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GLI ANTICHI
Fuoco e pietra: Gli uomini primitivi accettavano la natura come la trovavano, si servivano di utensili ricavati dalla materia circostante, pietra e legno fondamentalmente. Tali materiali restavano sempre gli stessi, in qualunque modo decidessero di adattarli (forgiando le pietre, dotandole di manici o di impugnature). Tuttavia, a volte la materia si trasformava: un fulmine poteva incendiare una foresta trasformando il legno in cenere e resti carbonizzati. Questo genere di modificazione della natura della materia costituisce l’oggetto della scienza detta chimica. Le alterazioni fondamentali nella natura e nella struttura delle sostanze costituiscono le trasformazioni chimiche. La possibilità di effettuare volontariamente trasformazioni chimiche si presentò dopo la storicamente detta scoperta del fuoco da parte dell’uomo, che diventò un vero e proprio chimico: dovette escogitare sistemi che permettessero al legno di combinarsi con l’aria a velocità abbastanza elevata da produrre fumo, luce e calore. Si poteva poi utilizzare il fuoco per provocare ulteriori reazioni chimiche. Le prime sostanze utilizzate dall’uomo furono quelle universalmente presenti nel suo ambiente: legno, ossa, pelli e pietre. Di queste sostanze la più durevole è la pietra, sono loro infatti a fornirci le più chiare testimonianze su quell’epoca, per questo si parla di età della pietra. Verso l’8000 a.C. l’uomo passò dalla caccia per procurarsi il cibo all’allevamento, curando e riconoscendo gli animali come fonte sicura di nutrimento. Imparò inoltre a coltivare le piante. L’agricoltura esigeva una popolazione stabile, si iniziarono così a costruire dimore permanenti e sorsero le città, tale evoluzione segna l’inizio della civiltà. L’umanità cominciò a servirsi di sostanze relativamente rare, scoprendo nuovi materiali, i metalli (dal greco “ cercare ”).
I metalli: I primi metalli sono stati rinvenuti in forma di pepite, e si trattava probabilmente di oro o di rame (metalli che talvolta si incontrano in natura allo stato libero). La loro lucentezza sarà stata oggetto di interessamento dell’uomo primitivo, che inizialmente li utilizzò come ornamento. Il vantaggio dei metalli derivava dal fatto che il rame e l’oro sono malleabili (è possibile batterli fino a ridurli in lamine sottili senza che si rompano, cosa che non è possibile con il legno, la pietra o l’osso). Questa proprietà fu scoperta senza dubbio per caso, ma non passò molto prima che l’uomo iniziò a battere il rame per costruire utensili e ornamenti. Il rame divenne poi meno raro quando si scoprì che era possibile ottenerlo partendo dalla pietra. Si può supporre che la scoperta abbia avuto origine in un fuoco di legna acceso sopra uno strato di sassi comprendenti alcune pietre azzurre. Nella cenere, gli uomini potrebbero aver trovato tali pietre azzurre trasformate in rame. Il rame divenne così abbastanza comune da venire impiegato negli utensili. Nel 3000 a.C. fu scoperta una qualità di rame particolarmente dura, prodotta riscaldando insieme rame e stagno. Questa lega (miscela di metalli) prende il nome di bronzo. L’avvenimento più famoso dell’ età del bronzo fu la guerra di Troia, combattuta con armature e scudi di bronzo. Chi lavorava il metallo in quei tempi godeva di un prestigio paragonabile a quello dei fisici nucleari moderni. Il fabbro aveva perfino un posto tra gli dei (Efesto = fabbro divino della mitologia greca). Tramite frammenti di meteoriti, gli uomini dell’età del bronzo scoprirono un metallo ancora più duro, il ferro , che però sembrava introvabile (era impossibile estrarlo dalla pietra e i meteoriti non erano frequenti). Per fondere il minerale di ferro occorreva un calore più intenso che per la fusione del rame e il fuoco di legna era insufficiente. Bisognò quindi ricorrere al fuoco di carbone di legna capace di raggiungere temperature più elevate. Il segreto della fusione del ferro fu scoperto nel 1500 a.C dagli Ittiti, i primi a farne largo uso nella produzione di utensili. Nella sua forma pura ( ferro dolce ) il ferro non è molto resistente, tuttavia, può assorbire dal carbone di legna una quantità di carbonio sufficiente a formare uno strato superficiale della lega di ferro e carbonio chiamata acciaio. La scoperta del rivestimento in acciaio diede avvio all’ età del ferro. Il primo esercito dotato di armi di ferro fu quello degli Assiri che grazie a tale vantaggio edificarono un potente impero prima del 900 a.C. L’arte della chimica pratica aveva quindi raggiunto un discreto grado di sviluppo, particolarmente in Egitto, dove gli uomini erano esperti non solo in metallurgia ma anche nella produzione di pigmenti minerali e nell’estrazione di succhi e infusi dal mondo vegetale. Con la parola khemeia (dal greco khumos = succo di pianta) gli egiziani indicavano “l’arte di estrarre i succhi”, ma può anche darsi che il succo al quale ci si riferiva fosse il metallo fuso, e in questo caso la parola potrebbe significare “arte della metallurgia”. In ogni caso, la parola khemeia è l’antenata della nostra “ chimica ”.
