anche un membro dell’equipaggio dislocato a terra).  La vicenda è, come quella del Titanic, rimasta nell’immaginario collettivo di molti. E nella ricostruzione di questo terribile incidente aereo ci sono anche molti riferimenti alla chimica e alla tecnologia costruttiva di questo gigante del cielo. E anche alla politica internazionale. Una storia quindi che è interessante, anche se termina con un epilogo tragico. E’ una storia che ha ispirato libri, film, e anche la copertina di un disco, quello dell’album d’esordio del gruppo rock inglese Led Zeppelin.

L’Hindenburg che venne così battezzato in onore del secondo presidente della Germania  Paul Von Hindenburg, aveva effettuato il primo volo inaugurale il 4 Marzo 1936 da Friedrichshafen, città sulla sponda settentrionale del lago di Costanza in Germania.

Dopo il primo volo di prova  effettuerà altri 62 voli raggiungendo varie destinazioni tra le quali  Rio de Janeiro. I dirigibili rigidi ideati da Ferdinand Von Zeppelin agli inizi del Novecento, erano stati inizialmente utilizzati a scopo  militare, soprattutto nella prima guerra mondiale. Prima della definitiva affermazione dell’aeroplano,  il dirigibile veniva ancora considerato superiore all’aereo per le capacità di carico e l’autonomia di volo. L’Hindenburg era stato immaginato come una nave da crociera aerea, e in ogni caso utilizzato anche come strumento di propaganda per il regime nazista. La tragedia di Lakehurst ridimensionerà di molto l’utilizzo e la costruzione dei dirigibili.  .

La struttura dei dirigibili Zeppelin era di fatto sempre la stessa, fatte salve le dimensioni. Uno scheletro di alluminio, rivestito esternamente di una tela trattata per renderla resistente e impermeabile.

All’interno di questa struttura erano inserite delle sacche  contenenti il gas di sostentamento degli aeromobili. I motori per muovere il dirigibile erano collocati esternamente all’involucro, la cabina di comando generalmente al di sotto della struttura nella parte anteriore. Una curiosità è che le parti anteriori e posteriori dei dirigibili erano denominate, analogamente a quanto avviene per le navi, con la denominazione di prua e poppa. Anche gli organi di comando per la variazione di rotta e di altitudine erano timoni molto simili a quelli navali.

Lo spazio per i passeggeri era ricavato inizialmente in una parte della gondola di comando. Ma nel caso dell’Hindenburg  si trovava nella parte inferiore dell’involucro.

La costruzione dell’Hindenburg richiese cinque anni di lavoro. I dirigibile era lungo 245 metri, e poteva contenere 200.000 m3 di gas contenuti in 16 sacche.

(Modello di struttura di dirigibile rigido, museo Zeppelin Friedrichshafen)

Analizziamo ora la chimica dell’Hindenburg. L’alluminio è l’elemento che caratterizza l’industria aeronautica ancora oggi. Per alleggerire al massimo la mastodontica struttura, come si può vedere in figura, le barre in alluminio che componevano la struttura erano traforate. Il rivestimento era in tela di cotone, impregnato con ossido di ferro e acetato di cellulosa, miscelato con ossido di alluminio. Questo conferiva all’aeromobile il suo caratteristico colore grigio argento (colore utilizzato negli anni 30 anche per le auto da corsa tedesche).  Il dirigibile pesava a vuoto 118 tonnellate. Poteva trasportare 72 passeggeri e 60 tonnellate di carico.

Il gas di sostentamento utilizzato nell’Hindenburg era idrogeno.

I tedeschi erano a conoscenza dei rischi che l’idrogeno avrebbe potuto provocare. E prendevano tutte le necessarie precauzioni, soprattutto  nei confronti dei passeggeri. Questi dovevano consegnare accendini e fiammiferi all’inizio del volo. Esisteva una speciale sala fumatori  pressurizzata ed isolata con una doppia porta dal resto dei locali del ponte passeggeri. I tedeschi non disponevano di elio, che invece era abbondante negli Stati Uniti, soprattutto quello che proveniva dai giacimenti di gas naturale di Amarillo in Texas. L’elio era già considerato un elemento strategico. Inizialmente proprio per l’industria legata alla costruzione dei dirigibili, ma anche per i successivi usi a cui sarà destinato (per esempio il raffreddamento dei magneti dei superconduttori , ma anche per quelli delle risonanze magnetiche negli ospedali). Per questo gli Stati Uniti proprio ad Amarillo realizzeranno, utilizzando una caverna sotterranea, il deposito federale di Elio.  Tra gli stati Uniti e le Germania di Hitler gli scambi commerciali continueranno fino allo scoppio della seconda guerra mondiale, e anche durante il conflitto. Emblematico a questo proposito il caso della fornitura di macchine calcolatrici da parte della IBM al regime nazista. Macchine usate per la registrazione e la catalogazione degli sventurati ebrei rastrellati e destinati alla deportazione nei lager. Una triste anagrafe dell’olocausto. Ma per l’elio non verrà fatta nessuna deroga o concessione. Nonostante le richieste dei tedeschi che volevano utilizzarlo proprio per far volare i dirigibili, esso non sarà mai esportato  dagli Stati Uniti in Germania.

La ricostruzione più plausibile della causa dell’incidente di Lakehurst è quella di una perdita di idrogeno da una della sacche posteriori del dirigibile, nelle vicinanze della pinna verticale dell’aeronave. La struttura del dirigibile oltre alle barre di alluminio, era completata da fili di spessore di circa tre millimetri in acciaio, che  completavano la struttura del rivestimento esterno. Questi complessivamente raggiungevano la lunghezza di 200 km, e potevano sopportare una tensione di rottura pari a 450 Kg. La rottura di uno di essi è stato ritenuto come la causa del danneggiamento di una delle sacche contenenti l’idrogeno che si è così diffuso all’interno dell’involucro dell’Hindenburg.

