La chimica

La chimica

1. INTRODUZIONE 

Studio della composizione, della struttura e delle proprietà delle sostanze naturali e sintetiche, delle loro trasformazioni e delle loro interazioni reciproche. Sin dai tempi più antichi, l'uomo ha osservato le varie trasformazioni della materia (nelle sue manifestazioni più semplici come la cottura dei cibi o la combustione del legno) e ha cercato di comprenderne le caratteristiche e spiegarne le cause. Seguendo l'evolversi di queste osservazioni è possibile perciò tracciare la storia delle idee e dei concetti che hanno portato allo sviluppo della chimica moderna.

ANTICHITÀ

Le prime esperienze nell'ambito della chimica risalgono ai tempi delle civiltà della Mesopotamia, dell'Egitto 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 (in genere ossidi e solfuri), 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 tentativo di interpretare i fenomeni della natura fornirono ai sacerdoti la motivazione per formulare le prime teorie sul comportamento della materia, spesso largamente basate su concezioni magiche.

La filosofia naturale greca Fin dai tempi di Talete (600 a.C.), i filosofi greci iniziarono a cercare di interpretare e spiegare la natura della materia. Talete stesso ipotizzò che tutta la materia traesse origine dall'acqua, che poteva solidificare trasformandosi in terra ed evaporare diventando aria. I suoi successori svilupparono questa teoria, individuando i quattro elementi di cui ritenevano fosse costituita la materia: la terra, l'acqua, il fuoco e l'aria. Nell'ambito della teoria atomistica, Democrito sostenne che questi elementi fossero composti da atomi, microscopiche particelle che si muovevano nel vuoto. Al contrario Aristotele, negando l'esistenza del vuoto, attribuiva agli elementi primordiali una natura materiale. L'ipotesi di Democrito, che perse ben presto d'importanza tra i greci, non fu completamente dimenticata e la sua riscoperta, avvenuta durante il periodo del Rinascimento, costituì la base per la moderna teoria atomica.

Il pensiero di Aristotele dominò la filosofia naturale per quasi due millenni, a partire dalla sua morte, avvenuta nel 323 a.C. Egli credeva che in natura esistessero quattro qualità: il caldo, il freddo, l'umido e il secco, e che ciascuno dei quattro elementi fosse dominato da una coppia di qualità: così il fuoco era caldo e secco, l'aria era calda e umida, la terra era fredda e secca e l'acqua era fredda e umida; inoltre i quattro elementi, combinandosi secondo diversi rapporti, costituivano tutte le sostanze presenti in natura. Poiché si immaginava che fosse possibile modificare i rapporti in cui le qualità erano presenti negli elementi, si prevedeva che gli elementi stessi potessero trasformarsi l'uno nell'altro, e che perciò fosse anche possibile trasformare una sostanza in un'altra.

L'alchimia Le teorie di Aristotele vennero ampiamente accettate e si diffusero in particolar modo ad Alessandria d'Egitto, divenuta dopo il 300 a.C. il principale centro di elaborazione del sapere del mondo antico. Secondo gli studiosi del tempo, i metalli subivano in natura un graduale processo di perfezionamento, trasformandosi progressivamente in oro. Sulla base di questa ipotesi, essi immaginarono di poter riprodurre lo stesso processo nei loro laboratori, in modo da trasformare artificialmente i metalli più comuni in oro. A partire dal 100 d.C., questa idea dominò anche il pensiero filosofico, e vennero scritti molti trattati di alchimia, alcuni dei quali, andando ben oltre la pura speculazione filosofica, si rivelarono di interesse scientifico.