Gli “elementi” dei Greci: Verso il 600 a.C. i Greci iniziarono ad interessarsi alla natura dell’universo e alle sostanze che lo compongono. Gli studiosi o “filosofi” greci, si preoccupavano non tanto della possibilità di applicazioni pratiche, quanto del “perchè” dei vari fenomeni. In questo senso, furono i primi ad occuparsi di quella che oggi chiameremmo chimica teorica. In particolare, il primo a meditare profondamente sul significato delle trasformazioni della natura e della materia fu Talete , un filosofo greco che viveva a Mileto, in Turchia. Talete si è chiesto: se una sostanza può trasformarsi in un’altra (come le pietre azzurre in rame), qual è la vera natura della sostanza? Quella di partenza o quella trasformata (è pietra o rame)? Oppure si tratta di qualcosa di completamente diverso? Si può trasformare qualsiasi sostanza in qualsiasi altra in modo che tutte le sostanze risultino aspetti diversi derivanti da una sola stessa materia fondamentale? Talete diede risposta positiva all’ultima domanda, in modo da stabilire nell’universo un ordine e una semplicità basilari. Rimaneva quindi da stabilire quale fosse la sostanza o elemento di base. Decise che l’elemento in questione fosse l’ acqua , che tra tutte le sostanze possibili, sembrava essere quella presente in quantità maggiore, inoltre, senza di essa la vita è impossibile. Talete immaginava che la terra fosse un disco piatto sormontato da un emisfero di cielo e galleggiante su un infinito oceano di acqua. La teoria secondo cui un solo elemento base costituisse tutte le sostanze esistenti fu accolta da vari filosofi di epoche posteriori, quello che invece fu contestato è la scelta dell’acqua come tale elemento. Nel secolo dopo si giunse alla conclusione che il cielo non era un emisfero, ma una sfera completa, così come la terra, che si collocava al centro della sfera cava del cielo. I Greci respingevano l’idea del vuoto assoluto, per loro inesistente, di conseguenza ritenevano che lo spazio compreso tra la terra e l’universo lontano non potesse essere vuoto. Dato che la porzione di spazio tra la terra e il cielo accessibile all’esperienza umana conteneva aria, si suppose che tutto lo spazio la contenesse. Per questo, nel 570 a.C il filosofo greco Anassimene , anch’esso di Mileto, affermò che l’elemento dell’universo era l’ aria. Secondo lui, l’aria veniva compressa verso il centro dell’universo trasformandosi in terra e acqua. Il filosofo Eraclito faceva un ragionamento diverso: se la caratteristica dell’universo era la trasformazione, si doveva scegliere come elemento una sostanza anch’essa caratterizzata dalla trasformazione. Tale sostanza secondo Eraclito era il fuoco , sempre mutevole e sempre in movimento. A causa della dominazione persiana nello ionio, Pitagora di Samo lasciò Samo nel 529 a.C e si trasferì nell’Italia meridionale dove i suoi insegnamenti diedero vita ad un'importante scuola di pensiero. Tra i suoi seguaci più importanti, il filosofo greco Empedocle affrontò il problema dell’elemento alla base della costituzione dell’universo. Di fronte all’impossibilità di scegliere tra le alternative proposte dai filosofi ionici, trovò una soluzione di compromesso: non doveva per forza esserci un solo elemento, poteva esserci il fuoco di Eraclito, l’acqua di Talete, l’aria di Anassimene, e la terra aggiunta da Empedocle stesso. Tale dottrina dei 4 elementi fu accettata dal più grande dei filosofi greci, Aristotele , che però non credeva che tali elementi fossero letteralmente le 4 sostanze citate: non pensava che l’acqua che possiamo toccare e sentire fosse effettivamente l’elemento “ acqua ” citato da Talete, ma semplicemente la sostanza più somigliante ad esso. Aristotele considerava gli elementi come combinazioni di due coppie di caratteri opposti: caldo e freddo, asciutto e bagnato. Un carattere non poteva combinarsi col suo opposto, per cui nello schema di Aristotele erano possibili 4 combinazioni, ciascuna delle quali rappresentava un elemento diverso:
1. caldo/asciutto = fuoco; 2. caldo/bagnato = aria; 3. freddo/asciutto = terra; 4. freddo/bagnato = acqua. Ciascun elemento inoltre, possedeva una serie di proprietà congenite, ad esempio, era naturale che la terra cadesse e che il fuoco salisse. I corpi celesti, al contrario, possedevano proprietà diverse da quelle di qualsiasi sostanza terrestre: invece di cadere o salire, essi sembravano descrivere attorno alla Terra orbite circolari costanti. Pertanto, Aristotele affermò che il firmamento doveva essere composto di un quinto elemento, che chiamò etere (“brillare”, la proprietà più caratteristica dei corpi celesti era la lucentezza). Dato che il firmamento sembrava immutabile, Aristotele giudicò l’etere perfetto, eterno e incorruttibile, a differenza dei 4 elementi imperfetti della Terra stessa. Il concetto dei 4 elementi dominò le menti dell’umanità per 2000 anni. Anche se ora è morto, il concetto vive ancora nelle nostre espressioni comuni: parliamo spesso dei 4 elementi
proprio. Nell’epoca romana, l’arte della khemeia subì un notevole regresso, due le principali motivazioni:
1. l’imperatore romano Diocleziano temeva che la khemeia potesse riuscire a produrre oro a buon mercato, rovinando così l’economia dell’impero. Per questo ordinò la distruzione di tutti gli scritti dedicati alla khemeia ; 2. con il consolidarsi del cristianesimo, la scienza cominciò ad essere considerata con sospetto, in particolare la khemeia , dati i suoi legami con la religione egiziana, che quindi dovette rifugiarsi nella clandestinità. La scienza greca abbandonò completamente il mondo romano. Il cristianesimo era diviso in varie sette, una di queste era detta dei Nestoriani (seguaci di Nestorio). Essi erano perseguitati dai cristiani ortodossi di Costantinopoli e per questo si rifugiarono in Persia dove portarono con loro la scienza greca sotto forma di molti libri di alchimia.
Gli arabi: Nel settimo secolo comparvero poi gli Arabi, che nel 641 d.C. invasero la Persia dove incontrarono ciò che rimaneva della scienza greca, restandone affascinati. Il loro interesse fu incoraggiato da una considerazione pratica: durante l’assedio di Costantinopoli erano stati respinti dal fuoco greco di Callinico, una miscela chimica che bruciava emettendo forte calore e che l’acqua non riusciva a spegnere. In arabo khemeia diventò al-kimiya , in italiano alchimia , termine con cui si indica attualmente l’intera evoluzione della storia della chimica a partire dal 300 a.C fino al 1600 d.C. L’alchimia araba diede il meglio di sé all’inizio del periodo della dominazione musulmana, il più capace e rinomato degli alchimisti arabi fu Giabir. I suoi scritti sono numerosi, si concentrò soprattutto sulla trasmutazione dei metalli. Egli riteneva che il mercurio fosse il metallo per eccellenza, dato che la sua natura liquida lasciava supporre che nella sua composizione ci fosse anche una quantità minima di terra. Altro metallo perfetto era lo zolfo, che possedeva il dono della combustione e la colorazione dell’oro. Giabir pensava quindi che i vari metalli fossero composti di differenti miscugli di mercurio e zolfo, per cui non restava che scoprire la sostanza in grado di agevolare tale mescolanza nelle proporzioni adatte per produrre l’oro. Questa sostanza era una polvere secca che i greci chiamavano xerion (“asciutto”), gli arabi la trasformarono in al-kisir che in Europa diventò elisir , ma qui era nota anche come pietra filosofale. Si diffuse la convinzione che tale elisir servisse come cura di tutte le malattie e potesse conferire l’immortalità. Si parlava quindi di elixir di lunga vita. Nei secoli che seguirono infatti, l’alchimia si sviluppò in due filoni paralleli:
- mineralogico = oro come obiettivo;
- medico = mirava alla scoperta di una panacea (rimedio universale ad ogni malattia). A Giabir, fece seguito l’alchimista persiano Al-Razi , che aggiunse al mercurio e allo zolfo come terzo principio della composizione dei solidi, il sale. Al-Razi si interessava più agli aspetti medici dell’alchimia, proprio come il suo successore Avicenna , il medico più importante che sia vissuto nel periodo compreso tra l’impero romano e la nascita della scienza moderna.
