Scienze della Formazione Primaria Corso di Chimica e Didattica della Chimica Anno Accademico 2015-2016 Dispense Integrative al Testo di Riferimento In questa dispensa integrative al testo di riferimento del Corso vengono dettagliati alcuni argomenti di interesse per il discente e che fanno parte integrante dell esame Prof. Luigi De Dominicis 1. Breve storia della Chimica: dall Alchimia alla Chimica Moderna Partiamo dalla definizione di Chimica che si può trovare su vari testi. Chimica: scienza che studia le proprietà, la composizione, l identificazione ed il modo di reagire delle sostanze naturali ed artificiali che ci circondano. Sulla base di questa definizione possiamo dire che la Chimica nasce con l uomo stesso. Infatti, sin dalla preistoria l uomo cerca di capire le proprietà della materia per cercare di manipolarla e trarne vantaggio per migliorare le sue condizioni di vita. La scoperta del fuoco e di come produrlo non è che un primo esperimento su quella reazione che poi la Chimica moderna chiamerà Combustione! Di fatto la Chimica come scienza nasce però solo nel sedicesimo secolo sugli sviluppi del metodo scientifico introdotto da Galileo e come risultato del lavoro di scienziati quali Robert Boyle (1627-1691) e Lavoisier (1743-1794) che organizzarono in maniera coerente e rigorosa le conoscenze acquisite sino ad allora. Tuttavia le prime esperienze nell'ambito della chimica risalgono ai tempi delle civiltà della Mesopotamia, dell'egitto, dell India e della Cina. Inizialmente si diffusero rudimentali tecniche di lavorazione di metalli, quali l'oro e il rame, ritrovabili in natura allo stato elementare, ma ben presto furono messi a punto i primi processi di estrazione dei metalli dai loro minerali mediante riduzione con legno o carbone. L'uso successivo di rame, bronzo e ferro ha dato il nome alle corrispondenti età archeologiche. Anche il potere
colorante di alcune sostanze era noto fin dall'antichità, così come era pure diffuso l'utilizzo della terracotta, dello smalto e del vetro. Il termine chimica è da far risalire al kemà il libro dei segreti dell'arte egizia I primi tentativi di spiegare ed interpretare la natura della materia è da far risalire senza dubbio alla filosofia naturale che fiorì nell antica Grecia. I filosofi greci basavano il loro lavoro più su congetture ed ipotesi che su osservazioni sperimentali. Talete di Mileto (640-546 A.C.) ipotizzò che l acqua fosse l origine di tutta la materia cioè l arché (elemento base che costituisce tutte le sostanze). Essa poteva solidificare trasformandosi in terra ed evaporare diventando aria. Anassimandro (611-545a.C.) generalizzò questo concetto di sorgente primaria ipotizzando che l origine di tutte le cose fosse l illimitato, l indefinito o infinito (apeiron). Anassimene pensava che la sorgente primaria fosse l aria la cui rarefazione produceva il fuoco mentre la condensazione portava alla formazione di acqua, terra e pietre. Eraclito (540-475 a.c.) pensava che la sorgente primaria della materia fosse il fuoco. Empedocle invece teorizzò che acqua, aria, terra e fuoco sono gli elementi base da cui tutta la materia esistente è formata. Aristotele (384-322 a.c.) ai quattro elementi di Empedocle aggiunse l etere, detto anche quintessenza e di cui era composto il firmamento. Leucippo ed il suo discepolo Democrito, vissuti tra il 460 ed il 370 A.C. furono i primi ad ipotizzare che la materia fosse costituita da piccolissime forme indivisibili ed invisibili dette atomos e viene quindi ritenuto il padre della teoria atomica che spiegherà poi la struttura della materia. È interessante osservare che le concezioni atomistiche non furono una prerogativa del pensiero occidentale. Sia pure in modo marginale, esse furono elaborate anche da alcune scuole di filosofia indiana. Nel sistema religioso dello Giainismo (da Jaina, "il vittorioso", epiteto dato all'asceta che lo fondò nel V secolo a.c.) si trova esplicitamente la nozione di atomo. Analoghe concezioni atomistiche si incontrano in alcune scuole di Buddhismo appartenenti alla corrente Hinayana risalente al IV secolo a.c. Una delle prerogative della filosofia naturale greca era stata quella di separare la scienza dalla religione. L abilità nella chimica applicata degli egizi e la conoscenza teorica dei greci s incontrarono e si fusero, dopo la fine dell impero di Alessandro il Grande,
