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10 reazioni chimiche che hanno cambiato il mondo
La chimica ci circonda ogni giorno. Dalla cottura del cibo alla guida delle nostre auto al nostro stesso metabolismo corporeo, non possiamo sfuggire al costante riarrangiamento degli atomi e dello scambio di energia che è la chimica.
Sebbene questo costante spostamento degli atomi costituisca uno sfondo quasi impercettibile nella nostra vita quotidiana, ci sono alcune reazioni che hanno veramente cambiato, o cambieranno, il modo in cui l'umanità ha vissuto. Alcuni per quello che potremmo fare con loro. Altri a causa di ciò che ci hanno mostrato. Ma tutti sono diventati punti di riferimento nel viaggio dell'umanità.
Ecco 10 reazioni chimiche che hanno cambiato il mondo.
10 Sintesi dell'ammoniaca
L'azoto è uno degli elementi più importanti per la vita, forse dietro solo al carbonio. È un componente chiave del DNA, dell'RNA, delle proteine e della chitina (un polimero biologico simile alla cellulosa trovato in funghi, insetti, aragoste, gamberetti e alcuni pesci). L'azoto è anche uno degli elementi più abbondanti sulla Terra, che costituisce circa il 78 percento dell'atmosfera terrestre. Tuttavia, l'azoto nell'atmosfera esiste sotto forma di N2, che è altamente non reattivo e non utile per la maggior parte delle forme di vita.
Pertanto, l'azoto deve essere fissato convertendolo in forme più reattive, come ammoniaca, nitrati e nitriti. In natura, questo è di solito fatto da batteri specializzati. Questi batteri formano un rapporto simbiotico (nel senso che entrambi gli organismi beneficiano) con molte piante, vivendo in noduli nelle radici.
Tuttavia, non tutte le piante formano questa relazione. Soprattutto nel caso di agricoltura commerciale, colture come il mais non fissano l'azoto ma lo assorbono dal terreno. Se una coltura che non fissa l'azoto viene coltivata per diverse stagioni, sarà necessario aggiungere del fertilizzante. Tuttavia, pochi materiali presenti in natura hanno abbastanza azoto da agire come fertilizzante. Pertanto, per soddisfare le crescenti richieste di cibo, era necessario trovare un modo migliore per produrre fertilizzante azotato.
Il processo Haber-Bosch è stato il primo passo. Sviluppato da Fritz Haber e Carl Bosch nel 1918, il processo utilizzava sia alte temperature che alte pressioni e un catalizzatore di ferro per produrre una grande quantità di ammoniaca da idrogeno gassoso e azoto.
Poiché l'ammoniaca era relativamente economica da produrre, divenne un'alternativa praticabile ai fertilizzanti naturali. Oggi l'ammoniaca è la seconda sostanza chimica prodotta per tonnellaggio, dopo solo l'acido solforico.
9 Polimerizzazione di polietilene
La plastica ha rivoluzionato il mondo. Poiché sono facilmente modellabili, resistenti al calore e agli attacchi chimici e sono economici, i materiali plastici sono diventati un materiale ubiquitario nella vita di tutti i giorni, in particolare il polietilene. Disponibile in una varietà di forme come polietilene ad alta densità e polietilene a bassa densità, è utilizzato in sacchetti di plastica, bottiglie per il latte e giubbotti antiproiettile.
Il polietilene fu scoperto casualmente nel 1933 da due scienziati che lavoravano per il Laboratorio di ricerca delle industrie chimiche imperiali mentre tentavano di reagire con etilene e benzaldeide. Invece, è stato scoperto un materiale ceroso, che è risultato essere un polimero di etilene. Un polimero è una sostanza composta da molte unità ripetitive. Altri polimeri includono cellulosa e DNA.
Nel 1937, il materiale era stato sviluppato come film e fu usato come isolante per cavi e componenti radar dagli inglesi nella seconda guerra mondiale. Poiché rendeva i componenti elettrici abbastanza leggeri da essere collocati negli aerei, la sua struttura e la sua fabbricazione erano un segreto molto custodito. Oggi il polietilene è la plastica più prodotta al mondo, con 81,8 milioni di tonnellate prodotte nel 2015 e quasi 100 milioni di tonnellate stimate nel 2018.
