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Dalla sintesi filosofica all’analisi chimica: l’ispirazione del pensiero chimico dall’antichità ai tempi moderni

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di Sergio Barocci

La statua di Aristotele a Friburgo (Germania)

Fig.1 . La statua di Aristotele a Friburgo (Germania)

Nell’antichità e per tutto il Medio Evo sino al secolo XVI non esisteva una vera e propria ricerca scientifica, né tanto meno una ricerca chimica nel senso da noi oggi inteso ed è in un certo senso sorprendente che anche in periodi di eccezionale sviluppo intellettuale e culturale come nella Grecia classica, in cui fiorirono scuole filosofiche e movimenti di grande levatura con risultati di notevole rilievo, anche in certe materie scientifiche come la matematica, la geometria e l’astronomia, così poco spazio fosse dedicato alla chimica.
La concezione che più si impose in questo periodo e che doveva rimanere sostanzialmente intatta per molti secoli sino alle soglie dell’Età Moderna, fu quella enunciata da uno dei più grandi esponenti della cultura greca, Aristotele (384 a. C. – 322 a. C.) (Fig.1) ma già presente in culture ancora più antiche e secondo alcuni risalente allo stesso Buddha.
Grazie ad Aristotele , alla domanda fondamentale “ di che cosa è fatto il mondo?” viene data la seguente risposta : “quattro soltanto sono gli elementi : terra, acqua, aria, fuoco.  Gli elementi sono sostanze semplici, non sono formate da altro se non da se stesse e combinandosi tra loro danno origine alla straordinaria varietà delle espressioni della natura”.

Fig. 2 - I quattro elementi e le quattro qualità della materia secondo il pensiero di Aristotele

I quattro elementi e le quattro qualità della materia secondo il pensiero di Aristotele

Aristotele precisò che i quattro elementi risultavano a loro volta dalla combinazione di quattro qualità o attributi della materia cioè il caldo, il freddo, il secco e l’umido (Fig. 2).  Dall’unione a due a due di queste qualità derivavano i quattro elementi.  Certamente non è molto perché in fondo non si fa altro che prendere atto dei tre stati fisici della materia mentre il fuoco può essere vagamente assimilato alla nostra energia. Questo è tuttavia tutto quanto si sapeva o si credeva di sapere, sulla struttura e sull’origine della materia.  Vi erano state in verità alcune scuole filosofiche che avevano elaborato concezioni diverse pur rimanendo sempre sul piano della pura speculazione come la cosiddetta atomistica (Leucippo, Democrito nel V sec. a.C. , Epicuro nel IV sec. a.C., Lucrezio nel II sec. a.C. ), secondo la quale tutte le sostanze sono costituite da piccole particelle invisibili dette atomi.

Questa teoria che colpisce per la sua attualità e che senza dubbio fu quella che maggiormente si avvicinò alla realtà ( tutte le sostanze sono costituite da particelle piccolissime e invisibili dette atomi), ebbe però scarso seguito e non venne approfondita anche se, ben difficilmente a causa della poca importanza data alle basi sperimentali, avrebbe potuto anticipare la nascita della chimica come vera e propria scienza.

Questo stato di cose si protrasse per diversi secoli sino al Rinascimento, durante i quali la chimica non realizzò significativi progressi.
Di conseguenza anche la parte applicativa segnò il passo, limitandosi ad una serie di pratiche empiriche tramandate per tradizione che anche quando raggiunsero livelli notevoli come ad esempio nell’estrazione dei metalli, nella tintura delle stoffe, nella preparazione dei cosmetici , erano sempre frutto di scoperte casuali prive di coordinazione ed interpretazione teorica.

