zona3
zona5-zona6

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

Print Friendly, PDF & Email

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.

Il giovane André non frequentò mai alcuna scuola. In seguito, fu professore di liceo, professore di analisi e meccanica all’Ecole Polytecnique, Accademico di Francia…   Sin da giovane, riusciva a tramutare ogni nuovo interesse in una vera passione, in questo modo si avvicinò alla botanica, raccogliendo nei boschi erbe e fiori ed elaborando accurate classificazioni.

Andrè-Marie AmpèreLa sua preparazione informale, lo rese sempre ben disposto verso nuove ipotesi, anche le più azzardate: questa tendenza a muoversi fuori dalla scienza accademica, fu alla base della fantasia scientifica, la grande immaginazione che costituisce il suo carattere peculiare, che lo spinse a formulare teorie innovative ed entità ipotetiche anche in chimica.

Nel 1799 sposò Julie Caron, per la quale nutrì delicati e profondi sentimenti di cui è rimasta memoria nel suo epistolario e nel diario, intitolato Amorum. Purtroppo, l’idillio fu troncato dalla morte prematura dell’amatissima moglie nel 1804. Da questo momento, i suoi affetti si trasferirono sul figlio Jean-Jacques (1800-1864, storico e letterato) al quale lo unì non solo un profondo sentimento di amore paterno ma anche un profondo legame sul piano intellettuale e morale.

A partire dal 1803 era nato il suo interesse per la metafisica e la filosofia in generale: ‘Le idee di Dio e dell’eternità dominano completamente la mia immaginazione’. Alla morte di Julie comporrà una toccante preghiera, inno a Dio e all’umiltà.
Le questioni metafisiche e religiose, costituivano il principale argomento di discussione con gli amici più cari, coi quali fondò nel 1804 la Società cristiana. Si proponevano di trovare una risposta a quesiti come: per quale scopo l’uomo è stato creato? Vi è stata una rivelazione? Quale influenza ha generato il cristianesimo sul genere umano? Inoltre, la chimica ebbe sempre un posto privilegiato e il gruppo di amici si dedicava alla lettura ad alta voce del Traité di Lavoisier.

lancio di dadi da giocoIn questi stessi anni, si applica in campo matematico. Nel 1802 scrive la prima opera che lo rese famoso: ‘Considerazioni sulla teoria matematica del gioco ’. Accanto all’analisi del calcolo delle probabilità, vi è l’impegno civile e morale di contribuire a mostrare i danni derivanti all’individuo e alla società dalla diffusione dei giochi d’azzardo. La dimostrazione è di grande attualità: il giocatore incallito è destinato alla rovina sicura e la società al declino! Noi aggiungiamo: quando poi l’economia diventa finanza e il gioco di borsa diventa gioco d’azzardo fatto di speculazioni finanziarie, è sotto gli occhi di tutti il grave pericolo che l’intera società corre. E se la stessa esistenza diventa spericolata? L’esito è sempre lo stesso!

Nel 1814 è nominato accademico di Francia nella sezione di geometria: è in questa sede che egli divulgherà la maggior parte delle sue scoperte ed esperimenti. Nel 1815 la produzione matematica è molto intensa e finalmente viene nominato professore al Politecnico.

Ampère, il cui disinteresse per la gloria era ben noto, spesso dimenticava di rielaborare in forma scritta le sue scoperte comunicate talvolta solamente in forma orale o epistolare. Accade pertanto che molti risultati, già da lui trovati, sono generalmente attribuiti ad altri che ebbero il merito di pubblicarli in forma ordinaria. Molti suoi studi ci sono pervenuti attraverso le Lettre, con le quali egli spesso comunicava ai colleghi, senza preoccupazioni di paternità per le sue scoperte.

E’ quanto avvenne nel campo della chimica, quando fin dal 1808 egli abbozzò la legge che Avogadro che pubblicò solo nel 1814 dietro le insistenze del conte Claude Louis Berthollet (1748 –1822, chimico e scienziato francese)
“…a pari pressione e temperatura le particelle di tutti i gas, semplici o composte, saranno situate alla stessa distanza le une dalle altre. In questa supposizione, il numero delle particelle è proporzionale al volume del gas…”

Analogamente, Avogadro nel 1811 aveva scritto:
“…volumi uguali di gas, nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, contengono lo stesso numero di molecole.”

