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Robert Boyle: il chimico scettico

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di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

"The Sceptical Chymist" (1661): l’opera fondamentale di Robert Boyle

“The Sceptical Chymist” (1661): l’opera fondamentale di Robert Boyle

The Sceptical Chymist (1661) è l’opera fondamentale di Robert Boyle (1627-1691), e forse il primo libro di chimica in senso moderno. Il natural phylosopher irlandese contribuì ad elevare la chimica da arte pratica a scienza, accettando i risultati sperimentali del tempo ma, rifiutando le teorie metafisiche sovrapposte. Boyle come successivamente Joseph Prietsley (1733-1804) di cui ci siamo già occupati, erano innanzitutto filosofi: loro elaborarono una visione unitaria della Realtà in cui la chimica e in particolare la sperimentazione avevano un posto importante.

Oggi Boyle è noto soprattutto per l’omonima legge sui gas: in un sistema chiuso e a temperatura costante, la pressione e il volume sono inversamente proporzionali. In termini della legge dei gas ideali, scriviamo P= nRT/V. Tuttavia, Boyle fu molto di più…

Nel ‘600 la struttura della materia era oggetto di profonde controversie. Prevaleva una visione d’ispirazione aristotelica che considerava la ‘materia formata’ che osserviamo intorno a noi, composta da quattro ‘elementi primitivi’: terra, aria, fuoco e acqua. Questi elementi erano ritenuti alla base dei ‘corpi misti’ risolvibili, in linea di principio, nei primi. Gli elementi fondamentali erano portatori di qualità (ovvero delle proprietà che hanno i corpi di originare sensazioni, di modificare gli altri corpi e di essere a loro volta modificati) che trasmettono ai composti: umido, secco, freddo e caldo. Un corpo risultava pesante o leggero in base alla proporzione di terra e aria che conteneva e così via…

i quattro elementi della tradizione aristotelica (sx terra acqua aria fuoco dx) in una rappresentazione di Stolcius_von_Stolcenberg (1624)

i quattro elementi della tradizione aristotelica (sx terra acqua aria fuoco dx) in una rappresentazione di Stolcius_von_Stolcenberg (1624)

Sottostante la materia formata, veniva postulata la ‘materia prima’ informe e continua: i quattro elementi ne erano costituiti e pertanto, in linea di principio, trasformabili l’uno nell’altro.
Tuttavia, la mole dei fatti sperimentali accumulata dai primi chimici resero obsoleta la teoria aristotelica dei quattro elementi: erano necessari elementi più attivi…più ‘chimici’!
Quindi, nel periodo rinascimentale, si diffuse la teoria dei ‘tre elementi primi’ inaugurata dal medico-chimico svizzero Paracelso (1493-1541) che fornì alla nascente chimica un nuovo strumento interpretativo. Le qualità di un corpo erano spiegate con la composizione degli elementi primi: sale, mercurio e zolfo. Il sale rendeva conto della solidità, solubilità, cristallinità,…; il mercurio, della malleabilità, fusibilità, non-infiammabilità,…; lo zolfo, dell’infiammabilità, dell’insolubilità, dell’untuosità,…

Boyle, contrappose alla teoria degli aristotelici quella dei chimici che definiva ‘teoria materialista’. I chimici sostenevano la loro teoria con argomenti sperimentali: dalla distillazione di materiali organici ed inorganici essi ottenevano sostanze che definivano sale, zolfo o mercurio sulla base rispettivamente della loro solidità, oleosità o volatilità.
Per i chimici l’esperimento, ovvero la manipolazione in laboratorio delle sostanze, diviene la chiave per decifrare la Natura; al contrario, per gli aristotelici logica e semplice osservazione erano condizioni necessarie e sufficienti.

