Estratto per la Cerimonia di PremiazioneEstratto per la Cerimonia di Premiazione

Roma, 29 gennaio 2013Roma, 29 gennaio 2013

Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della RicercaMinistero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca

 

I.T.I. “B. Focaccia” Via Monticelli, 1 – Salerno

Olimpiadi della ScienzaPremio Green Scuola

VII edizione - a.s. 2011-2012

Terzo classificato

“Non abbiamo ereditato il mondo dai nostri padri, l’abbiamo preso in prestito dai nostri figli” Popolo Cherokee

Sviluppo sostenibile: un concetto antico

La “sostenibilità” dello sviluppo è stata definita nel rapporto Brundtland (1987) delle Nazioni Unite come:

”Uno sviluppo in grado di soddisfare i bisogni della presente generazione senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri”

Lo sviluppo sostenibile oggi

In occasione della Conferenza di Rio de Janeiro (1992) su ambiente e sviluppo, la comunità internazionale ha riconosciuto, per la prima volta, la necessità di individuare azioni da avviare nella direzione dello sviluppo sostenibile.

“Programma di azione", scaturito dalla Conferenza ONU di Rio de Janeiro (1992), che costituisce una sorta di manuale per lo sviluppo sostenibile del pianeta in vista del 21° secolo.

Agenda 21

Un piano da realizzare su scala globale, nazionale e locale.

La realizzazione degli obiettivi previsti in Agenda 21 è stata recepita dai vari stati sottoscriventi attraverso piani nazionali, che prevedono interventi nei settori produttivi quali l’industria, l’agricoltura ed il turismo, nelle infrastrutture di base (energia e trasporti) e nel settore dei rifiuti.

Piani nazionali

Anche la scienza è stata chiamata a fare la sua parte, e ogni paese si è organizzato attraverso delle Piattaforme Tecnologiche Nazionali, che hanno il compito di predisporre un’agenda per la ricerca, pubblica e privata, che risponda a esigenze di sostenibilità.

Sostenibilità della ricerca scientifica

La “Green Chemistry” è un nuovo approccio tecnologico nato negli USA nei primi anni ’90 che oggi costituisce, anche in Europa, uno strumento fondamentale per conseguire uno sviluppo sostenibile.Applica 12 principi innovativi (Anastas e Warner, 1998) nella progettazione di processi chimici industriali, puntando all’eliminazione o alla riduzione dell'uso e della produzione di sostanze nocive per l'ambiente o per la salute e al risparmio energetico.

Green Chemistry: un approccio etico allo sviluppo industriale

il miglioramento delle condizioni di reazione per vecchie sintesi (es. sostituzione di un solvente organico con acqua o eliminazione del solvente)

nuove sintesi per materiali già noti (es. sintesi che usino biomasse anziché materiali di origine petrolchimica)

sintesi di nuove sostanze meno tossiche ma con le stesse proprietà desiderabili di sostanze esistenti (es. un nuovo insetticida che sia tossico in maniera selettiva verso alcuni organismi e sia biodegradabile formando sostanze non pericolose per l' ambiente)

Possibili applicazioni della Green Chemistry

La polimerizzazione in emulsione acquosa dello stirene, che abbiamo realizzato in laboratorio, si configura come un esempio di applicazione della Green Chemistry, poiché comporta un miglioramento delle condizioni del processo di reazione, rispetto alle altre tecniche. L’impiego dell’acqua come solvente è solo uno degli aspetti green……

Sintesi in emulsione acquosa del polistirene atattico. Un’applicazione di Green Chemistry

…..gli altri li valuteremo dopo una breve descrizione delle tecniche di polimerizzazione impiegate nei processi industriali.

PolistireneIl polistirene è un polimero di addizione ottenuto per polimerizzazione radicalica vinilica dello stirene.

HH

H

CH2 CHnPolimerizzazion

e radicalica vinilica

stirene

polistirene

CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CHCH2 CH

La polimerizzazione di addizione radicalica

La reazione necessita di un iniziatore radicalico (perossido o persolfato), che si decompone per dare origine a specie radicaliche che possono iniziare la catena.

La reazione a catena avviene in tre stadi:

1) Stadio d’inizio2) Stadio di propagazione3) Stadio di terminazione

CH2 CHn

HH

H

HH

H

HH

H

CH2 CHn

XO.

XO. = iniziatore radicalico

XO.

XO.

XO.

XO.

XO.

