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“i Lunedì della Cultura Chimica”

15 piccoli appuntamenti, uno per ogni lunedì, per 15 settimane dedicate ai fondamenti epistemologici e in senso lato culturali della chimica.
Come 15 sono i capitoli del saggio “La chiave del mondo. Dalla filosofia alla scienza: l’onnipotenza delle molecole“, già edito da Giovanni Villani per CUEN, Napoli, ed ora riproposto in versione rivista e commentata dall’Autore per la sezione chimiCOMPRENDE a cura dell’Associazione Culturale Chimicare.

La chimica come avanguardia culturale

Articolo 15/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniNel chiudere questo ciclo di quindici lavori dell’iniziativa “I Lunedì della cultura chimica”, vorrei riprendere un po’ gli argomenti trattati, per evidenziare il peso culturale che la chimica potrebbe e meriterebbe di avere. Andrebbe, poi, fatto un lavoro sociologico per spiegare perché, nei fatti, tale disciplina non riesce a esplicitare tutto il suo potenziale culturale, ma questo va oltre i limiti che ci siamo posti.
In questi lavori, per prima cosa si è introdotta la Filosofia Chimica, non la filosofia della chimica, ma proprio l’ottica, l’approccio filosofico, generale, culturale della chimica. Essa può essere racchiusa nella ricchezza e varietà del mondo macroscopico e microscopico di tale disciplina. La chimica, infatti, si pone come un necessario intermedio tra la “semplicità” della fisica e la “complessità” del vivente. Tale molteplicità, tale pluralità (che impone milioni di individui chimici differenti) è stata correlata a livello microscopico con il sistema-molecola. In questo contesto, il termine sistema significa ente strutturato/organizzato, da contrapporre ad aggregato di atomi. Come si è detto, un sistema genera una realtà nuova che va oltre i costituenti senza, tuttavia, annientarli.

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Il vivente: dall’ottica meccanica a quella chimica

Articolo 14/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniIn questo lavoro vorrei evidenziare, in un campo non chimico, l’uso delle molecole come mezzo esplicativo. Per quanto detto, molti sono i settori e gli argomenti che potrebbero essere usati per questo scopo in quanto ogni aspetto “materiale” ha una sua controparte chimica. Abbiamo scelto di volgere lo sguardo alle possibilità che il vario e complesso mondo molecolare offre all’animato. Le ragioni sono abbastanza ovvie da non necessitare di ulteriori precisazioni.

robot a forma di artropodeAlla nascita della scienza moderna, il programma scientifico riguardante il vivente, delineato da Cartesio per la prima volta nel Discours de la méthode (1637), era fondato sulla convinzione che tutte le funzioni vitali degli organismi, anche le più complesse e indecifrabili, fossero in definitiva riconducibili a processi e relazioni di tipo fisico-meccanico. Tale programma aveva lo scopo di riportare le misteriose forze della vita all’ambito di tecniche di analisi e di controllo tipicamente fisico. Il principio dell’unità e dell’uniformità della natura, che d’ora in poi costituirà una delle grandi eredità del meccanicismo, puntava a fare della biologia e della medicina una semplice sezione della fisica, soggetta agli stessi procedimenti logico-matematici e alla stessa legalità scientifica.

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Rappresentare le molecole. Problemi e soluzioni

Articolo 13/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni Villani
Il mondo trattato dalla chimica, lo abbiamo ripetuto fino alla noia, è un mondo plurale e ancora in piena esplosione. Per essere padroneggiato, esso ha bisogno di essere rappresentato. Con questo termine si intende racchiudere più di un aspetto.

Quello di dare un nome alle sostanze, evitando i nomi arbitrari. Blu di Prussia o reattivo di Grignard, sono esempi di nomi convenzionali, vecchi e nuovi, di etichette che identificano una sostanza chimica, ma che non hanno alcun rapporto né con le sue proprietà (strutture) molecolari né con le proprietà macroscopiche della sostanza. Vi è poi il problema della quantità. Se le sostanze chimiche da identificare fossero state dieci, cento, i nomi arbitrari sarebbero stati ancora possibili. Quando, invece, diventano milioni le sostanze da etichettare allora i nomi arbitrari perdono la loro utilità e occorre un sistema sicuro, collaudato, per potere dare un nome alle nuove sostanze che vengono prodotte o per potere risalire e identificarne le proprietà, di quelle vecchie ed etichettate.

moduli strutturali conformazionali in chimicaAccanto a questo problema, e da supporto alla rappresentazione per nomi, si pone il problema della rappresentazione grafica.

