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BREVE STORIA DELLA CHIMICA
CAPITOLO 1
Gli uomini primitivi accettavano la natura così com'era, solo dopo millenni si iniziò a lavorare gli oggetti presenti in natura come ad esempio la pietra. Tuttavia trasformazioni chimiche già avvenivano per cause naturali. Si può affermare che l'uomo diviene chimico nel m armature. Nell'età del bronzo si conosceva un metallo ancor più forte ma molto raro, il ferro. La fusione del ferro richiede un calore maggiore rispetto al bronzo, per cui si iniziòomento in cui scopre il fuoco e come tenerlo in vita. L'uomo dunque inizia in prima persona ad attuare delle trasformazioni chimiche, cuocendo il cibo e lavorando i tessuti. Siamo ancora all'età della pietra quando in Medio Oriente comparvero le prime civiltà. La nascita di queste è dovuta ad un cambiamento dello stile di vita dell'uomo che da cacciatore divenne allevatore. Il Neolitico fu caratterizzato dalla levigazione della pietra. Si iniziò poi a servirsi di sostanze relativamente rare, i metalli. I metalli devono essere stati rinvenuti sotto forma di pepite, probabilmente si trattava di oro e rame. Essendo rari i metalli vennero inizialmente usati solo come ornamento. I metalli sono malleabili e questa fu una caratteristica estremamente apprezzata. Una volta scoperto, probabilmente casualmente, che il rame derivava da una pietra, divenne meno raro e iniziò ad essere utilizzato per la fabbricazione di utensili. Nel 3000 si scoprì che il rame unito allo stagno formava una lega molto più resistente, il bronzo. Questa lega fu utilizzata per la creazione di armi e ad utilizzare il fuoco del carbone di legna. In forma pura il ferro non è molto resistente, tuttavia fuso con il carbonio crea una resistente lega, l'acciaio. L'acciaio è molto più resistente di qualsiasi lega di bronzo, per cui le popolazioni che potevano armare l'esercito con questa lega vincevano le guerre contro le popolazioni armate di bronzo. Siamo qui nell'età del ferro. Fino ad allora si era praticata la chimica senza tuttavia studiarla, furono i greci ad accostarsi a quella che viene oggi chiamata chimica teorica. Il primo, o almeno il primo documentato, filosofo greco ad approcciarsi allo studio della chimica fu Talete. Egli si domandava se dato che tutto si trasforma, non esistesse una sostanza che accomunasse tutte le cose, egli rispose affermativamente a questo quesito, sostenendo che la sostanza prima fosse l'acqua. La teoria di una sostanza che accomunasse tutte le cose fu accolta, tuttavia fu contestata la scelta dell'acqua come arché. Nel secolo dopo Talete l'astronomia iniziò ad affermare che la terra fosse sferica e si trovasse al centro della sfera cava del cielo, tuttavia non credendo i greci nel vuoto assoluto, affermarono che tutto lo spazio fosse poi “riempito” dall'aria. Forse seguendo tale ipotesi si colloca la teoria di Anassimene per cui l'elemento primo era l'aria. Al contrario Eraclito affermava che dato che la terra era in continuo movimento, il principio primo non poteva che essere il fuoco. Empedocle, seguace di Pitagora, affermava che non vi fosse un solo principio, bensì fossero i quattro elementi, acqua, fuoco, terra e aria, che stessero alla base di tutto. Aristotele accettò tale teoria modificandola, per lui non si trattava di quattro elementi, ma quattro combinazioni: caldo asciutto per il fuoco, caldo bagnato per l'aria, freddo asciutto la terra e freddo bagnato l'acqua. Ogni elemento possedeva le sue caratteristiche. Oltre ad interrogarsi se esistesse una sostanza comune a tutte le cose, e in caso quale fosse, ci si è anche domandato se tutte le sostanze fossero divisibili all'infinito. Secondo Leucippo, dividendo una cose innumerevoli volte, si sarebbe arrivati ad una cosa talmente piccola che non era possibile dividere. Tale teoria fu portata avanti da Democrito il quale chiamò questa sostanza indivisibile atomos. Con la parola atomos, da cui deriva il nostro atomo, si intedeva una sostanza indivisibile, da qui nasce la teoria dell'atomismo. Per secoli tale teoria fu screditata e messa da parte, non morì definitivamente in quanto interessò un altro filosofo importante, Epicuro.
