Chimica e didattica della chimica Luca Fiorani Chimica e didattica della chimica Verso le analisi quantitative

La scoperta dello stato aeriforme Nella terminologia usata dagli alchimisti (arie, vapori, spiriti) erano insiti sia il dubbio che potessero esistere diverse sostanze aeriformi, sia un alone di mistero Jan Baptista Van Helmont (1577-1644) capisce che la caratteristica delle sostanze aeriformi e di non avere né una forma, né un volume definiti (le chiamò "caos", da cui "gas") 2

La scoperta dello stato aeriforme Se Van Helmont è interessato alle caratteristiche chimiche dei gas, Evangelista Torricelli (1608-47) e Otto von Guericke (1602-86) si dedicano a studiarne le caratteristiche fisiche 3

La scoperta dello stato aeriforme Nel 1643 Torricelli dimostra che anche i gas hanno un peso e quindi possono esercitare una pressione: a lui si deve l'invenzione del barometro e la dimostrazione della capacità dell'aria di sostenere una colonna di mercurio alta 760 mm Nel 1654 von Guericke inventa una pompa pneumatica per diminuire la pressione all'interno dei recipienti 4

La scoperta dello stato aeriforme Robert Hooke (1635-1703) e John Mayow (1641-79) si accorgono che per la combustione è indispensabile l'aria Hooke sostiene che i corpi combustibili si dissolvono a contatto con una sostanza nitrosa presente nell'aria Per Mayow l'aria è costituita da due tipi di sostanze: una parte inerte e una composta da particelle nitro-aeree e, nella combustione, la componente solforosa delle sostanze combustibili reagisce con le particelle nitro-aeree 5

Boyle, il chimico scettico Robert Boyle (1627-91) si occupa delle proprietà dei gas Nell'opera "Difesa della dottrina relativa all'elasticità e al peso dell'aria" (1662) Boyle individua la relazione tra pressione e volume di un gas a temperatura costante: il volume e la pressione sono inversamente proporzionali 6

Boyle, il chimico scettico Boyle lavora con un tubo a U contenente mercurio che esercita una determinata pressione sull'aria: variando la pressione varia anche il volume secondo la legge: P × V = k detta legge di Boyle 7

Boyle, il chimico scettico Edme Mariotte (1635-84) scopre autonomamente la stessa legge (per questo detta anche legge di Boyle-Mariotte) Gli studi di Boyle sono importanti perché: è forse la prima volta che i chimici cercano di dare una forma matematica e una misura quantitativa a quello che sperimentano le sue osservazioni contribuiscono alla diffusione della teoria atomica (Boyle ipotizza che i gas siano costituiti da particelle infinitesime chi si avvicinano e si allontanano) 8

Boyle, il chimico scettico Nell'opera "Il chimico scettico" (1661): elimina il prefisso "al" afferma che l'esperienza "è la sola sulla quale si fondano i chimici" prende le distanze dagli alchimisti che spiegavano tutte le sostanze con S, Hg e NaCl si avvicina alla definizione moderna di elemento distingue composti e miscugli intuisce che l'aria è indispensabile per le fiamme conia il termine "analisi" introduce indicatori per l'acidità e la basicità 9

La chimica pneumatica e il flogisto A metà del Seicento, con l'invenzione della macchina a vapore, l'uomo impara a sfruttare la combustione e gli scienziati si interrogano sulla natura del fuoco Georg Ernst Stahl (1660-1734) chiama flogisto il principio di infiammabilità Nella combustione si libera il flogisto che è catturato dall'aria e non è più presente nella cenere La teoria del flogisto spiega perché i solidi perdono massa nella combustione 10

La chimica pneumatica e il flogisto Stahl capisce il legame tra combustione e formazione della ruggine: il ferro si trasforma nella ruggine perdendo il flogisto Problema: la ruggine pesa più del ferro Ipotesi: esistono due flogisti, uno di massa positiva e uno di massa negativa Anche se in errore, i sostenitori della teoria del flogisto fanno scoperte importanti 11

La chimica pneumatica e il flogisto Stephen Hales (1677-1761) dimostra che l'aria partecipa alle reazioni chimiche Joseph Black (1728-99) si accorge che nella combustione si forma CO2 che chiama aria fissa perché: è più pesante dell'aria non favorisce la combustione è un componente dell'aria Henry Cavendish (1731-1810) isola H2 che chiama aria infiammabile 12

La chimica pneumatica e il flogisto Indipendentemente e nello stesso anno Joseph Priestley (1733-1804) e Carl Wilhelm Scheele (1742-86) isolano O2 Priestley osserva che O2 alimenta la combustione e lo chiama aria deflogisticata (la mancanza di flogisto nell'aria ne facilita la liberazione) Scheele individua N2 e O2 chiamando quest'ultimo aria di fuoco 13

La bilancia di Lavoisier Antoine Lavoisier (1743-1794) è il padre della chimica moderna: introduce l'uso sistematico dell'analisi quantitativa (bilancia) che sfocerà nella legge di conservazione della massa, enunciata nel suo "Trattato elementare di chimica" (1789) riconosce i gas presenti nell'aria (e conia i nomi "azoto", "ossigeno" e "idrogeno") fonda la nomenclatura chimica 14

La bilancia di Lavoisier Lavoisier comprende la conservazione della massa studiando il riscaldamento del gesso (CaSO4•2H2O): la massa che il gesso perde corrisponde alla massa dell'acqua che si libera Facendo bruciare un metallo in un recipiente chiuso, trova che il sistema ha la stessa massa prima e dopo la reazione L'ossido di metallo pesa di più del metallo, come se un gas passasse dall'aria al metallo e non il flogisto dal metallo all'aria 15

Fine della lezione… 16