Il risveglio dell’Europa: Dopo Avicenna la scienza araba declinò rapidamente, e la supremazia in campo scientifico passò all’Europa occidentale. I primi contatti dei popoli europei con il mondo islamico furono conseguenza delle Crociate, che portarono ad una fusione di culture e ad una certa ammirazione europea per la scienza araba. Si iniziarono a tradurre in latino le opere arabe, allo scopo di renderle accessibili agli studiosi europei. Uno dei primi traduttori fu il futuro Papa Silvestro II, uno dei primi a tradurre un testo di alchimia fu invece l’inglese Roberto di Chester, ma il più grande dei traduttori fu il dotto italiano Gerardo da Cremona. A partire dal 1200 quindi, gli studiosi ebbero la possibilità di assorbire le conoscenze del passato e di cercare di farle progredire. Il primo alchimista europeo importante fu Alberto Magno , che studiò profondamente l’arsenico e i suoi utilizzi. Suo contemporaneo fu Ruggero Bacone , considerato (a torto) lo scopritore della polvere da sparo per quanto se ne occupò. La polvere da sparo contribuì a distruggere l’ordine della società medioevale, fornendo agli eserciti un mezzo per radere al suolo gli avversari. Fu il primo simbolo di quel progresso tecnologico che condurrà gli eserciti europei alla conquista degli altri continenti. Il nome del più importante alchimista medioevale tuttavia non è noto, i suoi scritti portano il nome di Geber, l’alchimista arabo vissuto nei secoli prima, di lui non si sa niente tranne che probabilmente era spagnolo e che scrisse verso il 1300. Fu il primo a descrivere l’acido solforico e l’acido nitrico concentrato. Tali acidi si ottenevano dai minerali, mentre gli acidi già noti precedentemente derivavano dal mondo vegetale. La scoperta degli acidi minerali forti costituì
il più importante progresso compiuto dalla chimica dopo la scoperta della tecnica dell’estrazione del ferro dal minerale. Si apriva la possibilità di effettuare molte reazioni chimiche e di dissolvere molte sostanze. Tuttavia, gli acidi non fecero molta impressione, si continuò a cercare l’oro con avidità, ma a farlo erano prevalentemente imbroglioni, così fu proibito lo studio dell’alchimia: un po’ per paura che qualcuno riuscisse davvero a produrre oro, un po’ per indignazione nei confronti dei truffatori. Nel 1453 Costantinopoli cadde in mano ai Turchi, e gli scienziati greci fuggirono in Europa occidentale portando con sé i propri saperi. Questo periodo fu anche quello delle esplorazioni geografiche: l’intero continente venne circumnavigato nel 1497, grazie ai viaggi di Cristoforo Colombo ci si rese conto che era stata scoperta una nuova metà del mondo. Gli Europei, dimostratisi superiori nella navigazione, avrebbero potuto benissimo rivelarsi superiori anche in altri campi, divenne infatti più facile mettere in dubbio le conclusioni raggiunte dagli antichi. In questa stessa età delle esplorazioni , Johann Gutenberg realizza la prima macchina per la stampa, per la prima volta nella storia si ha la possibilità di produrre libri in grandi quantità. In questo modo infatti, molti libri che sarebbero stati ignorati da pensatori ortodossi, non potevano essere trascurati in quanto troppo diffusi. Uno dei primi libri pubblicati fu infatti il poema di Lucrezio sulla dottrina atomistica. Nel 1543 vennero pubblicati due libri rivoluzionari: ➔ uno dell’astronomo polacco Niccolò Copernico, che sosteneva che il centro dell’universo fosse il sole e non la terra come insegnavano i grandi astronomi greci; ➔ l’altro scritto dall’anatomista fiammingo Andrea Vesalio che descriveva l’anatomia umana con una precisione senza precedenti. Questo simultaneo rovesciamento dell’astronomia e della biologia greca segnarono l’inizio della rivoluzione scientifica. Tale rivoluzione penetrò solo lentamente nel mondo dell’alchimia, ma si fece sentire di più in quello mineralogico e medico.
La fine dell’alchimia: Il nuovo spirito compare nelle opere di due autori, medici entrambi: Bauer più conosciuto come Agricola e Von Hohenheim, più conosciuto come Paracelso. Bauer si interessa alla mineralogia studiando i possibili rapporti tra questa scienza e le medicine. Scrive il libro De Re Metallica (“sulla metallurgia”) nel 1556, con cui nasce la scienza della mineralogia. Paracelso invece, segnò il trasferimento dall’oro alla medicina delle prerogative fondamentali dell’alchimia. La ragion d’essere dell’alchimia, secondo lui, non consisteva nella scoperta di tecniche per la trasmutazione, ma nella preparazione di medicine con le quali curare le malattie. Paracelso cercò insistentemente la pietra filosofale, in quanto elixir di lunga vita, e scoprì lo zinco metallico. Nel 1597 l’alchimista tedesco Andreas Libau, conosciuto come Libavio , pubblicò la sua Alchemia. Fu il primo a descrivere la preparazione dell’acido cloridrico, del tetracloruro di stagno e del solfato di ammonio, nonché dell’acqua regia (miscela di acido nitrico e cloridrico) che ha la capacità di intaccare l’oro. Successivamente, il chimico tedesco Glauber scoprì un metodo per la produzione dell’acido cloridrico per effetto dell’azione dell’acido solforico sul sale comune. Dalla reazione ottenne un residuo, il solfato di sodio, conosciuto come sale di Glauber , che egli chiamò sal mirabile e iniziò a smerciare come cura universale. Lo studio dei minerali e della medicina era troppo utile e vantaggioso perché si potesse continuare a perdere tempo nella ricerca dell’oro, per cui, nel diciassettesimo secolo l’alchimia perse gradualmente importanza per trasformarsi nel secolo successivo in quella che oggi chiameremmo chimica.
TRANSIZIONE
La misura: Le conoscenze in campo della chimica erano arretrate rispetto ad altre branche della scienza. L’astronomia per esempio, era molto più progredita, anche per la semplicità dei problemi astronomici affrontati dagli antichi, alcuni dei quali si potevano risolvere anche con il solo aiuto della geometria piana. L’applicazione alla fisica della matematica si ebbe nell’opera dello scienziato italiano Galileo Galilei , che studiò il comportamento dei gravi in caduta libera. I risultati dei suoi esperimenti condussero alle importanti conclusioni dello scienziato inglese Isaac Newton che nel suo libro Principia Mathematica introdusse le 3 leggi del moto e la teoria della gravitazione universale che fornì una spiegazione adeguata al funzionamento dell’universo. Con Newton si arrivò al culmine della rivoluzione scientifica, l’Europa superò completamente la guida dei Greci o degli altri popoli dell’antichità. Nel campo della chimica, l’analogo passaggio dalla descrizione qualitativa alla misurazione quantitativa accurata si verificò un secolo dopo l’opera di Newton. I chimici esitavano ad adottare le tecniche matematiche quantitative di Galileo e Newton
volume è infatti una trasformazione fisica disciplina che si affermò solo due secoli dopo, ma le cui basi furono gettate da Boyle. La diffusione del poema di Lucrezio aveva portato le teorie greche sull’atomismo all'attenzione degli studiosi europei, primo tra tutti il filosofo francese Pierre Gassendi che divenne un acceso atomista e i suoi scritti impressionarono Boyle, che lo divenne a sua volta. L’aria può essere compressa facilmente, come Boyle aveva appena dimostrato, ciò non sarebbe stato possibile se l’aria non fosse consistita di minuscoli atomi separati da spazi vuoti. La compressione dell’aria da questo punto di vista non era altro che l’eliminazione degli spazi vuoti dal volume della sostanza e il conseguente avvicinamento degli atomi. Se si accetta questa concezione dei gas, risulta più facile convincersi che anche i liquidi e i solidi sono composti di atomi. Altro esempio: l’acqua fatta bollire si trasforma in vapore acqueo, una sostanza aeriforme composta di atomi, ma se appunto l’acqua è composta di atomi allo stato di gas perché non dovrebbe esserlo allo stato liquido o solido? E se questo ragionamento vale per l’acqua, perché non dovrebbe per tutta la materia? Per la prima volta da quando 2000 anni prima era nato l’atomo, l’atomismo cominciò ad avere numerosi seguaci. Anche Newton divenne atomista. Tuttavia, dovette passare ancora un secolo prima che si definissero le caratteristiche dell’atomo.
