molecole

La spiegazione chimica con le molecole

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.

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Perchè mangiamo? Le ragioni dell’alimentazione, dal punto di vista del chimico

COSA SIGNIFICA ALIMENTARSI

L’alimentazione è il modo con il quale le sostanze chimiche presenti in natura entrano a far parte della realtà biologica di un vivente, costituendo le basi imprescindibili per la sua crescita, il suo mantenimento energetico e la sua corretta funzionalità.
esempio di alimentazione in un organismo eterotrofoRestringendo il campo al seppur vastissimo ambito di noi organismi eterotrofi, le piante e gli animali che mangiamo diventano parte di noi in funzione delle sostanze chimiche che li compongono.   La composizione chimica di un essere vivente diventa per tanto la chiave che giustifica, pilota e traghetta in qualche modo la trasmutazione, per molte culture ritenuta una sorta di magia un po’ macabra ma sicuramente sacra, di un essere vivente in un altro.

La chimica, le sostanze chimiche semplici, quindi non le cellule o i tessuti che pure li contenevano in origine, rappresentano cosa un organismo eterotrofo va a cercare in un alimento, per quanto esso possa essere introdotto nel nostro apparato digerente in forma estremamente complessa.  Possiamo anche pensare di ingoiare un’aringa intera, completa di testa e di coda: se mai riusciremo a digerirla, quello che passerà effettivamente nel nostro corpo, ovvero nel flusso sanguigno, e da lì ai vari organi, saranno sostanze chimiche semplici, specie chimiche ben definite, riportabili ad una struttura molecolare perfettamente definita e di solito neanche particolarmente complessa.  

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la chimica imparata prima di chiamarla chimica: racconto autobiografico della chimica scolastica sotto i 15 anni

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Il mio primo ricordo in assoluto in fatto di chimica imparata a scuola risale agli anni delle elementari, ovvero di quella che viene oggi denominata scuola primaria.   Epoca di maestro unico, di tempo non sempre così pieno e di un rapporto di conoscenza profonda e di empatia tra insegnante ed alunni che non sono certo appartenga ancora alla scuola italiana contemporanea.
La chimica alle scuole elementari in realtà evoca in me almeno tre ricordi distinti: gli atomi appunto, la plastica ed il DNA.

la mia scuola elementare - ingressoPremetto a ragione del vero che, a differenza di quanto questi tre semplici aneddoti potrebbero suggerire, il Maestro che mi ha seguito in modo esclusivo ed ininterrotto per 5 anni, che mi ha insegnato non soltanto a leggere, a scrivere e a disegnare, ma anche ad amare le scienze e a coltivare passione ed interesse per la complessità del mondo naturale, rappresenta senza dubbio una delle figure umane alle quali debbo di più in termini di formazione della mia coscienza e consapevolezza, scientifica ma non soltanto.
Allevavamo in classe tartarughe marine di varie specie, pesci ed anfibi, insieme a piante terrestri e lacustri di ogni tipo, ed il maestro ci coinvolgeva spesso nelle operazioni manuali di manutenzione e gestione di questi piccoli mondi e dei loro abitanti.  

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alcune delle molecole che hanno cambiato il mondo… nel suo rapporto con la chimica

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Non è raro che fra chimici ci si ponga talvolta il quesito: quali sono le (poche) molecole che hanno realmente cambiato il mondo?  Sull’argomento sono stati scritti saggi di divulgazione scientifica di successo (es. “I bottoni di Napoleone – come 17 molecole hanno cambiato la storia” – P. Le Conteur, J. Burreson – Longanesi, 2007), una moltitudine di articoli e di post sui blog scientifici e non, nonché un’edizione del Carnevale della Chimica, la tredicesima datata gennaio 2012, della quale questo intervento costituisce parte integrante.
i bottoni di napoleone - come 17 molecole hanno cambiato la storia” - P. Le Conteur, J. Burreson - Longanesi, 2007Gli elenchi delle molecole proposte annoverano per lo più le “invenzioni” (sempre in termini molecolari, naturalmente) che hanno consentito, direttamente o permettendo a loro volta la costruzione di manufatti più complessi, il miglioramento della qualità (nonché della durata) della nostra vita, fino a rendersi a tutti gli effetti indispensabili, sempre che non si accetti collettivamente di ritornare nelle condizioni di esistenza di alcuni secoli or sono.   La prospettiva secondo la quale queste molecole sono selezionate è quindi per lo più di tipo utilitaristico e funzionale alla loro applicazione, incanalandosi in questo modo in quell’importantissimo filone – ma pur sempre di un filone si tratta – della chimica applicata ed industriale, per intenderci quella per mezzo della quale vengono realizzati prodotti su larga scala, quelli che entrano alla fine nelle nostre case e con i quali possiamo avere a che fare tutti i giorni.

