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sul concetto di elemento chimico: l’evoluzione di un punto di vista

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Il concetto di elemento chimico trova oggi un riscontro concreto nell’atomo di quello stesso elemento, che differisce dagli atomi degli altri elementi chimici sulla base del numero dei protoni contenuti nel nucleo, grandezza questa descritta dal valore del Numero Atomico.

berillio, magnesio, calcio, stronzio e bario in forma elementareDa un certo punto di vista si è arrivati ad un’identificazione concettuale biunivoca fra atomo ed elemento chimico corrispondente.

Per quanto questa descrizione, per taluni praticamente una tautologia, rappresenti il punto di arrivo di una ricerca filosofica e scientifica vecchia quasi quanto la stessa civiltà umana e trovi oggi finalmente riscontro in molteplici evidenze oggettive largamente comprovate ed accettate dalla comunità scientifica internazionale, sono convinto che gli Antichi non sarebbero stati poi così soddisfatti dal risultato raggiunto.   Mi pare di sentire Paracelso borbottare fra sé e sé qualcosa del tipo:  “Sì, va bene, gli atomi esistono e sono probabilmente proprio come dite voi.  Ma parlando di elementi io intendevo parlare di tutta un’altra cosa!”.

In effetti l’idea di elemento, chimico ma non soltanto, ha raccolto su di sé ed intorno a sé così tanti significati e connotazioni nella storia dell’uomo, e ancora ne conserva tutt’ora nella nostra cultura, che la pura descrizione atomista di un concetto così complesso rischia di venire tacciata di riduzionismo scientifico.

Partendo banalmente dalle definizioni, il concetto di elemento chimico non coincide esattamente con quello del suo atomo costitutivo.
Un elemento chimico è una sostanza pura costituita da un unico tipo di atomi quelli che appunto lo caratterizzano e si distinguono da quelli degli altri elementi per il numero atomico (Z) (definizione da Wikipedia, 25/08/2010).   Richiamo in particolare l’attenzione sull’espressione “una sostanza pura costituita da un unico tipo di atomi”, ed in particolare “una sostanza pura”, ed infine su un termine soltanto: “sostanza”.   Se a valle della definizione l’elemento chimico trova la sua descrizione in atomi (un unico tipo di atomi, quelli che […]), a monte di tutto un elemento chimico è pur sempre una sostanza.   Cosa che non si può sicuramente dire dell’atomo, o se volete anche di un gran numero di atomi, considerati in sé stessi.

John Dalton (1766–1844)

Secondo la definizione data da Dalton, che ebbe fra l’altro il merito di formulare la prima teoria atomica basandosi su esperienze sperimentali anziché su congetture teoriche, “Un atomo è la più piccola parte di un elemento che mantiene le caratteristiche fisiche di quell’elemento”.
Una definizione in qualche modo attaccabile oggigiorno, in considerazione del fatto che alcuni elementi esistono allo stato puro non semplicemente come dispersione di atomi fra loro indipendenti (come nei gas nobili He, Ar, Ne, Kr, Xe) o come insieme isotropo di atomi fra loro legati (come nei metalli allo stato elementare), ma sottoforma di vere e proprie molecole omoatomiche (ovvero fatte da un solo tipo di atomi, in pratica i nostri “elementi chimici”), come quella dell’azoto N2, del fosforo P4, dello zolfo S8, ecc.

Un atomo “isolato” di un certo elemento, ammesso che possa esistere in modo sufficientemente stabile da poter essere indagato nelle sue proprietà, non necessariamente mantiene di fatto le caratteristiche fisiche di quell’elemento.   Potrà farlo sicuramente nel caso dei suddetti gas nobili monoatomici che, oltre a non formare molecole legandosi fra loro non manifestano neppure nessuna proprietà peculiare d’insieme quando sono ammassati l’un l’altro vicini, un po’ meno nel caso dei metalli (caratteristiche macroscopiche tipo la conduzione elettrica e la duttilità perdono infatti significato scendendo su scala atomica) e sicuramente non lo farà per quegli elementi che presentano naturalmente stati di aggregazione dove i singoli atomi, per quanto uguali, risultano legati fra loro in numero e secondo modalità definite per formare molecole poliatomiche.