H. Davy raffigurato nell'esecuzione di esperimenti di elettrochimica nel suo laboratorio

H. Davy raffigurato nell’esecuzione di esperimenti di elettrochimica nel suo laboratorio

Nella Lettre à Jacques Roux-Bordier (filosofo svizzero) dell’11 marzo 1814, leggiamo:
“Le mie conversazioni con il sig. Davy [Sir Humphry Davy (1778-1829) illustre chimico inglese] hanno suscitato in me un grandissimo interesse per la chimica. Per circa due mesi mi sono occupato di un lavoro il cui risultato mi sembra poter aprire in questa scienza un nuovo corso e dare il mezzo di prevedere a priori i rapporti fissi secondo i quali i corpi si combinano, riportando le loro diverse combinazioni a princìpi che sarebbero l’espressione di una legge della natura, la cui scoperta sarà forse, dopo quanto ho fatto la scorsa estate in metafisica, la cosa più importante che abbia concepito in tutta la mia vita. In realtà, la teoria delle combinazioni chimiche è chiara e incontestabile e diventerà tanto comune nelle scienze fisiche quanto le altre teorie generalmente ammesse.”

Ma cos’è questa ‘teoria delle combinazioni chimiche’ in cui Ampère ripone tante speranze? Come vedremo, la sua fiducia era ben riposta: la teoria di Ampere precorse quella di Avogadro, e la sua visione della struttura molecolare basata su considerazioni di simmetria risultanti dall’equilibrio di forze attrattive e repulsive, è la prima teoria della struttura molecolare di concezione moderna. Purtroppo, Ampère assorbito da mille impegni non poté approfondire la sua visione nella misura che meritava!

pagina dal rapporto epistolare tra Ampère e Berthollet

pagina dal rapporto epistolare tra Ampère e Berthollet

Occupiamoci della Lettre à Berthollet sulla determinazione delle proporzioni nelle quali i corpi si combinano secondo il numero e la disposizione rispettiva delle molecole di cui sono composte le loro particelle integranti (Annales de Chimie, 1814).

Osserviamo che, Ampère chiama ‘molecole’ quelle che noi oggi chiamiamo ‘atomi’ e ‘particelle’ o ‘particelle integranti’ le nostre molecole. Pertanto, per ragioni di chiarezza sostituiremo di seguito al termine ‘molecola’ quello di ‘atomo’.
La  ‘teoria della composizione molecolare’ è rigorosamente sviluppata in molti passi. Ripercorriamo i passaggi principali fino al principio di Avogadro: nella parte II saranno considerato il problema delle strutture molecolari.

(1) Ampère parte dalla ‘legge dei volumi di combinazione’ (1808) di Gay-Lussac (1778-1850):
“…le proporzioni semplici che si osservano tra i volumi di un gas composto e quelli dei gas componenti, mi ha fatto sorgere l’idea di una teoria che spiegasse non soltanto i fatti scoperti da quell’insigne chimico e i fatti analoghi scoperti in seguito, ma che potesse anche applicarsi alla determinazione delle proporzioni di un gran numero di altri composti che, nelle condizioni ordinarie, non sono allo stato gassoso.”

visione aromica (ora superata) in analogia con un sistema orbitale planetario

visione aromica (ora superata) in analogia con un sistema orbitale planetario

(2) Quindi, propone un’ipotesi cinetico-molecolare, secondo cui i fenomeni chimici sono la conseguenza dei moti molecolari e delle forze interatomiche attrattive e repulsive:
“Alcune conseguenze dedotte dalla teoria dell’attrazione universale, considerata come la causa della coesione […] hanno condotto i fisici a supporre che le particelle costituenti i corpi siano tenuti, dalle forze attrattive e repulsive che sono loro proprie, a distanze da considerarsi infinitamente grandi rispetto alle dimensioni delle particelle stesse.”
La forza attrattiva in gioco è quella gravitazionale che a distanze infinitesime raggiungerebbe un’intensità significativa tra le particelle interagenti: Laplace (1749-1827, autore della Mécanique Céleste in cinque volumi) aveva dimostrato che la forza gravitazionale era responsabile anche della coesione dei materiali, elaborando così una grandiosa visione unificata della Realtà dagli atomi al cosmo.

La forza repulsiva è di tipo elastico: Ampère ha in mente un modello hard-sphere, dove gli atomi sono sfere perfettamente dure ed elastiche che interagiscono per collisioni: è un modello analogo a quello della teoria cinetica dei gas che sarà sviluppata mezzo secolo dopo da Maxwell (1859) e Boltzmann (1871).