LA TARDA ANTICHITÀ

Dopo il declino dell'impero romano, i trattati greci vennero dimenticati sia in Europa sia nella regione orientale del Mediterraneo. Nel VI secolo la setta cristiana dei nestoriani estese la sua influenza sull'Asia Minore e fondò un'importante scuola a Edessa, in Mesopotamia. Per fornire agli studenti validi libri di testo, vennero tradotte in siriaco gran parte delle opere greche di medicina e filosofia. Nel corso del VII e dell'VIII secolo, i conquistatori arabi imposero la cultura islamica a buona parte dell'Asia Minore, del Nord Africa e della Spagna. Il califfo di Baghdad, patrono delle scienze e delle arti, promosse la traduzione dei testi siriaci in arabo e, con la diffusione delle opere greche, rifiorì la pratica dell'alchimia. Gli alchimisti arabi, venuti a contatto anche con la cultura cinese, elaborarono un concetto dell'oro che comprendeva sia l'idea greca di perfezione sia quella orientale di farmaco. Lentamente si diffuse l'ipotesi sull'esistenza di uno specifico agente di trasformazione, la 'pietra filosofale' (in arabo al-kimia), che divenne l'obiettivo delle ricerche degli alchimisti. Questi antichi esperimenti stimolarono lo studio di nuovi composti chimici; vennero scoperti gli idrossidi alcalini e i sali d'ammonio (vedi Ammonio) e vennero perfezionati gli apparati per la distillazione. Allo stesso tempo, sentendo la necessità di procedere in modo più rigoroso, nelle ricette comparvero le prime indicazioni quantitative.

IL TARDO MEDIOEVO

Nell'XI secolo si ebbe in Europa un grande risveglio culturale grazie al contatto con la civiltà araba; in questo modo la scienza greca, passata attraverso i testi siriaci e arabi, venne tradotta e diffusa in latino. I trattati di alchimia destarono un grande interesse; esistevano manoscritti di due diversi tipi: alcuni avevano contenuti puramente pratici, altri erano di carattere speculativo e si basavano sui presupposti teorici dell'alchimia. Grazie allo sviluppo dell'artigianato del vetro, soprattutto a Venezia, vennero costruiti strumenti per la distillazione migliori di quelli posseduti dagli arabi; ciò permise di condensare prodotti volatili e di isolare per la prima volta gli alcoli e gli acidi minerali: l'acido nitrico, l'acido cloridrico, l'acido solforico e l'acqua regia, una miscela di acido nitrico e acido cloridrico. Dalla Cina giunse in Europa la notizia della scoperta dei nitrati e della polvere da sparo, che i cinesi usavano per produrre fuochi d'artificio e che nei paesi europei venne usata quasi immediatamente per costruire armi da fuoco. Alla fine del XIII secolo si era ormai sviluppata una vera e propria scienza chimica che trovava applicazione in nuove invenzioni tecnologiche.

Dal punto di vista teorico, gli arabi avevano accolto le speculazioni di Aristotele rendendole più specifiche. Ad esempio, essi ritenevano che i metalli fossero composti da zolfo e mercurio, ma con questi due termini non intendevano indicare i due elementi, che conoscevano perfettamente, bensì le loro 'essenze'. Il principio mercuriale conferiva al metallo la fluidità, mentre il principio sulfureo rendeva le sostanze combustibili e soggette alla corrosione.

IL RINASCIMENTO Durante il XIII e il XIV secolo l'influenza del pensiero aristotelico su tutti i settori della scienza andò diminuendo. Gli innumerevoli esperimenti e la prolungata osservazione della materia destarono i primi dubbi sulle spiegazioni semplicistiche del filosofo greco, dubbi che si diffusero velocemente grazie all'invenzione della stampa a caratteri mobili nel 1450. Dopo il 1500 la stampa permise una maggiore diffusione dei nuovi trattati sull'alchimia e sulle nuove tecnologie: il risultato di questa più ampia divulgazione di notizie divenne evidente nel XVI secolo.

