S eminario didattic o 2010 - 2 L ic eo S c ientific o G rig oletti - Pordenone

Attilio Cesàrolab. chimica fisica e macromolecolare - DSV

Università di Trieste

www.bbcm.units.it/polysac.htm

cesaro@units.itcesaro@units.itDS V

L’ACQUAL’ACQUA

LA MOLECOLA PSICOTICA LA MOLECOLA PSICOTICA BENE DELL’UMANITA’BENE DELL’UMANITA’

cesaro@units.itcesaro@units.itDS V

1 - Introduzione1 - Introduzione2 - Struttura2 - Struttura3 - Alcune anomalie3 - Alcune anomalie4 - L’acqua nei sistemi biologici4 - L’acqua nei sistemi biologici5 - Scienza e manipolazioni5 - Scienza e manipolazioni6 - Commenti finali6 - Commenti finali

S eminario didattic o 2010 - 2 L ic eo S c ientific o G rig oletti - Pordenone

ANOMALIE

intervista a La Stampa

10 maggio 2006

e soprattutto

l’acqua ricorda ?

Acquala sostanza “chimica” più comune

un composto chimico semplice un liquido trasparente, inodore e insapore

ma di quale “acqua” parliamo e…..poi

Perché parlarne ? …

1 - Introduzione1 - Introduzione

scienza:• Sostanza abbondante sulla superficie

terrestre: ubiquitaria• Composto primario della vita e luogo di

origine delle forme viventi• Solvente, soluto, reagente e biomolecolaSolvente, soluto, reagente e biomolecola

non-scienza:• Nei secoli ha ispirato poeti, filosofi, musicisti,

pittori, …..• Ruolo sacro ed emblematico in tutte le religioni

L’acqua è stata, ed è ancora oggi, la L’acqua è stata, ed è ancora oggi, la sostanza più studiata …sostanza più studiata …

Questo perché la molecola ha un comportamento complesso e proprietà abbastanza strane che la rendono unica e

……. psicotica

… ma molte delle sue proprietà sono in realtà ancora poco conosciute.

H

2

O

Se l’acqua, con i suoi strani comportamenti, fosse un essere umano avrebbe tutte le carte in regola per fare da protagonista in un film di Woody Allen e passare la vita sul lettino di uno psicanalista!

IL COMPORTAMENTO ANOMALO DELL’ACQUA

Anche se l’acqua viene considerata come un liquido “comune”, in realtà essa ha un comportamento decisamente anomalo rispetto a tutte le altre sostanze potenzialmente simili

circa 70 anomalie “chimico-fisiche”

vedi sito Prof. Martin Chaplin: http://www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html

Elettronegatività

• l’ossigeno è più elettronegativo• l’idrogeno meno elettronegativo

2 – Struttura2 – Struttura (spiega le proprietà) (spiega le proprietà)

I punti di carica si dispongono ai vertici di un tetraedro leggermente deformato

I due legami O-H formano tra di loro un angolo di 104.9°

La distribuzione elettronica intorno all’atomo di ossigeno: formazione di quattro orbitali simmetrici di tipo sp3 (VSEPR)

Il legame covalente tra l’ossigeno e l’idrogeno: si può visualizzare il legame come un dipolo elettrico.

104.9°

Se la molecola d’acqua fosse lineare il dipolo della molecola sarebbe nullo

Inoltre……

legame idrogeno

bassa densità elettronica

…. legame idrogeno (~ 20 kJ mol

-1

)

• altamente direzionale

• presente sia nell’acqua allo stato liquido che allo stato solido• responsabile di alcune proprietà

rilevanti ed inusuali dell’acqua

• aumenta la “connettività” dinamica

• importanza nel mondo biologico

Legame idrogeno: perché è importante ?

Diagramma di fase

• È uno dei metodi più concisi di rappresentare i cambiamenti fisici di stato subiti da una sostanza

• Fornisce informazioni sulla stabilità delle varie forme di aggregazione della sostanza in esame

3 - Alcune proprietà3 - Alcune proprietà

Diagramma di fase per un sistema ad un solo componente

0>dtdp

La pendenza della curva tra solido e liquido è positiva

Nel caso dell’acqua questa pendenza è invece negativa

ma ΔS sempre >0, quindi ΔV<0

VS

dtdp

∆∆=La pendenza è descritta

dall’equazione termodinamica di Clausius-Clapeyron

Diagramma di fase dell’acqua

Ghiaccio X densità 2,51 g/cc !

Condizioni ambientaliCondizioni ambientali

esistono 13 forme di ghiaccio !

• Gli stati di aggregazione delle molecole d’acqua sono quindi piuttosto particolari

• La materia acqua ha un comportamento complesso e proprietà particolari

Anomalie nelle transizioni di fase

• L’acqua ha un punto di fusione insolitamente alto

• L’acqua ha un punto di ebollizione insolitamente alto

• L’acqua calda può congelare più velocemente dell’acqua fredda

punto di fusione e di ebollizione insolitamente alti

L’acqua calda può congelare prima dell’acqua fredda?

