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la chimica nella fisica: considerazioni sparse sul rapporto fra due scienze pure

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La chimica si manifesta attraverso la fisica.

Ogni realtà, statica (es. una composizione) o dinamica (es. una reazione) della chimica, arriva a far parte della nostra conoscenza attraverso manifestazioni che appartengono all’ambito della fisica.

Il tutto non si riduce, se di riduzione si può mai parlare, alla nota prospettiva filosofica secondo la quale il mondo che noi conosciamo è quello che ci viene trasmesso dai nostri sensi e che senza di essi non potremmo avere coscienza della natura intrinseca delle cose.
Nel caso della chimica il discorso si trasla anche su di un piano più strettamente tecnico, che taglia per un momento fuori l’aspetto della percezione umana, rimandandolo in qualche modo ad un “dopo”, incentrandosi invece sulle caratteristiche intrinseche delle realtà chimiche considerate.

reazione colorimetrica Ho provato ad esempio a passare in rassegna un po’ tutte le tecniche di analisi chimica che mi venivano in mente, dalle più tradizionali a quelle d’avanguardia.
Sono passato dall’analisi gravimetrica alla titolazione colorimetrica, dall’analisi spettrofotometrica alla separazione cromatografica seguita un qualsiasi rivelatore, dalla risonanza magnetica alla pHmetria, dalla spettrometria di massa alle tecniche elettrochimiche…
L’aspetto che accomuna tutte le tecniche, moderne ed antiche, qualitative o quantitative, è il fatto che cosa andiamo a leggere in ogni caso è una manifestazione fisica della sostanza, o della miscela di sostanze.
Può trattarsi di una manifestazione derivante dall’interazione di una specie chimica con un’altra, ovvero dell’effetto di una reazione, oppure dell’effetto di un’azione fisica (o di una sequenza di azioni) su una specie chimica. In ogni caso se non vi fosse una qualche manifestazione fisica dell’evento, noi non potremmo averne notizia e quindi coscienza. Lo sforzo dei chimici quando si trovano nella necessità di sviluppare un metodo di analisi, per esempio su una molecola nuova o in un contesto inusuale (nuova matrice), si traduce nell’individuazione di come quella sostanza chimica potrebbe manifestarsi, non tanto per essere percepibile direttamente dall’uomo (fino ad un secolo fa l’ipotesi più ragionevole era sperare che si formasse una colorazione appariscente e caratteristica), quanto dai suoi strumenti di analisi, elettronici, informatici, sempre più sofisticati, sicuramente molto molto “fisici”.

Paradigma di tutto questo è la tecnica cromatografica, sviluppata a partire dalla scoperta di Michail Cvet del 1906 ed oggi declinata in decine di varianti differenti, praticabile su campioni liquidi e gassosi anche estremamente complessi, tanto che costituisce attualmente uno degli approcci d’indagine conoscitiva fondamentali per il chimico analitico.
HPLC Come ho già avuto modo di evidenziare in un altro post, tutte le tecniche cromatografiche in ultima analisi sono dei metodi per separare le miscele di sostanze chimiche nei loro rispettivi componenti: al di là dei fenomeni di varia natura che possono essere sfruttati per effettuare questo, l’effetto concreto è che si introduce a monte del sistema un campione complesso, costituito da alcune, a volta anche da centinaia di specie chimiche diverse in miscela fra loro, e a valle del processo cromatografico il sistema restituisce (idealmente) le singole sostanze isolate, una per volta, distanziate fra loro nel corso del tempo. Ricordo l’attenzione riservata da un nostro professore universitario di chimica analitica nel sottolineare che la cromatografia in sé “non può” assolutamente essere definita una tecnica di analisi. La ragione è semplice: le specie chimiche isolate, ovvero le diverse tipologie di molecole, che il sistema “sputa fuori”, lungo un condotto ad intervalli regolari o irregolari di tempo, sono per noi del tutto invisibili, impercepibili, inavvertibili… “L’analisi” nel senso proprio del termine sarà invece esplicata da un dispositivo che coglierà una manifestazione fisica di quanto via via sta uscendo dal separatore cromatografico e che si potrà quindi a ragione definire rivelatore o detector. Potrà misurare la variazione dell’angolo di rifrazione del liquido (rivelatori rifrattometrici), la variazione di conducibilità di una fiamma posta fra due elettrodi fra i quali è praticata una differenza di potenziale elettrico (detector FID), la riduzione di intensità di una radiazione elettromagnetica per parziale assorbimento (detector fotometrico), e molti, molti altri.
Più in generale ci potranno essere detector generici (o bulk), che semplicemente forniranno un segnale, in ultima analisi elettrico, quando si verifica una variazione nell’ambito della proprietà che sono in grado di misurare (variazione differenziale rispetto al rumore di fondo), rivelatori selettivi (sensibili alla variazione di una proprietà fisica non manifestata da tutte le specie chimiche ma solo da alcune) e rivelatori descrittivi (in grado di fornire un responso complesso, di solito una stringa di dati numerici, descrittiva della specifica struttura chimica della molecola transitata in quel momento davanti all’elemento sensibile).

