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Introduzione alla Chimica Prof. ATTILIO CITTERIO
Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/general-chemistry-lessons/
Insegnamento di: Chimica Generale 083424 - CCS CHI , MAT A.A. 2017/2018 (I° Semestre) Dal 19/09/2017 al 22/12/2017
Attilio Citterio
La Chimica è Dovunque (a bassa T!)
www.cefic.org http://www.federchimica.it/
Index.aspx
2
Dove siamo ... ... e dove vorremmo
Attilio Citterio
La Chimica è Dovunque e Molto Trasversale
Chimica
3
Chimica
Astronomia
Fisica
Materiali Tecnologia
Geologia
Scienze ambientali
Cultura
Farmacia
Scienze della salute
Matematica Informatica
(micro)biologia biotecnologia
Attilio Citterio
4 L’Universo Chimico
• La Chimica è lo studio degli atomi
• Gli atomi sono i mattoni della natura a basse temperature
• Quanti atomi ci sono in un piatto di pasta?
• Quanti composti di quattro elementi hanno un peso molecolare minore di 700 u.m.a ?
15,000,000,000,000,000,000,000,000 ≈ 15×1024
4
1036
Attilio Citterio
Odorare un Fiore L’aroma è Chimica
Vedere un Fiore I Colori sono Chimica
Toccare un Fiore La Struttura è Chimica
Chimica dei Fiori
5
Attilio Citterio
Ogni parte di una casa è Chimica: Detersivi, Stoviglie, Pane, Lampade … Il fondo delle pentole in Teflon™ Efficienza energetica, edifici e materiali
da costruzione, moda e estetica.
Chimica nella Casa
6
Attilio Citterio
Il nostro tempo libero è stato cambiato dalla Scienza Chimica
Parti di computer, attrezzature sportive La fibra di Carbonio e i nanotubi di
Carbonio sono più robusti dell’acciaio, Migliori schemi piatti per le immagini
Prestazioni Migliorate
7
Attilio Citterio
Il passato Tubi a raggi catodici
Il presente Cristalli Liquidi Schermi al Plasma
Il futuro Polimeri che emettono luce Inchiostri elettronici
Schermi Piatti
8
Attilio Citterio
Arte e Scienze Chimiche sono legate Conservazione dei beni artistici La Chimica è arte Architettura/Pittura Elementi Visivi
Nuovi materiali per l’arte
Capolavori Moderni
9
Attilio Citterio
Moda
Il fascino è legato alla scienza chimica Profumi e shampoo, camicie ingualcibili,
impermeabili
Dentifrici e cosmetici hanno molti simili ingredienti
Vestiti a prestazione: auto-pulenti, idro- e oleorepellenti,
10
Attilio Citterio
Coloranti Sintetici
Colori desiderati su un’ampia gamma Persistenza dei colori. Nuove proprietà Pigmenti Particelle che danno colore
Vernici opache Particelle che danno consistenza
Vernici che non gocciolano Polimeri che variano di consistenza
11
Attilio Citterio
Fotografia/digitale
La Chimica fa i film La Chimica sviluppa immagini La Chimica stampa immagini La Chimica stampa oggetti 3D
12
Attilio Citterio
Chimica e Reazioni Chimiche
Le reazioni chimiche sono trasformazioni della materia che implicano la riaggregazione di atomi e portano alla formazione/rottura di legami chimici (con rilascio/acquisizione di energia) in tempi tipici (cinetica). Per esempio: Combinazione di elementi
Il composto H2O è una combinazione degli elementi H e O. L’opposto della formazione di un composto è la sua decomposizione.
Esempio: La decomposizione dell’acqua in fase gas.
Combustione
Elettrolisi
+ Energia
- Energia
Miscela di idrogeno e ossigeno
Acqua
Reazione spontanea
Reazione non spontanea
13
Attilio Citterio
Cucinare è Chimica
Le trasformazioni chimiche sono respon-sabili dei cambi di aroma e consistenza La Chimica mantiene i cibi freschi e salubri I coloranti “E” sono molecole naturali Cibi dietetici! Cibi per celiaci! Functional foods!
14
Attilio Citterio
La Chimica sta nei Gelati
Struttura Complessa Ghiaccio Grasso Aria Zucchero
Stabilità e durabilità
15
Attilio Citterio
Una Componente dell’Energia è Chimica
Si può usare la Chimica per immagazzinare l’energia;
Le batterie sono chimica; I razzi solidi delle Navette Spaziali bruciano
10 tonnellate di combustibile al secondo; Fonti energetiche più pulite.
16
Attilio Citterio
Petrolio
Fluidi per trivellare; Raffinazione; Additivi per combustibili; Convertitori Catalitici.
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Attilio Citterio
Salute
Tutte le medicine usano la scienza chimica La depurazione delle acque usa la Chimica Noi viviamo mediamente il doppio di 100
anni fa; Cure per il Cancro, l’AIDS, l’Influenza …
18
Attilio Citterio
Agricoltura Organica (biologica)
Uso di pesticidi e fertilizzanti naturali; I chimici li isolano, li sviluppano e li
producono; Anche i pesticidi organici sono chimica!
