Importanza della chimica - ... Importanza della chimica Forse non a tutti sembra evidente come la chimica

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    Importanza della chimica Forse non a tutti sembra evidente come la chimica abbia svolto sempre un ruolo determinante nella vita dell’uomo e quali importanti implicazioni essa abbia, di volta in volta, assunto durante tutta la sua storia, toccando molteplici aspetti della sua vita: dalla filosofia all’arte, dalla medicina alla scienza, dalla tecnologia all’economia. Per capire l’importanza della chimica proviamo a pensare cosa sarebbe il nostro vivere senza la chimica: medicina: disinfettanti, antibiotici, anestetici, antipiretici,tranquillanti, ecc.. agricoltura: fertilizzanti, antiparassitari, ecc.. abbigliamento: fibre artificiali e sintetiche ingegneria: vastissima gamma di polimeri, materie plastiche, leghe speciali, materiali da costruzione, cementanti, vetri, ceramiche, materiali per l’elettronica carburanti ad alto rendimento. E tutto ciò è solo un accenno. La chimica è una scienza interdisciplinare che studia le sostanze che compongono la terra in cui viviamo e l’universo intero, la loro struttura e le loro proprietà per sfruttarle direttamente e per trasformarle in altre sostanze utili per le più svariate applicazioni. La Chimica studia la Caratterizzazione, la Composizione e le Trasformazioni della materia in tutte le sue varietà. L’uomo infatti non trova direttamente in natura tutti i prodotti di cui ha bisogno, però attraverso i vari settori della chimica riesce a plasmare e a trasformare la materia secondo le sue diverse esigenze, fatto salvo per i limiti imposti dalla natura stessa. È chiaro che, come in tutte le cose, esistono anche delle ombre, come per esempio l’inquinamento delle acque e dell’aria, che come si sa vengono imputate proprio soprattutto al settore chimico, ma ci si auspica che la chimica stessa possa intervenire per ridurre ed eliminare questi gravi inconvenienti. Obiettivi e metodi della chimica La chimica è una scienza sperimentale che ha l’ obiettivo, come tutte le scienze, di descrivere la realtà attraverso un processo logico-induttivo. Tale metodologia viene illustrata nella figura 1 attraverso uno schema a blocchi che mette in evidenza i vari passi che in sequenza vengono seguiti. Dapprima viene effettuata l’osservazione del fenomeno tramite l’acquisizione e la raccolta dei dati attraverso cui tale fenomeno si manifesta, successivamente viene eseguita una loro elaborazione cercando di trovare, ove possibile, una correlazione tra i vari parametri che entrano in gioco, arrivando a scrivere nella maggior parte dei casi, ma non necessariamente, una legge matematica che lega semplicemente questi parametri in modo coerente senza che ci sia però una base teorica sopra la quale essa si regga. Solo in seguito vengono elaborate delle ipotesi teoriche che possano spiegare esaurientemente il fenomeno suffragandole con tutta una serie di esperimenti che prendano in esame tutti gli aspetti e le caratteristiche che il fenomeno stesso presenta. Questa fase è la più difficoltosa e la più ambita da un ricercatore e solo quando, alla luce di tutti gli esperimenti eseguiti, si può asserire che le ipotesi fatte vengono sempre validate egli può infine enunciare una teoria del fenomeno. In generale quindi una teoria è una spiegazione dei fatti osservati per mezzo di un modello, possibilmente semplice, a cui essi si conformano senza alcuna contraddizione. Come esempio si può riportare lo studio del comportamento dei gas sottoposti a pressioni crescenti mantenendo costante la temperatura. Si riscontra che essi si comportano allo stesso modo. È questa la fase dell’osservazione. Successivamente si interpretano ed elaborano i dati notando che all’aumentare della pressione il volume si contrae per tutti nella stessa misura, cioè dimezzandosi se la pressione raddoppia, riducendosi di tre volte se la pressione triplica e così via. È questa la fase

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    dell’interpretazione dei dati, tramite la scrittura di una semplice legge matematica che lega tra loro i parametri in gioco: PV=cost Questi risultati sperimentali si possono spiegare in base ad un modello molto semplice, considerando i gas formati da particelle submicroscopiche (le molecole) molto distanziate le une dalle altre e libere di muoversi in tutto lo spazio disponibile urtando elasticamente tra di loro e con le pareti del contenitore, quando entrano in collisione. Questo modello che rappresenta la teoria cinetica dei gas spiega coerentemente tutti i fatti osservati e sperimentati ed è di fatto diventata una vera e propria teoria.

