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Principi, elementi e composti. Materia chimica

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Articolo 4/15.
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

I concetti di elemento, composto e quello più antico (ma ora in disuso) di principio, costituiscono, insieme a quello di molecola (per il concetto di atomo vale un discorso a parte, essendo, solo parzialmente, un concetto chimico) la base concettuale della chimica.  Su di essi si è costruita tutta la fitta rete di concetti, e relativa parte sperimentale, della nostra disciplina.  Per questo motivo, seppure trattati specificatamente in questo articolo, il loro ruolo è essenziale (e, come vedremo, ritornerà spesso in primo piano) all’interno di tutto il libro e di quest’insieme di articoli.

Da un punto di vista scientifico, i problemi connessi a questi concetti di base sembrano lontani nel tempo e si ritiene che i pochi problemi (soprattutto “linguistici”) rimasti, risiedano solamente in ambito didattico.  Io credo che una rivisitazione e chiarificazione di questi concetti sia, invece, essenziale, soprattutto (ma non solo) in un’ottica “culturale” della chimica.

quattro elementiLa differenzazione che la chimica fa della materia in tantissime (e sull’aggettivo ritorneremo) entità è un qualcosa che si è costituito lungo la storia di questa disciplina.  La chimica nasce, infatti, in un’ottica differente, quella che oggi diremmo “riduzionista”, nell’ottica in cui la complessità e diversificazione qualitativa del mondo macroscopico si può ridurre alla semplicità microscopica.  Lo stesso termine “elemento” si riallaccia a “elementare”, che non si può scomporre, che è semplice, e, fino a Lavoisier, gli elementi era pochi, come i quattro elementi di Empedocle-Aristotele (acqua, aria, terra, fuoco).

È alla fine del Settecento che Lavoisier impose una nuova concezione di elemento e secondo la sua definizione ne trovò ben 33, compiendo in questo modo il primo ed essenziale passo verso la direzione lungo la quale si è mossa la chimica successiva, quella di una materia largamente differenziata.

Nella Conclusione del libro si dice:

“La realtà del mondo inanimato ed animato che ci circonda è qualitativamente differenziata, enormemente differenziata. Quattro posizioni, per analizzare e studiare questa molteplicità, sono possibili e, storicamente, sono state utilizzate tutte. Le riassumiamo con gli aggettivi: uno, pochi, molti, infiniti e riguardano il numero di sostanze ultime (elementi) utilizzate per spiegare la molteplice realtà.
La prima posizione, quella che si connette all’aggettivo “uno”, l’abbiamo chiamata riduzionista anche se il termine è recente e la posizione antica. Essa può essere esemplificata dalla visione atomica greca, ma non riguarda solo il mondo microscopico. Infatti tale visione potrebbe essere esemplificata altrettanto bene dalle posizioni dei presocratici monisti o dalle attuali “teorie del tutto” a cui aspira la fisica. Considerando la visione atomica greca, non esistono qualità a livello microscopico che possano differenziare e quindi esiste un’unica sostanza con differenti quantità (forma, dimensione, movimento), e sono queste che generano le qualità percepite nel mondo macroscopico. Poiché, se non vi sono altre limitazioni, queste quantità sono continue, le qualità macroscopiche sono infinite e solo i nostri strumenti di rilevazione, i nostri occhi per esempio, le discretizzano.
La seconda posizione, connessa all’aggettivo “pochi”, può essere esemplificata da Empedocle. I principi sono quattro, un numero piccolo che ci consente di stare ancora in un’ottica riduzionista. Mescolando con continuità questi pochi principi si possono ottenere le infinite qualità.
La terza posizione, connessa con l’aggettivo “molti”, è quella chimica. A me pare che tale posizione non sia stata mai tentata in epoca classica e quindi la sua “emergenza” è una novità che la chimica inserisce nel patrimonio culturale e filosofico generale. Essa ci dice che le differenze qualitative presenti nel mondo macroscopico non sono tutte elementari. Tutte le sostanze si possono infatti ridurre ad un certo numero, non piccolo, di sostanze elementari, tale da rendere inattuabile la posizione riduzionista. Quando Lavoisier, con la sua definizione di elemento, ne ottiene 33, vi è un salto epistemologico, sottolineato in questo libro. I tre principi di Paracelso, le tre terre di Becher, i cinque elementi di Lemery o i quattro classici elementi di Empedocle-Aristotele rientravano ancora nella posizione con l’aggettivo “pochi”. Trentatré sono troppi; la questione numerica diviene uno spartiacque epistemologico. La chimica odierna utilizza 92 elementi. Ma la chimica va oltre. Vi sono poi i circa dieci milioni di composti chimici attuali, e i tanti altri potenziali, tutti dotati di un nome, tutti soggetti di azione chimica ed oggetti di studio che formano la base di spiegazione della complessità della realtà. Tuttavia, l’aggettivo resta “molti” e non “infiniti”, per sottolineare che non tutto quello che appare semplice a livello macroscopico (per esempio il legno, il vino, ecc.) è realmente semplice ed ha una controparte microscopica. Anzi, possiamo dire che, nonostante i milioni di sostanze pure identificate dalla chimica odierna, la maggior parte delle sostanze quotidiane non rientrano in questo ambito. Sono infatti ben pochi i composti chimici di uso quotidiano. Il più importate è sicuramente l’acqua, seguita, molto alla lontana, dal sale da cucina, da qualche composto inorganico (ammoniaca, soda, ecc.), da qualche prodotto organico e dai farmaci.
La quarta posizione, quella dell’aggettivo “infiniti”, sostiene che vi sono infinite differenti sostanze e tutte le differenze macroscopiche vanno spostate anche nel piano microscopico. Ė la posizione di Anassagora e quella aristotelica dei minima naturalia.” 