storte e alambicchi

Fig. 3 – Storte e alambicchi

Durante tutto il Medio Evo la chimica si diffuse in Europa con il nome di origine araba di alchimia ed assunse il carattere di pratiche magiche e misteriose che col tempo degenerarono per finire addirittura nel grottesco e nella ciarlataneria, quando esse si rivolsero alla ricerca di una sostanza magica ( la pietra filosofale), dotata di poteri soprannaturali.  Gli unici risultati positivi nella storia dell’alchimia furono alcuni progressi di carattere tecnico come la costruzione di varie apparecchiature di laboratorio come forni, storte e alambicchi (Fig. 3) e la messa a punto di operazioni come la distillazione, la filtrazione e la sublimazione che permisero il riconoscimento e la preparazione di diverse sostanze in uno stato sufficientemente puro.  Quando gli studiosi della natura trovarono sufficiente forza e coraggio per affrancarsi dalla soffocante tutela del pensiero aristotelico, l’idea della teoria atomistica venne finalmente ricuperata e incorporata nella concezione meccanicistica del mondo fisico.

L’espressione massima e anche definitiva di questa nuova concezione viene alla luce con l’opera di I. Newton e di G. Leibniz (Fig.4).  Nell’opera giovanile (tesi di laurea) G.W. von Leibniz (1646 – 1716) la “Dissertatio de arte combinatoria” ritorna ai quattro elementi (terra, acqua, aria, fuoco) e alle quattro qualità (caldo,freddo, secco, umido) riproponendo nuovamente i principi della fisica aristotelica ( Fig. 5).

newton e leibniz

Isaac Newton (1642 – 1727) e G. Wilhelm von Leibniz (1646 – 1716)

Isaac Newton è stato un matematico, fisico, filosofo naturale, astronomo, teologo inglese, considerato una delle più grandi menti di tutti i tempi. Noto soprattutto per il suo contributo alla meccanica classica ma anche a più di una branca del sapere.  Pubblicò nel 1687 un’opra intitolata “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”, ( Fig. 6) nella quale descrisse la legge di gravitazione universale e, attraverso le sue leggi del moto, stabilì i fondamenti per la meccanica classica.  Egli inoltre condivise con Gottfried Wilhelm von Leibniz la paternità dello sviluppo del calcolo differenziale o infinitesimale.

Dissertatio de arte combinatoria di G.W. von Leibniz

Fig. 5 – Dissertatio de arte combinatoria di G.W. von Leibniz

Gottfried W. von Leibniz è stato un matematico, filosofo, scienziato, logico, giurista, uno storico, magistrato tedesco. A lui si deve il termine “funzione” (coniato nel 1694) che usò per individuare le proprietà di una curva, tra cui l’andamento, la pendenza e la perpendicolare in un punto, la corda.  Sia a G. Leibniz che ad I. Newton, vengono generalmente attribuiti l’introduzione e i primi sviluppi del calcolo infinitesimale, in particolare il concetto di integrale, per il quale si usano ancora oggi molte sue notazioni.  È considerato anche il precursore dell’informatica e del calcolo automatico in quanto inventore di una calcolatrice meccanica detta macchina di Leibniz.

La grande svolta che doveva portare alla nascita della chimica come scienza moderna si ebbe quindi tra il secolo XVI e il XVII con la nascita di un nuovo metodo di ricerca il “metodo sperimentale” ad opera di G. Galilei (1564 – 1642) che per primo lo adottò e del filosofo inglese F. Bacone ( 1561 – 1626) che gli diede una codificazione organica.
Secondo questo metodo, per giungere all’affermazione di principi generali in grado di spiegare i fenomeni naturali, la strada non è quella del ragionamento filosofico che trae questi principi da assiomi cioè da enunciati che non hanno bisogno di dimostrazione ma quella della sperimentazione.   Si viene quindi a sviluppare e a perfezionare un processo intellettuale che mira ad affrancare la scienza dalla filosofia, dalla teologia e dalla magia e a qualificarla per il metodo che si utilizza nell’investigazione dei fenomeni naturali.  In contemporanea, la chimica incomincia a costituirsi in disciplina autonoma, differenziandosi dalla scienza medica e dalle cosiddette scienze naturali (anatomia, botanica, zoologia etc).

