Scarica Breve Storia della Chimica - Riassunto capitolo per capitolo del libro di Asimov e più Sintesi del corso in PDF di Chimica solo su Docsity!
Breve storia della chimica
di Isaac Asimov
Riassunto di ogni capitolo Capitolo 1: Gli antichi Gli uomini antichi ebbero il primo contatto con la chimica comprendendo l’arte di accendere e tenere in vita il fuoco. Dal suo calore si potevano produrre ulteriori trasformazioni chimiche. Le prime sostanze utilizzate dall’uomo furono quelle universalmente presenti nel suo ambiente e tra esse quella più adatta per la creazione dei primi utensili fu la pietra. È per questa ragione che si parla di età della pietra. Dopo l’8000 a.C. l’umanità iniziò ad allevare gli animali e a coltivare le piante, di conseguenza ci fu il bisogno di abbandonare uno stile di vita nomade. Sorsero le prime città. Successivamente l’uomo conobbe i metalli, i primi furono probabilmente il rame e l’oro e data la loro malleabilità furono usati inizialmente per scopi decorativi. Si scoprì di poter reperire il rame anche scaldandolo dalla pietra. Nel 3000 a.C. si notò come fondendo insieme rame e stagno si possa ottenere una forma di rame più resistente. La lega prende il nome di bronzo. Ben presto il bronzo venne applicato sulle armi e divenne uno materiale di prestigio. Oltre al bronzo si conosceva un materiale ancora più resistente, ovvero il ferro. Nel 1500 a.C. gli Ittiti divennero il primo popolo a farne largo uso. Tuttavia, nella sua forma pura il ferro non è molto robusto, perciò viene fatta assorbire una quantità di carbonio proveniente dal carbone da legna per formare una patina di lega di ferro e carbonio chiamata acciaio. Tutte queste scoperte sui metalli vennero usate principalmente in ambito bellico. Tra le varie società antiche quella egizia aveva acquisito una riguardevole grado di sviluppo nell’arte della chimica pratica. La stessa parola chimica deriva da “khemeia”, il cui significato è ancora oggi incerto. I Greci avevano aperto domande e questioni su un altro aspetto della chimica, ovvero la chimica teorica. Si ponevano domande sul “perché” dei vari fenomeni. Tra le prime teorie ci fu quella di Talete, filosofo di Mileto che intravide l’acqua come sostanza di base. Per Anassimene, invece, l’aria era l’elemento base. D’altro canto, il filosofo Eraclito scelse come sostanza il fuoco, per la sua dinamicità che lo accumunava ai principi di trasformazione dell’universo. Empedocle (nato in Sicilia) trovo una soluzione di compromesso, ovvero invece di identificarne uno di elemento scelse di usarne quattro di elementi base: aria, acqua, terra e fuoco. Anche il più grande dei filosofi greci, Aristotele, accettò questa teoria e inoltre considerava gli elementi come combinazioni di opposti: caldo e freddo, asciutto e bagnato. Per Aristotele, in più, esisteva un quinto elemento, l’etere, proprietà caratteristica dei corpi celesti e considerato perfetto a differenza degli altri quattro. Tra i filosofi greci si scaturì un altro argomento molto importante, quella relativa alla divisibilità della materia. La materia era divisibile un numero infinito di volte? Per Leucippo (filosofo ionico) alla lunga si sarebbe arrivato a un punto in cui l’elemento non fosse stato più divisibile. Questa convinzione fu portata avanti da Democrito, fondatore della teoria atomista e chiamò atomos le particelle indivisibili della materia. Questa teoria, seppur molto attuale, fu scartata fino all’epoca moderna. Capitolo 2: L’alchimia Ai tempi di Aristotele, Alessandro il Grande aveva conquistato l’impero persiano. Dopo la sua morte, Tolomeo, un suo generale, decise di edificare un edificio dedicato alla ricerca chiamato il Muse nella citta di Alessandria in Egitto. L’Egitto era legato molto alle tradizioni religiose e l’incontro con la cultura greca non
era del tutto vantaggiosa. L’arte della khemeia era considerata legata alla magia e di conseguenza alcune volte incuteva timore verso le persone, altre volte invece veniva incoraggiata, d’altronde nessuno voleva mettersi contro un “mago”. I sette metalli scoperti a quel tempo vennero subito collegati ai sette corpi celesti che osservavano in cielo, ad esempio il nome del pianeta Mercurio è stato proprio collegato all’omonimo metallo. Ciononostante, questa atmosfera di oscurità ebbe effetti negativi per il tempo, qualsiasi ciarlatano o imbroglione poteva fingersi un alchimista, e ad ogni modo ogni ricercatore viveva nell’ignoranza in merito a ciò che facevano gli altri ed era molto difficile trarre insegnamenti dal lavoro altrui. La teoria dei quattro elementi faceva pensare che le varie sostanze potessero differire solamente per la natura del proprio miscuglio, quindi non sembrava impossibile considerare una trasformazione qualsiasi. Si pensava, ad esempio, che con la giusta tecnica si potesse trasformare il piombo o il ferro in oro. Bolos di Mendes, nato nel 200 a.C. in una città del delta del Nilo, affermava di essere riuscito a produrre l’oro nei suoi scritti, ma probabilmente considerava oro qualsiasi metallo con il suo stesso colore, come l’ottone. Dopo il 100 a.C. non venne scoperto niente di nuovo egli antichi vennero interpretati in maniera sempre più dogmatica. Durante l’impero di Diocleziano ci fu un periodo di regresso, dato dalla paura che la khemeia possa produrre davvero oro a buon mercato e pertanto l’imperatore chiese la distruzione di tutti gli scritti dedicati alla khemeia. Gli Arabi Nel settimo secolo comparvero nella scena gli Arabi che erano rimasti isolati nella loro penisola desertica. Gli Arabi ripresero le conoscenze dei Greci e ne rimasero affascinati. In arabo khemeia divenne al-kimiya, parola da cui