Per di più è noto il fenomeno dell’allotropia.   Fu il chimico svedese Jons Jacob Berzelius (1779-1848) che introdusse questo concetto per esprimere la proprietà si alcune sostanze, e nel caso specifico di specie omoatomiche, di presentarsi in modo diversi, ovvero sotto forma di sostanze aventi proprietà fisiche e chimiche diverse fra loro.
Il diamante e la grafite sono composte unicamente da carbonio, eppure in esse gli stessi atomi di carbonio sono organizzati in modo talmente diverso da giustificare aspetto e comportamenti totalmente differenti dei due materiali.   Lo stesso dicasi per l’ossigeno biatomico O2, indispensabile per mantenere la combustione e la respirazione cellulare, e l’altra forma allotropica sempre dell’ossigeno, l’ozono O3, fortemente irritante per le vie respiratorie, disinfettante in piccole quantità e capace di intercettare la componente più ad alta frequenza dei raggi ultravioletti negli strati alti dell’atmosfera terrestre.   Esempi analoghi si trovano anche nel fosforo, che può presentarsi addirittura sotto 4 diverse forme allotropiche: fosforo bianco P4, estremamente velenoso ed infiammabile, fosforo rosso più stabile, composto da catene di fosforo bianco, fosforo nero e fosforo diatomico P2) e dello zolfo (da forma monoatomica a forma dodecatomica S12, con diversi stati allotropici intermedi, caratterizzati da abito cristallino e punto di fusione diversi).

Ho pensato in un primo momento che tale incongruenza potesse derivare dalla data diciamo pure “non proprio recentissima” della definizione data da Berzelius, che precorreva certamente molte importanti scoperte e conferme scientifiche sulla natura dell’atomo che sarebbero giunte da lì ad un secolo.  In realtà consultando un elenco di attuali definizioni da dizionari in lingua italiana, cartacei ed online, mi accorgo con sorpresa che alla parola “atomo” sono assegnati significati ancora ben in linea con quello di Berzelius:

“La particella più piccola di un elemento capace di conservarne le caratteristiche chimiche, costituita da un nucleo positivo intorno a cui ruotano delle cariche negative (elettroni)”
Il Gradne Dizionario Garzanti della Lingua Italiana – ed. 1987

“La particella più piccola di ogni elemento, costituita da un nucleo di carica elettrica positiva (neutroni e protoni) intorno a cui ruotano cariche negative (elettroni)”
http://dizionari.corriere.it/dizionario_italiano/A/atomo.shtml

“un atomo è la parte più piccola in cui si scompone un elemento chimico”
http://it.thefreedictionary.com/atomo

oppure significati propri di una connotazione squisitamente storico-epistemologica:

“L’atomo (dal greco ἄτομος – àtomos -, indivisibile, unione di ἄ – a – [alfa privativo] + τομή – tomé – [divisione], così chiamato perché inizialmente considerato l’unità più piccola ed indivisibile della materia, risalente alla dottrina dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro, detta teoria dell’atomismo) è la più piccola parte di ogni elementoo esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche. Verso la fine dell’Ottocento (con la scoperta dell’elettrone) fu dimostrato che l’atomo era divisibile, essendo a sua volta composto da particelle più piccole (alle quali ci si riferisce con il termine “subatomiche”). L’atomo risulta infatti costituito da neutroni, elettroni e protoni.”  (Wikipedia, 26/08/2010)

Un atomo quindi che oltre a non soddisfare in modo esaustivo la sua promessa di descrivere l’elemento chimico al quale viene attribuito, non soddisfa infine neppure l’aspettativa filosofica degli atomisti in quanto non rappresenta di fatto l’unità ultima ed indivisibile di cui si compone la materia.   Non vorrei che qualcuno a questo punto potesse anche soltanto sospettare che sia mia intenzione sollevare un brusio di polemica riguardo alla teoria atomica, se non addirittura all’esistenza ed alle caratteristiche riportate per gli stessi atomi.   Solo un folle, o alternativamente una persona veramente del tutto estranea per studi e frequentazioni alla comunità scientifica potrebbe insinuare un dubbio del genere.
Le considerazioni che riporto sono invece relative ai concetti, alle definizioni e più in generale alla filosofia della scienza che a mio avviso ha in un certo senso liquidato in modo un po’ troppo sbrigativo, come conseguenza delle conferme sperimentali e teoriche raccolte sull’atomo fisico, un concetto assolutamente fondante della nostra cultura, ricco di significati e di implicazioni non soltanto chimiche: quello di elemento, appunto.

I diversi ordini di grandezza della materia: 1. Materia (macroscopico); 2.Struttura molecolare (atomi); 3.Atomo (neutrone, protone, elettrone); 4.Elettrone; 5.Quark; 6.Stringhe

I diversi ordini di grandezza della materia: 1. Materia (macroscopico); 2.Struttura molecolare (atomi); 3.Atomo (neutrone, protone, elettrone); 4.Elettrone; 5.Quark; 6.Stringhe

