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La spiegazione chimica con le molecole

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Articolo 12/15.
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 VillaniUna discussione generale sulla spiegazione scientifica è al di fuori di questo contesto. Noi qui abbiamo di mira solamente un aspetto particolare del problema della spiegazione scientifica: il tipo di spiegazione che si ottiene utilizzando il piano molecolare. Come si vedrà meglio in seguito, ciò equivale a parlare del tipo di spiegazione che fornisce la chimica e la sua specificità rispetto a quella fornita da altre discipline.

Fino a qualche decennio fa la posizione predominante a livello epistemologico era che la spiegazione scientifica era unitaria e assimilabile a quella che si applicava alla fisica, quella che si basa sulle leggi di natura. Tale posizione si basava sull’idea che era proprio questo tipo unificante di spiegazione che rendeva scientifica una branca del conoscere. Attualmente, questa posizione è minoritaria ed è riconosciuto, a livello epistemologico, una diversità di spiegazioni scientifiche.

Locke - saggi sulla legge naturaleIl principale modello di spiegazione fisica è quello nomologico-deduttivo descritto da Hempel e Oppenheim nel 1948. Secondo questo modello il fenomeno empirico – l’explicandum – è spiegabile in termini di un explicans, costituito da un complesso di leggi naturali e da certe condizioni iniziali. In tale modello non si fa menzione delle nozioni di causa e di effetto, poiché gli autori ritengono che le spiegazioni causali siano un sotto spazio delle spiegazioni ricoperte dal loro modello.

È evidente che un primo problema da chiarire è che cosa s’intende per legge naturale. Hempel e Oppenheim nello stesso lavoro definiscono una legge come un condizionale universale o derivato; intendendosi per universale un enunciato che non contiene nomi individuali e i cui predicati sono meramente qualitativi, nel senso che il loro significato non dipende da riferimenti spazio-temporali né da oggetti particolari; e intendendosi per derivato un enunciato logicamente deducibile da qualche serie di leggi fondamentali.

radiatore di automobileFamoso è l’esempio di spiegazione nomologica-deduttiva dato dallo stesso Hempel. Perché il radiatore della mia automobile è esploso durante la notte? Il serbatoio era pieno di acqua; il tappo era ermeticamente avvitato; non era stato aggiunto alcun liquido antigelo; l’automobile era stata lasciata nel cortile; durante la notte la temperatura era inaspettatamente scesa molto al di sotto dello zero. Questi erano gli antecedenti. Insieme con le leggi della fisica – in particolare, la legge secondo la quale il volume dell’acqua aumenta se gela – essi spiegano lo scoppio del radiatore. Conoscendo gli antecedenti e le leggi, avremmo potuto prevedere l’evento con certezza.

Non è questo il luogo per un’analisi dettagliata di questo esempio. Due brevi precisazioni sono comunque attinenti. La prima riguarda “la legge secondo la quale il volume dell’acqua aumenta se gela”. A mia conoscenza non esiste una legge del genere. Per prima cosa, una legge “non contiene nomi individuali” e “acqua” è un individuo chimico. Inoltre, quando fondiamo una sostanza solida, il liquido ottenuto ha generalmente un volume maggiore di quello originario e viceversa nel congelamento. In pratica, l’acqua ha un comportamento anomalo.

scritta BIO in un campoFinora si è visto che la spiegazione scientifica nel modello fisico si basa sull’inclusione di un caso particolare in una legge naturale. Poniamoci, quindi, il problema se esistono o no leggi chimiche. Tale problema esiste anche in biologia e anche in quella disciplina, come in chimica, le posizioni sono differenziate. A titolo di esempio, ne riportiamo due opposte, quella di Ernst Mayr e quella di Brian Goldwin. Mayr sostiene che in biologia, invece di cercare di formulare leggi esatte e inderogabili, i biologi “organizzano abitualmente le loro generalizzazioni in modelli concettuali”, mentre Goldwin asserisce che la biologia come la fisica deve scoprire le leggi che governano “l’ordine sottile dello stato vivente, che è un tipo particolare di organizzazione della materia”.