deriva alchimia. Con il termine alchimia si indica attualmente l’intera storia della chimica, che parte dal 300 a.C. al 1600 d.C. La storia della chimica dal 300 a.C. al 1100 d.C. è praticamente inesistente. Dopo il 650 a.C. furono gli Arabi a continuare il progresso dell’alchimia greca per altri cinque secoli. Il più importante tra gli alchimisti arabi si chiamava Giabir ibn-Hayyan (ca. 760-ca. 815) talmente abile che riuscì perfino a preparare l’acido nitrico diluito. Giabir pensava che i vari metalli fossero solamente composti di diversi miscugli di mercurio e zolfo e con la giusta sostanza in grado di facilitarne la combinazione si sarebbe trovato il modo per produrre l’oro. Secondo una antica tradizione questa sostanza era una polvere secca, i greci la chiamavano xerion, questa parola fu trasformata dagli arabi in al-iksir e alla fine passò agli europei sotto forma di elixir. In Europa la sostanza era nota come pietra filosofale e si pensava che potesse curare tutte le malattie e donare l’immortalità. L’alchimia si divise in due linee: una mineralogica, il cui scopo fondamentale era quello di trovare il modo per produrre l’oro e uno medico mirante alla leggendaria pietra filosofale. Avicenna fu il più importante medico compreso tra l’Impero Romano e l’età moderna. Dubitò della possibilità di arrivare all’oro partendo da altri metalli e rimase una eccezione tra gli alchimisti. Il risveglio dell’Europa L’Europa Occidentale prese la palma della supremazia, dopo che gli Arabi subirono un periodo di invasione da parte di popolazioni barbariche. Grazie alle crociate bandite verso l’Oriente musulmano ci fu una fusione di culture e i crociati si portarono con sé e con una certa meraviglia la scienza araba. Molte opere furono tradotte in latino, il più grande dei traduttori fu il dotto italiano Gerardo da Cremona (ca. 1114-87). A partire dal 1200 gli alchimisti del tempo cercarono di sviluppare le conoscenze del passato. Tra gli alchimisti europei dell’epoca ricordiamo Alberto Magno, studioso di Aristotele e ritenuto scopritore dell’arsenico, l’inglese Ruggero Bacone, fautore dello sviluppo della scienza tramite la matematica, curatore di una enciclopedia universale, nella quale, tra l’altro, descrisse la polvere da sparo. Alchimisti invece più mistici furono Arnoldo da Villanova e Raimondo Lully, dei quali si dice che avessero prodotto l’oro. Il più importante tra gli alchimisti medievali fu un personaggio chiamato Geber (come quello arabo vissuto secoli prima) del quale non si conosce nulla della sua vita, ma che scrisse importanti trattati nei quali introduce per la prima volta l’acido solforico e l’acido nitrico concentrato. In effetti la scoperta degli acidi minerali forti è stata il più grande passo avanti nella chimica dopo la prima estrazione del ferro avvenuta millenni prima. Ciò in quanto tali acidi permettevano di effettuare tante nuove reazioni chimiche e di dissolvere
parola ancora oggi in uso. Ad esempio, parlò di “gas silvestre” (gas di legna) per descrivere l’anidride carbonica prodotta dalla combustione del legno. La legge di Boyle Lo studio dei gas, e dell’aria in particolare, stavano acquisendo sempre più importanza in chimica. Nel 1643 il fisico Evangelista Torricelli dimostrò che l’aria esercita una pressione, utilizzando una colonna di mercurio alta 760 millimetri, inventando così il barometro. Si scoprì in quegli anni che i gas erano composti di materia come i solidi ed i liquidi, dai quali si differenziavano principalmente per la densità che era molto inferiore. Nel 1654 Guericke eseguì il suo famoso esperimento che mostrava come gruppi di cavalli, che tiravano da parti opposte, non riuscivano in nessun modo a separare due semisfere combacianti dalle quali era stata tolta l’aria contenuta al loro interno, a causa della pressione esercitata dall’aria esterna. Un ulteriore progresso nella progettazione della pompa pneumatica fu realizzato dal chimico irlandese Robert Boyle. In un tubo curvo e chiuso ad un’estremità, aveva immesso nell’altro tratto del tubo, più lungo, del mercurio, mostrando come maggiore era la colonna di mercurio, maggiore era la pressione esercitata sull’aria intrappolata nell’estremità chiusa, riducendone il volume. Aveva cioè trovato una relazione inversamente proporzionale tra pressione e volume dei gas: in particolare raddoppiando la pressione il volume si dimezzava e viceversa. Tale relazione inversa è nota ancora oggi come “legge di Boyle”. In fisico francese Mariotte aveva inoltre scoperto che in tali esperimenti la temperatura deve essere mantenuta costante affinché la legge di Boyle sia valida. Queste scoperte portarono ancora più credito ai fautori della teoria atomistica, in quanto i gas, per potersi comprimere, devono per forza essere composti di atomi tra i quali c’è dello spazio vuoto nel quale sono liberi di muoversi. Ma tale teoria atomistica si estende logicamente anche ai liquidi ed ai solidi: ad esempio l’acqua allo stato gassoso (vapore) è comprimibile in quanto è costituita di atomi tra i quali vi è dello spazio che può essere ridotto nella fase di compressione del vapore. Ma raffreddandola l’acqua passa allo stato liquido e poi a quello solido (ghiaccio), e pertanto anche in tali stati continua ad essere composta dagli stessi atomi che prima erano liberi di muoversi e poi nella fase solida sono fermi nella forma cristallina. Se ciò vale per l’acqua allora la teoria deve applicarsi ad ogni tipologia di materia. Gli atomi erano tuttavia ancora un concetto astratto, utile per spiegare i fenomeni dei gas ma le cui caratteristiche erano ancora misteriose. La nuova concezione degli elementi Fu lo stesso Boyle a cambiare