19
Attilio Citterio
Settori e Conoscenze
I Chimici e gli Ingegneri Chimici trovano impiego in industrie che producono cibo, energia, beni di consumo, nelle strutture predisposte alla protezione della salute e dell’ambiente, e in strutture di ricerca che forniscono nuovi materiali e tecniche per il futuro In altre parole, la Chimica occupa una parte essenziale nella vita moderna, fornendo risposte a molte domande, quali:
Questo materiale è adatto per una costruzione? Come si possono realizzare fibre più robuste? Come si può progettare una cella a combustibile? Come si producono composti farmaceutici o coloranti? Come si sintetizzano dei composti dal petrolio o dal gas naturale? Qual è la concentrazione di certi contaminanti nell’ambiente? Che impatto può avere un nuovo processo sull’ambiente e sulla salute? Quali sono le concentrazioni naturali dei metalli pesanti nelle acque? Quali materie prime sono rinnovabili o meno.
20
21
L'Industria Chimica Prof. Attilio Citterio
Attilio Citterio
Settori Industriali Legati alla Chimica
Abbigliamento ; 6,3 Agricoltura; 6,4
Elettronica; 3,9
Macchine di ufficio; 0,7
Macchine Industriali; 1,9
Prodotti metallici; 2,5
Servizi; 16,4
Resto produzione; 6,1
Costruzioni; 5,4 Trasporti; 5,3
Carta e Stampa; 4,5
Prodotti di consumo; 30,3
Resto dell'industria; 10,3
22
Attilio Citterio
I Grandi Settori della Chimica Industriale
Chimica di base (organica e minerale) Ottenimento degli intermedi fondamentali della chimica minerale e organica a partire da poche materie preme (per es.: fertilizzanti, solventi, monomeri ... da aria, acqua, petrolio ...)
• CHIMICA PESANTE • Produzione di materie prime di base, • Molecole semplici, polimeri semplici • Grosso tonnellaggio • Produzione in continuo • Bassi prezzi, basso valore aggiunto
• CHIMICA FINE (organica e minerale)
• Produzione di molecole complesse (molecole polifunzionali …) • Intermedi di sintesi • Materiali complessi • Prodotti di specialità (parachimica), produzione in quantità
limitate in continuo e in discontinuo • Prodotti a prestazione (formulazione per assolvere a funzioni) • Prezzi maggiori, alto valore aggiunto
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Attilio Citterio
Branche della Chimica Industriale
Chimica di base
Chimica minerale
Chimica organica
Trasformazione delle materie prime disponibili: acqua, aria, sale, zolfo, gas naturale, calcare, sabbia, minerali ...
Acidi e Basi inorganiche Fertilizzanti Gas tecnici Pigmenti …..
Composti del carbonio ottenuti da: vegetali, petrolio, gas naturale
Biochimica Carbochimica Petrolchimica
24
Attilio Citterio
Peculiarità dei Due Settori
ORGANICA
Chimica organica Composti del C (+ H, O, N) +
non metalli Cl, Br, I, S, P ...
Composti organici formati da legami covalenti spesso insolubili in acqua p.f. e p.e. bassi: in maggioranza
sono liquidi a T e P ambiente ρ vicina a 1 decompongono termicamente quasi tutti combustibili
Reazioni organiche spesso lente, reversibili e
incomplete spesso deboli effetti termici
MINERALE
Chimica minerale Chimica dei composti degli altri
elementi + CO, CO2, RCN
Composti minerali formati da legami ionici/covalenti elettroliti solubili in acqua p.f. e p.e. alti; in maggioranza
sono cristallini a T e P ambiente ρ variabile e spesso elevata raramente combustibili grande stabilità termica
Reazioni minerali spesso rapide e totali forti effetti termici (eso-,
endotermici)
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Attilio Citterio
Struttura della Chimica Industriale Organica Tradizionale (prevalentemente da Petrolio)
Numero approssimato di Sostanze Attività generica
Separazione
Trasformazione
Funzionalizzazione
Sintesi
Fonti Naturali
Materie Prime
Materiali di Base
Intermedi e Monomeri
Prodotti fini e polimeri
3
10
50
500
70000
Attilio Citterio
Attività Industriale e Economica in Chimica
ENERGIA Carbone, GN, PETROLIO BIOMASSA Inorganici
PARACHIMICA CHIMICA DI BASE
INDUSTRIE CONSUMATORI
Materie prime
Trasfor-mazione
Utilizzo
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FARMACI
AGRICOLTURA
Attilio Citterio
Petrolio e Gas Naturale come Fonte di Composti Chimici di Base ed Intermedi
Source:[EC DGXI, 1993 #8
Industria Gas
Naturale
Raffina-zione
petrolio
Alimentazione Etano Propano Butano Nafta Gasolio Olio Grezzo
Raffineria olefine
Pirolisi Benzina
Raffinato
Nafta/LPG
Gas Naturale
Rottura a Etilene
Industria di raffinazione idrocarburi
Industria di base petrolchimica
Pretrattamenti Pirolisi benzina
Ammoniaca Gas di sintesi
Metanolo Gas di sintesi
Estrazione e Conversione
Aromatici
Sintesi della Ammoniaca
Sintesi della Metanolo
Separazione Etilene/
Propilene
Separazione/ Conversione
Butadiene
Composti chimica di base
Olefine Etilene Propilene Butadiene
Aromatici Benzene Toluene Xilene
Prodotti da Gas di sintesi Ammoniaca Metanolo
Attilio Citterio
Pressioni sull’Industria Chimica lungo il Ciclo di Vita di un Prodotto
Materie Prime Produzione Chimica Uso/Fine Prodotto
Nuova legislazione (per es. REACH)
Legislazione più stringente
Aumento dei costi per stoccare e usare sostanze pericolose
Aumento costi
dell’energia
Impatto ambientale (p.es. degradabilità) è parte del processo di approvazione
Aumento preoccupazione pubblico/NGO
Aumento pressione di utilizzatori finali/
rivenditori
Problemi di forniture per le diminuite risorse
e le distorsioni del mercato
Aumento prezzi
petroliferi
Aumento costi dello
smaltimento degli scarti
(ricicli)
29
Attilio Citterio
Principali Complessi e Produttori di Etilene.