Non esiste un accordo unanime se e quante sono le leggi chimiche. Qualcuno sostiene che non esistono leggi chimiche; altri che esistono in chimica solo due leggi specifiche: la periodicità e la legge stechiometrica; altri ancora che esistono vari tipi di leggi chimiche quali le relazioni funzionali tra proprietà variabili di un dato sistema (per esempio dipendenza dalla temperatura del calore specifico di una sostanza pura o della costante di velocità di una reazione), le leggi che stabiliscono l’esistenza di materiali con proprietà riproducibili (in questa categoria dovrebbero rientrare le leggi che regolano una reazione chimica: A + B sotto certe condizioni dà C + D), la legge di periodicità (le proprietà degli elementi sono funzione periodica del loro numero atomico), la legge dei gas e varie regole circa la reattività chimica.

rappresentazione grafica di leggi fisiche

In realtà, la spiegazione che la chimica offre o ricerca dei fenomeni che studia è qualitativamente incomparabile con quella tipica della fisica e non si basa esclusivamente sulle leggi e sulle condizioni iniziali su cui si impernia lo schema fisico. Per quanto riguarda le leggi, quelle chimiche sono di natura diversa da quelle della fisica in quanto riguardano la costituzione prima che il comportamento degli enti materiali e tali leggi hanno un limitato valore euristico ed esplicativo, perché non sono leggi di necessità ma norme limitative. Per esempio, le leggi delle proporzioni non permettono in generale di prevedere quale particolare composto si forma in una reazione, ma soltanto – e con notevoli eccezioni – una serie di possibili prodotti. Per quanto riguarda l’uso delle condizioni iniziali, esse, inserite nelle leggi della chimica, non consentono di costruire catene univoche di cause ed effetti; mentre le leggi della fisica, in astratto utili a ciò, sono in pratica inutilizzabili, e pertanto prive di valore esplicativo, in quanto le sostanze studiate dalla chimica sono di gran lunga troppo complesse perché si possa trarre qualche lume sul loro comportamento da leggi generali traducibili solo in equazioni non trattabili da uomo o da macchina. Inoltre, i differenti livelli di complessità della realtà, e le “emergenze” tipiche di ogni livello, ci tolgono ogni speranza di potere risolvere questi “problemi tecnici” ed avere spiegazioni ab initio.

modellino di sottomarino a propulsione nucleareVeniamo ora ad analizzare più in dettaglio gli aspetti salienti della spiegazione molecolare proposta dalla chimica. La prima cosa da notare è la particolarità della spiegazione chimica di rifarsi al piano microscopico (molecole) per comprendere delle proprietà di sostanze macroscopiche (sostanze chimiche). Questo tipo di spiegazione, che è legato alla storia di tale disciplina, è stato chiamato batogeno da Halbwachs nel 1970. La peculiarità della spiegazione chimica, cioè il connettere e spiegare le proprietà macroscopiche con l’aiuto del piano microscopico, fa sì che i fatti macroscopici vengono considerati spiegati quando sono ricondotti ad un livello più “profondo”, e cioè a particolari strutture atomiche (molecole) che vengono riconosciute e individuate in quanto il modello esplicativo stesso induce a cercarle. La copresenza di questi due piani è tipico di tutta la chimica. È chiaro che limitarsi a qualificare come batogena la spiegazione chimica non basta a definirla: occorre chiarire il paradigma che governa la transizione fra i due piani.