Di fatto l’atomo può tranquillamente essere inteso come uno dei diversi stati di aggregazione ed organizzazione della materia, o più genericamente della realtà tangibile (non dimentichiamo che alcune entità subatomiche coinvolte possono ritenersi virtualmente prive di massa), in accordo con la concezione olistica di sistema complesso.   In un certo senso paragonando il passaggio fra il livello organizzativo proprio delle particelle elementari (fermioni e bosoni) a quello dei nucleoni (protoni e neutroni), con il passaggio organizzativo fra nucleoni ed elettroni per formare atomi, con quello fra atomi per formare molecole e quello fra molecole per formare organismi viventi, ecco paragonando fra loro tutti questi passaggi da un livello di organizzazione e di complessità inferiore ad uno superiore, stenterei ad affermare con sicurezza che il livello di organizzazione atomica rappresenti davvero “la” chiave di svolta decisiva.   In fondo gli atomi sono più simili fra loro di quanto lo siano, pur su piani del tutto diversi, le molecole complesse da un lato e le particelle subatomiche dall’altro.   Una delle caratteristiche peculiari degli atomi è infatti proprio quella di essere costituiti in modo molto modulare: solo 3 particelle che si combinano in diversi rapporti reciproci.  Fra l’altro è solo il numero di una di esse, il protone, a consentire la classificazione di un atomo come appartenente ad un certo elemento chimico piuttosto che ad un altro.   Ha 6 protoni?  Allora è carbonio.  Ne ha uno in più?  Allora non è più carbonio ma è azoto.  I neutroni vanno in linea di massima di conseguenza in numero simile a quello dei protoni e, come noto, la loro variazione numerica su atomi dello stesso elemento (quindi a parità di numero di protoni) determina l’esistenza dei cosiddetti “isotopi” dello stesso elemento.   Gli elettroni in un atomo di carica neutra, l’atomo per antonomasia, equiparano numericamente i protoni, ma quando gli atomi risultano ionizzati, ad esempio quando entrano a formare dei sali o altre sostanze ioniche, essi possono variare fino ad alcune unità rispetto al numero dei protoni.   Ed anche il modo in cui le particelle subatomiche sono organizzate fra loro per formare l’atomo è frutto di una distribuzione particolarmente rigida e ripetibile, in particolare per quanto riguarda le caratteristiche degli elettroni (energia associata a ciascuno di essi, densità di probabilità nella forma degli orbitali elettronici, distanza media dal nucleo, ecc), con la conseguenza che ciascun atomo segue lo schema di configurazione elettronica di quello a numero atomico inferiore, “collocando” quindi l’elettrone in più secondo criteri fissi e prevedibili.
Per una panoramica descrittiva, per quanto molto basilare, sulle caratteristiche più importanti degli atomi su Chimicare si rimanda al post: “gli atomi: spiegati in 11 punti e senza usare la fisica”

In un certo senso è come se si fosse tornati a confermare le teorie degli antichi, solo apparentemente confutate l’altro ieri.  L’atomismo riduzionista di Democrito prevedeva infatti corpuscoli omogenei, costituiti della stessa materia, diversi l’uno dall’altro solo in funzione della loro forma.   Al contrario, la visione atomista pluralista nata nel XIX secolo, che affonda le basi negli studi di Lavoisier e si afferma definitivamente con il lavoro sistematico di Mendeleev, prevedeva atomi qualitativamente differenziati fra loro.   Salvo scoprire piu’ tardi, come precedentemente descritto, che la natura intima di queste differenze fra un atomo ed un altro non sono tanto da attribuirsi ad una differente natura qualitativa della materia che a sua volta li compone, quanto a diversità che potremmo definire piu’ di tipo quantitativo nella ricorrenza della materia di base (numero di protoni per atomi e, secondariamente, numero di neutroni ed elettroni).   In ultima analisi, in considerazione di come il numero dei protoni condizioni quello degli elettroni sopportabili da un atomo e di come il numero di questo si ripercuota in modo diretto sugli orbitali elettronici occupati, distinti per energia a loro associata e per forma della densità di probabilità di trovare in essi l’elettrone, e di conseguenza su quella che potremmo probabilmente definire come “la forma dell’atomo”…  in considerazione di tutto questo possiamo tornare in un certo senso a concepire la differenza fra atomi di tipo diverso come basata piu’ sulla loro forma che su una differente natura della loro materia costitutiva.

Tutto questo per quanto riguarda gli atomi.  Le idee di atomi ed elementi, solo oggi passibili di una eventuale confusione concettuale, si sono invece sviluppate nella storia del pensiero filosofico in modo sostanzialmente distinto, rispondendo a differenti evidenze osservabili e all’esigenza di descrivere aspetti differenti della realtà.

quattro_elementi (sx terra acqua aria fuoco dx)- Stolcius_von_Stolcenberg (1624)

quattro_elementi (sx terra acqua aria fuoco dx)- Stolcius_von_Stolcenberg (1624)