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dal micro al macro: le ragioni molecolari delle proprietà dei materiali

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Le proprietà degli oggetti con i quali abbiamo a che fare nella nostra vita quotidiana, o meglio le caratteristiche dei materiali dei quali sono costituiti e che stanno alla base della loro funzione, deriva dalle proprietà delle molecole che compongono questi stessi materiali.
Sembrerebbe a prima vista una tautologia, e come tale infatti questa affermazione si può tranquillamente capovolgere: le caratteristiche e le proprietà delle molecole si riflettono, amplificate, nelle proprietà macroscopiche,disegnare immagini ingrandite con il pantografo queste sì percepibili con i nostri sensi, degli oggetti che si compongono di queste molecole.
Dal micro al macro, una sorta di pantografo ideale trasmette, amplificandone, le proprietà di molecole, la cui scala si misura solitamente in angstrom, sul mondo degli oggetti in scala umana, quelli che si possono vedere e toccare con mano, grandi centimetri o anche molti metri.

Uno dei principi fondamentali della chimica, che abbiamo già avuto modo di descrivere ampiamente già in altri interventi, riguarda la relazione struttura-proprietà delle molecole.   Si tratta di una relazione deterministica di tipo (mono)univoco, ovvero ad una struttura molecolare – in pratica data una specie chimica – corrispondono proprietà fisiche, chimiche e, seppur indirettamente, biologiche ed eventualmente farmacologiche o organolettiche, che dipendono unicamente dalla struttura molecolare stessa.   Questa realtà è ben espressa dal ricorso ai cosiddetti “descrittori molecolari” per i quali si rimanda all’apposito intervento già pubblicato nel 2009 (“come la struttura diventa proprietà: il mondo dei descrittori molecolari”).  

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la Chimica dei Sensi… o il senso per la chimica

Parlare di chimica dei sensi è in un certo qual modo una sorta di tautologia.    E’ ben più che semplice filosofia affermare che tutto quanto ci è dato di sapere del nostro mondo, della sua natura e delle sue dinamiche, giunge a noi attraverso gli organi di senso, in modo diretto o indiretto che sia.

i cinque sensi
E non parliamo solo della natura materiale delle cose, come ad esempio l’aspetto esteriore dei corpi e gli eventuali effetti delle loro trasformazioni, ma anche della natura più recondita e meno appariscente di ciò che ci circonda, come la sua composizione elementare, le sue interazioni più profonde e tutta quella serie di conoscenze che, pur sullo stesso oggetto, la ricerca scientifica aggiunge ogni giorno ancora a piene mani, talvolta pur sugli stessi oggetti sui quali l’esperienza dell’uomo vanta ormai una storia millenaria.    Dal momento che il nostro cervello, sede delle facoltà intellettuali, elabora pensieri, teorie ed astrazioni, e perché no emozioni e sentimenti, avendo come uniche materie prime quel poco di cognizione istintuale e, soprattutto, i ricordi e le esperienze acquisite, possiamo persino spingerci ad affermare che la percezione sensoriale stia alla base non soltanto del nostro mondo esperibile, ma anche di quello immaginifico ed emozionale che insieme al primo completa la nostra dimensione umana.

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la chimica organica secondo i gruppi funzionali (1° parte)

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INTRODUZIONE

In chimica organica un gruppo funzionale è un raggruppamento caratteristico e riconoscibile di atomi che determina alcune proprietà specifiche (in primo luogo di tipo reattivo) nelle molecole nelle quali ricorre, ed è in grado di influenzare in una direzione precisa ed entro certi limiti anche di una quantità prevedibile molte caratteristiche fisiche e chimiche delle stesse molecole. In taluni casi un gruppo funzionale può anche essere rappresentato da un singolo atomo di un elemento e/o in una posizione caratteristica sulla molecola.

tabella dei radicali più usati nell'editor del software ACD/ChemSketch

tabella dei radicali più usati nell'editor del software ACD/ChemSketch

Da un certo punto di vista si possono identificare proprio nei gruppi funzionali (uno o più di uno per molecola) i punti reattivi della molecola tanto che, secondo un modo semplificato di vedere le cose, lo studio delle reazioni organiche si riconduce spesso allo studio delle interazioni fra gruppi funzionali di molecole diverse o, come vedremo in seguito, in taluni casi anche della stessa molecola. Questa visione riduzionistica del comportamento di una molecola in dipendenza dei gruppi funzionali in essa contenuti, ognuno in qualche modo indipendente nell’attribuire alla molecola determinate proprietà chimico-fisiche e reattive, è alla base di quella sistematicità che caratterizza l’approccio tradizionale all’insegnamento della chimica organica, dove nei corso dei capitoli del testo di riferimento (o delle lezioni tenute dal docente) si considerano uno dopo l’altro le caratteristiche di ciascun gruppo funzionale e “di conseguenza” delle molecole che lo contengono.

