Chimica dei Beni culturali - Appunti

Chimica

Chimica è la materia che studia le trasformazioni delle sostanze. La trasformazione implica la modifica di tali sostanze. Facendo evaporare H₂O non si crea un processo chimico, al contrario quando un pezzo di argento diventerà nero si instaurerà un processo chimico.

Chimica dell'ambiente

Questo campo interessa le reazioni che comportano trasformazioni di sostanze nell'ambiente. Questo concetto può essere esteso anche al mondo biologico (uomo compreso). La composizione dell'ambiente non è quella naturale, visto che l'uomo l'ha modificata. Si altereranno così le risorse naturali disponibili, grazie all'attività dell'uomo.

Bilancio energetico

Rapporto tra energia che entra (solare) ed energia che si consuma, che produrrà CO₂ che attraverso il sole verrà trasformata in combustibile. Si può quindi pensare che la Terra abbia risorse infinite, ma non è così. Questa è la causa di ciò che viene definita entropia.

Entropia

Viene teorizzato che i cicli riportino alle condizioni di partenza, ma in realtà non è così. Ad esempio, una cava di marmo, sotto l'azione dell'inquinamento atmosferico, verrà conservata. Con le piogge sarà riportata al suolo, quindi dal luogo di provenienza. Il ciclo non riporterà alla condizione di partenza, quella di cava di marmo.

Soluzione di calce

Viene creata quando un agente atmosferico attacca il marmo e lo riporta al terreno. Non sono cicli a perdita zero, ma a perdita crescente. Se si aumenta la crescita del consumo delle risorse energetiche, la quantità delle risorse verrà meno e non saranno disponibili per i posteri.

I compartimenti ambientali

• Aria gassosa si mescolerà sempre - Diffusione veloce
• Acqua liquida si mescola solo a volte - Diffusione meno veloce
• Suolo solida non si mescola mai - Diffusione lenta

Gas, liquidi e suolo

La natura avrà meccanismi di autoprotezione con i quali cercherà di reagire all'inquinamento sempre in crescita a causa dell'attività antropica.

Gas: avrà una diffusione veloce e sarà alta la sua mescolabilità. Visto che la natura li disperde, attiverà un meccanismo di difesa e ne diminuirà l'effetto inquinante.

Liquidi: legati soprattutto all'inquinamento dell'acqua, come l'inquinamento marino. Il mare avrà una grande capacità diluente perché è una massa liquida molto consistente. Per cambiare la sua composizione ci vorrà un apporto inquinante molto consistente. Insolubilizzazione: nell'acqua alcuni inquinanti si depositano, cioè si fermano, passando da stato liquido a stato solido. Questo avviene per una modificazione della componente chimica. Alcuni di questi processi sono prodotti dalla salicità. Quando il fiume arriverà al mare avverrà un cambiamento di salicità che farà precipitare i colloidi, aggregatori molecolari carichi elettronicamente.

Suolo: si difenderà attraverso:

• Assorbimento: assorbirà le sostanze impedendone la mobilità.
• Scambio ionico: processo per il quale in una matrice solida potrà avvenire uno scambio di uno ione con un altro. Gli ioni naturali possono essere scambiati con ioni innaturali, cioè inquinanti.

Complessazione

Reazioni chimiche che legano gli ioni dei metalli in modo tale da bloccarli, a impedirne così la mobilità. Nel suolo esistono naturalmente delle sostanze chimiche che hanno la capacità di legare i metalli. Pertanto, la natura cerca di difendersi dall'attività antropica. Anche in assenza di inquinamento antropico non bisognerebbe pensare a una condizione di stabilità: nell'ambiente è sempre presente un elemento H₂O che ha una grande capacità reattiva. H₂O, visto che è un solvente, tende a sciogliere i componenti naturali (tossicità legata alla concentrazione).

Ossigeno e energia libera

Ossigeno: elemento capace di provocare ossidazione che provoca la trasformazione della composizione. Pertanto, in natura sono presenti già degli inquinanti: H₂O e O che alterano la composizione. Energia libera: elemento variabile. Tutti gli elementi esposti all'aria sono sottoposti al processo di ossidazione. In natura pochi elementi base, molti saranno invece i composti.

