“L’energia verde” salverà il mondo grazie all’indispensabile contributo della chimica

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La radiazione solare è l’energia radiante emessa dal Sole alla temperatura di emissione di circa 5800 °C.  Essa è la principale fonte di energia che arriva sulla Terra viaggiando sotto forma di onde elettromagnetiche alla velocità della luce c = 300 mila km/s, le cui caratteristiche sono la lunghezza d’onda λ e la frequenza ν legate dall’espressione λ×ν = c. Essa copre, inoltre, tutto lo spettro elettromagnetico, i cui estremi sono rappresentati dai raggi cosmici (con frequenza ν altissima 3×1022 s-1 e bassa lunghezza d’onda λ minore di 3×10-5 nm, dove con nm si indica il simbolo del nanometro pari a 10-9m, cioè ad un milionesimo di millimetro) e dalle onde radio (a frequenza ν bassissima 3×108 s-1 e ad alta lunghezza d’onda λ maggiore del metro m). In mezzo,  spostandoci dalle alte frequenze a quelle via via più basse, ci sono le radiazioni gamma, i raggi X (o Röntgen), le radiazioni ultraviolette UV, quelle del Visibile e dell’infrarosso IR, e le microonde. La radiazione solare attraversando l’atmosfera terrestre, il cui spessore è di circa 80 km, viene in parte riflessa nello spazio e in parte assorbita dalle sostanze che la costituiscono: azoto N2, ossigeno O2, ozono O3, anidride carbonica CO2, vapore acqueo H2O, ecc.. La parte rimanente che agisce sul clima è costituita dalle radiazioni UV, Visibili e IR. Le radiazioni UV, invisibili e pericolose sia per gli occhi (cataratta) che per la pelle (cancro), costituiscono il 4% della radiazione solare con lunghezze d’onda che cadono nell’intervallo 100 – 400 nm. Esse si dividono in UVA (320 – 400 nm), che ne costituiscono il 95%, in UVB (280 – 320 nm) e in UVC (100 – 280 nm). Queste ultime vengono trattenute dall’atmosfera, esattamente nell’ozonosfera che si estende tra 15 e 40 km, perché producono ossigeno atomico O, che reagendo, a sua volta, con la molecola di ossigeno O2, produce l’ozono O3 secondo le seguenti reazioni:

O2 + UVC –> 2 O

O + O2 –> O3

Per questo motivo, a differenza delle precedenti radiazioni ultraviolette, le UVC non raggiungono la superficie terrestre.

Le radiazioni dello banda visibile costituiscono il 52% della radiazione solare con lunghezze d’onda comprese nell’intervallo 400 – 700 nm. Anche queste radiazioni si dividono in bande: violetta (400 – 490 nm),verde (490 – 560 nm), gialla (560 – 590 nm), rossa (590 – 700 nm, che agiscono sulla fotosintesi clorofilliana, reazione fotochimica che verrà descritta in seguito).

Le radiazioni IR (700 – 1400 nm), invisibili, sono emesse da qualunque corpo caldo compreso il corpo umano, e costituiscono il 44% della radiazione solare. Una parte delle radiazioni che arriva sulla superficie terrestre viene assorbita, ma quella che viene riflessa è costituita interamente da radiazioni IR.

Orbene, in natura, prima che ci fosse l’utilizzo civile e industriale dei combustibili fossili (carbon fossile, gas metano, petrolio e derivati), esisteva un equilibrio tra i vegetali, o esseri autotrofi, e gli animali, o esseri eterotrofi. I vegetali, che sono colorati di verde grazie al pigmento clorofilla presente nelle foglie, attraverso l’anidride carbonica CO2 presente nell’atmosfera terrestre e l’energia solare, danno origine alla fotosintesi clorofilliana:  6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + energia solare → C6H12O6 (s) + 6 O2 (g). Da questa reazione si evince che, per ogni mole di glucosio C6H12O6 che si ottiene, i vegetali sottraggono all’aria sei volumi molari di anidride carbonica CO2 e vi immettono altrettanti volumi di O2 .

Gli animali e i combustibili fossili, rispettivamente per respirazione e per combustione, sottraggono all’aria O2 producendo CO2 secondo la seguente reazione generica:

C (s) + O2 (g) –> CO2 (g).

Anche in questa reazione, che è antitetica alla fotosintesi, per ogni mole di carbonio che si ossida viene sottratto un volume molare di ossigeno O2 e viene prodotto un volume molare di anidride carbonica CO2.