La nascita del metodo quantitativo Fra i trattati più diffusi in questo periodo, quelli di argomento mineralogico e metallurgico giocarono un ruolo di estrema importanza. Un ampio spazio veniva dedicato alle tecniche di analisi delle rocce per valutarne il contenuto in metallo: ciò richiese l'uso di nuovi strumenti, come le bilance di precisione, e lo sviluppo di metodi quantitativi. Anche gli studiosi di medicina cominciarono a sentire la necessità di conoscere con maggiore precisione i dosaggi dei farmaci da somministrare, con la conseguente messa a punto dei primi metodi chimici per la preparazione dei medicinali.

Studi mineralogici e di medicina vennero trattati unitamente nelle opere dello scienziato svizzero Theophrastus von Hohenheim, noto con il nome di Paracelso. Nato in una regione mineraria, questi si dedicò ben presto allo studio dei metalli e, in contrasto con la scienza del tempo, introdusse la iatrochimica, una nuova disciplina basata sull'uso di farmaci preparati chimicamente, gettando le basi per la moderna farmacologia. Paracelso scoprì molti composti, realizzò nuove reazioni chimiche e modificò la teoria sulla composizione dei metalli, ipotizzando che fossero costituiti, oltre che dallo zolfo e dal mercurio, anche da un sale. A proposito della combustione del legno sosteneva che durante il processo la componente sulfurea bruciava, quella mercuriale vaporizzava e quella salina andava a costituire il residuo di cenere. I seguaci della iatrochimica di Paracelso ne mitigarono le teorie più estreme, e raccolsero le ricette del maestro per la preparazione dei farmaci.

Nel XVI secolo, Andreas Libavius pubblicò il trattato Alchemia, considerato il primo effettivo libro di testo di chimica, che conteneva una esposizione razionalizzata e sistematica delle conoscenze iatrochimiche del tempo.

Nella prima metà del XVII secolo, alcuni scienziati cominciarono a studiare le reazioni chimiche sperimentalmente, senza alcuno scopo di impiego tecnologico, ma per il loro proprio interesse. Jan Baptista van Helmont, un medico convertitosi alla chimica, eseguì un importante esperimento utilizzando la bilancia analitica: dimostrò che una ben precisa quantità di sabbia (silice) poteva essere fusa con un eccesso di alcali formando vetro solubile e che questa sostanza, trattata con acidi, riusciva a rigenerare la sabbia nell'esatta quantità iniziale. Venivano in questo modo gettate le basi per il principio di conservazione della massa. Van Helmont dimostrò anche che in molte reazioni si liberava un 'fluido aereo', che chiamò gas, intuendo l'esistenza di un nuovo stato d'aggregazione della materia, quello aeriforme.

La teoria atomica

Durante gli esperimenti condotti nel XVI secolo si scoprì come ottenere il vuoto, cosa che Aristotele aveva considerato impossibile. Questo risultato richiamò l'attenzione sull'antica teoria di Democrito, secondo la quale la materia era costituita da atomi che si muovevano nel vuoto. Il filosofo e matematico francese René Descartes, conosciuto con il nome di Cartesio, sviluppò una teoria compiuta che spiegava i fenomeni naturali in base alla dimensione, alla forma e al moto degli atomi. Si gettarono inoltre le basi per la teoria cinetica molecolare dei gas: grazie a esperimenti sull'elasticità dell'aria, il chimico e fisico britannico Robert Boyle formulò una delle leggi fondamentali dei gas, oggi nota con il suo nome, nella quale esprimeva la relazione di proporzionalità inversa tra pressione e volume di un gas.

La teoria del flogisto Nella seconda metà del XVII secolo, il medico, economista e chimico tedesco Johann Joachim Becher, basandosi sulle teorie di Paracelso, compì le prime osservazioni che portarono all'elaborazione di una nuova teoria chimica: la teoria del flogisto. Secondo questa teoria, sviluppata da Becher e dal suo discepolo Georg Ernst Stahl, tutte le sostanze contengono un costituente particolare, detto flogisto (dal termine greco che significa 'infiammabile'), che viene liberato durante la combustione. Anche l'ossidazione dei metalli veniva considerata una combustione e perciò era interpretata come rilascio di flogisto da parte del materiale; l'ossido di un metallo, scaldato in presenza di carbone, recuperava il flogisto e ricostituiva così il metallo. Questa teoria, per quanto errata, costituisce il primo tentativo di interpretazione razionale dei processi ossidoriduttivi.

