Laboratorio di chimica in casa/Il metodo del chimico

Ogni oggetto è composto da sostanze possibilmente utili in un laboratorio di chimica domestico.

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La maggior parte di queste ha una composizione chimica definita e schedata: le leghe, i detersivi, i farmaci, le colle, le plastiche, i coloranti ecc. sono sostanze sintetiche di composizione brevettata. Anche le sostanze biologiche/naturali come le piante ed i minerali sono largamente studiate ed analizzate, dalle sequenze di amminoacidi nelle proteine alla percentuale di principi attivi in una pianta o di elementi in un minerale.
Raccogliere informazioni prima di iniziare a fare qualsiasi esperimento ci permette di spendere meno tempo nel fare analisi e prove a vuoto, di valutare i rischi di ogni esperimento, di stimare la convenienza (economica e temporale) di un processo chimico rispetto a un altro e di prevedere i risultati dei nostri esperimenti, o per lo meno di avere degli indizi per orientarci.

Da ciò risulta che prima di iniziare un esperimento, il ricercatore: ricerca delle informazioni su internet e sui libri, poi organizza il proprio esperimento ed infine passa alla fase pratica. Per un laboratorio di chimica domestico, prima di passare alla fase 3 spesso sarà richiesto anche di analizzare e/o purificare i reagenti e non va dimenticata la parte di ricerca dei dati sulla pericolosità delle sostanze e degli strumenti che si vanno ad adoperare.

Un ultimo elemento da considerare è l'organizzazione del lavoro: la sperimentazione spesso prevede una discreta quantità di oggetti e di spazio, che in un lab amatoriale spesso diventa disordine. Questo può causare incidenti e rallentare i propri esperimenti. Per prevenirlo andranno seguiti i consigli per tenere un laboratorio ordinato: raccogliere i dati dei propri esperimenti in un quaderno o su una lavagna, etichettare (o marcare con un indelebile) i contenitori utilizzati, tenerli in un posto solo e riporre ogni volta i reagenti e gli strumenti già utilizzati.

Ricerca

I seguenti contenuti possono essere approfonditi nelle pagine Risorse in rete e Biblioteca.

Il primo passo per utilizzare una sostanza in laboratorio è raccogliere tutti i dati già raccolti da chimici esperti sulla determinata reazione o sostanza su cui si vuole sperimentare. Ovviamente, a seconda di ciò che si sta cercando si parte da informazioni di base diverse, ma internet ed i libri specialistici saranno sempre e comunque le prime risorse cui fare affidamento.

La composizione dei prodotti chimici e di altre sostanze sintetiche è spesso dichiarata nell'etichetta, anche in maniera quantitativa. Gli ingredienti vengono sempre elencati in ordine decrescente di percentuale, cioè dall'ingrediente più presente a quello di cui ce n'è di meno. Se in essa non sono date informazioni precise, è sempre pubblicato un sito internet in cui è talvolta possibile reperire informazioni aggiuntive (non sempre però esaustive).

La composizione degli imballaggi è quasi sempre rappresentata da una sigla o un codice in un triangolo stampata sul contenitore e per altre sostanze sintetiche come le leghe, le plastiche ed i collanti, la composizione chimica non è solitamente dichiarata sull'oggetto, ma è possibile trovare in internet siti che catalogano queste sostanze, i quali forniscono dati che aiutano a restringere il campo di ricerca.Talvolta basta digitarne il nome, aggiungendo MSDS o cercando in inglese.

Per prodotti biologici e naturali come minerali, prodotti vegetali (piante, spezie, farine, oli essenziali ecc.) ed animali (latticini, cere, ossa, sangue ecc.) la composizione chimica viene riportata in articoli scientifici (e spesso appositi libri o siti internet, come per i composti sintetici) ma spesso dipende da numerose variabili provenienza del campione, condizioni di vita per campioni biologici (clima, nutrimento, sole, età o periodo dell'anno, elementi di stress e shock ...) ecc. Si tenga presente quindi che le sostanze derivate direttamente da elementi naturali sono spesso miscele e la loro composizione può variare da campione a campione, sia quantitativamente che costituzionalmente.

Molto probabilmente tutte le reazioni chimiche eseguibili nel proprio laboratorio domestico sono già state eseguite, ma soprattutto studiate con metodi sofisticati. Ciò va comunque vista come una cosa molto positiva.

