Le leggi della chimica. Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

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1 Le leggi della chimica Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

2 LE TRASFORMAZIONI DEI METALLI A partire dal XVI secolo lo sviluppo dell estrazione mineraria, della fusione e della raffinazione dei metalli in Europa conobbe un forte incremento sia quantitativo che qualitativo, quale non si era mai registrato in precedenza. Ciò portò sia gli artigiani che gli studiosi a porre un attenzione particolare ai fenomeni di trasformazione che i metalli subivano per trattamento con il fuoco in presenza di aria, insieme a quelle che permettevano di ripristinare il metallo di partenza.

3 I TRATTAMENTI TERMICI DEI METALLI: LA CALCINAZIONE Durante i trattamenti termici parte del metallo si trasformava in scoria (calcinazione) La somiglianza della scoria metallica con la cenere ottenuta dalla combustione del legno ed il fatto che entrambi avvenivano in presenza di aria, portò a ritenere analoghi i due fenomeni. Era noto che entrambi i processi, così come la respirazione, avvengono in presenza di aria. Tuttavia : nella combustione si aveva una diminuzione del peso del materiale di partenza nella calcinazione dei metalli il peso aumentava

4 ALCUNE IPOTESI SULLA COMBUSTIONE V. Biringuccio ( ) nel suo trattato De la pirotecnia, spiegò questi risultati immaginando che l azione del fuoco, allontanando le particelle acquose e aeree dal metallo ed essendo queste più leggere e tendenti verso l alto, lo rendessero più compatto e quindi più pesante. R. Boyle ( ) ipotizzò che questo fosse dovuto all incorporazione nei pori del metallo di particelle ignee presenti nella fiamma che a causa della loro sottigliezza riuscivano a passare attraverso i recipienti di vetro in cui si effettuava la calcinazione. R. Hooke ( ), sostenne invece che vi fosse nell aria un gas responsabile della combustione e dell aumento di peso ottenuto dopo la calcinazione dei metalli.

5 TEORIA DEL FLOGISTO Nella seconda metà del XVII secolo G.E. Stahl ( ) propose l esistenza di un principio materiale combustibile chiamato flogisto (dal greco, φλoξ, flox=fiamma) in grado di spiegare in maniera coerente ed unitaria i processi di combustione e di calcinazione. Simbolo del Flogisto

6 FENOMENI SPIEGATI DALLA TEORIA DEL FLOGISTO o I combustibili diminuiscono il loro peso bruciando perché perdono flogisto: metallo calce + flogisto o La combustione cessa quando tutto il flogisto è uscito dalla sostanza e ha saturato l aria o Una candela si spegne in un recipiente chiuso perché l aria si satura di flogisto o Le calci metalliche, scaldate con carbone (ricco di flogisto) si rigenerano in metallo perché il carbone cede il flogisto: calce + flogisto (contenuto nel carbone) metallo

7 LA CHIMICA PNEUMATICA Ciò che determinò la rivoluzione nelle teorie della materia del Settecento, fu la scoperta del terzo stato della materia, quello gassoso e la nascita di un nuovo filone di ricerche, la chimica pneumatica. Nel 1752 J. Black ( ), sottoponendo la magnesia alba (MgCO 3 ) ad un forte riscaldamento ottenne la magnesia usta (MgO) ma anche una sostanza gassosa che chiamò aria fissata (l anidride carbonica) Nel 1766 H. Cavendish ( ) facendo reagire degli acidi con dei metalli, scoprì un aria infiammabile (l idrogeno) Nel 1772 D. Rutherford ( ) presentò la scoperta di un altra nuova aria, detta mefitica o flogisticata (l azoto) Nel 1774 J. Priestly ( ) scopre l ossigeno, che chiama aria deflogistificata

8 LAVOISIER E LA NASCITA DELLA CHIMICA MODERNA Il chimico francese A.-L. Lavoisier ( ) fu uno dei protagonisti della vasta riforma della chimica del XVIII secolo Egli fondò la sua opera sulla ricerca dei principi della chimica basati sull esperimento quantitativo e sulla elaborazione di teorie risultanti come conseguenza logica di fatti ottenuti dall esperienza

9 LA SCOPERTA DELL OSSIGENO (1775) Lavoisier fece prima reagire parte dell aria con il mercurio mediante un riscaldamento prolungato, ottenendo una polvere rossa del metallo (ossido di mercurio) che successivamente riscaldò energeticamente, rigenerando così il metallo e un gas che aveva la capacità di mantenere vivace la combustione Si trattava dell ossigeno, una porzione più pura dell'aria, che Lavoisier definirà anche aria eminentemente respirabile Questo gli permise di dimostrare che una parte dell aria partecipava direttamente alla trasformazione e che pertanto i fenomeni di combustione potevano essere spiegati senza la teoria del flogisto

