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BREVE STORIA DELLA CHIMICA
Isaac Asimov
CAPITOLO 1 - GLI ANTICHI
FUOCO E PIETRA
Gli uomini primitivi, quando cominciarono a servirsi di utensili, accettavano la natura cosi come la trovavano: un femore di un qualche animale poteva essere usato come un bastone, le pietre erano ottime armi da lancio ecc. Con il passare del tempo impararono a modificare la materia: così la pietra veniva foggiata o fissata a dei bastoni in legno. Ma la pietra rimaneva tale, e il legno anche. Ma la materia a volte si trasformava da sola: accadeva ad esempio che un fulmine incendiasse una foresta, o un pezzo di carne cominciasse a imputridire. Questa modificazione della natura della materia costituisce l’oggetto della chimica. Le alterazioni nella natura e nella struttura delle sostanze costituiscono le trasformazioni chimiche. La capacità di effettuare volontariamente delle trasformazioni chimiche vantaggiose si presentò dopo che l’uomo ebbe imparato ad accendere e tenere in vita un fuoco. Una volta appresa quest’arte, l’uomo divenne chimico di professione perché aveva la necessità di combinare gli elementi come legno e altri combustibili, con l’aria in maniera da poter generare una quantità sufficiente di luce e calore. Il calore, poi, poteva essere usato per produrre altre trasformazioni chimiche: cuocere il cibo; modellare l’argilla per la creazione di mattoni ecc. Età della pietra: Le prime sostanze utilizzate dall’uomo furono quelle presenti nel suo ambiente: legno, ossa, pelli e pietre. Di queste la più durevole fu la pietra. Inizio della civiltà: Verso l’8.000 a.C. nel Medio Oriente fu introdotta una rivoluzionaria innovazione nella produzione degli alimenti, l’uomo imparò ad addomesticare gli animali, a coltivare piante e a costruire abitazioni permanenti fino alla nascita delle città. Periodo neolitico o età della pietra nuova: La pietra continuò ad essere la materia prima caratteristica dei vari utensili e furono introdotte tecniche per la sua lavorazione. I METALLI I primi metalli devono essere stati rinvenuti sotto forma di pepite: si deve essere trattato di rame e oro, che colpivano gli uomini per la loro lucentezza e il loro colore. Il loro utilizzo inizialmente fu ornamentale, indipendentemente dalla forma dei frammenti ritrovati, e venivano usati insieme ai ciottoli colorati o le conchiglie di madreperla. Successivamente si scoprì che i metalli erano malleabili: ciò significa che è possibile batterli fino a trasformarli in una lamina sottile senza che si rompano. La scoperta quasi sicuramente avvenne per caso, ma non passò molto tempo affinché l’uomo iniziasse a lavorare i metalli trasformandoli in modo da accrescerne la bellezza. Il rame era però raro in natura, solo successivamente si scoprì che era possibile ottenerlo dalla pietra: non si sa esattamente dove, come e quando fu fatta tale scoperta, probabilmente intorno al 4000 a.C. nella penisola del Sinai, o a est della Sumeria. Divenne così molto comune, tanto da essere poi impiegato negli utensili. Età di bronzo: Nel 3000 a.C. si scoprì che riscaldando insieme un minerale di rame e un minerale di stagno si otteneva una qualità di rame particolarmente dura, chiamata bronzo. Nel 2000 a.C. era una lega abbastanza comune, tanto da essere utilizzata per la fabbricazione di armi e armature. Durante questo periodo fu combattuta la Guerra di Troia, avvenimento che ha portato alla luce le armature dei soldati, appunto fatte di bronzo.
Il fabbro era una figura molto importante e aveva anche un posto tra gli dei della mitologia greca (Efesto). Gli uomini dell’età del bronzo conoscevano un metallo ancora più duro del bronzo: il ferro. Ma questo era troppo raro e prezioso per utilizzarlo in vasta scala e ancora non si sapeva che si poteva estrarre il ferro dalla pietra. Il problema è che, per la sua fusione, occorrevano temperature molto più elevate, in condizioni di ottima ventilazione. Età del ferro: Nel 1500 a.C. si scoprì il segreto della fusione del ferro in Asia Minore da parte degli Ittiti. Nella sua forma più pura il ferro dolce non è molto resistente, ma se assorbe dal carbone di legna una quantità di carbonio sufficiente a formare uno strato superficiale della lega di ferro e carbonio, prende il nome di acciaio. Questo rivestimento è più resistente della miglior qualità del bronzo e conserva più a lungo un filo più tagliente. La scoperta dell’acciaio segnò il punto cruciale dell’evoluzione della metallurgia del ferro. Gli eserciti forniti di corazze di e armi di ferro duro avevano la certezza di sconfiggere gli eserciti dotati di armi e corazze di bronzo: i primi ad avere una dotazione di armi di ferro furono gli Assiri, ai quali la superiorità delle armi permise di edificare, nel 900 a.C. un potente impero. Prima che sorgesse la civiltà greca, quindi, l’arte della chimica aveva già raggiunto un discreto grado di sviluppo. Soprattutto in Egitto: gli Egizi inoltre erano particolarmente esperti nella produzione di pigmenti minerali e nell’estrazione di succhi e infusi dal mondo vegetale. Secondo una teoria la parola “khemeia” deriva dal nome usato degli Egizi per indicare la propria terra, Kham: significherebbe quindi “l’arte egizia” Un’altra teoria è che la parola Khemeia derivi dal greco khumos “succo di pianta”: avrebbe quindi significato di “l’arte di estrarre succhi”. Qualunque sia la sua origine, di khemeia, questa parola è l’antenata della nostra “chimica”. GLI ELEMENTI DEI GRECI I greci furono i primi ad aver studiato quella che oggi noi chiamiamo chimica teorica. La chimica teorica ebbe origine con Talete (640-546 a.C). Talete si chiedeva in che modo tutte le sostanze risultino aspetti diversi di una sola materia fondamentale. Per rispondere doveva stabilire quale potesse essere la sostanza o l’elemento di base. Per Talete l’elemento di base era l’acqua Per Anassimene l’elemento di base era l’aria Per Eraclito l’elemento di base era il fuoco Per Empedocle l’elemento di base era la terra La dottrina dei quattro elementi fu accettata da Aristotele (384-322 a.C), ma non credeva che gli elementi fossero letteralmente le quattro sostanze citate, egli considerava gli elementi come combinazioni di due coppie di caratteri opposti. Fuoco = (caldo, secco) Aria = (caldo, umido) Acqua = (freddo, umido Terra = (freddo, secco) Inoltre, Aristotele argomentò che il firmamento doveva essere composto da un quinto elemento, che chiamò etere, che significa brillare. L’etere per Aristotele è perfetto, eterno e incorruttibile. GLI ATOMI DEI GRECI Tra i filosofi greci nacque un’altra importante questione, ovvero quella relativa alla divisibilità della materia. Era possibile dividere infinite volte la materia? Leucippo fu il primo a mettere in dubbio l’infinita divisibilità
