Storia della Chimica

I Personaggi, le intuizioni e le scoperte – ma anche i dibattiti e le smentite più clamorose – che hanno fatto la storia della chimica, dalle origini fino ai giorni nostri.

André-Marie Ampère, padre dell’elettromagnetismo e primo chimico teorico moderno

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

Andrè-Marie Ampère (1775-1836) fu matematico, fisico, biologo, filosofo…chimico, un autentico genio enciclopedico, sebbene oggi sia ricordato soprattutto come padre dell’elettromagnetismo.

antico amperometro analogicoDue fili percorsi dalla corrente si attraggono o respingono a seconda che il verso delle correnti sia rispettivamente concorde o discorde: è l’osservazione sperimentale fondamentale che spinse Ampère a studiare a fondo l’électrodynamiques dal 1821 al 1831 dimostrando l’omonima legge. Tuttavia, egli fu anche chimico geniale, propose ante litteram il principio di Avogadro ed elaborò una raffinata teoria della struttura molecolare, divenendo di fatto il primo chimico teorico moderno: in questa parte I ci occuperemo della sua biografia e del principio di Ampère-Avogadro.

Andrè-Marie nacque nei pressi di Lione, dove fu educato in una solida fede religiosa e larghezza di vedute. Sin da bambino mostrò una spiccata tendenza al calcolo, interesse per i fenomeni naturali e una formidabile sete di sapere. A soli quindici anni lesse in modo sistematico i venti volumi dell’Encyclopédie di Diderot e d’Alembert, con tanta attenzione che per tutta la vita fu capace di citarne interi brani a memoria. A sedici anni imparò il latino per accedere alle opere di Newton, Euler e Bernoulli ma, in questo modo lesse anche i classici… In quegl’anni abbozzò poemi epici, tragedie, odi e tentò di elaborare un nuovo linguaggio universale.

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Robert Boyle: il chimico scettico

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

"The Sceptical Chymist" (1661): l’opera fondamentale di Robert Boyle

“The Sceptical Chymist” (1661): l’opera fondamentale di Robert Boyle

The Sceptical Chymist (1661) è l’opera fondamentale di Robert Boyle (1627-1691), e forse il primo libro di chimica in senso moderno. Il natural phylosopher irlandese contribuì ad elevare la chimica da arte pratica a scienza, accettando i risultati sperimentali del tempo ma, rifiutando le teorie metafisiche sovrapposte. Boyle come successivamente Joseph Prietsley (1733-1804) di cui ci siamo già occupati, erano innanzitutto filosofi: loro elaborarono una visione unitaria della Realtà in cui la chimica e in particolare la sperimentazione avevano un posto importante.

Oggi Boyle è noto soprattutto per l’omonima legge sui gas: in un sistema chiuso e a temperatura costante, la pressione e il volume sono inversamente proporzionali. In termini della legge dei gas ideali, scriviamo P= nRT/V. Tuttavia, Boyle fu molto di più…

Nel ‘600 la struttura della materia era oggetto di profonde controversie. Prevaleva una visione d’ispirazione aristotelica che considerava la ‘materia formata’ che osserviamo intorno a noi, composta da quattro ‘elementi primitivi’: terra, aria, fuoco e acqua. Questi elementi erano ritenuti alla base dei ‘corpi misti’ risolvibili, in linea di principio, nei primi. Gli elementi fondamentali erano portatori di qualità (ovvero delle proprietà che hanno i corpi di originare sensazioni, di modificare gli altri corpi e di essere a loro volta modificati) che trasmettono ai composti: umido, secco, freddo e caldo.

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Dall’alchimia alla chimica: la teoria del Flogisto

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

E’ tempo di Natale, tempo di raccogliersi davanti al camino, al fuoco… è tempo di raccontare la storia del flogisto, la prima teoria chimica che segnò il definitivo superamento dell’alchimia.

Le trasformazioni del mercurio: da metallo a "calce" (oggi detta ossido) e viceversa

Le trasformazioni del mercurio: da metallo a “calce” (oggi detta ossido) e viceversa

Nella nascente chimica del ‘600-‘700 la calcinazione dei metalli, ovvero la trasformazione mediante il calore di un metallo nella calce (ossido) corrispondente e la successiva riduzione delle calci nuovamente a metallo, furono al centro del dibattito scientifico.