copia dei Principia di Newton

Fig. 6 – Una copia dei “Principia” di I. Newton

La scoperta dell’America, la rivoluzione copernicana, la nascita degli Stati moderni, i fenomeni di urbanizzazione, la comparsa di nuove classi sociali, l’invenzione della stampa, l’inizio della Rivoluzione industriale, la Riforma protestante, contribuiscono a mettere in discussione , prima e a travolgere in seguito l’interpretazione delle opere di Aristotele ad opera degli Aristotelici e degli Scolastici per spiegare il mondo.
Una delle conseguenze più importanti di questa crisi del sapere è il riconoscimento del metodo sperimentale come l’unico in grado di assicurare una conoscenza della natura che abbia i caratteri della certezza e dell’universalità.
La crisi del sapere degli aristotelici è un giusto riconoscimento dei principi ispiratori dell’opera di Aristotele che assegnava un ruolo notevole all’osservazione e all’indagine sperimentale così come pure cercava di salvaguardare l’autonomia propria delle singole discipline.
Il risultato di questa decisiva svolta nell’atteggiamento intellettuale dell’uomo è il raggiungimento della convinzione che le scienze possono essere qualificate come tali solo quando e solo se, utilizzano come metodo per arrivare alla conoscenza il metodo sperimentale.
Il metodo sperimentale che contraddistingue la scienza, riesce a soddisfare in maniera produttiva le curiosità e i bisogni, antichi e nuovi dell’uomo poiché tenta di stabilire correttamente i rapporti fra le cause e gli effetti.  
Si decreta così la morte dell’alchimia nelle sue concezioni e aspirazioni fondamentali (L. da Vinci afferma la necessità di elaborare in forma matematica i dati sperimentali, F. Bacone rivaluta, con la scienza, la tecnica come fatto di cultura e sostiene la validità del metodo sperimentale come procedimento induttivo partendo cioè dal fenomeno e dall’esperienza per giungere alla formulazione di una legge e G. Galilei che dimostra l’insostituibile bontà del metodo sperimentale per risolvere problemi di fisica e astronomia codificandone le tappe operative e logiche).
Aristotele come già detto godette di enorme prestigio non solo ai suoi tempi: la sua fisica e la sua filosofia superarono indenni secoli e secoli sino ad arrivare al Rinascimento.

Robert Boyle (1627 – 1691)

Fig. 7 – Robert Boyle (1627 – 1691)

Tra i primi che applicarono alla chimica il nuovo metodo merita di essere ricordato Robert Boyle (Fig. 7) considerato uno dei padri fondatori della chimica.  Egli sostenne che la chimica doveva finalmente cessare di essere un’arte più o meno empirica con finalità e contenuti equivoci e al potere di ciarlatani e imbroglioni come era diventata a quei tempi, per assumere il carattere di una disciplina scientifica con tutte le carte in regola, il cui obiettivo doveva essere la conoscenza della materia e delle sue trasformazioni.
R. Boyle contribuì in maniera decisiva allo sviluppo della scienza.  Famosa è la sua legge che stabilisce: per ogni gas, a temperatura costante, è costante il prodotto della pressione esercitata per il volume occupato. Egli preparò l’acetone e l’alcol metilico; scoprì i rapporti tra aria, combustione e respirazione e studiò anche l’effetto dell’aria sulla propagazione del suono.