• Scoperta fatta già da Aristotele ma sottoposta all’attenzione della comunità scientifica da Erasto MPEMBA (1963)

(uno studente di 13 anni, in Tanzania)

• L’acqua calda (90°C) spesso congela più “velocemente” della stessa quantità di acqua fredda (per esempio a 25°C)

EFFETTO MPEMBA

UNA CHIAVE DI QUESTO EFFETTO E’ IL FENOMENO DEL

SOTTORAFFREDDAMENTO

IL SOTTORAFFREDDAMENTO E’ MAGGIORE NELL’ACQUA INIZIALMENTE PIU’ FREDDA

RISPETTO ALL’ACQUA INIZIALMENTE PIU’ CALDA

Altre anomalie termodinamiche note

• L’anomala densità del ghiaccio

• L’anomala densità dell’acqua liquida

• L’elevata capacità termica dell’acqua

densità dell’acqua

Ancora anomalie significative

• La tensione superficiale è elevata

• La viscosità è elevata

Tensione superficiale elevata

La tensione superficiale:

• è una proprietà delle fasi condensate • nell’acqua è più elevata di ogni altro liquido• dipende dalle forze di coesione molecolare• determina il fenomeno della capillarità• diminuisce con la temperatura

La viscosità di un liquido:

• è determinata dalla resistenza opposta allo scorrimento molecolare

• diminuisce con la temperatura• diventa molto elevata nell’acqua liquida

sottoraffreddata

Viscosità elevata dell’acqua

IL GUSTO DELL’ACQUA• Acqua: incolore, inodore, insapore

e trasparente

4 - L’acqua nei sistemi biologici4 - L’acqua nei sistemi biologici

• Acqua incolore

Il nostro occhio percepisce solo radiazioni visibili tra i 400 e 750 nm

Assorbe radiazioni di lunghezza d’onda inferiore a 200 nm (lontano UV) e superiore a 1000 nm (vicino IR)

IL GUSTO DELL’ACQUA

• Acqua: inodore ed insapore

ma quali sono i “sensori”?

proteine e polisaccaridi: le strutture biologiche che “legano” tanta acqua

Il contributo dell’acqua nella struttura proteica

• L’idratazione è molto importante per la stabilità della struttura tridimensionale e delle proprietà delle proteine

• L’acqua è molto polare e interagisce favorevolmente con i gruppi idrofilici delle biomolecole in soluzione

RUOLO DELL’ACQUA NELLA STABILIZZAZIONE DI

STRUTTURE BIOLOGICHE• Ruolo di solvente e mezzo di reazione

nei sistemi biologici• Il funzionamento delle macromolecole

nei processi vitali dipende in modo specifico dalle strutture tridimensionali (STRUTTURE NATIVE)

Struttura di proteine, acidi nucleici e polisaccaridi

• Sono bio-macromolecole di elevata massa molecolare e struttura tridimensionale complessa

• Sono costituite da monomeri: aminoacidinucleotidizuccheri

• Sono strutture in genere fortemente idrofiliche

La denaturazione delle proteine

• elevate temperature• valori estremi del pH• solventi organici• denaturanti (urea..)• disidratazione

I principali destabilizzanti sono:

Per aumentare la protezione:INCAPSULAZIONE IN ALGINATO

Le capsule di alginato vengono prodotte facendo gocciolare una soluzione di alginato in una soluzione contenente cationi bivalenti

Si utilizza in genere Ca++ nei processi di gelificazione in ambito biomedico perché non è uno ione tossico

GEL: acqua in una matrice polimerica (ad es. 98% di H2O)

un blocco di traffico un blocco di traffico

(ma pedoni come acqua nel gel)(ma pedoni come acqua nel gel)

ANOMALIE

La Stampa

10 maggio 2006

ma l’acqua ha memoria ?