quando Tolomeo fondò in Egitto un regno con capitale Alessandria. Questa fusione non fu del tutto positiva perché la chimica egizia (Khemeia) si esprimeva soprattutto con l imbalsamazione dei morti e con i riti religiosi così che la cultura greca si impregnò di misticismo ostacolandone il successivo sviluppo. La Khemeia così legata alla religione incuteva timore così come i suoi adepti, che assunsero sempre più un ruolo di maghi più che di scienziati. Questa condizione fu poi ulteriormente incoraggiata con l uso di simboli e pratiche sempre più misteriose che accrescevano l alone di mistero che circondava questa pratica. Questa situazione portò la Khemeia a mescolarsi con astrologia ed astronomia. Nasce così l alchimia, un antico sistema filosofico esoterico che si espresse attraverso il linguaggio di svariate discipline come la chimica, la fisica, l'astrologia, la metallurgia e la medicina. Il pensiero alchemico è altresì considerato da molti il precursore della chimica moderna prima della nascita del metodo scientifico. Gli Alchimisti riconobbero ben presto la proprietà speciale dell oro, materiale per altro ben conosciuto sin dall antichità, di essere inattaccabile da tutti gli altri elementi e quindi di mantenere inalterate le sue proprietà nel tempo. Questo ne fece all occhio degli alchimisti un materiale perfetto e puro. Gli alchimisti, teorizzando che l oro non fosse altro che uno stato finale di perfezione attraverso quale la materia tende dopo un processo di purificazione naturale, cercano di trovare un elemento detto Pietra Filosofale che accelerasse tale processo. La pietra filosofale, la sostanza catalizzatrice simbolo dell'alchimia, è capace di risanare la corruzione della materia. In particolare può: fornire un elisir di lunga vita in grado di conferire l'immortalità fornendo la panacea universale per qualsiasi malattia; far acquisire l'onniscienza ovvero la conoscenza assoluta del passato e del futuro, del bene e del male (cosa che spiegherebbe anche l'attributo di "filosofale"); la possibilità infine di trasmutare in oro i metalli vili (proprietà che ha colpito maggiormente la fantasia popolare). Il concetto di Pietra Filosofale e gli ingenti sforzi che gli alchimisti profusero nel cercarla hanno profondamente segnato la cultura popolare tanto che anche oggi essa è sfruttata per avvolgere di mistero storie e racconti.
Figure 1. Malgrado ormai è stato riconosciuto che la Pietra Filosofale non esiste essa continua ad attirare l immaginazione di scrittori e registi! Nel secolo VII gli Arabi, conquistando l'egitto, acquisiscono le conoscenze scientifico- pratiche che avrebbero poi trasmesso ai popoli conquistati durante le loro invasioni. Nel mondo arabo l alchimia si sviluppò ponendo in chiara evidenza come l intervento di perfezionamento dell uomo portava ad una maggiore perfezione dei prodotti artificiali alchemici rispetto a quelli naturali. Si deve agli alchimisti Arabi un grande sviluppo delle tecniche di distillazione con gli "alambicchi" che utilizzarono perseguendo l idea di tentare di estrarre lo "spirito" che si riteneva esercitasse la funzione di legame per tenere assieme gli elementi terreni e i frutti della terra. L'alcool distillato dal vino e dalla frutta fu ad esempio ritenuto un elixir magico, in quanto medicamento capace di curare dalle infezioni delle ferite ed anche vari altri mali. Diversamente dal mondo Arabo, l Alchimia venne invece considerata "arte segreta" nella sponda cristiana del mediterraneo, dove gli alchimisti furono normalmente considerati gente di malaffare, stregoni dediti ad arti magiche ed occulte più che studiosi di scienza. Contemporaneamente a Bagdad l'alchimia, libera da condanne e pregiudizi religiosi, iniziò a prendere sviluppo come scienza e tecnica separando la propria cultura dalla magia. Il più famoso alchimista arabo fu Giabin ibn Hayyan, che visse durante la seconda metà del VII sec. d.c. e perfezionò il processo di distillazione costruendo nuovi tipi di alambicchi con cui ottenne moltissimi altri "elixir" e "tinture" a base di alcool ed anche l'acqua distillata quale solvente esente da impurezze. La preparazione dell'alcool (la cui etimologia deriva da "al - ghul", che significa spirito del demonio), fu permessa per uso medicinale nonostante che l'assunzione di bevande alcoliche fosse proibita e punita con fermezza dal Corano. L'Alchimia Araba sviluppò processi tecnici artigianali di grande rilevanza, tra essi la produzione della carta secondo metodi importati dall alchimia cinese. In Europa gli alchimisti più famosi furono Ruggero Bacone (1214-1294) e Tommaso d Aquino (1226-1274) Sotto la dinastia dei Medici a Firenze fiorì
