Qualche tappa 'preistorica' e 'storica' della teoria atomica

Esaminare la storia della elaborazione di un modello è importante per rendersi conto di come avvenga lo sviluppo della conoscenza scientifica ed anche per capire che ogni modello non può essere considerato definitivo e perfetto: lo è solo fino a quando i dati sperimentali rientrano nel modello disegnato ed accettato; quando essi divergono, occorre modificarlo o, addirittura, cambiarlo totalmente.

L'esempio della teoria atomica è esemplare ed emblematico, tanto più che copre un arco temporale enorme, di circa 2500 anni; ma il processo di costruzione di ogni modello ha avuto traversie simili, seppure in un arco di tempo più ridotto.

Quasi sempre esso è ricostruibile attraverso il pensiero e le opere di grandi personaggi della storia della scienza. Verranno ricordate solo alcune delle moltissime tappe significative; dei vari personaggi inoltre verranno menzionate solo le idee che possono riferirsi agli attuali modelli: ovviamente essi hanno espresso anche idee contrastanti o devianti rispetto ai modelli, ma sarebbe troppo dispersivo citarle.

Democrito (460-370 a.C.): descrive un primo completo e coerente sistema materialistico: esistono 'atomi' (dal greco a-tomos = indivisibile) immersi in uno spazio vuoto; dal loro movimento derivano tutte le cose, in modo meccanico e deterministico.

Epicuro (341-270 a.C.): l'universo è eterno ed immutabile ed è costituito da atomi immutabili; questi sono di infinite forme, pesi e grandezze; gli atomi, cadendo, possono deviare dalla loro traiettoria, creando eventi imprevedibili (il determinismo non è più rigido). Nella cultura latina la filosofia epicurea è stata diffusa  da Tito Lucrezio Caro, noto semplicemente come Lucrezio, nello splendido poema 'De rerum natura'.

***Occorre notare che queste 'teorie atomistiche' sono puramente filosofiche, poiché escludono l'esperimento per confermarle (lo escludono in quanto non lo prendono nemmeno in considerazione: le attività manuali erano considerate di basso livello, inadatto ai cultori della sapienza, cioè ai 'filosofi').

L'atomismo influenzò sempre gli studiosi, ma nel Medio evo fu accettata la teoria aristotelica dei 'principi' (anche Dante la seguì), teoria più coerente con le idee della Chiesa e non 'atea' e 'materialistica'. Questo fatto ha condizionato pesantemente il progresso delle teorie atomiche e della scienza in generale.

Pierre Gassendi (1592-1635) fisico e filosofo francese, diffonde la teoria, cercando di conciliarla con la religione (gli atomi sono creati da Dio); esistono atomi di varie forme, anche con uncini (concetto di legame); unendosi formano particelle più grandi, 'molecole' (il termine fu codificato solo molto più tardi, ma per molto tempo, fino agli inizi del 1800, si continuò a usare indifferentemente i termini atomo, elemento, molecola); queste molecole possono essere così grandi da essere percettibili dall'uomo, magari migliorando l''enghiscopio', antenato del microscopio, che lui stesso usava.

Robert Boyle (1627-1691), irlandese: in 'The Sceptical Chymist' afferma che le reazioni avvengono quando atomi con minore 'affinità' sono sostituiti da atomi con affinità maggiore; (in quel periodo erano molto diffuse le 'Tabulae affinitatum', nelle quali varie sostanze ed elementi erano tabulate su colonne; per ogni sostanza veniva messa in sequenza l'affinità, cioè la capacità di reagire, di varie altre sostanze; esempi di tabulae affinitatum compaiono più avanti, nelle figure 2.7, 2.9, 2.10); spiega le proprietà con le forme e il movimento dei corpuscoli; deve però 'purgare' la teoria dall''atomismo' di Epicuro; infatti subì un processo per eresia in cui dovette abiurare dalla teoria di Epicuro.

Isaac Newton (1642-1727), fisico inglese: i corpi sono formati da particelle primordiali (che chiama 'minima') 'tanto dure che non si logorano mai e mai si rompono in frammenti'; 'i corpi composti possono frammentarsi solo dove queste particelle sono a contatto'; 'l'agganciamento delle particelle è dovuto al fatto che esse si attraggono l'un l'altra con una forza che è molto grande quando sono a contatto' (Newton cercò di generalizzare anche al mondo microscopico le sue teorie sulla gravitazione universale).

Leonhard Euler (1707-1783), matematico svizzero tedesco (anche un matematico, speculatore astratto, si pone problemi estremamente concreti; sembra un vero 'chimico di laboratorio'): 'per la conoscenza degli elementi è necessario il maggiore numero di esperienze nelle quali decomporre i corpi fino a ridurli ai loro principi che potranno venire considerati elementi; esistono tanti elementi quanti tipi di atomi esistono'

Michail V. Lomonosov (1711-1765), russo: 'il fondamento di ciò che è proprio ai corpi naturali va ricercato nelle qualità dei corpuscoli che li compongono e nel modo della loro reciproca disposizione; un 'principio' è formato da corpuscoli eguali, un 'corpo misto' è costituito da due o più diversi principi'

Bryan e Williams Higgins, fisici inglesi seguaci di Newton dal 1775 al 1995: gli atomi di tutti gli elementi sono solidi e hanno forma sferica o quasi sferica; gli atomi si attraggono con forze inversamente proporzionali al quadrato delle distanze (teorie gravitazionali).