LA CHIMICA NEL XVIII SECOLO

Grazie al grande numero di reazioni chimiche ormai note, gli studiosi si resero conto che esistevano delle 'affinità' tra le diverse sostanze, ossia che determinati materiali reagivano più facilmente con alcuni composti piuttosto che con altri. Queste osservazioni vennero raccolte in tabelle che permettevano di prevedere l'esito di una reazione in base alle affinità dei reagenti, prima ancora di effettuare l'esperimento in laboratorio. Nel corso del XVIII secolo, facendo uso di queste conoscenze, vennero isolati molti metalli, di cui furono studiati i derivati. Contemporaneamente ci fu lo sviluppo di nuovi metodi per le analisi qualitative e quantitative, ponendo i presupposti per lo sviluppo della moderna chimica analitica.

Anche lo studio chimico dei gas iniziò a essere affrontato in modo più rigoroso dopo l'invenzione, da parte del fisiologo britannico Stephen Hales, di uno strumento che permetteva di raccogliere i gas sviluppati durante una reazione chimica in un contenitore chiuso, in assenza di aria, e di misurarne il volume.

Un importante risultato nell'ambito della ricerca sui gas venne ottenuto nel 1756 per merito dello scienziato britannico Joseph Black. Studiando la reazione di decomposizione del carbonato di magnesio, egli osservò che il riscaldamento del composto sviluppava rilevanti quantità di gas, lasciando un residuo che chiamò magnesia calcinata (ossido di magnesio); in seguito, dalla reazione di questa sostanza con carbonato di sodio, si otteneva il sale di partenza. Black chiamò il gas che si sviluppava (il composto oggi noto come diossido di carbonio) 'aria fissa', perché era come 'intrappolata' all'interno del carbonato. In questo modo veniva per la prima volta dimostrato che i gas erano sostanze in grado di prendere parte a reazioni chimiche.

Un secondo passo verso lo sviluppo della chimica moderna si ebbe con la scoperta dell'idrogeno, inizialmente chiamato 'aria infiammabile', da parte del chimico Henry Cavendish. Questi introdusse inoltre delle nuove tecniche per isolare i gas liberati durante le reazioni chimiche, fornendo al chimico e teologo Joseph Priestley gli strumenti per scoprire nuovi elementi gassosi, tra i quali l'ossigeno. Priestley intuì che questa sostanza era il costituente dell'aria coinvolto nei processi di combustione e di respirazione: tuttavia, convinto che le sostanze bruciassero meno rapidamente in presenza di ossigeno piuttosto che di aria, ritenne questo gas povero di flogisto, e gli diede il nome di 'aria deflogisticata'.

L'esatto ruolo dell'ossigeno nelle reazioni di combustione venne definito dal chimico francese Lavoisier, che diede all'elemento il nome attuale.

La nascita della chimica moderna

Con una serie di esperimenti, Lavoisier dimostrò che l'aria contiene il 20% di ossigeno e che la combustione è dovuta alla reazione di questo elemento con la sostanza combustibile, negando perciò l'esistenza del flogisto. Lavoisier diede inoltre la prima definizione di elemento chimico (una sostanza che non può essere ulteriormente decomposta) e diede una prima versione della legge di conservazione della massa. A seguito delle sue scoperte sulla combustione, riformò la nomenclatura chimica, ai tempi ancora basata sugli antichi termini alchimistici, introducendo le denominazioni sistematiche in uso ancora oggi. Dopo il suo assassinio, avvenuto nel 1794 per mano dei giacobini, i suoi discepoli proseguirono l'opera fondamentale iniziata dal maestro, ponendo le basi della chimica moderna. Poco più tardi, il chimico svedese Jöns Jakob Berzelius propose di indicare gli elementi con le prime lettere dei loro nomi latini, come si fa tuttora.