30
I MAGGIORI 10 COMPLESSI DI ETILENE* Società Localizzazione Capacità tpy 1 Formosa Petrochemical Corp. Mailiao, Taiwan, China 2,935,000 2 Nova Chemicals Corp. Joffre, Alta. 2,811,792 3 Arabian Petrochemical Co. Jubail, Saudi Arabia 2,250,000 4 ExxonMobil Chemical Co. Baytown, Tex. 2,197,000 5 ChevronPhillips Chemical Co. Sweeny, Tex. 1,865,000 6 Dow Chemical Co. Terneuzen, Netherlands 1,800,000 7 Ineos Olefins & Polymers Chocolate Bayou, Tex. 1,752,000 8 Equistar Chemicals LP Channelyiew, Tex. 1,750,000 9 Yanbu Petrochemical Co. Yanbu, Saudi Arabia 1,705,000 10 Equate Petrochemical Co. Shuaiba, Kuwait 1,650,000 *Al 1 Gen. 2012
--------------- Capacità tpy --------------- Società Siti totale proprietà parziale proprietà 1 Saudi Basic Industries Corp. 15 13,392,245 10,273,759 2 Dow Chemical Co. 21. 13,044,841 10,529,421 3 ExxonMobil Chemical Co. 20 12,515,000 8,550,550 4 Royal Dutch Shell PLC. 13 9,358,385 5,946,693 5 Sinopec 13 7,895,000 7,275,000 6 Total AS 11 5,933,000 3,471,750 7 ChevronPhillips Chemical Co. 8 5,607,000 5,352,000 8 LyondelBasel 8 5,200,000 5,200,000 9 National Petrochemical Co. 7 4,734,000 4,734,000 10 Ineos 6 4,656,000 4,286,000 *Al 1 Gen. 2012 **Totale più parziale proprietà
I MAGGIORI 10 PRODUTTORI DI ETILENE*
Attilio Citterio
carburante per un viaggio
di 1200 Km
72 litri di nafta
etilene
propilene
butadiene buteni
aromatici
glicoletilenico
polietilene
polipropilene
acrilonitrile
elastomeri
caprolattame
21 magliette
260 m di tubi di protezione
240 bottiglie per detersivo (2L)
2 valigie
3 sedie da giardino 21 maglioni
5 coperte
500 paia di collant
poliestere
Fonte: Federchimica, BP chemicals anno 2016
per cavi elettrici
2 paraurti per auto
13 pneumatici da bici
17 camere d’aria da bici
1 pneumatico da auto
Economia di un Barile di Petrolio
31
Attilio Citterio
Il Contenuto di Chimica di un’Automobile
32
Sali silicati Soda Film polimerici Detergenti Gas tecnici Adesivi per il fissaggio BATTERIA E CAVI Elettroliti Materiali polimerici per rivestimento
pneumatici in materiali che riducono l’attrito
vernici che si rimarginano da sole in caso di graffi
6
5 2
parabrezza in plastica indistruttibile
1
parti del motore in plastica, più leggera del metallo
4
additivi e catalizzatori che abbattono le emissioni inquinanti
vernici all’acqua che sostituiscono quelle a solvente
3
PNEUMATICI Elastomeri Nero di carbonio Ausiliari per gomma Fibre chimiche Gas tecnici GUARNIZIONI Gomme siliconiche Fluoropolimeri Poliolefine PARAURTI, GRIGLIE, VOLANTE, CRUSCOTTO, ARREDO INTERNO Plastiche Fibre sintetiche Tecnopolimeri Poliuretano Additivi Vernici per plastiche CARBURANTE Gas tecnici speciali Antidetonanti
CINTUREDI SICUREZZA E SEDILI Fibre sintetiche Poliuretano espanso Ausiliari per cuoio
AIRBAG Inneschi Polimeri Gas tecnici Fibre sintetiche
CARROZZERIA Vernici Pigmenti e Coloranti Plastificanti Cere Prodotti antirombo TRATTAMENTO METALLI Additivi Acidi e solventi Gas tecnici MARMITTA CATALITICA Catalizzatori Materiali ceramici VETRI E FARI
Fonte: Federchimica 2016
Attilio Citterio
"Filiera Bio" L’albero della Chimica da Fonti Rinnovabili
33
MATERIE PRIME: biomasse
agricoltura scarti alimentari rifiuti
organici alghe
silvicoltura
BIORAFFINERIA chimica di base plastiche e fibre catalizzatori e additivi oleochimica e lubrificanti Solventi amidi e derivati chimica fine e specialità agrofarmaci tensioattivi e detergenti cosmetici e farmaci
Prodotti
Energia
Attilio Citterio
Bio-Raffineria – Nuova Fonte di Prodotti Chimici ed Energia
Semi
Oli
Chimica fine
Fibre
Plastiche
Composti Chimici
Solventi
Combustibili
Piante
Attilio Citterio
Industria Chimica: Scenario Mondiale e Europeo
Distribuzione geografica della produzione chimica dell’UE (miliardi di euro, anno 2015)
UE = 520 miliardi di euro
148
74
52
Germania Francia
Italia Regno Unito Paesi Bassi
Spagna
Belgio
Austria 13
Polonia 11 Irlanda 9 Svezia 8 Finlandia 8
Rep. Ceca 6 Ungheria 6
Altri 22
45 42
39 37
Distribuzione geografica della produzione chimica mondiale (miliardi di euro, anno 2015)
Note: Europa = UE e non UE (Russia, Turchia, Svizzera, Norvegia, Ucraina) Resto Asia = Asia esclusi Cina, Giappone e Corea del Sud
Il dato dei Paesi Bassi include molte attività puramente commerciali
Mondo = 3.534 miliardi di euro
Resto Giappone Asia Cina Europa USA America