Robert Boyle (1627-1691) nei New Experiments del 1673, osservò un fenomeno molto importante: le calci ottenute pesavano più del metallo di partenza. Boyle interpretò questo risultato ipotizzando i ‘corpuscoli ignei’, questi attraversando i pori del crogiolo, si combinavano coi metalli aumentando il peso della calce prodotta. In accordo con la visione newtoniana, il fuoco veniva considerata una sostanza di natura particellare.

interpretazione della calcinazione dei metalli secondo la teoria del flogisto

interpretazione della calcinazione dei metalli secondo la teoria del flogisto

Proprio in questo periodo Georg Ernst Stahl (1660-1734) elaborò la teoria del flogisto. Egli avversò il ‘meccanicismo atomistico’ (che infine avrebbe prevalso) ritenendolo incapace di spiegare interamente le reazioni chimiche. In questo modo implementando le idee del maestro Johann Joachim Becher (1635-1682) sviluppò una teoria chimica basata su ‘entità portatrici di qualità’ ed approdò al flogisto.

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Wohler e la nascita della chimica organica

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

Scintilla vitale trasmessa da Dio ad Adamo nel celebre dipinto di Michelangelo Buonarroto nella Cappella Sistina a Roma

Scintilla vitale trasmessa da Dio ad Adamo nel celebre dipinto di Michelangelo Buonarroto nella Cappella Sistina a Roma

All’inizio dell’800 nella comunità scientifica la nozione di ‘forza vitale’ era un paradigma ben consolidato: il grande Berzelius ne aveva determinata l’affermazione con la sua autorità scientifica.  Si riteneva che la sintesi dei composti organici necessitasse di una forza misteriosa prerogativa esclusiva degli organismi viventi. Pertanto, era ritenuto impossibile preparare in laboratorio composti organici a partire da quelli inorganici.
Questa teoria ci appare oggi di carattere metafisico. Tuttavia, il vitalismo (così si chiama la dottrina che congettura la vis vitalis) fu il primo tentativo di rispondere agli ardui problemi che la nascente biochimica poneva e che allora sembravano scientificamente irrisolvibili. Oggi consapevoli di quanto complesse sono le sfide poste dalla biosintesi cerchiamo le risposte nella biologia molecolare senza far ricorso a teorie mistiche. Ad esempio, le prodigiose reazioni che avvengono nella cellula sono rese possibili dalla catalisi enzimatica in cui intervengono proteine altamente specializzate.

Friedrich Wöhler

Friedrich Wöhler

Proprio un allievo di Berzelius, Friedrich Woehler, fu un convinto oppositore del vitalismo.  Riteneva che la ‘forza vitale’ avesse le stesse misteriose e non meglio definite caratteristiche del ‘flogisto’, superato dalla rivoluzione chimica di Lavoisier.

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Berzelius, il padre della moderna notazione chimica

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

ossido nitroso e sue applicazioni: dall'anestesia (gas esilarante) alla propulsione

ossido nitroso e sue applicazioni: dall’anestesia (gas esilarante) alla propulsione

Jons Jacob Berzelius, figlio di un maestro di scuola, nacque nel Gotland in Svezia nel 1779.   Nel 1796 all’università di Uppsala rimase affascinato dalla chimica: “Un giorno stavo preparando dell’acido nitrico fumante e mi accorsi che si svolgeva un po’ di gas. Lo raccolsi per vedere che gas fosse: raramente ebbi un istante di gioia così piena e così pura come quando immessa nel gas una fiammella, la vidi ardere vivacemente illuminando il mio oscuro laboratorio”.  Si trattava di ossido nitroso (N2O), agente ossidante e comburente per motori e razzi che ad alta temperatura si dissocia in azoto e ossigeno.  Tuttavia, la relazione che preparò fu rifiutata dall’Accademia delle Scienze in quanto scritta utilizzando la rivoluzionaria nomenclatura chimica di Lavoisier
Nel 1800, destando grande clamore, Alessandro Volta annunciò l’invenzione della sua pila per produrre energia elettrica.  Il nostro comprese le immense potenzialità della pila voltaica e nel 1803 dimostrò la possibilità di decomporre i composti raccogliendo i metalli al polo negativo e i ‘metalloidi’ (come battezzò gli elementi non metallici) a quello positivo (il concetto di elettricità positiva e negativa era stato da poco introdotto da Benjamin Franklin).