La scienza greca, in ogni modo, abbandonò il mondo romano: si vennero a creare delle sette tra le quali la più conosciuta è quella dei Nestoriani (seguaci del monaco siberiano Nestorio), che furono perseguitati dai cristiani e furono costretti a rifugiarsi in Persia, dove furono accolti molto favorevolmente. I Nestoriani portarono in Persia la scienza greca e diversi libri di alchimia: il culmine del loro potere e della loro influenza fu raggiunto nel 550 d.C. GLI ARABI Nel settimo secolo comparvero sulla scena gli Arabi, che fino ad allora erano rimasti isolati nella loro penisola desertica. Dopo l’avvento dell’Islam gli Arabi cominciarono a diffondersi in tutte le direzioni, conquistando zone dell’Asia Occidentale e dell’Africa Settentrionale. In seguito, occuparono i territori dell’Egitto e della Persia. In Persia incontrarono ciò che era rimasto della tradizione della scienza greca e ne furono affascinati. Durante l’assedio di Costantinopoli, nel 670 d.C., gli arabi vennero respinti dal “fuoco greco”, una miscela chimica che bruciava emettendo un forte calore e che l’acqua non riusciva a spegnere. Una miscela preparata da Callinico, un esperto di khemeia. In arabo la parola khemeia diventa al-kimiya (al è l’articolo in arabo) e chi si dedicava al suo studio veniva chiamato alchimista. Attualmente con il termine alchimia intendiamo l’intera evoluzione della storia della chimica dal 300 a.C. al 1600 d.C. Durante il periodo della dominazione musulmana l’alchimia diede il meglio di sé. Uno degli alchimisti arabi più famosi è Giabir Ibn-Hayan, noto agli Europei come Geber, il quale visse nel periodo di massimo splendore dell’impero arabo (“le mille e una notte”). La sua massima influenza si esercitò attraverso lo studio della trasmutazione dei metalli. Egli riteneva che il mercurio fosse il metallo per eccellenza in quanto, data la sua natura liquida, credeva che vi entrasse una quantità minima di terra; lo zolfo poi sembrava avere il dono della combustibilità (ed aveva il colore giallo dell’oro). Giabir pensava che i vari metalli fossero composti da miscugli di mercurio e zolfo e quindi restava solo da capire una qualche sostanza che agevolasse la mescolanza del mercurio e dello zolfo in modo da produrre l’oro. Questa sostanza capace di favorire la trasmutazione era, secondo la tradizione, una polvere secca che i greci chiamavano xerion (asciutto), gli arabi la trasformarono in al-iksir e gli Europei la chiamarono elixir. In Europa era nota con il nome di pietra filosofale (i filosofi fino al 1800 erano gli scienziati). Si pensava che questo elixir avesse proprietà miracolose: era considerato una cura per tutte le malattie e non si escludeva che potesse conferire l’immortalità tanto che si arrivò a parlare dell’elixir di lunga vita. Nei secoli successivi l’alchimia si sviluppò in 2 filoni:
- Filone mineralogico, il cui obiettivo era l’oro
- Filone medico, il cui obiettivo era la scoperta di una panacea. Tra gli alchimisti famosi, dopo Giabir, ricordiamo anche Al-Razi , il quale ci ha lasciato descrizioni accurate del suo lavoro come, ad esempio, la preparazione del gesso da presa e le indicazioni per il suo utilizzo per le ossa fratturate. Studiò anche l’antimonio metallico: al mercurio (volatile) e allo zolfo (combustibile) aggiunse come terzo principio per la composizione dei solidi in generale, il sale che non era né volatile né infiammabile. In linea di massima era più interessato alla medicina rispetto a Giabir, e questa spinta fu portata avanti dal persiano Ibn-Sina (979-1037), più conosciuto come Avicenna: fu uno dei medici più importanti che sia vissuto in quel periodo. IL RISVEGLIO DELL’EUROPA
Dopo Avicenna la scienza araba ebbe un declino rapido: dopo tre secoli di supremazia, fu la volta dell'Europa occidentale. Con le Crociate si ebbero i primi contatti tra cristiani e musulmani. La prima Crociata del 1096 fece sì che i Cristiani conquistassero Gerusalemme nel 1099 e il regno cristiano si stabilì per due secoli sulla costa siriana e le due culture ebbero modo di mescolarsi, e il continuo flusso di cristiani che tornavano in Europa portò una certa ammirazione verso la scienza araba. Vennero tradotti numerosi testi dall’arabo al latino per poterli studiare: il primo fautore di queste traduzioni fu il francese Gerberto (940-1003), che diventò papa Silvestro II nel 999. Lo studioso inglese Roberto da Chester, fu il primo a tradurre in latino un testo di alchimia nel 1144, fu imitato poi da altri: uno dei più grandi traduttori italiani fu Gerardo da Cremona, che tradusse 92 testi arabi. Dal 1200 gli studiosi europei ebbero quindi modo di assorbire le conoscenze alchimistiche degli arabi e di cercare di farle progredire. Il primo importante alchimista europeo fu Alberto Magno il quale si dedicò allo studio dei testi di Aristotele: fu merito suo se il filosofo ebbe tanta importanza nella dottrina del tardo Medioevo e agli arbori dell’età Moderna. Ad Alberto Magno spesso viene attribuita la scoperta dell’arsenico, data la chiarezza con cui ne parla nei suoi scritti (ma, probabilmente, era già conosciuta da prima). Contemporaneo di Alberto Magno fu Ruggero Bacone: egli sosteneva che per fare progressi bisognasse fondarsi sull’esperienza e applicare alla scienza metodi matematici, ma i tempi non erano ancora abbastanza maturi per capire il suo pensiero. È a lui che si attribuisce, anche qui sbagliando, la scoperta della polvere da sparo. Altro studioso noto è stato il falso Geber, un alchimista medievale, solito firmarsi con il nome dello studioso arabo vissuto prima di lui, che descrisse l’acido solforico e la preparazione dell’acido nitrico concentrato. Questi acidi si ottenevano dai minerali, mentre gli acidi già conosciuti allora, si ottenevano dal mondo vegetale. Questa scoperta degli acidi minerali costituì un importante progresso nel mondo della chimica. Grazie a questa scoperta si potevano effettuare molte reazioni chimiche e dissolvere molte sostanze, cosa che gli antichi greci e arabi non potevano fare in quanto l’acido più forte che conoscevano era l’aceto. La scoperta degli acidi, tuttavia, non fece molta impressione, e si continuò a preferire la ricerca dell’oro. Nel 1317 ci fu un nuovo stallo dell’alchimia. Papa Giovanni XXII, un po’ per paura che si trovasse il modo di produrre oro, un po’ perché stanco degli imbroglioni, proibì lo studio dell’alchimia. Questo ovviamente fece in modo che si studiasse la chimica in clandestinità. Nel 1453 Costantinopoli (la capitale dell’impero bizantino) cadde in mano ai Turchi. Molti scienziati greci fuggirono allora in Europa, portando con sé quello che erano riusciti a salvare delle proprie biblioteche. L’Occidente entrò in contatto solo con alcuni miseri resti di quello che era la scienza greca, ma anche quel poco ebbe un immenso effetto di stimolo sulle ricerche. Fu questo un periodo di grandi esplorazioni, grazie anche alla scoperta della bussola, furono aperte le rotte verso l’India, scoperto un nuovo continente ecc.: l’uomo europeo iniziava a capire che erano ancora molte le cose da scoprire e che i filosofi greci dopotutto non erano onniscienti come si era creduto per tanto tempo. Fu in questo periodo delle “esplorazioni” che Gutemberg realizzò la prima macchina per la stampa rendendo possibile la copiatura di numerosi libri in poco tempo. Uno dei primi testi copiati fu il poema di Lucrezio che diffuse in tutta Europa la teoria atomistica. Nel 1543 vennero pubblicati due libri rivoluzionari che, probabilmente, prima della stampa sarebbero stati ignorati e andati persi: Il libro dell’astronomo polacco Copernico che sosteneva che il centro dell’universo era il Sole e non la Terra.