Oggi l’uscita di una specie chimica in un certo arco di tempo da un separatore cromatografico, quella che graficamente si descrive per mezzo di una specie di curva gaussiana con il tempo in ascisse e l’intensità del segnale in ordinate, viene integrata via software e di assume che, previa un’opportuna calibrazione, l’area del picco sia direttamente proporzionale alla concentrazione della sostanza separata e poi rilevata. cromatografia su carta Agli albori della cromatografia, prima che l’intero processo fosse gestito da un PC, il pennino autoinchiostrante di una stampante era comandato direttamente dal rivelatore, i segnali elettrici generati dal trasduttore erano trasformati direttamente in spostamento del pennino, e l’analista al termine della prova estraeva il foglio di carta, “ritagliava” il picco con le forbici e pesava la gaussiana di carta così ottenuta, opportunamente scontornata: in questo caso la concentrazione della sostanza (o come dicono i chimici analitici “l’analita”) era direttamente proporzionale al peso della carta, ammesso di usare fogli di spessore e peso ben controllati a priori. In pratica, si sfruttava solo un altro tipo di misurazione di un effetto fisico. Il termine stesso “cromatografia” ricorda le primissime applicazioni nelle quali la separazione di specie chimiche diverse veniva seguita dall’analista sulla base della loro colorazione (interazione fra la molecola in soluzione e la radiazione elettromagnetica, con parziale riduzione dell’intensità di alcune delle frequenze spettrali di quest’ultima).

Ritornando all’argomento del post, c’è da chiedersi, quasi filosoficamente, se è in linea di principio possibile che a livello chimico avvenga una trasformazione (reazione) senza che questo cambiamento fornisca alcuna manifestazione fisica, ovvero senza che esso sia in alcun modo osservabile. La risposta che potrei fornire, così su due piedi, è che se è vero che il momento della reazione in sé potrebbe anche passare inosservato (es. non essere né eso- ne endotermica, non generare luminescenza, non variare il numero di moli complessive in soluzione, ecc) lo stesso non si può sicuramente affermare per quanto riguarda la visione statica, compositiva o meglio ancora “strutturale” di reagenti e prodotti della reazione. La struttura di questi, per definizione stessa di reazione, deve cambiare nel corso del processo reattivo.
Se riflettiamo sui casi più noti di molecole o particelle passate per più tempo inosservate (es. l’azoto molecolare, gli stessi gas nobili, le particelle note come neutrini) noteremo che sono state alla fine identificate tramite esperimenti dinamici che comportavano in qualche modo una variazione di qualche tipo fra un prima ed un dopo, anche banalmente la sottrazione di tutti gli altri componenti chimici dalla miscela iniziale, verificandone infine le proprietà quando tutti i componenti noti sono stati rimossi, oppure misurando proprietà che sono sensibili per definizione e in modo aspecifico a tutte le specie chimiche (es. proprietà connesse solo alla massa, oppure al numero di moli) ed anche qui, dopo la valutazione dell’apporto alla grandezza fisica misurata da parte di tutte le componenti note, ci si può accorgere dal computo numerico dei fattori in gioco che qualcosa manca ancora all’appello, qualcosa che fino ad allora non sapevamo neppure che potesse esistere.