Pagina tratta dal libro “The sceptical chymist” di R. Boyle

Fig. 8. Pagina tratta dal libro “The sceptical chymist” di R. Boyle

Nel 1661 esce a Londra la pubblicazione del suo libro dal titolo “The sceptical chymist“ (Fig. 8) dove Boyle confuta e ridicolizza la teoria dei quattro elementi aristotelici proponendo invece una concezione dell’elemento completamente nuova.  Si tratta di un libro, volutamente provocatorio che rappresenta una tappa fondamentale nell’evoluzione del pensiero chimico.
I dubbi di Boyle si riferivano alla strana mistura di medicina e magia che era diventata l’alchimia e furono avanzati “con lo scopo e la speranza di liberarci finalmente da loro, raggiungendo quella indubbia verità che cerco e penso di trovare”
Egli fu un convinto sostenitore del metodo sperimentale di G. Galilei per indagare anche sui fenomeni chimici (il suo soggiorno a Firenze gli era pur servito a qualcosa…), definì in termini moderni il concetto di elemento affermando che gli elementi devono essere diversi e ben più numerosi di quelli aristotelici. Infatti definisce gli elementi come “ alcuni corpi primigeni che non essendo costituiti da altri corpi o l’uno dell’altro, rappresentano le parti componenti di cui sono direttamente formati tutti i cosiddetti corpi composti e nei quali questi ultimi possono in definitiva essere decomposti”. 

Pagina tratta dall’opera di J. Dalton “ New System of Chemical Philosophy ( Manchester 1808) che illustra i simboli chimici

Figura 9. Pagina tratta dall’opera di J. Dalton “ New System of Chemical Philosophy ( Manchester 1808) che illustra i simboli chimici

 

Lista degli elementi di Antoine Lavoisier

Fig. 12 – Lista degli elementi di Antoine Lavoisier.

Definizione pienamente valida ancora oggi in quanto non mise evidentemente in crisi la sicura convinzione che per costruire il mondo bastavano solo quattro elementi. Si deve sostituire solo la parola corpi con la parola sostanze.
Tale definizione è anche sorprendente per la chiarezza con cui viene indicato il modo corretto di impostare la ricerca degli elementi: è l’esperienza che deve dimostrare la natura semplice di una sostanza
Boyle aveva compreso così tanto l’importanza della definizione data che non si azzardò a fornire un elenco delle sostanze da lui considerate elementari.  A indicare nuovi e più sicuri elementi ci avrebbero pensato i nuovi chimici come J. Dalton (1766 – 1844) nella sua opera intitolata “New System of Chemical Philosophy” del 1808 (Fig. 9) Verso la fine degli anni settanta del XVII secolo A. Lavoisier (1743 – 1794) (Fig.10) e J. Priestley (1733 – 1804) (Fig.11) con un’accurata analisi sperimentale della composizione dell’aria e dell’acqua dimostrarono inequivocabilmente che gli elementi ritenuti tali per secoli sono in realtà costituiti da sostanze ancora più semplici come l’ossigeno, l’azoto e l’idrogeno.
Lavoisier ha avuto modo di affermare che “tutte le sostanze che non abbiamo potuto ancora scomporre mediante alcun mezzo chimico sono per noi elementi : non perché possiamo assicurare che questi corpi che consideriamo semplici, non siano essi stessi composti da due o da un maggior numero di principi , ma perché questi principi non si separano o meglio perché non abbiamo nessun strumento per separarli . Essi si comportano per noi alla maniera dei corpi semplici e non dobbiamo supporli composti che al momento in cui l’esperienza e l’osservazione ce ne offriranno la prova”.   Egli elenca 33 elementi (Fig. 12 ) avvertendo tuttavia che altri potevano essere scoperti e che alcune delle sostanze da lui considerate elementi potevano in futuro dimostrarsi composti. Il fatto poi che in questo elenco egli abbia incluso anche entità non materiali come la luce e il calore si spiega con la sua errata convinzione che queste fossero due sostanze effettivamente esistenti, il cui peso non era stato possibile determinare solo per insufficienza di mezzi tecnici.