In primis qualsiasi reazione che dà effetti imprevisti può essere spiegata con l'ausilio di internet spesso accade che l'esito di un esperimento non sia quello desiderato, ma ciò che è più d'intralcio è non riuscire a capire cosa sia accaduto. Che prodotto ho ottenuto dalla mia reazione Perché non è andata come prevedevo Cosa posso imparare da questa mia esperienza Fare ricerche fra libri, riviste e siti internet è il modo più veloce ed esaustivo per risolvere i propri dubbi (ed imparare molto).
In maniera analoga a ciò che avviene per le sostanze incognite, anche gli aspetti teorici di composti, reazioni ed esperimenti dall'esito incognito sono spesso riportati in documenti o registrati in archivi. Essi talvolta trovano applicazioni in processi industriali e possono venire utili per spiegare altri fenomeni ed avviare altri esperimenti.

In secondo luogo è un punto a vantaggio della sicurezza mischiare due sostanze incognite può creare eventi molto dannosi (esalazioni di sostanze tossiche, incendi, esplosioni) che è possibile scongiurare ricercando in internet sia le schede di sicurezza dei reagenti che l'elenco dei possibili prodotti che si formano, idem per i quali vanno cercate le MSDS.

Analisi

Una volta reperire tutte le informazioni possibili su di un prodotto chimico risulta spesso necessario analizzarlo per via quantitativa (cioè sapere le esatte quantità di prodotti che esso contiene) e talvolta qualitativa (cioè sapere quali sostanze sono presenti).

L'analisi qualitativa avviene per reazioni caratteristiche si sa che facendo reagire due sostanze, una A ipoteticamente presente nella nostra miscela da analizzare e l'altraB invece di composizione nota, avviene una reazione particolare (si colora la soluzione, si evolve del gas, il gas ha un odore caratteristico, compare del precipitato ecc.) che può avvenire solo tra A e B. In questo modo si capisce se A è presente o meno nella miscela.
Solitamente però accade che la sostanza pura B possa in realtà reagire con altre sostanze, e quindi non si è certi se nel campione incognito ci sia solo A o un'altra sostanza che dà la stessa reazione. perciò bisognerà separare le sostanza che possono interferire fra di loro, e poi farle reagire singolarmente con altre sostanze C, D ecc. fino a trovare una reazione caratteristica che le distingua.

L'analisi quantitativa è invece volta a determinare la quantità di una sostanza in una miscela, una volta noto quali sostanze sono presenti in essa. Anche per i test quantitativi ci possono essere delle interferenze, perciò sarà talvolta necessario separare il composto da misurare da quelli che danno interferenze.
La caratteristica principale di questa modalità di analisi è la necessità di sostanze particolarmente pure e di strumenti di misurazione precisi come burette, bilance centesimali, termometri.

Purificazione

Di rado si trovano in vendita ai non-tecnici sostanze sufficientemente pure da essere usate in laboratorio. Per questo occorrerà spesso purificarle o estrarle dalla sostanza reperita, valutando i costi di operazione.

Di rado i prodotti chimici domestici sono venduti puri per legge i liquidi tossici vanno colorati e talvolta addizionati di un agente inasprente (solitamente Benzoato di denatonio) e di agenti graveolenti (che fanno puzzare il prodotto, spesso mercaptani) e gli additivi alimentari sono spesso addizionati di altri additivi come stabilizzanti, antiossidanti, conservanti, coloranti ecc. In molti casi queste impurità non influiscono sulla reattività dei principi attivi (l'acido muriatico funziona come l'HCl da laboratorio, il sale da cucina come il cloruro di sodio ecc.) ma il diverso odore o colore possono essere di ostacolo se si vuole capire se una reazione è avvenuta o meno. Per questo le sostanze chimiche da laboratorio richiedono passaggi di purificazione.
A volte occorre addirittura isolare il principio attivo interessato da un insieme di molte sostanze che lo rendono inutile così come viene commercializzato.

Raccolta dei dati

I seguenti contenuti possono essere approfonditi alla pagina La psicologia del chimico.

La pratica di un esperimento porta allo sviluppo di situazioni da cui è possibile ricavare numerosissimi dati, alcuni che ci sembrano subito utili a spiegare i nostri dubbi, altri apparentemente inutili. Le persone, per natura, si concentrano sulle informazioni che percepiscono come utili tralasciando quelle che apparentemente non c'entrano con l'obiettivo della loro ricerca. Questo porta spesso a trascurare dettagli che si riveleranno invece utili in un secondo tempo, una volta imparato ad interpretarli o eseguito un esperimento in cui potrebbero essere un utile elemento risolutivo. Un ulteriore limite alla raccolta di informazioni dalle esperienze è la loro percettibilità: in un reattore una reazione potrebbe avvenire in maniera così silenziosa o così lentamente da non essere notata a prima vista.

