Breve storia della chimica - Isaac Asimov, Sintesi del corso di Chimica

Scarica Breve storia della chimica - Isaac Asimov e più Sintesi del corso in PDF di Chimica solo su Docsity! BREVE STORIA DELLA CHIMICA 1) Verso il 600 a.C. l’attenzione dei Greci cominciò ad indirizzarsi verso la natura dell’Universo e sulla struttura delle sostanze che lo compongono. Gli studiosi greci, o filosofi, si preoccupavano del perchè dei vari fenomeni; furono i primi a studiare quella che oggi chiameremo chimica teorica. Il primo filosofo di cui conosciamo il nome è Talete. Egli si chiese se fosse possibile trasformare qualsiasi sostanza in qualsiasi altra sostanza, in modo che tutte le sostanze risultino aspetti diversi di una sola materia fondamentale; e gli sembrava che la risposta dovesse essere positiva e che l’elemento di base dovesse essere l’acqua, perchè sembrava essere la sostanza presente in maggiore quantità sulla Terra. Questa teoria sull'esistenza di un elemento base che costituisce tutte le sostanze fu accolta da vari filosofi, invece l’idea che l’acqua fosse l’elemento di base venne rifiutata. Anassimene considerava l’aria l’elemento fondamentale e sosteneva che verso il centro dell’universo l’aria venisse compressa, trasformandosi in sostanze di tipo più duro e più denso, come l’acqua e la terra. Eraclito faceva invece un ragionamento diverso. Se la caratteristica dell’Universo era la trasformazione, si doveva scegliere come elemento una sostanza in cui la trasformazione avesse le caratteristiche più salienti. Secondo il filosofo questa sostanza era il fuoco. Empedocle, seguace di Pitagora, trovò una soluzione di compromesso. Creò la dottrina dei quattro elementi; unendo l’acqua di Talete, l’aria di Anassimene, il fuoco di Eraclito ed egli aggiunse la terra. Questa dottrina fu accettata da Aristotele. Egli considerava gli elementi come combinazioni di due coppie di caratteri opposti: caldo e freddo, asciutto e bagnato. - caldo e asciutto era il fuoco; - caldo e bagnato era l’aria; - freddo e asciutto era la terra; - freddo e bagnato era l’acqua. Aristotele aggiunse un quinto elemento, l’etere, che componeva il firmamento. Essendo quest’ultimo immutabile, il filosofo giudicò l’etere perfetto, eterno e incorruttibile, a differenza dei quattro elementi imperfetti della Terra. Tra i filosofi greci sorse anche un'altra questione importante ,quella relativa alla divisibilità della materia. Sembra che Leucippo fu il primo a mettere in dubbio la convinzione che qualsiasi pezzo di materia, per quanto piccolo, potesse venire diviso in parti ancora più piccole. Leucippo affermò che a lungo andare si sarebbe ottenuto, a lungo andare, un frammento di dimensioni minime, non divisibile. Il suo discepolo Democrito continuò il ragionamento nella medesima direzione, e chiamò atomos le particelle minime della materia. La teoria secondo la quale la materia è costituita da particelle piccolissime indivisibili, prende il nome di atomismo. Democrito riteneva che gli atomi di ciascun elemento fossero diversi per forma e dimensione, e che proprio questa diversità spiegasse le differenti proprietà dei vari elementi. Per la maggior parte dei filosofi, compreso Aristotele, era inaccettabile che un pezzetto di materia non si potesse dividere in frammenti ancora più piccoli; quindi la teoria rimase impopolare per i duemila anni successivi. Fortunatamente l’atomismo non morì completamente. Il filosofo greco Epicuro accolse l’atomismo nel suo modo di pensare, e nei secoli successivi l’epicureismo ebbe molti seguaci, tra i quali Lucrezio. Lucrezio espose l’atomismo in una lunga composizione poetica intitolata De Rerum Natura. All’interno dell’opera egli riconosce che gli atomi sono qualcosa di concreto e non di astratto, ipotizza l’esistenza del vuoto e sostiene che l’Universo sia immenso e infinito poichè se si arrivasse ai limiti dell’Universo e si lanciasse un dardo oltre avremmo ancora dello spazio. L’opera di Lucrezio è arrivata intera fino a noi,contribuendo a conservare la teoria atomistica, mentre le opere di Democrito e di Epicuro sono frammentarie. 