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John Dalton, padre della teoria atomica moderna

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

In chimica i primi anni dell’800 furono dominati dalla teoria atomica proposta da Dalton che spiegò in modo semplice ed efficace le leggi fondamentali delle combinazioni chimiche.
John nacque nel 1766 da un povero tessitore quacchero. Appena dodicenne, già impartiva lezioni di fisica e matematica nel piccolo paese natale di Eaglesfield. Si narra che avesse stupito i contadini dimostrando loro che 60 metri quadri erano diversi da 60 metri al quadrato…
Presto si appassionò alle osservazioni meteorologiche, interesse che coltivò per tutta la vita.
Nel 1793 fu chiamato ad insegnare matematica e filosofia naturale al New College di Manchester, la non-conformist accademy dove aveva insegnato Priestley. Tuttavia, per poter disporre di più tempo per le sue ricerche diede le dimissioni per continuare con le lezioni private.

una sala della Manchester Literary and Phylosophical Society

una sala della Manchester Literary and Phylosophical Society

Nel 1800 fu nominato segretario della Manchester Literary and Phylosophical Society dove operò fino alla fine.
Da bravo quacchero condusse una vita molto misurata. Unica sua distrazione fu il gioco delle bocce: è verosimile che la familiarità che aveva con le bocce lo condusse a pensare agli elementi chimici in termini di particelle sferiche che rotolano, si urtano, si raggruppano…
Come conseguenza delle sue osservazioni meteo arrivò a riflettere sulla composizione dell’aria: ossigeno, azoto, anidride carbonica e acqua erano uniti chimicamente o semplicemente mescolati?

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Insieme al polipropilene la rivoluzione della plastica a firma italiana compie 60 anni

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

11 marzo 1954, Giulio Natta e i suoi collaboratori scoprono il polipropilene isotattico: il primo e più importante polimero stereoregolare di sintesi.  Oggi, il polipropilene compie sessanta anni ma…  ne mostra venti, sempre giovane e al centro di un’intensa attività di ricerca.

conformazione della catena di polipropilene isotattico

conformazione della catena di polipropilene isotattico

Come si arrivò alla sua scoperta che apparve sin dall’inizio come rivoluzionaria? Quali furono le intuizioni, gli imprevisti incontrati, la logica seguita e il contesto storico che ne rese possibile ’l’invenzione’?
In Natura, o meglio, tra i viventi, i polimeri stereoregolari sono la norma. Infatti, il requisito di una ben determinata stereochimica è indispensabile affinché le macromolecole biologiche possano svolgere la loro funzione biochimica.  Ecco allora che la gomma naturale (presente nel lattice di innumerevoli piante, con la funzione di antiparassitario) è poliisoprene-1,4-cis (rigorosamente cis…).   La cellulosa è un polisaccaride in cui il glucosio è legato mediante specifici legami 1,4-β-glicosidici (che ce lo rendono non commestibile…). Invece, nell’amilosio il glucosio è concatenato mediante legami 1,4-α-glicosidici (che ce lo rendono appetitoso…). Le stesse proteine soddisfano una rigorosa stereochimica che impone legami peptidici di tipo trans e amminoacidi di tipo L…Tutto ciò è il risultato di una specifica attività enzimatica, patrimonio esclusivo dei viventi.

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Antoine-Laurent de Lavoisier, padre della chimica moderna

di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata
tavola raffigurante alcuni  strumenti utilizzati da Lavoisier

tavola raffigurante alcuni strumenti utilizzati da Lavoisier

Lavoisier, scoprì il ruolo dell’ossigeno nella combustione e calcinazione dei metalli archiviando la teoria del flogisto, enunciò il principio di conservazione della massa nelle reazioni, riformò la nomenclatura, propose le tableau des substances simples, fondò la chimica moderna su basi quantitative.

Antoine-Laurent nacque il 1743 in una famiglia benestante. Giovanissimo, fu soggiogato dal fascino della sperimentazione chimica e dal rigore per la classificazione naturalistica: presto si dedicò appassionatamente alla chimica lavorando nel suo laboratorio lunghe alla fornace.

