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La chimica è una scienza sperimentale che studia la materia, le sue proprietà, la sua struttura e il suo comportamento. Ma cosa significa esattamente essere una 'scienza sperimentale'?
Possiamo immaginare due spazi distinti: uno teorico, dove risiedono concetti e modelli astratti, e uno empirico, dove avvengono i fenomeni reali. Questi spazi sono connessi attraverso le 'regole di corrispondenza', meccanismi che traducono la teoria in previsioni verificabili.Un esempio illuminante viene da Archimede, che schematizzò l'oceano come una superficie piana. Questa modellizzazione non significa che l'oceano sia realmente piatto, ma permette di ottenere predizioni coerenti con i dati sperimentali. È fondamentale non confondere il modello con la realtà.
Nello spazio teorico, si costruiscono assiomi dai quali, mediante ragionamenti logico-deduttivi, si derivano teoremi e modelli esplicativi. Quindi una volta costruito lo spazio teorico e dopo aver fornito le regole di corrispondenza, si procede a validare il tutto vedendo se le predizioni fornite sono in accordo con i dati sperimentali. La chimica, quindi, è un insieme che comprende uno spazio teorico e regole di corrispondenza che consentono di interpretare e prevedere i fenomeni materiali. È un sistema di modelli testati e convalidati empiricamente, cruciale per comprendere il comportamento della materia e fondamentale sia per la produzione di nuove sostanze sia per l'interpretazione di processi complessi.
La chimica è la scienza che studia la materia. Ma cos'è esattamente la materia? È qualsiasi entità che abbia dimensioni e massa definite, occupando quindi una porzione finita di spazio. La materia è oggetto di studio da migliaia di anni, infatti i filosofi greci Democrito e Leucippo ipotizzarono già allora (V secolo a.c.) che questa fosse composta da particelle piccolissime e indivisibili che loro chiamarono atomi. Tuttavia negli anni a venire questa teoria fu accantonata in favore della visione aristotelica, che sosteneva l'esistenza di quattro elementi e la divisibilità infinita della materia. Un punto di svolta cruciale avvenne nel 1808, quando lo scienziato inglese John Dalton riportò in auge la teoria atomica, riprendendo le intuizioni dei filosofi greci e gettando le basi per la chimica moderna.
Per capire il processo storico che ha portato a determinate scoperte e ha fatto sì che la chimica progredisse, bisogna distinguere tra proprietà intrinseche della materia e quelle che emergono solo quando c'è una qualche interazione con agenti esterni, infatti si definiscono:
A partire da numerose osservazioni empiriche, si è visto che in natura la materia è presente sotto forma di:
A loro volta è possibile classificare ulteriormente sia le sostanze pure che le miscele. Infatti le sostanze pure possono essere suddivise in:
Inoltre, tramite specifici processi, è possibile scomporre i composti ottenendo così gli elementi. Per quanto riguarda le miscele, è possibile suddividerle come segue:
Quindi in qualche modo è nata la necessità di classificare questi elementi, e il modo più intuitivo per farlo è quello di raggrupparli in modo tale da formare gruppi di elementi con proprietà simili. Così facendo grazie a esperimenti di svariati tipi (reazioni, spettroscopia ecc.), è stato possibile scoprire le proprietà di questi elementi e quindi è stata redatta la tavola periodica.
Inoltre tutti noi abbiamo esperienza di quelli che si chiamano stati di aggregazione della materia, infatti gli atomi in qualche modo si legano tra loro, ma questi legami sono influenzati sia dagli elementi in gioco sia dalle condizioni ambientali, come la pressione e la temperatura, e questo fa sì che in natura sia possibile osservare la materia nei seguenti stati:
Le transizioni tra questi stati (fusione, evaporazione, condensazione) avvengono quando vengono raggiunte specifiche condizioni di temperatura e pressione, aprendo la strada a fenomeni di trasformazione della materia.