CAPITOLO 2
In seguito alla caduta dell'Impero di Alessandro Magno, Tolomeo fondò un impero in Egitto con capitale Alessandria, qui nacque un importante polo di ricerca. Iniziarono così gli scambi tra egiziani e greci, e nacque così la fusione tra le conoscenze in
ambito chimico. Gli egizi si erano dedicati per lo più agli aspetti pratici, a differenza dei Greci che avevano un approccio di tipo teorico. La fusione tra le conoscenze dei due paesi non portò buoni frutti, questo perchè la chimica egiziana era strettamente legata alla religione, ciò portò numerosi greci a temerla. Nacque intorno alla chimica un alone di mistero che portò ad un ritardo del progresso e che permise a diversi ciarlatani di spacciarsi per studiosi utilizzando un linguaggio incomprensibile. Il primo egiziano- greco fautore della chimica a noi noto è Bolos, il quale si concentrò sulla trasformazione di un metallo in un altro, con l'intento di trasformare il piombo o il ferro in oro. Tale ragionamento deriva dal fatto che si pensava che tutta la materia fosse composta da eguali sostanze mischiate in modo diverso. La trasformazione di metalli in oro fu uno degli obbiettivi più importante per i chimici per lungo tempo. Lo studio della chimica subì poi un ulteriore forte arresto quando Diocleziano, spaventato dal fatto che si potesse tramite questi studi trovare un modo per produrre oro a poco, ordinò la distruzione di tutti gli scritti chimici. Tempo dopo anche i cristiani non videro di buon occhio i chimici, tanto che i cristiani ortodossi perseguitarono la setta cristiana dei Nestroiani, i quali furono costretti a rifugiarsi in Persia portando con essi le proprie conoscenze e qualche libro. Nel VII sec con l'affermarsi della nuova religione islamica (nata con Maometto), gli Arabi iniziarono ad espandersi. Una volta giunti in Persia essi entrarono in contatto con la scienza greca rimanendone affascinati. Dal termine arabo di chimica nacque la parola europea alchimista, ora utilizzata per indicare l'intera evoluzione della chimica. L'alchimia araba diede il meglio di se all'inizio della dominazione, il più capace chimico fu Geber, il quale si esercitò sulla trasmutazione. Egli riteneva che il mercurio fosse il metallo per eccellenza in quanto la sua forma liquida permetteva l'entrata della terra. Lo zolfo inoltre sembrava avere il dono della combustibilità, per Geber dedusse che i vari metalli fossero composti n quantità diverse di zolfo e mercurio. L'alchimia si sviluppò in due filoni, uno che cercava un modo per trasformare i metalli in oro (trasmutazione), l'altro intento a trovare una panacea. L'idea di una panacea che curasse tutti mali era una vecchia teoria, si parla di questo elisir tanto potente da poter guarire tutti i mali donando anche l'immortalità. A tal proposito vi si è riferiti a tale elisir anche con il nome di pietra filosofale. Altro importante alchimista fu Avicenna, che è da considerare come il più grande medico vissuto nel periodo compreso tra l'impero romano e i tempi moderni, dopo di egli la scienza araba subì un declino. L'Europa entrò in contatto con il mondo islamico attraverso le crociate (la prima avvenuta nel 1096) iniziarono così i primi scambi culturali. Gli Europei appresero che gli arabi avevano numerosi testi importanti, si iniziò così un processo di decodificazione dei testi greci in latino. Il primo alchimista importante fu Alberto di Bollstadt grazie al quale gli scritti di Aristotele acquisirono grande importanza. Contemporaneo ad Alberto, vi fu lo studioso Ruggero Bacone, il quale riteneva che lo studio della chimica dovesse centrarsi sull'esperienza e che bisognasse applicare alla materia dei metodi matematici. Bacone tentò la stesura di un'enciclopedia universale del sapere, riportando nei sui scritti la più antica descrizione della polvere da sparo (scoperta che rivoluzionerà