La storia della chimica attraverso eventi e personaggi La chimica è una scienza sperimentale che studia la composizione e le trasformazioni della materia. La sua nascita può essere considerata la scoperta del fuoco, la chimica nasce quindi come risposta ad alcune esigenze concrete dell’uomo.

Possiamo dividere la storia della chimica in quatto grandi momenti: L’età antica preistoria / IV-V sec. d.C. Il periodo alchimista IV-V / XVII d.C. L’età del flogisto dal XVII sec. XVIII sec. La chimica moderna dal XVIII sec. ad oggi

L’età antica La chimica nasce come tecnologia e non come scienza a partire dal IV millennio a.C. nell’area del Mediterraneo orientale (Egitto, Mesopotamia, Asia Minore). A quell’epoca gli scopi principali erano essenzialmente di carattere pratico: lavorazione dei metalli, produzione del vetro, estrazione di pigmenti naturali per finalità mediche o cosmetiche. I greci per primi cominciarono a dare alla materia anche un connotato teorico, ma questo rimaneva basato sul metodo deduttivo aristotelico, che non solo permise ben poche scoperte ma rallentò significativamente la ricerca futura. Concetto essenziale sviluppatosi nell’antichità ad opera del filosofo Democrito è la TEORIA PARTICELLARE DELLA MATERIA, e la prima definizione di ATOMO, alla luce della quale si cercarono di spiegare le trasformazioni delle sostanze.

Il periodo alchimista L’alchimia venne all’inizio praticata da Arabi e Bizantini a partire dal V secolo, passando successivamente anche nell’Europa occidentale. Lo scopo dell’alchimista era la scoperta della pietra filosofale, una fantomatica sostanza in grado di trasformare ogni materiale in oro. Ovviamente l’alchimia non raggiunse mai il proprio scopo, ma fu molto importante per l’eredità che lasciò ai futuri chimici, come la scoperta delle proprietà di molte sostanze o la messa a punto di nuovi strumenti. Inoltre nell’alchimia si trovano anche le radici delle odierne farmacologia e fisiologia. L’alchimia entrò in crisi con la formulazione da parte di Galileo Galilei del metodo scientifico sperimentale Allegoria dell’alchimia

L’età del flogisto L’attività estrattiva dei metalli nel 600 divenne sempre più importante, per sostenere la continua crescita delle manifatture, primo nucleo della rivoluzione industriale. Alcuni processi restavano tuttavia oscuri. Soprattutto era complicato lo studio della combustione e dei metalli. Infatti si osservava che durante la fusione parte di essi bruciava, trasformandosi in calce ed aumentando di peso. Mentre poi scaldando queste calci con carbone, riavevamo il metallo di partenza, assieme ad una diminuzione di peso. Per risolvere la questione, nel 1715 il tedesco Stahl, avanzò la teoria del flogisto: metalli e combustibili erano ricchi di questa sostanza dalle straordinarie proprietà: aveva peso negativo, era il principio dell’infiammabilità, aveva la facoltà di uscire da un corpo per entrare in un altro. La teoria di Stahl può sembrare oggi abbastanza astrusa, ancora figlia di una mentalità alchimistica, piuttosto che di una ricerca scientifica, ma ebbe grande successo specialmente in Inghilterra e in Francia. Solo nel 1770 alcuni iniziarono a mettere in dubbio la validità di quella che a tutti gli effetti è stata la prima teoria chimica di ampie proporzioni, ma si dovrà attendere Lavoisier nel 1789, perché la teoria venga del tutto superata. Per assurdo, però, oggi si può dire che la teoria del flogisto sia stata anche di qualche utilità per la chimica: infatti le frenetiche ricerche fatte dai chimici per tentare di isolare il flogisto (che ovviamente non fu mai trovato) produssero una serie di scoperte accessorie, che furono terreno fertile necessario per il lavoro di Lavoisier. Antico simbolo del flogisto

