Chimica

La chimica il cui nome deriva da kemà, il libro dei segreti dell’arte egizia, da cui l’arabo “al-kimiaa” “الكيمياء” studia la materia, la sua composizione e le trasformazioni che avvengono per interazione di vari componenti. Il progresso della chimica rappresenta il progresso della civiltà la cui storia è descritta attraverso una serie di sviluppi fondamentali: dall’età del bronzo, all’ascesa dell’alchimia ad Alessandria dall’invenzione cinese della polvere da sparo alla  ricerca da parte degli alchimisti per trasmutare i metalli vili in oro. Tra i tanti alchimisti  il più famoso è Abū Mūsā Jābir ibn Ḥayyān al-Azdī noto con il nome di Gerber che analizzò i quattro elementi aristotelici ovvero fuoco, acqua, terra e aria secondo quattro qualità ovvero caldo, freddo, secco e umido teorizzando che ogni metallo fosse la combinazione di questi quattro principi contrapposti a coppie e mescolando le qualità di un metallo si sarebbe ottenuto un altro metallo. L’alchimia trovò il periodo di massimo splendore nel periodo dell’Umanesimo e del Rinascimento. Ad essa si interessarono personaggi illustri come Leonardo da Vinci, Paracelso, Poliziano fino a Newton. Il metodo scientifico che fa seguire alla realtà sperimentale modelli rigorosi, spesso matematici oggettivi, verificabili che viene fatto risalire a Galileo Galilei portò lentamente al tramonto dell’alchimia e alla nascita della chimica come scienza.

1789: nascita di una nuova era

Il 1789 è l’anno in cui scoppiò la Rivoluzione Francese ma per i chimici questa data ha un significato del tutto particolare perché in quell’anno fu pubblicato il libro Traité élémentaire de chimie scritto da Lavoisier. Tradotto in inglese con il titolo Elements of Chemistry in a New Systematic Order containing All the Modern Discoverie rappresenta il primo libro di chimica moderna. Il libro contiene un elenco di 33 elementi solo 23 dei quali sono realmente elementi tra cui ossigeno, azoto, idrogeno, fosforo, mercurio, zinco e zolfo. Nell’elenco ci sono anche la luce e il calore, entrambi non più considerati materia secondo la fisica moderna. Lavoisier, scopritore della Prima delle leggi ponderali, in questo libro pubblicato postumo, espose la sua scoperta secondo cui la fermentazione produce gas carbonico e spirito di vino. Nel libro appare la prima reazione chimica: mosto d’uva = acido carbonico + alcool Tra il 1797 e il 1809 il chimico Proust dalle sue ricerche condotta sulla composizione degli ossidi metallici e, in particolare sul ferro, enunciò la Legge delle proporzioni definite. Il chimico tedesco Richter che introdusse il termine stechiometria scoprì che il rapporto in peso dei composti consumati in una reazione chimica era sempre lo stesso. Elaborò inoltre una legge della chimica analitica ovvero quella degli equivalenti secondo cui le quantità di basi o di acidi che si combinano con un acido o una base conservano tra loro gli stessi rapporti nelle combinazioni con tutti gli altri acidi o basi. La chimica divenne quindi sempre più una scienza quantitativa. In essa, però, le proprietà distintive delle sostanze erano rese visibili dai diversi rapporti quantitativi attraverso cui reagivano tra loro.

Il periodo della chimica classica

Il XIX secolo costituisce un secolo di continui e inimmaginabili progressi. Nel 1808 John Dalton descrisse per primo l’atomo ed enunciò la legge delle proporzioni multiple. Nel 1811 Avogadro, ampliando il lavoro sui gas di Boyle, Charles e Gay-Lussac espose il principio che porta il suo nome secondo cui volumi uguali di gas alla stessa temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole. Questo principio consente di ricavare una costante detta numero di Avogadro che indica il numero di molecole presenti in una mole di un elemento che corrisponde a 6.022 · 1023 Nel 1869 il chimico russo Dmitrij Ivanovich Mendeleev individuò una periodicità nelle proprietà degli elementi a determinati intervalli regolari. Elaborò quello che chiamò Sistema Periodico scrivendo le proprietà degli elementi su pezzi di carta e disponendoli e riorganizzandoli. Si rese conto che, mettendoli in ordine di peso atomico crescente, si verificavano regolarmente alcuni elementi con determinate caratteristiche.

La Tavola Periodica

Inizialmente la tabella era costituita solo da righe orizzontali ma successivamente Mendeleev modificò la disposizione e organizzò la sua Tavola in Gruppi e Periodi. Dmitrij Ivanovich Mendeleev riuscì anche a prevedere l’esistenza di altri elementi descrivendone le loro proprietà chimiche e fisiche. L’importanza della Tavola Periodica e delle previsioni di Mendeleev furono riconosciute pochi anni dopo in seguito alla scoperta degli elementi scandio, gallio e germanio che andarono ad occupare alcuni posti lasciati vuoti nella tavola e possedevano le proprietà fisiche previste dalla loro posizione in essa. Il progresso della scienza e la scoperta di nuovi elementi consentirono nel tempo di completare la Tavola Periodica

La Sintesi dell’urea

Un’altra pietra miliare del XIX secolo è l’organicazione del carbonio che avvenne con la sintesi dell’urea Riveste una particolare importanza storica in quanto è stato il primo composto organico sintetizzato da un composto inorganico da Friedrich Wöhler nel 1828 per riscaldamento del cianato di ammonio Accanto alla conoscenza di nuovi elementi e alla sintesi di nuovi composti a partire dall’inizio del XIX secolo gli scienziati compresero la possibilità di ottenere lavoro da una fonte di calore. Ciò fu dimostrato per la prima volta da James Joule negli anni ’40 dell’Ottocento.