La nuova concezione degli elementi: Boyle eliminò le espressioni “alchimia” e “alchimista” scrivendo il suo libro “ Il chimista scettico ” nel 1661, da allora in poi la scienza fu denominata chimica. Boyle era scettico perché non era più disposto ad accettare ciecamente le antiche conclusioni raggiunte con ragionamenti basati su premesse iniziali. In particolare, era insoddisfatto dei tentativi compiuti nel passato per individuare gli elementi dell’universo. Si riteneva infatti fin dai tempi di Talete che essi fossero le sostanze semplici e primitive delle quali era composto l’universo, ma occorreva provare che fossero effettivamente semplici. Se una sostanza si poteva scindere in sostanze più semplici, essa non era un elemento, mentre le sostanze più semplici in cui era stata scissa potevano esserlo. Inoltre, se due sostanze erano entrambe elementi, esse potevano combinarsi insieme formando una terza sostanza detta composto , che poi si doveva poter scindere nei due elementi originari. Secondo questo punto di vista, una qualsiasi sostanza poteva essere definita elemento solo in via provvisoria, dato che nessuno era in grado di escludere che il progresso della scienza avrebbe potuto un giorno scindere il presunto elemento in sostanze ancora più semplici. Solo nel ventesimo secolo si rese possibile una definizione permanente della natura degli elementi. Boyle credeva valida la teoria di molti alchimisti secondo cui i metalli non fossero elementi, ma era possibile trasformare un metallo in un altro. Per questo, nel 1689 esortò il governo britannico a revocare la legge contro la produzione alchimistica dell’oro poiché riteneva che trasformando l’oro in un altro metallo si sarebbe potuta dimostrare la teoria atomica della materia. Ma su questo ebbe torto, i metalli (oro, argento, rame, ferro, stagno, piombo, mercurio) si rivelarono veri e propri elementi, così come i due metalloidi carbonio e zolfo. Boyle scoprì però un nuovo elemento, il fosforo , ricavato dall’urina. Era stato preceduto tuttavia dal chimico tedesco Brand , il primo a scoprire un elemento prima di allora sconosciuto, prima dello sviluppo della scienza moderna.
Il flogisto: Le scoperte del diciassettesimo secolo sulla pressione dell’aria ebbero importanti conseguenze. Fu costruita nel 1700 dall’ingegnere inglese Thomas Savery la prima macchina a vapore , pericolosa perché utilizzava vapore ad alta pressione. Savery ne costruì poi un’altra in collaborazione con Newcomen , in grado di funzionare con vapore a bassa pressione. Il meccanismo fu davvero reso efficiente verso la fine del diciottesimo secolo dall’ingegnere scozzese James Watt.
L’acqua spruzzata sul cilindro faceva condensare il vapore, generando il vuoto. Il pistone discendeva nel vuoto e veniva fatto risalire da una nuova immissione di vapore.
Per la prima volta, l’umanità aveva a disposizione una fonte di energia alla quale poteva attingere in qualsiasi momento e in qualsiasi luogo, semplicemente facendo bollire dell’acqua su un fuoco di legna o carbone. Fu questo il principale fattore che contrassegnò l’inizio della rivoluzione industriale. La possibilità di impiegare il fuoco , per mezzo della macchina a vapore, a compiere i lavori pesanti dell’umanità, indusse i chimici a riprendere in esame la natura del fuoco e della combustione. Secondo i greci, le sostanze in grado di bruciare contenevano in sé l’elemento del fuoco, che veniva liberato in circostanze favorevoli. Secondo gli alchimisti, i combustibili contenevano invece il principio dello zolfo. Nel 1669 il chimico tedesco Becher diede una struttura più razionale a questa teoria: immaginò che i solidi fossero composti da 3 tipi di terra, e chiamò una di queste “terra pinguis ” (“terra grassa”), identificandola come il principio della infiammabilità. Uno dei seguaci di Becher fu il medico e chimico tedesco Stahl , che propose un altro nome per tale principio, chiamandolo flogisto , una parola greca che significa “incendiare”. Secondo Stahl, le sostanze combustibili erano ricche di flogisto e il processo di combustione consisteva nella cessione del flogisto all’aria. Dopo la combustione, ciò che rimaneva era privo di flogisto e quindi non poteva più bruciare, la legna quindi ne era ricca, ma la cenere no. Stahl sosteneva inoltre che la formazione della ruggine nei metalli era un fenomeno analogo alla combustione del legno: riteneva che i metalli contenessero flogisto mentre le rispettive ruggini no. La sua fu un'intuizione importante che fornì una spiegazione alla trasformazione dei minerali rocciosi in metalli, la prima grande scoperta chimica della civiltà. La spiegazione era la seguente: il minerale roccioso, povero di flogisto, viene riscaldato insieme al carbone di legna che è ricco di flogisto. Il flogisto passa dal carbone di legna al minerale, cosicché il carbone di legna si trasforma in cenere priva di flogisto, mentre il minerale povero di flogisto si trasforma in metallo ricco di flogisto. Inoltre, secondo Stahl l’aria aveva un’utilità indiretta nella combustione, serviva semplicemente da intermediaria, catturando il flogisto che usciva dal legno o dal metallo per poi passarlo a qualche altra sostanza, nel caso fosse presente. La teoria flogistica di Stahl incontrò l’opposizione del medico olandese Boerhaave , che sosteneva che la combustione e la formazione di ruggine non potevano essere aspetti diversi dello stesso fenomeno. Secondo Stahl, la spiegazione era che nella combustione di sostanze come il legno il flogisto si allontanava così velocemente che il suo passaggio riscaldava l’ambiente circostante e quindi diventava visibile sotto forma di fiamma. Nella formazione di ruggine invece la perdita di flogisto avveniva più lentamente e non compariva alcuna fiamma. Nonostante l’opposizione quindi, la teoria flogistica incontrò numerosi seguaci e nel 1780 era ormai quasi universalmente accettata dai chimici. Rimaneva comunque una difficoltà che nessuno di loro riusciva a spiegare: la maggior parte delle sostanze combustibili sembravano scomparire quasi completamente con la combustione, la cenere residua ad esempio, era molto
aveva la proprietà di assorbire l’anidride carbonica. L’aria che rimaneva non alimentava la combustione, le candele immerse in essa si spegnevano, e i topi non potevano respirarla. Dato che Black e Rutherford erano entrambi seguaci della teoria flogistica, cercarono di spiegare i risultati ottenuti in base ad essa: la respirazione dei topi e la combustione delle candele e del fosforo generavano flogisto, che si mescolava all’aria insieme all’anidride carbonica che si andava formando. Quando poi veniva assorbita l’anidride carbonica, l’aria che rimaneva conteneva ancora molto flogisto, tanto da esserne satura e non poterne assorbire dell’altro. Per questo gli oggetti immersi in essa non bruciavano più. In base a questo ragionamento, Rutherford chiamò aria flogistica il gas che era riuscito ad isolare. Oggi invece, lo chiamiamo azoto e attribuiamo a Rutherford il merito della sua scoperta. Idrogeno e ossigeno: Altri due chimici inglesi sostenitori della teoria flogistica fecero progressi nello studio dei gas. Il primo di essi era Henry Cavendish , egli si interessava particolarmente a un gas che si formava dalla reazione degli acidi con certi metalli, l’ idrogeno. Tale gas era già stato isolato da altri, ma Cavendish fu il primo a studiarne le proprietà, gli viene quindi attribuito il merito della scoperta. Cavendish fu il primo a misurare il peso di alcuni volumi di gas diversi, in modo da poterne determinare la densità. Scoprì in questo modo che l’idrogeno è il gas meno denso