Le leggi della chimica
Lezioni d'Autore
di Giorgio Benedetti
LE TRASFORMAZIONI DEI METALLI
A partire dal XVI secolo lo sviluppo dell’estrazione
mineraria, della fusione e della raffinazione dei metalli
in Europa conobbe un forte incremento sia
quantitativo che qualitativo, quale non si era mai
registrato in precedenza.
Ciò portò sia gli artigiani che gli studiosi a porre
un’attenzione
particolare
ai
fenomeni
di
trasformazione che i metalli subivano per trattamento
con il fuoco in presenza di aria, insieme a quelle che
permettevano di ripristinare il metallo di partenza.
I TRATTAMENTI TERMICI DEI METALLI: LA CALCINAZIONE
Durante i trattamenti termici parte del metallo si
trasformava in scoria (calcinazione)
La somiglianza della scoria metallica con la cenere
ottenuta dalla combustione del legno ed il fatto che
entrambi avvenivano in presenza di aria, portò a
ritenere analoghi i due fenomeni.
Era noto che entrambi i processi, così come la
respirazione, avvengono in presenza di aria. Tuttavia :
nella combustione si aveva una diminuzione del
peso del materiale di partenza
nella calcinazione dei metalli il peso aumentava
ALCUNE IPOTESI SULLA COMBUSTIONE
V. Biringuccio (1480-1537) nel suo trattato De la
pirotecnia, spiegò questi risultati immaginando che
l’azione del fuoco, allontanando le particelle acquose e
aeree dal metallo ed essendo queste più leggere e
tendenti verso l’alto, lo rendessero più compatto e quindi
più pesante.
R. Boyle (1627-1691) ipotizzò che questo fosse dovuto
all’incorporazione nei pori del metallo di particelle ignee
presenti nella fiamma che a causa della loro sottigliezza
riuscivano a passare attraverso i recipienti di vetro in cui
si effettuava la calcinazione.
R. Hooke (1635-1703), sostenne invece che vi fosse
nell’aria un gas responsabile della combustione e
dell’aumento di peso ottenuto dopo la calcinazione dei
metalli.
TEORIA DEL FLOGISTO
Nella seconda metà del XVII secolo
G.E. Stahl (1659-1734) propose
l’esistenza di un principio materiale
combustibile chiamato flogisto (dal
greco, φλoξ, flox=fiamma) in grado
di spiegare in maniera coerente ed
unitaria i processi di combustione e
di calcinazione.
Simbolo del Flogisto
FENOMENI SPIEGATI DALLA TEORIA DEL FLOGISTO
o I combustibili diminuiscono il loro peso bruciando
perché perdono flogisto:
• metallo calce + flogisto
o La combustione cessa quando tutto il flogisto è uscito
dalla sostanza e ha saturato l’aria
o Una candela si spegne in un recipiente chiuso perché
l’aria si satura di flogisto
o Le ‘calci metalliche’, scaldate con carbone (ricco di
flogisto) si rigenerano in metallo perché il carbone
cede il flogisto:
• calce + flogisto (contenuto nel carbone)
metallo
LA CHIMICA PNEUMATICA
Ciò che determinò la rivoluzione nelle teorie della
materia del Settecento, fu la scoperta del terzo stato
della materia, quello gassoso e la nascita di un nuovo
filone di ricerche, la chimica pneumatica.
Nel 1752 J. Black (1728–1799), sottoponendo la
magnesia alba (MgCO3) ad un forte riscaldamento
ottenne la magnesia usta (MgO) ma anche una sostanza
gassosa che chiamò aria fissata (l’anidride carbonica)
Nel 1766 H. Cavendish (1731–1810) facendo reagire
degli acidi con dei metalli, scoprì un’aria infiammabile
(l’idrogeno)
Nel 1772 D. Rutherford (1749–1819) presentò la
scoperta di un’altra nuova aria, detta mefitica o
flogisticata (l’azoto)
Nel 1774 J. Priestly (1733–1804) scopre l’ossigeno, che
chiama aria deflogistificata
LAVOISIER E LA NASCITA DELLA CHIMICA MODERNA
Il chimico francese A.-L.
Lavoisier (1743-1794) fu uno
dei protagonisti della vasta
riforma della chimica del XVIII
secolo
Egli fondò la sua opera sulla
ricerca dei principi della chimica
basati sull’esperimento
quantitativo e sulla
elaborazione di teorie risultanti
come conseguenza logica di
fatti ottenuti dall’esperienza
LA SCOPERTA DELL’OSSIGENO (1775)
Lavoisier fece prima reagire parte dell’aria con il
mercurio mediante un riscaldamento prolungato,
ottenendo una polvere rossa del metallo (ossido di
mercurio)
che
successivamente
riscaldò
energeticamente, rigenerando così il metallo e un gas
che aveva la capacità di mantenere vivace la
combustione
Si trattava dell’ossigeno, una “porzione più pura
dell'aria”,
che
Lavoisier
definirà
anche
“aria
eminentemente respirabile
Questo gli permise di dimostrare che una parte
dell’aria partecipava direttamente alla trasformazione
e che pertanto i fenomeni di combustione potevano
essere spiegati senza la teoria del flogisto
ESPERIMENTI SULLA NATURA DELL’ACQUA
Nel 1783 H. Cavendish (1731–1810) realizzò una
serie di esperimenti sulla combustione dell’idrogeno in
presenza di ossigeno ottenendo l’acqua come risultato
della combinazione delle due arie e inserendo la
scoperta all’interno della teoria del flogisto
Nello stesso anno Lavoisier ripete gli stessi
esperimenti di Cavendish confermando la natura
composta dell’acqua ma dando una spiegazione
diversa, cioè che l’acqua era il risultato dell’unione di
due sostanze elementari, l’idrogeno e l’ossigeno
Successivamente Lavoisier riuscì a realizzare la
decomposizione dell’acqua in idrogeno ed ossigeno
confermando in maniera definitiva la natura dell’acqua
IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA
Queste scoperte porteranno Lavoisier a formulare, nel
Traité Élémentaire de Chimie (1789), l’ipotesi
moderna di elemento chimico, in cui esso diventa
sinonimo
di
corpo
semplice,
portatore
delle
caratteristiche fondamentali, che lo distinguono dagli
altri elementi e lo mettono in relazione con le sostanze
composte che lo contengono.