Era evidente che l’aria stava acquistando una notevole importanza. Il fisico Torricelli nel 1643 riuscì a dimostrare che l’aria esercitava una pressione e mostrò come essa fosse in grado di sostenere una colonna di mercurio alta 760 millimetri: fu così che inventò il barometro. I gas iniziarono a diventare così meno misteriosi: avevano un peso, esercitavano una pressione proprio come i liquidi e i solidi con i quali differivano per la densità, molto inferiore. La pressione esercitata dal peso dell’atmosfera fu oggetto di una sorprendente dimostrazione effettuata dal fisico tedesco Otto Von Guericke che inventò una pompa pneumatica che gli permetteva di estrarre l’aria da un recipiente in modo che la pressione esterna non fosse più equilibrata dalla pressione interna. Questa dimostrazione suscitò grande interesse per le proprietà dell’aria e soprattutto l’interesse del chimico irlandese Robert Boyle che Progettò un altro modello di pompa pneumatica: dopo aver “diluito” al massimo l’aria aspirandola da un recipiente, affrontò l’esperimento contrario, quello della compressione, cioè della riduzione dell’aria nel volume più piccolo possibile. Le sue deduzioni sono note ad oggi come legge di Boyle: il volume occupato da un gas (mantenuto a temperatura costante) è inversamente proporzionale alla pressione alla quale il gas è sottoposto. Si tratta del primo tentativo di applicare misurazioni esatte alle variazioni osservate in una sostanza di particolare interesse per i chimici. Tuttavia, Boyle non specificò che la temperatura dovesse restare costante affinché la sua legge restasse valida, forse dando per scontato che si sarebbe capito. Il fisico francese Mariotte fece la stessa scoperta, indipendentemente dalla legge di Boyle nel 1680 e specificò chiaramente che la temperatura doveva essere mantenuta costante. Per questa ragione la legge di Boyle è conosciuta anche come legge di Mariotte. LA LEGGE DI BOYLE che stabilì la relazione inversamente proporzionale tra pressione e volume dei gas a temperatura costante, ebbe origine dall’esperimento qui illustrato. Il mercurio versato nell’estremità lunga del tubo comprimeva l’aria bloccata nell’estremità corta. Raddoppiando la colonna di mercurio, la colonna d’aria si riduceva a metà. Il rapporto si esprime graficamente nella curva riprodotta in alto. LA NUOVA CONCEZIONE DEGLI ELEMENTI La carriera di Boyle segna la fine delle espressioni “alchimia” e “alchimista”. Boyle aveva eliminato la prima sillaba da entrambi i termini scrivendo il libro, di notevole importanza, The Sceptical Chymist (Il chimico scettico) pubblicato nel 1661: da quel momento la scienza fu denominata chimica e gli scienziati che coltivavano questa scienza vennero chiamati chimici. Boyle era “scettico” perché non era più disposto ad accettare ciecamente le antiche conclusioni raggiunte con ragionamenti basati su premesse iniziali. Inoltre, era insoddisfatto dai tentativi degli antichi di individuare gli elementi dell’universo con il solo ragionamento. Egli definì invece gli elementi in maniera pratica e sbrigativa. Fin dai tempi di Talete gli elementi erano le semplici sostanze primitive delle quali era composto l’universo, quindi occorreva mettere alla prova i presunti elementi per stabilire se fossero effettivamente semplici. Se una sostanza si poteva dividere in sostanze più semplici questo non era un elemento mentre poteva essere che fossero elementi le sostanze più semplici in cui era stata divisa. Inoltre, se due sostanze fossero state entrambe elementi si sarebbero potuti combinare insieme formando una terza sostanza chiamata composto, in questo caso il composto si doveva poter dividere nei due elementi originari. Il termine elemento qui usato aveva solo una
funzione pratica. Secondo questo ragionamento poteva essere definito elemento qualsiasi tipo di sostanza che la scienza non avesse ancora trovato il modo di suddividere ulteriormente. Fu solo con l’avvento del XX secolo che si rese possibile una definizione permanente della natura degli elementi. Sta di fatto che nove sostanze riconosciute attualmente come elementi erano già note agli antichi: si tratta di sette metalli (oro, argento, rame, ferro, stagno, piombo, e mercurio) e di due metalloidi (carbonio e zolfo). Inoltre, quattro sostanze individuate oggi come elementi (arsenico, antimonio, bismuto e zinco) erano già note agli alchimisti medioevali. Mancò poco che lo stesso Boyle ne scoprisse un altro: il fosforo dall’urina. Era stato preceduto però cinque o dieci anni prima da Henning Brand, considerato l’ultimo alchimista, il quale fece la scoperta mentre stava cercando la pietra filosofale, con la convinzione di poterla trovare nell’urina stessa. IL FLOGISTO Le scoperte del XVII secolo sulla pressione dell’aria e l’impresa eccezionale che si poteva compiere praticando il vuoto e permettendo alla pressione dell’aria di agire ebbero importanti conseguenze: una di queste fu la costruzione della macchina a vapore. Intorno al 1700 ne fu realizzata una da un ingegnere inglese, Thomas Savvey; si trattava tuttavia di un congegno pericoloso in quanto utilizzava vapore ad altissima pressione, in un’epoca in cui era difficile controllarlo in condizioni di sicurezza Un altro inglese, Thomas Newcomen, realizzò in collaborazione di Savery una macchina in grado di funzionare con vapore a bassa pressione. POMPA DI NEWCOMEN azionata dalla pressione atmosferica. L’acqua spruzzata sul cilindro faceva condensare il vapore, generando il vuoto. Il pistone discendeva nel vuoto e veniva fatto risalire da una nuova trasmissione di vapore. Il congegno fu migliorato e reso veramente efficiente verso la fine del diciottesimo secolo dall’ingegnere scozzese James Watt. La conseguenza di questa creazione fu che per la prima volta nella storia l’umanità non dipendeva più dai propri muscoli o da quelli degli animali, e nemmeno dalla forza imprevedibile del vento o dalla corrente dell’acqua. Aveva finalmente a disposizione una fonte di energia alla quale poter accedere ovunque e in qualsiasi momento, facendo semplicemente bollire dell’acqua. Fu questo il principale fattore che segnò l’inizio della rivoluzione industriale. A partire dal 1650 si ebbe un crescente interesse al fuoco e a nuovi impieghi che si poteva fare di questo elemento e costringerlo, per mezzo della macchina a vapore, a compiere i lavori pesanti dell’umanità. Ci si chiedeva perché alcune sostanze bruciassero ed altre no e quale fosse la natura della combustione. Secondo le antiche convinzioni greche le sostanze che bruciavano contenevano in sé l’elemento del fuoco che veniva liberato in condizioni favorevoli; anche gli alchimisti la pensavano in questo modo con la differenza che