ovvero cos’è l’omeopatia

OMEOPATIAPotenza: diluizione e dinamizzazioneLa diluizione, concetto fondamentale, viene detta in omeopatia potenza. Le potenze sono diluizioni 1 a 100 (potenze centesimali o potenze C) o diluizioni 1 a 10 (potenze decimali o potenze D). In una diluizione C una parte di sostanza viene diluita in 99 parti di diluente e successivamente dinamizzata, ovvero agitata con forza secondo un procedimento chiamato succussione; in una diluizione D, invece, una parte di sostanza viene diluita in 9 parti di diluente e sottoposta poi alla stessa dinamizzazione.Ogni sostanza omeopatica pronta per l'impiego riporta il tipo di diluizione e la potenza. Ad esempio, in un rimedio con potenza 12C la sostanza originaria è stata diluita per dodici volte, ogni volta 1 a 100, per un totale di una parte su 10012 (1024). Una potenza 12D, utilizzata abbastanza comunemente in omeopatia, equivale invece ad una concentrazione nella quale la concentrazione è una parte su un milione di milioni (1012). Numerosi preparati omeopatici sono diluiti a potenze ancora maggiori, sino a 30C. Nella pratica omeopatica le potenze C e D non sono equivalenti, ovvero 1C non è equivalente a 2D dal punto di vista terapeutico, sebbene lo sia dal punto di vista della chimica delle soluzioni.Secondo i critici dell'omeopatia a potenze elevate e in particolare a partire proprio da 12C o dal 24D, le leggi della chimica provano che il prodotto finale è così diluito da non contenere più statisticamente neppure una molecola della sostanza di partenza. Infatti il numero di molecole contenuto in una mole di sostanza è fissato dal numero di Avogadro che è uguale a circa 1024 molecole/mole (6,02 1023): mediante una diluizione 12C o una 24D della stessa mole di sostanza si raggiungerebbero quindi livelli di concentrazione che prevederebbero mediamente al più una sola molecola del farmaco.L'eventuale effetto terapeutico del rimedio omeopatico, pertanto, non sarebbe legato alla presenza fisica del farmaco, ma a qualcos'altro.

A fronte di queste osservazioni, gli omeopati credono nella memoria dell'acqua.

Nelle scienze umane, il processo configura un percorso di ricostruzione e concatenamento di tracce e non un semplice immagazzinamento in uno spazio statico.

In fisica statistica, la funzione “memoria” (funzione di correlazione) Fn = < uo . ui> (a t, x = 0 ed = i)indica la “persistenza” di un andamento nel tempo to nello spazio x

cos’è la memoria ?

Tecniche più utilizzate:

• spettroscopia dielettrica

• spettroscopia NMR

• spettroscopia IR

• scattering

• calcoli MDSI OTTENGONO I VALORI DEI

TEMPI DI RILASSAMENTO DELLA MOLECOLA

5 - La “funzione memoria” dell’acqua5 - La “funzione memoria” dell’acqua

luc e (la s er)* os s ervatore

* luc e di s inc rotrone, neutroni, rag g i x, … .

Dipendenza del tempo di rilassamento

dell’acqua dalla

temperatura

(scattering anelastico uv

e raggi x)

• Sulla struttura Sulla struttura dell’acqua liquidadell’acqua liquida ed i suoi ed i suoi tempi di rilassamento sono stati condotti tempi di rilassamento sono stati condotti numerosi esperimenti spettroscopicinumerosi esperimenti spettroscopici

• I tempi di rilassamento molecolare I tempi di rilassamento molecolare nell’acqua nell’acqua liquidaliquida sono estremamente piccoli sono estremamente piccoli (picosecondi = 10-(picosecondi = 10-1212 s) s)

• Risultati simili sono stati ottenuti da studi di Risultati simili sono stati ottenuti da studi di dinamica molecolare (MD) e da analisi di dinamica molecolare (MD) e da analisi di nanogoccioline d’acqua utlizzando nanogoccioline d’acqua utlizzando spettroscopie ultravelocispettroscopie ultraveloci

Quindi: l’acqua non ha “memoria”Quindi: l’acqua non ha “memoria”

………Infatti, analizzando due fiocchi di neve al microscopio, risultano diversi uno dall’altro, e c’è anche di più: sciogliendo separatamente i due fiocchi e facendolo gelare nuovamente, si ri-ottengono gli stessi identici fiocchi.Questa è memoria, memoria dell’acqua. Infatti ogni molecola dell’acqua possiede un’identità geometrica originale ed inconfondibile, che la rende unica fra miliardi di miliardi di altre simili…….

Memoria dell’acqua e falsità scientifiche

L’acqua “disidratata”ovvero: come vendere l’alcool al

tempo del proibizionismo

Tuttavia: in un nanotubo di carbonio (diametro circa 1-2 nm) contenente da 60 a 80 molecole d’acqua, le interazioni con le pareti del tubo impongono alla struttura dell’acqua una forma che assomiglia ad una catena polimerica.

June 25, 2008Water inside single-walled carbon nanotubes                                                            Researchers have identified a signature for water inside single-walled carbon nanotubes, helping them understand how water is structured and how it moves within these tiny channels.

ConclusioniConclusioni

• Le proprietà cinetiche e termodinamiche Le proprietà cinetiche e termodinamiche rivelano una dipendenza anomala dalla rivelano una dipendenza anomala dalla temperatura (legami idrogeno).temperatura (legami idrogeno).

• I comportamenti anomali dell’acqua I comportamenti anomali dell’acqua sottoraffreddata sono spiegati con modelli sottoraffreddata sono spiegati con modelli dinamici.dinamici.

• In presenza di sistemi biologici e su superfici In presenza di sistemi biologici e su superfici molecolari, i fenomeni di interazione su scala molecolari, i fenomeni di interazione su scala temporale sono più lenti, temporale sono più lenti, ma scompaiono se la ma scompaiono se la causa viene rimossacausa viene rimossa..

http://www.water2010.eu/en/index1.html