il termine alchimia in chimica nel libro The Sceptical Chymist (1661), e da quel momento in poi la scienza fu chiamata chimica e suoi studiosi chimici. Boyle era insoddisfatto dello studio degli elementi per il semplice ragionamento, ma li osservava in maniera concreta e tangibile. Stabiliva gli elementi come le sostanze non più scindibili in altre sostanze ancora più semplici, inoltre due elementi potevano mescolarsi per formare un composto. Egli credeva ancora nella convinzione che i metalli come l’oro non erano elementi e perciò era possibile trasformare un metallo in un altro, ma su questo argomento Boyle aveva torto poiché i metalli si rivelarono veri e propri elementi. Hennig Brand (ca.1692) fu l’ultimo degli alchimisti, poiché era convinto dell’esistenza della pietra filosofale e ricavò un nuovo elemento, il fosforo, dall’urina. Brand fu la prima persona a scoprire un nuovo elemento prima dello sviluppo della chimica moderna. Il flogisto Dalle scoperte del diciannovesimo secolo sulla pressione dell’aria derivarono nuovi metodi per ricavare il vuoto senza il bisogno di una pompa automatica. Grazie a queste conoscenze vennero costruite le prime macchine a vapore, ma erano ancora pericolose dato che necessitavano di vapore ad alta pressione. Dalla collaborazione di due ingegneri inglesi (Savery e Newcomen) si realizzò una macchina capace di funzionare con del vapore a bassa pressione, ma il congegno fu reso veramente produttivo dallo scozzese James Watt (1736-1819).
Il termine di rivoluzione industriale segno l’era dove per la prima volta l’uomo ebbe a disposizione una fonte di energia che poteva essere utilizzabile in qualsiasi momento, senza ricorrere ad del lavoro manuale. Gli alchimisti ritenevano che le sostanze per poter essere ritenute combustibili dovessero contenere il principio dello zolfo. Secondo il chimico tedesco Becher i solidi dovevano essere composti da tre tipi di terra, e uno di questi fu chiamato “terra grassa” e simboleggiava il principio dell’infiammabilità. Seguendo Becher questo principio chiamato da un chimico tedesco Stahl come flogisto e si aprirono nuove teorie su come si possa spiegare il fenomeno della combustione. Secondo Stahl i combustibili erano ricchi di flogisto, e quando avveniva la combustione il flogisto passava all’aria. Inoltre, pensava che anche i metalli possedevano il flogisto ma le rispettive ruggini ne sarebbero state prive e questa fu la prima grande scoperta della chimica dell’umanità. La teoria di Stahl supponeva che l’aria avesse solamente il compito di intermediaria, passando il flogisto da un elemento all’altro, come dal carbone al ferro. Questa teoria incontrò opposizione da un medico olandese, Hermann Boerhaave, che pensava che la combustione e la formazione della ruggine fossero due aspetti di due fenomeni diversi. Tuttavia, la teoria flogistica fu quella più accreditata per tutto il diciottesimo secolo, ma presentava ancora alcuni problemi: nella combustione del legno, la cenere che ne risultava aveva un peso minore rispetto alla sostanza d’origine mentre la formazione di ruggine sul metallo ne aumentava il peso del solido stesso. Queste variazioni di peso così significative al tempo contavano molto di meno rispetto al giorno d’oggi. Capitolo 4: I gas Anidride carbonica e azoto Fino all’inizio del ‘700 i gas erano ancora considerati poco dai chimici, i quali avevano difficoltà a spiegare fenomeni in cui tali stati della materia incidevano anche sui solidi e sui liquidi (ad esempio nella variazione di peso in seguito alla combustione). Nello studio dei gas fece un passo avanti l’inglese Stephen Hales, che riuscì, all’inizio del XVIII secolo, ad escogitare un sistema per la raccolta dei gas al di sopra dell’acqua, anche se non era in grado di distinguere i vari gas e non ne studiò le proprietà. Lo scozzese Joseph Black fece invece studi sul carbonato di calcio e sui gas ed i residui derivanti dalla sua combustione ad alte temperature. I suoi esperimenti dimostrarono che si poteva produrre anidride carbonica riscaldando un minerale e che i gas potevano ottenersi non solo dai solidi e dai liquidi, ma potevano anche combinarsi con questi, rendendoli così meno misteriosi rispetto al passato. Black dimostrò inoltre che l’aria non è “un” elemento (cioè una sostanza semplice) ma consisteva in una miscela di sostanze distinte (scoprì infatti che nell’aria è presente anche l’anidride carbonica). Boyle intanto faceva passi avanti nello studio della perdita di peso quando si scalda del carbonato di calcio, nonché nella quantità di tale sostanza per neutralizzare una data quantità di acido. Black studiò le proprietà dell’anidride carbonica: aveva sperimentato come la candela in un recipiente chiuso pieno d’aria si spegneva dopo un po’, in quanto l’aria aveva generato anidride carbonica. Affidò questi studi ad un suo studente, Rutherford, il quale continuò ed approfondì gli studi sull’aria e sull’anidride carbonica. I suoi esperimenti portarono alla scoperta del “flogisto”, ovvero quello che oggi chiamiamo “azoto”, verificando come tale flogisto saturava l’aria di un contenitore chiuso dopo che in essa era stata tenuta accesa una candela o fatto respirare un topo, al punto che l’aria non poteva più contenerne e le candele si spegnevano ed il topo moriva. Idrogeno e ossigeno Nella seconda metà del ‘700 il ricco ed eccentrico Henry Cavendish pubblicò importanti risultati sui gas. È considerato in particolare lo scopritore dell’idrogeno, del quale evidenziò due caratteristiche fondamentali: quella di essere il più leggero tra i gas (la sua densità è infatti 1/14 di quella dell’aria) e quella di essere facilmente infiammabile.