Latina Corea Altri del Sud
1.409
615 519
136 135 108
497
115
http://www.federchimica.it/docs/default-source/la-chimica-in-cifre/l'industria-chimica-in-cifre_giugno-2017.pdf
Attilio Citterio
Evoluzione delle Quote di Produzione Chimica Mondiale (% sul valore della produzione)
36
2005 2010 2015
Unione europea 28% 21% 15%
USA 22% 16% 15% Cina 12% 24% 40% Altri 38% 39% 31%
69% 54%
41%
31% 46%
59%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Emergenti
Avanzati
-15 -13
2005 2010 2015
Attilio Citterio
L'Industria Chimica Europea (2016)
Numero di aziende
28,221
Turnover
€520.2 miliardi
Occupazione diretta
1,155,000
Spese per R&D
€9.14 miliardi
Attilio Citterio
Dimensioni della chimica in Italia, anno 2016 (miliardi di euro, salvo diversa indicazione)
38
Imprese (numero)
Occupati (migliaia)
Investimenti
Spese R&S
Industria Chimica
Chimica e Farmaceutica
Produzione Esportazioni Importazioni Saldo commerciale
Domanda Interna
Incidenza sull’industria manifatturiera Fatturato Export
51,6 27,5
34,6
-7,1 58,6
2.810 108,1
1,7 0,5
3.256 172,1
2,8 1,2
81,6 48,8
57,4
-8,6 90,2
6% 7%
9% 12%
Note: spese R&S e investimenti, ultimo anno disponibile 2014 Fonte: Federchimica / elaborazioni e stime su Istat
Germania 28,5%
Francia 14,3%
Belgio 7,0%
Spagna 7,5%
Paesi Bassi 8,0% Regno Unito 8,7% Italia
10,0%
Altri 16,0%
Attilio Citterio
Produzione chimica in Italia per settore (quote % in valore)
39
Vernici, adesivi e inchiostri 10,9%
Chimica fine e specialistica 41,7%
Inorganici di base 4,0% Agrofarmaci 2,2%
Profumi e cosmetici 8,6%
Detergenti casa 6,8%
Altri prodotti di chimica fine e specialità 20,7%
Chimica per il consumo 15,3%
Intermedi e principi attivi farmaceutici 7,9%
Chimica di base e fibre 43,0%
Organici di base 11,0%
Fibre chimiche 2,4% Fertilizzanti 3,4% Coloranti e pigmenti 3,0%
Plastica e gomme sintetiche 15,4%
Gas tecnici 3,8%
Fonte: Federchimica su Istat, 2014
Attilio Citterio
Distribuzione della Produzione Chimica in Italia
40
Piccole e medie imprese italiane
38%
Imprese a capitale estero
38%
Medio-grandi gruppi italiani
24%
Rilevanza dei gruppi di imprese nell’industria chimica e dimensione media aziendale effettiva
Totale imprese
Imprese autonome e gruppi di imprese
Addetti (migliaia)
Dimensione media effettiva
Totale 2.810 2.391 108 45
di cui: - gruppi a capitale estero 270 200 33 166
- gruppi a capitale italiano 686 337 46 138 - altre imprese a capitale italiano 1.854 1.854 28 15
In Italia l’industria chimica vede la presenza bilanciata di 3 tipologie di attori: le imprese a capitale estero (38% del valore della produzione), i medio-grandi gruppi italiani (24%) e le PMI (38%).
Attilio Citterio
Produzione e Occupazione Chimica in Italia
Distribuzione geografica dei principali Poli chimici
Distribuzione dell’occupazione chimica (%)
1.4
0.1
0.5
2.2
12.5
4.0
41.4
1.8
0.6
9.8
1.7 1.4
2.4
5.3
0.9
9.8
1.4
0.0 1.5 1.3
Nord Centro Sud ITALIA
77.8 12.0 10.2
100.0
Quota %
Chimica e farmaceutica Fonte: Federchimica, Istat, anno 2016
41
×
× × ×
Attilio Citterio
I 33 principali gruppi chimici italiani – Risultati 2016 (milioni di euro)
Fonte: Federchimica, anno 2017-
Versalis
3V Partecipazioni Industriali 185
Gruppo Mapei 2280
Gruppo Zobele 306
Gruppo SOL 703 Indena 221
Radici Group 946 Gruppo Desa
218
C.O.I.M. Group 737
Reagens
232
Gruppo Colorobbia 528 Mirato Group
Polynt Group 635
Novamont Gruppo Siad 548
479
ACS Dobfar 376
Gruppo Sipcam-Oxon 449 Gruppo Intercos 448
FIS 383
Italmatch chemicals 319
176 169
Gruppo Lamberti 460
Gruppo Bracco 1021 Gruppo Mossi & Ghisolfi 1699
Gruppo Isagro 150
Adriatica 165
4196
Fluorisil Group 144
485
331
567 372
198
499 434
446
371
227 239
383
253
692 228
120
71
185 232
92
118
173 169
99
131
113
produzione in Italia
vendite mondiali
produzione in Italia
vendite mondiali
3300
151 151
Esseco Group 333 206
Faci Group 215 84
Sabo
Nota: imprese con capitale a maggioranza italiano; i valori si riferiscono ai prodotti chimici (senza farmaci)
167 102 Sadepam Chimica Gruppo Aquafill 476 183
P & R Group 675 645
42
Gruppo Sapio
Attilio Citterio
Principali Regioni Chimiche Europee
LOMBARDIA (*))
121.884 68.914
67.667
67.366
49.878
Baden-Wuttemberg (GER)
Renania-Westfalia (GER) Assia (GER)
Ile de France (FR)
Rodano-Alpi (FR)
Fiandre (BE)
43.470
40.475
36.004
addetti chimici
1. 2.