La chimica moderna La storia della chimica moderna può essere così puntualizzata: LAVOISIER: NASCE LA CHIMICA MODERNA PROUST: LA LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE E COSTANTI DALTON: LA PRIMA TEORIA ATOMICA GAY-LUSSAC : LA PRIMA LEGGE VOLUMETRICA AMEDEO AVOGADRO: LA TEORIA ATOMICO-MOLECOLARE MENDELEEV E IL SISTEMA PERIODICO LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITÀ

LAVOISIER: NASCE LA CHIMICA MODERNA Antoine Laurent de Lavoisier segna una svolta decisiva nella storia della chimica. Nato in una ricca famiglia borghese parigina nel 1743, si dedica inizialmente agli studi umanistici, particolarmente s’interessa di giurisprudenza. Ma già a vent’anni i suoi interessi si erano spostati verso le materie scientifiche: anatomia, chimica e botanica. Nel 1789 pubblicò il Traité Elémentaire de Chimie, dove espone le sue teorie antiflogistiche, ma soprattutto enuncia la prima legge ponderale, nota come legge di conservazione della massa: in una reazione chimica la massa totale delle sostanze reagenti è uguale alla massa delle sostanze prodotte. Con questa affermazione Lavoisier confuta una volta per tutte le teorie flogistiche di Stahl, dimostrando che in realtà le reazioni prese in considerazione da Stahl si potevano spiegare facilmente considerando l’intervento dell’ossigeno. Morì nel 1794, ghigliottinato, vittima del periodo del terrore.

PROUST: LA LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE E COSTANTI Nel 1799, a 10 anni dall’enunciato di Lavoisier, rimanevano però ancora vivi nell’immaginario collettivo alcuni principi alchimistici, come quello secondo cui una stessa sostanza avesse composizione differente a seconda della zona in cui era stata trovata. A superare questa idea così diffusa, pensò Joseph Louis Proust (1754-1826), chimico francese che tuttavia svolse gran parte dei suoi studi in Spagna, dove il re Carlo IV lo aveva nominato direttore della scuola di artiglieria di Segovia. Qui poté studiare la pirite e il solfuro di ferro (FeS2 e FeS), composti necessari nella fabbricazioni delle polveri da sparo, attività per cui era pagato lo scienziato. Proprio l’utilizzo dell’analisi chimica, di cui fu uno dei fondatori, gli permise di dimostrare che la composizione percentuale di Fe e di S era costante in qualsiasi campione si analizzasse, di qualsiasi provenienza. La sua legge sostiene che“in un composto chimico puro gli elementi costituenti sono sempre presenti in un rapporto di massa definito e costante”. Pirite

DALTON: LA PRIMA TEORIA ATOMICA John Dalton fu figura poliedrica e fondamentale nello sviluppo della chimica moderna, riportando d’attualità la teoria atomica Il primo importante risultato fu l’enunciazione della terza legge ponderale, nota anche con il suo nome oppure come legge delle proporzioni multiple: quando due elementi si combinano tra loro per formare due o più composti, i rapporti tra le quantità in massa di uno stesso elemento, combinato con quantità fissa dell’altro sono espressi da numeri interi, generalmente piccoli. Dalton lavorò con le anidridi del cloro: Cl2O, Cl2O3, Cl2O5, Cl2O7. Si vede chiaramente che, tenendo fissa la quantità di Cl, le masse di O stanno in rapporto di 1:3:5:7 moli. Poté così formulare la teoria atomica, che si configura come la sintesi delle tre leggi ponderali, riassunta da Dalton in quattro punti: La materia è costituita da particelle piccolissime e indivisibili chiamate atomi Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali ed hanno la stessa massa; atomi di elementi diversi hanno masse diverse (come si evince dalla legge di Proust) Atomi differenti possono combinarsi tra loro in rapporti diversi e le combinazioni avvengono fra atomi interi e non tra frazioni di atomi. (Dalton) In una combinazione chimica gli atomi degli elementi conservano la loro identità e non vengono distrutti (cambia soltanto il modo in cui essi si combinano per formare un composto). (Lavoisier) Da ciò deriva che l’atomo è definibile come una particella di materia che durante le reazioni chimiche mantiene la propria identità. Dalton però sbagliò su un punto, e cioè sulla spiegazione della differenza tra composti ed elementi: infatti ignorava l’esistenza delle molecole e sostenne l’esistenza di atomi composti, di peso uguale alla somma degli atomi elementari che lo compongono. Per questo motivo la struttura molecolare dell’acqua che per noi è elementare concepire come H2O per Dalton era HO! Morì a 78 anni nel 1844 nella sua città natale, Manchester Anidride di dicloro