contiene azoto. Gli studi condotti con de Laplace furono volti a misurare le quantità di ossigeno e anidride carbonica respirati ed emessi dagli animali. Cavendish scoprì inoltre che dalla combustione del suo gas infiammabile si generava anche l’acqua. Lavoisier chiamò idrogeno tale gas (“generatore di acqua”) e dimostrando che l’acqua non era un elemento come lo intendevano gli antichi greci, ma era composta da idrogeno e ossigeno. Inoltre, Lavoisier, insieme ad altri chimici francesi, elaborò un sistema di nomenclatura chimica, superando la confusione di nomi che esisteva dai tempi dell’alchimia. In particolare, i nomi dei composti, anche con l’utilizzo di appositi prefissi e suffissi, erano studiati in modo da consentire il riconoscimento degli elementi che ne facevano parte. Era cioè un sistema logico e riconosciuto da tutti per evitare confusioni tra gli studiosi. Nel 1789 Lavoisier pubblicò il libro “Trattato elementare di chimica” per dare una visione unitaria della chimica, basata sulle nuove teorie e sulla nuova nomenclatura. Tale libro conteneva anche un elenco di tutti gli elementi allora conosciuti (di cui due soli erano sbagliati, la “luce” e il “calorico” in quanto non erano sostanze materiali). Alcuni seguaci della teoria del flogisto, come Pristley, si opponevano alla visione della chimica di Lavoisier. Altri invece aderirono con entusiasmo, come il chimico tedesco Klaproth. Ciò fu importante in quanto i tedeschi erano legati per motivi patriottici alla dottrina flogistica. Lavoisier, ucciso nel 1794, fu una delle tante vittime della Rivoluzione francese. Ancora oggi è ricordato come il padre della chimica moderna. Capitolo 5: Gli atomi La legge di Proust I chimici del tempo decisero di focalizzare i propri studi sugli acidi, avendo fiducia di poter ricavarne nozioni utili tramite l’uso di misurazioni accurate. Si scoprì che gli acidi possiedono proprietà comuni, sono chimicamente attivi, tendono a reagire con metalli e di conseguenza a formare idrogeno, fanno cambiare colore alle tinture, infine il loro sapore è acido. In opposizione agli acidi troviamo le basi, con le caratteristiche contrarie, che determinano cambi di colore opposti a quelli degli acidi, hanno sapore amaro, tuttavia anche le basi sono chimicamente attive. La miscela che si viene a formare tra un acido e una base si chiama sale, le cui proprietà non saranno né acide né basiche. Un importante studioso degli acidi fu il chimico tedesco Richter, il quale misurò con precisione le quantità esatte di acido per neutralizzare una base e viceversa. Per Richter esisteva un “peso equivalente” ovvero un peso fisso e definito di determinata una sostanza che reagiva con un altro peso fisso di un’altra sostanza chimica. Secondo Berthollet le proporzioni degli elementi in un composto variavano in base al metodo di preparazione. In opposizione a Berthollet c’era Proust gli elementi presenti in composto seguivano proporzioni definite indipendentemente dalle condizioni in cui i composti venivano prodotti secondo la legge da lui formulata: legge delle proporzioni definite o legge di Proust. La legge di Proust quindi il modo in cui gli elementi si combinano seguendo rapporti precisi facevano pensare che la materia non possa essere continua, ma formata da atomi, come già aveva previsto Democrito nell’antichità. La teoria di Dalton Il chimico inglese Dalton osservo che due elementi erano in grado di combinarsi con più di una serie di proporzioni, osservando ad esempio l’anidride carbonica e l’ossido di carbonio. Queste osservazioni portarono lo scienziato a formulare la legge delle proporzioni multiple nel 1803, e ancora una volta la teoria di Democrito iniziò ad acquisire importanza. Dalton presentò inoltre la sua teoria atomica, dando il nome atomo all’elemento indivisibile rifacendosi a Democrito. Cinque anni dopo Dalton pubblicò un libro nel quale esponeva la sua teoria atomica con maggiori particolari e la sua tesi a suo tempo venne generalmente accolta. Cessò la convinzione di poter trasmutare un elemento in un altro. Era impossibile pesare un atomo, ma grazie a misurazioni indirette Dalton poté costruire la prima tavole dei pesi atomici (ovvero pesi relativi). Dalton tuttavia era convinto che le molecole fossero formate dall’accoppiamento