Poco prima dell’attracco presso la base di atterraggio, un cambiamento di direzione del vento ha spinto il capitano dell’Hindenburg ad ordinare una brusca virata verso sinistra. Poco dopo è stato impartito l’ordine al timoniere di virare velocemente verso destra, in maniera di allineare il dirigibile al pilone di ormeggio.

Il dirigibile non era adatto a compiere virate strette e ravvicinate nel tempo. Questo modo di governare l’aeronave rischiava di sottoporre ad una tensione troppo elevata la sua struttura interna. E risulta che ciò fosse assolutamente sconsigliato a piloti ed equipaggio durante il loro addestramento presso le officine della Zeppelin. La zona dove la possibile  rottura era ritenuta più probabile era appunto nella parte posteriore del dirigibile dove si trovava il timone di coda. Nei filmati che mostrano l’arrivo dell’Hindenburg a Lakehurst  si nota come il dirigibile fosse inclinato verso poppa. E alcuni testimoni oculari notarono come poco prima dello svilupparsi dell’incendio si notava un tremolio nel rivestimento, sempre vicino alla pinna posteriore. Probabilmente la perdita di idrogeno, che spingeva contro il rivestimento esterno. Oltre a questo sul punto di atterraggio era appena passato un temporale. Nessuno vide un fulmine colpire l’Hindenburg, ma era noto che un dirigibile in volo accumulava elettricità statica sul rivestimento esterno, e sull’intelaiatura. Ma fino a che l’aeromobile rimaneva in volo, questa elettricità non si scaricava a terra. Ma quando vennero mollate le cime di ormeggio dalla parte anteriore del dirigibile, le stesse bagnate dalla pioggia che stava continuando a cadere, permisero il passaggio della carica elettrica dall’intelaiatura verso il suolo. La differenza di potenziale elettrico di quest’ultima si azzerò, mentre il rivestimento esterno di cotone rimase carico di elettricità perché non conduttore. Questa era una condizione che poteva rendere possibile lo svilupparsi di una scintilla, analogamente a quella di un fulmine. Questa scintilla probabilmente incendiò l’idrogeno fuoriuscito, mescolato con l’aria presente nei camminamenti di ispezione dell’involucro del dirigibile. Ultima precisazione: l’idrogeno brucia con fiamma incolore. Le fiamme di colore arancione viste dai testimoni, e ricostruite in alcune immagini ricolorate da quelle originali in bianco e nero, sono quelle dovute alla combustione del rivestimento esterno.

Si chiudeva così l’epopea del mezzo aereo più leggero dell’aria.

Ma i nipoti dell’Hindenburg  solcano ancora i cieli. Più piccoli e tecnologici. Raccolgono l’eredità del loro sfortunato progenitore LZ 129. E finalmente sono stati gonfiati con elio.

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Non.voglio che il nostro blog trascuri di parlare di Giulio Giorello in occasione della sua morte e di celebrarlo come merita. L’ho conosciuto negli anni 80 quando insieme ad altri colleghi firmai una petizione volta ad una ricomposizione culturale dopo la frattura sancita nei decenni precedenti con la formula delle 2 culture.

Giorello si era battuto già prima di noi per lo stesso ideale ed aveva individuato nella volontá colonizzatrice di alcuni settori e nel processo formativo troppo  disarticolato i principali colpevoli. Ricordo che in Europa proprio in quel tempo stava maturando una critica al nostro Paese proprio per questi motivi ed un avvertimento a ricomporre il dualismo scienza/arte. A tal dualismo, che Giorello interpretava più in chiave scienza/umanesimo egli si oppose non solo scrivendo, ma anche facendo pubblicare libri altrui con la collana “Scienza ed idee”.

Diceva Giorello, a proposito della sua disciplina, Filosofia della Scienza, che era uno dei tentativi di superare le due culture perchè la Filosofia non ha confini. Un altro punto che ci univa era la difesa del pluralismo inteso come correzione  del concetto di  relativismo rispetto al contrario assolutismo. La visione olistica dell’ambiente necessaria per interpretarlo e proteggerlo era un bell’esempio pratico, condividemmo insieme in un convegno al CNR.

Un punto ancora ci univa ed era l’etica della Scienza: quando a Roma La Sapienza nacque il Master di Bioetica ne discussi a lungo con lui circa ii migliore ciclo formativo degli allievi giungendo con lui alla conclusione che purtroppo si doveva lavorare su una lavagna che dopo quasi 20 anni di formazione era ancora bianca, mentre l’etica dovrebbe essere insegnata a partire dal primo ciclo.

Ci dividevamo -io sono credente- sul rapporto Scienza/Religione: si definiva un ateo libero di vivere senza Dio; gli contrapponevo la libertà di credere e Giorello mi confutava: religione e libertà si contraddicono, visto che fra le libertà c’é di certo anche quella di non essere religiosi; si tratta di una metodologia coincidente con la filosofia liberale.

Su questa filosofia ci ritrovavamo sempre: Spinoza, Hume, Popper erano il nostro collante. Forse l’aspetto più interessante della sua filosofia è quello sul metodo scientifico: diceva Giorello che non è sufficiente  ipotizzare, sperimentare, verificare; bisogna aggiungere rivedere e che anche con questa aggiunta non tutte le scoperte scientifiche possono essere giustificate. Bisogna parlare piuttosto che di metodo scientifico di atteggiamento scientifico: i tentativi di stabilire una demarcazione fra scienza e non scienza non sono soddisfacenti in quanto l’unico metodo che abbiamo per segnarla, quello della falsificabilità, è di certo imperfetto.