dipinto futurista

Oggigiorno, la IUPAC ci dà due definizioni di elemento (e già questo è strano), come ci informano Ghibaudi, Regis e Roletto in un articolo molto interessante sull’argomento :

  1.   A species of atoms; all atoms with the same number of protons in the atomic nucleus.

     

  2.   A pure chemical substance composed of atoms with the same number of protons in the atomic nucleus. Sometimes this concept is called elementary substance as distinct from the chemical element as defined under 1, but mostly the term chemical element is used for both concepts.

Queste due definizioni mi sembrano “inappropriate” per più di un motivo.   Per prima cosa, mi sembra del tutto inopportuno definire lo stesso concetto (elemento) sia nel piano microscopico (atomico) sia in quello macroscopico.  Come vedremo ampiamente, ma come è ben noto, la chimica lavora con questi due piani, ma questa sua essenziale caratteristica si può rivelare “pericolosa” quando si assume una corrispondenza biunivoca (uno a uno) tra i concetti di un piano e quelli dell’altro.  La prima definizione, quindi, andrebbe del tutto evitata.  La seconda definizione ci dà lo spunto per un discorso più generale che, in ogni caso, qui verrà solo accennato e ripreso in seguito. 

quasi frattale

L’atomo, a cui si vuole connettere il concetto di elemento, ha una lunga storia alle spalle (almeno 25 secoli, ma forse anche di più ), ma solo nel XX secolo è passato da “pezzo di materia elementare” e, quindi, per sua natura, senza una struttura interna, a ente strutturato, in termini moderni, un “sistema”. Una delle caratteristiche principali dei sistemi , e che può essere utilizzata proprio per mettere in evidenza se un insieme di parti è un aggregato o un sistema, è la modifica delle parti (rispetto alle stesse parti isolate) che si ha quando si genera un sistema.  Quando degli atomi si mettono insieme e formano il sistema molecola (anch’essa ha una propria “struttura” che ne evidenzia l’aspetto sistemico), essi si devono “modificare”.  È stata proprio questa “modifica” atomica, inconcepibile nell’atomismo fino a tutto l’Ottocento, lo scoglio da superare per poter pervenire all’odierno concetto di molecola. Altrove ho detto :

“Dal punto di vista scientifico odierno è evidente che gli atomi all’interno di una molecola sono particolari: essi non sono uguali a quelli isolati e si parla di atomi in situ. Consideriamo, per esempio, quattro molecole che contengono atomi d’idrogeno: acqua (H2O), metano (CH4), alcol etilico (C2H5OH) e benzene (C6H6). Ogni chimico sa bene che l’idrogeno dell’acqua è diverso (per esempio è più acido) di quello del metano, che nell’alcol etilico vi sono due tipi differenti di idrogeni (e sono evidenziati nella formula, i 5 H legati a C e H legato ad O) e ambedue differenti da quelli dell’acqua e del metano e lo stesso dicasi per il benzene. Nella Sistemica odierna, tale differenzazione è attribuita alla retroazione del sistema sui componenti ed è un punto essenziale della caratterizzazione di un sistema. Ovviamente se indichiamo con lo stesso simbolo (H) questi atomi qualcosa devono pure avere di simile e, tuttavia, non sono identici. Potremmo dire con Morin, che le proprietà di eguaglianza e di diversità sono ambedue presenti, come è, e deve essere, per i costituenti di un sistema.”

