INTRODUZIONE ALLE LEGGI DELLA CHIMICA

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1 INTRODUZIONE ALLE LEGGI DELLA CHIMICA Il concetto di sostanza è stato fondamentale praticamente per tutti i filosofi. Tale concetto ha spesso costituito il collegamento tra il loro pensiero e il mondo scientifico. I primi filosofi greci focalizzarono la loro attenzione sull origine e sulla natura del mondo in modo indipendente dalla mitologia e per questo sono chiamati cosmologisti o naturalisti. L idea iniziale fu considerare il mondo formato da un unica sostanza. Talete (siamo tra il 600 e 500 a.c) pensava ad esempio che la sostanza originale fosse l acqua, supportato dalla scoperta di fossili di animali marini sulla terraferma. Per Anassimandro, discepolo di Talete alla scuola ionica, la sostanza originale era l apeiron, qualcosa d infinito e indefinito, senza qualità indistinguibili in cui si producevano i due opposti del caldo e del freddo. La formazione del mondo era dovuta, dunque, alla separazione degli opposti. E con questo filosofo che il termine arché, origine, divenne il principio della sostanza come di qualcosa che persiste attraverso le trasformazioni della materia. Tale idea di principio era il presupposto fondamentale che nulla viene fuori dal nulla. Eraclito (siamo tra il 500 e 400 a.c.) credeva che il fuoco fosse l elemento primigenio dal quale era nato tutto il resto. Come il fuoco era l elemento principale, il processo di combustione era sia la base della vita umana sia di quella del resto del mondo. Per Eraclito, all opposto di quanto sosteneva Parmenide, tutto era in questo flusso e quindi né il mondo né gli dei potevano evitare la distruzione finale. Empedocle è ricordato nella storia della filosofia per la dottrina dei quattro elementi: inglobando i predecessori aggiunse all acqua, all aria e al fuoco la terra. Acqua, aria, fuoco e terra risultavano pertanto le quattro radici che, con le loro combinazioni e separazioni, determinavano la generazione e la corruzione di tutte le cose. Tra gli elementi il fuoco, il più raro e potente, è il capo. Gli elementi venivano poi combinati dall Amore e separati dalla Discordia, entrambe sostanze originarie sullo stesso piano dei quattro elementi. Anassagora (siamo nel 400 a.c.) riteneva che i corpi fossero costituiti da particelle eterne, immutabili, senza parti né moto interno: invece di quattro gli elementi erano in numero indefinito, tanti quanti sono i materiali che esistono come ossa, legno, ferro, pane, etc. che, sminuzzate il più possibile, non mostravano di cambiare qualità. Questi infiniti elementi si potevano mescolare e ogni corpo era un loro miscuglio ma prendeva il nome della sostanza

2 predominante. Nascita, morte, trasformazioni dei corpi e fenomeni di tutti i generi avevano origine dall unirsi, in aggregati e miscugli vari, e dal liberarsi delle particelle. Una teoria corpuscolare destinata ad avere nel corso del tempo un influenza molto importante sullo sviluppo della scienza fu quella di Democrito (e Leucippo), vissuti tra il 400 e 300 a.c. La concezione principale era la seguente: le cose sono aggregati (più o meno stabili ma mai indivisibili) di parti indivisibili ( atomi ), eterne, immutabili, senza parti o moto al loro interno e di numero infinito. Il termine atomo (dal greco àtomos) significa appunto indivisibile e proprio l indivisibilità risultava essere la proprietà fondamentale di questi corpuscoli che potevano però differire tra loro nella forma e nelle dimensioni. Democrito attribuiva ad esempio il sapore salato di alcuni cibi allo sprigionarsi di atomi grandi e irregolari e la capacità del fuoco di penetrare nei corpi ai rapidi movimenti dei piccolissimi atomi sferici di cui era costituito. Gli atomisti rompevano l essere di Parmenide in piccoli frammenti e spargevano questi frammenti nel non-essere e cioè il vuoto, che veniva ad acquisire in questo modo esistenza. Quando si adopera un coltello per tagliare una mela, infatti, il coltello deve trovare degli spazi vuoti dove poter penetrare: se la mela non contenesse vuoti sarebbe infinitamente dura e fisicamente indivisibile. Gli atomi, eternamente immutabili, potevano solo muoversi e colpirsi a vicenda, ed a volte combinarsi, quando accadeva loro di avere forme capaci di unirsi. Poco dopo, Aristotele (siamo ancora nel 300 a.c.), propose la continuità della materia: la materia a suo avviso doveva essere costituita non da singole particelle ma da una sostanza continua alla quale la forma dà unità; i suoi insegnamenti vennero accettati fino al XVII secolo, quando molti pensatori cominciarono ad esprimere dubbi riguardo a tale concezione. Il pensiero di Platone, da cui deriva quello di Aristotele, appartiene più alla filosofia speculativa che alla scienza, anzi, ne costituisce la forma più decisamente ostile. Nel medioevo il concetto di sostanza fu essenzialmente quello aristotelico e qualche voce critica si sollevò solo occasionalmente. Fra questi vi furono Isaac Newton e Robert Boyle, che affermavano di credere alla natura atomica della materia ma non furono in grado di dimostrare le proprie asserzioni: tentavano di spiegare i fenomeni noti senza però riuscire a fare previsioni riguardo a ciò che non era ancora conosciuto. Lo scienziato irlandese Boyle, in particolare, già nel 1661, aveva enunciato la distinzione delle sostanze in elementi e composti nel suo trattato scientifico The sceptical chymist in cui argomenta: Per prevenire errori intendo per elementi quello che i chimici, che parlano in modo più chiaro, intendono per loro princìpi, cioè certi corpi primìgeni e semplici, o perfettamente incomposti, che, non essendo costituiti da altri corpi o l uno dell altro, rappresentano le parti componenti di cui sono direttamente formati i cosiddetti corpi composti e nei quali questi ultimi possono in ultima analisi essere decomposti. Agli inizi del XIX secolo i chimici potevano disporre solo di una quarantina tra tutti gli elementi: pochi sono infatti gli elementi che esistono in natura in quanto tali (per esempio l oro, il rame, lo zolfo, l ossigeno), dato che tendono