locandina levitazione Da un certo punto di vista sorrido per l’incorreggibile ingenuità con la quale molti scienziati, o meglio ancora opinionisti di scienza, affrontano quello che si è soliti definire paranormale. Nel negarne l’esistenza si cade troppo spesso nella superficialità di utilizzare gli strumenti percettivi attualmente disponibili: un tempo avremmo usato i nostri cinque sensi, oggi vi poniamo in mezzo anche i media strumentali, che come detto sfruttano però anch’essi manifestazioni fisiche della realtà che andiamo a considerare. Nel corso dei secoli, con una netta impennata negli ultimi decenni, si sono via via scoperti nuovi effetti, nuove manifestazioni fisiche, indagabili, registrabili e quantificabili, che prima non saremmo neanche riusciti ad immaginare.
Anche l’atteggiamento dello sperimentatore, che parte correttamente dal presupposto che impostando gli stessi fattori sperimentali ci si aspetta di registrare gli stessi responsi, si appoggia in realtà da due presupposti troppo spesso impliciti: quello di avere considerato esaustivamente tutti i fattori in gioco (ovviamente lo potrà fare solo con quelli noti!) e quello di una relazione meccanicistica, consequenziale, fra condizioni sperimentali e risposta, escludendo per esempio su realtà macroscopiche le valutazioni probabilistiche che invece sono all’ordine del giorno quando si trasla la trattazione sul piano dell’infinitamente piccolo. Questo porta l’osservatore a concludere semplicemente che quelli esaminati sono eventi non dimostrabili “in quanto” non riproducibili a comando.
L’esempio che qui ho riportato, relativamente ai fenomeni definiti paranormali, vale beninteso come una sorta di provocazione.

Le migliori tecniche attualmente disponibili per l’indagine strutturale delle molecole, le più descrittive e sensibili alle piccole variazioni strutturali, sono probabilmente quelle spettroscopiche, dove si sfrutta l’interazione fra una radiazione elettromagnetica e la materia da studiare, eventualmente in concomitanza di ulteriori effetti fisici perturbativi (es. campi magnetici, bombardamenti con particelle cariche accelerate, ecc). NMR schema La scelta della tecnica opportuna, ed in modo specifico del range di lunghezze d’onda (UV, IR, visibile, onde radio, microonde, ecc) sfrutterà principi di interazione diversa e metterà pertanto in luce elementi costitutivi differenti: potrà descrivere la presenza e l’abbondanza di taluni elementi chimici, piuttosto che di interi gruppi funzionali, potrà descrivere l’intorno di ciascun atomo sensibile a quelle determinate condizioni operative piuttosto che descrivere il peso molecolare della molecola intera o dei suoi frammenti generati secondo modalità di “rottura! facilmente riproducibili… A ben pensarci però, qualora queste tecniche fossero utilizzate in modo grezzo e diciamo così “primitivo”, ad esempio secondo lo stato dell’arte al quale erano disponibili nei primi anni successivi alla loro scoperta, singolarmente e forse anche abbinate fra loro queste tecniche non sarebbero comunque in grado di giustificare variazioni strutturali di entità davvero minima. Chi lavora nel campo delle sostanze organiche naturali sa ad esempio che dietro al nome di “fitocomplesso” spesso si cela una proliferazione di variazioni sul tema di una molecola, spesso davvero minimali: in un glucoside a parità di aglicone e di carboidrato i legami reciproci fra queste due parti possono realizzarsi in posizioni potenzialmente diverse, oppure in un oligosaccaride a parità di monomeri costituenti la semplice variazione delle posizioni di legame può generare anche decine di diverse possibili combinazioni. In tutti questi casi le proprietà, quindi le manifestazioni misurabili di queste molecole, risultano essere straordinariamente simili e, beninteso senza parlare di molecole presenti solo in tracce, ancora oggi si scopre che alcuni fitocomplessi meno studiati risultano in realtà composti da un numero di specie chimiche ben superiore a quello che si era creduto precedentemente, quando le tecniche analitiche non erano ancora in grado di effettuare distinguo sufficientemente sottili.