Disegno di Robert Hooke del XVII sec. raffigurante la pompa per aria utilizzata da Boyle per i suoi esperimenti

Disegno di Robert Hooke del XVII sec. raffigurante la pompa per aria utilizzata da Boyle per i suoi esperimenti

Gli aristotelici distinguevano i corpi in ‘naturali’ e ‘artificiali’: la chimica occupandosi di quest’ultimi era assimilata ad ‘arte pratica’, utile alla medicina e alla metallurgia ma, non alla filosofia. Boyle superò questa distinzione e promosse la nascente chimica a ramo importante della Natural Philosophy, sostenendo l’importanza degli esperimenti e rifiutando il ricorso a enti immateriali per spiegare le qualità.

Egli ritiene importanti le conoscenze sperimentali accumulate dai primi chimici ma, rifiuta la teoria sovrapposta. I primi quattro capitoli dello Sceptical Chymist sono dedicati alle quattro principali obiezioni mosse:

1.  ‘Esistono motivi sufficienti per chiedersi fino a che punto, e in che senso, si possa ragionevolmente considerare il fuoco lo strumento unico e universale per l’analisi dei corpi misti’.
Egli osserva, si ottengono risultati diversi a seconda dell’intensità del fuoco e della procedura; esistono sostanze che il fuoco non scompone in alcun principio primo, ad esempio l’oro; alcune sostanze indecomponibili col fuoco possono essere decomposte in altro modo; le sostanze decomposte dal fuoco sono ancora sostanze composte; esistono modi di scomposizione più potenti del fuoco, come certi solventi.

2.  ‘Non è così certo, come tanto i chimici che gli aristotelici sono soliti pensare, che una sostanza apparentemente omogenea, o distinta, che venga separata da un corpo con l’aiuto del fuoco, fosse preesistente in quel corpo come suo principio o elemento’.
Infatti, egli commenta, i principi chimici potrebbero essersi prodotti ex novo; l’azione del fuoco produce sostanze nuove, come il vetro dal piombo e dalla cenere, che non sono elementi. Oggi parliamo di reazioni chimiche.

3.  ‘Non sembra che il numero vero ed esatto delle sostanze distinte, o elementi, in cui i corpi sono scomposti dal fuoco sia proprio tre’.

4.  ‘Pur sembrando corpi omogenei, le sostanze distinte non hanno né la purezza né la semplicità che devono avere gli elementi’.
Infatti, i chimici chiamano sale, zolfo o mercurio sostanze tra loro profondamente diverse.

Pierre GassendiBoyle aderisce in modo originale alla teoria atomistica in quegli anni sviluppata dai francesi Gassendi (1592-1655) e Cartesio (1596-1650). Per Gassendi gli atomi sono indivisibili, compatti, in moto nel vuoto. Cartesio, immagina minuti vortici divisibili che riempiono lo spazio e le qualità vengono associate al moto dell’etere che riempie lo spazio lasciato vuoto dalla materia ordinaria.
Gassendi e Cartesio avevano raggiunto un compromesso tra scienza e religione, eliminando dal meccanicismo ogni aperto contrasto con la fede. In Boyle, il meccanicismo diviene la filosofia della natura più adatta alla religione. Man mano che la scienza progredisce mediante spiegazioni meccaniche dei fenomeni naturali, diventerebbe palese il mirabile ordine dell’universo frutto dell’opera intelligente del suo creatore.

Quindi, Boyle sviluppa la sua teoria corpuscolare su due livelli, nel primo leggiamo:

1)   ‘Concordo con la generalità dei filosofi quanto ad ammettere una materia universale e generale comune a tutti i corpi, con la quale intendo una sostanza estesa, divisibile e impenetrabile’.
‘Poiché la materia è una nella sua propria natura, le diversità osservate devono necessariamente provenire da altro’.

proiezione 3D di una varietà di Calabi-Yau, concetto fondamentale per la rapprestazione dello spazio-tempo multidimensionale proposto dalla teoria delle stringhe

proiezione 3D di una varietà di Calabi-Yau, concetto fondamentale per la rapprestazione dello spazio-tempo multidimensionale proposto dalla teoria delle stringhe