il mondo). Il nome del più importante alchimista del tempo non ci è pervenuto, egli tuttavia fu il primo descrivere l'acido solforico e a descrivere la preparazione dell'acido nitrico. Questi acidi derivano dai minerali, non come quelli scoperti fino ad allora che erano di derivazione vegetale. Tale scoperta tuttavia non destò lo scalpore che si meritava. L'alchimia subì un ulteriore arresto, Papa Giovanni XXII bandì lo studio della materia, un po perché preoccupato che si potesse trovare un modo per fare l'oro, un po' per indignazione nei confronti dei numerosi truffatori (siamo nel 1317). Seguì poi il periodo delle grandi esplorazioni, gli europei si resero conto di non essere da meno rispetto agli antichi i quali iniziarono ad essere messi in discussione. Fu questo il periodo dell'invenzione della stampa, inventata da Gutenberg, con la quale divenne possibile fare più copie di un testo a basso prezzo. Questa scoperta aiutò anche la diffusione delle scoperte in ambito scientifico, ed è in questo periodo che si diffuse la grande scoperta di Copernico per cui il sole è al centro dell'universo e la pubblicazione del testo di anatomia di Vesalio nel quale descrive con cura l'anatomia umana
presenterebbero tale flagisto. Il discorso del flagisto contenuto nel legno, che si dissolve lasciando le ceneri con la combustione potrebbe starci, le ceneri sono infatti più leggere del legno, ma la ruggine, che secondo questa teoria sarebbe ferro senza flagisto, è più pesante del ferro, come si spiega? Semplicemente non si dava una spiegazione in quanto la variazione di peso erano trascurabili a fronte di una spiegazione che riesce a spiegare le variazioni nell'aspetto e nelle proprietà delle sostanze.
CAPITOLO 4
Con le nuove conoscenze si necessitava che i chimici iniziassero a familiarizzare di più con i gas. Hales introdusse il metodo della raccolta dei gas al di sopra dell'acqua, in tal modo era possibile convogliare i vapori ottenuti in seguito alla reazione chimica, tramite un tubo, fino a un vaso pieno d'acqua, capovolto in un recipiente contenete acqua. In questo modo si otteneva un vaso pieni di gas. Un altro passo in avanti fu fatto dal chimico Black il quale dimostrò che si poteva ottenere anidride carbonica riscaldando un minerale. Dimostrò poi che i gas potevano mischiarsi con i solidi e i liquidi, determinando variazioni chimiche. Black dimostrò inoltre che quando si lascia esposto all'aria l'ossido di calce, questo si trasforma in carbonato di calcio, da cui si deduce che l'aria fosse composta da più elementi. Studiando la combustione Black vide che una candela accesa immersa in un gas non bruciava più. Una candela accesa chiusa in un recipiende con sola aria, dopo un po' si spegneva. La candela bruciando aveva consumato anidride carbonica, assorbendo l'anidride carbonica contenuta nell'aria racchiusa nel recipiente, si notava che una certa quantità d'aria restava inassorbita, questa dunque non poteva essere anidride carbonica, eppure non alimentava la fiamma. Il discepolo di Black, Rutherford si occupò della questione, ponendo un topo all'interno di una scatola priva di aria, il topo morì. Entrambi legati alla teoria del flogisto, ipotizzarono che l'aria rimasta dopo la combustione della candela era talmente ricca di flogisto da essere arrivata a saturazione, chiamarono quest'aria “aria flogistica” conosciuta oggi con il nome di azoto. Cave3dish si interessò dello studio del gas che si formava dalla reazione tra acidi e metalli, fu il primo a studiarne le proprietà per cui è a lui che dobbiamo la scoperta dell'idrogeno. Questo elemento era estremamente leggero ed era facilmente infiammabile, tanto che egli credette di aver trovato il flogisto. Nel '700 le scoperte chimiche erano abbastanza da indurre Cronsted ad una prima classificazione in base, non solo dell'aspetto, ma anche