10 ESPERIMENTI SULLA NATURA DELL ACQUA Nel 1783 H. Cavendish ( ) realizzò una serie di esperimenti sulla combustione dell idrogeno in presenza di ossigeno ottenendo l acqua come risultato della combinazione delle due arie e inserendo la scoperta all interno della teoria del flogisto Nello stesso anno Lavoisier ripete gli stessi esperimenti di Cavendish confermando la natura composta dell acqua ma dando una spiegazione diversa, cioè che l acqua era il risultato dell unione di due sostanze elementari, l idrogeno e l ossigeno Successivamente Lavoisier riuscì a realizzare la decomposizione dell acqua in idrogeno ed ossigeno confermando in maniera definitiva la natura dell acqua

11 IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA Queste scoperte porteranno Lavoisier a formulare, nel Traité Élémentaire de Chimie (1789), l ipotesi moderna di elemento chimico, in cui esso diventa sinonimo di corpo semplice, portatore delle caratteristiche fondamentali, che lo distinguono dagli altri elementi e lo mettono in relazione con le sostanze composte che lo contengono. Nello stesso trattato verrà enunciata una delle prime leggi fondamentali della chimica moderna, quella di conservazione della massa: Nulla si crea, nelle operazioni artificiali, né in quelle della natura, e possiamo porre come principio che in ogni operazione vi è una eguale quantità di materia prima e dopo l'operazione; che la qualità e la quantità dei principi è la stessa e che vi sono soltanto dei cambiamenti, delle modificazioni. Su questo principio è fondata tutta l'arte di fare esperimenti in chimica: siamo obbligati a supporre in tutti una vera uguaglianza o identità fra i principi dei corpi esaminati e quelli ottenuti mediante l'analisi.

12 INTRODUZIONE DEL METODO QUANTITATIVO IN CHIMICA Con la teoria chimica di Lavoisier, la determinazione del peso delle sostanze, che in precedenza era stato considerato una variabile non importante nella comprensione dei fenomeni chimici, diventava la grandezza fondamentale della chimica L entrata nella pratica e nella teoria della chimica dell analisi ponderale pose la questione della composizione quantitativa delle sostanze reagenti e di quelle prodotte in una reazione chimica Questa consentì di evidenziare le regolarità che si manifestano nel corso delle reazioni chimiche e di formulare le prime leggi quantitative della chimica moderna

13 LEGGE DI PROUST O DELLE PROPORZIONI DEFINITE J. L. Proust ( ) dal 1797 al 1809 condusse una serie di ricerche sulla composizione di differenti ossidi metallici, arrivando ad enunciare la legge delle proporzioni definite, secondo la quale ogni composto chimico: è costituito da una proporzione fissa e costante dei componenti, indipendente dalle condizioni sperimentali, quali la quantità dei prodotti di partenza, la temperatura o la pressione, nelle quali esso viene formato

14 LA TEORIA ATOMICA DI DALTON Nel 1808, J. Dalton ( ) enunciò una teoria generale sulla natura della materia, affermando che tutta la materia è formata da particelle, gli atomi, intere indivisibili e indistruttibili, tutte uguali tra loro, aventi lo stesso peso, ma diverse da un elemento ad un altro Sperimentalmente ricavò la legge delle proporzioni multiple che afferma: che se due elementi A e B si combinano per formare più di un composto, le masse di B che si combinano con una data massa di A sono in rapporto di numeri piccoli ed interi.

15 DALLA LEGGE DEI VOLUMI AL PRINCIPIO DI AVOGADRO Tra il 1804 e il 1808 il chimico francese J. L. Gay- Lussac enuncia la legge dei volumi, secondo la quale: le sostanze gassose si combinano sempre nei rapporti più semplici, espressi da numeri interi, ed anche il volume del prodotto, se questo è allo stato gassoso, è in rapporto semplice con i volumi delle sostanze di partenza. Esisteva però una contraddizione tra le ipotesi di Dalton e la legge di Gay-Lussac. Questo perché era impossibile spiegare, ad esempio, come da due volumi di idrogeno e uno di ossigeno si ottenessero due volumi di acqua e non uno. Questa verrà superata dal chimico A. Avogadro ( ) con l enunciazione del principio che afferma: volumi uguali di gas, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole costituite da più atomi

16 CANNIZZARO E LA TEORIA MOLECOLARE La teoria di Avogadro fu accolta solo nel 1860 grazie al chimico S. Cannizzaro ( ), che espose al congresso di Karlsruhe nel 1860 il suo metodo per la determinazione corretta delle masse degli elementi basato sul principio di Avogadro A seguito della relazione di Cannizzaro fu accettata la seguente proposta:. Si propone di adottare concetti diversi per molecola e atomo considerando molecola la quantità più piccola di sostanza che entra in relazione e che ne conserva le caratteristiche fisiche, e intendendo per atomo la più piccola quantità di un corpo che entra nella molecola dei suoi composti Si affermò così il concetto di molecola come unità strutturale fondamentale della materia collegata al mondo degli atomi e dei corpi macroscopici

17 FINE