8 Combustione di idrogeno
Alla fine del 1700, la chimica era una scienza sottosviluppata. La maggior parte della chimica era radicata negli elementi greci dell'aria, dell'acqua, della terra e del fuoco, con aggiunte fatte come necessario per spiegare le osservazioni.
Una delle aggiunte più importanti era il flogisto. Sviluppato da Georg Stahl, il concetto affermava che tutte le sostanze infiammabili contenevano un elemento di fuoco chiamato flogisto. Alla combustione, questo flogisto sarebbe perso nell'aria. Questo sembrava spiegare perché il carbone bruciato pesava meno del carbone originale. Tuttavia, questa teoria non è riuscita a spiegare perché alcune sostanze, come il fosforo e lo zolfo, hanno guadagnato massa durante la combustione.
Inserisci Antoine Lavoisier, uno scienziato francese che era molto scettico sulla teoria del flogisto. In forse il suo esperimento più famoso, ha bruciato quella che era conosciuta come aria infiammabile (gas idrogeno) con aria normale. Il prodotto era acqua. Lavoisier credeva che l'acqua dovesse essere una combinazione di una sostanza nell'aria (che chiamò ossigeno) e dell'aria infiammabile.
Ha ulteriormente supportato la sua ipotesi dalla decomposizione dell'acqua in ossigeno e idrogeno. Nel 1789, il nuovo sistema di chimica di Lavoisier fu completamente pubblicato nel suo libro di testo Traite elementaire de Chimie ("Elementi di chimica"), che abbandonò il sistema greco e gettò le basi per la chimica moderna.
7 Riduzione e ossidazione di zinco e argento
Quando Alessandro Volta nacque a Como, in Italia, nel 1745, l'elettricità era un fenomeno poco conosciuto. Si sapeva che l'elettricità poteva essere condotta e che si manifestava in due forme (quelle che in seguito sarebbero state definite positive e negative).
Poco dopo la nascita di Volta, fu dimostrato da Benjamin Franklin che il fulmine era in realtà elettricità. Sebbene Volta non avesse un'educazione universitaria, divenne famoso come scienziato ai suoi tempi. Nel 1775, sviluppò l'elettroforo perpetuo, un miglioramento rispetto alle precedenti versioni dell'elettroforo. Tuttavia, un'altra invenzione doveva essere la sua più importante.
Nel 1780, lo scienziato Luigi Galvani affermò che i muscoli animali producevano elettricità quando si contrattavano. Chiamò questa "elettricità animale" e credette che fosse diversa dall'elettricità normale.
Volta non fu d'accordo, notando che le zampe di rana di Galvani erano state collegate a due metalli diversi durante gli esperimenti. Volta ha continuato a dimostrare che sovrapponendo dischi metallici alternati di argento e zinco, con panni imbevuti di salamoia tra ciascun disco, poteva creare una corrente elettrica stabile senza animali.
Tuttavia, fu subito riconosciuto che l'invenzione di Volta era molto più utile della semplice disputa con Galvani. Tutte le precedenti fonti di elettricità potevano generarlo solo a raffica. Generando una corrente costante, l'invenzione di Volta consentì uno studio più rigoroso, gettando le basi per il lavoro rivoluzionario di Faraday nell'elettromagnetismo.
6 Sintesi di urea
Il vitalismo era una teoria secondo cui i sistemi viventi erano governati da principi completamente diversi rispetto ai sistemi non viventi. Inoltre, si riteneva che i componenti che componevano i sistemi viventi non potessero essere realizzati con componenti non viventi. Questa credenza era diffusa nel XIX secolo e veniva usata per spiegare perché molti sistemi viventi sembravano incomprensibili rispetto ai sistemi non viventi.
Tuttavia, lo scienziato tedesco Friedrich Wohler lo cambiò. Già noto per il suo isolamento di alluminio puro nel 1825, Wohler stava lavorando per tentare di sintetizzare il cianato di ammonio nel 1828. Tuttavia, quando ha reagito il cianato d'argento e il cloruro di ammonio nel tentativo di produrre il cianato di ammonio, ha invece prodotto cristalli bianchi. Più tardi identificò la sostanza come urea.
Urea era stata isolata nel 1773 dal chimico francese Hilaire-Marin Rouelle. Ciò significava che Wohler aveva appena sintetizzato un composto organico, che smentiva uno dei principi fondamentali del vitalismo. Il lavoro di Wohler avrebbe continuato a gettare le basi per il campo della chimica organica.