nonostante le teorie greche l’aria non era un elemento, ma consisteva in una miscela di almeno due sostanze distinte: l’aria comune e l’anidride carbonica. Nello studiare le proprietà dell’anidride carbonica Black scoprì che una candela accesa immersa in questo gas non bruciava più e una candela accesa in un recipiente chiuso pieno di semplice aria, a un certo punto si spegneva e l’aria rimasta non poteva più alimentare la fiamma. Quest’aria non poteva essere anidride carbonica. Quindi che cosa era quest’aria residua? Black affidò questo problema a uno dei suoi studenti, Rutherfor, che attraverso i suoi studi denominò aria flogistica il gas che era riuscito a isolare. Oggi noi lo chiamiamo azoto e attribuiamo a Rutherfor il merito della scoperta dell’azoto. IDROGENO E OSSIGENO In questo periodo altri due chimici inglesi sostenitori della teoria flogistica fecero compiere un ulteriore passo avanti agli studi sui gas. Il primo di loro era Henry Cavendish che si interessava particolarmente al gas che si forma dalla reazione degli acidi con certi metalli: il gas viene chiamato idrogeno. Cavendish fu il primo a misurare il peso di particolare i volumi di gas diversi in modo da poter determinare la densità di ciascun gas e scoprì che l’idrogeno era straordinariamente leggero. Inoltre, a differenza dell’anidride carbonica, l’idrogeno era facilmente infiammabile e proprio per la sua credenza nella teoria flogistica Cavendish penso di essere riuscito a isolare il flogisto Il secondo chimico era Joseph Priestley che raccogliendo dell’anidride carbonica al di sopra dell’acqua scoprì un liquido dal sapore acido: si tratta di quella che oggi chiamiamo gazzosa oppure acqua di Seltz. Possiamo dire che Priestley può essere considerato il padre della moderna industria delle bevande analcoliche. Durante tutto il 1700 furono scoperte elementi nuovi che testimoniavano il progresso della chimica e della mineralogia. Cronstedt introdusse l’uso del cannello nello studio dei minerali ovvero un tubo lungo e assottigliato a un’estremità per mezzo del quale, soffiando nell’apertura più larga, si otteneva all’estremità più sottile un getto d’aria concentrato. Questo getto rivolto contro la fiamma ne accresceva il calore. Per un secolo il cannello rimase uno degli strumenti chiave dell’analisi chimica. Le nuove tecniche, come per esempio quella del cannello, permettevano di acquistare una massa di informazioni tale che Cronstedt si sentì autorizzato a proporre una classificazione dei minerali, non soltanto in base al loro aspetto, ma anche in base alla loro struttura chimica e così nel 1758 fu pubblicato un libro dedicato a questo nuovo tipo di classificazione. IL CANNELLO, introdotto nella pratica di laboratorio dal chimico svedese Cronstedt. Fu uno strumento fondamentale di analisi per più di un secolo, ed è ancora in suo. Il getto d’aria proveniente dal cannello dirige la fiamma nella direzione voluta e ne aumenta il calore. IL TRIONFO DELLA MISURA Verso la fine del XVIII secolo cominciò a sentirsi l’esigenza di riunire in una teoria generale le importanti scoperte avvenute nel campo dei gas e a farlo fu il chimico francese Antoine Laurent Lavoisier.
Lavoisier sin dall’inizio delle sue ricerche chimiche aveva riconosciuto l’importanza delle misurazioni accurate La sua prima opera importante fu uno studio sulla composizione del gesso solfato idrato di calcio. Quello che cercava di fare Lavoisier era demolire tutte le antiche teorie che non servivano più, come quella che sosteneva la possibilità della trasmutazione. Dopo un prolungato riscaldamento l’acqua infatti si trasformava in terra, sembrava una tesi ragionevole perché l’acqua fatta riscaldare per molti giorni consecutivi in un recipiente di vetro presentava effettivamente un sedimento solido. Lavoisier decise di mettere alla prova questa trasmutazione servendosi questa volta delle misurazioni accurate Per 101 giorni fece bollire dell’acqua in un apparecchio che faceva condensare il vapore acqueo e lo immetteva di nuovo nel recipiente in ebollizione, in modo che, durante l’esperimento, nulla andasse perduto. Ovviamente non si dimenticò mai di misurare, pesò infatti sia l’acqua, che il recipiente, prima e dopo il lungo periodo di ebollizione. Effettivamente comparve un sedimento, ma il peso dell’acqua non cambiò durante tutto l’esperimento, quindi il sedimento non era acqua trasformata in terra, ma una sostanza appartenente in origine al vetro e lentamente erosa dall’acqua nella quale era precipitata sottoforma di frammenti solidi. Con i suoi colleghi chimici comprò un diamante per poi farlo riscaldare in un recipiente chiuso fino alla sua totale scomparsa. Si formò dell’anidride carbonica e quindi era la prima palese dimostrazione del fatto che il diamante è una forma di carbonio. Riscaldò anche altri metalli come lo stagno e il piombo in recipienti chiusi, entrambi i metalli formarono lo strato superficiale di calce fino ad un certo punto e poi non arrugginivano più. I seguaci della teoria flogistica si ostinavano a dire che l’aria aveva assorbito dal metallo tutto il flogisto che era capace di contenere. Si sapeva benissimo che la calce era più pesante del metallo eppure ogni volta che Lavoisier pesava l’intero recipiente dopo averlo riscaldato, questo pesava esattamente come prima dell’esperimento. Aveva quindi dimostrato che la trasformazione del metallo in calce non era conseguenza della perdita del flogisto ma di un acquisto di qualcosa di molto concreto ovvero dell’aria. Da questa scoperta Lavoisier affermò che i minerali erano combinazioni di metallo e di gas. Come conseguenza dei suoi esperimenti sulla combustione Lavoisier affermò che la massa non viene mai né creata né distrutta ma trasferita da una sostanza all’altra, questo concetto costituisce la legge di conservazione della massa. (NB. La massa per Lavoisier era il peso) GLI ESPERIMENTI DI LAVOISIER erano illustrati, negli elementi di Chimica, con disegni della signora Lavoisier. LA COMBUSTIONE Lavoisier sostiene che l’aria non è una sostanza semplice ma una miscela di due gas nel rapporto di 1 a 4. Un quinto dell’aria era costituito dall’aria deflogisticata di Priestley e questa parte dell’aria si combinava con le varie sostanze durante la combustione e la formazione della ruggine, passava dal minerale al carbone di legno ed era essenziale per la vita.