Enrica Gianotti* e Aharon Quincoces**

Questo lungo periodo di confinamento ci ha dato l’opportunità di riflettere su alcuni argomenti che collegano diversi campi del sapere. E così che ci siamo posti una domanda, qual è la relazione tra scienza e lingua? È una domanda nata dalla rilettura del romanzo, Cent’anni di solitudine, di Gabriel Garcia Márquez: “Uno zingaro corpulento, con barba arruffata e mani di passero, che si presentò col nome di Melquíades, diede una truculenta dimostrazione pubblica di quella che egli stesso chiamava l’ottava meraviglia dei savi alchimisti della Macedonia” e poco più avanti “Esplorò la regione palmo a palmo, compreso sul fondo del fiume, trascinando i due lingotti di ferro e recitando ad alta voce l’esorcismo di Melquíades” [1].

La figura dell’alchimista spicca tra le righe legando scienza e parole. Potremmo pensare che si tratti di una risorsa narrativa, tuttavia l’alchimia e l’alchimista furono, nei tempi, proprio il legame tra parola e scienza in nuce. Furono un ponte e segnarono il passaggio tra due visioni del mondo che avevano come materiali di partenza l’uomo e la materia e le reciproche relazioni.

Ma prima di andare oltre dobbiamo fare alcuni passi indietro, in senso storico e cronologico.

Alchimia come protoscienza

Antiche sono le radici dell’alchimia, che possiamo rintracciare nel lontano VI millennio a. C.[2,3]. Un periodo in cui la manipolazione della materia, specialmente nella metallurgia, supponeva, per così dire, una chimica inconsapevole. Non sappiamo di certo come avveniva la trasmissione di un sapere che con ogni probabilità era basato sul fare e sulla ripetizione delle azioni: possiamo ipotizzare ragionevolmente che si trattasse di una trasmissione orale, poiché non abbiamo testi superstiti che diano prova di altro.

Non li abbiamo fino al periodo ellenistico in Egitto (dal 334 a. C.), quella terra che aveva affascinato i greci come culla di saperi segreti. L’Egitto è terra di convivenza tra religioni e saperi diversi, visioni cosmologiche divergenti che trovano il modo di convergere in sintesi. Egitto è anche terra di nascita della medicina e di una visione magica della realtà. Dalla mummificazione ai papiri magici, dalla religione politeista ai nuclei monoteisti del giudaismo passando dalle teorie platoniche e neoplatoniche, Egitto è la terra dell’alchimia. Con questa affermazione non dimentichiamo altre tradizioni alchimiche, cioè basate sulla manipolazione della materia in un stato pre-scientifico, come ad esempio in Cina, ma è la base per la sua diffusione come disciplina in Europa e Medio Oriente.

In Egitto si evolve questa prima consapevolezza pre-scientifica sulla manipolazione della materia in ambito metallurgico e medico, fatto che si può leggere nei primi testi nell’arco che va dal I al IV secolo d.C. Potremo dire che è la prima testimonianza del nesso tra materia e parola; anche se certamente vi è stato un legame con l’oralità, è la parola scritta quella che sancisce un nesso stabile e quasi eterno.

Parola e materia

Proprio dalla commistione tra incipiente ricerca di una più o meno consapevole manipolazione della materia e la sfera ideale rappresentata dall’incrocio tra magia, mistica e filosofia nasce il contatto tra materia e parola. In questo senso l’importanza dei testi veterotestamentari e la mistica che da essi scaturisce risulta determinante, in modo rilevante nell’evoluzione medievale dell’alchimia, fino alla nascita della chimica vera è propria [4].

È importante il nesso tra i concetti ideali di trasformazione della realtà e il potere della parola per capire la nascita e l’impatto dell’alchimia. Infatti la ricerca della trasformazione della materia, nel caso della trasformazione del piombo in oro, o della creazione attraverso la materia, come nel caso della ricerca dell’elisir di lunga vita, non è concepibile senza il nesso con il potere della parola: sono le parole quelle che danno carta d’identità alle cose; il mondo è quando è nominato. Tale è questo potere che le parole non finiscono o nel loro significato immediato, nascondono altri che a loro volta nascondono le chiavi della trasformazione. Molteplicità dei significati e ordine delle parole sono determinanti per scoprire la natura della materia e trasformarla nel senso desiderato: la ri-creazione del mondo avviene nella materia attraverso la potenza delle parole.

Difensore medievale di questa concezione mistica, attraverso le interazioni con la Cabbala [5], è Paracelso, personaggio tardivo ma di grande influenza [6]. Tuttavia è importante segnalare che questa interazione è più presente in ambito cristiano che in quello ebraico, allo stesso modo che prevale l’influenza, mediata, della Cabbala sull’alchimia; interazioni davvero marginali.

Evoluzione dell’alchimia

La perdita del valore propulsivo della parola

Dal XIII secolo a. C. il vincolo di potenza tra parola e trasformazione della materia, sopratutto i metalli, visse anche il progressivo deterioramento che si poteva aspettare dal  numero crescente di insuccessi. L’alchimia acquista maggiore consapevolezza di meccanismi materiali della trasformazione, fatto che determina, correlazione o conseguenza, anche un progressivo depotenziamento della parola. L’allargamento delle osservazioni produsse uno slittamento del quadro complessivo, alterando la prevalenza degli elementi, materia e parola, ma senza rompere ancora il vincolo.

L’alchimista di Pietro Longhi. 1757

Ultimo bastione della potenza della parola sono i colori e la loro relazioni con i metalli, dove i colori sono rappresentanti della caratteristica dei metalli. L’alchimia cerca allora di interpretare la realtà cercando nuovi scenari in cui i metalli (nella fattispecie e in ordine gerarchico verso l’alto, rame, ferro, stagno, piombo, mercurio, argento e oro)  sviluppano una forma gerarchica, pre-scientifica ancora, che rispecchia la struttura gerarchica dei pianeti conosciuti (anche qui in rapporto gerarchico, Venere, Marte, Giove, Saturno, Mercurio, Luna e Sole, questi ultimi pianeti perfetti), in un momento in cui le idee aristoteliche platoniche stanno per subire l’urto di nuove concezioni cosmologiche. Allo stesso tempo, il vincolo con la dimensione mistica del potere della parola è vivo nel rapporto con le emanazioni divine della realtà (7), la cui gerarchia si ordina da minore a maggiore grado di perfezione o avvicinamento alla divinità. Si tratta dunque di un rapporto mediato, interposto, in cui la parola non agisce più in modo diretto, mentre la materia prende forza e s’invola versa una futura, quasi, emancipazione dalla parola. Questa fase è un allineamento dei saperi ancora in una sola sfera o se vogliamo la concezione di un sapere che non è somma di saperi parziali ma un sapere organico che ingloba tutte le forme possibili. La separazione tuttavia è alle porte.