La storia del concetto di elemento coincide in larga parte la storia del tentativo di descrivere la natura della materia, e con essa buona parte della realtà tangibile.
Nell’antichità e nel medioevo l’interpretazione più diffusa in occidente relativamente alla composizione della materia era quella di derivazione aristotelica che, partendo dal principio empirico dell’horror vacui (“la natura aborre il vuoto”) vedeva ogni materia composta a sua volta da una diversa composizione di quelli che venivano concepiti come i quattro elementi della natura: terra, aria, acqua e fuoco.   Il primo a pervenire ad una sintesi di conciliazione fra l’idea del divenire e del continuo ed incessante mutamento delle cose (pensiero di Eraclito e della filosofia ionica) e l’essenza immutabile ed eterna dell’Essere (dal pensiero di Parmenide) fu il filosofo Empedocle (Agrigento, 492 a.C – 430 a.C).   Egli propose una visione all’insegna della mutevolezza per quanto riguarda la realtà tangibile che ci circonda, ed al contempo sostenne l’immutabilità degli elementi primi che la compongono, ovvero di quelli che egli avrebbe chiamato anche “radici”, appunto quattro, associato ciascuno ad una diversa divinità del pantheon greco: Zeus per il fuoco, Era per l’aria, Edoneo per la Terra e Nesti per l’acqua.

cinabro (mercurio solfuro)

il cinabro (mercurio solfuro) è un minerale che riunisce in forma combinata entrambe gli elementi primordiali della tradizione alchemica

Nel rinascimento alchemico a questa concezione quaternaria si affiancò ed in buona parte sostituì una paradossalmente ancora più semplice, di tipo binario, che vedeva nello zolfo e nel mercurio (sulphur et mercurius) le due essenze primordiali la cui miscela avrebbe dovuto dare ragione di qualsiasi materiale conosciuto.  A queste Paracelso (1493-1541) aggiunse il sale (sal) in qualità di terzo principio.
Per inciso, e parlo beninteso a titolo personale, dalle candidature avanzate mi sembra evidente che la i principi fondamentali siano stati scelti all’interno del mondo percepibile, ovvero della realtà macroscopica, ammettendo il fatto che un principio elementare, lo stesso che combinandosi con altri era in grado di creare tutte le cose, potesse anche essere diffuso nel mondo nella sua stessa forma primigenia, disponibile ed esperibile con i sensi comuni proprio come una pozza piena d’acqua o un secchiello di fiori di zolfo.  Con uno sguardo smaliziato ed un po’ cinico è come se oggi potessimo avere a disposizione un laghetto di protoni liberi e dei giacimenti di elettroni isolati e stabili proprio dietro casa nostra.   La sensazione a pelle oggi più diffusa fra i non scienziati, e a mio avviso abbastanza ben avvalorata anche da un’ampia casistica di evidenze scientifiche nel campo della fisica delle particelle, è che se un’entità fisica è davvero così primordiale ed elementare, come minimo risulterà ben ben instabile, forse addirittura non isolabile, quasi certamente non esperibile con i nostri sensi nudi, almeno nel contesto del nostro mondo macroscopico fatto a sua volta da un groviglio di materia strutturata e molteplici reazioni. D’altra parte la storia del pensiero scientifico abbonda di casi in cui si sono dovute introdurre entità di varia natura, per quanto non percepibili e neppure dimostrabili nella loro reale esistenza, solo per la necessità di far tornare una spiegazione spesso di tipo puramente intellettuale se non addirittura di derivazione assiomatica, quindi sinceramente non credo sia giusto tacciare di ingenuità e scarso spirito di immaginazione coloro che tentavano di individuare la ricetta della materia con i pochi ingredienti che crescevano nell’orto di casa.

spazio

L’esigenza intellettuale di poter riportare la composizione della materia, se non addirittura l’essenza della realtà in senso lato tangibile ad un numero estremamente limitato di elementi o principi ha attraversato tutte le epoche ed un po’ tutte le culture, compresa la tradizione orientale, ed è approdata infine sulle soglie della chimica moderna.   A questo punto “il problema” deriva però dal fatto che a partire da Lavoisier le ragioni dell’intelletto immaginifico e dei suoi ragionamenti, induttivi e deduttivi che siano, se non addirittura delle rivelazioni assiomatiche di origine sacra relativamente alla natura ultima della materia e nello specifico all’identità effettiva degli elementi chimici, cedono gradualmente il passo ad evidenze oggettive, ricavate da prove sperimentali condotte in laboratorio.   Il modus operandi che dall’accumulazione di esperienze empiriche passava direttamente, con un mix variamente bilanciato di ragione e preconcetto, alla formulazione di una teoria, valida fintanto che nuove osservazioni empiriche entravano in eventuale contrato con essa, cedette gradualmente il posto al metodo sperimentale che, come noto, prevede la sequenza di osservazione, ipotesi, esperimento e verifica, ciclo questo spesso reiterato numerose volte onde pervenire ad un perfezionamento dell’ipotesi in teoria via via di maggiore validità generale.
I primi elementi chimici ad essersi resi disponibili allo stato puro, o come appunto si suol dire “elementare”, furono rinvenuti in natura già in epoca preistorica: si tratta di quei minerali che sono costituiti dall’elemento al cosiddetto “stato nativo”: il rame, l’argento, l’oro sono stati certamente fra i primi materiali rinvenuti casualmente in natura sotto forma magari di ciotoli, di pepite o di pagliuzze, e successivamente ricercati nelle relative miniere.