4.
5. Renania Palatinato (GER)
7.
8.
9.
10.
% sulla popolazione 50 regioni su 116
con più di 10 mila addetti
75 regioni su 116 con più di 100 unità locali
Le prime 15 regioni sono diffuse in molte nazioni
- 7 in Germania - 2 in Italia (Lombardia e E.R) - 2 in Francia - 2 in Spagna - 1 in Belgio - 1 in Polonia
In Europa
0,69 1,14
0,68
1,68
0.67
2.60
0,63
0,55
388 comuni con più di 100 addetti
In Italia
Fonte: elaborazioni su Eurostat, Istat, INSEE 2014
Baviera (GER) 68.563 3. 0,54
65.416 6. 0.61
(*) La Lombardia è prima regione chimica per numero di imprese, più di 900 escludendo quelle con meno di 10 addetti
43
Catalogna (SPA
44
Materie Prime ed Economia Circolare Prof. Attilio Citterio
Attilio Citterio
Materie Prime Naturali: Elementi Disponibili sulla Crosta Terrestre
Ossigeno 455 000 Vanadio 136 Silicio 272 000 Cloro 126 Alluminio 83 000 Cromo 122 Ferro 62 000 Nichel 99 Calcio 46 600 Rubidio 78 Magnesio 27 640 Zinco 76 Sodio 22 700 Rame 68 Potassio 18 400 Cerio 66 Titanio 6 320 Neodimio 40 Idrogeno 1 520 Lantanio 35 Fosforo 1 120 Ittrio 31 Manganese 1 060 Cobalto 29 Fluoro 544 Scandio 25 Bario 390 Niobio 20 Stronzio 384 Azoto 19 Zolfo 340 Gallio 19 Carbonio 180 Litio 18 Zirconio 162 Piombo 13
Ordine d’abbondanza degli elementi il cui tenore è superiore a 10 grammi/tonnellata nella crosta terrestre (30 km di spessore)
45
Attilio Citterio
Andamento Relativo dell’Estrazione di Alcuni Metalli prima e dopo il 1973 (= 100)
46
B. A. ANDERSSON, Prog. Photovolt. Res. Appl. 8, 61-76 (2000)
Alluminio Rame Zinco
PGM = platinum group metals
Attilio Citterio
3
6,939 Li
1,007
1 H
IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIII (Transizione) IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIII
11
22,99 Na
37
85,47 Rb
19
39,10 K
55
132,90 Cs
87
223 Fr
4
9,012 Be 12
24,31 Mg
38
87,62 Sr
20
40,08 Ca
56
137,34 Ba
88
226 Ra
39
88,91 Y 57
138,91 La
89
227 Ac
40
91,22 Zr
22
47,90 Ti
72
178,49 Hf
Sc 21
44,96
1,008
41
92,91 Nb
23
50,94 V
73
180,95 Ta
42
95,94 Mo
24
52,00 Cr
74
183,85 W
43
98 Tc
25
54,94 Mn
75
186,2 Re
44
101,07 Ru
26
55,85 Fe
76
190,2 Os
45
102,91 Rh
27
58,93 Co
77
192,2 Ir
46
106,4 Pd
28
58,71 Ni
78
195,09 Pt
47
107,87 Ag
29
63,54 Cu
79
196,97 Au
48
112,4 Cd
30
63,37 Zn
80
200,59 Hg
5
10,81 B
13
26,981 Al
49
114,82 In
31
69,72 Ga
81
204,37 Tl
6
12,011 C
14
28,09 Si
50
118,69 Sn
32
72,59 Ge
82
207,2 Pb
7
14,007 N
15
30,97 P
51
121,75 Sb
33
74,92 As
83
208,98 Bi
8
15,999 O
16
32,06 S
52
127,6 Te
34
78,96 Se
84
209 Po
9
18,998 F
17
35,45 Cl
53
126,90 I
35
79,91 Br
85
210 At
10
20,179 Ne
18
39,95 Ar
54
131,29 Xe
36
83,80 Kr
86
222 Rn
2
4,003 He
61
147 Pm
62
150,35 Sm
63
151,96 Eu
64
157,25 Gd
65
158,9 Tb
66
162,5 Dy
67
164,93 Ho
68
167,26 Er
69
168,94 Tm
70
173,04 Yb
71
174,97 Lu
58
140,12 Ce
59
140,91 Pr
60
144,24 Nd
93
237 Np
94
242 Pu
95
243 Am
96
247 Cm
97
247 Bk
98
251 Cf
99
254 Es
100
253 Fm
101
256 Md
102
254 No
103
257 Lw
90
232,04 Th
91
231,04 Pa
92
238,03 U
Tabella Periodica degli Elementi
47
Attilio Citterio
Litio Univ. 6×10-8 % Terra 10-7 % Uomo 3×10-9 % Reattivo, Tossico Unica fonte: LiAlSi2O6
Carbonio Univ. 0.08 % Terra 0.09 % Uomo 18 % Inerte Varie fonti: naturali (C) e sintetiche (Polimeri) Organismi Viventi
Fosforo
Univ. : 10-4 % Terra : 0.1 % Uomo: 1 % Pericoloso Unica fonte: fosfati (Ca3PO4) Derivati tutti a partire da P4 Presente nel DNA e fonte energetica ATP
Materie Prime: Abbondanza e Fonti degli Elementi
48
Attilio Citterio
Ordine Elemento % in massa 1 Ossigeno 49.2 2 Silicio 25.7 3 Alluminio 7.5 4 Ferro 4.7 5 Calcio 3.4 6 Sodio 2.6 7 Potassio 2.4 8 Magnesio 1.9 9 Idrogeno 0.9 10 Titanio 0.6 11 Cloro 0.2 12 Fosforo 0.1 13 Manganese 0.1 14 Carbonio 0.09 15 Zolfo 0.05 16 Bario 0.05 Tutti gli altri 0.51
% in peso dei composti inorganici sulla crosta terrestre, esclusa l’acqua,