Entrato nelle Fermes Générales (la nostra ‘Equitalia’) diventò frequentatore del salotto di Jaques Paulze, un illuminato aristocratico che riuniva intellettuali come Laplace, Franklin e Condorcet. Di amabili maniere, ivi conobbe e sposò Marie-Anne Pierrette, quattordicenne figlia del padrone di casa. Ella avrà un ruolo importante nella sua opera: fu musa ispiratrice e disegnatrice delle bellissime tavole delle sue relazioni e del Traité.

Ritratto di Lavoisier con la moglie, di Jacques-Louis David (1788)

Ritratto di Lavoisier con la moglie, di Jacques-Louis David (1788)

A ventidue anni ricevette la medaglia d’oro dall’Accademia per aver trovato il miglior sistema d’illuminazione delle strade di Parigi, lavorandoci accanitamente per mesi.

Quindi, si dedicò alla falsificazione dell’antica credenza che l’acqua potesse trasformarsi in terra e roccia.

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La ‘logica del vivente’ e la nascita della biologia molecolare

di Sergio Barocci

[  continua dalla 1° e dalla 2° parte:
Storia della scoperta degli acidi nucleici: prima della strutturistica di Watson e Crick
La scoperta della doppia elica del DNA”  ]

Kornberg e la scoperta della DNA polimerasi

La ricerca di un enzima che sintetizzasse il DNA fu iniziata da A. Kornberg e dai sui collaboratori nel 1956. Questa ricerca si dimostrò presto fruttuosa soprattutto perché vennero fatte tre scelte ispirate:

1.  Quali erano i precursori attivati del DNA ? Venne correttamente dedotto che i deossiribonucleotidi 5’ trifosfato erano gli intermedi attivati

2.  Quale era il criteri di sintesi del DNA ? Si riteneva che la quantità di DNA sintetizzato doveva essere piccola e che pertanto era essenziale un metodo di dosaggio molto sensibile per cui si utilizzarono come precursori dei nucleotidi radioattivi. L’incorporazione di questi precursori nel DNA era rivelata misurando la radioattività di un precipitato acido della miscela di incubazione. ( Il DNA viene precipitato dall’acido tricloacetico mentre i nucleotidi rimangono in soluzione)

3.  Quale specie di cellule si dovevano analizzare?

esprimento di Kornberg

esprimento di Kornberg

Si utilizzarono delle cellule batteriche dopo esperimenti iniziali di cellule di animali. Il batterio Escheria coli fu scelto in quanto possedeva un ampio tempo di replicazione di soli 20’ e poteva essere ottenuto in grande quantità e come ci si aspettò questo batterio rappresentava un’ottima fonte di enzimi che sintetizzavano il DNA
L’esprimento di Kornberg consistette in un estratto di E.coli che conteneva come enzima la DNA polimerasi che aggiunse ad una soluzione salina contenente molecole di DNA e quattro deossinucleotidi comprendenti timina marcata radioattivamente ( marcata con 14 C ) .

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La scoperta della doppia elica del DNA

di Sergio Barocci

[  continua dalla 1° parte:
Storia della scoperta degli acidi nucleici: prima della strutturistica di Watson e Crick”  ]

modello della struttura del DNA[…] Si arrivò così alla vigilia della scoperta della doppia elica del DNA: da sei anni Avery e collaboratori avevano pubblicato il loro classico lavoro in cui si dimostrava che il princìpio trasformante era il DNA . Insieme a scoperte successive , il lavoro di Avery e collaboratori ha costituito una prova sperimentale che il DNA e non le proteine rappresentava la molecola biologica dell’ereditarietà segnando l’inizio dell’era della biologia molecolare, anche se tale lavoro ebbe poco credito nella comunità scientifica di allora.
L’importanza del DNA nel meccanismo dell’ereditarietà divenne totale con l’esperimento del frullatore da parte di Alfred D. Hershey e di Martha Chase attraverso lo studio di batteri e batteriofagi. Tale esperimento a detta dello stesso Hershey, non rappresentava di certo l’esperimento migliore tra i tanti che consacrarono il DNA come la molecola portatrice dell’ereditarietà biologica.
Anche se era stato stabilito che il DNA era il materiale genetico di tutti gli organismi ad eccezione di alcuni virus e fornito alcuni dettagli su come alcuni componenti chimici di base costituivano gli acidi nucleici, rimaneva ancora da decifrare la struttura precisa del DNA cioè come venivano organizzate le catene polinucleotidiche in DNA che funzionava da materiale genetico.

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