La nascita della chimica, la morte dell’alchimia

Alla fine del XV secolo e inizio del XVI, l’alchimia fece un altro passo in là nella propria evoluzione, vale a dire nella sua dissoluzione come proto-scienza. La chimica, considerata un ramo sussidiario della medicina, acquista autonomia definendo i propri contorni e contenuti. La materia è concepita allora sulla base di nuovi paradigmi. Sono fondamentali la determinazione di quantità, di componenti e di metodi controllati dall’inizio alla fine; così risultano fondativi i lavori, a metà del XVII secolo, di Robert Boyle (1627-1691), con il suo “Il Chimico Scettico” in cui ricusa il concetto greco di elemento e fornisce una nuova definizione di “elemento”  ovvero una sostanza che non si riesce a decomporre in altre sostanze più semplici [7], e di Georg Ernst Stahl (1659-1734) che interpreta la combustione e mette in piedi la teoria del flogisto, che verrà poi confutata successivamente da Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794).  È un quadro mentale in cui la materia si rende indipendente da ogni vincolo. Della parola resta solo l’ombra, fino a cristallizzare, quest’ombra, in simbolo di ogni elemento così come si presenta oggi la tavola periodica. La rottura è totale. L’alchimia muore partorendo la chimica come sapere a sé. Si conclude così una percorso durato secoli che descriveva il sapere come organico e dipendente da una visione teologica, fino a giungere, attraversando il medioevo e il Rinascimento, al pensiero antropocentrico e all’istituzioni di saperi specifici basati su metodi e definizioni di area di competenza. Le scienze e il mondo della lingua ripercorrono da quel momento vie parallele pur condividendo un metodo di lavoro e una meta condivisa di conoscenza sempre maggiore nei relativi campi disciplinari. Questa separazione, dicevamo, tra parola e materia rappresenta la fine di un rapporto e la morte dell’alchimia. Una morte che dà il via alla nascita della modernità. Ciò nondimeno non suppone la morte della parola e del suo potere. Proprio in questo momento nascono anche movimenti mistici ed esoterici che hanno percorso i secoli e che rimangono vivi ancora oggi.

Bibliografia

[1] G. Garcia Marquez, Cent’anni di Solitudine, Feltrinelli.

[2] Eric J. Holmyard, Storia dell’alchimia, Odoya 2019

[3] S. Califano, Storia della Chimica, Bollati Boringhieri, 2010.

[4] R. Patai, Alchimisti ebrei, Ecig 2020 (originale inglese del 1939)

[5] M. Idel, Cabbalà. Nuove prospettive, Giuntina, 1995

[6] Paracelso, Scritti alchemici e magici, Phoenix, Genova, 1981.

[7] R. Boyle, The Sceptical Chymist, The classic 1661 text, Dover Publications INC., 2003

* Professore Associato di Chimica-Fisica preso l’Università del Piemonte Orientale

Si occupa di progettazione, sintesi e caratterizzazione chimico-fisica delle proprietà di superficie e di interfaccia di materiali inorganici o ibridi organico-inorganici funzionalizzati per varie applicazioni.

**Scrittore e Ph.D in Ebraistica

Si occupa di filologia semitica ed ebraismo . Ma ha anche scritto di filologia
ed  è autore di narrativa letteraria con il romanzo
Bite that Fruit, Ediciones Tolstoyevski, Alicante, 2016.

Scrive in spagnolo ed in italiano. In italiano ha scritto, insieme a Ugo Splendore, un romanzo intitolato Santa Marta. Improvvisazioni di vendetta Creativa, Edizioni Compagine 2018.

Come Coordinatore di “Energia per l’Italia” VIncenzo Balzani aveva inviato al Presidente del Consiglio, Giuseppe Conte, un breve documento; è stato invitato alla giornata conclusiva degli Stati Generali, domenica e ci fa il seguente resoconto; in coda l’intervento che ha svolto.

Vincenzo Balzani.

Sono stato, come era previsto,  l’ultimo a parlare della mattinata. Prima di me avevano parlato, con inizio alle 9, ben dodici altre persone: dalla moda alle auto elettriche, dai polimeri degradabili alle industrie manifatturiere. Io ero stato convocato per le 12.  Erano presenti, oltre al presidente Conte, i ministri Gualtieri, Patuanelli, Manfredi e Speranza. Conte mi ha presentato in modo molto gentile e informato e mi dato la parola alle 12.55. In teoria si doveva finire alle 13, perché alle 14 Conte e i ministri dovevano ascoltare scrittori, architetti e altri.  Per ragioni di tempo ho pensato quindi di saltare l’introduzione e una parte della seconda pagina (i virus profughi, la citazione del libro di Wilson, l’enciclica del papa). Nel frattempo mi sono accorto che i ministri stavano attenti e, allora, ho deciso di andare avanti tagliando poco o nulla:  sostanzialmente ho detto tutto quanto mi ero ripromesso di dire. Quando ho finito, Conte mi ha ringraziato e ha detto che era d’accordo sulle rinnovabili, facendo notare però  che quando si prova a svilupparle si trovano sempre gruppi, spesso locali, di gente che protesta per i motivi più vari, e ha aggiunto che  l’Emilia ha fretta di ripartire (sottinteso: anche senza le rinnovabili). I ministri presenti hanno poi avuto 3 minuti ciascuno per un intervento su quello che avevano ascoltato durante tutta la mattinata. Patuanelli ha ripreso il mio discorso sul parco eolico in Adriatico meravigliandosi perché anche questo progetto trova opposizioni. Speranza, ha proposito dell’agire sulle persone anziché sulle “cose”, ha citato il libro La spinta gentile di Richard Thaler da cui avevo tratto i miei ragionamenti e che, però, nel mio intervento non avevo citato  espressamente. Questo mi ha fatto un’ottima impressione.