2) Ai tempi di Aristotele, Alessandro il Grande di Macedonia conquistò il vasto impero persiano. Nel Medio Oriente ebbe luogo ​un fecondo mescolarsi di culture. L'abilità egiziana nel campo della chimica applicata e la conoscenza greca della teoria si incontrarono e si fusero, ma l’unione non fu completamente vantaggiosa. In Egitto la conoscenza della chimica era strettamente connessa con l’imbalsamazione dei morti e i riti religiosi, mentre gli antichi filosofi greci avevano invece separato la religione dalla scienza. Gli Egizi praticavano l’arte della khemeia (arte di modificare la materia) che appariva intimamente legata alla religione, e la gente comune avevano una certa paura delle persone che la praticavano, considerandole arti segrete e pericolose. Questo alone di mistero ebbe due effetti spiacevoli. In primo luogo, ritardò il progresso poiché ciascun ricercatore nel campo della chimica viveva nell’ignoranza in merito a ciò che facevano gli altri e di conseguenza nessuno poteva trarre insegnamenti utili dagli errori o dalle conquiste altrui. In secondo luogo, dava a tutti i ciarlatani e imbroglioni la possibilità di spacciarsi per studiosi seri. Il primo seguace importante della khemeia greco-egiziana di cui ci sia pervenuto il nome è Bolos, vissuto nel 200 a.C. circa. Egli si dedicò allo studio della trasformazione di un metallo in un altro e, in particolare, alla trasformazione del piombo o del ferro in oro (trasmutazione). Per secoli e secoli molti chimici si sono sforzati onestamente di scoprire la tecnica per produrre l’oro. Nei suoi scritti Bolos forniva i particolari di metodi per la produzione dell’oro, ma probabilmente si trattava di una lega di rame e zinco che dà luogo all’ottone, il quale possiede lo stesso colore dell’oro. Nell’epoca romana, l’arte della khemeia subì un notevole regresso, dopo il 100 a.C. non si scoprì praticamente niente di nuovo. Il colpo di grazia venne dato dall’imperatore Diocleziano, che temeva che si potesse riuscire a produrre oro a buon mercato, e per questo ordinò la distruzione di tutti gli scritti dedicati alla khemeia. Un’altra motivazione è che con il Riforma la nomenclatura troppo vaga; se una sostanza si poteva scindere in sostanze più semplici, essa non era un elemento e due sostanze che erano entrambe elementi si potevano combinare formando una terza sostanza chiamata composto. Perfeziona la classificazione di Silvius delle sostanze acide e basiche. Silvius era un chimico, il primo che portò un laboratorio di chimica in un'università , e aveva distinto le sostanze tra acide e basiche. Boyle ha la caratteristica di essere ancorato al suo tempo in quanto ammette che la trasmutazione sia possibile. Boyle afferma che gli atomi sono divisibili anche se in natura permangono indivisibili; questa è una grande intuizione perché porterà gli uomini a comprendere l’esistenza di particelle subatomiche. A questi corpuscoli che sono inerti di per sé, dotati di proprietà meccaniche, secondo Boyle Dio ha conferito il moto, quindi anche nella versione di Boyle, che era un uomo molto religioso, la presenza di Dio come principio è presente. Egli dimostrerà che un gas si può comprimere e quindi aumentando la pressione esercitata su un gas questo può diminuire il suo volume senza perdere peso. Quindi se il gas si può comprimere l’unica spiegazione è ammettere che il gas sia fatto di particelle divise da spazi vuoti. Molto importante in quel periodo fu anche van Helmont. Egli fece crescere un albero in una quantità di terra misurata, misurando l’acqua e la terra che aggiungeva, e il peso, per vedere se ci fossero dei cambiamenti. Fu importante perché studiò i vapori e, trovò che assomigliassero al “caos” dei Greci, la materia originaria, e per questo li chiamò caos, che in fiammingo diventò gas, ed è l'espressione che usiamo ancora oggi per indicare le sostanze aeriformi Verso la fine del diciottesimo secolo James Watt realizzò la prima macchina a vapore veramente efficiente. Da quel momento, l’uomo cominciò ad interessarsi al fuoco e cercò di scoprire nuovi metodi per adibire il fuoco ad altri impieghi in sostituzione dell’uomo. Secondo gli antichi greci le sostanze in grado di bruciare contenevano in sé l’elemento del fuoco, e le teorie degli alchimisti erano analoghe, con la differenza che si ritenevano combustibili le sostanze contenenti