È una mattina come tante, sono ancora assonnato e il brontolio della caffettiera mi richiama in cucina. Sarà la mia deformazione professionale da insegnante, ma di fronte all’aroma invitante del caffè appena fatto non riesco a fare a meno di pensare a quanta chimica c’è in una colazione. Continuo a sognare per un po’ e immagino che potrei iniziare la giornata facendo lezione proprio qui, trasformando la mia cucina in un laboratorio. 

Si inizia con un buon caffè 

Come funziona una moka? Se provassimo a chiedere alle persone perché il filtro ha la forma di un imbuto, con il collo che arriva quasi al fondo della caldaia bollitore, non tutti saprebbero rispondere. Quando disponiamo l’acqua nella caldaia, facciamo attenzione a lasciar libero un po’ di spazio affinché sia occupato dall’aria (Figura 1A). Una volta sistemata la moka sul fuoco, l’aria si riscalda, si espande e assieme al vapore prodotto dal riscaldamento dell’acqua incrementa la pressione sull’acqua sottostante. Questa pressione costringe l’acqua calda a risalire il tubo del filtro a imbuto e a fluire attraverso la polvere di caffè contenuta in un secondo filtro (Figura 1B). Dunque, il vapor d’acqua non raggiungere il caffè, ma contribuisce, in un secondo tempo, a esercitare pressione sull’acqua liquida. Il flusso d’acqua (solvente) estrae la caffeina e altri aromi solubili dalla polvere e crea un effetto eluente (lo stesso principio è utilizzato nelle colonne cromatografiche) che trascina particelle insolubili, molto piccole, non trattenute dal filtro. In questo modo, si hanno due metodi di separazione combinati: l’estrazione con solvente associata a una filtrazione. 

A questo punto, la bevanda nel bricco di raccolta (Figura 1C) è una soluzione formata da un solvente (l’acqua) e diversi soluti (caffeina, polifenoli, sali minerali ecc.). Tuttavia, a causa delle polveri insolubili, il caffè si comporta anche come colloide e come sospensione. 

Il pennacchio bianco che accompagna il brontolio della caffettiera, non è vapore. O meglio, non lo è più: si tratta infatti di minuscole goccioline d’acqua  formatesi per condensazione dei vapori prodotti dal caffè caldo della goccia, le forze di attrito (dipendenti dalla superficie) sono maggiori rispetto alla forza peso di ciascuna goccia (dipendente dal volume). Quando questo avviene, si forma una nebbia: un aerosol liquido che costituisce un’altra tipologia di colloide. Per osservare una delle proprietà dei colloidi basterebbe usare un piccolo puntatore laser: facendo passare la luce attraverso il pennacchio bianco, oppure attraverso un po’ di caffè versato in una provetta e diluito con dell’acqua, si osserverà la “strisciata” della luce diffusa attraverso il colloide, il classico effetto Tyndall (Figura 2).                                            

Figura 1: Struttura di una Moka. A) Caldaia con acqua, B) filtro ad imbuto, C) bricco di raccolta
Figura 2: Effetto Tyndall. A sinistra una soluzione vera, a destra un colloide

Il pane non manca mai

In genere, per ottenere una temperatura e una morbidezza perfette, si riscalda la fetta di pane nel microonde. Le microonde sono costituite da un campo elettromagnetico, che inverte la propria polarità circa 2,5 miliardi di volte al secondo. Se incontrano una molecola d’acqua, che è fortemente polare a causa delle differenti elettronegatività di idrogeno e ossigeno, ne inducono la vibrazione per effetto dell’interazione con le sue cariche. La vibrazione delle molecole d’acqua si traduce, a causa dell’attrito, in un aumento di temperatura. L’effetto delle microonde dipende dunque dalla struttura molecolare delle singole sostanze e dal loro contenuto di acqua: è per questo motivo che il piatto di ceramica rimane freddo nonostante il pane sopra sia soffice e caldo, o che ci si scotta le labbra se si scalda il latte in una tazza con il bordo decorato. Nel microonde, infatti, non bisogna mai introdurre metalli (per esempio la stagnola) o vernici contenenti metalli (come quelle di alcune ceramiche) perché le microonde generano correnti elettriche che provocano scariche e surriscaldamenti sul metallo stesso. 