3 a combinarsi tra loro per formare composti. La maggior parte degli elementi si può ottenere solo attraverso reazioni di decomposizione dei composti che li contengono. Con l obiettivo di scoprire nuove proprietà degli elementi, furono messi a punto molti esperimenti che permisero la formulazione delle prime leggi e delle prime importanti ipotesi della chimica. Era fondamentalmente cambiato il modo di procedere. Mi sono dato come legge di procedere sempre dal noto all ignoto, e di non fare alcuna deduzione che non sgorghi direttamente dagli esperimenti e dall osservazione aveva detto Antoine Lavoisier. Gli esperimenti di Lavoisier furono tra i primi veramente "quantitativi", grazie all'uso consistente della bilancia chimica. La legge di Lavoisier La prima ipotesi logica riguardante l esistenza degli atomi fu proposta dal chimico inglese John Dalton. Agli inizi del 1800 egli prese in esame alcune osservazioni sperimentali compiute dai chimici francesi Antoine Lavoisier e Joseph Proust sulle reazioni chimiche, che avevano portato i due scienziati alla formulazione di due leggi sperimentali molto importanti: la legge di conservazione della massa e la legge delle proporzioni definite. In un fondamentale esperimento, nel 1775, Antoine Lavoisier mise un eccesso di mercurio in una storta e lo pose in contatto con una quantità misurata di aria raccolta in una vaso a campana capovolto in una vaschetta contenente mercurio. Riscaldando il mercurio, Lavoisier osservò che la superficie del metallo si ricopriva di una polvere rossa (ossido di mercurio) dovuta alla reazione tra mercurio e ossigeno. Si rese conto così che, quando una reazione chimica avviene in un sistema chiuso, la massa totale prima e dopo la trasformazione chimica non cambia. Nel 1789 formulò il suo principio in questo modo: Nulla si crea, né nei processi artificiali né in quelli naturali, e si può assumere come principio che in ogni operazione la quantità di materia è la stessa prima e dopo l esperienza e che si verificano solo trasformazioni. Mentre lavorava per il governo, aiutò a sviluppare il sistema metrico decimale, per garantire l'uniformità di pesi e misure in tutta la Francia. Essendo uno dei 28 esattori francesi che non avevano lasciato precipitosamente il territorio nazionale, Lavoisier poté essere catturato, processato e ghigliottinato come traditore dai rivoluzionari nel

4 1794. La sua importanza per la scienza venne espressa dal matematico Joseph Louis Lagrange dalla seguente frase: «Alla folla è bastato un solo istante per tagliare la sua testa; ma alla Francia potrebbe non bastare un secolo per produrne una simile». La legge di Proust Alla fine del settecento molti cittadini francesi, per sottrarsi alle violenze della rivoluzione scoppiata nel loro paese, fuggirono in altre nazioni; fra di essi ci fu anche il chimico Joseph Proust il quale si stabilì in Spagna. Durante la sua permanenza a Segovia, Proust raccolse e analizzò molti campioni di pirite, un minerale assai diffuso sui monti intorno a Madrid. Egli trovò che ogni campione del minerale, indipendentemente dal luogo dove era stato raccolto, conteneva sempre gli stessi due elementi, il ferro (Fe) e lo zolfo (S), e che a 1,0 g di ferro corrispondevano sempre 1,15 g di zolfo. Proust decise allora di preparare lo stesso minerale in laboratorio operando in modi diversi, partendo però sempre da ferro e zolfo, ma i risultati erano sempre gli stessi. Analogamente verificò sperimentalmente che riscaldando diversi campioni di carbonato di rame del peso di 123,5 g si ottenevano sempre 79,5 g di ossido di rame e 44 g di anidride carbonica. Anche il carbonato di rame, dunque, qualunque fosse la sua origine (naturale o preparato in laboratorio) conteneva sempre ossido di rame e diossido di carbonio nelle stesse proporzioni. Le relazioni quantitative, analoghe a quelle degli studi di Lavoisier, trovarono nel 1799 formulazione nella legge delle proporzioni definite e costanti, enunciata così: quando due o più elementi reagiscono, per formare un determinato composto, si combinano sempre secondo proporzioni in massa definite e costanti. Joseph Proust Secondo Proust, "...un composto è un prodotto privilegiato al quale la natura ha dato una composizione costante". La teoria atomica di Dalton La teoria atomica formulata dallo scienziato inglese John Dalton nel 1808 fu la prima a sostenere l ipotesi atomica con argomentazioni scientifiche, basate su dati sperimentali verificabili e confutabili da chiunque. Le ipotesi di Dalton interpretano infatti, in modo logico e ragionevole, le prime leggi della chimica. I punti principali della sua teoria sono:

5 a) tutti i corpi materiali sono costituiti da atomi indivisibili; tutto ciò che ci circonda và pertanto pensato come costituito da particelle discrete, che però non sono indivisibili come sostiene la teoria bensì molto complesse. b) gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali e hanno quindi le stesse proprietà chimiche; un pezzo di ferro và pensato come costituito di atomi uguali nella forma, nelle dimensioni, nella massa (si dimostrerà che non è proprio così) così come pure nelle capacità di reagire con atomi di altre sostanze. c) gli atomi di elementi diversi sono differenti e hanno quindi differenti proprietà chimiche; d) nelle reazioni chimiche gli atomi rimangono inalterati e nei prodotti si ritrovano combinati in modo diverso; qui si possono immaginare un atomo di carbonio C che si combina con due atomi di ossigeno per formare una molecola di anidride carbonica CO 2 : nel prodotto si ritrovano gli stessi atomi di partenza legati tra loro in modo nuovo. e) gli atomi di elementi diversi si combinano secondo precisi rapporti numerici formando le particelle di composti; Considerando la reazione di sintesi di un composto ionico con struttura cristallina come l ossido di mercurio HgO, si deve ammettere che due atomi di mercurio Hg e i due atomi di ossigeno O della molecola O 2, si combinino tra loro rispettando il rapporto di

6 combinazione. Quantità multiple di atomi di Hg (ad esempio 4 e 20 atomi di Hg) reagiscono pertanto con quantità multiple di molecole di ossigeno (2 e 10 molecole di O 2 ). f) gli atomi di alcuni elementi possono combinarsi tra loro in più rapporti, comunque sempre definiti. si ammette che gli stessi elementi possano combinarsi in diversi modi e formando in tal modo composti diversi. Qui carbonio e ossigeno si combinano secondo rapporti di combinazione atomici e di massa diversi per formare due diversi prodotti che sono il monossido di carbonio CO e l anidride carbonica CO 2. La teoria di Dalton giustifica la legge di Lavoisier in quanto, ipotizzando che gli atomi non possano essere alterati, si deve concludere che durante le reazioni chimiche debba rimanere invariato il loro numero totale e il loro tipo, per cui neanche la loro massa può variare. Al punto e) si giustifica invece la legge delle proporzioni definite formulata da Proust. Nella figura riportata sopra si possono confrontare le interpretazioni microscopiche delle due leggi relativamente alla reazione tra mercurio e ossigeno. A sinistra la somma delle masse del mercurio e dell ossigeno è uguale alla

7 massa totale dell ossido di mercurio che si forma: se si combinano 12 (o 6) atomi di mercurio con 12 (o 6) atomi di ossigeno si ottengono 12 (o 6) frammenti costituiti da un atomo di mercurio e da un atomo di ossigeno ciascuno; a destra il rapporto tra le masse di mercurio e ossigeno è definito e costante: un atomo di mercurio si combina sempre con un solo atomo di ossigeno e ogni atomo di mercurio ha una massa 12,5 volte maggiore di quella di ogni atomo di ossigeno. L ipotesi formulata alla lettera f) si basa su un altra importante legge delle chimica formulata dallo stesso John Dalton: se due elementi possono formare più composti diversi, le masse di uno dei due elementi che si combinano con la stessa massa dell altro stanno tra loro in un rapporto di numeri interi e piccoli. La legge è detta delle proporzioni multiple e descrive quanto succede, ad esempio, nella sintesi del monossido di carbonio e del diossido di carbonio. Il primo è un gas inodore, incolore, insapore e velenoso che si forma durante la combustione di idrocarburi in difetto di ossigeno. Esso è presente negli scarichi dei veicoli a motore (non aprire i finestrini in caso di sosta in galleria!) e nel fumo di tabacco Il secondo è la nota anidride carbonica. Mentre nel monossido di carbonio si combinano un atomo di carbonio (in nero nella figura riportata sotto) e un atomo di ossigeno (in rosso), nell anidride carbonica gli atomi di ossigeno sono due, quindi il doppio degli atomi di carbonio. Ne viene dunque che le quantità di ossigeno, a partire dalla stessa quantità di carbonio, sono una il doppio dell altra. John Dalton 1 g di carbonio+1,33 g di ossigeno 1 g di carbonio+2,66 g di ossigeno monossido di carbonio CO diossido di carbonio CO 2