HH

H

CH2 CHn

stirene

polistirene

HH

H

HH

H

Condotta in assenza di solventi. Il sistema di reazione è formato solo dal monomero e dall’iniziatore e l’iniziatore è solubile nel monomero

Polimerizzazione in massa 1/2

VANTAGGI

Questa tecnica richiede il numero minimo di reagenti necessari per l’ottenimento del polimero, infatti non si usano solventi o mezzi disperdenti

SVANTAGGI

Durante la crescita della catena il monomero viene inglobato fisicamente nel polimero e non può più reagire (bassa resa)

Prima della lavorazione, il polimero ottenuto deve essere ulteriormente processato per allontanare il monomero che non ha reagito (purificazione)

Viscosità elevataReazione molto esotermica (problemi di scambio termico) Svantaggioso da un punto di vista economicoDannoso da un punto di vista dell’impatto ambientale ( lo stirene è

tossico!)Polimero ramificato e di lunghezze diverse

Polimerizzazione in massa 2/2

Il sistema di reazione è formato da:

Monomero

Mezzo disperdente polare (acqua)

Iniziatore (solubile in acqua e insolubile nel monomero)

Tensioattivo

Polimerizzazione in emulsione acquosaSi definisce emulsione una sospensione colloidale stabile formata da un liquido immiscibile, disperso e trattenuto in un altro liquido grazie ad emulsionanti o tensioattivi (saponi).

VANTAGGI → viscosità ridotta; efficace controllo della temperatura; alta velocità di polimerizzazione e contemporaneamente alto grado di polimerizzazione

SVANTAGGI → eliminazione del tensioattivo

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 1/5In questa tecnica il tensioattivo dodecilbenzensolfonato di sodio viene aggiunto all’acqua, fino a raggiungere il valore della concentrazione micellare critica (CMC), cioè quel valore della concentrazione al di sopra della quale le molecole di sapone si aggregano formando micelle della dimensione di circa 10-100 Å.

CH3

S

O

OO

-Na

+

In questi aggregati, che possono avere forme diverse, le molecole di sapone espongono la testa polare verso l’acqua e la coda apolare verso il centro della micella.

OH2

CH2

CH2

Successivamente, si aggiunge lo stirene monomero, insolubile nel solvente di reazione, che andrà a sistemarsi all’interno delle micelle.

CH2

CH2

CH2

OH2

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 2/5

L’iniziatore radicalico persolfato di potassio può così essere aggiunto al sistema di reazione, che viene riscaldato fino a 80°C per determinare la scissione omolitica del legame perossidico e la formazione dei radicali iniziatori di catena

O-

S

O

O

O

O S

O

O

O-K

+K

+

O-

S

O

O

O

O S

O

O

O-K

+K

+

O-

S

O

O

OK+2

80°C

CH2

CH2 CH2

80°C

O-

S

O

O

OK+

O-

S

O

O

OK+

OH2

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 3/5

La reazione di inizio, e quindi la reazione di polimerizzazione, parte nel momento in cui una molecola di iniziatore migra all'interno di una micella e reagisce con una molecola di monomero.

In media si ha un radicale polimerico per micella (una catena in crescita per ogni micella) e proprio per questo motivo la reazione di terminazione per accoppiamento tra catene radicaliche è sfavorita, come le altre.

O-

S

O

O

OK+

O-

S

O

O

OK+

O-

S

O

O

OK+

CH2

CH2 CH2

80°C

L'iniziatore è insolubile nel monomero e quindi ha una bassissima probabilità di entrare nella micella.

Questa probabilità è bassa ma non nulla!

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 4/5

OH2

Il monomero nel nano-reattore non ha “concorrenti”, la reazione terminerà in ogni micella quando tutto il monomero contenuto avrà reagito(resa prossima al 100%!).

Data la dimensione delle micelle e la presenza, in media, di un’unica catena polimerica per micella, il polimero ottenuto risulta molto omogeneo e può essere processato (stampato, colorato…) senza ulteriori purificazioni o trattamenti.

VANTAGGI

OH2

Polimerizzazione in emulsione dello stirene 5/5

E’ una polimerizzazione in acqua

Il reagente più inquinante, lo stirene, viene completamente trasformato in polimero e non è quindi presente nei prodotti di scarto

Il polimero, così come ottenuto, non deve essere ulteriormente processato ma può essere trasformato direttamente nel prodotto finale (piatti, contenitori, oggetti vari…).

Il polimero ottenuto mediante polimerizzazione in emulsione ha un aspetto cristallino, bianco e granulare

Il polimero ottenuto mediante polimerizzazione in massa si presenta come un aggregato solido

Prodotto di reazione

Campione fornito dalla dott.ssa Lucia Caporaso dell’Università di Salerno

CH2 CHn

Caratterizzazione prodotto di reazione

Sintetizziamo il polistirene!!!!

……In Laboratorio…..

CH2 CHn