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La spiegazione chimica con le molecole

Articolo 12/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniUna discussione generale sulla spiegazione scientifica è al di fuori di questo contesto. Noi qui abbiamo di mira solamente un aspetto particolare del problema della spiegazione scientifica: il tipo di spiegazione che si ottiene utilizzando il piano molecolare. Come si vedrà meglio in seguito, ciò equivale a parlare del tipo di spiegazione che fornisce la chimica e la sua specificità rispetto a quella fornita da altre discipline.

Fino a qualche decennio fa la posizione predominante a livello epistemologico era che la spiegazione scientifica era unitaria e assimilabile a quella che si applicava alla fisica, quella che si basa sulle leggi di natura. Tale posizione si basava sull’idea che era proprio questo tipo unificante di spiegazione che rendeva scientifica una branca del conoscere. Attualmente, questa posizione è minoritaria ed è riconosciuto, a livello epistemologico, una diversità di spiegazioni scientifiche.

Locke - saggi sulla legge naturaleIl principale modello di spiegazione fisica è quello nomologico-deduttivo descritto da Hempel e Oppenheim nel 1948. Secondo questo modello il fenomeno empirico – l’explicandum – è spiegabile in termini di un explicans, costituito da un complesso di leggi naturali e da certe condizioni iniziali.

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Il micro e il macro mondo

Articolo 11/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniIn questo articolo tratteremo della “realtà” del mondo microscopico.  Fino all’Ottocento inoltrato, molti scienziati ritenevano che il concetto di atomo (e di molecola) fosse “utile”, ma non si esprimeva o era scettico sulla realtà di questi enti.  Con l’inizio del XX secolo, sembrava che la realtà degli atomi fosse acclamata (non fosse altro che per i numerosi modi di “contarli”, trovare, cioè il numero di Avogadro).  È arrivato, poi, l’atomo quantistico con le sue “stranezze” e il problema si è riaperto.  In questo articolo parleremo proprio della realtà del mondo microscopico, lasciando al successivo articolo il compito di chiarire come questo mondo microscopico si connette (e “spiega”) a quello macroscopico.

Il consolidarsi della meccanica quantistica, e della corrispondente visione scientifica del mondo microscopico, ha lasciato aperto molti problemi generali e filosofici, il principale di questi problemi è proprio quello ontologico: che realtà attribuire agli enti scientifici microscopici come particelle elementari, atomi, molecole, ecc.?  Che differenza c’è tra un “oggetto” del micro e uno del macro mondo?

realtà macroscopica e microscopicaQui cercheremo di dare una risposta alla fondamentale domanda del mondo microscopico: all’atomo quantistico, che ha delle caratteristiche “strane”, possiamo attribuire la stessa realtà che si attribuisce ai fogli di carta su cui è scritto un libro?  

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Le trasformazioni chimiche: le reazioni

Articolo 10/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniTutti i tipi di strutture sono dinamici e nel lavoro precedente abbiamo accennato alle differenze tra le strutture indipendenti dall’ambinete e quelle che sopravvivono solo in presenza di scambi con esso.  Entriamo adesso nel dettaglio degli aspetti dinamici della struttura molecolare.  Essi introducono in chimica il tempo in due modi: uno periodico e l’altro irreversibile, ambedue importanti in questo mondo microscopico.  Il tempo molecolare periodico è legato alla flessibilità della struttura, per esempio all’oscillare simultaneo degli atomi intorno alla loro posizione di equilibrio (modi normali di vibrazione).  A tale tempo sono correlate una serie di proprietà macroscopiche evidenziabili con apposite interazione tra la molecola e diversi tipi di radiazione (spettroscopie).

L’altro tempo presente nel mondo molecolare è quello di “nascita-morte” delle molecole, cioè il tempo legato alle reazioni a livello molecolare, ed è irreversibile nel senso che distrugge una struttura per formarne un’altra.  In questo caso si dice che è avvenuta una reazione chimica e dall’originale molecola (reagente) si è formata una nuova molecola (prodotto), con una diversa struttura molecolare.

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Il concetto di trasformazione in scienza

Articolo 9/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniDa sempre, il concetto di ente e quello di trasformazione sono il binomio con cui spiegare la persistenza e la variabilità di tutto il mondo che ci circonda, da quello inanimato a quello animato, all’uomo e ai suoi prodotti.   Nei lavori precedenti ci siamo soffermati soprattutto sugli enti.  In questo e nel prossimo ci soffermeremo sul concetto di trasformazione, trattando sia gli aspetti generali, in questo lavoro, sia gli aspetti chimici, nel prossimo, noti con il nome di reattività.