dell’atomo di un solo elemento con un solo atomo di un altro elemento, portando numerose contraddizioni. Lo studio dell’energia elettrica divenne il nuovo interesse dei chimici del XIX secolo. La storia dell’elettricità è molto antica, parte dai greci, che notarono come strofinando l’ambra essa aveva la capacità di attrarre a sé gli oggetti leggeri, poi secoli più in avanti, il fisico inglese Gilbert dimostrò come questo comportamento possa essere esteso ad altre sostanze e le chiamò “elettriche”, parola greca che significa proprio ambra. Il chimico francese du Fay nel 1733 distinse due tipi cariche elettriche, derivate una dall’ambra e l’altra dal vetro, e notò come due oggetti dotati della stessa carica si respingono, mentre cariche diverse si attraggono. Più tardi Benjamin Franklin, primo grande scienziato americano, ipotizzò nel 1745 che esistesse un fluido elettrico e a seconda della quantità di fluido nella sostanza si formava un tipo di carica elettrica. Inoltre, egli diede anche i nomi di carica negativa e positiva alle due cariche scoperte. Il fisico Alessandro Volta costruì la prima pila elettrica e generò per la prima volta una corrente elettrica. Due metalli potevano essere disposti in modo tale da rilasciare cariche a mano a mano che le cariche vecchie si allontanano. Le correnti elettriche sono alimentate dalla reazione chimica a cui partecipano i metalli, dando l’indizio che le reazioni chimiche avessero qualcosa a che fare con l’elettricità. Due scienziati inglesi Nicholson e Carlisle riuscirono mediante reazioni chimiche e all’elettricità a decomporre l’acqua in idrogeno e ossigeno (decomposizione che si chiama elettrolisi) per la prima volta. Notarono, inoltre, che il volume dell’idrogeno ricavato era il doppio del volume dell’ossigeno ricavato, anche se una parte del peso dell’idrogeno si combinava con 8 parti di ossigeno. Si concluse che il peso relativo dell’ossigeno fosse 16 e non 8. L’ipotesi di Avogadro Le ipotesi dei due scienziati inglesi furono rafforzate da due scienziati inglesi fu rafforzata dal chimico francese Gay-Lussac che rovesciò l’esperimento e confermò il rapporto 2:1 contenuto nell’acqua. Facendo altri esperimenti, Gay-Lussac poté enunciare la legge dei volumi di combinazione che affermava che due gas si combinano sempre con rapporti di piccoli numeri interi. Più tardi Avogadro ipotizzo che le particelle di un elemento contenute in volume fossero disposte in molecole e non rimanessero prese individualmente. Questa osservazione fu chiamata ipotesi di Avogadro nel 1811 e fu trascurata per mezzo secolo. Esistevano altri mezzi per arrivare alla determinazione dei pesi atomici. Ad esempio, due scienziati francesi, Dulong e Thérèse Petit nel 1818 arrivarono a dimostrare che il calore specifico degli elementi era inversamente proporzionale al loro peso atomico, legge che si chiama legge del calore atomico. Nel 1829 il chimico tedesco Mitscherlich enunciò la legge dell’isomorfismo, ovvero la tendenza di due composti con composizione simile a cristallizzarsi insieme. Pesi e simboli Il chimico svedese Berzelius fu uno dei più importanti sostenitori della teoria atomica e della sua elaborazione, a tal punto che il mondo della chimica non poté dubitarne della sua validità e inoltre confermando la legge delle proporzioni definite. Pubblicò la prima tavola dei pesi atomici nel 1828, tuttavia i pesi atomici non corrispondevano a numeri interi, screditando l’ipotesi di Proust, ovvero che tutti gli altri elementi fossero multipli interi dell’atomo di idrogeno. Il massimo della precisione della tavola dei pesi atomici fu raggiunto dal chimico americano Richards, all’inizio del ventesimo secolo. Successivamente il l’atomo di riferimento passò dall’idrogeno all’ossigeno, spostando il valore scomodo da 15,9 a 16. Ci fu poi il problema di come indicare i vari elementi. Dalton provò adoperando dei circoletti doversi per ogni elemento, ma il Berzelius si rese conto che i circoletti erano superflui e decise di adottare l’iniziale del nome latino dell’elemento. In questo modo discesero i simboli chimici degli elementi, simboli usati fino ad oggi. L’elettrolisi Molti composti contenevano nuovi elementi che i chimici non erano ancora riusciti a scoprire contenevano ossigeno (erano quindi ossidi). Per liberare l’elemento indussero l’ossigeno a legarsi ad un altro elemento che presentava affinità maggiore, in modo da isolare la sostanza sconosciuta. Tuttavia, altri composti, come
nuove, simili ai grassi comuni, ma diverse dal quelle di cui conosceva l’esistenza in natura. Ciò voleva dire che il chimico poteva ottenere composti organici nuovi, non presenti in natura, anche se con caratteristiche simili a questi. Tale capacità diventerà ancora più avanzata nel secolo successivo, al punto che ci si rese conto che non aveva più senso la distinzione tra composti organici e inorganici basata sull’attività dei tessuti viventi. Si stava scoprendo che la differenza tra le due tipologie era invece nella struttura chimica: quasi tutte le sostanze inorganiche possedevano molecole piccole, che raramente arrivavano a dodici atomi, mentre anche le più semplici sostanze organiche potevano partire da dodici atomi fino ad arrivare a diverse dozzine in quelle più complesse (l’amido o le proteine sono costituiti da molecole con centinaia di migliaia di atomi!). Ciò spiega anche come mai era più semplice scindere in modo irreversibile, con calore moderato, le molecole organiche, rispetto alle molecole inorganiche, molto più piccole e resistenti. Un’altra caratteristica fondamentale delle molecole organiche è il fatto che sono composte per la maggior parte di atomi di carbonio e di idrogeno, ovvero