GAY-LUSSAC: LA PRIMA LEGGE VOLUMETRICA Louis Joseph Gay-Lussac cominciò come meteorologo, proprio da qui nacque il suo amore per la chimica. Cominciò a studiare in laboratorio nel 1808, aveva ottenuto brillanti risultati ricavando la legge isocora: a volume costante P=kT, e la prima legge volumetrica: quando due gas, a condizione di T e P costante, si combinano, i loro volumi stanno in rapporto numerico semplice tra loro e con il prodotto della reazione, se questo è un gas. Alcuni risultati però smentivano clamorosamente la teoria daltoniana: ad esempio 1L di H + 1L di Cl davano 2L di HCl. Ma Dalton credeva che i gas fossero formati da atomi e dunque che si dovesse formare 1 solo L di acido cloridrico. Infatti possiamo mostrare cosa sarebbe accaduto se la teoria di Dalton fosse stata corretta (il pallino nero rappresenta l’H, quello bianco il Cl): ● + ○ = ●○. Allora perché otteniamo due volumi di HCl? A questa domanda darà risposta Avogadro tre anni dopo. Dalton invece, dal canto suo, furioso per aver visto smentita in parte la sua teoria, non volle riconoscere mai questi risultati ed anzi iniziò a sostenere che la teoria corretta era la sua. Grazie al grande prestigio internazionale di cui godeva, Dalton ebbe la meglio e ci vollero più di quarant’anni prima che la comunità scientifica riconoscesse pienamente i meriti di Gay-Lussac e soprattutto di Avogadro. Il chimico francese nella seconda parte della vita divenne professore presso la Sorbona di Parigi. Visse per un periodo anche in Italia, morì a 72 anni, nel 1850, in un incidente nel suo laboratorio di Parigi: un banale errore provocò un’esplosione fatale. Schema della legge isocora

AMEDEO AVOGADRO: LA TEORIA ATOMICO-MOLECOLARE Quasi mai ricordato quando si parla dei più insigni scienziati della storia del nostro paese, Amedeo Avogadro è stato in realtà, per le implicazioni che hanno avuto le sue ricerche, una delle figure fondamentali della scienza, non solo chimica, a livello mondiale. Forse questa scarsa considerazione è dovuta al fatto che i suoi meriti gli furono riconosciuti solamente post mortem, come purtroppo troppo spesso accade, a causa del maggior prestigio che Dalton poteva vantare rispetto al chimico piemontese. Nato a Torino nel 1776, Amedeo Avogadro si dedicò agli studi di legge, si appassionò alla scienza solo in seguito e compì studi di matematica, fisica e chimica da autodidatta. Nel 1811 inizia a studiare i risultati di Gay-Lussac e giunge ad una conclusione straordinaria: volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole. L’introduzione del concetto di molecola consente ad Avogadro di spiegare allo stesso tempo le tre leggi ponderali e la legge di Gay-Lussac. Infatti la molecola viene definita come la depositaria delle proprietà specifiche delle sostanze. Vediamo come questa spiega perché 1L di H + 1L di Cl davano 2L di HCl: supponendo che fossero molecole biatomiche si deduce che: ●● + ○○ = ●○ + ●○. Così è risolto il problema. Ma la comunità scientifica si mostrò riluttante ad accogliere l’ipotesi di un professore di liceo al posto di quella di Dalton e così Avogadro, che nel frattempo ottenne la cattedra di fisica a Torino, morì nel 1856 senza ottenere la considerazione che avrebbe meritato. Struttura molecolare HCl

