struttura molecolare

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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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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Il concetto di struttura e la meccanica quantistica

Articolo 7/15.
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 Villani

Oggi il concetto di struttura è fondamentale in molti campi del sapere, dalla matematica alla linguistica.  Esso è sicuramente indispensabile nell’ambito delle scienze sociali ed umane, ma, come si è cercato di mostrare nel libro, esso è fondamentale anche nelle scienze naturali.  La chimica utilizza tale concetto da oltre un secolo per descrivere una proprietà fondamentale del mondo molecolare: la “struttura molecolare”, che tratteremo in dettaglio nel prossimo articolo.  Tale disciplina può, quindi, giustamente aspirare a divenire un punto di riferimento, rispetto alle problematiche introdotte da questo concetto, per tutte le discipline che usano o potrebbero usare il concetto di struttura. 

il concetto di struttura in chimicaLa meccanica quantistica è stata una vera rivoluzione rispetto a quella classica su molti concetti.  Questo è vero anche per il concetto di struttura, anche se pochi lo hanno analizzato.  Nella meccanica classica, le leggi della gravitazione newtoniana consentono a un pianeta di girare in più modi intorno al sole: il pianeta può percorrere una qualsiasi orbita di forma ellittica. Le orbite specifiche, percorse, di fatto, dai pianeti, non possono essere determinate dalle leggi fondamentali del moto.  

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

spazio

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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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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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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