della composizione chimica. L'opera fu poi portata avanti da Bergman, il quale ipotizzò l'esistenza di affinità tra le sostanze, per cui fece una tavola delle affinità. Il primo a riconoscere l'importanza delle misurazioni fu Lavoisier il quale decise di mettere alla prova la teoria della trasmutazione. Per 101 giorni fece bollire dell'acqua in un apparecchio che faceva condensare il vapore acqueo e lo immetteva nuovamente nel recipiente di ebollizione, così da non perdere nulla. Egli misurò tutto, alla fine dell'esperimento comparse un sedimento, nonostante il peso dell'acqua non fosse mai cambiato. Una volta raschiato il fondo del recipiente, si accorse che il peso di quest'ultimo era variato, diventando più leggero, il sedimento altro non era che sostanza appartenente al recipiente che era stato eroso dall'acqua. Fu inoltre Lavoisier a scoprire, nei sui studi sulla combustione, che il diamante altro non era che una forma di carbonio. Scoprì inoltre che la trasformazione del metallo in calce, non era dovuta a una scomparsa di flogisto, bensì di acquisto di qualcosa di molto concreto, l'aria. È a Lavoisier che dobbiamo la legge della conservazione della massa. Nei suoi studi egli scoprì che l'aria non era una sostanza semplice, bensì era costituita da più elementi in un rapporto di 1 a 4 per cui 1/5 era fatto da ossigeno (aria deflogisticata) e il resto di azoto. Cavendish scoprì che i vapori generati dalla combustione si condensavano formando acqua, Lavoisier chiamò idrogeno il gas di Cavedish e affermò che l'acqua era composta da idrogeno e ossigeno. Lavoisier in collaborazione con altri chimici elaborò un sistema di prefissi e suffissi in grado di fornire indicazioni precise circa le proporzione con cui si presentavano i vari elementi.
CAPITOLO 5
Gli studi di Lavoisier portarono i chimici ad approfondire argomenti della chimica
usando le misurazioni, si studiarono gli acidi. Gli acidi erano un gruppo naturale con delle caratteristiche proprie, contrari agli acidi vi erano le basi che venivano neutralizzate dagli acidi, la miscela di acidi e basi dava origine ai sali. Richter studiò questa neutralizzazione, misurando le quantità necessarie affinché avvenisse, scoprì che esisteva il peso equivalente, per cui un peso fisso di una data sostanza chimica reagiva con un peso fisso di un'altra. Fu Proust a formulare la legge delle proporzioni definite per cui in tutti i composti gli elementi erano contenuti in determinate proporzioni definite, indipendentemente dalle condizioni in cui venivano prodotti. Dalton scoprì la legge delle proporzioni multiple, per cui si scoprì che combinando gli elementi in proporzioni diverse si ottenevano composti diversi. Essendo gli atomi di Dalton troppo piccoli, per ricavare informazioni bisognava utilizzare vie indirette. Dalton per la prima volta preparò la tavola dei pesi, tuttavia gran parte dei pesi erano sbagliate in quanto Dalton credeva le molecole fossero formate dall'accoppiamento di un solo atomo di un elemento con un solo atomo dell'altro, nonostante più volte nelle misurazioni venisse smentita tale regola. Nell'Ottocento Volta scoprì che due metalli potevano venire disposti in modo tale che si generassero cariche nuove a mano a mano che le cariche vecchie venivano allontanate per mezzo di un filo conduttore, inventò per la pila elettrica e generò per la prima volta una corrente. Se una reazione chimica poteva generare energia elettrica, perché non poteva accadere il viceversa? Nacque in questo modo l'elettrolisi. Gay Lussac scoprì poi che i gas si combinavano secondo rapporti di piccoli numeri interi, formulò dunque la legge dei volumi di combinazione. Fu poi Avogadro, da cui prende nome la legge, a scoprire che nei gas numeri uguali di particelle occupano volumi uguali. Dalton fu dunque il primo a determinare i pesi atomici, tuttavia più