L’incontro è finito un po’ in fretta perché era tardi, ma sono riuscito a parlare un po’ con Speranza, che è molto favorevole alle nostre proposte,  poi a fermare Conte per il quale avevo preparato un pacchetto, che gli ho consegnato, contenente Energia per l’Astronave Terra, l’ultimo libro che ho fatto (Salvare il pianeta per salvare noi stessi) e una lampada fotovoltaica fatta in Cina e distribuita da SolarAid (associazione inglese) in Africa, così si ricorda meglio di noi. Conte poi mi ha ripetuto che è pronto a considerare documenti che gli giungano entro pochi giorni; poi chiuderà.

Con i miei colleghi di energiaperlitalia abbiamo pensato di inviargli entro domani sera: 1) il mio intervento scritto; 2) un breve documento separato che raccolga idee che io ho trascurato e, soprattutto, che descriva in modo più approfondito un numero maggiore di interventi urgenti/subito fattibili, descrivendoli meglio di come ho fatto io brevemente nel mio testo . 3) dopo quanto ha detto Conte nella conferenza stampa di ieri sera (utilizzo da parte di ENI del metodo CSS (Carbon Sequestration and Storage ) per sequestrare e immagazzinare CO2 nelle caverne lasciate libere dal metano estratto a Ravenna), ho anche  pensato di mandargli anche un breve documento riservato con qualche commento personale sulla politica di ENI.

Stati Generali 21 giugno 2020

Energia e ambiente

Intervento di Vincenzo Balzani (Università di Bologna)

In una famosa fotografia della NASA, scattata dalla sonda spaziale Cassini quando si trovava a una distanza di 1,5 miliardi di chilometri dalla Terra, il nostro pianeta appare come un puntino blu-pallido nel buio cosmico. Molto interessante e anche istruttivo guardare le foto della Terra prese da molto lontano, perché ci si rende conto di quale sia la nostra condizione: siamo passeggeri di una astronave che viaggia nell’infinità dell’Universo. Si tratta di  un’astronave del tutto speciale che non potrà mai atterrare da nessuna parte, non potrà mai attraccare a nessun porto per far rifornimento o scaricare rifiuti. E se qualcosa non funziona o si rompe dobbiamo ripararla da soli, senza neppure scendere. Penso che si dovrebbe mostrare questa foto in cui la Terra appare come un puntino e si dovrebbe commentare questo concetto della Terra come Astronave in tutte le scuole e, ancor più, nei corsi universitari che aprono alla carriera politica.

Ritorno alla normalità?

Recentemente sul nostro pianeta si è diffuso un virus, il coronavirus responsabile della malattia Covid-19, che ha provocato una crisi sanitaria dalla quale stiamo uscendo a fatica. Man mano che la crisi si attenua, si sente sempre più frequentemente auspicare un “ritorno alla normalità”, cioè alla situazione precedente allo sviluppo della pandemia.

Molti dimenticano che la cosiddetta normalità era caratterizzata da altre due crisi: la crisi ecologica e la crisi sociale. Due crisi certamente non meno gravi di quella sanitaria provocata dal virus, che ha causato circa 190 mila morti in Europa e 35 mila in Italia. Cifre che hanno impressionato l’opinione pubblica, almeno quella parte di opinione pubblica che non sa che l’inquinamento causa in Europa ogni anno circa 650 mila morti, quindi più di 3 volte quelli provocati dal virus. In Italia, le vittime della pandemia, circa 35 mila, sono state meno della metà di quelle, circa 80 mila, causate in media annualmente dall’inquinamento.

La pandemia certamente sta facendo anche molti danni sociali, ma ricordiamo che prima della pandemia, cioè nella situazione di normalità a cui molti dicono di voler tornare, in Italia c’erano 5 milioni di persone in povertà assoluta e altri 9 milioni in povertà relativa, e che l’1% più ricco possedeva quanto il 70% più povero.

Non ha senso, poi, tornare alla cosiddetta normalità anche perché è scientificamente accertato che sono proprio le due crisi ecologica e sociale che causano e propagano le pandemie. Secondo gli scienziati, infatti, il virus è passato da animali selvatici all’uomo a causa dei nostri errori nel rapporto con la Natura: degradazione dell’ambiente, cambiamento climatico, esagerata antropizzazione del suolo, perdita di biodiversità, abbattimento delle foreste, sproporzionato uso delle risorse, crescente consumo di prodotti animali, anche animali selvatici da parte dei più poveri.

I virus sono in qualche modo “profughi” della distruzione ambientale causata dalla progressiva occupazione dell’uomo di tutti gli ambienti naturali. Stavano bene nelle foreste e nei corpi di alcuni animali selvatici, li abbiamo costretti ad uscire dai loro habitat e hanno colto l’occasione per moltiplicarsi nei nostri corpi. Ricordo che in un suo recente libro un grande scienziato, Edward Wilson, propone provocatoriamente di lasciare metà della Terra alla Natura se vogliamo vivere bene in questo pianeta.

Tutto questo ci dice che dobbiamo cogliere l’uscita dalla pandemia come un’opportunità per cercare di rimediare alle crisi ecologica e sociale, per correggere cioè il nostro modello di sviluppo e per avviarci verso l’imprescindibile obiettivo della sostenibilità, ecologica e sociale.