indagine Fortunatamente con la disponibilità attuale di un variegato ventaglio di possibili interazioni e di effetti fisici di svariata natura ma tutti in un modo o dell’altro misurabili, oggi è pressoché scongiurato il rischio che una particolare sostanza chimica non sia di per sé stessa analizzabile (in passato fa vi erano stati casi nei quali alcune specie chimiche, per quanto abbondanti in natura, passassero pressoché inosservate nei secoli: un classico esempio è quello dei gas nobili come l’argon ed il neon), ma in molti casi all’analista sarà richiesto di formulare già a priori un’ipotesi composizionale, almeno per grandissime linee, al fine di individuare e quindi utilizzare tecniche d’indagine più mirate. L’analizzatore universale, in grado di rilevare qualsiasi molecola e magari in qualsiasi tipologia di campione (matrice) è ancora una bella utopia. Anzi, forse neppure così bella. D’altronde se una sostanza non fosse in nessun modo analizzabile, quindi rilevabile, è ragionevole supporre che non ne conosceremo neanche l’esistenza e quindi a nessuno verrebbe neppure in mente di doverla ricercare!

Ricordo un antico detto zen: “un albero che cade nel bosco, fa ancora rumore se non c’è nessuno che lo possa ascoltare?”

Un altro discorso è quello che si potrebbe fare esercitando un distinguo fra le realtà semplici e quelle complesse. Le realtà semplici sono in questo contesto quelle che possono essere completamente descritte da un certo numero, limitato e “raggiungibile” di variabili, di tipo quantitativo o qualitativamente definibile in modo univoco all’interno di un certo numero di opzioni (in pratica è in un altro modo per dire che sono anch’esse quantificabili).
Oggetto della chimica sono appunto queste realtà semplici, siano esse molecole considerate staticamente, quindi soggette a semplice descrizione, o nella loro interazione dinamica (reazioni). Gli oggetti complessi sono invece quelli del nostro mondo macroscopico: in essi coesistono milioni di specie chimiche diverse, soggette ad un numero di interazioni reciproche virtualmente infinito, anche se ovviamente alcune specie chimiche ed alcune interazioni risultano di gran lunga più ricorrenti di altre.
Si potrebbe quindi immaginare che la fisica stia alla chimica come le scienze naturali (biologia, geologia, astronomia, ecc) stanno agli oggetti complessi e macroscopici.
Rileggendo infatti la definizione da Wikipedia della parola “fisica” ci si rende curiosamente conto che in un certo senso essa non contempla la natura intrinseca di oggetti materiali (al contrario della chimica che è una scienza incentrata sulla materia) bensì è incentrata integralmente sui fenomeni, e conseguentemente le forze, gli eventi, le proprietà, eventualmente ma non necessariamente riguardanti la materia, in fede all’etimologia greca del termine ed alla sua storia antica che la concepiva semplicemente come una branca della filosofia.
Al contrario, la chimica si spinge nella natura intrinseca degli oggetti materiali trattati, esaminando il primo luogo la loro composizione, da intendersi in questo contesto come descrizione strutturale delle molecole che compongono l’oggetto considerato, e facendo derivare in ultima analisi tutte le altre proprietà, sia intriseche (o statiche) che reattive, dalla struttura medesima, come risulta finalmente chiaro dalle ultime, illuminanti prospettive della chimica contemporanea con i trattamenti QSPR.