Nello stesso trattato verrà enunciata una delle prime
leggi fondamentali della chimica moderna, quella di
conservazione della massa:
“Nulla si crea, nelle operazioni artificiali, né in quelle della natura, e
possiamo porre come principio che in ogni operazione vi è una eguale
quantità di materia prima e dopo l'operazione; che la qualità e la
quantità dei principi è la stessa e che vi sono soltanto dei cambiamenti,
delle modificazioni. Su questo principio è fondata tutta l'arte di fare
esperimenti in chimica: siamo obbligati a supporre in tutti una vera
uguaglianza o identità fra i principi dei corpi esaminati e quelli ottenuti
mediante l'analisi”.
INTRODUZIONE DEL METODO QUANTITATIVO IN CHIMICA
Con la teoria chimica di Lavoisier, la determinazione
del peso delle sostanze, che in precedenza era stato
considerato una variabile non importante nella
comprensione dei fenomeni chimici, diventava la
grandezza fondamentale della chimica
L’entrata nella pratica e nella teoria della chimica
dell’analisi ponderale pose la questione della
composizione quantitativa delle sostanze reagenti e di
quelle prodotte in una reazione chimica
Questa consentì di evidenziare le regolarità che si
manifestano nel corso delle reazioni chimiche e di
formulare le prime leggi quantitative della chimica
moderna
LEGGE DI PROUST O DELLE PROPORZIONI DEFINITE
J. L. Proust (1754-1826) dal 1797
al 1809 condusse una serie di
ricerche sulla composizione di
differenti ossidi metallici, arrivando
ad
enunciare
la
legge
delle
proporzioni definite, secondo la
quale ogni composto chimico:
è costituito da una proporzione fissa e
costante dei componenti, indipendente
dalle condizioni sperimentali, quali la
quantità dei prodotti di partenza, la
temperatura o la pressione, nelle quali
esso viene formato
LA TEORIA ATOMICA DI DALTON
Nel 1808, J. Dalton (1766–1834)
enunciò una teoria generale sulla
natura della materia, affermando che
tutta la materia è formata da
particelle, gli atomi, intere indivisibili
e indistruttibili, tutte uguali tra loro,
aventi lo stesso peso, ma diverse da
un elemento ad un altro
Sperimentalmente ricavò la legge
delle
proporzioni
multiple
che
afferma:
che se due elementi A e B si combinano per
formare più di un composto, le masse di B
che si combinano con una data massa di A
sono in rapporto di numeri piccoli ed interi.
DALLA LEGGE DEI VOLUMI AL PRINCIPIO DI AVOGADRO
Tra il 1804 e il 1808 il chimico francese J. L. GayLussac enuncia la legge dei volumi, secondo la quale:
le sostanze gassose si combinano sempre nei rapporti più
semplici, espressi da numeri interi, ed anche il volume del
prodotto, se questo è allo stato gassoso, è in rapporto
semplice con i volumi delle sostanze di partenza.
Esisteva però una contraddizione tra le ipotesi di Dalton e la
legge di Gay-Lussac. Questo perché era impossibile spiegare, ad
esempio, come da due volumi di idrogeno e uno di ossigeno si
ottenessero due volumi di acqua e non uno. Questa verrà
superata dal chimico A. Avogadro (1776-1856) con
l’enunciazione del principio che afferma:
volumi uguali di gas, nelle stesse condizioni di temperatura
e pressione, contengono lo stesso numero di molecole
costituite da più atomi
CANNIZZARO E LA TEORIA MOLECOLARE
La teoria di Avogadro fu accolta solo nel 1860 grazie al
chimico S. Cannizzaro (1826-1910), che espose al
congresso di Karlsruhe nel 1860 il suo metodo per la
determinazione corretta delle masse degli elementi
basato sul principio di Avogadro
A seguito della relazione di Cannizzaro fu accettata la
seguente proposta:.
“Si propone di adottare concetti diversi per molecola e
atomo considerando molecola la quantità più piccola di
sostanza che entra in relazione e che ne conserva le
caratteristiche fisiche, e intendendo per atomo la più
piccola quantità di un corpo che entra nella molecola dei
suoi composti”
Si affermò così il concetto di molecola come unità
strutturale fondamentale della materia collegata al
mondo degli atomi e dei corpi macroscopici
FINE