5 PCR
La reazione a catena della polimerasi (PCR) è di gran lunga la reazione più complicata in questo elenco ma potenzialmente la più utile ed eccitante. PCR è stato inventato nel 1983 da Kary Mullis, che alla fine ha vinto un premio Nobel per il suo lavoro.
Il processo funziona riscaldando il DNA in modo che si separi in due singoli filamenti. (Il DNA è a doppio filamento.) Quindi i primer possono essere attaccati ai singoli filamenti di DNA. Gli enzimi chiamati DNA polimerasi si attaccano ai siti di primer e replicano il resto del filamento di DNA. Questo processo può essere ripetuto molte volte, con ogni iterazione che teoricamente raddoppia il numero di copie esatte del DNA.
La capacità di replicare il DNA ha aperto le porte in molti campi. Permetteva agli scienziati forensi di applicare le tecniche genetiche anche se sulla scena del crimine c'era solo una piccola quantità di materiale genetico. In medicina, è utile per aiutare a identificare la causa delle infezioni. Nella ricerca, era una tecnica essenziale utilizzata durante il sequenziamento del genoma umano.
Oltre a questi, è ormai una tecnica onnipresente nei laboratori di biologia e biochimica in tutto il mondo.
4 idratazione dei grassi
Hai un barattolo di Crisco nella tua dispensa? Ti sorprenderebbe se ti dicessi che Crisco è il risultato di uno dei progressi più rivoluzionari al mondo nella tecnologia alimentare?
Tutto inizia con la differenza tra grassi animali e grassi vegetali. I grassi negli animali tendono a essere saturi, il che significa che tutto il carbonio contenuto nel grasso è legato al numero massimo di atomi. I grassi nelle piante tendono ad essere insaturi, il che significa che parte del carbonio in quei grassi non era legato al numero massimo di atomi.
Nel 1902 Wilhelm Normann sviluppò un processo che consentì di aggiungere idrogeno a grassi insaturi, che li trasformerebbero in grassi saturi o almeno più grassi altamente saturi. Nel 1909, Procter & Gamble acquisì il brevetto di Normann. Due anni dopo, pubblicarono Crisco, un accorciamento prodotto principalmente con olio di semi di cotone idrogenato, più economico del lardo standard.
Tuttavia, quello era solo l'inizio. Nel 1979, circa il 60% di tutti i grassi consumati negli Stati Uniti era stato idrogenato. Ma c'era un lato oscuro dell'idrogenazione. Gli acidi grassi insaturi naturali si verificano quasi esclusivamente nella configurazione cis, il che fa sì che le molecole di grasso abbiano una piega o un nodo in esse e non siano in grado di adattarsi insieme. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei grassi insaturi sono liquidi.
Tuttavia, durante l'idrogenazione, alcuni acidi grassi insaturi riprendono la configurazione trans. A partire dagli anni '90, la ricerca ha dimostrato che l'elevato consumo di grassi trans ha comportato effetti avversi sulla salute. Poco dopo, la FDA ha iniziato a regolare la quantità di grassi trans negli alimenti e alcune località hanno addirittura vietato queste sostanze. Ciò ha portato all'eventuale declino dei grassi idrogenati.
3 Distruzione di ozono
La tecnologia di refrigerazione meccanica era stata di uso comune almeno dagli anni '70 del 1800. Tuttavia, c'era un enorme problema che limitava la tecnologia al momento. La maggior parte dei refrigeranti (sostanze utilizzate per spostare il calore dall'interno dei frigoriferi all'esterno) erano altamente tossici o altamente infiammabili. Sfortunatamente, era relativamente comune per le persone morire a causa della fuoriuscita di refrigerante.
Per risolvere questo problema, Frigidaire, Dupont e General Motors hanno unito le forze per trovare un refrigerante che sarebbe molto più sicuro. Il risultato è stato il freon, una miscela di una classe di sostanze chimiche chiamate clorofluorocarburi (CFC). Freon era così sicuro che il suo inventore lo inalò direttamente e poi lo espirò su una candela davanti all'American Chemical Society.