fulmine Riprendendo quindi la frase ad effetto con la quale ho iniziato il post “la chimica si manifesta attraverso la fisica”, potrei quindi generalizzare dicendo che tutto ciò che si manifesta lo fa attraverso fenomeni fisici, e la realtà macroscopica non ne è in sé stessa esclusa: semplicemente la sua estrema complessità impedisce nel più dei casi di valutare le manifestazioni fisiche dei singoli componenti, fino a farci dimenticare (o a non farci mai scoprire) la loro esistenza.

Da questo punto di vista quello degli oggetti chimici dovrebbe costituire l’ambito di applicazione favorito della fisica, quello sul quale sviluppare i modelli, affinare le teorie, effettuare le verifiche sperimentali: nella realtà tuttavia mi accorgo che la zona grigia, la chimica-fisica, solitamente è di pertinenza molto più dei chimici che non dei fisici: si pensi ai corsi universitari, ai libri scolastici, fino ad arrivare alle pubblicazioni scientifiche in materia.
Cercando di reperire descrizioni attendibili sul web mi sono inoltre reso conto che questa branca della chimica è tutt’altro che univocamente definita, ponendo alcuni l’accento sul contenuto della disciplina (proprietà fisiche delle realtà chimiche), chi sui suoi metodi (metodi di indagine tipici della fisica applicati alle realtà chimiche).

Sono inoltre del parere che con il passare dei secoli la chimica abbia assunto un carattere sempre più speculativo, mentre la fisica sia diventata in un certo senso sempre meno sperimentale e sempre più teorica.
Mi spiego meglio: su qualsiasi trattato si storia della chimica si leggerà in premessa che l’alchimia, antesignano e precursore della chimica, era – scusate il gioco di parole – la quintessenza della speculazione, ponendo per esempio fra i suoi obiettivi ricorrenti alla realizzazione della Pietra Filosofale. alchimia Oltre ad avere la qualità di trasformare il metalli “vili” in oro, questo catalizzatore mistico veniva però investito di significati più alti, legati alla conoscenza, nonché di virtù terapeutiche; l’alchimia in genere, che non può e non deve essere semplicemente intesa come il mero perseguimento di finalità materiali, è infatti ritenuta a ragione un sistema filosofico, per quanto esoterico, e combinava in sé anche elementi di semiotica, di mistica e di religione. Per molti aspetti quindi l’alchimia risultava una disciplina più “alta” e sicuramente più interdisciplinare dell’attuale chimica, che invece risulta più pragmaticamente legata, talvolta a livelli insospettabili anche della ricerca cosiddetta “pura”, da interessi economici più o meno chiaramente espressi, alcuni a tal punto acquisiti ed interiorizzati dalla comunità scientifica e dai singoli operatori da risultare poi ben difficile da essere identificati come tali.
Con la fisica invece si è partiti più di 2000 anni fa da un inquadramento squisitamente filosofico (fino al XVIII secolo ha mantenuto il nome di filosofia naturale), descrittivo ed interpretativo dei fenomeni osservabili, per arrivare nella seconda metà del XIX secolo ad una situazione nella quale lo strumento utilizzato, quello matematico, è diventato a tal punto ipertrofico, complesso ed elaborato, non intuitivo o anti-intuitivo (si pensi il caso della teoria quantistica), da portare ad uno scollamento sempre maggiore con la tangibilità delle realtà trattate, tanto che oggi la percezione comune è che la fisica stia andando, per così dire, “per la sua strada”: una definizione da uomo della strada, sicuramente provocatoria, che fa però da controaltare alla percezione della chimica come un campo della conoscenza, o meglio direi “dell’ingerenza” fastidiosamente onnipresente.

Una risposta a la chimica nella fisica: considerazioni sparse sul rapporto fra due scienze pure

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