molecola

La struttura molecolare. Storia, prospettive e problemi

Articolo 8/15.
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 VillaniIn questo lavoro ci occuperemo della struttura molecolare, mostrando come una molecola (ente strutturato=sistema) è diversa dalla somma dei suoi costituenti.  Per prima cosa andiamo a chiarire che cosa si debba intendere per “struttura” in questo contesto.   Si dice che un sistema è dotato di struttura quando l’insieme delle parti costituenti presenta due caratteristiche: tali parti sono in certe relazioni stabilite, e per un tempo sufficientemente lungo rispetto ai fenomeni che si stanno considerando, e tali relazioni modificano i componenti, rendendo specifica e unica questa aggregazione.

addotto supramolecolareDal punto di vista storico, nell’atomismo greco la nascita e la morte sia degli oggetti inanimati sia di quelli animati era da essi attribuita al formarsi e al dissolversi degli aggregati di atomi.   Tali aggregati, tuttavia, erano estemporanei e non portavano mai a un “cambiamento” delle parti costituenti tali da formare un ente nuovo, un ente con una sua “struttura”.  Queste aggregazioni erano, infatti, meccaniche, dovute al trovarsi per un certo tempo e nella stessa regione di spazio di alcuni atomi che, per le caratteristiche intrinseche di tali atomi, mai potevano portare ad una reale loro modifica.  

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Verso la nascita della chimica moderna: dalla teoria atomica di Dalton al sistema periodico degli elementi

di Sergio Barocci

Gli atomi già concepiti dai filosofi greci (Leucippo, Democrito, vissuti nel IV sec. a.C) con considerazioni derivate da semplici intuizioni filosofiche e non da una corretta analisi sperimentale dei fenomeni , ripresi in epoca romana da Lucrezio nel De Rerum Natura , utilizzati poi con successo dai fisici meccanicistici rinascimentali (Galilei , Cartesio, Newton, Boyle), diventano, per merito di Dalton, le unità fondamentali che permettono di interpretare la composizione delle sostanze e le loro trasformazioni.
 

J. Dalton e la formulazione della prima teoria atomica

il libro di Dalton  intitolato "A new system of chemical philosophy"Le leggi di Lavoisier e di Proust rappresentarono la base sperimentale che permise a J. Dalton la riproposizione dell’ipotesi atomica come spiegazione dei fenomeni chimici.  Egli enunciò i punti fondamentali della sua ipotesi nel 1803 in una memoriale lettera alla Società letteraria e filosofica di Manchester.  Nel 1808 ripropose le sue idee in maniera più organica con il suo libro intitolato “A new system of chemical philosophy” (Fig.1).

La legge delle proporzioni multiple nota anche con il suo nome , fu resa pubblica dallo stesso Dalton nel 1804 e rappresentò una brillante verifica dell’ipotesi precedentemente formulata acquistando una superiore dignità di teoria.  L’enunciato delle legge delle proporzioni multiple completò così la rassegna delle leggi fondamentali ponderali cioè di quelle leggi che riguardavano il peso, oppure la massa delle sostanze interessate alle reazioni.

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la Sintesi: il lato creativo della chimica

Una delle meraviglie più inaspettate che la chimica riserva a coloro che per la prima volta si addentrano anche solo poco oltre la sua anticamera descrittiva, è la possibilità di trasformare la materia a proprio piacimento.
Da sempre l’uomo ha osservato i cambiamenti esteriori della materia (e più nello specifico delle sostanze dalle quali essa è composta) basandosi sui mutamenti del suo aspetto esteriore e delle sue proprietà percepibili; solo negli ultimi secoli tuttavia è stato possibile individuare e descrivere in modo coerente e via via sempre più esaustivo l’insieme delle leggi chimiche e fisiche che stanno, direttamente o indirettamente, alla base di queste trasformazioni.
Trasformazioni coerenti e prevedibili quindi, basate in modo esclusivo sulle proprietà delle strutture molecolari delle sostanze coinvolte, la cui conoscenza offre al chimico la padronanza di orientare la“trasmutazione”dirigendola verso i prodotti da lui desiderati.
il laboratorio dell'Alchimista - dipinto di Jan Van der Straet (detto Giovanni Stradano), 1523-1605Sembra il coronamento del sogno degli antichi alchimisti, se non fosse che diversamente da quanto previsto dall’opus alchelicum gli elementi rimangono tal quali (ad esempio l’oro non può essere ricavato che da altre specie chimiche che contengano a loro volta oro) ed i mutamenti riguardano “soltanto” il modo di essere organizzati fra loro di questi elementi, ovvero di essere legati reciprocamente a formare strutture più complesse, alle quali noi oggi diamo il nome di molecole.
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quando la materia si organizza in modo più complesso: l’evoluzione del concetto di sostanza

INTRODUZIONE

frattale, come paradigma di livelli crescenti di complessità organizzativa

frattale, come paradigma di livelli crescenti di complessità organizzativa

E’ sul limitare superiore dell’ambito di competenza della chimica, quello per intenderci che segna il confine labile ed incerto con quelle scienze maggiormente speculative, basate sulla costituzione e l’organizzazione chimica di microstrutture organizzata, la biologia molecolare, la geologia e la scienza dei materiali in primo luogo, che il concetto di “sostanza”, così almeno come lo intendono gli stessi chimici, tende via via a sfumare, lasciando il campo ad ambiguità ed interpretazioni sempre più specifiche e di settore. O forse, più semplicemente, scrutando sul confine superiore della nostra disciplina, laddove gli oggetti della sua trattazione arrivano a raggiungere livelli di complessità organizzativa superiore, riesce più chiaro intendere ed intravedere la relatività della definizione stessa di sostanza, anche qualora volessimo ulteriormente spingerci a definirla “chimica”.