La copresenza di questi due piani, infatti, oltre ad essere un evidente fattore di ricchezza, può generare delle confusioni. La prima cosa da chiarire è che sebbene esista una corrispondenza biunivoca tra le molecole (microscopiche) e i composti chimici (macroscopici), non esiste nessuna relazione biunivoca tra le proprietà molecolari e quelle delle corrispondenti sostanze chimiche. Infatti, una proprietà macroscopica può essere legata a più proprietà microscopiche e per molte proprietà macroscopiche non esiste una controparte molecolare. In questo ultimo caso, le proprietà macroscopiche sono correlabili non alle proprietà delle singole molecole, ma a quelle dell’insieme di molecole. Sono, infatti, le interazioni intermolecolari a spiegare queste grandezze macroscopiche. Questo ha come conseguenza che una stessa sostanza chimica (identiche proprietà molecolari) in un differente stato (differenti interazioni molecolari) ha proprietà macroscopiche molto diverse. Il caso dei differenti stati fisici (ghiaccio-acqua-vapore), ma anche i casi di differenti forme cristalline (zolfo rombico-zolfo monoclino), ne sono chiari esempi.

ghiaccio acqua vapore

Altri due punti, legati allo sviluppo tecnico della chimica odierna, vanno evidenziati. La chimica odierna non opera più solo con molecole, ma è in grado di ottenere delle stabili sostanze “legando” insieme due o più molecole. Queste tecniche hanno portato alla nascita di una nuova branca della chimica, quella supramolecolare alla quale abbiamo già accennato. Questo ci impone delle riflessioni sul concetto di molecola. È la supermolecola una molecola a tutti gli effetti? Si va verso una chimica che al posto degli atomi utilizza le molecole come mattoni? Questo è un dibattito che, data la novità delle tecniche, è ancora in nuce. Tale dibattito, tuttavia, mostra da un lato la feconda interazione che esiste, e deve esistere, tra la ricerca concettuale e la reale pratica scientifica e dall’altro che solo un chimico si può occupare di tali analisi concettuali. Il secondo punto da evidenziare, legato alle moderne tecniche chimiche, è che si è sviluppato tutto un settore di studi sugli “aggregati molecolari”. Un aggregato molecolare è un gruppo di molecole, costituito anche da un solo tipo di molecola, abbastanza piccolo per cui non sono valide le approssimazioni statistiche che portano alle usuali proprietà macroscopiche delle sostanze, ma tale da avere proprietà macroscopiche variabili in funzione della sua dimensione. Quindi, la coppia concettuale insieme di molecole/proprietà macroscopiche diviene nei fatti un continuo, in funzione del numero di molecole.

aggregati molecolari

Lungo il corso dell’evoluzione chimica vi sono stati più di un tentativo di spiegazione chimica alternativa e, quindi, legare i fenomeni chimici macroscopici ad una spiegazione che facesse a meno degli atomi e delle molecole. Su i due principali è il caso di spendere qualche parola. Il primo, quello degli “equivalentisti” è stato già trattato; qui accenneremo solamente alla spiegazione chimica “energetista”.

fonti di energia alternativaUn tentativo di spiegazione chimica alternativa a quella atomica è quello di W. Ostwald e P. Duhem, portato avanti tra la fine del XIX e l’inizio del XX secolo. È noto che i positivisti avevano preso una posizione fermamente contraria alla teoria atomica, seguiti in questo dagli “equivalentisti” in campo chimico. I neopositivisti adottarono la stessa logica anti-atomo e in campo scientifico si sviluppò l’ “energetismo”. L’energetismo, che metteva la materia al seguito dell’energia, era una visione filosofica della realtà, oltre che una teoria scientifica. Nella sua idea di base, la materia era un’invenzione che noi ci eravamo forgiati per rappresentare quello che c’era di permanente nel flusso continuo. Quello che era realmente effettivo, quello che aveva effetti reali su di noi, era, tuttavia, l’energia.

Per Ostwald, la natura doveva essere annoverata tra le grandezze intensive dell’energia, piuttosto che tra le grandezze estensive della geometria. In quest’ottica, gli stessi problemi meccanici sarebbero potuti diventare casi particolari di scambi di energia. Anche nelle reazioni chimiche, per Ostwald, era la parte energetica a essere rilevante e non la rottura e la formazione di nuovi legami e, quindi, la distruzione delle “vecchie” molecole e la formazione di “nuove”. Nello studio delle reazioni chimiche fu proprio Ostwald che introdusse il concetto di “energia di attivazione”.

 

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