sostanza, molecola, composto o specie chimica? …le definizioni a confronto

Fra i diversi rischi ai quali una scienza può andare incontro quando diventa, almeno in alcune delle sue branche, intensamente speculativa ai limiti della tecnologia, vi è sicuramente quello di smarrire la necessaria chiarezza nelle definizioni stesse dei suoi oggetti d’interesse primari e dei suoi concetti fondanti.

In particolare ho notato che il chimico dispone di numerose espressioni lessicali, solo in apparenza sinonimi fra loro, per indicare gli oggetti fondamentali dei suoi studi: sostanza chimica, prodotto chimico, specie chimica; ed in abiti più particolari o con un minimo di distinguo nel merito: molecola, reagente…
Se i chimici parlando fra loro, al di là della scelta dei termini di volta in volta utilizzati, sanno perfettamente a cosa ci sta riferendo, anche per la semplice ragione che conoscono bene ambito di pertinenza, oggetti e metodi fondamentali della disciplina, la problematica relativa alla chiarezza ed all’univocità delle definizioni di cui sopra diventa invece fondamentale quando ci si rapporta all’esterno, comunicando con i mezzi di informazione, con l’utente finale di un servizio (cliente) o semplicemente con professionalità non scientifiche, fino via via ad arrivare al comune cittadino.

Il termine COMPOSTO CHIMICO ed il termine MOLECOLA hanno molto in comune, ma non si tratta esattamente della stessa cosa per almeno un paio di ragioni.
Il termine molecola deriva dal latino “molecula”, derivato a sua vola da “moles”, ovvero “mole”, nell’accezione di “piccola quantità”: con esso si definisce il più piccolo insieme di atomi aggregati da legami chimici, capace di esistere allo stato libero e tale da mantenere tutte le proprietà chimiche della sostanza considerata.   Pertanto una molecola può essere monoatomica (come nell’esempio dei gas nobili e dei metalli) o poliatomica, ovvero composta da un numero maggiore di uno di atomi fra loro uguali o diversi.
Da definizione, un composto chimico è una sostanza formata da due o più elementi, con un rapporto fisso fra di loro che ne determina la composizione.
In generale, il rapporto fisso deve essere determinato da proprietà chimiche o fisiche, piuttosto che da arbitrarie selezioni e scelte umane.   Pertanto sostanze come ad esempio l’ottone e la cioccolata, sono considerate miscugli e non composti chimici.
Il termine “composto chimico” si avvicina fortemente, quasi coincide con quest’ultima definizione, quella di molecola poliatomica.
Per la precisione i composti sono oggetti poliatomici costituiti da atomi di due o più elementi diversi, presenti in rapporti reciproci ben definiti (non ne fanno parte pertanto le molecole omonucleari come l’azoto molecolare N2, l’ozono O3, ecc): ad ogni composto è associato un numero di registrazione univoco ed ufficiale dall’organizzazione internazionale CAS (Chemical Abstract Service).   Infine, proprietà di tutti i composti è quella di poter essere scissi nei singoli elementi chimici costitutivi tramite riscaldamento ad una temperatura “sufficientemente alta” (…anche se questo in taluni casi concreti significa operare quasi al limite delle possibilità tecnologiche disponibili… ma è pur sempre una definizione, no?)
I composti sono quindi un sottoinsieme all’interno della casistica di molecole.
D’altra parte vi sono delle entità definite composti chimici che non hanno una natura molecolare, non sono quindi definibili molecole: sono i composti ionici, per esempio i sali, dove uno o più anioni sono tenuti in prossimità di uno o più cationi da forze di natura ionica senza tuttavia che la coppia anioni+cationi corrispondenti alla formula minima (es. NaCl) possa ritenersi una molecola unitaria. Anche i radicali, purchè poliatomici, sono da considerare nell’ambito dei composti chimici.

Mettendo insieme tutte le considerazioni finora avanzate, ho provato a realizzare lo schema che segue:

Il cerchio nella sua interezza rappresenta l’insieme più generale ed onnicomprensivo finora presentato, quello di specie chimica.   Sono via via visualizzati la posizione concettuale di molecola (semicirconferenza in alto), quella di composto chimico (semicirconferenza a destra) comprensivo anche delle specie radicaliche, quella di ione (semicirconferenza in basso) e quella di specie monoatomica (semicirconferenza a sinistra).
Scendendo maggiormente nel dettaglio:
• il 1° quarto (in alto a sinistra), condivido fra il concetto di molecola e quello di specie monoatomica, è rappresentato dalle molecole monoatomiche (es. He);
• il 2° quarto (in alto a destra), condiviso fra il concetto di molecola e quello di composto, è rappresentato dalle molecole poliatomiche (es. metano);
• il 3° quarto (in basso a destra), condiviso fra il concetto di composto e quello di ione, è rappresentato dagli ioni poliatomici (es. fosfato);
• il 4° quarto (in basso a sinistra), condiviso fra il concetto di ione e quello di specie monoatomica, è rappresentato dagli ioni monoatomici (es. ione cloruro).

Il termine SOSTANZA risulta invece assai più generale e, una volta tanto, l’accezione comune e quella dotta possono incontrarsi con sufficiente coincidenza sullo stesso significato.
Secondo la definizione della IUPAC una sostanza è una specie chimica con proprietà chimico-fisiche specifiche e una composizione chimica definita; può essere costituita da un elemento chimico allo stato monoatomico o da un composto chimico.   Tutte entità la cui quantità può essere misurata secondo il Sistema Internazionale nell’unità di misura costituita dalla mole.