di acidi neutralizzano quelle delle basi, ottenendo una miscela né acida né basica: il sale in soluzione. In seguito alle misurazioni accurate Richter scoprì che occorrevano quantità fisse e definite per creare un composto: non esisteva nessun tipo di tolleranza, tutto doveva essere preciso. Esisteva invece il peso equivalente: un peso fisso di una data sostanza chimica reagiva con un peso fisso di un’altra sostanza chimica. Due chimici francesi cercarono poi di capire se questa relazione valesse solo per la neutralizzazione di acidi e basi o in tutto il regno della Chimica. Le domande più frequenti erano: per preparare un composto occorre che gli elementi siano presenti in proporzioni fisse? O era possibile che queste variassero in base a metodo di preparazione del composto? La risposta arrivò da Proust, il quale dimostrò che in tutti i composti gli elementi erano contenuti in determinate proporzioni definite, indipendentemente dalle condizioni in cui venivano prodotti. Questa generalizzazione prende il nome di legge delle proporzioni definite o legge di Proust. Negli anni successivi la legge di Proust fu verificata da molti altri studiosi, che ne confermarono la validità, rendendo tale legge una dei pilastri della chimica. Furono molte le riflessioni che scaturirono da questa scoperta: ci si domandava per quale motivo gli elementi non potevano mescolarsi secondo proporzioni variabili. Si rifletteva anche sulla natura atomistica della materia per cui un composto si crea solo se un atomo di x si unisce ad un atomo di y: questo tipo di combinazione venne poi chiamato molecola. Se poi si pensava al fatto che un atomo di x pesasse 4 volte un atomo y, e considerando che un atomo (già dai tempi di Democrito) era qualcosa di indivisibile, se la materia era veramente costituita da atomi, allora la legge di Proust altro non era che una conseguenza logica. Trattandosi poi di una legge dimostrabile, essa confermava il fatto che gli atomi fossero indivisibili. LA TEORIA DI DALTON Alla legge di Proust seguì la legge delle proporzioni multiple o legge di Dalton. Dalton osservò che due elementi potevano combinarsi secondo più di una serie di proporzioni, in questo caso però rivelavano una notevole variazione nelle proporzioni secondo cui si combinavano e per ogni variazione si formava un composto differente. Prendiamo per esempio il carbonio e l’ossigeno. Dalle misurazioni compiute risultava che 3 parti di carbonio che si uniscono con 8 parti di ossigeno formano anidride carbonica, mentre 3 parti di carbonio che si uniscono con 4 parti di ossigeno formano l’ossido di carbonio. La legge delle proporzioni multiple si accordava benissimo con le concezioni mistiche e quando Dalton presentò la sua nuova versione della teoria atomica basata sulla legge delle proporzioni definite e sulla legge delle proporzioni multiple nel 1803, riconobbe il suo debito nei confronti di Democrito conservando la parola atomo per definire le minuscole particelle che costituiscono la materia. La tesi di Dalton venne universalmente accettata. Con la teoria atomica vennero eliminate le convinzioni sulla possibilità di trasmutare una sostanza in un'altra. Poiché gli atomi erano indivisibili e immutabili non si poteva sperare di riuscire a trasformare un atomo di piombo in un atomo di oro. Gli atomi di Dalton erano troppo piccoli per essere visibili, ma era comunque possibile ottenere informazioni sul peso relativo degli atomi per mezzo di misurazioni indirette. Per esempio: una parte in peso di idrogeno si combinava con otto parti di ossigeno formando acqua. Partendo dal presupposto che la molecola dell’acqua fosse composta da un atomo di idrogeno e un atomo di ossigeno, si poteva dedurre che l’atomo di ossigeno fosse otto volte più pesante dell’atomo di idrogeno. Se si fosse deciso di assegnare arbitrariamente al peso dell’atomo dell’idrogeno il valore di uno, il peso dell’atomo di ossigeno sarebbe risultato uguale a otto. Ragionando in questa maniera Dalton preparò la prima tavola dei pesi atomici. Il principale difetto della teoria di Dalton fu quello di ritenere che le molecole fossero formate dall’accoppiamento di un solo atomo di un elemento con un solo atomo di un altro elemento. Si andavano però accumulando indizi che tendevano a dimostrare che questa combinazione uno a uno non costituiva affatto la regola. La contraddizione fu messa in luce nel caso dell’acqua prima ancora che Dalton avesse proposto la sua teoria atomica.