Per aggirare questo problema, la IUPAC, e prima di lei molti autori (come ci evidenziano dettagliatamente Ghibaudi, Regis e Roletto, nell’articolo già citato), cercano la parte stabile (i fisici direbbero l’invariante) all’interno degli atomi di queste molecole e la trovano nella costanza del numero di protoni.  È questo il motivo per cui nella definizione di elemento si fa riferimento al numero di protoni. Va, comunque, precisato che questo è solo un caso particolare, “fortunato”, perché normalmente i componenti di un sistema (in questo caso gli atomi) nell’entrare in un sistema più grande (la molecola) si modificano, modificando “lo stato” dei propri componenti (le sue parti, in questo caso i componenti atomici: elettrone, protone e neutrone).  In altre parole, il fatto che la variazione del numero di elettroni non modifica l’identità di un atomo, mentre quella del suo numero di protoni la modifica, è del tutto accidentale e specifico di come è fatto l’atomo (nucleo molto separato dai gusci elettronici e, quindi, grossa differenza di energia per modificare una parte rispetto all’altra), ma non è il caso generale nella formazione di un sistema.  Se si fosse trovata anche la modifica dello stato protonico e, quindi, una possibile variazione del numero di protoni nell’atto formativo della molecola, questo non sarebbe stato “anomalo”, sarebbe stata una caratteristica sistemica del tutto normale.  Si pone, allora, il problema generale di come identificare in un sistema una sua parte, se questa è mutata.  Tale discorso, è implicito in tutto il libro, e un po’ più esplicito nell’altro (Complesso e organizzato, già citato) e, quindi, non lo approfondiremo qui, per evitare di allontanarci troppo dall’argomento di questo articolo. Verrà ripreso nell’articolo sulle trasformazioni in scienza.

scena di operosità commerciale in piazzaDopo aver parlato del concetto di elemento, parliamo un po’ del concetto di composto. Esso, (insieme alla sua controparte microscopica, la molecola) è il concetto più importante della chimica.  Qui vogliamo sottolineare solamente la sua difficile nascita, all’inizio dell’Ottocento.
La principale difficoltà nella genesi del concetto di composto chimico è stata quella di superare la visione che tali sostanze fossero strettamente legate alla “metodologia” di ottenimento e che, quindi, fossero di numero infinito.  Questa idea, alchemica prima che chimica, costituiva un blocco da rimuovere per muoversi verso l’attuale visione chimica.  I chimici del XVIII secolo ritenevano che le innumerevoli circostanze concrete alle quali avvenivano le reazioni chimiche dessero luogo alla serie continua e infinita di composti differenti.  L’idea dell’esistenza in natura di un continuum di composti chimici sviliva il significato e l’importanza degli effettivi composti ricavati sperimentalmente.  Essi, infatti, erano solo legati alle capacità storiche della sperimentazione chimica.