che si conosca. Questo gas aveva poi un’altra caratteristica fuori dal comune: a differenza dell’anidride carbonica e dell’aria, era infiammabile. Considerata la sua estrema leggerezza e infiammabilità, Cavendish cominciò a pensare di aver scoperto proprio il flogisto. Il secondo chimico era invece Joseph Priestley , raccogliendo dell’anidride carbonica al di sopra dell’acqua, egli scoprì che una parte del gas si scioglieva conferendo all’acqua un piacevole sapore acido: si trattava di quella che oggi chiamiamo gazzosa. Priestley può essere considerato il padre della moderna industria delle bevande analcoliche. Successivamente, Priestley passò allo studio di altri gas. All’epoca se ne conoscevano solo 3: l’aria, l’anidride carbonica, e l’idrogeno. Rutherford stava per aggiungere il quarto, l’azoto. Dato che i suoi esperimenti precedenti gli avevano fatto scoprire che i gas potevano essere solubili nell’acqua, provò a raccoglierli al di sopra del mercurio. Con questo metodo ottenne: l’ossido di azoto, l’ammoniaca, l’acido cloridrico, l’anidride solforosa. Nel 1774 tale metodo lo portò a compiere la scoperta più importante: riscaldando il mercurio all’aria si ottiene una sorta di calce color rosso mattone (ossido di mercurio), riscaldandola, tale calce si decomponeva di nuovo formando mercurio allo stato liquido e un gas dalle eccellenti proprietà. In questo gas infatti, le sostanze combustibili bruciavano più rapidamente e con fiamma più brillante che nell’aria. Dato che gli oggetti in questo nuovo gas bruciavano così facilmente, Priestley ipotizzò che essi potevano emettere flogisto con insolita facilità, ma la cosa non si spiegava, a meno che tale gas non fosse privo del normale contenuto di flogisto e pertanto particolarmente predisposto ad accoglierne una nuova dose. Priestley, chiamò quindi il nuovo gas aria deflogisticata. Alcuni anni dopo, fu chiamato poi ossigeno. L’aria deflogisticata di Priestley era proprio l’opposto di quella flogisticata di Rutherford (nella prima i topi sembravano vivaci e allegri, mentre nella seconda morivano). Nel diciottesimo secolo inoltre, una serie di chimici svedesi fecero compiere alla mineralogia numerosi progressi nella loro nazione:
➔ George Brandt aveva studiato un minerale azzurrognolo simile al minerale di rame, ma che non produceva rame. I minatori credevano si trattasse di minerale stregato dagli spiriti della terra, i cosiddetti coboldi. Brandt dimostrò che non conteneva rame, bensì un metallo nuovo, che chiamò cobalto dal nome dei folletti; ➔ Axel Cronstedt scoprì il nichelio ; ➔ Johann Gahn isolò il manganese ; ➔ Peter Jacob Hjelm isolò il molibdeno.
Cronstedt inoltre, introdusse l’uso del cannello nello studio dei minerali: un tubo lungo e assottigliato a una estremità. Soffiando nell’apertura più larga, si otteneva all’estremità più sottile un getto d’aria concentrato. Tale getto, rivolto contro una fiamma, ne accresceva il calore. Quando la fiamma surriscaldata lambiva un pezzo di minerale, dal colore della fiamma stessa, dalla natura dei vapori generati e degli ossidi o delle sostanze metalliche residue, era possibile dedurre informazioni sulla natura e sulla composizione del minerale. Per un secolo il cannello rimase uno degli strumenti chiave dell’ analisi chimica.
La nuova tecnica del cannello permise di collezionare una quantità tale di informazioni che Cronstedt stilò una prima classificazione dei minerali in base alla loro struttura chimica. L’opera fu portata avanti da un altro mineralogista svedese, Bergman , il quale elaborò una teoria in grado di spiegare perché una determinata sostanza reagisse con una seconda sostanza, ma con una terza: egli ipotizzò l’esistenza di affinità di vario grado tra le sostanze, e elaborò delle tavole elencanti tali affinità. Grande amico e collaboratore di Bergman era il chimico svedese Scheele , il quale scoprì diversi acidi: tartarico, citrico, benzoico, malico, ossalico, gallico (appartenenti al mondo vegetale); lattico, urico (mondo animale); molibdico, arsenioso (mondo minerale). Inoltre studiò 3 gas velenosi: l’acido fluoridrico, l’acido solfidrico e l’acido cianidrico. La sua realizzazione più importante fu la preparazione dell’ossigeno e dell’azoto: ottenne l’ossigeno riscaldando un certo numero di sostanze che lo contenevano in forma facilmente separabile, tra cui l’ossido mercurico usato più tardi da Priestley.
Il trionfo della misura: Verso la fine del diciottesimo secolo cominciò a imporsi l’esigenza di riunire in una teoria generale tutte le scoperte avvenute nel campo dei gas. A farlo fu il chimico francese Antoine Laurent Lavoisier. Egli riconosceva l’importanza delle misurazioni accurate: la sua prima opera importante infatti, fu uno studio sulla composizione del gesso, che fece riscaldare per eliminare il contenuto di acqua. Misurò poi la quantità di acqua ottenuta. Lavoisier adottava tali procedimenti allo scopo di demolire le vecchie convinzioni che ostacolavano il progresso della chimica. C’era ancora qualcuno infatti che aderiva all’antico concetto greco degli elementi e sosteneva la possibilità della trasmutazione, perché l’acqua fatta riscaldare per molti giorni consecutivi si trasformava in terra (in un sedimento solido). Lavoisier decise di provare questa presunta trasmutazione: per 101 giorni fece bollire l’acqua in un apparecchio che faceva condensare il vapore acqueo e lo immetteva di nuovo nel recipiente in ebollizione, in modo che nel corso dell’esperimento non andasse persa alcuna sostanza. Pesò sia l’acqua che il recipiente prima e dopo il periodo di ebollizione. Comparve effettivamente un sedimento, ma il peso dell’acqua non cambiò durante tutto l’esperimento, pertanto il sedimento non poteva essere stato formato dall’acqua. Il sedimento non era acqua trasformata in terra, bensì sostanza appartenente in origine al vetro (del recipiente) e lentamente erosa dall’acqua, nella quale era precipitata sotto forma di frammenti solidi. Fu un esempio lampante di come la misurazione permetteva di arrivare alla dimostrazione dei fatti. Lavoisier si interessava inoltre alla combustione, grande problema della chimica del diciottesimo secolo. Si associò ad un gruppo di chimici per l’acquisto di un diamante che venne poi fatto scaldare fino alla sua totale scomparsa. Si formò dell’anidride carbonica: fu la prima dimostrazione del fatto che il diamante era una forma di carbonio e quindi una sostanza strettamente legata al carbone. Riscaldò poi metalli come lo stagno e il piombo in recipienti chiusi contenenti limitate quantità d’aria. Entrambi i metalli formavano uno strato superficiale di calce e poi non arrugginivano più. I seguaci della teoria flogistica spiegavano il fenomeno sostenendo che l’aria avesse assorbito dal metallo tutto il flogisto che era capace di contenere. Si sapeva benissimo che la calce era più pesante del metallo, tuttavia, quando Lavoisier pesava l’intero recipiente (metallo+aria+calce) questo pesava esattamente come prima dell’esperimento. Da ciò si desumeva che se il metallo aveva acquisito peso nel trasformarsi parzialmente in calce, qualche altra cosa all’interno del recipiente doveva aver perso la stessa quantità di peso, e questa “altra cosa” doveva essere l’aria. In questo caso, all’interno del recipiente si sarebbe dovuto formare un vuoto parziale, e infatti quando Lavoisier lo apriva, l’aria vi si precipitava dentro facendo acquistare peso al recipiente e al suo contenuto. Lavoisier aveva così dimostrato che la trasformazione del metallo in calce non era conseguenza di una perdita di flogisto, bensì di un acquisto di una parte di aria. A questo punto era possibile fornire una nuova teoria sulla formazione dei metalli a partire dai rispettivi minerali: Lavoisier affermò che i minerali erano combinazioni di metallo e di gas, riscaldando il minerale con del carbone di legna, il carbone asportava il gas formando anidride carbonica e lasciando come residuo il metallo. Quindi mentre Stahl sosteneva che il processo di combustione comportava un passaggio di flogisto dal carbone al minerale, Lavoisier sosteneva l’esatto contrario. Entrambe le teorie potrebbero a questo punto sembrare equivalenti, ma in realtà, quella di Lavoisier, a differenza di quella di Stahl, spiegava le variazioni di peso che si verificavano nella combustione: la calce pesava più del metallo di origine, e la differenza corrispondeva al peso di aria assorbita. Quindi, nel corso dei suoi esperimenti, Lavoisier si convinse che, prendendo in considerazione tutte le sostanze partecipanti a una reazione chimica e tutti i prodotti formati, non si sarebbero mai