elementi infiammabili. Per tale motivo il chimico tedesco Kekulé in un suo libro del 1861 definì la chimica organica la chimica dei composti del carbonio, a differenza di quella inorganica, che studia i composti nei quali tale elemento non è presente (tuttavia alcuni composti come l’anidride carbonica e il carbonato di calcio, che contengono carbonio, assomigliano ai composti inorganici e pertanto sono studiati in chimica inorganica). Isomeri e radicali I composti inorganici potevano essere facilmente rappresentati da formule “empiriche” ovvero formule che indicavano solo il tipo ed il numero di atomi presenti nella molecola. La complessità dei composti organici invece causava notevoli discussioni tra i chimici su come andassero rappresentati con formule empiriche. Ciò era dovuto al fatto che anche le sostanze organiche più semplici in realtà hanno una struttura molecolare molto complessa, il che rende difficile rappresentarle mediante le formule empiriche. Tuttavia, era da queste formule che i chimici del ‘700 e dell’800 dovevano partire per studiare tali sostanze. Esperimenti di laboratorio, condotti da Gay-Lussac e Thénard, erano riusciti a stabilire le porzioni relative di carbonio e idrogeno presenti nelle sostanze, il che consentiva di ricavare le formule empiriche di alcuni zuccheri semplici. Liebig studiava un gruppo di composti detti i “fulminati” mentre il suo amico Wöhler studiava i “cianati”. Gay-Lussac notò tuttavia che le formule empiriche di tali composti erano identiche mentre le loro proprietà erano molto differenti. Altri composti avevano dimostrato di avere tale peculiarità (stessi elementi ma caratteristiche diverse), tanto che Berzelius propose di chiamarli, con un termine di origine greca, “isomeri”: cioè “di uguali proporzioni”. Apparve evidente che tali molecole, nelle quali vi era lo stesso numero e tipo di atomi, per possedere proprietà diverse, dovessero avere una disposizione differente di questi atomi al loro interno. Nei composti inorganici invece gli isomeri non erano possibili. Nelle molecole organiche più semplici era semplice scoprire la loro struttura, mentre in quelle più complesse era molto difficile stabilire quale fosse la struttura corretta, al punto che sembrava un’impresa impossibile quando il numero di atomi diventava troppo alto. Ma un aiuto arrivò dalla scoperta dei “gruppi radicali”, come il gruppo CN (radicale “cianogeno”) ovvero gruppi di atomi che pur spostandoli da un composto all’altro si tenevano uniti, comportandosi come atomi isolati. Ciò faceva intravedere come le molecole organiche potevano essere costituite da un numero limitato di piccole combinazioni di atomi.Gruppi radicali più complessi furono scoperti da Wöhler e Liebig, come il gruppo “benzoile”, che poteva essere spostato da una molecola all’altra senza scindersi. La scoperta e lo studio dei gruppi radicali fu pertanto un primo passo nella risoluzione del mistero delle complesse molecole organiche. Capitolo 7: La struttura molecolare La teoria dei tipi
Il chimico Berzelius accettò l’idea dei radicali e si convinse che le molecole organiche erano composte da radicali. Previde che la forza che tiene uniti gli atomi era di natura elettrica, come succede nel cloruro di sodio. Tuttavia, insistette sul fatto che i radicali fossero composti esclusivamente da carbonio e da idrogeno, nonostante gli esperimenti dimostravano anche la presenza dell’ossigeno. Inoltre, era convinto che era impossibile sostituire un elemento positivo con uno negativo senza alterare le proprietà della sostanza. Le convinzioni di Berzelius vennero demolite da un suo allievo, Laurent, che nel 1836 sostituì atomi di idrogeno (atomo considerato comunemente positivo) in una molecola di alcol etilico con altrettanti atomi di cloro (atomo considerato comunemente negativo) senza alterazioni sostanziali nelle proprietà della sostanza. Le teorie di Laurent non furono accettate da Berzelius, che gli chiuse molte possibilità nella sua carriera fino alla sua morte, avvenuta nel 1848. Riacquisì popolarità e sostenne che le molecole organiche possedevano un certo nucleo al quale si potevano unire i vari radicali. Sostanze che appartenevano a uno stesso tipo contenevano nuclei identici e si considerò l’ipotesi che un tipo molecolare arrivasse anche nel campo della chimica inorganica. Il chimico inglese Williamson ad esempio, tra il 1850 e il 1852 dimostrò che la famiglia dei composti organici detti eteri, si potevano costruire sul tipo acqua. La teoria dei tipi acquisì popolarità, ma allo stesso tempo sì ignorò il problema della struttura molecolare dei radicali, tendendo a usarli sempre di più come elementi singoli. La valenza Col tempo si osservò come l’atomo di ossigeno si univa sempre a due identità, come l’azoto si legava sempre a tre atomi o radicali. Il chimico inglese Frankland si interesso nel campo dei composti organo- metallici nel 1852 dopo varie osservazioni su atomi di metallo che si legavano sempre con un certo