Attacco acido

Gli inquinanti che l'uomo produce sono di natura varia, ma sarà l'acidità a caratterizzare quelli più importanti. L'acidità favorisce tutti i processi di dissoluzione, si rientrerà nel concetto di corrosione atmosferica o ambientale. L'attività dell'ossigeno (agente spontaneo ossidante) è collegata alla pressione a cui l'ossigeno lavora. Se si vuole proteggere qualcosa, bisognerà abbassare la pressione, cioè togliere ossigeno.

Capacità di recupero della natura

• Diluizione
• Assorbimento
• Precipitazione di alcune sostanze che verranno sedimentate per effetto della variazione della solubilità

Degradazione

Vi sono però altri due processi molto importanti che avverranno in natura, e che saranno entrambi degradazioni:

• Foto- e biodegradazione: degradazione delle molecole più grandi in molecole più piccole. Questo processo non sarà sempre vantaggioso, visto che le molecole più piccole saranno anche più mobili, potranno quindi trasferirsi più facilmente da un punto all'altro. Le molecole più piccole interagiranno più facilmente e avranno un eventuale grado di tossicità più basso. Generalmente, la degradazione potrà portare a una diminuzione del peso molecolare, a una diminuzione della tossicità. È per questo che generalmente le degradazioni saranno un fatto positivo. Saranno anche il punto di partenza della mineralizzazione.

Mineralizzazione

Attraverso questo processo non avverrà la trasformazione dei composti in altri con grado molecolare più piccolo. La sua trasformazione sarà in prodotti volatili, gas che verranno facilmente dispersi nell'atmosfera.

Foto/Bio-degradazioni

• Biologici / Biochimici: questi meccanismi faranno riferimento al fatto che in natura sono presenti molti microorganismi che sono in grado di metabolizzare, ovvero di trasformare le sostanze per utilizzarle come propria risorsa energetica. Le biodegradazioni sono degradazioni a carico di microorganismi capaci di utilizzare queste molecole come forma di energia. Tanto più che il microorganismo trasforma molecole di energia, tanto più ci sarà una sorta di azione di pulizia nei confronti di queste sostanze.
• Fotodegradazioni: degradazioni innescate dalla luce solare, che è caratterizzata da uno spettro, un insieme di lunghezze d'onda presenti nella luce solare. Nella luce solare è presente la componente ultravioletta, che avrà un'energia maggiore rispetto alla luce violetta. Questa energia ultravioletta è capace di innescare delle azioni di degradazione per interazione dell'energia luminosa con le molecole.

Radicali liberi

In chimica sono delle specie chimiche caratterizzate da grande instabilità dovuta alla loro struttura elettronica. Quando si producono questi radicali liberi, automaticamente questi tendono ad attaccare le molecole proprio perché sono instabili e quindi tendono a stabilizzarsi. Reagiranno con ogni tipo di molecola. L'azione della luce solare può essere favorita dal fatto che in natura saranno presenti i catalizzatori.

Catalizzatori

Molecole che hanno la capacità di accelerare le reazioni, rendendo rapide anche le reazioni molto lente. Tra i catalizzatori troveremo gli ossidi. Le capacità di risanamento naturali saranno principalmente nel processo di fotosintesi clorofilliana.

Fotosintesi clorofilliana

Strumento più importante per quello che riguarda il meccanismo di antropizzazione della natura. Sarà l'unica reazione naturale endotermica, di raccoglimento di energia dall'esterno. Le reazioni che avverranno spontaneamente saranno reazioni che non richiederanno energia, se la richiederanno dovranno essere innescate, non potranno avvenire spontaneamente. La fotosintesi clorofilliana sarà l'unica reazione naturale capace di utilizzare come energia quella solare, quindi si innescherà da sola, attraverso l'energia solare. La fotosintesi sarà molto importante perché grazie a questo meccanismo la natura eliminerà dall'atmosfera l'inquinamento principale dei processi industriali e civili, ovvero CO₂.

CO₂ e gas serra

CO₂ è un gas serra che impedisce il raffreddamento della terra. È presente in natura, ma non in quantità elevata. Quando si brucerà un combustibile, composto che bruciando consumerà energia, teoricamente dovrebbe contenere i due atomi che bruciando daranno maggiori rendimenti, questi saranno carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi saranno la base dei combustibili e saranno molecole a base di carbonio e di idrogeno. Il prodotto delle combustioni sarà:

• Carbonio CO₂
• Idrogeno H₂O

CO₂ è principalmente un inquinante. Non sarà gas molto tossico, ma sarà gas serra. Fotosintesi reazione con la quale attraverso la luce solare CO₂ e H₂O produrranno gli zuccheri con i quali le piante, le colture e il suolo si alimenteranno.