(3) La spiegazione dei fenomeni chimici è da ricercare nella struttura molecolare, ovvero nella forma stabile che le particelle assumono all’equilibrio delle forze:
“le forme degli atomi, che nessuna osservazione diretta è in grado di farci conoscere, non hanno più alcuna influenza sui fenomeni che presentano i corpi che ne sono composti e bisogna cercare la spiegazione di questi fenomeni nel modo in cui gli atomi si dispongono gli uni rispetto agli altri per formare ciò che io chiamo una particella.”

rappresentazione tridimensionale della struttura dell'alfa-glucopiranosio nella sua conformazione a sediaQuindi:
(4) “si deve considerare una particella come l’insieme di un numero determinato di atomi in posizioni determinate […]. Affinché lo spazio molecolare abbia tre dimensioni, è necessario che una particella riunisca almeno quattro atomi”
Ovviamente, oggi sappiamo che esistono molecole biatomiche e triatomiche: l’ipotesi errata avrà delle conseguenze nelle conclusioni della teoria.
(5) “Per esprimere la posizione rispettiva degli atomi nella particella, bisogna immaginare gli atomi ridotti ai loro centri di gravità…”
Allora, immaginando dei piani passanti per questi centri, la particella risulterà descritta da un poliedro con gli atomi disposti ai vertici: a questo poliedro darò il nome di forma rappresentativa della molecola.

Ampère basa le ipotesi di struttura molecolare sulle possibili celle elementari dei reticoli cristallini stabilite dal mineralogista francese abate René Just Hauy (1743-1822) padre della cristallografia moderna.
(6) A questo punto Ampère elabora la teoria per dedurre la geometria dei poliedri corrispondenti alle forme rappresentative della particella: a partire dai rapporti di reazione di Gay-Lussac è possibile ricavare il numero di atomi che si devono trovare in ogni particella:
“A tale scopo sono partito dall’ipotesi che nei corpi allo stato gassoso le particelle siano separate e tenute lontane dalla forza di espansione del calore a distanze molto maggiori di quelle a cui la forza di coesione ha un valore significativo. In questo modo, queste distanze dipendono soltanto dalla temperatura e dalla pressione del gas e, a parità di pressione e temperatura, le particelle di tutti i gas, semplici o composte, saranno situate alla stessa distanza le une dalle altre. Allora, il numero delle particelle è proporzionale al volume del gas.”

Infatti, allo stato gassoso e in condizioni ordinarie, il cammino libero medio di una molecola (ovvero la distanza media tra le molecole)  è dell’ordine di 68 nm contro i circa 0.2 nm della lunghezza dei legami chimici.

esempi di moli di sostanze

esempi di moli di sostanze

In modo rigoroso viene enunciato il principio di Avogadro detto anche giustamente di Ampère-Avogadro!
Nel lavoro in stampa è aggiunta una postilla: “dopo la redazione della mia memoria, ho appreso che il sig. Avogadro aveva fatto di quest’ultima idea la base di un lavoro sulle proporzioni degli elementi nelle combinazioni chimiche.”

Sembra che Ampère e Avogadro non si siano mai incontrati ed è verosimile che giunsero al principio in modo del tutto indipendente. Tuttavia, nella biblioteca che fu di Avogadro è stata trovata una copia della Théorie des phénomenès électrodynamiques (1825) di Ampère il cui frontespizio porta la scritta a mano ‘A Monsieur Avogadro de la part de l’auteur ’.

 

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Sostieni la divulgazione della Chimica
Il tuo libero contributo sarà interamente devoluto alle attività di divulgazione della Chimica.
zona1




CONDIVIDI QUESTO ARTICOLO
RICHIEDI LA NEWSLETTER
Una mail settimanale con gli aggiornamenti delle pubblicazioni, le attività dell'Associazione e le novità del mondo della divulgazione chimica
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU FACEBOOK
segui chimicare anche su facebook
ARTICOLI RECENTI
ARCHIVIO ARTICOLI PER MESE
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU TWITTER
Non solo gli aggiornamenti degli articoli pubblicati sui nostri blog e le novità del Carnevale della Chimica, ma anche le segnalazioni dei migliori interventi di divulgazione chimica in lingua italiana nel web.