MENDELEEV E IL SISTEMA PERIODICO Dmitrij Ivanovic Mendeleev, professore a Pietroburgo, nel 1869 pubblicò una classificazione periodica degli elementi. Mendeleev intuì che la chiave potesse essere la massa atomica e per questo sistemò gli elementi in una tabella ad otto colonne. Le righe furono chiamate periodi, mentre le colonne gruppi. In ogni gruppo gli atomi differivano per peso, ma avevano simili proprietà chimiche. Per poter mantenere gli elementi con stesse proprietà nel medesimo gruppo, Mendeleev dovette però lasciare dei buchi, che se il suo sistema si fosse rivelato corretto, sarebbero dovuti essere occupati da elementi ancora non scoperti. Così quando furono isolati il gallio, lo scandio e il germanio si vide che andavano a collocarsi nel posto lasciato libero per gli atomi di quelle caratteristiche. La scoperta del cesio fu la prova definitiva che sancì la validità del sistema periodico di Mendeleev. La compilazione permise anche di risolvere un problema incontrato dal professore russo: ad un certo punto dovette invertire le posizioni di tellurio Te e iodio I e di cobalto Co e nichel Ni mettendo prima il più pesante, per inserire l’elemento nel gruppo che possedeva le sue stesse proprietà chimiche. Mendeleev però non seppe dare una spiegazione a questa “eccezione”, che in realtà non era tale, perché, come spiegò il fisico inglese Moseley: “Le proprietà degli elementi sono una funzione periodica del loro numero atomico Z”, cioè del numero dei protoni, che nel frattempo erano stati scoperti. Mendeleev continuò ad insegnare fino alla morte sopraggiunta a San Pietroburgo nel 1907. In suo onore l’elemento con Z=101, realizzato artificialmente nel 1957 con una reazione nucleare, è stato ribattezzato mendelevio. A pochi altri, cioè Curie, Fermi, Einstein e Nobel, è toccato lo stesso onore. Ivanovic Mendeleev

LA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITÀ I risultati più importanti li ottennero i coniugi Pierre e Marie Curie. Pierre Curie è stato uno dei più grandi scienziati della storia di Francia. Nato nel 1859, da giovane studiò alla Sorbona di Parigi, dedicandosi allo studio della conduzione elettrica sui cristalli. Poi analizzò l’influenza della temperatura sul magnetismo, dimostrando come i materiali ferromagnetici perdano le proprie caratteristiche sopra una certa temperatura che, in suo onore, fu chiamata punto di Curie. Nel 1895 sposò la giovane fisica polacca Marie Sklodowska, costretta ad emigrare nel 1891 perché di idee antizariste, con la quale cominciò ad studiare i primi fenomeni radioattivi. Essi ipotizzarono che l’uranio e il torio, emettendo radiazioni, si trasformavano in nuovi elementi, che chiamarono polonio e radio. Ne ebbero conferma quando riuscirono ad isolare, da un minerale chiamato pechblenda, i primi campioni di Ra. Nel 1903 vinsero assieme il Nobel per la Fisica. Nel 1906 Pierre Curie morì, investito da un carro mentre attraversava la strada. La moglie gli succedette come docente di fisica alla Sorbona, prima donna nella storia ad insegnare presso la prestigiosa università. Continuò gli studi sul radio, ottenendo un nuovo Nobel, stavolta per la chimica, nel 1911. Morì, intossicata dalle radiazioni nel 1934. La scoperta della radioattività, come vedremo fu decisiva per lo sviluppo della ricerca sui modelli atomici e per la scoperta della terza particella atomica e i loro lavori furono la base da cui partirà Fermi nel suo lavoro. Uranio Grezzo