numero di gruppi organici, emanò la sua teoria della valenza (parola latina che deriva da potenza), ovvero la affermazione che ciascun atomo possiede un potere di combinazione fisso. Questa teoria contribui a definire meglio la differenza tra peso atomico e peso equivalente dei vari elementi. Generalmente il peso equivalente di un atomo è il peso atomico diviso la valenza. Le formule di struttura Il chimico tedesco Kekule von Stradonitz sperimentò il concetto di molecole organiche, dando al carbonio la valenza di 4, e da questo presupposto calcolò la struttura delle molecole dei radicali più semplici. L’immagine della struttura delle molecole prese forma con il chimico scozzese Scott Couper, che per dare forma alla rappresentazione, disegnò dei trattini tra gli atomi. Si riuscì a rappresentare i tre idrocarburi più semplici, come il metano, l’etano e il propano, e via così si potavano rappresentare grazie alle formule di struttura una moltitudine di molecole conosciute. Il chimico russo Alexander Butlerov, appoggiò il nuovo sistema e dimostrò l’esistenza degli isomeri grazie alle formule di struttura. Due isomeri sono quindi sostanze che presentano la stessa formula empirica ma con formule di struttura diverse. Tra le formule di struttura, ci fu una sostanza che era difficile da rappresentare, ovvero il benzene (C 6 H 6 ). Di nuovo il chimico Kekule risolse il problema, spiegando che nel benzene ci fossero 3 doppi legami. La spiegazione venne accettata, anche se presentava alcuni problemi, ma ci vollero tre quarti di secolo per arrivare alla reale formula di struttura del composto. Gli isomeri ottici Le formule di struttura presentavano ancora altri problemi, legati alla luce. Per comprendere meglio, bisogna riportare la “storia” della luce. Thomas Young, all’inizio del XIX secolo scoprì che la luce era costituita da piccolissime onde, poi il fisico francese Fresnel nel 1814 dimostrò che queste onde luminose erano onde trasversali, ovvero onde che si muovano perpendicolarmente nella direzione in cui si propagano. Queste direzioni in cui le onde luminose oscillano sono potenzialmente infinite, tuttavia questo raggio viene fatto passare attraverso determinati cristalli, si crea una luce polarizzata, e il raggio di luce viene costretto a oscillare su un determinato piano, come aveva scoperto nel 1808 il fisico francese Luis Malus. Fino al 1815 sembrava che il comportamento della luce polarizzata e il suo comportamento
venne rivalutata. Ciò permise inoltre di concordare sulle formule empiriche in chimica organica e come passare alla loro rappresentazione in due e tre dimensioni. Anche la chimica inorganica ne trasse benefici. Si mettono in ordine gli elementi I primi tentativi di mettere gli elementi secondo un ordine logico furono fatti dal chimico inglese Newlands e dal geologo francese de Chancourtois. Il primo li dispose in colonne verticali di sette unità, con gli elementi simili che occupavano le stesse righe orizzontali (ad esempio il potassio era vicino al sodio, metalli simili tra loro). Newlands chiamò la sua disposizione “legge delle ottave” per analogia con la grammatica musicale, ma altri chimici non apprezzarono la sua opera in quanto sembrava frutto di coincidenze (alcune volte gli elementi sulla stessa riga erano completamente diversi). Il geologo francese costruì invece un diagramma in cui gli elementi erano in ordine di peso atomico crescente con un grafico “cilindrico”, ma anche la sua opera non fu apprezzata. Maggior fortuna ebbe il tedesco Meyer, che prese in considerazione il volume occupato da determinati pesi fissi dei diversi elementi (in modo che ciascun peso contenesse lo stesso numero di atomi di ciascun elemento). In tal modo si introduceva il concetto di “volume atomico”. Costruì poi un grafico dei volumi atomici degli elementi in funzione dei pesi atomici, il quale aveva dei “picchi” in corrispondenza dei metalli alcalini e la distanza tra due vertici consecutivi era un “periodo” della tavola degli elementi. Tale grafico mostrò anche alcuni errori commessi dai suoi predecessori come Newlands. Tuttavia, la sua scoperta, avvenuta nel 1870, era stata preceduta di un anno da quelle ancora più sensazionali fatte dal chimico russo Mendeleev (uno dei partecipanti al congresso internazionale di cui sopra). Mendeleev prese come riferimento la “valenza” e dispose gli elementi in base a come variava la valenza. La valenza aumentava e diminuiva passando da un elemento all’altro, dando luogo così a “periodi”. Costruì pertanto una tavola partendo dall’idrogeno, con un periodo tutto per sé, poi due periodi di sette elementi ciascuno e periodi con più di sette elementi. La tavola “periodica” degli elementi era più chiara di un grafico e mostrava l’errore di Newlands di considerare solo periodi di sette elementi. Mendeleev pubblicò tale scoperta nel 1869, ma l’importanza del suo lavoro deriva dall’uso che fece della sua stessa tavola. Capì per esempio che era necessario lasciare