rivolse la sua attenzione su queste reazioni di neutralizzazione e misurò le quantità esatte dei diversi acidi che occorrevano per neutralizzare una data quantità di una determinata base, e viceversa. Scoprì che occorrevano quantità fisse e definite, esisteva quindi una sorta di peso equivalente : un peso fisso di una data sostanza chimica reagiva con un peso fisso di un’altra. Iniziò un’aspra battaglia per decidere se questo genere di rapporti fissi valesse non soltanto nella neutralizzazione di acidi e basi ma in tutte le reazioni chimiche. Berthollet , era convinto di no: se un composto consisteva degli elementi x ed y avrebbe contenuto semplicemente una quantità di x superiore alla media se fosse stato preparato con più x che y. A tale opinione di opponeva Proust che dimostrò che il carbonato di rame per esempio, conteneva proporzioni definite di rame, carbonio e ossigeno. Il rapporto dei componenti era sempre di 5,3 parti di rame contro 4 parti di ossigeno e 1 di carbonio. Proust formulò quindi la generalizzazione secondo cui in tutti i composti gli elementi sono contenuti in determinate proporzioni definite e non in altre combinazioni. Tale teoria prende il nome di legge delle proporzioni definite o legge di Proust. Se la materia era costituita davvero di atomi, la legge di Proust era una conseguenza logica: immaginiamo che i composti si formino soltanto quando un atomo di x si unisce a un atomo di y. Immaginiamo poi che ciascun atomo di x pesi 4 volte ogni atomo di y. Il composto consisterebbe allora esattamente di 4 parti di x per una parte di y. Per poter variare queste proporzioni, un atomo di y dovrebbe essere in grado di unirsi a poco più o poco meno di un atomo di x. Dato che gli atomi, fin dai tempi di Democrito, erano stati concepiti come parti indivisibili della materia, non era ragionevole supporre che ad un atomo si potesse togliere o aggiungere qualcosa. Dalla legge si poteva quindi dedurre che gli atomi erano effettivamente oggetti indivisibili.
La teoria di Dalton: Seguendo lo stesso ragionamento, il chimico inglese John Dalton osservò che due elementi erano in grado di combinarsi secondo più di una serie di proporzioni, in tal caso però, per ogni variazione si formava un composto differente. Per esempio, prendendo carbonio e ossigeno: 3 parti di carbonio si uniscono a 8 di ossigeno formando anidride carbonica. 3 parti di carbonio e 4 di ossigeno formano invece l’ossido di carbonio. Le differenti quantità di ossigeno che si combinano con una fissa quantità di carbonio danno luogo a diversi rapporti di numeri. Questa è la legge delle proporzioni multiple che Dalton presentò nel 1803. Tale legge si accorda benissimo con le concezioni atomistiche: se la materia consistesse davvero di minuscoli atomi indivisibili, sarebbero proprio queste le variazioni di struttura che ci si potrebbe aspettare di rilevare, per questo la legge appare ragionevole. Quando venne sottoposta a verifica da altri chimici, la legge fu universalmente accettata. Gli atomi erano però troppo piccoli per essere rilevati, l’osservazione diretta era quindi impossibile, tuttavia era possibile ottenere informazioni sul peso relativo degli atomi per mezzo di misurazioni dirette. Per esempio, se nel formare l’ammoniaca una parte di idrogeno si combina con 5 parti di azoto, e se si suppone che la molecola dell’ammoniaca sia formata da un atomo di idrogeno e uno di azoto, si verrebbe ad assegnare di conseguenza all’atomo di azoto un peso pari a 5. Ragionando in questa maniera, Dalton preparò la prima tavola dei pesi atomici. Il principale difetto era costituito dall’ostinazione di Dalton nel ritenere che, in generale, le molecole fossero formate dall’accoppiamento di 1 solo atomo di un elemento con un solo atomo di un altro. Questa combinazione di 1 a 1 non corrispondeva affatto alla regola. Nel dimostrarlo, per la prima volta l’ energia elettrica fa la sua comparsa nel mondo della chimica. Le prime nozioni sull’elettricità risalgono al mondo greco, i quali scoprirono che strofinando l’ambra, essa acquistava la capacità di attrarre a sé corpi leggeri. Il fisico inglese Gilbert scoprì che l’ambra non era l’unico corpo in grado di avere un potere di attrazione se strofinato, propose che le sostanze di questo genere venissero chiamate elettriche dalla parola greca che significa ambra. Tali sostanze erano dotate di carica elettrica , contenevano cioè elettricità. Il chimico francese du Fay affermò che esistevano due tipi di cariche elettriche: una che si poteva provocare nel vetro (elettricità vetrosa ) e una dall’ambra (elettricità resinosa ). Se una sostanza era dotata di un tipo di carica, attirava un’altra sostanza di carica opposta, mentre due sostanze di carica uguale si respingevano a vicenda. Benjamin Franklin avanzò poi l’ipotesi che esistesse un fluido elettrico: se contenevano una quantità di fluido superiore al normale allora le sostanze erano dotate di carica positiva (vetro), se al contrario ne contenevano una quantità inferiore al normale si parlava di carica negativa (resina). Successivamente, Alessandro Volta scoprì che due metalli, separati da soluzioni capaci di condurre cariche elettriche, potevano generare cariche elettriche nuove a mano a mano che quelle vecchie venivano allontanate per mezzo di un filo conduttore. Aveva inventato la prima
pila elettrica , e generato una corrente elettrica , alimentata dalla reazione chimica a cui partecipavano i due metalli e la soluzione che li separava. Le esperienze di Volta fornirono il primo indizio sicuro che le reazioni chimiche avessero a che fare con l’elettricità. Se una reazione chimica poteva generare elettricità, allora era possibile anche il contrario. A questo scopo, i due chimici inglesi Nicholson e Carlisle fecero passare nell’acqua una corrente elettrica e si accorsero che, in corrispondenza delle piastrine di metallo conduttore che avevano immerso nell’acqua, cominciavano ad apparire delle bollicine di gas. Il gas che si formava su una delle piastrine era idrogeno, quello sull’altra era ossigeno. Avevano quindi decomposto l’aria nei suoi due componenti tramite la corrente elettrica. Tale procedimento prende il nome di elettrolisi ed era esattamente l’opposto dell’esperimento di Cavendish (gas H+O = H2O). Racchiudendo poi l’ossigeno e l’idrogeno prodotti in recipienti separati, si scoprì che il volume dell’idrogeno era il doppio di quello dell’ossigeno. Ciò lasciava supporre che nella molecola dell’acqua, ci fossero più atomi di idrogeno che di ossigeno: ogni molecola ne conteneva 2 di idrogeno e 1 di ossigeno, anziché 1 per ogni elemento come proponeva Dalton.