rame nativo

rame nativo

In qualsiasi museo di storia naturale si possono vedere conglomerati di varia dimensione e purezza costituiti essenzialmente da rame elementare, oppure da oro o da argento.  Anche il carbonio è reperibile allo stato nativo in natura, sottoforma di grafite o diamante (il carbone ne contiene comunque una percentuale talmente alta da essere considerato di fatto anch’egli carbonio allo stato nativo), ed in effetti anche questo elemento fu tra i primi ad essere conosciuto fin dalla preistoria.   Anche zolfo, antimonio, arsenico, bismuto, mercurio e qualche altro elemento risultano reperibili almeno in qualche parte del mondo allo stato nativo, ma la loro scarsa diffusione dello stato elementare libero, insieme probabilmente alla loro minore utilità a fini tecnologici per gli antichi fece sì che questi elementi passarono inosservati ancora per molto tempo.  Anche l’azoto, l’ossigeno e tutti i gas nobili sarebbero diffusissimi in natura sotto forma elementare, costituendo di fatto la quasi totalità dell’aria stessa nella quale siamo immersi: forse proprio per questa onnipresenza, oltre che per le comprensibili difficoltà di impiego tecnologico questi elementi furono riconosciuti come tali solo molto tardi, praticamente nel XVIII secolo.
Furono comunque gli elementi classificabili come “metalli” i primi ad essere riconosciuti, e questo sia in ragione della loro diffusione allo stato nativo sulla crosta terrestre, sia in funzione della loro indiscutibile utilità tecnologica: rame, bronzo (una lega di rame e stagno, successivamente anche di rame con altri metalli) e ferro hanno dato addirittura il nome alle tre età che un po’ in tutte le civiltà del mondo si sono succedute cronologicamente.   Il rame era un po’ troppo tenero e flessibile, però era reperibile già come metallo in natura e bastava batterlo e forgiarlo, o eventualmente in casi estremi fonderlo e colarlo in eventuali stampi; il ferro, lo stagno necessario per la preparazione del bronzo) e gli altri metalli successivamente scoperti (es. piombo) invece, pur presentando indubbi vantaggi applicativi, non erano reperibili sotto forma nativa e dovevano essere preparati tramite un processo tecnologico a partire dai loro minerali dove si trovavano sotto forma combinata, solitamente di sale, di ossido o di solfuro.
Il processo tecnologico più semplice per la liberazione del metallo allo stato elementare era probabilmente quello che, partendo dalla disponibilità mineraria del loro ossido (es. limonite, ematite  e magnetite sono tutto ossidi ed idrati del ferro) prevedeva il riscaldamento in fornaci ad altissima temperatura: il monossido di carbonio che si sviluppava dalla combustione in carenza di ossigeno riduceva il ferro da catione bi- o trivalente allo stato elementare.

La preparazione dei metalli allo stato elementare costituì probabilmente il primo approccio dell’uomo alla chimica intesa come trasformazione tecnologica intenzionale, così come la produzione della birra rappresenta secondo gli storici il primo esempio di biotrasformazione controllata dall’uomo.   La metallurgia, ed in particolare le trasformazioni associate alla lavorazione dei minerali fino all’ottenimento dei metalli puri creò le basi immaginifiche di un universo simbolico ricchissimo di interrelazioni e di un’intredisciplinarità a malapena scalfibile con la percezione dei giorni nostri, dove scienza, religione e magia si fondevano in un corpus di relazioni che se oggi possono apparire come semplici allegorie e similitudini, hanno costituito fino al nostro Rinascimento il quadro descrittivo ed interpretativo dell’intero universo fisico e metafisico.
Ad ogni elemento o presunto tale era spesso associata una divinità, un astro celeste, un simbolo pittografico, una o più proprietà tangibili, una viscera del corpo umano.

Dall’antichità fino al pieno periodo tardo-alchimistico non furono isolati e quindi scoperti nuovi elementi.  Solo nel 1669 la preparazione del fosforo elementare da parte del tedesco Henning Brand segna l’inizio di una nuova epoca di scoperte, con isolamenti e caratterizzazioni di nuovi elementi chimici che si faranno sempre più fitte, anche se per lo più concepite in modo isolato dai singoli alchimisti e protochimici, senza una visiona globale e veramente sistematica che consentisse loro di organizzare adeguatamente la mole di informazioni che andavano via via acquisendo.