addirittura degli spazi vuoti nella tavola (ad esempio vicino al boro, all’alluminio e al silicio), in quanto la regolarità nelle caratteristiche degli elementi, faceva supporre che in tali spazi vi dovessero essere disposti elementi che non erano ancora stati scoperti, ma che rispettassero le caratteristiche presenti in tali spazi. La correttezza della sua tavola, tuttavia, sarà riconosciuta solo più tardi, quando le sue previsioni saranno confermate sperimentalmente e grazie allo spettroscopio. Si colmano i vuoti L’ottico tedesco von Fraunhofer, nel 1810, aveva scoperto che facendo passare la luce attraverso i prismi da lui stesso prodotti, questa formava uno spettro di colore attraversato da righe scure. Il fisico Kirchhoff ed il chimico Bunsen, che lavoravano insieme, utilizzarono questo fenomeno per scoprire nuove informazioni sugli elementi. Utilizzando un cannello inventato dallo stesso Bunsen (e detto appunto “becco Bunsen”) producevano una fiamma molto calda e poco luminosa sulla quale posizionavano cristalli di varie sostanze chimiche. La luce della fiamma a questo punto diventava di colori particolari. Facendola passare attraverso un prisma, tale luce si separava in varie linee brillanti. Scoprirono così che ciascun elemento, riscaldato fino all’incandescenza, produceva uno spettro caratteristico di linee brillanti, diverso da ogni altro elemento. In tal modo si potevano rivelare gli elementi presenti in un cristallo sconosciuto in base alle linee dello spettro. Tale apparecchio venne chiamato “spettroscopio” e sfrutta il fenomeno per cui ogni elemento si caratterizza per l’emissione di radiazioni luminose di determinate lunghezze d’onda, diverse da quelle di altri elementi. Lo spettroscopio consentì di dimostrare che il sole e le stelle sono composte di elementi identici a quelli presenti sulla terra, smentendo così la teoria aristotelica secondo la quale i corpi celesti sono di natura diversa di quelli terrestri. I due scienziati utilizzarono lo spettroscopio per scoprire elementi nuovi come il cesio e il rubidio (termini di origine latina che significano “azzurro” e “rosso”, dal colore della riga principale del loro spettro). Altri
scienziati, tramite tale strumento, scoprirono altri elementi nuovi. De Boisbaudran scoprì un elemento che chiamò “gallio” (il termine antico di Francia). Quando Mendeleev lesse la relazione di de Boisbaudran sul gallio, scoprì che questo, per le caratteristiche che aveva, era proprio uno di quegli elementi che doveva occupare uno spazio vuoto della sua tavola periodica. Gli atri due spazi vuoti furono occupati dal nuovo elemento scoperto dallo svedese Nilson (che chiamò “scandio”) e da quello scoperto dal tedesco Winkler (“germanio”). Nuovi gruppi di elementi Alla fine del ‘700 venne scoperto un nuovo ossido metallico, o “terra”, un minerale molto più raro di altri, il quale pertanto venne chiamato “terra rara”. I minerali delle terre rare vennero analizzati per tutto il secolo diciannovesimo, durante il quale si trovarono quattordici diversi elementi appartenenti a tale gruppo. Erano tutti accomunati dal fatto di avere proprietà chimiche molto simili e tutti con valenza pari a 3. Tuttavia, almeno fino al 1920, i chimici non riuscivano a trovare loro una collocazione adatta nella tavola periodica di Mendeleev. Non posero problemi di collocazione invece elementi come l’ossigeno, l’idrogeno e l’azoto. Una particolare difficoltà fu posta invece dall’argo, un gas inerte scoperto in seguito alla combinazione dell’azoto dell’aria con l’ossigeno, in seguito alla quale rimaneva una bolla di gas che non si riusciva più a combinare con l’ossigeno. Attraverso lo studio del suo spettro si scoprì che la sua posizione non doveva corrispondere a quella di altri elementi conosciuti, in quanto, non combinandosi con nessun elemento, doveva avere una valenza pari a 0. E se non era un caso isolato, bisognava allora concepire un’intera famiglia di gas inerti, tutti aventi valenza 0. Venne così creata la colonna dei gas inerti, con valenza 0, collocata tra quella degli elementi aventi valenza pari ad 1 (da un lato gli alogeni e dall’altro i metalli alcalini), rispettando così la successione 2, 1, 0, 1, 2, e l’argo venne a trovarsi tra il cloro ed il potassio. Nel 1895 Ramsay scoprì negli Stati Uniti un gas all’interno di un minerale che sorprendentemente aveva le stesse righe spettrali osservate da Lockyer nella luce del sole durante un’eclissi. Tale elemento era stato per questo chiamato “elio” (dal greco “sole”). Si trattava del più leggero dei gas inerti dopo l’idrogeno. Ramsay scoprì altri gas inerti (o nobili), ovvero il neon (“nuovo”), il cripto (“nascosto”) e lo xeno (“straniero”). In particolare, il neon sarà utilizzato per la costruzione di tubi luminosi e di vari colori (nei quali una corrente elettrica è costretta a passare attraverso tale gas) che potevano essere piegati a formare scritte e che a partire dal 1950 renderanno celebri strade come Broadway a New York.