Infatti, come ha scritto papa Francesco nell’enciclica Laudato si’: «Non ci sono due crisi separate, una ambientale e un’altra sociale, bensì una sola e complessa crisi socio-ambientale che va affrontata con una visione unitaria dei problemi ecologici ed economici».

Le tre necessarie transizioni

Per uscire dalla crisi ecologica e sociale dobbiamo compiere tre passi concreti in avanti, verso il futuro: come ci ricordano Greta e gli altri ragazzi di Fridays for Future, è un dovere che abbiamo nei confronti dei nostri giovani. I tre passi che dobbiamo fare sono tre transizioni volte a  correggere il nostro modello di sviluppo: la transizione energetica dai combustibili fossili alle energie rinnovabili, la transizione economica dall’economia lineare alla economia circolare e infine, la transizione culturale dal consumismo alla sobrietà.

La transizione energetica

I  combustibili fossili sono molto comodi da usare, ma da più di 30 anni ci siamo accorti che il loro utilizzo causa due gravi problemi: l’inquinamento, a cui si è già accennato, e il cambiamento climatico.

Oggi nel mondo consumiamo, ogni secondo che passa, e i secondi passano in fretta, 250 tonnellate di carbone, 1000 barili di petrolio e 105.000 metri cubi di gas metano producendo, sempre ogni secondo, 1000 tonnellate di anidride carbonica, CO2. Questo gas, immesso nell’atmosfera, avvolge il globo terrestre come un mantello che permette ai raggi solari di raggiungere il suolo, ma poi impedisce al calore di uscire. L’accumulo di anidride carbonica attorno alla Terra provoca quindi un effetto serra che produce il cambiamento climatico.

Nel dicembre 2015, dopo 25 anni di discussioni, 196 Paesi riuniti sotto l’egida dell’ONU hanno elaborato un accordo, noto come Accordo di Parigi, con il quale si riconosce nel cambiamento climatico il pericolo più grave per l’umanità. Come è ben noto, il cambiamento climatico causa lo scioglimento dei ghiacci, l’innalzamento del livello dei mari, l’avanzamento della siccità in molte regioni del mondo, eventi metereologici violenti e, se non lo fermiamo, causerà danni irreversibili al pianeta nell’arco di pochissimi anni.

Sempre sotto l’egida dell’ONU si è  formato da tempo anche un panel di scienziati, il famoso IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), che studia l’andamento del cambiamento climatico e suggerisce ai politici cosa si dovrebbe fare per fermarlo. Nell’enciclica Laudato si’, scritta con la consulenza di molti bravi scienziati, papa Francesco afferma con forza che “I combustibili fossili devono essere sostituiti senza indugio, ma che la politica e l’industria rispondono con lentezza, lontane dall’essere all’altezza delle sfide”

Abbandonare l’uso dei combustibili fossili, dai quali otteniamo gran parte (circa 80%) dell’energia che usiamo, può sembrare un problema che non ha soluzione; la soluzione, invece c’è: consiste nello sviluppare e utilizzare, al posto dei combustibili fossili, le energie rinnovabili fornite dal Sole, dal vento e dalla pioggia. Queste energie non producono CO2 e neppure inquinamento; per di più, forniscono direttamente energia elettrica, una forma di energia molto più efficiente del calore generato dai combustibili fossili e sono diffuse e distribuite equamente sul nostro pianeta. Gli scienziati hanno dimostrato che non solo questa transizione si può fare, ma anche che, oltre ad eliminare inquinamento e frenare il cambiamento climatico, è molto vantaggiosa per altri motivi. Stime concordi di molti economisti, fra i quali il premio Nobel J. Stiglitz, valutano infatti che le energie rinnovabili, a parità di capitale investito, creano 3 volte più occupati delle fonti fossili, per cui gli investimenti nelle energie rinnovabili sono anche i più efficaci per il rilancio dell’economia. Un gruppo della Università di Stanford ha svolto un’indagine dettagliata sui benefici che la transizione porterà in vari Paesi. Per quanto riguarda l’Italia, lo studio afferma che l’energia necessaria al nostro Paese si può ricavare essenzialmente da eolico, fotovoltaico e idroelettrico, con un piccolo contributo di geotermico. Ha anche valutato che per la costruzione degli impianti necessari si occuperà non più dello 0,26% del territorio e che si creeranno 138.000 posti di lavoro per la costruzione degli impianti e altri 140.000 per il funzionamento.

La transizione energetica dai combustibili fossili alle energie rinnovabili è però fortemente ostacolata dalla lobby dei combustibili fossili (in Italia, da ENI). Per cui siamo in una strana situazione in cui il futuro, cioè le energie rinnovabili, è già presente, ma il passato, cioè i combustibili fossili, non vuole passare. Il passato non vuole passare perché ci sono in gioco enormi interessi, non solo economici. Poiché non c’è spazio per entrare nei dettagli, si ricorda solo che l’attuale AD di ENI, nelle numerose interviste rilasciate ai giornali anche nelle ultime settimane, insiste sul fatto che le energie rinnovabili non sono ancora mature, per cui, secondo lui, bisognerà andare avanti ancora per molti decenni con i combustibili fossili. Per smentire questa favola delle energie rinnovabili non mature, basta fare un semplice confronto: la fotosintesi naturale converte l’energia solare in energia chimica con un’efficienza energetica dello 0,2%, mentre il fotovoltaico converte l’energia solare in energia elettrica con un’efficienza del 20%, cioè 100 volte maggiore! A ciò si può aggiungere un altro numero: attualmente gli impianti fotovoltaici installati nel mondo generano una quantità di elettricità pari a quella generata da 170 centrali nucleari, senza produrre scorie radioattive e senza produrre anidride carbonica. Quindi, per favore, l’AD di Eni smetta di dire che le energie rinnovabili non sono mature; si renda conto, piuttosto, che il fotovoltaico è un formidabile successo dell’ingegno umano e un’innovazione veramente grande che contribuirà ad eliminare l’uso dei combustibili fossili.