Composizione dei combustibili

Oggi il CO₂ non è il principale agente inquinante, visto che i nostri combustibili non contengono solo idrogeno e carbonio, ma una serie di sostanze che producono per combustione non soltanto CO₂ ma anche altri composti, di gas acidi. I principali sono acido solforico e acido nitrico (piogge acide). I nostri combustibili non sono perfetti, non conterranno solo carbonio e idrogeno, ma contengono anche comburente, che sarà una specie chimica che reagendo con il combustibile produrrà energia dando luogo alla combustione. Un combustibile da solo non produce energia. Il comburente è aria che contiene non solo ossigeno ma anche altri elementi come l'azoto, che dopo la combustione produrrà acidi di azoto che produrranno a loro volta l'acido nitrico.

Acidi di azoto

Acidi di azoto = NO_x (la X indica formula varia). Acido nitrico: acido molto aggressivo, perché oltre a essere acido è anche ossidante. La prima molecola che si produrrà nel passaggio da CO₂ a zuccheri sarà l'acido acetico che seguirà poi tre differenti strade:

• Una porta agli zuccheri
• Una porta agli aminoacidi
• Una porterà l'acido acetico in modo che la reazione non si estingua mai

Cause di inquinamento

Sono sostanzialmente collegate a:

• Attività antropiche: industriali
• Attività della vita civile: Riscaldamenti e diverse forme di produzione di energia per la vita di tutti i giorni, ad esempio gli elettrodomestici
• Utilizzo dell'automobile

Attività di salvaguardia di vita di tutti i giorni

• Elettrodomestici
• Riscaldamenti
• Mezzi di trasporto

Produzioni industriali e chimica

Le produzioni industriali sono legate soprattutto alle attività chimiche. Gli impianti industriali produrranno tutta una diversa serie di cose utili nella vita di tutti i giorni, ma avranno anche un impatto quantitativo rilevante. Per quanto riguarda le produzioni industriali, la chimica è passata attraverso tre fasi:

• Chimica pesante: sostanzialmente si basava su processi industriali che producevano una serie di sostanze, anche secondarie, che finivano nell'ambiente con effetti anche molto negativi. Le produzioni industriali non sono negative per le sostanze che si riproducono, ma perché insieme a queste vengono prodotte una serie di sostanze secondarie (scarti) che hanno delle esigenze di smaltimento e che consumano energia senza produrre nulla di utile.
• Chimica fine: basata su processi industriali molto più sofisticati, dove gli scarti erano minori e così anche l'impatto ambientale.
• Chimica verde/sostenibile: ha un impatto ambientale praticamente nullo. Non ci saranno scarti e la maggior parte verranno riciclati. Non saranno presenti temperature elevate. Un aiuto è venuto dalle biotecnologie che riprodurranno a livello industriale i meccanismi di carattere naturale.

Traffico e benzina

Traffico: Forma di inquinamento che proviene dalla vita di tutti i giorni. Comporterà un danno per l'ambiente perché le benzine non conterranno solo carbonio e idrogeno, così dalla loro combustione deriveranno sostanze inquinanti.

Benzina rossa

Conteneva piombo, utilizzato come antidetonante (Antidetonanti composti che si aggiungono alla benzina per far funzionare meglio il motore). Il piombo è un metallo tossico, elemento molto pericoloso. Per superare questo problema si è passati alla benzina verde che non contiene piombo. Per far funzionare meglio i motori venivano utilizzati gli idrocarburi aromatici, che sono ugualmente tossici e cancerogeni. Si è passati quindi alla benzina verde corretta, nella quale gli idrocarburi aromatici erano in quantità minore, ma che ha fatto crescere una nuova forma di inquinamento, il particolato atmosferico.

Particolato atmosferico

Particelle di carbone che assorbono una serie di sostanze che vengono smaltite al momento della combustione della benzina. Mentre mancano gli idrocarburi aromatici, non vengono aggregate e quindi diventano piccole e pertanto più facilmente disperdibili.

