Post n. 23
Quindi il
problema è: in che modo l’asimmetria dell’acqua può determinare l’asimmetria
della silice colloidale?
I sistemi
colloidali sono influenzati da parecchi fattori indipendenti e non è possibile
ancor oggi definire una teoria completa della stabilità dei colloidi. Per poter
studiare i sistemi colloidali è necessario quindi, come suggerito da vari
ricercatori, standardizzare la tecnica e predefinire un determinato intervallo
di tempo prima dell’osservazione. Per parecchi colloidi, tra i quali la silice,
l’H2O dà un contributo notevole alla loro stabilità.
È noto che
la molecola dell’acqua presenta un legame covalente polare, dovuto alla forte
elettronegatività dell’ossigeno ed è quindi un dipolo;
Come
conseguenza di tale legame le molecole di acqua risultano orientate in tutte le
direzioni, con l’idrogeno verso l’ossigeno, formando grandi aggregazioni molecolari
(cluster);
Lo studio
del ghiaccio, attraverso i raggi X, ha dimostrato che tali aggregati molecolari
danno origine a cristalli formati da unità
strutturali tetraedriche con al
centro un atomo di ossigeno e ai vertici altri quattro atomi di ossigeno. Ogni
ossigeno è legato a quattro atomi di idrogeno e presenta quindi numero di coordinazione
quattro. Ogni molecola è quindi legata mediante
i legami idrogeno con altre quattro molecole formando una struttura più
espansa. Le direzioni lungo le quali si collocano i 4 legami pongono al centro l'atomo di ossigeno e vanno verso i vertici di un tetraedro
È
interessante notare che Bernal e Flower (Bernal J D and Fowler R H 1933 J.
Chem. Phys. 1 515, da Iopscience) ritenevano che il passaggio dal ghiaccio
all'acqua fosse analogo al passaggio dalla tridimite al quarzo e che proprio
questa struttura quarzosa fosse responsabile dell’aumento della densità
dell’acqua. È comunque opinione condivisa l’ipotesi che l’acqua liquida
possiede una struttura quasi cristallina formanti cluster. Essa conserva unità strutturali tetraedriche, dove
però le molecole di acqua vengono continuamente scambiate per effetto
dell’agitazione termica. All'aumentare della temperatura, pur rimanendo la
tendenza della coordinazione quattro, ogni atomo di idrogeno è legato a tre
atomi di ossigeno e successivamente a due atomi di ossigeno.
È probabile
che tale struttura quasi cristallina sia presente ancora a temperatura
ordinaria e fino alla temperatura di 37°C e che tale struttura sia la responsabile
dell’alto calore specifico dell’acqua a queste temperature. Oltre i 37°C il calore specifico
dell’acqua ha infatti il suo valore minimo. L’ipotesi più accreditata è che
oltre questa temperatura la coordinazione sia esclusivamente due, venga persa
definitivamente la tendenza alla coordinazione quattro e le strutture quasi
cristalline collassano definitivamente.
È importante
evidenziare che misure di soluzioni di silice al polarimetro sono state fatte
anche a diverse concentrazioni e temperature. I dati sperimentali (vedi: Chimica prebiotica ed origine della vita)
ci indicano che all'aumentare della temperatura e fino a 34°C la deviazione
della luce polarizzata rimane costante. Oltre la temperatura di 34 °C , la deviazione
diminuisce drasticamente per portarsi a zero già a 38-40°C , l’asimmetria della
silice è scomparsa.
Come è stato
già detto, l’ipotesi più accreditata è che alla temperatura di 37°C le
strutture quasi cristalline dell’H2O collassano definitivamente. Dai
dati sperimentali si evince che intorno alla medesima temperatura la silice
colloidale non devia più la luce polarizzata. Sembra comunque evidente una
relazione diretta tra i cluster di H2O e la struttura della silice
colloidale (denominata spesso Sol di silice o semplicemente Sol); distrutti i
Cluster, scompare definitivamente l’asimmetria della silice.
Quindi,
oltre all'asimmetria dell’acqua dove, come abbiamo visto, predominano le
molecole orto a spin paralleli,
anche i
cluster sembrano dare un contributo a determinare l’asimmetria della silice
colloidale.