Italia e Europa, prima della pandemia, non si sono mostrate particolarmente attive nel promuovere la transizione energetica. Il nostro gruppo energiaperlitalia ha pubblicamente criticato il PNIEC (Piano Nazionale Integrato Energia e Clima) perché, pur contenendo elementi positivi, è formulato in modo che i combustibili fossili rimarranno la fonte prevalente di energia in Italia non solo al 2030, ma anche fino al 2040. E’ evidente che nella stesura di questo piano energetico del Governo ci sono state forti pressioni della lobby dei combustibili fossili.

Ora le cose, almeno a livello europeo, sono cambiate. E’ stato lanciato un piano ben finanziato, il Green Deal europeo, che è una strategia articolata per azzerare le emissioni climalteranti entro il 2050, ridurre l’inquinamento, proteggere il pianeta e far sì che la transizione energetica sia socialmente giusta ed inclusiva. L’Italia non deve perdere questa occasione che, fra l’altro, può fare emergere le grandi potenzialità della nostra industria manifatturiera perché fotovoltaico, eolico, sistemi di accumulo dell’energia elettrica e tutto quello che riguarda le energie rinnovabili si basa proprio su questo tipo di industria, in cui noi siamo maestri.

Abbiamo visto con piacere in questi giorni che è stato presentato un progetto per la costruzione di un parco eolico nell’Adriatico al largo di Rimini: 59 pale alte 125 metri capace di generare 330 MW. Un ottimo progetto, al quale naturalmente si oppongono i conservatori che non sanno vedere la bellezza delle pale eoliche e ai quali, comunque, va detto che se non vogliono le energie rinnovabili dovranno tenersi i combustibili fossili con inquinamento e cambiamento climatico, oppure vivere al buio. A questo proposito ricordiamo che oggi l’eolico a livello mondiale fornisce al mondo una quantità di energia elettrica pari a quella che sarebbe generata da 270 centrali nucleari.

Quindi, il suggerimento di energiaperlitalia è questo: il Governo per rilanciare l’economia e aumentare i posti di lavoro deve favorire e sviluppare la produzione e l’uso delle energie rinnovabili. In Europa dovremo opporci, come dice il segretario dell’ONU, ad ogni tentativo che gli aiuti post corona-virus vadano alle industrie e alle attività che inquinano. Naturalmente, questo dovremo farlo anche noi in Italia. Ricordiamo che, secondo dati del Ministero dell’Ambiente, nel 2018 i sussidi e le agevolazioni a fonti energetiche con dannoso impatto ambientale (essenzialmente i combustibili fossili) ammontavano a 16,9 miliardi, mentre quelli a favore di fonti con impatto ambientale favorevole (cioè le energie rinnovabili) erano di 13,7 miliardi. Quindi siamo all’assurdo che i combustibili fossili, responsabili dei danni alla salute e del cambiamento climatico, sono addirittura maggiormente incentivati rispetto aelle energie rinnovabili che, invece, dovranno salvarci da queste sciagure. Riteniamo anche che nel Green Deal europeo l’Italia deve assumere un ruolo di leader, se non altro perché abbiamo molto più Sole di quello che hanno gli insopportabili “paesi frugali”.

La transizione economica

Dall’economia lineare all’economia circolare

Un altro punto da mettere all’ordine del giorno nel rilancio dell’economia post-virus è la transizione dall’economia lineare, caratterizzata dall’usa e getta, all’economia circolare. Non è possibile continuare con «l’usa e getta» perché è un sistema ecologicamente insostenibile: porta da una parte all’esaurimento delle risorse e dall’altra all’accumulo di quantità enormi di rifiuti, sempre dannosi. Senza soffermarsi su questo punto che dovrebbe essere stato discusso nei giorni scorsi, si vuole solo sottolineare due aspetti del problema. Il primo è che per il successo dell’economia circolare non è sufficiente la raccolta differenziata; è infatti necessario intervenire anche nella fase di progettazione affinché gli oggetti a fine uso siano facilmente disassemblabili, così da poter riciclare più facilmente gli elementi di ogni singolo componente. Il secondo aspetto, invece, è che la differenza fondamentale fra economia lineare e economia circolare riguarda l’energia: l’economia lineare è alimentata dai combustibili fossili, mentre l’economia circolare deve utilizzare l’energia solare e le altre fonti di energia (eolica, idrica) ad essa collegate. Ecco quindi che la seconda transizione, quella dall’economia lineare alla economia circolare, non può realizzarsi completamente se non si porta a termine la transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili.

La crescita

Riguardo all’economia, c’è anche un problema più generale su cui facciamo solo una breve considerazione.

La situazione pre-virus era caratterizzata dalla parola crescita, collegata al PIL. Nei piani di rinascita si ricomincia a parlare di crescita in modo sempre più insistente. Tutto deve crescere perché tutto quello che cresce fa aumentare il PIL. Se consideriamo che il pianeta, l’unico luogo dove possiamo vivere, ha risorse limitate, non dovrebbe essere difficile capire che una crescita senza limite di tutte le produzioni è semplicemente impossibile.

Quindi, non bisogna tornare semplicemente alla crescita, ma ogni volta che qualcuno pronuncia la parola crescita bisogna interrogarsi: è necessaria? è possibile? che conseguenze comporta per la salute del pianeta? che conseguenze comporta per  la società? Se la crescita non rispetta l’ambiente e non riduce le disuguaglianze, che sono i due punti deboli della nostra società, quella crescita non è progresso e quindi non bisogna perseguirla. Esempi: la crescita del PIL connessa all’acquisto (es. aerei Tornado) o alla vendita (es. navi militari all’Egitto) di armi non va assolutamente perseguita, così come non si deve favorire l’estensione delle autostrade a scapito delle linee ferroviarie, perché l’energia rinnovabile sarà elettrica e quindi i trasporti, particolarmente delle merci, dovranno prevalentemente avvenire su ferrovia e non su strada.