avanti Berzelius scoprì che non si trattava di numeri interi, per cui procedette ad un'approssimazione di questi per cui l'ossigeno che ha massa atomica 15,9 arriva ad avere massa atomica pari a 16. Fu inoltre Berzelius a proporre di denominare gli elementi con la prima lettera del loro nome latino, insieme ad una seconda contenuta nel nome, qualora più elementi avessero stessa iniziale. Davy nel frattempo studiava la corrente elettrica e il modo in cui utilizzarla in campo chimico, si rese conto che questa era in grado di scindere i composti negli elementi costituenti. Egli costruì dunque una batteria in cui far passare correnti attraverso i composti allo stato fuso, così da poter scoprire nuovi elementi. A continuare lo studio fu il suo discepolo, Faraday il quale fu il primo a definire l'elettrolisi come la scissione delle molecole per mezzo della corrente elettrica. Egli chiamò elettroliti i composti o le soluzioni in grado di far passare la corrente, gli elettrodi erano le aste o o le piastre di metallo inserite nella massa fusa o nella soluzione. L'elettrodo dotato di carica negativa era l'anodo, mentre si chiamava catodo quello positivo, gli ioni diretti verso l'anodo erano detti anioni, mentre quelli diretti verso il catodo erano detti cationi.
CAPITOLO 6
Fin dalla scoperta del fuoco le sostanze furono divise in quelle che bruciavano e quelle che non bruciavano, tale classificazione corrispondeva anche alla distinzione tra sostanze che derivavano o meno dagli esseri viventi. Furono chiamate organiche le sostanze di origine animale e inorganiche le altre. Fu facile trasformare le sostanze organiche in inorganiche, mentre nel 19 secolo non si riusciva a fare il contrario. Nacque così la dottrina vitalistica per cui per trasformare le sostanze inorganiche in organiche si necessitava del soffio vitale. Tale teoria fu presto smentita dal chimico Wohler il quale riuscì a trasformare una sostanza inorganica in una organica. Le sostanze organiche, che avevano struttura molto complessa, erano tuttavia facili da scindere. Chevreul dimostrò che quando i grassi si trasformano in sapone, dal grasso si libera glicerina. Questa sostanza possiede tre punti di attacco per altri gruppi di atomi. Nel 1854 il chimico Berthelot fece riscaldare della glicerina con l'acido stearico, formando una molecola di tristearina, si trattava di uno dei più complessi prodotti naturali mai sintetizzato fino ad allora. Si capì che il chimico poteva preparare composti simili ai composti organici in tutte le proprietà, ma diversi da qualsiasi composto organico effettivamente prodotto da tessuti viventi. Fu dunque sorpassata la
al rapporto tra i volumi ei singoli atomi dei diversi elementi per cui si poteva parlare di volumi atomici. Lo studio dei volumi portò i suoi frutti ma troppo tardi, infatti prima della sua pubblicazione uscirono gli studi intrapresi dal chimico russo Mendeleev il quale aveva a sua volta scoperto la variazione in lunghezza dei periodi degli elementi passando dunque a dimostrare la conseguenza in maniera alquanto sensazionale. Mendeleev studiò gli elementi in ordine di peso atomico crescente. Egli iniziò i suoi studi a partire dal numero di valenza osservando che i primi elementi della lista rivelavano progressive variazioni di valenza. La valenza infatti aumentava o diminuiva dando luogo ai periodi, partendo da questi dati egli procedette alla creazione di una tavola. La tavola periodica degli elementi ottenuta era più chiara e sensazionale di un grafico. L’importanza del suo progetto è il fatto che egli capì che mancavano degli elementi che dovevano ancora essere scoperti. La teoria di Meendeleev fu presa con i guanti dai suoi contemporanei, ad avvalorare la sua tesi fu indubbiamente la scoperta dell’elettroscopio, strumento mediante il quale è stato possibile individuare nuovi elementi.