il principio dello zolfo. Becher ipotizzò l’esistenza di tre tipi di terra: la terra lapidea tipica dei solidi, la terra mercurialis, sostanza fluida, e la terra pinguis, una sorta di principio di infiammabilità. Georg Ernest Stahl diede al principio di infiammabilità il nome di flogisto. Secondo Stahl le sostanze combustibili erano ricche di flogisto e il processo di combustione determinava la cessione del flogisto all’aria . Ciò che rimaneva dopo la combustione era privo di flogisto, quindi non poteva bruciare. Quindi, la cenere proveniente dalla combustione del legno, era priva di flogisto. C’era però un problema, nella formazione della ruggine dal metallo, il peso aumentava invece che diminuire. Stahl e i suoi discepoli non erano in grado di spiegare il perchè, ma nel diciottesimo secolo questo problema non era considerato grave poiché non si dava molta importanza alle misurazioni 4) Daniel Rutherford, discepolo di Joseph Black, colui che dimostrò che i gas possono combinarsi con solidi e liquidi, era convinto, come il suo maestro, della teoria del flogisto. Dopo molti esperimenti scoprì “l'aria flogisticata”, cioè un’aria che conteneva così tanto flogisto da esserne satura e da non poterne più assorbire altro. Infatti gli oggetti immersi in essa non bruciavano. Oggi questo gas è chiamato azoto. Joseph Priestley invece scoprì “l'aria deflogisticata”, un’aria privata del normale contenuto di flogisto, quindi particolarmente ansiosa di accoglierlo. Infatti quest’aria era in grado di far bruciare più velocemente e con fiamma più brillante le sostanze combustibili. Ora viene indicato come ossigeno. A metà del diciottesimo secolo Axel Fredrik Cronstedt introdusse l’uso del cannello, uno strumento che per un secolo rimase l'unico strumento di analisi chimica. Si trattava di un tubo lungo e assottigliato a un’estremità. Soffiando nell’apertura più larga si otteneva un getto di aria concentrata e questo getto, rivolto verso una fiamma, ne accresceva il calore. Quando la fiamma incontrava un pezzo di minerale, dal colore della fiamma e dalla natura dei gas generati, era possibile dedurre informazioni sulla natura e sulla composizione del minerale. Uno degli studiosi più importanti, se non il più importante, è Antoine Lavoisier. Egli fin dall’inizio delle sue ricerche egli aveva riconosciuto l’importanza delle misurazioni accurate. Antoine Lavoisier decise di mettere alla prova la trasmutazione,poiché nel 1770 c’era ancora qualcuno che ne sosteneva la possibilità Per 101 giorni fece bollire dell’acqua in un apparecchio che faceva condensare il vapore acqueo e lo immetteva di nuovo nel recipiente in ebollizione, in modo che nel corso dell’esperimento non andasse persa nessuna sostanza. Pesò sia l’acqua che il recipiente, prima e dopo il periodo di ebollizione e si accorse che il peso dell’acqua non era cambiato ma sul fondo del recipiente si era formato un sedimento. Una volta raschiato via il sedimento si scoprì che il recipiente era diventato più leggero, in misura uguale al peso del sedimento. Quindi il sedimento era una parte del recipiente corrosa dall’acqua. Lavoisier si convinse che la massa non viene mai né creata, né distrutta, ma semplicemente trasferita da una sostanza all’altra. Questo concetto costituisce la legge di conservazione della massa. I risultati conseguiti da Lavoisier grazie all’uso della misurazione furono così grandi che, da quel momento, i chimici accettarono incondizionatamente il principio della misurazione. Lavoisier si interessava anche alla combustione e scoprì che riscaldando un diamante si ottiene anidride carbonica, e quindi che il diamante è un parente stretto del carbonio. il chimico pubblicò anche una sua teoria sulla composizione dell’aria, che secondo il suo pensiero non era una sostanza semplice, bensì una miscela formata per​ ⅕​ da aria deflogisticata, e per ​⅘​ da aria flogisticata. Nel penultimo decennio del diciottesimo secolo Lavoisier elaborò un sistema di nomenclatura poiché si sentiva il bisogno di un sistema riconosciuto che tutti avrebbero dovuto adottare. Verso la fine del diciottesimo secolo cominciò a imporsi l’esigenza di riunire in una teoria generale le numerose scoperte avvenute nel campo dei gas. A farlo arrivò Antoine Lavoisier. Nel 1789 pubblicò il libro Trattato elementare di chimica, che può essere considerato il primo testo moderno di chimica, e al suo interno propone una visione unitaria della conoscenza della chimica dell’epoca e una lista di tutte le sostanze conosciute all’epoca. Morì ghigliottinato durante la rivoluzione francese. Nello stesso periodo, Cavendish, riscaldando quello che oggi chiamiamo idrogeno, si accorse che la condensa che si formava era acqua e che quindi l’acqua fosse formata da idrogeno e ossigeno. 