Inoltre, è
singolare il fatto che molecole e strutture collegate alla vita presentano la
stessa unità strutturale: il quarzo è costituito da unità strutturali
tetraedriche, ma come abbiamo visto altrove, anche gli amminoacidi hanno unità
strutturali tetraedriche. Abbiamo poi scoperto che anche la silice e infine
l’acqua presentano unità strutturali tetraedriche. Ora, se il primo indizio è
un caso e il secondo una coincidenza, il terzo indizio indica generalmente uno
schema. L’unità strutturale tetraedrica, energeticamente molto stabile, deve in
qualche modo avere anche un suo ruolo nell'orientamento e nella geometria
ultima della silice colloidale.
Possiamo
concludere che ci sono tre fattori concomitanti che sembra contribuiscano a
determinare l’asimmetria della silice colloidale: l’asimmetria dell’acqua, i
cluster e l’unità strutturale tetraedrica.
Come già
detto, l’unità strutturale tetraedrica della silice pone al centro l’atomo di
silicio ed ai vertici l’ossigeno. Attraverso il legame di tali unità
strutturali seguendo la reazione,
Fig.1
si ha
dapprima la formazione di silice colloidale dove, come si vede dalla Fig.1, molti degli ossigeni sono ancora legati
all'idrogeno. A causa della differente elettronegatività tra ossigeno e
idrogeno si ha la formazione di un dipolo e su di esso si orienta e si lega
l’acqua con il suo caratteristico legame.
Fig. 2
la silice è
quindi avvolta da un gran numero di molecole di H2O, che allo stato
di colloide gli conferiscono una certa stabilità; infatti la maggior parte delle
molecole di H2O, intorno alla silice colloidale, sono orientate allo
stesso modo cioè con all'esterno la carica positiva.
La repulsione
tra le cariche positive ritarda l’aggregazione delle particelle colloidali e la
formazione della silice amorfa (Gel di silice). Le molecole di acqua che si
trovano intorno alla silice colloidale non sono molecole singole, esse
appartengono sempre a cluster di acqua che conservano unità strutturali
tetraedriche.
E allora, in
che modo i tre fattori sopra elencati possono aver determinato l’asimmetria
della silice colloidale?
Proviamo a
dare una risposta, con il rischio di rimediare una figuraccia.
Sappiamo che
se in un filo circola corrente attorno ad esso si genera un campo magnetico. Se
il filo è circondato da piccoli magneti, poste su un piano, essi si
orienteranno attorno al filo in modo da formare una circonferenza chiusa.
Se però nel
filo non circola corrente, i piccoli magneti dovrebbero lentamente disporsi in
modo da minimizzare l’energia dell’insieme, come rappresentati in figura.
Ma questa
disposizione non può essere reale perché tutti i magneti dovranno essere
allineati al campo magnetico terrestre (indicato con la freccia grande).
Ora,
immaginiamo di avere un bicchiere d’acqua e agitiamola energicamente con una
bacchettina in modo da distruggere tutti i cluster. Cosa succede appena si
smette di agitare l’acqua? La forza
predominante è l’interazione dipolo-dipolo tra le molecole di acqua. Sotto
l’effetto di tale forza si ricostituiranno i cluster d’acqua con le loro
strutture tetraedriche.
La struttura
tetraedrica all'interno dei cluster è l’unità strutturale più stabile. Ma tale
stabilità si raggiunge non solo perché gli -Hd+ sono
orientati verso -Oδˉ ma anche prendendo in considerazione l’effetto
degli spin, anche se tale contributo è piccolissimo. Il senso di rotazione del
nucleo di idrogeno, che genera il piccolo campo magnetico, può andare in senso
orario o antiorario, tale direzione viene denominata spin su e spin giù.
Immaginando la struttura tetraedrica fuori da ogni contesto, è indubbio che la
maggiore stabilità si ottiene quando all'interno di essa i quattro idrogeni presentano
2 spin su e 2 spin giù, come indicato in figura dalle piccole frecce; in questo
modo i piccolissimi campi magnetici ad essi associati si annullano e la
struttura risulta più stabile.