l Alchimia Rinascimentale. L'alchimia fu vista dal casato dei Medici come una cultura globale e quindi adatta a salvare il mondo perfezionandone la sua natura. Tuttavia a questo periodo si deve il primo tentativo di demolire la ricerca della Pietra Filosofale da parte di Leonardo da Vinci il quale semplicemente dedusse che tutti gli sforzi falliti nel trovarla erano dovuti al fatto che non esistesse! Tuttavia l Alchimista europeo più famoso fu lo svizzero Paracelso che si concentrò sulla chimica medica basata essenzialmente sulla distillazione e l'analisi dei minerali dai quali estraeva le sostanze che servivano a preparare i medicamenti. L inglese Robert Boyle (1627 1691) è di diritto considerato il Padre della Chimica moderna. Fu il primo scienziato che svolse esperimenti controllati e pubblicò il suo lavoro con elaborati dettagli concernenti la procedura, le apparecchiature utilizzate e le osservazioni. Nella sua opera Il Chimico Scettico operò un taglio reciso con la tradizione alchemica della segretezza, per la sua convinzione nell opportunità di rendere noti al pubblico i processi sperimentali. Boyle contribuì alla conoscenza delle proprietà e del comportamento dei gas e perfezionò il concetto di vuoto. Fu tuttavia il francese Antoine Lavoisier (1743-1794) a sdoganare definitivamente la Chimica dall Alchimia e renderla Scienza Moderna. Quando nel 1761 Lavoisier seguì il suo primo corso di chimica rimase sorpreso dallo stato di confusione e arretratezza in cui versava tale scienza. Lavoisier lavorò alacremente con metodo e rigore scientifico. I contributi fondamentali di Lavoisier alla chimica, furono il risultato di uno sforzo conscio di far rientrare tutti gli esperimenti all'interno di una singola struttura di teorie. Egli stabilì l'uso consistente della bilancia chimica, usò l'ossigeno per rovesciare la "teoria del flogisto", e sviluppò un nuovo sistema di nomenclatura chimica, che sosteneva che l'ossigeno era un costituente essenziale di tutti gli acidi (il che si rivelò in seguito vero nella maggior parte dei casi). Per la prima volta la nozione moderna di elementi viene impostata sistematicamente; i pochi elementi della chimica classica fecero strada al sistema moderno, e Lavoisier elaborò le reazioni nelle equazioni chimiche che rispettavano la conservazione della massa (si veda ad esempio il ciclo dell'azoto). I contemporanei non compresero la grandezza del suo genio e fini la sua vita condannato a morte sulla ghigliottina travolto dal giustizialismo della Rivoluzione Francese. Uno schema estremamente esemplificativo ma utile per riassumere come si è arrivati alla Chimica Moderna è riportato qui di seguito
FilosoBia Naturale Greca Khemeia Egizia 600A.C. 600D.C. Alchimia 600 D.C. - 1600 D.C. Chimica Moderna (Boyle, Lavoisier, Dalton) 1700D.C 2. Come si sono formati i vari elementi chimici? La risposta è nelle stelle! Dopo aver studiato gli elementi, la loro struttura atomica e la tavola di Mendeleev che li ordina secondo precise regole, viene spontaneo chiedersi come gli elementi si siano formati e perché ne esiste un numero così elevato. L origine degli elementi chimici è strettamente legata alla storia evolutiva del nostro universo. Secondo la teoria attualmente accettata dalla comunità scientifica, l Universo avrebbe avuto origine più di 14 miliardi di anni fa con una grossa esplosione che ha generato la materia. Le due prove sperimentali principali che fanno pensare che l Universo sia nato da una esplosione sono: 1. Le galassie che formano l Universo si allontanano tra di loro, proprio come le schegge di un esplosione (legge di Hubble). L Universo quindi si espande e per capirlo pensate all Universo come ad un palloncino che si gonfia e con le galassie che sono dei puntini sulla sua superficie. Man mano che il pallone si gonfia la distanza tra le galassie (i puntini ) aumenta.