Solo negli ultimi anni si è fatta strada la definizione che sta dietro al concetto più generale ed onnicomprensivo immaginabile nel contesto della chimica descrittiva, quello di SPECIE CHIMICA:
in esso si comprendono tutte le molecole e più in generale le sostanze chimiche secondo la definizione precedentemente riportata, quindi anche i composti ionici, gli ioni stessi (cationi ed anioni), i radicali e qualsiasi intermedio anche instabile e pertanto non isolabile nell’ambito di una reazione chimica.
Volendo provare a darne una definizione, possiamo dire che il termine Specie Chimica indica qualsiasi struttura di natura chimica, a prescindere dal numero di atomi che la compongono, dalla sua carica e dalla sua reattività, purchè siano perfettamente definite ed univoche la natura, la proporzione e la disposizione (legami) degli elementi chimici che la compongono.
L’area complessiva di ciascuna circonferenza nei diagrammi precedentemente discussi, può a ragione indicare l’insieme concettuale delle specie chimiche.

Tutti concordano che le cosiddette “miscele” o “miscugli” non possono essere definite specie chimiche e neppure sostanze o composti chimici, bensì per l’appunto miscele o miscugli delle suddette entità singolari.

Per concludere, una nota relativa a due definizioni particolari, nate in contesti in un certo senso di nicchia ma oggi largamente usate o più spesso abusate in sostituzione dei termini più corretti finora trattati.    Stiamo parlando di Reagente e di Prodotto chimico.

Con REAGENTE si intende invece qualsiasi sostanza che prende parte ad una reazione chimica. Questa almeno la definizione da dizionario, che coincide in questo caso anche con quella più scientificamente corretta.
Quando si commenta una reazione chimica come ad esempio A + B ==> C + D  si dice solitamente che le molecole iniziali (A + B) che si combinano fra loro per formarne delle altre (C + D) sono reagenti, ma questa definizione non è una proprietà intrinseca ad A ed a B ma bensì relativa alla specifica reazione descritta. In una ipotetica reazione diversa di tipo E + F ==> A + G,   A ad esempio non sarà più un reagente bensì un “prodotto di reazione”, ed i reagenti saranno invece E ed F.
Espressioni corrette saranno quindi del tipo “A è un reagente in questa reazione”, oppure “il reagente A […]”.
Dal momento che praticamente tutte le specie chimiche esistenti, compresi in casi estremi alcuni gas nobili, sono potenzialmente in grado di reagire chimicamente con almeno un’altra specie chimica, per estensione si arriva talvolta a definire reagente qualsiasi specie chimica disponibile ad un grado di purezza sufficientemente alto da poterne tracciare individualmente la reazione.
In pratica si è giunti alla sostantivizzazione del participio verbale di reagire (reagente, appunto), un po’ come si è arrivati a chiamare agente la persona che per incarico lavorativo (es. Polizia) ha il compito di agire.
Personalmente sono contrario all’uso generalista ed indiscriminato di questo termine, in tantissimi casi operato fuori contesto. Nella pratica di laboratorio si finisce per chiamare reagente qualsiasi sostanza chimica pura acquistabile dai fornitori specializzati, solitamente commercializzata in flaconi o barattoli, senza curarci molto se l’impiego che ne faremmo sarà di tipo effettivamente reattivo (ovvero se sarà fatta reagire con altre molecole di tipo diverso), oppure inerte come un solvente o un disperdente, oppure se rappresenta per noi semplicemente uno standard analitico di riferimento, o pensiamo di utilizzarlo come supporto cromatografico o banalmente come materiale di impaccamento per qualcosa, ecc.

Un poco più complicato, o per lo meno “duplice” è invece il discorso che riguarda la definizione di PRODOTTO CHIMICO.
Un “prodotto” è in generale il risultato di un processo: possiamo intendere come processo la reazione chimica che ha portato alla sua formazione (in pratica nel precedente esempio
A + B ==> C + D   possiamo dire che C e D sono i prodotti di reazione), oppure possiamo riferirci al processo tecnologico-logistico-economico del suo insieme (comprensivo di un’eventuale fase estrattiva, di trattamenti fisici e/o chimici anche molteplici ed in sequenza, di confezionamento e commercializzazione, ecc) che ha portato alla formazione o meglio ancora alla disponibilità di quella risorsa materiale.   Non per niente inglese si usa il termine “commodities” per indicare i prodotti chimici da un punto di vista della logica macro-economica, con i significati sia di prodotto/merce che di genere di prima necessità/cosa utile.

E’ curioso notare che la stessa specie chimica, quando è acquistata in piccole confezioni, di solito ad elevato grado di purezza, dai laboratori viene spesso indicata come “reagente”, mentre quando è acquistata in grossi quantiativi, di solito a grado di purezza inferiore, dall’industria, dal settore agronomico, per uso domestico e in generale in qualsiasi contesto “extra-laboratorio” viene spesso indicata come “prodotto”.   Un caso di ambiguità di definizione che porta addirittura a scambiare fra loro i termini di significato chimico più diverso, praticamente opposto che la lingua italiana potrebbe metterci a disposizione!

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