All’inizio dell’Ottocento si opposero due visioni dei composti chimici e di conseguenza anche del loro numero: quella di Claude Louis Berthollet e quella di Joseph Louis Proust.   Per Berthollet il numero dei composti chimici era infinito ed in particolare da due reagenti si otteneva una serie infinita di prodotti, con la proporzione nei reagenti sempre compresa tra due valori limite, un minimo e un massimo.  L’esistenza di due composizioni limite emancipava parzialmente i composti chimici dalle circostanze di reazione in quanto vi erano dei composti non ottenibili, in nessuna circostanza di reazione.   Dall’altra parte, a seguito di ricerche sperimentali soprattutto sugli ossidi metallici del ferro, del rame e dello stagno, Proust enunciò la sua legge delle proporzioni definite, secondo la quale ogni composto chimico era costituito da una proporzione fissa e costante dei componenti, indipendentemente dalle condizioni sperimentali nelle quali esso veniva formato.   Le ricerche di Proust ebbero un discreto successo e la legge delle proporzioni definite prevalse sull’ipotesi continuista di Berthollet.  L’enfasi eccessiva che la chimica settecentesca metteva sulle “circostanze” di reazione rischiava di far perdere ai composti chimici il loro carattere universale, facendoli diventare ognuno un prodotto particolare ed eccezionale di un insieme di condizioni sperimentali, anche irripetibili.   La natura, invece, era sempre analoga a se stessa, uniformando sia i composti “naturali” sia quelli ottenuti nelle condizioni artificiali del laboratorio.   Questa scoperta Ottocentesca non è stata ancora del tutto “assorbita” da un ambientalismo dogmatico.

 

Bibliografia

  1. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed., (the “Gold Book”), McNaught, A., Wilkinson, A., compilers; Blackwell Scientific Publications: Oxford, U.K., 1997. Available http://goldbook. iupac.org/ (accessed Sep 2013) in E. Ghibaudi, A. Regis, E. Roletto, “What Do Chemists Mean When They Talk about Elements?”, J. Chem. Educ. 2013, 90, 1626−1631.

     

  2. G. Villani, “Sostanze e reazioni chimiche: concetti di chimica teorica di interesse generale”, Epistemologia, XVI (1993) 191.

     

  3. B. Pullman, The Atom in the history of human thought, Oxford University Press, New York Oxford 1998.

     

  4. G. Villani, Complesso e organizzato. Sistemi strutturati in fisica, chimica, biologia ed oltre, Franco Angeli, Milano 2008.

     

  5. G. Villani, “La chimica: Una scienza della complessità sistemica ante Litteram”, in Strutture di Mondo. Il pensiero sistemico come specchio di una realtà complessa, (a cura di L. Urbani Ulivi), il Mulino, Bologna 2010, p 80.

 

3 risposte a Principi, elementi e composti. Materia chimica

  • Villani scrive:

    E’ un problema abbastanza semplice, ma su cui non ci sono grandi riflessioni a livello generale. Ogni chimico sa bene che un qualunque composto, sia ottenuto per sintesi in laboratorio sia ottenuto estraendolo da un materiale naturale, ha sempre le stesse caratteristiche proprietà, è sempre lo stesso individuo chimico. Questa “scoperta” ottocentesca (a noi sembra qualcosa di scontato, ma nell’analisi storica della nascita del concetto di composto chimico si apprezza l’enorme sforzo intellettuale compiuto in questo caso) rende da ridefinire la differenzazione/contrapposizione tra sostanza naturale/artificiale. La sostanza è un individuo in sé, la sua preparazione può seguire un approccio sintetico (più artificiale) o analitico (più naturale). Quando dico che un certo ambientalismo ideologico non ha presente questi aspetti, intendo dire che un corretto ambientalismo dovrebbe porsi maggiormente il problema dell’integrazione della specifica sostanza in un ambiente (con tutto quello che ne consegue dalla preparazione allo smaltimento) che quello della sua supposta naturalità o artificiosità.

    • Christian Parolini scrive:

      Penso si stia riferendo anche alla sintesi dell’urea ad opera di Friedrich Woehler partendo da reagenti inorganici.

      Ho inteso a cosa si riferisce per ambientalismo dogmatico; parlando con amici e conoscenti, mi è capitato di osservare facce perplesse quando ho detto che il petrolio è una sostanza naturale: in prima battuta può sembrare insolita la cosa, visti i danni ambientali che esso provoca con gli sversamenti in mare da petroliere incagliate, ma questa miscela di idrocarburi non è sintetizzata dall’uomo, la si trova già in natura così com’è.

  • Christian Parolini scrive:

    Buonasera professore,

    Le chiedo se può spiegare le ultime due frasi dell’articolo in questione:

    1) cosa intende quando scrive che “la natura uniforma sia i composti naturali che quelli ottenuti nelle condizioni artificiali di laboratorio” ?
    2) cosa intende quando scrive che “questa scoperta Ottocentesca non è stata ancora del tutto “assorbita” da un ambientalismo dogmatico” ?

    Grazie

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