Questo qualcosa è il moto infatti, senza movimento non è possibile il cambiamento.
La materia viene ‘divisa in parti per effetto del moto; queste parti sono necessariamente dotate di dimensione, forma e movimento o quiete’.
E’ questo un punto importante che differenzia Boyle da Gassendi e Cartesio: i corpuscoli (e quindi le qualità della materia) sono originati dalle variazioni del moto della materia prima. In questa visione, abbiamo una materia unica, universale e continua, sede del movimento: il moto genera le particelle, non viceversa. Non abbiamo atomi preesistenti in moto o in quiete ma, materia prima in moto o in quiete da cui emergono gli atomi. Una visione del genere è per certi versi analoga all’odierna teoria delle stringhe, in cui le particelle fondamentali corrispondono a vibrazioni dello spazio-tempo.

‘In ogni distinta porzione di materia formata da un certo numero di corpuscoli sorgono due nuovi accidenti o possibilità: la posizione e l’ordine che insieme costituiscono il tessuto di un corpo’. L’ordine indica la disposizione dei corpuscoli riferiti l’uno all’altro; la posizione invece, indica la disposizione di un corpuscolo rispetto a un punto di riferimento esterno.
Le qualità ‘non sono entità reali, distinte o diverse dalla materia stessa con la sua determinata grandezza, figura ed altre qualificazioni meccaniche’. Le qualità sono associate al comportamento dinamico delle particelle in un quadro che ricorda ante litteram la moderna termodinamica statistica.

i diversi gradi di struttura della materia

i diversi gradi di struttura della materia

Nel secondo livello, Boyle analizza le caratteristiche dei corpuscoli stessi: in tre passaggi è ipotizzata la struttura della materia.
2)   Abbiamo i ‘minima’ che ‘sebbene siano divisibili, la natura non li divide quasi mai a causa della loro piccolezza e solidità’. Sono particelle estremamente stabili, le moderne particelle subatomiche.
I ‘minima’ si uniscono in ‘cluster’ (grappoli, le molecole moderne) che sono divisibili ma ‘che molto raramente accade che siano effettivamente dissolti o rotti’. Entità dotate di forte stabilità, gli atomi. Naturalmente, esse sfuggono ai nostri sensi.  I ‘cluster’ si uniscono per formare i corpuscoli di cui è costituita la materia, le molecole moderne.

Questa, in grandi linee, la visione Boyliana: in che senso la sua ipotesi fu un passo avanti rispetto alle visioni di aristotelici e chimici?  E’ lo stesso Boyle a chiarirlo elencando i requisiti alla base di una buona ipotesi:

  1. ‘che sia intelligibile’
  2. ‘che non contenga niente di impossibile o assurdo’
  3. ‘che sia coerente con se stessa’
  4. ‘che sia adatta e sufficiente a spiegare i fenomeni, in particolar modo i principali’
  5. ‘che non contraddica nessun altro fenomeno naturale noto ‘.
francobollo dedicato a Robert Boyle

francobollo dedicato a Robert Boyle

Intelligibilità, chiarezza e coerenza sono requisiti che le teorie aristotelica e dei primi chimici non possiedono: gli aristotelici spiegano le qualità con enti immateriali come le forme e i chimici: ‘Dirci, per esempio, che tutta la solidità deriva dal sale significa solo informarci in quale principio quella qualità risiede, non come si produce’.
Il vero problema è mostrare ‘come’ le qualità si producono, non ‘chi’ le possiede. In questo modo l’ipotesi meccanicistica che associa le qualità al moto permette di fare a meno di principi a priori oscuri e spiegare i fenomeni con due soli principi semplici, moto e materia: hardware e software!

Al di là della visione filosofica, il contributo duraturo di Boyle è stato nell’aver contribuito all’affermazione del meccanicismo e della chimica moderna mostrando la via dell’origine delle proprietà e la necessità di andare oltre i tre principi primi, alla ricerca degli elementi chimici.

 

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