Il XX secolo alla scoperta dell’atomo

Il XX secolo, grazie ai progressi scientifici e tecnologici, è quello in cui è stato scoperto l’atomo. Thomson pubblicò nel 1904 il primo modello atomico detto modello a panettone o plum pudding model avvenne nel 1904. Thomson elaborò questo modello prima della scoperta del nucleo e pertanto prevedeva che la carica positiva occupasse come una nube tutto il volume dell’atomo e che gli elettroni fossero dispersi in essa. Il modello atomico di Rutherford detto modello planetario fu pubblicato nel 1911 a seguito di numerosi esperimenti da cui dedusse che l’atomo doveva avere una struttura non uniforme e pertanto il modello di atomo “pieno” e omogeneo proposto da Thomson doveva essere accantonato. Pertanto si impose il modello atomico nucleare proposto da Rutherford detto anche modello atomico planetario secondo cui: l’atomo è costituito da un nucleo centrale di dimensioni notevolmente più piccole del diametro dell’atomo dove è concentrata la carica positiva e la massa gli elettroni che occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo sono carichi negativamente e ruotano intorno al nucleo come i pianeti intorno al Sole il numero di elettroni è tale da bilanciare la carica positiva del nucleo

Dall’atomo di Bohr a quello contemporaneo

Il modello atomico di Bohr proposto nel 1913 è una teoria rivoluzionaria che si basava sullo spettro a righe dell’atomo di idrogeno. Si basa su  un’ipotesi quantistica relativa al momento angolare dell’elettrone nella sua orbita ed introduce il concetto di quantizzazione dell’energia. Gli elettroni, infatti, si muovono su orbite permesse a energia quantizzata. Tuttavia, alla luce del principio di Heisenberg, si abbandonò l’ipotesi del moto di un elettrone in un’orbita e si definì il termine orbitale. Secondo la meccanica quantistica si può parlare di traiettoria di una particella. Non si  può  quindi definire con certezza dove un elettrone si trova in un dato momento. Ciò che è possibile conoscere è la probabilità di trovare l’elettrone in un certo punto dello spazio in un dato istante di tempo. Un orbitale è definito da una particolare funzione d’onda che è una soluzione dell’equazione di Schrödinger. Essa è caratterizzata da tre numeri quantici associati rispettivamente all’energia, alla forma e all’orientamento nello spazio dell’orbitale nello spazio.

L’età dei polimeri

Nel  XX secolo si iniziano a produrre materiali costituiti da macromolecole detti polimeri. A partire dal nylon ottenuto da Wallace Carothers nel 1935 e utilizzato nei paracadute, al plexigas ottenuto nel 1936 e utilizzato nei periscopi sottomarini e come parabrezza degli aerei, nel corso della Seconda Guerra Mondiale. Dopo la fine della guerra si sono sintetizzati un numero elevato di polimeri e copolimeri fino al polipropilene isotattico dotato di elevate prestazioni prodotto negli anni ’60 dalla Montecatini e brevettato come Moplen. Questo polimero, dovuto al genio di Giulio Natta, è  plasmabile, leggero e ultraresistente. Ha contribuito a partire dagli anni  ’60  a cambiare la vita delle persone per le sue molteplici applicazioni. La sintesi di questo polimero ha visto l’utilizzo di nuovi catalizzatori detti stereospecifici Accanto ai numerosi vantaggi offerti dalle sostanze polimeriche, tuttavia, vi sono alcuni svantaggi dovuti all’origine dei monomeri. Essi si ottengono infatti prevalentemente da fonti energetiche non rinnovabili, alla loro scarsa biodegradabilità e all’impatto ambientale. La ricerca si è pertanto indirizzata allo studio delle bioplastiche, che è un tipo di plastica bio-based che può essere biodegradabile.

La chimica oggi

Grazie ai progressi nei più svariati campi della scienza è nata la “chimica a scatto” e la “chimica bioortogonale”. Per i progressi in questi campi i chimici statunitensi Carolyn Ruth Bertozzi e Barry Sharpless e il chimico danese Morten Peter Meldal hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica 2022. Grazie a questi studi si potranno eseguire reazioni ad alta resa da cui si ottengono sottoprodotti facilmente rimuovibili, semplici da eseguire che possono essere condotte facilmente in solventi ecofriendly. La chimica a scatto nasce dal desiderio di sfruttare la potenza dell’assemblaggio molecolare per la più ampia gamma possibile di applicazioni Si affianca la chimica computazionale che utilizza la simulazione al computer per aiutare a risolvere problemi chimici complessi. Utilizza  metodi di chimica teorica, incorporati in  programmi informatici, per calcolare le strutture, le interazioni e le proprietà delle molecole. Inoltre è gli studi si rivolgono all’ottenimento di energia da fonti rinnovabili e di nuovi materiali