Il microonde fu inventato quasi per caso negli anni ‘40 in Inghilterra, da un tecnico che lavorava alla produzione di radar. Questi si accorse che una barretta di cioccolato posata nelle vicinanze del generatore di microonde di un prototipo si era sciolta.  Incuriosito, provò a concentrare le microonde su dei chicchi di mais, che si trasformarono in popcorn: l’acqua presente nella polpa del chicco evapora e, trattenuta dalla buccia, crea una sovrapressione che lo fa scoppiare. Anche se non li mangio a colazione, non metterei mai delle castagne con la buccia o dei gamberetti con il guscio dentro al microonde: il botto sarebbe assicurato.

Per riprodurre a scuola un’esperienza simile, basterà riscaldare un becher di vetro contenente acqua e un becher di vetro contenente olio, in quantità uguali; in pochi minuti si osserverà una notevole differenza di temperatura fra i due liquidi. Poi, sarà necessario discutere con gli alunni cosa significhi “quantità uguali” nei due contenitori: stesso volume, stessa massa o stesso numero di moli? 

Per una buona colazione c’è sempre anche qualcosa di dolce

Come il miele, che è prodotto con una serie di sistemi di separazione molto comuni nei laboratori di chimica: la centrifugazione associata alla filtrazione (per raccogliere il miele dalle cellette) e la decantazione in imbuto separatore (il bidone maturatore degli apicoltori). Sul tavolo, potrebbero esserci anche la marmellata e le pesche sciroppate, rigorosamente fatte in casa.  In questo caso, occorre segnalare una discriminazione: poiché quando tutti pensano a questo tipo di delizie danno molta importanza al barattolo di vetro, è necessario sottolineare che il vero protagonista è il tappo. Durante la preparazione, le pesche sono disposte in un barattolo di vetro, che è tappato e messo a bagnomaria. La tecnica del bagnomaria sfrutta il principio della sosta termica durante l’ebollizione (intorno ai 100 °C), per cui la temperatura interna non aumenta oltre questo valore e l’alimento è sterilizzato a temperatura costante senza bruciacchiarsi. Dentro al barattolo si genera anche una sovrapressione dovuta al vapore che vi si forma e all’aria riscaldata che si espande come previsto dalle leggi dei gas. In questo caso, il tappo, che funziona come una valvola di non ritorno, lascia uscire i gas quando la pressione all’interno è più alta rispetto all’esterno e non permette che ne entrino quando la pressione interna diminuisce a causa del raffreddamento del gas e della condensazione del vapore (Figura 3); si instaura così un ambiente sterile e ipobarico che impedisce la crescita di muffe e batteri (sottovuoto).

Figura 3: vaso per la sterilizzazione e principio di funzionamento

Qualora non si gradisse il caffè, la scelta della bevanda mattutina potrebbe ricadere sul tè, che è ottenuto per estrazione con solvente e filtrazione. 

Se si aggiunge lo zucchero, trattandosi di saccarosio (C₁₂H₂₂O₁₁)) in acqua, si ottiene una soluzione non elettrolitica della quale si può ricavare la molarità con pochi e semplici calcoli. Se si preferisce il limone, invece, è possibile osservare una decolorazione istantanea del tè (Figura 4). Ipotizzando che ciò sia dovuto al colore chiaro del succo, si potrebbe verificare la supposizione aggiungendo un altro elemento chiaro come il bicarbonato di sodio: a questo punto, il tè, oltre a diventare imbevibile, cambia di nuovo colore, passando a tonalità più scure. Tale fenomeno è dovuto al fatto che il tè è un indicatore di pH, per cui cambia colore a seconda che l’ambiente sia basico (tè e bicarbonato) o acido (tè e limone).

Il limone è uno dei frutti più utilizzati nei laboratori scolastici: la scorza è ricca di limonene, che può essere estratto con un semplice distillatore in corrente di vapore, mentre il succo è un acido debole; si possono fare esperienze di titolazioni colorimetriche per misurarne sia l’acidità totale (dovuta soprattutto all’acido citrico) sia il contenuto di vitamina C. Inoltre, trafiggendo un limone con due lamine di metalli diversi (es. zinco e rame) è possibile costruire una semplice pila a setto poroso (Figura 5). 