L’ipotesi di Avogadro: Le scoperte di Nicholson e Carlisle furono consolidate dall’opera del chimico francese Gay-Lussac il quale scoprì che 2 volumi di idrogeno si combinavano con 1 volume di ossigeno formando l’acqua. In questo modo, scoprì che nella formazione di composti, i gas si combinano insieme sempre secondo rapporti di piccoli numeri interi. Enunciò questa legge dei volumi di combinazione nel 1808. Prendiamo in esame ora l’idrogeno e il cloro: questi due gas si combinano insieme formando l’acido cloridrico. Un volume di idrogeno si combina con un volume di cloro quindi la molecola dell’acido cloridrico è costituita da un atomo di idrogeno e uno di cloro. Supponiamo che il gas di idrogeno consista di singoli atomi di idrogeno distribuiti a grandi intervalli l’uno dall’altro, e che la stessa cosa valga per il gas di cloro. Immaginiamo di combinare 100 atomi di idrogeno con 100 di cloro, per un totale di 200 particelle (atomi) distanziate tra loro: dovremmo ottenere 100 particelle (molecole) ugualmente distanziate, quindi un volume di idrogeno + un volume di cloro dovrebbe dare soltanto 1 volume di acido cloridrico. Le cose però vanno diversamente: un volume di idrogeno si combina con un volume di cloro dando luogo a 2 volumi di acido cloridrico. Poiché ci troviamo di fronte a 2 volumi iniziali e a 2 volumi finali, sia all’inizio che alla fine dovremmo avere lo stesso numero di particelle ugualmente intervallate. Ma supponiamo che il gas di idrogeno sia composto non da atomi separati ma da molecole di idrogeno composte da due atomi ciascuna, e che, allo stesso modo, il cloro consista di molecole di cloro formate da due atomi ciascuna. In questo caso, i 100 atomi di idrogeno esistono sotto forma di 50 particelle molto intervallate. In totale, avremmo 100 particelle molto intervallate, metà delle quali hanno struttura idrogeno-idrogeno, e l’altra metà cloro-cloro. Se i due gas si combinano, la loro disposizione muterà per dar luogo alla struttura idrogeno-cloro, cioè la combinazione atomica che costituisce la molecola dell’acido cloridrico. Dato che ci sono in tutto 100 atomi di idrogeno (I-I) e 100 di cloro (Cl-Cl) risulteranno 100 molecole di acido cloridrico (I-Cl) ognuna delle quali comprenderà un atomo di ciascun elemento. Quindi, 50 molecole di cloro + 50 molecole di idrogeno = 100 molecole di acido cloridrico, perciò 1 volume di idrogeno + 1 volume di cloro = 2 volumi di acido cloridrico. Tutto ciò è possibile in base a un presupposto fondamentale: nei gas numeri uguali di particelle occupano volumi uguali. Il primo a intuirlo fu il chimico italiano Amedeo Avogadro. Il presupposto, enunciato nel 1811, prende quindi il nome di ipotesi di Avogadro. Grazie a tale ipotesi, apparve più chiara la distinzione tra atomi e molecole (che sono coppie di atomi). Tuttavia, la sua teoria rimase trascurata e molti chimici ancora non avevano chiara tale distinzione. Persisteva incertezza sul valore del peso atomico di alcuni degli elementi più importanti. Fortunatamente, esistevano altri mezzi per determinarli. Uno di questi fu ideato dai due scienziati francesi Dulong e Petit che scoprirono che il calore specifico degli elementi (l’aumento di temperatura determinato dall’assorbimento di una quantità fissa di calore) sembrava variare in maniera inversamente proporzionale al peso atomico. Ovvero, se il peso atomico di x era il doppio di quello di y , la temperatura di x aumentava solo la metà della temperatura di y , quando entrambi assorbivano la stessa quantità di calore. Questa legge si dice legge del calore atomico. Trovandosi quindi di fronte ad un elemento dal peso atomico sconosciuto, basta misurarne quindi il calore specifico per ottenere almeno un’idea approssimata del valore del peso atomico. Tale metodo funzionava solo per i solidi. Successivamente, il chimico tedesco Mitscherlich scoprì che i composti aventi composizione simile tendevano a cristallizzarsi insieme, come se le molecole dell’uno si mescolassero alle molecole dell’altro. Da
legato all’ossigeno che gli atomi di carbonio non riuscivano a strappare via gli atomi di ossigeno. Nessun altro prodotto chimico era in grado di separarli. Il chimico inglese Davy pensò a quel punto che quello che non si poteva scindere attraverso i prodotti chimici si sarebbe potuto dividere grazie al potere della corrente elettrica, come era stato fatto per la molecola d’acqua. Costruì una pila elettrica, la più potente mai costruita fino ad allora, e da questa batteria fece passare forti correnti elettriche attraverso soluzioni che si sospettava contenessero elementi sconosciuti. Non ottenne alcun risultato, a parte la formazione di idrogeno e ossigeno dall’acqua. Andava quindi eliminata l’acqua, ma le sostanze allo stato solido non venivano attraversate dalla corrente elettrica. Davy pensò quindi di fonderle, e di far passare la corrente attraverso i composti allo stato fuso. Avrebbe avuto così a disposizione un liquido conduttore privo d’acqua. Funzionò, e il 6 ottobre 1807 fece passare una corrente attraverso il carbonato di potassio fuso ottenendo il potassio. Tra le altre cose, Davy dimostrò anche che un certo gas verdastro scoperto da Scheele anni prima non era in realtà un ossido, ma un elemento che chiamò cloro dalla parola greca “verde”. Dimostrò inoltre che l’acido cloridrico non conteneva atomi di ossigeno nella propria molecola, smentendo quindi la tesi di Lavoisier secondo cui l’ossigeno rientrava nella composizione di tutti gli acidi. L’opera di Davy sull’elettrolisi fu continuata dal suo discepolo Michael Faraday. Egli fu il primo a definire elettrolisi la scissione delle molecole per mezzo della corrente elettrica. Chiamò inoltre elettroliti i composti o le soluzioni capaci di lasciar passare la corrente elettrica. Chiamò elettrodi le piastre di metallo inserite nella massa fusa o nella soluzione: l’elettrodo dotato di carica positiva era l’ anodo , mentre quello dotato di carica negativa era il catodo. La corrente elettrica veniva trasportata attraverso la massa fusa o la soluzione da entità che chiamò ioni che distinse in anioni se diretti verso l’ anodo e cationi se diretti verso il catodo.