Ovviamente, l’uso eccessivo dei combustibili fossili per ottenere energia e il disboscamento (Amazzonia, Sud-Est asiatico, Africa centrale, ecc.) sono due fattori concomitanti che stanno facendo aumentare la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera. Ciò determina, assieme ad altri gas presenti, non solo il fenomeno delle cosiddette piogge acide ma anche l’effetto serra, in quanto la molecola di CO2 trattiene le radiazioni infrarosse IR riflesse dalla superficie terrestre con il conseguente aumento della temperatura atmosferica dell’intero pianeta.

In un precedente articolo https://www.news-24.it/le-ragioni-che-sostengono-la-realizzazione-del-modello-economico-circolare/, facendo riferimento al modello di economia circolare, ho riportato che questo, per essere realizzabile, dovrà essere associato alla produzione di energia da fonti rinnovabili (sole, vento, maree, cascate d’acqua, ecc.), usando l’eventuale eccedenza di energia ottenuta per produrre il gas idrogeno H2, attraverso l’elettrolisi dell’acqua che si ottiene facendo passare nella cella corrente elettrica:

H2O (+ H+ + energia elettrica da fonte rinnovabile) –> H2 (g) + ½ O2(g)

L’idrogeno, tra tutti i gas, è quello più leggero ed è un ottimo combustibile per i seguenti motivi: ha una massa molecolare pari a 1/8 di quella del gas metano CH4 (attualmente usato per produrre energia); a parità di peso, manifesta un potere calorifico inferiore (PCi) più del doppio di quello del metano; dalla sua combustione si ha come prodotto soltanto vapore acqueo H2O, che non è inquinante: H2 + ½ O2 –> H2O.

Orbene, oltre ai vegetali e ad altri costituenti terrestri, la natura rimuove CO2 dall’aria anche attraverso l’acqua di mare. La solubilità di CO2 è, infatti, circa 1,7 g (pari a 928 cm3) per litro di acqua alla temperatura di 20 °C e alla pressione atmosferica normale. Fruttando questa proprietà, che rende l’acqua leggermente acida (pH ≈ 5,5) per la presenza degli ioni H+ dovuti alla formazione di acido carbonico e alla conseguente ionizzazione secondo la seguente reazione:

CO2 (g) + H2O (l) <=> H2CO3 (aq) <=> H+ (aq) + HCO3(aq),

ci sono in studio nei laboratori di ricerca, in più parti del mondo, diversi sistemi di cattura dell’anidride carbonica CO2, la quale viene immessa in una cella elettrolitica che, per ciò che è stato detto prima, permette l’elettrolisi dell’acqua H2O (l) –> H2 (g)+ ½ O2 (g). Si avrebbe, in tal modo, l’eliminazione dell’anidride carbonica dall’aria e la produzione di energia verde dall’idrogeno.

Francesco Giuliano


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Francesco Giuliano
Giuliano Francesco, siciliano d’origine ma latinense d’adozione, ha una laurea magistrale in Chimica conseguita all’Università di Catania dopo la maturità classica presso il Liceo Gorgia di Lentini. Già docente di Chimica e Tecnologie Chimiche negli istituti statali, Supervisore di tirocinio e docente a contratto di Didattica della chimica presso la SSIS dell’Università RomaTre, cogliendo i “difetti” della scuola italiana, si fa fautore della Terza cultura, movimento internazionale che tende ad unificare la cultura umanistica con quella scientifica. È autore di diversi romanzi: I sassi di Kasmenai (Ed. Il foglio,2008), Come fumo nell’aria (Prospettiva ed.,2010), Il cercatore di tramonti (Ed. Il foglio,2011), L’intrepido alchimista (romanzo storico - Sensoinverso ed.,2014), Sulle ali dell’immaginazione (NarrativAracne, 2016, per il quale ottiene il Premio Internazionale Magna Grecia 2017), La ricerca (NarrativAracne – ContempoRagni,2018), Sul sentiero dell’origano selvatico (NarrativAracne – Ragno Riflesso, 2020). È anche autore di libri di poesie: M’accorsi d’amarti (2014), Quando bellezza m’appare (2015), Ragione e Sentimento (2016), Voglio lasciare traccia (2017), Tra albori e crepuscoli (2018), Parlar vorrei con te (2019), Migra il pensiero mio (2020), selezionati ed editi tutti dalla Libreria Editrice Urso. Pubblica recensioni di film e articoli scientifici in riviste cartacee CnS-La Chimica nella Scuola (SCI), in la Chimica e l’Industria (SCI) e in Scienze e Ricerche (A. I. L.). Membro del Comitato Scientifico del Primo Premio Nazionale di Editoria Universitaria, è anche componente della Giuria di Sala del Premio Nazionale di Divulgazione Scientifica 2018 e 2019/Giacarlo Dosi. Ha ricevuto il Premio Internazionale Magna Grecia 2017 (Letteratura scientifica) per il romanzo Sulle ali dell’immaginazione, Aracne – NarrativAracne (2016).