Antoine Laurent Lavoisier (Parigi, 1743-1794)

Antoine Laurent Lavoisier (Parigi, 1743-1794)

Sono in molti a concordare nell’identificazione di Antoine Laurent Lavoisier (Parigi, 1743-1794) come il primo vero chimico della storia, colui che si prodigò per l’applicazione alle conoscenze chimiche acquisite un’organizzazione razionale di stampo illumistico, un linguaggio più rigoroso anche se meno suggestivo per descrivere le entità trattate (compresi gli stessi elementi chimici) ed un approccio allo studio della chimica basato in modo imprescindibile sull’osservazione sperimentale.   Il contributo fondamentale fornito da Lavoisier nell’ambito della conoscenza degli elementi chimici, mi si permetta di esasperare eventualmente un po’ il concetto, fu proprio quello di evidenziarne la loro elementarità e la loro natura chimica, ed è per questo che in un certo senso possiamo identificare proprio il Lavoisier il padre del concetto di elemento chimico.
Nella Tavola delle Sostanze Semplici contenuta nel Traitè Élémentaire de Chimie (1789) egli presentò trentatré elementi chimici isolati allo stato puro mediante operazioni di laboratorio di di tipo analitico, divisi in quattro classi:

1)   “Sostanze semplici appartenenti ai tre regni e che è possibile considerare come elementi”:   luce, calorico, ossigeno, azoto;

2)   “Sostanze semplici non metalliche ossidabili e acidificabili”:   zolfo, fosforo, carbonio, radicale muriatico, radicale fluorico, radicale boracico;

3)   “Sostanze semplici metalliche ossidabili e acidificabili”:  antimonio, arsenico, argento, bismuto, cobalto, rame, stagno, ferro, manganese, mercurio, molibdeno, nichel, oro, platino, piombo, tungsteno, zinco;

4)   “Sostanze semplici, salificabili, terrose”:  calce, magnesia, barite, allumina, silice.

Da notare come ancora una volta siano proprio i metalli di transizione, quelli dalla storia antica e gloriosa insieme a quelli scoperti da poco (come il manganese, il cobalto, il molibdeno, ecc), gli elementi maggiormente rappresentati, quelli più facili da isolare allo stato elementare e che si sono conservati in quantoelementi fino ai giorni nostri, trovando successivamente riscontro in un determinato atomo, l’atomo di quello specifico elemento.   Tutti questi elementi chimici sono stati classificati da Lavoisier al punto 3), sotto la voce “Sostanze semplici metalliche ossidabili e acidificabili”.  Le altre tre classi, chi più chi meno, risultano ancora in buona parte comprendere sostanze che elementari ancora non erano, come ad esempio nella classe 4) dove le cinque “terre” descritte corrispondono ai rispettivi ossidi degli elementi implicitamente descritti dallo stesso nome comune dato all’ossido: calcio, magnesio, bario, alluminio e silicio.
L’isolamento di questi metalli, fortemente elettropositivi e quindi particolarmente stabilizzati nella loro forma cationica (in ossidi o sali) richiese la messa a punto di metodi basati sull’elettrolisi dei loro derivati allo stato fuso, cosa che si rese possibile solo in seguito alla scoperta ed al perfezionamento dell’uso dell’energia elettrica.   Lo stesso dicasi per i cosiddetti “radicali” del punto 2) che corrispondevano di fatto ad anioni (muriatico era l’antica denominazione per cloridrico) il cui isolamento almeno per quanto riguardò il cloro ed il fluoro rischiese anche in questo caso l’avvento delle celle elettrochimiche.

fluoro elementare, gassoso, isolato in un un tubo trasparente

fluoro elementare, gassoso, isolato in un un tubo trasparente

Per far comprendere le difficoltà tecniche con le quali dovettero operare molti scienziati, basti citare la ragione per la quale il fluoro fu isolato solo nel 1886: esso aveva la forma di un gas talmente reattivo da attaccare immediatamente (ricombinandosi con essi e quindi cessando di nuovo di essere elementare) i materiali di cui erano costituite le apparecchiature utilizzate per la sua preparazione.  Come venne allora preparato questo elemento talmente pernicioso da avere causato ben più di un incidente nella storia dei suoi infruttuosi tentativi di isolamento?

Fu il chimico francese Henry Moissan a realizzare nel 1886 la preparazione del fluoro, tramite l’elettrolisi di acido fluoridrico anidro contenente tracce di potassio fluoruro in una cella costruita in platino e dotata di elettrodi di platino-iridio.
Lavoisier era consapevole, e lo scrisse, che diverse delle sostanze inserite nella sua Tavola non rappresentavano probabilmente “ancora” elementi, bensì semplicemente il massimo livello di isolamento di elementi ancora nascosti raggiungibile con i mezzi del proprio tempo, e che sarebbero stati quasi certamente altri chimici dopo di lui ad isolare da queste sostanze proto-elementari i nuovi elementi chimici che esse contenevano.