Gli esempi che potrebbero essere chiamati in causa sono davvero moltissimi, appartenenti a un po’ tutti gli ambiti scientifici e tecnologici, accomunati dal fatto di trattare entità costituite da materia organizzata in modo complesso, pur conservando per esse un sufficiente livello di definizione e di coerenza chimica. Non è soltanto una questione di dimensioni molecolari: un omopolimero plastico può risultare estremamente semplice nella sua costituzione e non dare adito a particolari ambiguità strutturali o di definizione, per quanto il suo peso molecolare possa superare di ordini di grandezza quello di altri casi “critici” che andremo in seguito ad esaminare, caratterizzati solitamente da una maggiore complessità di tipo strutturale.

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la chimica organica secondo i gruppi funzionali (2° parte)

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Nell’intervento precedente (1° parte) abbiamo imparato a riconoscere l’esistenza, nelle molecole organiche, di determinati raggruppamenti caratteristici di atomi detti gruppi funzionali, mostrando chiaramente come il ricorso a questo concetto possa aiutare il chimico non soltanto a studiare e a trascrivere in modo semplificato la struttura di una molecola o il decorso di una reazione chimica, ma persino a formulare ipotesi per lo meno “verosimili” circa alcune proprietà chimico-fisiche e reattive per le stesse molecole esaminate, specie in un contesto di comparazione fra due o più specie chimiche fra loro differenti.

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LE “FACCE CONOSCIUTE” DEL CHIMICO

detective chimicareTalvolta, tanto nella vita professionale quanto in quella domestica, mi capita di consultare degli elenchi di componenti che costituiscono un prodotto complesso, diciamo una miscela: può trattarsi degli ingredienti in un prodotto cosmetico come della formulazione di una bevanda, di una compressa farmaceutica come di un prodotto per la pulizia della casa.   E’ tutt’altro che raro (giusto per usare un eufemismo) il caso in cui vi siano in queste miscele dei componenti specifici, ovvero delle precise specie chimiche che non ho mai avuto modo di conoscere nello specifico, né per esperienza diretta né per aver letto di esse nella letteratura scientifica ufficiale: quello che in taluni gerghi si direbbe “mai viste né conosciute”.  

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

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.

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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.

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la chimica nella fisica: considerazioni sparse sul rapporto fra due scienze pure

La chimica si manifesta attraverso la fisica.

Ogni realtà, statica (es. una composizione) o dinamica (es. una reazione) della chimica, arriva a far parte della nostra conoscenza attraverso manifestazioni che appartengono all’ambito della fisica.

Il tutto non si riduce, se di riduzione si può mai parlare, alla nota prospettiva filosofica secondo la quale il mondo che noi conosciamo è quello che ci viene trasmesso dai nostri sensi e che senza di essi non potremmo avere coscienza della natura intrinseca delle cose.
Nel caso della chimica il discorso si trasla anche su di un piano più strettamente tecnico, che taglia per un momento fuori l’aspetto della percezione umana, rimandandolo in qualche modo ad un “dopo”, incentrandosi invece sulle caratteristiche intrinseche delle realtà chimiche considerate.

reazione colorimetrica Ho provato ad esempio a passare in rassegna un po’ tutte le tecniche di analisi chimica che mi venivano in mente, dalle più tradizionali a quelle d’avanguardia.
Sono passato dall’analisi gravimetrica alla titolazione colorimetrica, dall’analisi spettrofotometrica alla separazione cromatografica seguita un qualsiasi rivelatore, dalla risonanza magnetica alla pHmetria, dalla spettrometria di massa alle tecniche elettrochimiche…
L’aspetto che accomuna tutte le tecniche, moderne ed antiche, qualitative o quantitative, è il fatto che cosa andiamo a leggere in ogni caso è una manifestazione fisica della sostanza, o della miscela di sostanze.

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il concetto di identità chimica

Uno degli assiomi fondamentali della chimica è che due molecole identiche fra loro nella loro forma, siano di fatto identiche in tutte le loro proprietà.
In tutte.   Questa affermazione, che non sorprenderà di sicuro la maggior parte di noi, porta in realtà con sé delle implicazioni veramente notevoli, che quando saranno affrontate nei dettagli genereranno probabilmente una sorta di rifiuto da parte di quei lettori con una visione filosofica dell’esistenza un po’ meno smaliziata.
(per una trattazione specifica dell’argomento vedasi post sulle relazioni struttura-proprietà delle molecole)

Per inciso, rileggendo la prima affermazione di questo post, per altro di mio pugno (non l’ho mai trovata scritta in modo esplicito e diretto da nessuna parte!), sono rimasto io stesso sbalordito per quanto la nostra scienza chimica sia legata alla forma delle cose.    Si potrebbe quasi dire provocatoriamente, seppur a livello microscopico, che la chimica è la scienza della forma delle molecole.  Tutte le altre proprietà derivano da essa.

molecole_urea Detto meglio: due molecole che hanno una struttura uguale fra loro in tutti i particolari, compresi quelli ispezionabili solo con una proiezione tridimensionale, ovvero due molecole che siano costituite dagli stessi tipi di atomi ed eventualmente isotopi, nello stesso numero, legati nello stesso modo, e che infine non siano la rappresentazione speculare l’una dell’altra, sono di fatto due molecole identiche, appartenenti alla stessa specie chimica, a quella che si potrebbe definire la stessa “sostanza”.

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