Figura 4: diverse colorazioni del tè in seguito all’aggiunta di una sostanza acida
Figura 5: pila realizzata con limone, lamella di rame (catodo)  e un chiodo di ferro (anodo)

E infine i biscotti

Basta intingerli nel tè per osservare il liquido risalire anche nella parte emersa di biscotto in pochi secondi (Figura 6).  L’imbibizione è una conseguenza della capillarità, ovvero la capacità di alcuni liquidi (fra i quali l’acqua) di risalire, contro gravità, lungo un tubo molto stretto (capillare) (Figura 7). L’etichetta nutrizionale dei biscotti, inoltre, presenta un esempio di misure utilizzate nelle miscele e nelle soluzioni solide: la percentuale massa su massa (%m/m).

Figura 6, 7: Principio di capillarità e imbibizione da risalita

I detergenti hanno un ruolo fondamentale per la nostra salute e per la pulizia e l’igiene degli oggetti e degli ambienti in cui viviamo. Questi prodotti, disponibili in larga misura e per i più svariati usi, hanno un’anima fortemente legata alla scienza, che richiede di bilanciare diverse famiglie di ingredienti tenendo conto ovviamente della loro sicurezza, oltre che efficacia.   Tutti i detergenti infatti sono prodotti fortemente regolamentati, sicuri per l’uomo e per l’ambiente e ad altissima biodegradabilità.

IL GIUSTO MIX DI INGREDIENTI…

Come per una buona ricetta di cucina, anche la formulazione di un prodotto detergente richiede grande conoscenza e abilità, il giusto mix di ingredienti e il rispetto di fasi di preparazione molto specifiche. Ma attenzione! Solo i professionisti sono in grado di farlo! Si parte dalla funzione che il prodotto dovrà avere, che si può suddividere in due macroaree: i detergenti casalinghi (es. tessuti, piatti, superfici) e industriali (es. automobili, pulizia di linee industriali e medicali). 

Il processo di pulizia prevede diverse fasi in cui entrano in gioco principalmente quattro fattori: la temperatura, il tempo di contatto, l’azione meccanica e il detergente. Il tema della sostenibilità nel processo di pulizia ha un ruolo sempre più rilevante. Negli ultimi anni, infatti, per migliorare l’efficienza energetica, i primi tre fattori sono stati ridotti e, di conseguenza, oggi, il detergente ha una rilevanza maggiore rispetto al passato e deve essere ben formulato per ottenere le prestazioni desiderate, nel rispetto delle normative vigenti. 

…PER OGNI TIPO DI SPORCO

A loro volta le prestazioni dei detergenti si devono suddividere in prestazioni primarie, ovvero la rimozione dello sporco, e secondarie, che riguardano il rispetto dell’integrità dei materiali che vengono puliti (es. grado di bianco, prevenzione macchie di calcare sulle stoviglie) e, anche in questo caso, occorre saper creare il giusto mix.

Per ottenere queste prestazioni occorrono, infatti, diverse famiglie di ingredienti: tra i più importanti ricordiamo i tensioattivi che servono per rimuovere le macchie grasse, il sistema sbiancante per le macchie ossidabili (es. vino, tè, caffè), i sequestranti che intervengono sulla durezza dell’acqua e, infine, gli enzimi per le macchie di origine proteica e per gli amidi.

SI FA PRESTO A DIRE ACQUA!

Ci sono poi altri fattori che possono incidere sulle prestazioni di un detergente. La durezza dell’acqua, ad esempio, impatta sia quelle primarie, sia sulle secondarie. Per le prestazioni primarie, gli ioni Calcio e Magnesio tendono a legarsi ai tensioattivi anionici riducendo la loro efficacia pulente, perché la testa anionica è fondamentale per l’idrofilicità della molecola tensioattiva. Legandosi a dei cationi questa proprietà viene a mancare causando una riduzione del potere pulente, soprattutto sulle macchie grasse. 