(1) SiO2 55 (2) Al2O3 15 (3) CaCO3 8.8 (4) MgO* 1.6 (5) Na2O* 1.6 (6) K2O* 1.9
} 74.9%
Abbondanza sulla crosta terrestre
log
abbo
ndan
za c
rost
ale
Z
Abbondanza degli Elementi sulla Crosta Terrestre
49
Attilio Citterio
Elementi Presenti nella Crosta Terrestre, Oceano e Atmosfera
Crosta Terrestre Oceani Atmosfera (% in peso) (% in peso) (% in volume di aria secca) Ossigeno 49.2% Ossigeno 85.79% Azoto 78.084% Silicio 25.7% Idrogeno 10.67% Ossigeno 20.948% Alluminio 7.5% Cloro 2.07% Argon 0.934% Ferro 4.7% Sodio 1.14% CO2 0.0314% Calcio 3.4% Magnesio 0.14% Neon 0.00182% Sodio 2.6% Tutti gli altri 0.19% Elio 0.00052% Potassio 2.4% Metano 0.0002 Magnesio 1.9% Cripto 0.00011% Titanio 0.6% H2 e N2O 0.00005% Cloro 0.2% Xeno 0.000008%
50
Attilio Citterio
Elementi nel Corpo Umano
Ordine Elemento % in massa 1 Ossigeno 65 .0 2 Carbonio 18.0 3 Idrogeno 10.0 4 Azoto 3.0 5 Calcio 1.4 6 Fosforo 1.0 7 Magnesio 0.50 8 Potassio 0.34 9 Zolfo 0.26
Ordine Elemento % in massa 10 Sodio 0.14 11 Cloro 0.14 12 Ferro 0.004 13 Zinco 0.003 14 Arsenico tracce 15 Cromo tracce 16 Cobalto tracce ….. altri tracce
Tramite le forze geofisiche, il contatto della crosta terrestre con l'acqua può fornire virtualmente ogni minerale che il nostro corpo richiede (direttamente o indirettamente come cibo) per mantenersi in salute. L’acqua è un mezzo ideale per trasportare le sostanze nutrienti nelle cellule e per sostenere le reazioni chimiche del metabolismo cellulare.
51
Attilio Citterio
Minerali nel Latte Umano e Vaccino (per 100 millilitri)
Elemento (mg) Latte umano* Latte vaccino Umano/Vaccino
Rame 0.04 0.014 2.86 Ferro 0.10 0.07 1.43 Zolfo 14.0 30.0 0.47 Potassio 57.0 145.0 0.39 Cloro 40.0 108.0 0.37 Magnesio 4.0 12.0 0.33 Calcio 35.0 130.0 0.27 Sodio 15.0 58.0 0.26 Fosforo 15.0 120.0 0.13
* Inoltre: Manganese 0.006 - 0.120, Cromo 0.00043 - 0.080, Selenio 0.007 - 0.06, Molibdeno 0 - 0.002, Cobalto 0 - 0.44, Nichel 0.01 - 0.15 mg/l.
52
Attilio Citterio
Organi e Tessuti Influenzati da Livelli Tossici di Elementi
• Alluminio (Al) Stomaco, Ossa, Cervello • Arsenico (As) Cellule (metabolismo cellulare) • Cadmio (Cd) Reni, Cuore, Capillari cerebrali,
Centri cerebrali dell’appetito e dell’odore; Ogni processo noto di sviluppo del Cancro.
• Piombo (Pb) Ossa, Fegato, Reni, Pancreas, Cuore, Cervello, Sistema nervoso
• Mercurio (Hg) Sistema nervoso, Centri cerebrali dell’appetito e dell’odore, Sistema Immunitario, Membrane cellulari
53
Attilio Citterio
Benefici sulla Salute di Alcuni Elementi
Calcio Essenziale nello sviluppo e mantenimento di ossa e denti. Favorisce la coagulazione del sangue, la contrazione dei muscoli, la trasmissione nervosa. Riduce i rischi di osteoporosi. Cromo Metabolismo del glucosio, regola lo zucchero nel sangue. Cobalto Promuove la formazione dei globuli rossi. Vitamina B12. Rame Coadiuva nella formazione dei globuli rossi e del tessuto connettivo e nel funzionamento del sistema nervoso centrale. Catalizza l’accumulo e il rilascio di ferro (emoglobina). Iodio Richiesto dall’ormone tiroideo per sostenere il metabolismo. Ferro Necessario per la formazione e funzionamento dei globuli rossi. Importante per le funzioni cerebrali. Magnesio Attiva più di 100 enzimi e aiuta le funzioni di nervi e muscoli. Molibdeno Contribuisce al normale sviluppo. Fosforo Sviluppa e mantiene ossa e denti. Facilità l’uso di altri nutrienti. Costituente del DNA. Componente della riserva energetica ATP. Potassio Regola il battito cardiaco, mantiene il bilancio dei fluidi. Selenio Componente essenziale di un enzima chiave antiossidante. Zolfo Necessario per le proteine di muscoli e capelli. Zinco Costituente essenziale di più di 200 enzimi implicati nella digestione, metabolismo, riproduzione e cicatrizzazione.
