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John Dalton, padre della teoria atomica moderna

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di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

In chimica i primi anni dell’800 furono dominati dalla teoria atomica proposta da Dalton che spiegò in modo semplice ed efficace le leggi fondamentali delle combinazioni chimiche.
John nacque nel 1766 da un povero tessitore quacchero. Appena dodicenne, già impartiva lezioni di fisica e matematica nel piccolo paese natale di Eaglesfield. Si narra che avesse stupito i contadini dimostrando loro che 60 metri quadri erano diversi da 60 metri al quadrato…
Presto si appassionò alle osservazioni meteorologiche, interesse che coltivò per tutta la vita.
Nel 1793 fu chiamato ad insegnare matematica e filosofia naturale al New College di Manchester, la non-conformist accademy dove aveva insegnato Priestley. Tuttavia, per poter disporre di più tempo per le sue ricerche diede le dimissioni per continuare con le lezioni private.

una sala della Manchester Literary and Phylosophical Society

una sala della Manchester Literary and Phylosophical Society

Nel 1800 fu nominato segretario della Manchester Literary and Phylosophical Society dove operò fino alla fine.
Da bravo quacchero condusse una vita molto misurata. Unica sua distrazione fu il gioco delle bocce: è verosimile che la familiarità che aveva con le bocce lo condusse a pensare agli elementi chimici in termini di particelle sferiche che rotolano, si urtano, si raggruppano…
Come conseguenza delle sue osservazioni meteo arrivò a riflettere sulla composizione dell’aria: ossigeno, azoto, anidride carbonica e acqua erano uniti chimicamente o semplicemente mescolati? Le opinioni erano discordanti: Berthollet riteneva che si trattasse di un unico composto instabile; altri la consideravano una miscela fisica. Risultò una miscela di gas dalla composizione costante: nel 1804 Gay-Lussac era salito in mongolfiera fino a settemila metri d’altezza e aveva determinato che l’aria prelevata a quell’altezza era praticamente identica a quella raccolta per le strade di Parigi! Come mai i diversi elementi non si stratificano nell’atmosfera a seconda del loro peso? Forse che le correnti e i venti rimescolano l’aria uniformando la sua composizione?
Mentre tentava di interpretare il fenomeno della diffusione gassosa nella sua mente prese corpo l’ipotesi atomica…  Da bravo insegnante sapeva quanto importante fosse la rappresentazione grafica, disegnò allora gli atomi come sferette diverse a seconda degli elementi: un cerchio vuoto per l’ossigeno, pieno per il carbonio, sbarrato per l’azoto,…
Per Dalton, gli atomi erano particelle concrete di materia anche se tanto piccole da non poter essere viste neanche con il più potente microscopio: oggi, con lo Scanning Tunneling Microscope (STM), atomi individuali possono essere agevolmente visualizzati e manipolati.

mercurio (a destra) e mercurio (II) ossido (a sinistra)

mercurio (a destra) e mercurio (II) ossido (a sinistra)

Per in nostro, gli atomi sono entità ben definite che si conservano nelle reazioni chimiche e queste possono essere spiegate attraverso l’unione di due o più atomi. In questo modo, nella calcinazione del mercurio un atomo di ossigeno si unisce con uno di mercurio per dare l’ossido di mercurio (HgO). Utilizzava apposite sferette per illustrare le reazioni, in modo analogo noi utilizziamo i modelli molecolari sullo schermo di un computer…
Gli atomi sono tutti uguali? Il nostro congetturò che gli atomi di uno stesso elemento sono eguali; quelli di elementi diversi, differiscono in peso: il peso degli atomi di uno stesso elemento è una costante.
Intanto, nacque un’accesa controversia sulla composizione dei composti. Berthollet sosteneva che i composti chimici avessero una composizione ‘quasi costante’.  Ad esempio, la composizione dell’acqua oscillerebbe intorno all’11% in peso di idrogeno e 89% di ossigeno, variando da campione a campione.
Joseph Proust, dimostrò nel 1794 che le variazioni osservate cadevano nell’errore sperimentale ed enunciò la legge della ‘composizione definita e costante dei composti’.  Questo principio riconobbe un ordine meraviglioso nella natura della materia e divenne un principio fondante della chimica moderna.
Il modello di atomo di Dalton spiegava splendidamente quella legge, infatti un peso atomico costante e definito è requisito necessario per la composizione costante e definita dei composti.