Tuttavia, i CFC avevano un problema sconosciuto al momento. Con così tanti frigoriferi che utilizzano CFC, la sostanza chimica ha raggiunto rapidamente livelli significativi nell'atmosfera.Se esposti alla luce ultravioletta nell'atmosfera superiore, i CFC emettono spesso un atomo di cloro.
Il cloro è altamente reattivo e catalizza la degradazione dell'ozono (O3) nell'ossigeno molecolare (O2). Poiché i catalizzatori accelerano solo la velocità di una reazione e non vengono consumati nella reazione, una molecola di una CFC potrebbe portare alla distruzione di migliaia o addirittura milioni di molecole di ozono, causando un depauperamento su larga scala dello strato di ozono.
Oggi i CFC sono altamente regolamentati dal protocollo di Montreal e non sono più utilizzati come refrigerante. Sono stati sostituiti da una classe simile di composti noti come idrofluorocarburi (HFC). Mentre gli HFC hanno anche degli inconvenienti (sono un gas serra molto forte), non ci sono stati refrigeranti di nuova concezione che sono sia non tossici che non infiammabili.
2 Acqua con anidride carbonica
Il biossido di carbonio è forse meglio conosciuto per il suo ruolo di gas serra. Man mano che i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera aumentavano, aumentavano anche le temperature globali medie. Tuttavia, c'è un secondo lato oscuro dell'anidride carbonica e succede ogni giorno quando beviamo una soda.
L'anidride carbonica reagisce in modo reversibile con l'acqua per formare l'acido carbonico. Parte di questo acido carbonico si rompe poi in bicarbonato e poi carbonizza gli ioni mentre rilascia H + (il rilascio di H + è la caratteristica che definisce gli acidi denominati acidi Bronsted-Lowry). Questo acido fa parte della sensazione acuta di una soda fresca.
Tuttavia, il biossido di carbonio nell'atmosfera può reagire allo stesso modo con l'acqua nell'oceano. Infatti, l'oceano assorbe circa un quarto del biossido di carbonio rilasciato ogni anno.
Di conseguenza, il pH delle acque oceaniche superficiali è diminuito di circa 0,1 unità di pH dall'inizio della rivoluzione industriale, che è un aumento del 30% circa dell'acidità. Mentre questo aumento dell'acidità avvantaggia alcuni organismi come le alghe e le fanerogame marine, è dannoso per molti organismi come ostriche, vongole, molluschi e coralli.
Un rapporto delle Nazioni Unite ha stimato che l'acidificazione degli oceani potrebbe costare fino a 1 trilione di dollari entro il 2100.
1 saponificazione
È risaputo che il petrolio e l'acqua non si mescolano. La ragione di questo ha a che fare con un concetto chiamato polarità. In poche parole, le molecole d'acqua sono polari e le molecole di olio no. Poiché le molecole d'acqua sono polari, è più favorevole per loro essere l'una accanto all'altra rispetto a una molecola di olio non polare. Tuttavia, come sa qualsiasi cuoco, questo può rappresentare un problema quando si tratta di pulire i piatti. Il grasso non si mescolerà con l'acqua e rimarrà sul piatto.
La risposta è sapone. Le molecole di sapone hanno parti sia polari che non polari. La parte polare si mescola con l'acqua mentre la parte non polare si mescola con l'olio, che consente all'olio di formare piccole gocce nell'acqua che vengono rimosse più facilmente.
La reazione usata per creare il sapone è la reazione di saponificazione. Originariamente, il sapone veniva prodotto riscaldando sale, cenere e grassi animali insieme in acqua. I primi saponi conosciuti furono fabbricati usando questo processo a Babilonia nel 2800 aC. Oggi il sapone viene prodotto facendo reagire idrossido di sodio o idrossido di potassio con acidi grassi (che derivano da molecole di grasso).
Tuttavia, per scopi diversi dall'igiene personale, i saponi sono stati in gran parte sostituiti dai detergenti. Questi agenti detergenti sono simili ai saponi, ma sono generalmente derivati da prodotti petrolchimici e presentano numerosi vantaggi rispetto ai saponi. Tendono a durare più a lungo senza decomporre. Inoltre tendono ad essere più solubili in acqua fredda o acqua dura (acqua che ha un contenuto di calcio relativamente alto), il che significa che non abbiamo la stessa probabilità di vedere quella brutta schiuma di sapone.