La struttura
tetraedrica in formazione si trova però immersa nel campo magnetico terrestre. Se
i baricentri dei piccoli campi magnetici fossero coincidenti, il campo
magnetico terrestre non avrebbe, su di essi, nessuna influenza. I nuclei degli
idrogeno all'interno della struttura tetraedrica si trovano però a distanza di
circa 4Å e sono quindi sottoposti più all'effetto del campo magnetico terrestre
che alla loro reciproca attrazione. È possibile allora che il campo magnetico
terrestre imponga la formazione delle strutture con molecole di acqua orto e con
i campi magnetici dell’idrogeno ad esso allineati.
Certamente,
qui non si vuole sostenere che il campo magnetico terrestre agisca a spostare
l’asse degli spin come nella risonanza NMR. Le molecole di acqua, per effetto
dell’agitazione termica sono orientate in tutte le direzioni. Qui si vuole solo
mettere in evidenza che probabilmente, per effetto del campo magnetico
terrestre, entrano a far parte della struttura tetraedrica solo le molecole di acqua
orto orientate nella direzione di tale campo, così da rendere la struttura
leggermente più stabile.
Per
semplicità, indichiamo con un’unica freccia posta sopra la struttura, i piccoli
campi magnetici di spin nucleare orientati nella direzione del campo terrestre.
Ora,
facciamo in modo che nel nostro bicchiere si formi silice colloidale. Quale sia
l’esatta composizione della silice colloidale non è chiara, ciò che possiamo presumere dalla
Fig.1 è che la maggior parte degli atomi di ossigeno alla periferia del sol
sono legati all'idrogeno. Intorno ad essi, con -Oδ- verso -Hd+, si
legheranno le molecole di acqua con le loro strutture tetraedriche.
È importante
evidenziare che le strutture tetraedriche impongono angoli di legame, tra gli
atomi, di circa 110°. Poiché è predominante il legame tra l’Hd+della
struttura della silice colloidale e l’Oδ- dei tetraedri dell’acqua, i
piccoli campi magnetici associati agli idrogeni all'interno dei tetraedri non
potranno essere allineati al campo magnetico terrestre. Tale disposizione può
essere rappresentata con i tetraedri dell’acqua che, a causa degli angoli di
legame delle strutture tetraedriche, assumono un orientamento diverso. Di
conseguenza, i campi magnetici associati ai tetraedri non si troveranno più
allineati al campo magnetico terrestre e saranno sottoposti ad azioni diverse
da parte del campo magnetico terrestre.
Ora,
immaginiamo per un istante che tutta la struttura sia rigida tranne che nel
punto di congiunzione tra i tetraedri silicei. Come si può vedere dalla figura
seguente, nella struttura tetraedrica inferiore della silice colloidale, sotto
l’azione del campo magnetico terrestre, i cluster legati all’–OH in posizione 1
e 3 subiranno una spinta in senso antiorario mentre quelli in posizione 2
subirà una spinta in senso orario; prevale quindi la spinta in senso antiorario.
Per contro,
nella struttura tetraedrica superiore della silice colloidale, i cluster in
posizione 4 e 5 subiranno una spinta in senso orario e i cluster in posizione 6
in senso antiorario; prevale, in questo caso, la spinta in senso orario.
Il risultato
finale sarà che tale spinta trascinerà con sé la struttura tetraedrica
inferiore della silice colloidale facendola ruotare in senso antiorario, mentre
trascinerà in senso orario la struttura superiore.
In
definitiva le unità strutturali tetraedriche della silice, legandosi per dare
particelle colloidali, potrebbero orientarsi in qualsiasi direzione e un
contributo, anche se piccolissimo, potrebbe darle una direzione preferenziale. Tale
contributo potrebbe essere dato dall'effetto combinato tra il campo magnetico
terrestre e i tre fattori sopra elencati: l’asimmetria dell’acqua, la
formazione dei cluster e l’unità strutturale tetraedrica.
È possibile quindi che questo effetto
combinato imponga una direzione preferenziale e sia all'origine dell’asimmetria
della silice colloidale.
Giovanni
Occhipinti
Complici le
vacanze il prossimo articolo: Origine delle proteine (Parte sesta), fine
Settembre.