2. La presenza uniforme di un rumore di fondo nell Universo interpretato come l eco della esplosione iniziale, detta Big Bang (rumore di fondo). Furono gli scienziati statunitensi Penzias e Wilson nel 1964, mentre lavoravano allo sviluppo di una nuova antenna per rilevare le microonde, a scoprire tale rumore di fondo. Inizialmente pensavano che fosse un disturbo captato dall antenna e dovuto ad un suo malfunzionamento o a qualche disturbo tipo quello che capta la radio quando tentiamo di ascoltarla in auto!. Il processo di formazione degli atomi che compongono i vari elementi è detto nucleosintesi. Le ricerche effettuate negli ultimi 50 anni hanno indicato che ci sono due principali sorgenti responsabili per la sintesi degli elementi. Queste sono: la nucleosintesi cosmologica avvenuta nella prima fase del Big Bang; la nucleosintesi prodotta durante l evoluzione stellare;
Questo significa che alcuni elementi sono nati nei primi istanti dopo il Big Bang e che altri si sono formati nelle stelle in una fase più avanzata della vita dell Universo e che continuano a formarsi tuttora visto che le stelle popolano in maniera dominante il nostro Universo! Il modello del Big Bang è una teoria largamente accettata sull origine e l evoluzione dell universo, in cui si ipotizza che questo cominciò a espandersi a partire da una condizione iniziale estremamente calda. Circa un secondo dopo l espansione del Big Bang l universo è costituito da un mare di particelle (protoni, neutroni, elettroni, positroni, fotoni e neutrini) a una temperatura di 10 10 gradi centigradi! La nucleosintesi ha inizio un minuto dopo l esplosione iniziale quando la temperatura, scendendo a 10 9 gradi centigradi, è tale da permettere la combinazione di protoni e neutroni per formare i nuclei di deuterio ( 2 H) e di elio (He). Intorno ai tre minuti, l universo si è espanso e raffreddato ad un punto tale che le reazioni nucleari non possono più essere sostenute. L abbondanza di idrogeno (73% ) e di elio (25%) che si osserva nell universo proviene quindi dalle reazioni nucleari che avvengono in questo breve intervallo di tempo. Il restante 2% dei nuclei più pesanti presenti nel nostro Universo, furono creati successivamente nelle stelle. La composizione degli elementi presenti non ebbe alcuna evoluzione fin quando, dopo milioni di anni, l idrogeno e l elio cominciano a condensare sotto l influenza della loro reciproca forza gravitazionale per dare luogo a protostelle. Quando la temperatura all interno della protostella, il nucleo, raggiunge temperature dell ordine di 10 7 gradi centigradi, hanno inizio le reazioni di fusione nucleare che trasformano l idrogeno gassoso (e più precisamente i suoi isotopi deuterio e trizio) in elio, producendo grandi quantità di energia. Figure 2. Il processo di fusion che avviene nelle stelle. I due isotopi dell idrogeno, deuterio e trizio, si uniscono e formano un atomo di Elio liberando energia che è il calore e la luce che emettono le stelle come il Sole.