Nel 1832 Faraday annunciò l’esistenza di alcune relazioni quantitative nel campo dell’elettrochimica: ➢ la prima legge dell’elettrolisi affermava che la massa della sostanza liberata a un elettrodo nel corso dell’elettrolisi era proporzionale alla quantità di elettricità passante per la soluzione; ➢ la seconda legge dell’elettrolisi affermava che il peso del metallo liberato da una data quantità di elettricità era proporzionale al peso equivalente del metallo. Da tali leggi si poteva dedurre che l’elettricità fosse divisibile in unità minime e invariabili, come la materia stessa. Esistevano cioè degli “atomi di elettricità”. Fu soltanto alla fine del diciannovesimo secolo che questa teoria venne confermata e che gli “atomi di elettricità” vennero individuati.
LA CHIMICA ORGANICA
La sconfitta del vitalismo: Dalla scoperta del fuoco in poi, l’uomo ha diviso le sostanze in due categorie: combustibili e non. I principali combustibili nell’antichità erano il legno (prodotto del regno vegetale), il grasso e l’olio (prodotti del regno animale). I minerali invece (acqua, sabbia, rocce) non erano combustibili. Si pensò quindi, che le due categorie di sostanze (combustibili e non) potessero coincidere con le categorie di un’altra classificazione, quella che divideva le sostanze tra derivanti o meno da organismi viventi. L’accumularsi delle conoscenze dimostrò poi che il semplice fattore combustibilità non era l’unico criterio di differenziazione tra prodotti della vita e della non-vita. Nel
1807 alla luce di tutte queste differenze Berzelius suggerì di chiamare organiche le sostanze dell’ambiente vivente e inorganiche quelle dell’ambiente non-vivente. Inizialmente, le sostanze organiche erano facilmente trasformabili in inorganiche per mezzo del calore, il fenomeno inverso invece era sconosciuto ai chimici. A quell’epoca si riteneva valida la teoria del vitalismo , secondo cui la vita era uno speciale fenomeno non necessariamente legato alle stesse leggi dell’universo valide per gli oggetti inanimati. Le sue teorie erano state predicate da Stahl. In base al vitalismo, per trasformare materie inorganiche in organiche era necessario un determinato influsso ( forza vitale ) presente esclusivamente all’interno dei tessuti viventi. I chimici, che non erano in grado di manipolare tale forza vitale, non potevano quindi operare tale passaggio. Per queste ragioni, si affermava che le sostanze inorganiche fossero presenti ovunque, nel regno della vita come in quello della non-vita, mentre quelle organiche, che avevano bisogno della forza vitale, potevano stare solo dove ci fosse vita. Tale teoria venne sconvolta da Wöhler , chimico tedesco allievo di Berzelius. Riscaldando il cianato d’ammonio (sostanza inorganica), scoprì che si formavano cristalli di urea, un prodotto espulso da molti animali insieme all’urina, quindi un prodotto organico. Si rese quindi conto di essere in grado di trasformare una sostanza inorganica (cianato d’ammonio) in una organica (urea). Tuttavia, c’è da dire che il cianato d’ammonio non era una sostanza davvero inorganica, ed anche se lo fosse stata, la sua trasformazione in urea era semplicemente il risultato di un cambiamento di posizione degli atomi all’interno della molecola, che non era troppo diversa da quella dell’urea. D’altra parte però, tale scoperta contribuì a distruggere il dominio del vitalismo e servì a indirizzare i chimici a tentare la sintesi delle sostanze organiche. Il chimico Kolbe ad esempio, realizzò la sintesi dell’acido acetico, sostanza organica. La sintesi avveniva secondo un metodo che dimostrava come si potesse tracciare una netta linea di trasformazione chimica dagli elementi di partenza (carbonio, idrogeno, ossigeno) al prodotto finale (acido acetico). Questa sintesi degli elementi o sintesi totale è il massimo che si possa chiedere al chimico. Il chimico francese Berthelot si spinse oltre: affrontò in maniera sistematica la sintesi dei composti organici, producendone a dozzine, rendendo così il passaggio tra inorganico e organico un’operazione di ordinaria amministrazione.
Gli elementi costruttivi della vita: Tuttavia, i composti organici formati da Berthelot erano tutti semplici. Le caratteristiche vitali erano presenti in maniera più spiccata in sostanze molto più complesse (grassi, proteine, amidi) ma che erano di manipolazione molto meno facile. L’unica cosa che si sapeva di queste sostanze, è che esse si potevano scindere in elementi costruttivi relativamente semplici, riscaldandole con un acido o una base diluiti. Il chimico Kirchhoff riuscì per primo a trasformare l’amido in un unico zucchero, il glucosio. Il chimico francese Braconnot trattò nello stesso modo la gelatina proteica e ottenne la glicocolla o glicina , che si rivelò il primo di 20 aminoacidi diversi, isolati nel corso del secolo successivo da proteine di origine naturale. Sia gli amidi che le proteine possiedono molecole giganti, costituite rispettivamente da lunghe catene di elementi di glucosio e di elementi di aminoacidi. Il chimico francese Chevreul poi, trattò il sapone con dell’acido, isolando i cosiddetti acidi grassi. In seguito, dimostrò che quando i grassi si trasformano in sapone, dal grasso si libera la glicerina. La glicerina possiede una molecola semplice, dotata di 3 punti di attacco per altri gruppi di atomi. Di conseguenza, si suppose che mentre gli amidi e le proteine erano composti di moltissimi elementi semplici, i grassi erano composti di appena 4 elementi (uno di glicerina + 3 di acidi grassi). A questo punto intervenne Berthelot: facendo riscaldare della glicerina con l’acido stearico (un acido grasso) scoprì che si produceva una molecola di tristearina costituita da un elemento di glicerina unito a 3 elementi di acido stearico, il più complesso prodotto naturale che si fosse riusciti a sintetizzare fino a quel momento. Successivamente, al posto dell’acido stearico utilizzò altri acidi, non ottenuti dai grassi naturali. Ottenne composti organici diversi da qualsiasi altro composto organico prodotto da tessuti viventi. A questo punto, appariva ormai superata la divisione tra composti organici e inorganici basata sull’attività dei tessuti viventi: esistevano infatti composti organici che non erano mai stati prodotti da alcun organismo, e il chimico era ormai in grado di realizzarli. Tuttavia la divisione basata sulla loro derivazione o non dai tessuti viventi era utile, perché tra le due categorie rimanevano ancora differenze importanti. La differenza consisteva nella struttura chimica: si trattava di due tipi di molecole completamente diversi: ➔ le sostanze inorganiche possedevano molecole piccole, costituite da un numero di atomi che andava da 2 a 8. Esistevano poche molecole inorganiche che arrivavano a 12 atomi;