54
Attilio Citterio
CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) Ca2+(aq) + 2 HCO3‾(aq)
calcite aragonite dolomite
calcare
Speciazione di un Minerale – CaCO3
55
Attilio Citterio
Sorgenti: - desolforazione gas naturale - S8 naturale (processo Frasch) - arrostimento solfuri metallici
S Elementare: forma stabile S8(s)
Ossidi di S : SO2(g) e SO3(g) - importanti nell’inquinamento atmosferico
Industrialmente: Ossidi generati quando servono; ‘stoccati’ come idrato
SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)
L’acido solforico è il composto chimico a MAGGIOR VOLUME di produzione (sintesi) (75·106 ton.) (usato per fertilizzanti, raffinazione, produzione di composti chimici)
2 ZnS(s) + 2 O2(g) → 2 ZnO(s) + 2 SO2(g)
Zolfo: Fonti e Usi
56
Attilio Citterio
Composti Chimici Maggiormente Prodotti (Produzione Annua in 106 ton.)
N°. Nome Prod./a. Materie Prime Usi
1 Ac. solforico (H2SO4) 75 S8, O2, H2O detergenti, esplosivi, plastiche, pesticidi, farmaceutici, coloranti, accumulatori, e metalli 2 Azoto (N2) 63 Aria ammoniaca, acido nitrico, deriv. N 3 Etilene (C2H4) 48 Petrolio glicol etilenico, etanolo, cloruro di vinile, ossido di etilene, polietilene
4 Ammoniaca (NH3) 45 Aria, H2O, gas fertilizzanti, acido nitrico, esplosivi
5 Ossigeno (O2) 45 Aria acciaio, comburente, usi medici, respirazione, deriv. ossigenati di C
6 Calce (CaO) 42 CaCO3 vetri, cemento, insetticidi, base
7 Idrossido Na (NaOH) 31 NaCl, H2O rayon, cellofan, carta, detergenti, produzione alluminio
8 Cloro (Cl2) 30 NaCl pesticidi, pulizia, sterilizzazione
9 Ac. fosforico (H3PO4) 29 Ca3(PO4)2 fertilizzanti, detergenti, farmaceutici, bevande
57
Attilio Citterio
Stati Fisici della Materia
Rb H2
solido liquido gas
58
Attilio Citterio
Aspetto: ⇒ Pietre preziose
Proprietà meccaniche: ⇒ Metalli - leghe, Ti, Fe, Cu/Zn ⇒ Cementi, Calcestruzzi, CaSiO3 ⇒ Materiali Ceramici, BN, SiC, Clay ⇒ Lubrificanti, Grafite, MoS2 ⇒ Abrasivi, Diamante, SiO2, Al2O3 3 Proprietà elettriche: ⇒ Conduttori, Cu, Ag, Au ⇒ Semiconduttori, Si, GaAs ⇒ Superconduttori, Nb3Sn, YBa2Cu3O7 ⇒ Elettroliti, LiI, Al2O3 ⇒ Piezoelettrici, SiO2, BaTiO3 ⇒ LCD Ito, In2O3/SnO2
Applicazioni Industriali di Solidi (Relazioni Struttura-Proprietà dei Materiali)
Proprietà magnetiche: ⇒ Registrazioni, CrO2, Fe3O4
59
Attilio Citterio
Proprietà ottiche: ⇒ Pigmenti, TiO2, Pb3O4 ⇒ Vetri, SiO2/CaCO3/Na2CO3/Na2SO4 ⇒ Laser, Cr3+ in Al2O3 - rubino ⇒ Duplicatori di frequenza, LiNbO3 ⇒ Fibre ottiche, SiO2/GeO2 ⇒ Fosforescenza, Eu3+ in Y2O3 (rosso in TV)
Applicazioni Industriali di Solidi (Relazioni Struttura-Proprietà dei Materiali) 2
Sensori: ⇒ ossigeno (ZrO2/CaO) ⇒ Sensori di pH e ioni selettivi
Catalizzatori: ⇒ Raffinazione petrolio, zeoliti ⇒ Ossidazioni, V2O5, ⇒ Idrogenazioni, Ni, Pd e Pt/C
Pd/C
60
Attilio Citterio
La Scala delle Cose – Nanometri e Altro
Sistemi Naturali Sistemi fatti dall’uomo
61
Attilio Citterio
Rischi e Benefici della Chimica
Poiché la Chimica coinvolge l’aggregazione di atomi essa rappresenta, alle basse temperature, il motore della trasformazione della materia. L’ambiente della crosta terreste evolve proprio tramite trasformazioni chimiche naturali. L’uomo intervenendo nel controllare a fini di suo interesse tali trasformazioni o inventandone di nuove ha così un impatto rilevante sull’ambiente. La Chimica impiegata nelle industrie può avere conseguenze positive o negative in dipendenza dell’attenzione posta al controllo delle conseguenze delle modifiche introdotte sull’intero ambiente (dalla sicurezza e salute degli addetti alla produzione e trasformazione alle alterazioni dirette o indirette dell’ambiente circostante). Ogni attività umana presenta benefici per qualcuno e rischi per altri, e la Chimica (dopo il Nucleare) è tra i settori industriali ad impatto ambientale più rilevante per cui non sorprende l’attenzione sempre crescente alla regolamentazione in questo settore. Soluzioni attente a queste problematiche costituiscono le basi della Chimica Verde.