Quando la maggior parte dell idrogeno (più precisamente dei suoi isotopi Deuterio e Trizio) presente nella stella si è trasformato in elio, la stella ha finito il suo carburante e inizia la fase terminale della sua vita! Tuttavia tale fase finale della vita di una stella è un processo violentissimo, tra i più catastrofici in natura! Infatti, la stella inizia prima a contrarsi ed iniziano le reazioni di fusione dell elio che portano alla formazione del carbonio e dell ossigeno e poi del silicio. La contrazione della stella morente continua e s innescano fusioni nucleari che producono elementi sempre più pesanti fino al ferro. La contrazione causa un rapido riscaldamento che porta all esplosione della stella con la formazione di una supernova. Quando la stella esplode, proietta grandi quantità di materia ed energia nella spazio, diventando fino a un miliardo di volte più luminosa. Quando nel 1054 gli astronomi cinesi osservarono nella costellazione del Toro una stella più brillante delle altre che non avevano mai visto, non potevano immaginare di assistere all esplosione di una supernova, che oltre una grande emissione di energia luminosa rilasciava nello spazio un enorme quantità di elementi chimici. 3. Il Diamante Che cosa hanno in comune un costoso diamante e la punta di una matita? Apparentemente nulla. Eppure oggi sappiamo che questi due materiali cosi diversi per valore ed utilizzo sono costituiti dagli stessi atomi: quelli di carbonio! Come i chimici usano dire, essi sono forme allotrope del carbonio. La parola allotropo deriva dalla combinazione delle parole greche allos (altra) e tropos (forma). Due materiali si dicono forme allotrope dello stesso elemento chimico quando si presentano nello stesso stato fisico ma in esse gli atomi sono arrangiati in strutture differenti. Per esempio nel diamante gli atomi di carbonio sono disposti in un reticolo cristallino con forme tetraedriche ripetute. La grafite invece è composta da fogli di atomi di carbonio disposti in un telaio esagonale. Per maggiore chiarezza vedi la Fig.4
Figura 3: Il Diamante e la Grafite con le loro rispettive differenti forme nella disposizione degli atomi di carbonio. La differente disposizione spaziale degli atomi di carbonio nel diamante e nella grafite è all origine delle molteplici differenze tra i due materiali. Perché il diamante è così prezioso tanto da superare in valore anche l oro? Prima di tutto perché il diamante è il materiale più resistente che si conosce sotto l aspetto della durezza (solo un diamante può scalfire un altro diamante). Inoltre la particolare struttura del diamante visualizzata in Fig.4 si può formare in maniera naturale soltanto sotto le condizioni di alta pressione ed alta temperatura che si realizzano nelle viscere della Terra tra I 140 ed i 190 Km di profondità! Inoltre occorre oltre 1 miliardo di anni affinché la pressione e la temperature completino le reazioni per portare alla formazione del diamante. Ma non finisce qui. Una volta formatosi, il diamante per migrare verso formazioni sotterranee accessibili all uomo per l estrazione occorre il verificarsi di un fenomeno naturale come la formazione di lava vulcanica che lo trasporti verso la superficie. Insomma il diamante è un oggetto di rara bellezza, con caratteristiche fisiche molto importanti, che si forma in tempi eccezionalmente lunghi e che per arrivare nelle miniere dove è estraibile deve incontrare un flusso di lava diretto verso la superficie della Terra! Questo spiega perché il prezzo del diamante non è inferiore a 5000euro al grammo, circa 100 volte quello della corrispettiva quantità di oro! L unità di misura del peso del diamante è il carato che è pari a 0.2grammi. Una delle caratteristiche che i gemmologi sfruttano per distinguere il diamante da vetri grezzi è la sua capacità di scomporre, a differenza del vetro, in vari colori la luce bianca o solare che incide su di esso.