Ma a parte l’approccio illumistico che caratterizzò l’opera di Lavoisier, quali furono le ripercussioni delle nuove scoperte e del nuovo modo di vedere la chimica sulla comunità scientifica in senso lato?   Quando ai pochi elementi conosciuti nell’antichità si aggiunsero, prima con le scoperte degli alchimisti, poi con quelle dei chimici moderni, molte altre entità che non risultavano in alcun modo ulteriormente scomponibili in entità di materia più elementari, vi fu un certo sconcerto ed anche una certa perplessità nel mondo scientifico.   Molti chimici ritenevano impossibile che Dio si fosse servito di cinquanta differenti tipi di blocchi per la sua costruzione del mondo.  Ancora nel 1864 Lothar Meyer diceva: “L’esistenza di sessanta e più forme di materia primordiale interamente differenti è improbabile; la conoscenza di certe proprietà degli atomi, specialmente le relazioni esibite dai pesi atomici di elementi differenti, renderebbe tutto ciò altamente improbabile”.

Julius Lothar Meyer (Germania, 1830-1895)

Julius Lothar Meyer (Germania, 1830-1895)

Da notare, a mio avviso molto più di un aneddoto, che Meyer (Germania, 1830-1895) fu contemporaneo di Mendeleev non solo anagraficamente ma anche nel lavoro, compiuto indipendentemente dai due chimici, di concepimento e di stesura della prima Tavola Periodica degli elementi chimici e fu solo per un caso della sorte se non fu Meyer a presentarle per primo.
A leggere le parole di Meyer riportate appena sopra, tuttavia, si intuisce già una perplessità dello scienziato circa il “valore” degli elementi chimici via via scoperti e da egli anche sistematizzati: il dubbio appena insinuato era relativo alla capacità di questi elementi di fornire una risposta finalmente definitiva all’eterno quesito circa la forma primordiale della materia.   La ricorrenza periodica delle proprietà chimiche e fisiche degli elementi, che si scoprirà inseguito derivare da alcune importanti ricorrenze nella loro configurazione elettronica e che per il momento valeva come puro dato empirico, valido per l’organizzazione degli stessi elementi in una tavola organizzata in righe e colonne, aveva già fatto in qualche modo intuire a Meyer che gli elementi, “quel genere di elementi” la cui scoperta stava diventando via via più frequente in quegli anni, non erano una risposta soddisfacente all’interrogativo relativo alla composizione della materia primordiale.
Meyer sosteneva inoltre che non vi fosse in realtà contraddizione fra due delle principali ipotesi atomiste dell’epoca, apparentemente contrapposte l’una all’altra: quella daltoniana (già enunciata in precedenza) e quella relativa all’esistenza del cosiddetto protilo, nome dato a quella che taluni immaginavano essere come l’unica sostanza effettivamente elementare.
Bastava ritenere la materia strutturata gerarchicamente secondo ordini crescenti di complessità e composizione. Le molecole dovevano essere considerate sostanze composte del primo ordine, cioè composte da atomi più piccoli (o particelle del secondo ordine); questi, a loro volta, erano composti di particelle di materia di un terzo ordine, e ancora più semplici e più piccole.   Possiamo ora vedere nell’idea di protilo qualcosa di molto simile al protone, che costituisce il modulo incrementale di massa definita e costante fra i diversi elementi chimici disposti in ordine di peso (atomico) crescente.   In realtà, considerazioni sugli isotopi a parte, il fattore incrementale di massa fra due elementi massimamente simili sarebbe dato all’incirca dalla somma di un protone e di un neutrone, ma questo poco importa ai fini di questa sorprendente intuizione, che precorre di fatto la conoscenza stessa della natura e della “morfologia” dell’atomo.
L’idea di un ordine crescente di complessità ed organizzazione, una sorta di matriuska della materia, all’interno del quale l’atomo rappresenta solo “uno” dei diversi livelli organizzativi, ci riporta ancora una volta alla concezione olistica della realtà e ad un ulteriore distacco non soltanto della concezione filosofica rispetto a quella fisica di atomo, ma anche ad un distacco fra il concetto di elemento e quello di atomo, filosofico o fisico che sia.
Il confine di demarcazione fra la natura materiale ed immateriale delle entità osservabili stava diventando sempre più incerto e lontano dall’intuitività, e con esso la definizione di materia.

radiazione elettromagnetica, nell'interpretazione ondulatoria della luce

Il dibattito sulla natura corpuscolare o ondulatoria della luce nasce già nel XVII secolo in seguito alla contrapposizione fra le teorie di Chistian Huygens ed Isaac Newton sulla natura della luce e si trasforma gradualmente, nei secoli successivi ed in particolare nei primi decenni del XX secolo in un dibattito sulla natura della materia medesima, fino a giungere alla sintesi della visione dualistica onda-particella non solo per descrivere la natura della luce tramite i suoi fotoni, ma per descrivere tutta una serie di evidenze sperimentali relative a comportamenti della materia che fino all’avvento della teoria quantistica risultavano fra loro palesemente contraddittori, al punto di definire nel loro insieme gli estremi di un paradosso.