Come descritto nel capitolo Analisi qualitativa, una reazione chimica -quando avviene- può manifestarsi in diversi modi: cambiamento di colore dalla sostanza in esame, evoluzione di un gas o comparsa di un precipitato, sviluppo o assorbimento di calore ecc. La prima cosa da tenere a mente, quando si esegue un esperimento, è che queste manifestazioni possono essere tanto piccole da non venire percepite dallo sperimentatore. Per questo, una volta che si prova una reazione completamente sconosciuta, vanno variati elementi come la concentrazione o la quantità dei reagenti: di solito più materiale si usa (e maggiore è la sua concentrazione) più si amplifica l'effetto osservato. La cosa non è sempre vera; spesso i fenomeni chimici non sono lineari, cioè che man mano che vado avanti nella mia reazione i prodotti aumentano sempre del doppio, del triplo ecc. ma può capitare di imbattersi in reazioni "a curva", che per un certo periodo aumentano e poi man mano che vado avanti ridiscendono; oppure esponenziali, logaritmiche, oscillanti ecc. In sunto, è sempre meglio fare tante prove, cambiando di volta in volta una o più variabili, per avere un'idea precisa delle proprietà della sostanza che si sta studiando.
Detto questo è facile capire che lo studio di un fenomeno chimico ci obbliga a lavorare con un gran numero di dati. Questi andranno riportati in un quaderno o su una lavagna, ed andranno registrate le seguenti variabili: data e ora, temperatura, pressione cui si lavorava, presenza di aria (ossigeno) o umidità (acqua) nei reagenti oltre ai fenomeni osservati, quali: variazioni di temperatura, di colore della soluzione, di comparsa di un precipitato o di effervescenza, odore, forma cristallina ecc. Ognuno di questi fattori potrebbe essere utile per spiegare l'andamento della reazione studiata.

Un altro fattore molto importante mentre si svolgono ricerche pratiche è la gestione del disordine. Come riportato nel capitolo La psicologia del chimico, il disordine è un fattore positivo nella ricerca di idee e ispirazioni. Come dice De Bono:

« Il caso è una fonte di idee infinite »
(Il pensiero Laterale)

Mantenere l'ambiente di reazione in uno stato di non completo controllo permette di far intervenire molti elementi nella reazione che si sta studiando.
Questo può essere un fattore sia positivo che negativo; se la reazione che stiamo studiando desse numerose volte risultati inaspettati non trarremo nessuna conclusione ed occorrerà molto tempo e molte prove per dare una spiegazione ad ogni fenomeno; per contro, una reazione imprevista è un'intrigante enigma che, una volta risolto, fa imparare molte cose (la maggior parte durante le ricerche teoriche) e in molti casi fa scoprire qualcosa di utile per un'altra esperienza di laboratorio.
Aumentando il numero di esperimenti e di dati raccolti ci si avvicina sempre più ad una spiegazione esaustiva dei fenomeni osservati. È quindi possibile spiegare virtualmente qualsiasi esperimento raccogliendo sempre più informazioni ed esperienze. Questo è il motivo per cui vanno riportati tutti i fenomeni notati osservando una reazione, anche quelli apparentemente meno rilevanti, e lavorare alacremente alla ricerca di nozioni teoriche sui libri e sul web.
Va tenuto presente però che, proprio per il fatto di essere un caos, il disordine va gestito in modo da poter essere in grado di notare e annotare ogni indizio venuto dal caso. Per questo i contenitori vanno etichettati e tenuti in un contenitore in cui possono essere osservati, ed i dati vanno almeno segnati momentaneamente sulla lavagna. Un altro dato utile è segnarsi le quantità di reagenti usati anche durante i test qualitativi, per avere almeno una vaga idea delle quantità di reagenti impiegate. Va inoltre ricordato di mettere davanti all'incertezza del caso la certezza di non mettersi in pericolo: si parte sempre con piccole dosi di reagenti e a basse temperature, le sostanze pericolose vanno tenute confinate in uno spazio noto ed in un contenitore ermetico ed il laboratorio deve mantenere un livello di ordine sufficientemente alto da permettere di lavorare senza intralci o pericoli e la vetreria non utilizzata va mantenuta pulita.

Informarsi sui rischi

I seguenti contenuti possono essere approfonditi nelle pagine Sicurezza e Il laboratorio.

Una volta formata un'idea su come manipolare una sostanza è necessario informarsi sulla tossicità di tutti i possibili composti prodotti durante la sua analisi o la sua purificazione. Durante la ricerca va quindi fatto un elenco delle possibili sostanze pericolose in cui ci si potrebbe imbattere, e prendere le dovute precauzioni.
Le analisi di sostanze incognite sono infatti la parte più rischiosa dell'attività di laboratori, poiché si è ancora meno certi del decorso degli esperimenti, e potrebbero comparire rischi inaspettati. Per questo va presa ogni precauzione prevedendo il massimo pericolo possibile.

Un elenco di siti in cui trovare schede di sicurezza è presente nella pagina Risorse in rete.

Altre letture

• Com'è fatto un articolo scientifico - Associazione Chimicare

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