La Terra come limite

C’è un altro concetto importante da chiarire quando si parla di energia. Le energie rinnovabili primarie, quelle del Sole, del vento e dell’acqua, per essere utili devono essere convertite in energie di uso finale, cioè elettricità. Per far questo è necessario costruire congegni e strutture materiali (pannelli fotovoltaici, pale eoliche, dighe, ecc.) usando le risorse minerali che ci può fornire la Terra. Ma nella Terra c’è quello che c’è, non quello che noi vorremmo ci fosse. Possiamo fare l’esempio del Neodimio, un elemento che forse molti non sanno cosa sia, ma che è importantissimo per il buon funzionamento delle pale eoliche. In Italia di Neodimio non ce n’è: è quasi tutto in Cina. Da questo fatto dobbiamo trarre la lezione che nessuno può fare da solo, sono importantissimi tutti gli scambi commerciali per giungere alla sostenibilità ecologica globale.

C’è poi un’altra lezione da imparare. Il nostro limite per le risorse è la Terra, la limitata disponibilità e la non uniforme distribuzione delle risorse materiali di cui abbiamo bisogno. Degradare il pianeta vuol dire ridurre le risorse disponibili.  Alla scarsità di materiali si potrà ovviare, in parte, con il riciclo (economia circolare). Ma è molto probabile che con le energie rinnovabili non sarà possibile produrre tutta l’energia che vorremmo, per poi sprecarla e, certamente, saremo ancora una volta di fronte al problema della disuguaglianza fra le varie nazioni, con tutto ciò che essa comporta.

Transizione culturale

Dal consumismo alla sobrietà

Nel tentativo di risolvere, o almeno attenuare i problemi della relativa scarsità di risorse materiali e delle disuguaglianze, possiamo porci una domanda limitandoci sempre al tema dell’energia, anche se il ragionamento può essere facilmente esteso ad altre risorse.

La domanda è: di quanta energia abbiamo effettivamente bisogno? Sappiamo bene che nei paesi ricchi gran parte dell’energia viene sprecata e d’altra parte indagini e statistiche rivelano che il benessere delle persone non è direttamente proporzionale all’energia che consumano. Vediamo allora qualche numero. Ogni cittadino americano impiega mediamente l’equivalente di 12.000 watt di potenza, il doppio di un cittadino europeo (6.000 watt). Indagini dimostrano che il benessere delle persone negli Stati Uniti non è maggiore di quello delle persone in Europa. Non solo, ma nel 1960 ai cittadini europei bastavano 2.000 watt pro-capite per vivere bene. Partendo da queste considerazioni scienziati svizzeri hanno stimato che 2000 W rappresentano una quantità sufficiente di energia per vivere in modo confortevole e il Governo svizzero ha quindi proposto una legge per ridurre a 2000 W il consumo di energia per persona entro il 2050. Tale legge è stata sottoposta a referendum e approvata dalla maggioranza dei cittadini svizzeri nel 2017. Quindi, si può star bene consumando meno energia.

A questo punto rimane un problema sottile. Come si può fare a ridurre il consumo di energia quando si è abituati a sprecarla? Chi studia questo problema indica due strategie: la prima è agire sulle cose, cioè aumentare l’efficienza energetica di tutte le apparecchiature che usiamo. Quindi: automobili e lampadine che consumano meno, infissi che impediscono l’uscita del calore dalle abitazioni, ecc. L’esperienza dimostra, tuttavia, che l’aumento dell’efficienza delle «cose» spesso non porta a una riduzione sostanziale del consumo di energia per diversi motivi, fra cui il cosiddetto «effetto rimbalzo». Può accadere, infatti, che un aumento dell’efficienza energetica incoraggi un maggiore utilizzo dei servizi energetici. Ad esempio, quando una persona sostituisce una vecchia auto con una meno inquinante spesso finisce per usarla più di quella vecchia.

Se si vuole realmente consumare meno energia per contribuire alla sostenibilità ecologica e sociale bisogna agire sulle persone, prima che agire sulle cose. Bisogna partire dal concetto di sufficienza e convincere, sollecitare gentilmente (si veda La spinta gentile, di Richard Thaler) e, in casi estremi, obbligare le persone con leggi e sanzioni, a ridurre l’uso non necessario dei servizi energetici. Per risparmiare realmente energia non basta «fare con meno», bisogna «fare meno»: minor consumo di prodotti inutili, minor velocità in autostrada, meno viaggi non strettamente necessari e così via. Se poi la “cosa” che si usa, dopo aver adottato la strategia della sufficienza, è più efficiente si avrà un risparmio ancora maggiore: è il «fare meno (sufficienza) con meno (efficienza)». Questi concetti possono essere applicati a qualsiasi risorsa, poiché tutte le risorse della Terra sono, più o meno, limitate.

Ecco allora la terza transizione da attuare per raggiungere la sostenibilità (ecologica, sociale ed economica): dal consumismo al risparmio, alla sufficienza, o, meglio, alla sobrietà. Senza adottare stili di vita ispirati alla sobrietà non si potrà andare molto lontano.

Conclusione

E’ chiaro che le tre transizioni di cui si è parlato richiedono un forte impegno e grandi investimenti. Ma intanto si può iniziare dalle piccole cose, ma pur sempre significative.

Ad esempio:

– eliminare gli ostacoli alla diffusione delle energie rinnovabili, consentendo ai consumatori di unirsi in comunità, come già accade in Europa, per condividere l’energia prodotta da fonti rinnovabili a livello di condominio o di quartiere o di gruppi di imprese

– eliminare i sussidi e le agevolazioni ai fossili, passandoli alle energie rinnovabili.

– dismettere le 8 centrali elettriche a carbone, cosa che il Governo ha promesso di fare entro il 2025, senza rimpiazzarle con centrali a gas.