CHIMICA
Studio della composizione, della struttura e delle proprietà delle sostanze naturali e sintetiche, delle loro trasformazioni e delle loro interazioni reciproche.
1) 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.
1.1 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
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. 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.
1.2 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.
2) 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.
3) 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.
4) 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.
4.1 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.
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.
4.2 La teoria atomica
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.
4.3 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.
5) LA CHIMICA NEL XVIII SECOLO
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. 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.
5.1 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.
6) LA CHIMICA DEL XIX E DEL XX SECOLO
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.
6.1 Teoria molecolare
Alessandro Volta In questo dipinto conservato presso il Museo di Storia della Scienza di Firenze, il fisico Alessandro Volta è rappresentato mentre illustra all'Accademia Francese la pila da lui stesso costruita. Tale apparecchio, costituito da lastre di ferro e zinco alternate e immerse in una soluzione salina, rappresentò una importante scoperta nello studio dei fenomeni elettrici.
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.
6.2 Nuovi campi della chimica
I principali sviluppi del XIX secolo si ebbero nel campo della chimica organica (la cosiddetta 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.
7) 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.
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