Antoine Lavoisier

Fig. 11 – Antoine Lavoisier (1743 – 1794)

Fig. 11. Antoine Lavoisier è stato un  chimico, biologo e  filosofo francese.  Per i risultati raggiunti e soprattutto per le innovazioni introdotte nella metodologia della ricerca come pure nell’elaborazione teorica dei dati sperimentali, è  universalmente riconosciuto come il “padre della chimica”. I suoi maggiori risultati, in gran parte ottenuti attraverso l’uso sistematico della bilancia, riguardano l’esatta spiegazione dei fenomeni della respirazione  e della combustione  come processi di ossidazione; la determinazione quantitativa dei componenti che intervengono nella costituzione dell’acqua; la dimostrazione, data in collaborazione con Laplace, che la quantità di calore necessaria per decomporre un composto nei suoi costituenti è identica a quella sviluppata dalla formazione dello stesso composto a partire dai suoi componenti; la scoperta del principio di conservazione della materia che da lui prese nome; una nuova definizione degli elementi, soprattutto a carattere operativo, e una conseguente riforma della nomenclatura chimica elaborata in collaborazione con  Guyton de Morveau,  C. Berthollet e  A. F. Fourcroy. Le sue opere più importanti sono rappresentate   rispettivamente da: “Méthode de nomenclature chimique“(1787)  e “Traité Élémentaire de Chimie”  (1789).  

La definizione separativa di “elementi” già anticipata da Boyle viene definitivamente accolta nei testi di fisica e di chimica : gli elementi devono risultare dall’analisi sperimentale delle sostanze e non da un tentativo di sintesi onnicomprensiva di tipo filosofico.
 Traité Élémentaire de Chimie o Trattato di chimica elementare del 1789 di Lavoisier ( Fig. 13) , viene così considerato il primo moderno libro di testo di chimica con una presentazione unificata delle nuove teorie della chimica.  Il Traitè , fra l’altro rappresentò una risposta concreta allo scetticismo del filosofo tedesco I. Kant che nel 1786 scriveva: “ la chimica non potrà diventare nulla più che un’arte sistematica o una dottrina sperimentale ma mai una scienza nel senso proprio del termine poiché i suoi principi sono soltanto empirici.… e di conseguenza rendono minimamente comprensibili i fondamenti dei fenomeni chimici … poiché sono incapaci di applicare la matematica”.
Pertanto, l’opera di A. Lavoisier in campo scientifico riveste una enorme risonanza non solo per la quantità e qualità dei suoi esperimenti e delle sue geniali intuizioni ma anche perché ha richiamato e stimolato l’interesse degli scienziati dell’epoca verso i problemi della chimica.

Joseph Priestley

Fig. 12 – Joseph Priestley (1733 – 1804)

Fig. 12 – Joseph Priestley è stato un chimico e filosofo inglese.  Per aver fornito un apporto tale alla conoscenza della chimica, anche Priestley viene annoverato fra i maggiori chimici di tutti i tempi.  Scoprì l’ossido di azoto, l’anidride solforosa, l’acido cloridrico e l’ammoniaca e soprattutto l’ossigeno nel 1774, che ottenne riscaldando l’ossido rosso di mercurio.  Joseph Priestley scrisse più di 150 opere e in campo scientifico sono da ricordare “The History and Present State of Electricity” (1767), “Experiments and Observations on Different Kinds of Air” (1774–77) e “Disquisitions relating to Matter and Spirit” (1777).

A Lavoisier spetta dunque il merito di aver posto su solide basi sperimentali il lavoro dei chimici moderni. Tra gli strumenti che compaiono in questo periodo una grande importanza ebbe la bilancia di precisione o bilancia analitica. La bilancia viene quindi ad assumere il ruolo di strumento fondamentale nel laboratorio di chimica e i dati che da essa si ricavano diventano la base di partenza per l’impostazione di ogni teoria interpretativa. 

Una copia del libro "Traité Élémentaire de Chimie" di Lavoisier

Fig. 13 – Una copia del libro “Traité Élémentaire de Chimie” di Lavoisier

Bibliografia 

1.   Diels, Hermann & Kranz, Walther. Atomisti antichi, testimonianze e frammenti, a cura di M.Andolfo, Milano: Rusconi 1999.

2.   Ernst Peter Fischer, Aristotele, Einstein e gli altri, Raffaello Cortina Editore,1997

 

 

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