Oggi, dopo aver spinto la ricerca dell’essenza primordiale della materia a livello subatomico, si tende a voler superare il concetto tradizionale di materia, sostituendolo con concetti più specifici come quelli di massa e di energia associati alle particelle.   Leggo con sorpresa, non essendo un fisico (qui siamo inequivocabilmente nel campo della fisica, giammai della chimica), alcune interessanti considerazioni su Wikipedia relative a questo argomento:

“Tutto ciò che occupa spazio e ha massa è conosciuto come materia. In fisica, non c’è un largo consenso per una comune definizione di materia, in parte perché la nozione di “occupare spazio” è mal definita e inconsistente nel quadro della meccanica quantistica. I fisici non definiscono con precisione cosa si deve intendere per materia, preferendo invece utilizzare e rivolgersi a concetti più specifici di massa, energia e particelle.”
La lettura completa di questa trattazione sintetica, che immediatamente si impenna sulle tematiche della fisica delle particelle, ci restituisce una visione quanto mai evanescente, ammesso che dopo tutto questo ne rimanga ancora una, dell’essenza della materia (vedi articolo completo).

In verità la concezione strettamente materica delle basi composizionali del mondo fisico è tutto sommato molto recente.   Un po’ in tutte le tradizioni, a fianco di elementi chiaramente matrici, come la terra e l’acqua (anche l’aria, seppur ai tempi non fosse ritenuta materia), e lo stesso zolfo, mercurio e sale, troviamo ricorrentemente “elementi” di pura energia, come il fuoco, la luce e il calore.

Anche lo stesso Lavoisier nella “Tavola della sostanze semplici” del suo Treité èlémentaire de Chimie (1789), fornisce al punto 1) sotto la denominazione di “Sostanze semplici appartenenti ai tre regni e che è possibile considerare come elementi”:   luce, calorico, ossigeno ed azoto.

i 5 elementi secondo il taoismo

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Nelle tradizioni orientali rientrano inoltre alcuni elementi sostanzialmente diversi, nel più dei casi “aggiuntivi” rispetto a quelli sui quali la cultura occidentale ha basato la sua descrizione del mondo fisico: il metallo nella filosofia cinese, il vuoto di quella giapponese, l’etere del pensiero induista.  La filosofia buddista antica sostituisce invece del tutto la materialità degli elementi utilizzando al loro posto caratteristiche o proprietà legate alle sensazioni: coesione (come proprietà dell’acqua), solidità ed inerzia (come proprietà della terra), espansione e vibrazione (come proprietà dell’aria), calore come proprietà del fuoco.
La stessa tradizione occidentale non è comunque immune dalla tentazione di introdurre nella quaterna dei 4 elementi aristotelici un quinto elemento, l’etere o appunto “quintessenza”, più specifico del mondo celeste con il quale condivideva le caratteristiche di immutabilità, eternità, trasparenza ed assenza di peso.   Gli alchimisti rinascimentali identificarono lo stesso etere o quintessenza come la forza vitale dei corpi (nonché il costituente principale della pietra filosofale), e questa prospettiva sopravvisse ancora per secoli, portando con sé come conseguenza la corrente di pensiero vitalistica, fino alla confutazione che fu fatta di questa che si fa formalmente coincidere con la celeberrima sintesi dell’urea del 1828, con la quale il chimico Friedrich Wöler dimostrò definitivamente che le stesse sostanze che erano prodotte dagli esseri viventi potevano essere sintetizzate anche artificialmente in laboratorio a partire da materia non vivente.

Se c’è una cosa che emerge chiaramente da tutta questa trattazione è che, materiale o immateriale, allegorico o spirituale che sia, il concetto di elemento è inscindibilmente connesso con la realtà esperibile e macroscopica nella quale siamo immersi ed è in essa che va ricercato, senza cedere alla tentazione di aprire tutte le matruske fino ad arrivare ad una descrizione della realtà che per quanto possa essere più intima non è relativa al mondo che vogliamo descrivere.   Nel tentativo spesso culturalmente utopistico di pervenire ad una descrizione più profonda e definitiva, per intenderci inseguendo la divulgazione delle ultime scoperte relative alla fisica delle particelle, la maggior parte di noi rischia di tralasciare la comprensione reale del mondo tangibile che lo circonda, ad iniziare dalla propria identità in quanto corpo chimico, ed alle differenze che lo distinguono da un sasso.
Al contrario, oggigiorno la chimica è potenzialmente in grado di fornire di per sé stessa, con l’aiuto della fisica anche tradizionale, praticamente tutte le risposte agli interrogativi che hanno tormentato l’uomo fin dall’inizio della sua storia relativamente alla composizione ed alle trasformazioni della materia, nonché a tutti gli aspetti poco meno che spirituali che contraddistinguono le manifestazioni della vita.

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