Tutti gli enti, e le loro proprietà, sono dinamici per natura.   Di realmente statico nell’universo non esiste niente, e, tuttavia, non tutto si trasforma alla stessa velocità.   Sono proprio le differenti velocità di trasformazione dei diversi enti che ci consentono di parlare di “enti” come oggetti statici e indipendenti dal tempo.   Le differenti velocità di trasformazione determinano la scala dei tempi che, con quella della dimensione e dell’energia, ci consente di separare il “complesso” che evolve in una parte statica e una dinamica in trasformazione.   È, infatti, questa scala dei tempi che ci permette di differenziare concettualmente i vari processi in gioco, annullando i processi che operano lentamente nell’intervallo dei tempi in esame, ottenendo proprietà e enti statici, accanto ad altre proprietà e enti in reale trasformazione in quell’intervallo di tempo.

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La struttura molecolare. Storia, prospettive e problemi

Articolo 8/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniIn questo lavoro ci occuperemo della struttura molecolare, mostrando come una molecola (ente strutturato=sistema) è diversa dalla somma dei suoi costituenti.  Per prima cosa andiamo a chiarire che cosa si debba intendere per “struttura” in questo contesto.   Si dice che un sistema è dotato di struttura quando l’insieme delle parti costituenti presenta due caratteristiche: tali parti sono in certe relazioni stabilite, e per un tempo sufficientemente lungo rispetto ai fenomeni che si stanno considerando, e tali relazioni modificano i componenti, rendendo specifica e unica questa aggregazione.

addotto supramolecolareDal punto di vista storico, nell’atomismo greco la nascita e la morte sia degli oggetti inanimati sia di quelli animati era da essi attribuita al formarsi e al dissolversi degli aggregati di atomi.   Tali aggregati, tuttavia, erano estemporanei e non portavano mai a un “cambiamento” delle parti costituenti tali da formare un ente nuovo, un ente con una sua “struttura”.  Queste aggregazioni erano, infatti, meccaniche, dovute al trovarsi per un certo tempo e nella stessa regione di spazio di alcuni atomi che, per le caratteristiche intrinseche di tali atomi, mai potevano portare ad una reale loro modifica.  

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Il concetto di struttura e la meccanica quantistica

Articolo 7/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni Villani

Oggi il concetto di struttura è fondamentale in molti campi del sapere, dalla matematica alla linguistica.  Esso è sicuramente indispensabile nell’ambito delle scienze sociali ed umane, ma, come si è cercato di mostrare nel libro, esso è fondamentale anche nelle scienze naturali.  La chimica utilizza tale concetto da oltre un secolo per descrivere una proprietà fondamentale del mondo molecolare: la “struttura molecolare”, che tratteremo in dettaglio nel prossimo articolo.  Tale disciplina può, quindi, giustamente aspirare a divenire un punto di riferimento, rispetto alle problematiche introdotte da questo concetto, per tutte le discipline che usano o potrebbero usare il concetto di struttura. 

il concetto di struttura in chimicaLa meccanica quantistica è stata una vera rivoluzione rispetto a quella classica su molti concetti.  Questo è vero anche per il concetto di struttura, anche se pochi lo hanno analizzato.  Nella meccanica classica, le leggi della gravitazione newtoniana consentono a un pianeta di girare in più modi intorno al sole: il pianeta può percorrere una qualsiasi orbita di forma ellittica. Le orbite specifiche, percorse, di fatto, dai pianeti, non possono essere determinate dalle leggi fondamentali del moto.  

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L’atomo quantistico. Uno “strano oggetto”

Articolo 6/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni Villani

Agli inizi del XX secolo, la teoria atomica era praticamente universalmente accettata.  Se ha senso in scienza usare una data come spartiacque, la pubblicazione del libro Les Atoms di Jean Perrin nel 1913 segnò la definitiva vittoria dell’atomismo.  Per esempio, Perrin usando tredici metodi sperimentali diversi, determinò il valore del numero di Avogadro e tutti erano consistenti, mostrando in maniera inequivocabile che gli atomi si potevano “contare”.  Il successo di Perrin convinse anche Wilhelm Ostwald e Henri Poincaré, che erano stati scettici sulla reale esistenza degli atomi, a ricredersi.  Dice Poincaré: “l’ipotesi atomica ha recentemente acquisito abbastanza evidenza da cessare di essere una mera ipotesi”.  Nel breve volgere di un trentennio (dal 1896, scoperta della radioattività, al 1927, con la formulazione del principio di indeterminazione di Heisenberg), tra l’altro a cavallo del libro di Perrin, cambiò tutto, con la nascita dell’atomo quantistico e le sue “strane” caratteristiche.

Per poter parlare dell’atomo della meccanica quantistica, bisogna iniziare dall’atomo del modello di Bohr del 1913 che rappresenta il primo modello atomico con la quantizzazione dell’energia (e delle orbite elettroniche).  

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