LA CHIMICA DEL XIX E DEL XX SECOLO

Gli sviluppi della chimica analitica permisero al chimico francese Joseph-Louis Proust di dimostrare che gli elementi costituiscono ciascun composto secondo un rapporto definito e costante. Nello stesso periodo, il chimico e fisico francese Joseph-Louis Gay-Lussac scoprì che i rapporti dei volumi con cui i gas reagiscono sono numeri interi, di solito piccoli (legge delle combinazioni gassose). Mancava tuttavia una giustificazione teorica di queste osservazioni.

Nel 1803, lo scienziato britannico John Dalton propose una teoria atomica secondo la quale ogni elemento era costituito da atomi di massa e dimensioni ben precise. Basandosi solo sulla legge delle proporzioni definite e costanti, Dalton non aveva informazioni sufficienti per definire le formule dei composti in modo assoluto: assegnò perciò arbitrariamente peso atomico unitario all'idrogeno e calcolò il peso atomico relativo dell'ossigeno dai rapporti di combinazione, assumendo per l'acqua la formula HO; applicando la stessa procedura ad altri composti ottenne i pesi atomici relativi di tutti gli elementi allora noti. Dalla teoria atomica, egli dedusse la legge delle proporzioni multiple: se due elementi diversi formano più di un composto, le quantità in peso del primo elemento che si combinano con una quantità fissa del secondo stanno tra loro come numeri interi. Questa previsione venne ben presto avvalorata dai risultati sperimentali.

Teoria molecolare

La teoria di Dalton mancava di un'effettiva distinzione tra atomo e molecola, non prendeva in considerazione le osservazioni di Gay-Lussac sulle combinazioni gassose e, se si assumeva per l'acqua la formula HO, portava a conclusioni in contrasto con i dati sperimentali; infatti il vapore acqueo avrebbe dovuto possedere una densità superiore a quella dell'ossigeno, di formula O, ma ciò non trovava riscontro nell'osservazione.

La giusta interpretazione venne data nel 1811 dal fisico italiano Amedeo Avogadro, il quale formulò la legge secondo la quale volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di particelle. Quindi, avendo osservato che un certo volume di ossigeno reagiva con un volume doppio di idrogeno per formare l'acqua e avendo confrontato le densità dei due gas, sostenne che la formula dell'acqua doveva essere H O. Queste conclusioni riuscivano a spiegare tutti i dati sperimentali raccolti ed erano in accordo con la legge della combinazione dei gas. Avogadro aveva intuito correttamente l'esistenza delle molecole, ma i suoi risultati non trovarono il credito che meritavano. Solo molti anni dopo, nel 1860, l'ipotesi di Avogadro venne ripresa dal chimico italiano Stanislao Cannizzaro, che, tra le altre cose, evidenziò la differenza tra peso atomico, peso molecolare e peso equivalente, gettando le basi per un sistema standardizzato di classificazione degli elementi.

Contemporaneamente venivano indagati altri campi della chimica: la scoperta nel 1800 della pila, a opera dello scienziato italiano Alessandro Volta, e lo studio dell'elettrochimica iniziavano a far credere che le forze responsabili di tenere uniti gli elementi nei composti fossero di natura elettrostatica. In particolare, lo scienziato svedese Jöns Jacob Berzelius sviluppò una teoria secondo la quale tutti gli elementi contengono particelle positive e negative, ma in alcuni di essi prevalgono le prime, in altri le seconde: poiché cariche opposte si attraggono, era proprio grazie all'attrazione elettrostatica che si formavano i composti. La teoria di Berzelius si rivelò valida per la chimica inorganica: le sostanze fino ad allora studiate infatti erano composti ionici, e il legame tra gli ioni (ma non tra gli atomi, come riteneva lo scienziato) è effettivamente basato sull'attrazione tra cariche opposte.