*** E' da notare che, finora, nessuno di questi scienziati è stato definito 'chimico', dato che allora la chimica moderna non si poteva considerare ancora nata; i primi pensatori o scienziati erano di formazione 'fisici' (che si interessavano cioè della Natura e delle sue leggi, in greco 'fisis' fusis) o medici o matematici.

Dalton effettua il primo calcolo del rapporto fra questi pesi e quello dell'atomo di idrogeno, compilando una prima tabella di pesi atomici, il 6 settembre 1803, tabella affetta da errori concettuali, ma fondamentale perché la prima che sia stata elaborata (gli errori sono legati alla convinzione che il numero di particelle di vari gas in un dato volume possa essere diverso; d'altronde non aveva conoscenza dell'esistenza di molecole biatomiche, perciò interpretò le sue esperienze sulla base che il gas idrogeno fosse H e non H₂)

Fig.2.4 Prima tabella dei pesi atomici elaborata da Dalton (1803).

Egli usò inoltre simboli nuovi per identificare gli atomi, ma anche per alcuni composti, poiché non esistevano ancora metodi per individuarli come tali, per esempio KOH e NaOH; adottò anche un modello simbolico per mostrare che gli atomi potevano unirsi in rapporti diversi, pur immaginando 'molecole' assolutamente improbabili e, alla luce delle attuali conoscenze, impossibili.

Per capire l'importanza del contributo di Dalton allo sviluppo della moderna chimica, con la sua innovativa simbologia, basti pensare che, prima di lui, vigeva ancora l'abitudine di tentare di 'comunicare' mediante simbologie che si rifacevano all'alchimia ed all'astrologia, con descrizioni di processi che sembravano più racconti fantastici che esperienze reali e con simboli fantasiosi e mitologici, più o meno comprensibili anche per gli 'addetti ai lavori'.

Per una lettura della tabula, potremmo nominare le colonne secondo le lettere dell'alfabeto, le righe con i numeri interi cominciando da uno, secondo lo schema:

Fig.2.8 Schema per la lettura della Tabula affinitatum.

Così, utilizzando le regole degli scacchi o della 'battaglia navale', e tenendo presente che la riga 1 corrisponde alla sostanza in oggetto, possiamo individuare un riquadro qualsiasi, per osservare per esempio che:

- per HCl 'acido del sale marino', colonna b, la massima affinità è presentata da Sn (b2), minore da Cu (b4), poi Ag (b5), Hg (b6) e, molto lontano, Au (b9).

- per Na carbonato 'sale alcalino fisso', colonna f, la massima affinità è dell'acido solforico (vitriolico) (f2), poi del nitrico (f3), del cloridrico (f4), dell'acetico (f5, spirito di aceto di vino).

- per Hg, colonna l, teniamo presente che il mercurio fa amalgama soprattutto con i metalli nobili: primo Au (l2), Ag (l3), Pb (l4), Cu (l5), Zn (l6), Sb (l7).

- per Ag, colonna o, primo Pb (o2), poi Cu (o3), con i quali fa leghe; per il resto non ha affinità con altro o quasi: infatti è un metallo nobile, inattaccabile normalmente anche dagli acidi.

Addirittura non esiste nemmeno una colonna per Au, essendo praticamente inutile. Si può tentare facilmente di dare una interpretazione ad altre parti della tabula, alla luce delle conoscenze attuali, per osservare altre corrispondenze a reazioni note.

E' interessante notare che molti metalli utilizzano simboli astrologici di pianeti, della luna e del sole: l'oro ha il simbolo del sole (b9), l'argento quello della luna (b5), il ferro quello di Marte (c2), il rame quello di Venere (b4), il piombo quello di Saturno (c4), lo stagno quello di Giove (b2), il mercurio quello diMercurio (c5).

Ma si trattava, comunque di simboli convenzionali che solo pochi potevano comprendere. L'adozione di simboli per comunicare con tutta la comunità degli studiosi è equivalente alla costruzione di una lingua in una società: non esiste progresso se non esiste comunicazione.

Joseph Louis Proust (1754 -1826): formula la legge delle proporzioni definite (per il rapporto in peso degli elementi costituenti un composto); ciò comporta che esista discontinuità nella materia: è necessario perciò ipotizzare l'esistenza di 'atomi' come costituenti.

Amedeo Avogadro (1776 - 1856) avvocato torinese: deduce, dalle esperienze sui gas di Joseph Louis Gay-Lussac, chimico francese (combinazioni di sostanze gassose sempre in rapporti definiti e semplici) e dalle teorie di Dalton che: volumi eguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di pressione e di temperatura, contengono lo stesso numero di particelle, come aveva già pensato il grande chimico svedese Jacob Berzelius, che però sbagliava in quanto si riferiva ad atomi e non a molecole; Avogadro infatti ipotizza (1811) che le molecole di gas usate siano biatomiche (H₂, Cl₂, HCl); in particolare lui parla di 'molecole integranti' o 'costituenti' (molecole), composte da 'molecole elementari' o 'parziali' o 'semplici' (atomi); in questo modo l'ipotesi è verificabile. Ma la sua idea non viene accettata dal mondo scientifico.

Queste sono solo alcune delle tappe nello sviluppo iniziale del modello atomistico; moltissimi altri scienziati hanno dato il loro contributo nello stesso periodo di tempo considerato e ancora più negli anni successivi; tutti questi contributi hanno permesso l'elaborazione del modello attualmente accettato.