Qui, per la prima volta, l’energia elettrica invade il mondo della chimica, permettendo di scoprire da cosa fosse realmente formata l’acqua. Le prime nozioni sull’elettricità risalgono agli antichi greci i quali avevano scoperto che strofinando dell’ambra essa acquisiva la capacità di attirare gli oggetti più leggeri. Diversi secoli più tardi il fisico inglese Gilbert scoprì che tale capacità non apparteneva solo all’ambra, ma a molte altre sostanze che egli definì elettriche (dal nome greco dell’ambra). Di conseguenza si dice che le sostanze in grado di acquisire questo potere sono dotate di carica elettrica, oppure contengono elettricità. Nel 1733 un chimico francese scoprì poi che esistevano due tipi di carica diversi, una carica vetrosa (nel vetro) e una resinosa (nell’ambra), e che due sostanze dotate di carica opposta si attraevano, mentre due sostanze dalla carica uguale si respingevano. Nel 1745 lo scienziato americano Benjam Franklin avanzò un’ulteriore ipotesi: che esistesse un unico fluido elettrico e che alcune sostanze (come il vetro) ne avessero una quantità superiore al normale, mentre altre ancora (come la resina) ne contenevano una quantità inferiore al normale. Le prime avevano quindi carica positiva, le seconde carica negativa. Nel 1800 l’italiano Alessandro Volta fece un ulteriore passo in avanti. Egli dimostrò che due metalli, separati da soluzioni che trasmettevano carica elettrica, potevano essere disposti in modo da generare cariche nuove man mano che quelle vecchie venivano allontanate attraverso un filo conduttore: aveva creato la prima pila elettrica e generato una corrente elettrica. Volta aveva in qualche modo dimostrato che le reazioni chimiche avessero a che fare con l’elettricità. Dopo circa 6 settimane dal suo lavoro, due chimici inglesi William Nicholson e Anthony Carlisle cercarono di dimostrare l’opposto: tentarono infatti di scomporre l’acqua facendovi passare dell’elettricità al fine di ottenere ossigeno e idrogeno. Questa decomposizione attuata dalla corrente elettrica si chiama elettrolisi. Racchiudendo l’idrogeno e l’ossigeno in recipienti separati a mano a mano che si formavano le bollicine si scoprì che il volume dell’idrogeno prodotto era esattamente il doppio del volume dell’ossigeno. L’idrogeno pesava meno, ma il volume maggiore lasciava supporre che nella molecola dell’acqua ci fossero più atomi di idrogeno che non atomi di ossigeno. Detto ciò è chiaro che la determinazione dei pesi di Dalton andava rivista perché Dalton pensava che il rapporto fosse uno a uno e chiaramente non accettò questa evidenza sperimentale. L’IPOTESI DI AVOGADRO Il chimico Gay-Lussac tentò di confermare l’esperimento di Nicholson e Carlisle al contrario, ovvero combinando due volumi di idrogeno e uno di ossigeno per formare l’acqua. L’esperimento riuscì confermando così l’esperimento di Nicholson e Carlisle. Durante il suo esperimento Gay-Lussac scoprì che nella formazione di composti, i gas si combinavano insieme sempre secondo rapporti di piccoli numeri interi e chiamò questa legge la legge dei volumi di combinazione formulata nel 1808. Nel 1811 il chimico italiano Amedeo Avogadro enunciò l’ipotesi di Avogadro, ovvero che nei gas numeri uguali di particelle occupano volumi uguali. Tenendo conto di questa ipotesi si poteva chiaramente distinguere tra atomi di idrogeno e molecole di idrogeno (formate da una coppia di atomi), come anche tra atomi e molecole di altri gas. L’ipotesi di Avogrado tuttavia rimase incompresa per circa mezzo secolo: non era chiara la differenza tra atomi e molecole e rimaneva comunque il problema dei pesi atomici. Due scienziati francesi Pierre Louis Dulong e Alexis Therese Petit scoprirono che il calore specifico degli elementi sembrava variare in modo inversamente proporzionale al peso atomico. Se il peso atomico dell’elemento X fosse stato il doppio dell’elemento Y, la temperatura dell’elemento X avrebbe aumentato soltanto della metà della temperatura dell’elemento Y quando entrambi gli elementi assorbivano la stessa quantità di calore. Questa legge si chiama legge del calore atomico. Trovandosi di fronte un elemento di peso atomico sconosciuto bastava quindi misurare il calore specifico per ottenere almeno un’idea approssimativa del valore del peso atomico. Questo metodo, tuttavia, funzionava soltanto per gli elementi solidi e neanche per tutti ma era sempre meglio di niente. Inoltre, il chimico tedesco
con l’ossigeno e per liberare l’elemento era necessario portar via l’ossigeno. Se si fosse introdotto un secondo elemento con una maggiore affinità per l’ossigeno, forse l’ossigeno avrebbe abbandonato il primo elemento per unirsi al secondo. Si scoprì che questo metodo funzionava. Spesso era il carbonio ad esercitare questo trasferimento dell’ossigeno. Il chimico inglese Davy pensò che quello che non si poteva scindere con i prodotti chimici si sarebbe potuto separare servendosi dello strano potere della corrente elettrica, che si era rivelata capace di spaccare facilmente la molecola dell’acqua, dopo che prodotti chimici si erano dimostrati inefficaci. Davy si mise a costruire una pila elettrica composta da 250 piastre metalliche, la più potente che fosse mai stata costruita fino ad allora. Da questa batteria il chimico fece passare delle forti correnti attraverso soluzioni di composti, nei quali si sospettava che si nascondessero elementi sconosciuti, ma non ottenne alcun risultato a parte la formazione di idrogeno e ossigeno dall’acqua. A quanto pareva era necessario eliminare l’acqua. Davy alla fine ebbe l’idea di fondere le sostanze e di far passare la corrente attraverso i composti allo stato fuso. In questo modo avrebbe avuto a disposizione un liquido conduttore privo di acqua. Questo funzionò e il 6 ottobre 1807 Davy fece passare una corrente attraverso una massa di potassa (carbonato di potassio) fusa e ottenne delle pallottoline di un metallo che immediatamente chiamo potassio. Una settimana più tardi isolò il sodio dalla soda (carbonato di sodio), questo nuovo elemento era solo leggermente meno attivo del potassio. Nel 1808 Davy isolò diversi metalli dei rispettivi ossidi: il magnesio dalla magnesia, lo stronzio dalla stronzianite, il bario dalla barite e il calcio dalla calcina. L’opera di Davy sull’elettrolisi fu portata avanti dal suo assistente e discepolo prediletto Michael Faraday che diventò uno scienziato anche più grande del suo maestro. Faraday fu il primo a definire elettrolisi la scissione delle molecole per mezzo della corrente elettrica e chiamò elettroliti i composti o le soluzioni capaci di lasciar passare la corrente elettrica. Chiamo elettrodi le aste o piastre di metallo inserite nella massa fusa o nella soluzione: l’elettrodo dotato di carica positiva era l’anodo e quello dotato di carica negativa era il catodo. La corrente elettrica veniva trasportata attraverso la soluzione con la massa fusa da entità che Faraday chiamò ioni che in greco significa viandante. Denominò anioni gli ioni diretti verso l’anodo e cationi quelli diretti verso il catodo. Nel 1832 Faraday enunciò la sua prima legge dell’elettrolisi che affermava che la massa della sostanza liberata all’elettrauto nel corso dell’elettrolisi era proporzionale alla quantità di elettricità passante per la soluzione. La sua seconda legge dell’elettrolisi affermava invece che il peso del metallo liberato da una data quantità di elettricità era proporzionale al peso equivalente del metallo. Dalla legge di Faraday sull’elettrolisi sembrava ragionevole dedurre che l’elettricità fosse divisibile in unità minime e in variabili come la materia stessa. Esistevano cioè degli atomi di elettricità. È soltanto alla fine del 19º secolo che questa teoria venne confermata e che gli atomi di elettricità vennero individuati. FARADAY spiegò l’azione elettrolitica secondo le linee indicate in questo disegno. È riprodotta la terminologia inventata da Faraday.