5) I successi di Lavoisier incitarono i chimici a cercare altri campi dove l’impiego delle misurazioni accurate potesse illuminare lo studio delle reazioni chimiche. Uno di questi campi era costituito dagli acidi e dalle basi. Benjamin Richter rivolse la sua attenzione alle reazioni di neutralizzazione, cioè alle reazioni all'interno delle quali si mescolano sostanze acide e basiche e si crea una miscela con proprietà né acide né basiche. Scoprì che occorrevano quantità fisse e definite di un determinato acido per neutralizzare una determinata base, e viceversa. Ci si cominciò a chiedere se i rapporti fissi valessero non solo per acidi e basi, ma per tutto il resto della chimica. Joseph Louis Proust formulò la legge delle proporzioni multiple, o legge di Proust. Secondo la quale in tutti i composti gli elementi sono contenuti in determinate proporzioni definite e non in altre combinazioni, indipendentemente dalle condizioni in cui vengono prodotti. John Dalton osservò che due elementi erano in grado di combinarsi secondo più di una serie di proporzioni, dando forma ad una serie di composti dalle caratteristiche differenti. Questa teoria prese il nome di legge delle proporzioni multiple. (1803) Dalton presentò anche la sua visione della teoria atomica, basata sulla legge delle proporzioni definite e sulla legge delle proporzioni multiple. Conservò la parola atomo per definire le minuscole particelle che costituiscono la materia. Secondo Dalton: - tutti gli atomi di un elemento sono uguali tra loro ed hanno la stessa massa; - dagli atomi di un elemento non è possibile ottenere atomi di un altro elemento, quindi annulla le teorie atomistiche; - in una trasformazione chimica gli atomi di un elemento non possono essere né creati né distrutti ma si trasferiscono interi formando nuovi composti. Dalton preparò la prima tavola dei pesi atomici, basandosi sulla convinzione che le molecole fossero formate dall'accoppiamento di un solo atomo di un elemento con un solo atomo di un altro elemento. Per questo molte voci di questa tavola si rivelarono in seguito sbagliate. In quel periodo, per la prima volta, l’energia elettrica invade il mondo della chimica. Le sostanze dotate di carica elettrica, che contengono elettricità, sono quelle in grado di acquisire potere di attrazione per mezzo dello strofinamento o di altre cause. Benjamin Franklin avanzò l’ipotesi che esistesse un unico fluido elettrico per tutte le sostanze. Quando le sostanze contenevano una quantità di fluido elettrico superiore al normale, avevano carica positiva, mentre quando hanno una quantità di fluido inferiore al normale, avevano carica negativa. Alessandro Volta scoprì che due metalli potevano venire disposti in modo tale che si generassero cariche nuove a mano a mano che le cariche vecchie venivano allontanate, per mezzo di un filo conduttore. Aveva inventato la pila elettrica, e generato una corrente elettrica. Poche settimane dopo la scoperta di Volta, Nicholson e Carlisle, fecero passare nell’acqua una corrente elettrica e si accorsero che, in corrispondenza delle piastre di metallo conduttore che avevano immerso nell’acqua, cominciarono ad apparire delle bollicine di gas. I due chimici avevano decomposto l’acqua nei sue due componenti, idrogeno e ossigeno. Questa decomposizione prende il nome di elettrolisi. A mano a mano che si formavano le bollicine si dividevano sulle due piastre, si scoprì che il volume dell’idrogeno era esattamente il doppio del volume dell’ossigeno. Le scoperte di Nicholson e Carlisle furono consolidate dall’opera di Gay-Lussac, il quale, scoprì che, nella formazione dei composti, i gas si combinavano insieme sempre secondo