62
Attilio Citterio
Rifiuti e Industria Chimica
Segmento Industria Tonnellaggio Rapporto KgSottoprodotti/Kg Prodotto
Raffinazione Petrolio 106 - 108 <0.1Chimica di Base 104 - 106 1 - 5
Chemica Fine 102 - 104 5 - 50Farmaceutici 10 - 103 25 - 100+
Da dove provengono i rifiuti?
• Le aree tradizionalmente ritenute essere sporche (raffinazione petrolio e produzione chimica di base) sono relativamente pulite (rispetto alle elevata quantità trattate – ciò è dettato da necessità economiche, visti i bassi margini di guadagno per ogni Kg di petrolio).
• Le industrie più nuove con margini di profitto più alto e che usano una chimica più complessa producono in proporzione molti più scarti.
R A Sheldon J. Chem. Tech. Biotechnology. 1997, 68, 381
0 20 40 60 80 100
Raffineria
Chimica di base
Chimica fine
Farmaceutica
kg rifiuto/kg prodotto
63
Attilio Citterio
Crescita delle Leggi Ambientali
AMFA ARPAA
AJA ASBCAA
ESAA - AECA FFRAA
FEAPRA IRA
NWPAA CODRA/NMSPAA
FCRPA MMPAA
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
EPACT FFCA CERFA CRAA
PPA PPVA IEREA ANTPA GLCPA ABA CZARA WRDA EDP OPA RECA CAAA GCRA GLFWRA HMTUSA NEEA
SDWAA SARA BLRA ERDDAA EAWA NOPPA PTSA UMTRCA ESAA QGA NCPA TSCA FLPMA RCRA NFMA CZMAA
NEPA EQIA CAA EPA EEA OSHA FAWRAA NPAA
FRRRPA SOWA DPA
WSRA EA RCFHSA
AQ A
NAWCA
WQA
NWPA
MPRSAA ARPA
HMTA
FCMHSA
NHPA WLDA
FWCAA FWA
AEA
AEPA FIFRA PAA
FAWRA MBCA NPS WA IA
NBRA
AA RHA YA
TA FWCA
BPA
NLRA WPA
AQA FOIA
WRPA AFCA FHSA
NFMUA
BLBA FWPCA MPRSA
CZMA NCA
FEPCA PWSA MMPA
ESA TAPA
RCRAA WLDI
APA SWDA
CERCLA CZMIA
COWLDA FWLCA
MPRSAA CAAA CWA
SMCRA SWRCA SDWAA
Num
ero
di le
ggi
64
Attilio Citterio
Rischio e Esposizione ai Prodotti Chimici
Le leggi ambientali per anni hanno riguardato l’inquinamento dopo che è stato prodotto, focalizzandosi su trattamenti o abbattimenti e sono perciò note come leggi di “imposizione e controllo”. Spesso pongono limiti e tempistiche di adeguamento, con poca attenzione alla possibilità che scienza/tecnologia possano raggiungerli. Il Rischio associato ai composti chimici tossici è una funzione del Pericolo e dell’Esposizione. Le leggi “di fine processo” tentano di controllare il Rischio operando sulla prevenzione dell’Esposizione ai composti dannosi e tossici. Ma spesso la prevenzione ha fallito.
Rischio = f(Pericolo, Esposizione)
Si sta cercando di superare i problemi tentando di ridurre e meglio eliminare il Pericolo evitando di controllare l’Esposizione.
Rischio = f(Pericolo, Esposizione)
65
Attilio Citterio
Chimica, Motore di Sviluppo
66
Attilio Citterio
Rifiuti ed Economia Circolare
67
Rifiuti per destinazione (%)
Ripristino ambientale
21,0% Discarica
31,6%
Incenerimento 4,8%
Altro 8,9%
Recupero 23,4%
Trattamento chimico-fisico –
biologico 10,3%
Codici per l'Identificazione delle Plastiche
Attilio Citterio
Conoscere e Applicare Meglio la Chimica e l’Ingegneria Chimica (due materie complesse)
• Progettare composti chimici più salubri
• Sviluppare solventi ed ausiliari più sicuri
• Massimizzare l’efficienza rispetto a massa, energia, tempo e spazio
• Utilizzare materie prime rinnovabili (riciclare, cura ciclo di vita)
• Ridurre o eliminare le derivatizzazioni (semplificare i processi)
• Uso intensivo della catalisi (omogenea, eterogenea, enzimatica)
• Progettare prodotti e materiali per la degradazione dopo l’uso
• Analizzare in tempo reale per prevenire l’inquinamento
• Minimizzare il potenziale di incidenti
• Sviluppare soluzioni ingegneristiche innovative e compatibili
68
Attilio Citterio
Trasformazioni Chimiche e Sostenibilità
Gli obiettivi
chimici della Sostenibilità
Energia sicura: nuova chimica per la conversione tecnologica dalle varie fonti
Materie Prime rinnovabili: a) sviluppo di materie
prime economiche dalle piante b) sviluppo
di sistemi di riciclo
Riduzione dell’Inquinamento: Spostare la composizione elementare della tecnologia più vicino alla biochimica per ridurre gli inquinanti persistenti e i persistenti/bioaccumulabili.
Terry Collins, Science, 207, 48-49 (2001)
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