CAPITOLO 6 – LA CHIMICA ORGANICA
LA SCONFITTA DEL VITALISMO
Dalla scoperta del fuoco l’uomo tendeva a suddividere le sostanze in due categorie: quelle che bruciavano e quelli che non bruciavano. In generale le sostanze che bruciavano provenivamo dal mondo animale e/o vegetale; mentre quelle provenienti dal mondo minerale tendevano a spegnere il fuoco. Non fu difficile quindi pensare che le sostanze combustibili e non corrispondessero rispettivamente a sostanze derivate da organismi viventi e non (non senza eccezioni come il carbone o lo zolfo). Le conoscenze acquisite durante il diciottesimo secolo dimostrarono però che la combustibilità non era l’unico fattore di distinzione tra organismi viventi e non: per esempio le sostanze provenienti dal mondo non vivente erano in grado di sopportare trattamenti violenti, ai quali gli organismi viventi non resistevano. Nel 1807 Barzelius decise di chiamare organiche le sostanze come l’olio di oliva o lo zucchero (provenienti da organismi viventi) e inorganiche sostanze come l’acqua o il sale (provenienti dal mondo non-vivente). Ciò che colpì particolarmente fu il fatto che sottoponendo ad alte temperature sostanze organiche si riusciva ad ottenere sostanze inorganiche: non si conosceva invece il passaggio inverso (almeno all’inizio del diciannovesimo secolo). A quell’epoca molti chimici sostenevano la dottrina del vitalismo, secondo la quale la vita era uno speciale fenomeno non strettamente legato alle leggi dell’universo, valide per gli oggetti inanimati. Secondo il vitalismo, per poter trasformare materiale inorganico in materiale organico era necessario un certo tipo di influsso, o “forza vitale” presente solo nei tessuti viventi: i chimici, dunque, non sarebbero stati in grado di effettuare tali trasformazioni in quanto non erano in grado di manipolare e forze vitali. Si affermava quindi che le sostanze inorganiche fossero presenti tanto nel mondo vivente che in quello non vivente, mentre le sostanze organiche solo negli organismi viventi. A smentire queste credenze fu Wholer, studente di Barzelius, il quale si interessò in maniera particolare ai cianuri e composti affini. Nel corso di un esperimento, mentre era intento a scaldare del cianato d’ammonio, scoprì che in esso si trovava l’urea, una sostanza presente nelle urine di molti animali, tra cui l’uomo, e quindi di indubbia origine organica. Da qui si rese conto di essere in grado di trasformare una sostanza inorganica in sostanza organica: anche Berzelius (conosciuto per la sua testardaggine) fu costretto ad ammettere di aver avuto torto nel sostenere che la linea tra organico ed inorganico fosse insormontabile. Un allievo di Wholer, Kolbe, sintetizzò invece l’acido acetico (sostanza organica) partendo da carbonio, idrogeno e ossigeno. Quest’impresa diede il colpo di grazia al vitalismo. Ma fu grazie al chimico francese Bethelot, il quale affrontò in maniera sistematica la sintesi dei composti organici producendone a dozzine, che il passaggio tra organico e inorganico passò da essere un'emozione “proibita” ad essere un’operazione di ordinaria amministrazione. GLI ELEMENTI COSTRUTTIVI DELLA VITA Tuttavia, i composti organici creati finora erano semplici. Le caratteristiche della vita erano presenti in sostanze di manipolazione più complessa come gli amidi, i grassi e le proteine, dei quali era più difficile l’individuazione della struttura elementare. L’unica certezza era che si poteva scindere queste sostanze in “elementi costruttivi” riscaldandoli con un acido o una base diluiti. Il chimico russo Kirchhoff fu il pioniere in questo tipo di trasformazioni nel 1812 riuscì a trasformare l’amido in un unico zucchero, chiamato poi glucosio. Nel 1820 il francese Braconnot trattò allo stesso modo la gelatina proteica ottenendo la glicolla o glicina, un acido organico contenente azoto e facente parte della famiglia degli aminoacidi. La glicolla altro non era che il capostipite di una ventina di aminoacidi che furono isolati nei 100 anni successivi alla sua scoperta. Sia gli amidi che le proteine possiedono molecole giganti costituite da lunghe catene di elementi di glucosio ed elementi di aminoacidi. I chimici nel diciannovesimo secolo non erano in grado di riprodurre in laboratorio tali catene. Discorso diverso invece per i grassi. Il chimico francese Chevreul passò gran parte della sua vita allo studio dei grassi. Nel 1809 trattò del sapone con dell’acido isolando quelli che oggi chiamiamo acidi grassi. In seguito, dimostrò che quando questi si trasformano in sapone liberano la glicerina, la quale possiede una molecola semplice, con soli 3 punti d’attacco. Sembrava ragionevole pensare quindi che i grassi fossero formati da soli 4 elementi ovvero 1 di glicerina 3 di acidi grassi.
cambiare era la loro disposizione all’interno della molecola: ovviamente questa cosa non poteva valere per i composti simili che non permettevano diverse disposizioni (H 2 O era per forza acqua). Divenne quindi un problema rappresentare molecole di grandi dimensioni, in quanto risultava difficile capire quale fosse l’ordine dei vari atomi e quindi la rappresentazione più giusta per uno l’altro isomero. Nel 1810 Gay-Lussac e Thénord fecero un’ulteriore scoperta: alle prese con l’acido cianidrico (HCN) scoprirono che si trattava di un acido vero e proprio, anche se non conteneva l’ossigeno. Questa scoperta smentì la convinzione di Lavoisier sul fatto che l’ossigeno fosse l’elemento caratteristico di tutti gli acidi. Scoprirono che il gruppo CN (radicale cianogeno) poteva essere spostato un composto ad un altro senza scindersi in atomi di carbonio e azoto. Questi gruppi di due o più atomi che restano uniti nello spostamento furono chiamati radicali (dal latino radice). Si pensava che le molecole fossero quindi composte sa un numero limitato di piccole combinazioni di atomi: i radicali erano dunque la “radice” da cui si sviluppava la molecola. Il gruppo CN è molto semplice, ma attraverso studi più approfonditi Wholer e Liebig dimostrarono un caso più complesso: il gruppo benzoile poteva essere spostato da una molecola all’altra senza scindersi, attualmente è noto con la formula empirica C 7 H 5 O. Queste scoperte furono importanti perché, partendo dai radicali, si poteva finalmente studiare la struttura delle molecole più complesse.