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le molecole che la natura non sa fare

Ci sono cose che la natura non sa fare.A. Kircher: Magneticum Naturae Regnum. Raffigurazione alchemica della Natura (1667) E fra queste vi sono anche tanti tipi di molecole, che in fondo non sono altro che le unità composizionali fondamentali di “cose” più ampie ed organizzate.   Più nello specifico, ci sono pezzi di molecole, specifici raggruppamenti di atomi che la natura, nella sua espressione vegetale, animale, fungale o batterica, non è in grado di mettere insieme, ovvero di sintetizzare attraverso le vie sintetiche naturali, ovvero le cosiddette vie biosintetiche.

Il fatto che gli esseri viventi si siano evoluti e perfezionati nel tempo per effettuare alcune (a dire il vero moltissime!) trasformazioni biochimiche e non altre pur possibili (tanto che l’uomo oggi le realizza a livello di laboratorio o industriale, talvolta in condizioni neanche così estreme come si potrebbe immaginare) non è in molti casi legato a condizioni di oggettiva incompatibilità con la natura biologica dell’essere vivente, ma ad un semplice fattore di casualità, variabile sempre fondamentale nel gioco dell’evoluzione e che crea molto spesso le basi per la successiva selezione naturale, ed eventualmente ad un fattore di non particolare convenienza evolutiva.

tert-butyl radical Giusto per fare un esempio, è pienamente concepibile che all’interno di un essere vivente, almeno così come li possiamo incontrare sul nostro pianeta, non possano avvenire reazioni di fissione nucleare; più curioso è il fatto che un banale gruppo di atomi formato da 4 carboni, il cosiddetto tert-butile, noto anche come 1,1-dimetiletil (in figura) non compaia, almeno a quanto mi è dato sapere, in nessuna molecola sintetizzata da piante, animali, funghi o batteri.   

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come la struttura diventa proprietà: il mondo dei descrittori molecolari

Uno dei concetti fondanti della chimica è quello che riguarda le relazioni fra la struttura (in pratica la costituzione e la forma esatte) di una molecola e le sue proprietà o caratteristiche.

Alla domanda che talvolta mi viene posta “quali proprietà?”, rispondo con un minimo di provocazione costruttiva: tutte!. …da quelle fisiche (come il punto di ebollizione, la solubilità in acqua, la polarità, ecc) a quelle reattive (es. capacità di reagire in un certo modo con certe altre sostanze), fino a quelle biologiche (es. tossicità, proprietà farmacologiche, assimilabilità, ecc) o sensoriali (colore, odore, sapore, ecc).

Tali relazioni struttura-proprietà sono infatti:
1) univoche
2) calcolabili

descrizione_molecolare Univoche in quanto ad una data struttura molecolare corrispondono alcune proprietà ben specifiche, ovvero un ben preciso valore numerico assunto dalla variabili fisiche implicate (es. un certo punto di fusione) ma anche una ben preciso set di proprietà qualitative ed osservabili (es. un certo colore del prodotto sciolto in acqua, un ben preciso profumo della sostanza pura).
Mentre ovviamente non si può dire il contrario: le molecole aventi un certo punto di fusione, una certa solubilità, un certo colore, ecc possono essere ben più di una!

Calcolabili in quanto, misure sperimentali o meno, è possibile “stimare”e la proprietà avendo come unico punto di partenza la struttura della molecola, utilizzando un procedimento di calcolo.

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i confini della chimica

Che cos’è precisamente la chimica? Riformulo la domanda: dove inizia e dove finisce esattamente questa disciplina?
Sembra paradossale ma sono convinto che non siano pochi gli stessi colleghi chimici a non essersi mai posti una domanda del genere, talmente presi come siamo a risolvere problemi specifici ed a rispondere ad altre e ben più pressanti domande. Forse forse il quesito se lo porranno di più i non addetti al settore, ma ecco che a questo punto la formazione di base, scolastica, potrebbe giocare non proprio a loro favore, dal momento che i calcoli stechiometrici che tanti di noi hanno imparato a fare ai tempi della scuola di sicuro non ci aiutano ad approcciare l’essenza fondamentale della disciplina.

Proviamo ad avvicinarci per gradi.
In prima battuta potremmo dire che la chimica è la disciplina che studia la materia. Ma a ben pensarci sono numerose le discipline, scientifiche e non, che si occupano di materia in senso lato. pane Immaginando un oggetto qualsiasi, ad esempio un pezzo di pane, ci sono coloro che pensano a realizzarlo (i panettieri), coloro che lo vendono e quindi lo considerano, insieme alle sue materie prime, alla stregua delle leggi dell’economia, coloro che lo gestiscono a loro volta come una voce di spesa (i ristoratori), coloro che lo studiano dal punto di vista nutrizionale, coloro che mettono a punto le attrezzature per realizzarlo (le impastatrici, i forni), coloro che lo assaggiano di professione, oppure ne misurano la consistenza, e così via.

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