Inoltre il diamante è un ottimo conduttore di calore e trasmette perfettamente il suono. Tuttavia non trasmette l elettricità e quindi è usato come isolante elettrico in applicazioni sofisticate. Tuttavia anche il diamante ha qualche debolezza: se lo si riscalda fortemente in presenza di aria esso brucia. Lavoisier sfruttò verso la fine del 1700 questa proprietà per dimostrare che il diamante è fatto di atomi di carbonio. Infatti, concentrò con una lente i raggi solari su un diamante provocandone la combustione. Analizzando i prodotti di combustione trovò che solo CO2 era prodotta. Quindi ne concluse che il carbonio proveniva dal diamante e l ossigeno dall aria in cui si era svolto il processo. Oggi il diamante può anche essere cresciuto sinteticamente in laboratorio attraverso tecniche chiamate HPHT o CVD. 4. Composizione dell aria ed effetto serra La composizione dell aria che respiriamo e che costituisce la parte più vicina a noi della nuvola di gas che avvolge la nostra Terra detta atmosfera, è rimasta per lungo tempo un enigma per i chimici. Gli esperimenti di Priestley, Lavoisier e Rutherford alla fine del 700 chiarirono che essa è composta in maniera prevalente da un gas capace di sostenere la combustione ed alimentare la respirazione ed in quantità maggiore da un altro gas incapace di alimentare sia la combustione che la respirazione. Oggi sappiamo che questi gas sono rispettivamente l ossigeno e l azoto. Di seguito la descrizione di uno degli esperimenti più semplici per dimostrare la presenza di ossigeno nell aria.
Oggi sappiamo che l aria che respiriamo contiene miscelati diversi gas nella proporzione riportata di seguito Azoto (N2): 78,084% Ossigeno (O2): 20,946% Argon (Ar): 0,934% Anidride carbonica (CO2): 0,0391% Neon (Ne): 0,0018% Elio (He): 0,000524% Metano (CH4): 0,00016% Kripton (Kr): 0,000114% Ozono (O3): 0,000004 Idrogeno (H2): 0,00005% Xeno (Xe): 0,0000087% Studi hanno permesso di evidenziare che l ossigeno non era presente nell atmosfera della Terra all inizio della sua vita (circa 4.5 miliardi di anni fa) e che soltanto 2.5 miliardi di anni fa, circa, con l inizio dei primi processi di fotosintesi l O2 ha iniziato a diventare un componente dell atmosfera terrestre. Tra tutti questi componenti due di essi, pur se presenti in proporzioni bassissime, giocano un ruolo fondamentale per la presenza della vita sulla Terra. Essi sono l anidride carbonica e l ozono. Anidride carbonica ed effetto serra
La figura qui sotto mostra il processo di mantenimento del calore sulla Terra tramite l effetto serra che produce la componente dell anidride carbonica nell aria. Il Sole ci inonda di energia sotto forma di luce. Parte di questa luce viene riflessa dall atmosfera ma gran parte giunge sulla Terra e ci illumina. Figura 4: Schema dell effeto serra dovuto all anidride carbonica Parte della luce è assorbita come calore dalla superficie terrestre che riemette parte di questo calore (freccia rossa). Quando questo calore raggiunge l atmosfera l anidride carbonica ne intrappola una parte permettendo alla Terra di mantenere una temperatura adatta alla sopravvivenza delle forme di vite, noi compresi! Se non ci fosse l anidride carbonica nell aria la Terra sarebbe molto più fredda e non ospitale per noi. Rimane altrettanto vero che se la quantità di CO2 nell aria aumenta oltre i valori naturali troppo calore è intrappolato e la Terra si surriscalda. Questo è quello che gli scienziati chiamano global warming e cioè riscaldamento globale : l aumento della temperatura sulle Terra dovuta ad un esagerato effetto serra e causato dall eccesiva presenza nell aria di anidride carbonica generata dall uomo con i suoi processi industriali. L Ozono e lo schermo ultravioletto Nella figura 4 si vede che il Sole ci illumina con la sua radiazione. Questa radiazione contiene anche dei raggi ultravioletti che sono estremamente dannosi per gli esseri viventi, l uomo in particolare. Infatti i raggi ultravioletti possono con la loro energia distruggere le cellule viventi! La natura ci ha fornito di un filtro naturale che assorbe tali raggi ed impedisce a loro di raggiungerci: tale filtro è l ozono (O3) contenuto nell aria! Non ci fosse stato l ozono nell aria la vita non sarebbe stata possibile. Questo è anche il motivo per cui gli scienziati si
preoccupano di verificare che i livelli di ozono nell aria restino nei valori dovuti e che le attività umane non comportino una loro diminuzione, potrebbe essere per noi letale!