ESPERIMENTFI DIDATTICI
Esempio didattico Cosa si scioglie e cosa non si scioglie? Un primo approccio al concetto di miscuglio nella primaria. La preparazione dei miscugli; l'osservazione del fenomeno; la raccolta delle osservazioni. Conclusione Il mescolamento di una sostanza con l'acqua può portare ad una soluzione oppure ad un miscuglio. Esempio: acido base fenolftaleina (incolore), Con acqua, Si colora per aggiunta di una base (es.ammoniaca) Torna incolore per aggiunta di un acido (es.aceto). Esempio didattico: acido base. Uovo di gomma Acidi e Basi CaCO3(s) + 2CH3COOH(l) Ca2+ (aq) + 2CH3COO- (aq) + CO2(g) Esempio: acido base. Inchiostro invisibile. Ingredienti: foglio, succo di mirtillo, cottonfioc, cucchiaio, acqua, bicarbonato di sodio. Il succo di mirtillo serve a decodificare il messaggio. Prima cosa mettere un po' di bicarbonato n un contenitore con dell’acqua, dopodiché prendere il foglio, intingere il cottonfioc nella soluzione con acqua e bicarbonato e utilizzarlo come penna per scrivere. Una volta scritto il messaggio segreto prendere un altro cottonfioc e intingerlo nel succo di mirtilli, in seguito spennellare con il cottonfioc il foglio, a questo punto inizierà a leggersi il messaggio segreto. Una volta asciugato il messaggio continuerà a leggersi en non scomparirà. Cosa è successo? Scopramo chimicamente cosa abbiamo usato. Il bicarbonato di soda è quello che i chimici chiamano base, il succo di mirtillo è un acido o meglio contiene acidi, molti alimenti presenti nelle nostre case sono acidi. Gli acidi e le basi sono opposti per cui quando si trovano insieme reagiscono chimicamente. Per cui quello che avviene è una reazione chimica tra la base e acido. Esempio: idrossido di sodio e alluminio. Aggiungiamo dell’idrossido di sodio all’acqua, poi aggiungiamo l’alluminio e mischiamo un po', vediamo come l’alluminio è solubile nel sodio formando l’alluminato di sodio. Incendiamo il composto ottenuto, a questo punto abbiamo una piccola esplosione o una torcia a seconda della quantità di alluminio presente. Esempio: creare un indicatore di ph da un cavolo rosso. Frullare il cavolo con un po' di acqua, in seguito filtrare ciò che si è frullato per togliere i liquami. Il prodotto filtrato verrà aggiunto a delle soluzioni domestiche comuni. Al succo di cavolo viene aggiunto acido muriatico, un prodotto per pulire. Si può vedere come questo sia una soluzione acida, il succo di cavolo verte sul rosa. Vediamo poi come anche l’aceto è un acido, anche l’aspirina è un acido, così come la vitamina c. versiamo poi il succo nel carbonato di sodio e vediamo che il composto non verte più sul rosa ma sul lilla. Versiamo poi il cavolo nel sale iodato, che dovrebbe aver un ph pari a 7 e vediamo che la soluzione assume il colore azzurro, versiamo il nostro succo nel bicarbonato di sodio ottenendo una soluzione di un azzurro più scuro. Continuiamo con la soda per pulire, la
soluzione è blu. Procediamo poi con l’ammoniaca di nuovo blu, infine l’idrossido di sodio con cui si puliscono gli scarichi, una forte base, e otteniamo un blu che verte al verde. Abbiamo così usato un succo di cavolo rosso come indicatore del ph.