Per le prestazioni secondarie, gli ioni Calcio e Magnesio reagiscono con il carbonato, che è un componente fondamentale nei detergenti, per avere la giusta alcalinità ed ottenere la rimozione dello sporco.  Questa reazione forma carbonato di calcio e di magnesio (noti anche come il famigerato calcare!), questi sali formano incrostazioni sulle superfici, sulla resistenza della lavatrice e sui tessuti durante il lavaggio… e sono l’incubo di ogni casalinga!

I detersivi contengono degli ingredienti che hanno come funzione proprio quella di gestire la durezza dell’acqua per mantenere le prestazioni al livello desiderato. In etichetta (fondamentale leggerla per una pulizia corretta!) sono riportate le istruzioni di dosaggio in base alla durezza dell’acqua, proprio per contrastarne la sua azione. Sul mercato esistono anche additivi anticalcare che sono in grado di minimizzare al massimo l’impatto che la durezza dell’acqua ha sul processo di lavaggio, vanno aggiunti nel lavaggio assieme al detersivo.

IL CHIMICO È PROTAGONISTA 

Come già detto, solo i professionisti del settore possono sviluppare un prodotto, rispettando quanto previsto dalle diverse normative.  Dall’idea alla realizzazione industriale, passando attraverso fasi di fattibilità, sviluppo di laboratorio e, anche, lancio sul mercato, le figure professionali coinvolte sono moltissime. Ma che formazione hanno?

Un ruolo centrale è affidato alle competenze scientifiche. Il chimico ad esempio (laureato in chimica o chimica industriale), è il candidato ideale come tecnico nell’ambito della formulazione, ma può anche ricoprire funzioni legate alla fase produttiva e logistica, oltre che a quelle di comunicazione (le etichette!) e di marketing.

UN LAVORO DI SQUADRA…

A volte è difficile conciliare le esigenze di produzione con alcune richieste da parte del consumatore. E qui entra in gioco il lavoro di squadra. Prendiamo ad esempio la schiuma: a chi non piace vedere tanta schiuma quando avvia la lavatrice? Ci dà la sensazione che davvero i nostri capi vengano lavati alla perfezione. Ma la schiuma può causare danni alla macchina e all’ambiente in cui si trova la nostra lavatrice. Cosa fare allora?

Ci si affida a professionisti che con il giusto mix di ingredienti (normalmente si utilizza 1-2% di antischiuma) ottiene il giusto compromesso per soddisfare il consumatore e formulare un prodotto efficace e sicuro. Il produttore sia della materia prima, sia del detersivo stesso, testa il livello di schiuma in tutte le condizioni, dialoga con il produttore della macchina, analizza l’efficacia e formula il prodotto tecnicamente più adeguato e sicuro, ma che risponda alle richieste del mercato. 

…SENZA DIMENTICARE L’AMBIENTE

Anche per il settore della detergenza sta diventando prioritario darsi degli obiettivi di sostenibilità. In questo senso, sono tante le normative e i regolamenti a livello europeo e nazionale che danno indicazioni. Anche per questo aspetto una formazione scientifica è fondamentale per poter comprendere e “tradurre” al meglio quello che la legge impone.

Ci sono poi molti sistemi volontari che le imprese adottano per mostrare a clienti e consumatori, che stanno lavorando attivamente per perseguire lo sviluppo sostenibile, in un’ottica di economia circolare e la lotta ai cambiamenti climatici. Un esempio è il “Charter per la pulizia sostenibile” iniziativa volontaria di sostenibilità dell’industria europea dei prodotti per la pulizia e la manutenzione.

Da 18 anni, il Charter indirizza le migliori pratiche per ridurre al minimo l’impronta ambientale del settore, per un’innovazione più verde, per un uso più sicuro e sostenibile dei prodotti e per abbracciare l’economia circolare.  Le aziende aderenti al Charter hanno trasformato il loro impegno in risultati concreti, tra cui la riduzione delle emissioni di gas serra, la riduzione del consumo energetico e la riduzione degli imballaggi.

Recentemente il Charter per la Pulizia Sostenibile è stato riconosciuto anche da Amazon come uno standard di sostenibilità del settore per aiutare i consumatori a fare scelte più sostenibili quando acquistano online prodotti per la pulizia.

Rivedi la lezione: https://www.rizzolieducation.it/eventi/ingredienti-nei-detersivi-la-chimica-al-nostro-servizio/#indice0.