Impatto dell'inquinamento

Impatto dell'inquinamento in 4 direzioni:

• Ambiente
• Salute
• Beni culturali
• Alimentazione

Ambiente

Smaltimento di diverse di queste sostanze comporta un progressivo avvelenamento a causa di inibizione enzimatica: processo per il quale alcune sostanze di tossici ambientali bloccano l'azione di alcuni enzimi naturali. L'inquinamento comporta perdita del verde, perdita della qualità della produttività del terreno, diminuzione di flora e fauna.

Alimenti

La presenza di rifiuti tossici nell'ambiente fa sì che questi si accumulino in alcune di queste matrici. Le materie tossiche smaltite possono essere classificate in: Degradabili / Poco Degradabili / Recoltivabili.

Salute

Accumulando sostanze tossiche ci intossichiamo. Con l'inquinamento si producono dei danni che sfociano in malattie e danni. Alcuni dei nostri organi faranno da filtro: polmoni, fegato e reni. Componente estremamente dannosa sarà anche quella dei radicali liberi: questi verranno prodotti anche in molti processi industriali e a causa del traffico. Rispetto ai radicali liberi il nostro organismo avrà dei meccanismi di difesa: gli antiossidanti. Gli antiossidanti fermeranno l'azione dei radicali che attaccano i tessuti e porteranno all'invecchiamento. Quando siamo vecchi o malati i radicali liberi possono prendere il sopravvento e produrre quello che viene definito stress ossidativo. Sarà una forma patologica tramite la quale l'azione dei radicali non è contrastata dagli antiossidanti.

Beni culturali

Ricchezza del nostro paese. I materiali dei beni culturali saranno:

• Lapidei (provenienti da rocce, marmo)
• Cellulosici (carta, legno, stoffa)
• Metallici (metalli e leghe)
• Vetrosi e ceramici
• Pigmenti pittorici (sali organici e composti organici)

Questi 5 tipi di materiali saranno diversi, più o meno aggredibili dagli attacchi inquinanti ambientali con relativi danni. Non solo quelli esposti all'esterno, ma anche quelli che si trovano negli interni (come i musei, l'inquinamento viene da fuori). Anche i visitatori saranno dannosi per i beni culturali, visto che consumeranno ossigeno e produrranno CO₂.

Cause di inquinamento

3 comparti:

• Industriale: collegato alla produzione e pertanto all'economia
• Civile: attività che si svolgono in città (traffico ecc.)
• Sociale: articolazione dei beni primari

Processo industriale e impatto ambientale

Il processo industriale (dispersione di gas serra, acido nitrico, acido solforico) può essere caratterizzato da 3 tipi di impatto ambientale:

• A monte: Prima che il processo industriale avvenga l'impatto ambientale in questa fase sarà collegato a:
  • Alle materie prime, che possono essere di purezza diversa
  • Al carattere delle materie prime
  • Alla collocazione degli impianti
  • Alla dimensione degli impianti
• Durante: Abbiamo diverse condizioni sulle quali si basano le reazioni produttive, quindi le condizioni sperimentali che incideranno sull'ambiente:
  • Temperature elevate
  • Pressioni elevate
  • Tipo di processo
  • Solventi inutilizzati, la maggior parte saranno solventi organici che saranno molto più tossici dell'H₂O, il solvente ideale, anche se alcuni processi non potranno avvenire in acqua
  • Rendimento dell'impianto e della sua manutenzione
  • Presenza di perdite che si potranno verificare lungo il circuito
  • Monitoraggio durante il percorso industriale
• A valle: Relativo a rifiuti e scarti del processo industriale. Gli scarti richiederanno uno smaltimento. Ci saranno anche effluenti che il processo potrà produrre. Saranno legati a una reazione primaria. Si tratterà per lo più di elementi gassosi ma anche solidi e liquidi.

Per ridurre l'impatto ambientale si interverrà nei tre momenti del processo:

• A monte: utilizzo di materie prime quanto più possibile. Collocazione di impianti in zone dove il rischio ambientale sarà minore, garantendo che questi impianti siano sufficientemente isolati dall'ambiente.
• Durante: Si cercheranno le reazioni che:
  • Utilizzeranno temperature e pressioni più basse
  • Richiederanno solventi quanto più acquosi