    figura 1

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    Struttura della materia Si è detto che la chimica è quella scienza che studia le caratteristiche, la composizione e le trasformazioni della materia. Sin dall’antichità si era immaginato che la materia fosse costituita da microscopiche particelle indivisibili, che nel loro combinarsi davano forma a tutta la realtà circostante. Senza voler entrare nel dettaglio dell’evoluzione storica del concetto di atomo il cui significato prima che scientifico è stato soprattutto di natura filosofica, si vuole solo menzionare che fu il filosofo greco Democrito che nel V-IV secolo A.C. ha introdotto l’atomo come elemento costitutivo della materia definendolo come una minuscola particella non ulteriormente divisibile, come l’etimologia della parola stessa suggerisce: ATOMO da ατεμνω ( α: alfa privativo e τεμνω: che in greco antico vuol dire taglio). Lucrezio nel I secolo A.C. espose l’atomo in forma artistica nel famoso poema “ De Rerum Natura” indicando queste particelle primordia rerum, prima corpora, ecc. L’atomismo di Democrito deve essere considerato solo un sistema filosofico, non una teoria fisica, neppure in embrione, ed anche successivamente quando fu ripreso da Gassendi (1592-1655), rimase sempre soltanto oggetto di speculazione filosofica. Poi ancora, l’atomo si ritrova nelle opere di Bacone (1561-1626), Galilei (1564-1642) e di Newton (1642-1727) ove tuttavia non si coglie ancora alcun tentativo di costruzione d’una teoria fisica. I primi lineamenti d’una teoria fisica corpuscolare emergono invece dall’opera di Daniele Bernoulli (1700-1782) nella sua “ Hydrodynamique”. Solo nel XIX secolo, dopo la scoperta delle leggi ponderali fondamentali che regolano le combinazioni chimiche, cioè delle leggi della conservazione della massa di Laviosier (1785), delle leggi delle proporzioni definite di Proust (1799) e delle leggi delle proporzioni multiple di Dalton (1807), l’ipotesi atomica fece il suo ingresso definitivo nella scienza. Postulati fondamentali della teoria atomica di Dalton La teroia atomica di John Dalton si regge sui seguenti postulati:

    1) Ciascun elemento è costituito da particelle estremamente minuscole dette atomi. 2) Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici. 3) Gli atomi di elementi differenti hanno proprietà differenti. 4) Le reazioni chimiche non riescono a mutare gli atomi di un elemento in quelli di un altro;

    nel corso delle reazioni chimiche gli atomi non si creano ne si distruggono 5) I composti traggono origine dalla combinazione di atomi di almeno due elementi. 6) In un dato composto il numero relativo e la specie degli atomi sono costanti.

    Questi postulati sono illustrati nella figura 2 dove si può riconoscere il significato dei sei punti enunciati.

    figura 2

    Tutti gli esperimenti fatti, rifacendosi al processo logico-induttivo, portarono così Dalton a formulare la sua teoria atomica. Infatti, con la scoperta delle leggi ponderali fondamentali che regolano le combinazioni chimiche, cioè delle leggi:

    atomi dell'elemento 1

    atomi dell'elemento 2

    composto degli elementi 1 e 2 miscela degli elementi 1 e 2

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    -della conservazione della massa (Lavoisier, 1785), -delle proporzioni definite (Proust, 1799) -proporzioni multiple (Dalton, 1807), l’ipotesi atomica fece il suo ingresso definitivo nella scienza, perché parve un punto di riferimento irrinunciabile per spiegare razionalmente i risultati sperimentali inquadrati in quelle leggi. In figura 3 si può osservare un piccolo esperimento in cui si fa reagire 1 grammo di ferro con un grammo di zolfo e 1.5 grammi di ferro con 0.57 grammi di zolfo.

    figura 3

    Da esso si capisce come, durante le reazioni chimiche, la materia non si crea né si distrugge ma si trasforma. Pur avendo, prima e dopo l’esperimento, specie chimiche diverse, il peso totale non cambia. Ciò rappresenta il Principio di conservazione della massa di Lavoisier. Inoltre, se si è buoni osservatori, si capisce come le specie chimiche reagiscano tra di loro secondo proporzioni definite: se si stabilisce che, partendo da 1 g di ferro ed 1 g di zolfo, quel grammo di ferro reagisce solo con 0.57 g di zolfo, di cui così rimane un eccesso di 0.43 g, allora se si hanno 1.5 g di ferro, ma soltanto 0.57 g di zolfo, di questi 1.5 g soltanto 1 g reagirà con i 0.57 g, mentre 0.5 g di ferro rimarranno in eccesso. L’esempio sopra esposto definisce la Legge delle proporzioni definite di J.P. Proust: due elementi si combinano tra loro secondo un rapporto in massa definito e costante.

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    Così per formare l’acqua partendo dai suoi elementi bisognerà far reagire 2g di idrogeno con 16g di ossigeno oppure 8 g di idrogeno e 64 g di ossigeno e così via. Se si fa reagire 8g di idrogeno con 70 g di ossigeno si avranno 72 grammi d’acqua e rimarranno 6g di ossigeno. Gli elementi in generale, però, possono combinarsi tra loro per dare diversi composti come nel caso del ferr