CAPITOLO 7 – LA STRUTTURA MOLECOLARE
LA TEORIA DEI TIPI
Berzelius accettò il fatto che le molecole organiche fossero composte da radicali, così come le molecole inorganiche erano formate da atomi: di conseguenza era convinto che i radicali fossero intoccabili ed indivisibili. Riteneva, inoltre, che la forza che tiene uniti gli atomi nelle molecole inorganiche e nei radicali organici era di natura elettrica. Ciascuna molecola doveva quindi contenere una parte positiva e una negativa. Per dimostrare che ciò fosse vero per le molecole organiche, Berzelius affermò che i radicali consistevano esclusivamente di carbonio e idrogeno, con il carbonio negativo e l'idrogeno positivo, e che fosse impossibile sostituire un elemento positivo con uno negativo senza alterare completamente le proprietà di un determinato composto. Di quest’ultima affermazione fu ben presto dimostrata l’infondatezza: Auguste Laurent, un alunno di Dumas, riuscì a sostituire diversi atomi di idrogeno della molecola dell'alcool etilico con altrettanti atomi di cloro. Questo esperimento diede il colpo di grazia a Berzelius, perché il cloro era considerato negativo e l'idrogeno positivo, eppure si poteva sostituire il secondo con il primo senza che le caratteristiche del composto subissero alterazioni sostanziali. Laurent venne sconfessato da Dumas, poiché egli era un seguace di Berzelius. Laurent accumulò prove per dimostrare che i radicali non erano intoccabili e indistruttibili come sostenuto da Berzelius. Con la morte di quest'ultimo, la teoria di Laurent acquistò popolarità. Egli sostenne che le molecole organiche possedevano un nucleo al quale si potevano unire vari radicali. Le molecole organiche si potevano riunire in famiglie o tipi (si parla di teoria dei tipi). Tutte le sostanze appartenenti ad uno stesso tipo avevano nuclei identici, ai quali potevano unirsi radicali simili appartenenti ad una determinata serie: nel campo dei radicali esistevano ampie possibilità di variazione. Tra il 1850 e il 1852 il chimico inglese Williamson dimostrò che anche la famiglia dei composti organici detti eteri si poteva costruire sulla base del “tipo acqua”. In questo caso si sostituivano con radicali organici entrambi gli atomi di idrogeno dell'acqua. In precedenza, il chimico francese Wurtz aveva studiato un gruppo di composti legati all'ammoniaca, detti amine. Dimostrò che essi appartenevano a un tipo caratterizzato da un nucleo di azoto. Nell'ammoniaca l'atomo di azoto era unito a tre atomi di idrogeno. Nelle amine, uno o più di questi atomi di idrogeno erano sostituiti da radicali organici.
Nel 1880 il chimico russo Beilstein pubblicò un ricco elenco di composti organici, utilizzando la teoria dei tipi di Laurent per classificare questi composti secondo un ordine razionale. LA VALENZA La teoria dei tipi indusse alcuni chimici a meditare sul fatto che l'atomo di ossigeno si univa sempre ad altri due atomi o radicali, e l'atomo di azoto si univa sempre a tre atomi o radicali. Alcuni chimici, come Kolbe, si abituarono a scrivere formule di composti organici dando per scontata questa costanza dei legami. Il chimico inglese Edward Frankland fu il primo ad interessarsi ai composti organo-metallici, costituiti da gruppi organici uniti ad atomi di metallo. Ciascun atomo di metallo si univa solo ad un determinato numero di gruppi organici, e questo numero variava da metallo a metallo. Nel 1852 Frankland propose la teoria della valenza, cioè l'affermazione che ciascun atomo possiede un potere di combinazione fisso. Gli atomi di idrogeno, sodio, cloro, argento, bromo e potassio possono combinarsi solo con un altro atomo, perché hanno valenza 1. Gli atomi di ossigeno, calcio, zolfo, magnesio e bario possono unirsi al massimo con due atomi differenti, perché hanno valenza 2. Azoto, fosforo, alluminio e oro hanno valenza 3. Con il tempo si capì che il problema della valenza non era semplice come si era pensato in un primo momento, ma questa scoperta ebbe comunque un valore inestimabile. Per prima cosa, il concetto di valenza chiarì la differenza tra peso atomico e peso equivalente dei vari elementi. In generale, il peso equivalente di un atomo è uguale al suo peso atomico diviso per la valenza. Inoltre, la seconda legge dell'elettrolisi di Faraday afferma che il peso dei vari metalli librati da una determinata quantità di corrente elettrica è proporzionale ai pesi equivalenti dei metalli stessi. La quantità di corrente elettrica capace di liberare un determinato peso di un metallo monovalente sarà quindi in grado di liberare soltanto la metà dello stesso peso di un metallo bivalente, che abbia più o meno lo stesso peso atomico. Per trasportare un atomo monovalente, occorre un “atomo di elettricità”, mentre per trasportare un atomo bivalente ne sono necessari due. LE FORMULE DI STRUTTURA Fu Kekulé ad applicare in maniera efficace il concetto di valenza alla struttura delle molecole organiche. Kekulé cominciò a supporre che la valenza del carbonio fosse uguale a 4 e, a partire dal 1858, si mise a calcolare la struttura delle molecole e dei radicali organici più semplici. Il chimico scozzese Couper propose di rappresentare con dei trattini le forze che determinano la combinazione tra loro dei diversi atomi (o legami, come vengono comunemente chiamati). Questa forma di rappresentazione permetteva di chiarire il motivo per cui le molecole organiche erano tanto più grandi e complesse di quelle inorganiche. Secondo Kekulé, gli atomi di carbonio si potevano unire fra loro per mezzo di uno o più dei loro quattro legami di valenza, formando lunghe catene. Nessun altro genere di atomo sembrava possedere in maniera altrettanto spiccata questa capacità dell'atomo di carbonio. Di conseguenza, i tre idrocarburi più semplici (metano: CH 4 , etano: C 2 H 6 , propano: C 3 H 8 ) si potevano rappresentare assegnando quattro legami a ciascun atomo di carbonio e un legame a ciascun atomo di idrogeno: Questa serie può essere allungata unendo insieme atomi di carbonio. Aggiungendo ossigeno (solo due legami) e azoto (tre) sarebbe possibile rappresentare le molecole di alcool etilico (C 2 H 6 O) e di metilamina (CH 5 N). Queste formule di struttura diventano più flessibili ammettendo l'esistenza di due legami (legame doppio: = )