Nuovi campi della chimica

I principali sviluppi del XIX secolo si ebbero nel campo della chimica organica (la cosidetta chimica del carbonio). La nascita del concetto di valenza, la scoperta del carbonio tetraedrico a opera di Van't Hoff e la descrizione della struttura del benzene per merito di Kekule von Stradonitz permisero di comprendere il legame chimico anche nelle molecole organiche, e diedero un forte impulso alla sintesi di nuovi composti. È in questo periodo che, soprattutto in Germania, vengono fondate le più importanti industrie chimiche moderne.

Anche la chimica inorganica richiedeva una razionalizzazione; il chimico russo Dmitrij Ivanovic Mendeleev, nel 1869, e il chimico tedesco Julius Lothar Meyer, nel 1870, formularono separatamente una tavola periodica in cui classificarono tutti gli elementi noti in base alle similitudini di comportamento chimico osservate, ordinandoli in gruppi di elementi secondo la graduale variazione di determinate proprietà. Sulla base di questa tavola e della legge della periodicità osservata, Mendeleev riuscì a prevedere l'esistenza di alcuni elementi non ancora scoperti, indicando con considerevole precisione le loro proprietà.

I risultati raggiunti nel campo della fisica indussero alcuni scienziati ad applicare alla chimica i modelli matematici. Lo studio delle velocità di reazione portò alla formulazione delle teorie cinetiche, soprattutto grazie al lavoro del chimico svedese Svante August Arrhenius, e della termodinamica, che trovò svariate applicazioni. Venne approfondito lo studio degli spettri di assorbimento e di emissione, portando allo sviluppo della spettroscopia. Vennero inoltre condotte le prime ricerche sui colloidi e sulla fotochimica: alla fine del XIX secolo si poteva ormai affermare che fosse nata la chimica fisica.

Quando sembrava che tutti i settori della chimica fossero già stati studiati, la scoperta della radioattività svelò un nuovo dominio di ricerca. Vennero usati metodi chimici per separare i nuovi elementi, ad esempio il radio e l'uranio, e per sintetizzare e isolare gli elementi transuranici. Il nuovo modello di struttura atomica elaborato dai fisici fornì una spiegazione della vecchia idea di affinità tra gli elementi e della differenza tra composti polari e non polari.

All'inizio del XX secolo, nacque un'altra importante disciplina, la biochimica. Dalla semplice analisi dei fluidi corporei si passò ben presto allo studio della funzione e della natura delle cellule più complesse. I biochimici degli anni Cinquanta compresero la struttura del DNA e la funzione dei geni, dando origine a una nuova scienza, la biologia molecolare.

RECENTI SVILUPPI DELLA CHIMICA

La chimica ha avuto un'enorme influenza sulla vita dell'uomo. All'inizio le tecnologie chimiche venivano impiegate per isolare prodotti naturali e trovarne nuove applicazioni. Nel XIX secolo vennero invece sintetizzate sostanze completamente nuove, migliori o più economiche di quelle naturali. Gli studi nel campo della scienza dei materiali hanno portato alla scoperta di nuove sostanze, quali gli ossidi ceramici superconduttori, i polimeri luminescenti e la serie di composti derivati dai fullereni. Al tempo stesso, alcuni scienziati che prima si occupavano di discipline separate, come la fisica, la biologia e la geologia, hanno cominciato a interessarsi alla chimica: il risultato è stato la nascita di studi interdisciplinari quali la geochimica o la biochimica.

Lo sviluppo delle biotecnologie, unito a tecniche sofisticate e avanzati strumenti (robot, laser, computer) di analisi, hanno permesso di intraprendere il Progetto Genoma Umano, una ricerca scientifica su scala internazionale che si pone l'obiettivo di specificare l'intero patrimonio genetico dell'uomo.