forze in gioco della deflessione elettromagnetica della traiettoria degli ioni nella spettrometria di massa

forze in gioco della deflessione elettromagnetica della traiettoria degli ioni nella spettrometria di massa

Il peso atomico fu una fruttuosa congettura: egli non poteva sperimentalmente determinare il ‘peso assoluto’ di un atomo: oggi, è possibile farlo mediante la ‘spettrometria di massa’. Allora, convinto della necessità del concetto di peso atomico, si accontentò dei ‘pesi relativi’ degli elementi! Partì dal peso atomico della sostanza più leggera, l’idrogeno, e lo assunse come unità. Quindi, i pesi atomici degli altri elementi furono riferiti all’idrogeno: oggi, la massa atomica unitaria è definita come 1/12 di quella del 12C.
Siccome era noto che l’idrogeno si combina all’ossigeno per dare acqua in un rapporto 1:7 e poiché si riteneva che l’acqua fosse costituita da un atomo d’idrogeno e uno d’ossigeno (HO), all’ossigeno assegnò peso atomico 7. Procedendo in questo modo arrivò alla tavola delle ‘particelle ultime’ coi loro pesi relativi.

tavola dei 37 elementi presentata nel 1808 da J. Dalton

tavola dei 37 elementi presentata nel 1808 da J. Dalton

Nel 1808 pubblicò A New System of Chemical Philosophy in cui è presentata la tavola dei 37 elementi fondamentali coi loro pesi relativi, raggruppati in semplici, binari, ternari, …, settenari: non viene fatta distinzione tra atomi e molecole, elementi chimici e composti… Per quanto inesatta, la tavola rappresenta un monumento di geniale intuizione, sviluppo dei 55 ‘elementi non-decomponibili’ di Lavoisier e punto di partenza per la ‘tavola periodica degli elementi’ di Mendeleev.

Quindi, Dalton si accorse che il carbonio si unisce all’ossigeno per formare ossido di carbonio (CO) in un rapporto in peso 3:4.  Nell’anidride carbonica il rapporto era di 3:8.  Perché non si osservavano ossidi con un rapporto 3:6, 3:7,…? La risposta fu: perché 8 è multiplo di 4!
Analogamente, per gli ossidi di azoto, osservò che una data quantità d’azoto si univa con una, due, quattro parti di ossigeno secondo rapporti azoto:ossigeno= 1:1, 1:2 e 1:4 (N2O, NO, NO2), anche questi erano dei multipli. Inoltre, determinò che il metano contiene esattamente il doppio di idrogeno (rispetto al carbonio) dell’etilene.
Nel 1805 formulò la ‘legge delle proporzioni multiple’, enunciata in modo rigoroso da Berzelius: ‘In una serie di composti contenenti gli stessi elementi, esiste sempre una proporzione semplice tra i pesi dell’uno e quello fisso dell’altro’.  Aggiungendo: ‘la legge delle proporzioni multiple è un mistero se non si ammette l’ipotesi atomica di Dalton’.
In altre parole, riconsiderando gli ossidi d’azoto NOx, fissato il peso (ovvero le moli) di N, O reagirà secondo quantità multiple tra loro.  Questo è spiegato in modo rigoroso dall’ipotesi atomica in cui nella formazione degli ossidi, 1 atomo d’azoto si unisce ad 1, 2,…x atomi di ossigeno.
In patria ebbe un tardo riconoscimento (nemo propheta in patria…): a più di sessant’anni era ancora obbligato a dare lezioni di scienze! Finalmente il governo, riconoscendo i suoi meriti, gli concesse una pensione.

monumento a John Dalton

monumento a John Dalton

Dumas, il grande chimico francese dell’800, ebbe a dire: ’Le teorie sono le stampelle della scienza, si buttano via quando non servono più! Senza la teoria atomica di Dalton, la chimica si sarebbe ridotta ad una massa di osservazioni disordinate e ricette buone per fare esperimenti e preparare metalli’.

Colto da paralisi continuò instancabilmente le sue osservazioni meteo.  Nel suo quaderno di laboratorio, in data 26 luglio 1837 leggiamo: ‘pioggerella’ con caratteri malfermi e con una grossa macchia d’inchiostro…Il giorno dopo John Dalton era morto.

 

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