proprietà

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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l’acqua: il caso anomalo intorno a noi

immagini acqua
Chi voglia imparare a conoscere le proprietà dei liquidi e, più in generale, delle sostanze chimiche, prendendo come esempio l’acqua è probabile che incorra in più di un malinteso.
La tentazione è sicuramente forte: l’acqua è sicuramente la sostanza chimica virtualmente pura più abbondante con la quale abbiamo a che fare quotidianamente, è indispensabile alla vita e, cosa più importante di tutte per io nostro modo di pensare, delle sue caratteristiche e dei suoi comportamentene abbiamo un po’ tutti un’esperienza personale diretta.
Purtroppo l’acqua racchiude in sé stessa ben più di un’anomalia, ciascuna della quali contribuisce a far divergere sotto diversi aspetti le caratteristiche di questa sostanza, ad iniziare da quelle chimico-fisiche, da quelle dalla maggior parte dei liquidi e delle sostanze chimiche in genere, anche considerando nel loro insieme le decine di migliaia di specie chimiche ad oggi conosciute.     L’incrocio di queste anomalie, nel suo insieme, fa sì che la sostanza più abbondante e “conosciuta” del nostro pianeta sia in realtà, come direbbero gli anglosassoni un “bad friend” per chi voglia approcciare in modo induttivo la conoscenza delle sostanze liquide e delle loro proprietà.

LE ANOMALIE NEL DETTAGLIO


Densità dello stato solido rispetto allo stato liquido
Non si tratta certamente dell’unico caso conosciuto (la ghisa per esempio è un altro fra queste), ma sono veramente poche le sostanze chimiche che, come l’acqua, mostrano una densità(*) dello stato solido inferiore a quella dello stato liquido.    

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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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