Quello che è stato fatto a questo punto, non è altro che fare delle osservazioni e dare dei nomi a quanto osservato. Quindi, ricollegandosi al paragrafo precedente, è bene tenere a mente che stiamo tentando di capire il funzionamento della natura, perciò si cercano dei modelli a noi funzionali, che speighino quanto accade per questo tipo di fenomeni. Per capire meglio il punto, si pensi al gioco del poker dove si gioca con un mazzo da 52; queste hanno tutte un colore, un seme e un numero, in altre parole potremmo dire che queste sono proprietà fisiche delle carte. Nel poker vince il giocatore la cui combinazione delle carte ha il punteggio maggiore secondo una determinata scala. In questo parallelismo le regole del gioco stanno alla natura e i colori, i semi e i numeri delle carte stanno alle convenzioni che adottiamo noi umani per capirci qualcosa. Quindi se adesso prendessimo un altro mazzo, composto sempre da 52 carte che però vengono distinte secondo altri canoni, ad esempio anziché avere segni diverse le carte potrebbero presentare una forma diversa, il gioco resta lo stesso, ma cambia il modo di descriverlo.
Dopo questa digressione e dopo aver fornito queste definizioni possiamo formulare meglio la teoria atomica di Dalton, il quale ipotizzò che:
Dall'osservazione che questi atomi sono legati tra loro formando dei composti, è possibile osservare quelle che noi definiamo reazioni chimiche, dove gli atomi presenti nelle sostanze reagenti si ricombinano tra loro formando sostanze diverse da quelle di partenza.
Inoltre in chimica è fondamentale tenere a mente il concetto di energia, dove quest'ultima è definita come la capacità di un sistema di compiere lavoro, ad esempio spostare un oggetto richiedere del lavoro e quindi colui che sposta l'oggetto in questione, deve avere sufficiente energia per portare a termine l'azione. L'energia a sua volta può essere di più forme, particolare interesse per noi ricoprono:
Supponiamo di prendere un libro, di metterlo su una bilancia e osservarne il peso. Adesso prendiamo un fiammifero e diamo fuoco al povero libro; a questo punto osserveremo che mano a mano che questo brucia, il peso segnato sulla bilancia chiaramente diminuirà. Ma è davvero così chiaro il perché diminuirà? Dove finisce la materia? Sarà che questa viene in qualche modo distrutta dal fuoco?
Lavoisier prima di noi si era posto domande simili, e quindi ripetè l'esperimento in un ambiente chiuso. Infatti anziché mettere il libro direttamente su una bilancia è possibile metterlo in un recipiente chiuso(con abbastanza ossigeno). A questo punto, sempre con la bilancia accesa, diamo di nuovo fuoco al libro e... Il peso rimane costante, da questo è possibile capire che questa reazione, cioè il libro che brucia, non distrugge la massa, ma piuttosto se non si prende un sistema isolato, come ad esempio il nostro recipiente, la materia in questione passando allo stato gassoso si disperde nell'ambiente, facendo diminuire il peso rilevato dalla bilancia.
Questo fatto empirico prende quindi il nome di legge di conservazione della massa o legge di Lavoisier, il quale conio la frase «Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto di trasforma», che ben rispecchia questa legge.
La legge di Proust o delle proporzioni definite, è un altro pilastro della teoria atomica di Dalton, infatti se gli atomi sono particelle indivisibili, non troveremo mai un composto formato da mezzo atomo di idrogeno e tre quarto di atomo di ossigeno. Siccome tali composti non sono mai stati osservati in natura, è stata formalizzata da Proust la legge delle proporzioni definite, che afferma:
Atomi di elementi diversi si combinano tra loro secondo rapporti di numeri interi e generalmente piccoli.
Questa legge risolve quella che potrebbe apparire come una contraddizione di quanto affermato da Proust, ovvero che sebbene atomi di elementi diversi si combinino tra loro secondo rapporti di numeri interi, dagli stessi elementi si possono ottenere combinazioni differenti.
Ad esempio possiamo prendere in esame la reazione tra 1 grammo di azoto (N) e diverse combinazioni di peso per l'ossigeno O:
Da notare l'applicazione in questi due casi della legge di conservazione della massa.
A partire da questo esempio possiamo considerare il rapporto tra la quantità di ossigeno e la quantità di azoto presente in ciascun composto:
Apparentemente il risultato di questi due rapporti può risultare insignificante, ma è qui che Dalton ebbe l'intuizione e cioè considerò il rapporto dei rapporti, in questo caso il rapporto tra $0.571$ e $1.143$ è pari a $1/2$, cioè i rapporti dei rapporti tra le sostanze reagenti risultano essere espressi da rapporti tra numeri interni e generalmente piccoli. Quindi, a partire da un composto formato da due elementi, lasciando costante la quantità di uno di questi, è possibile ottenere composti differenti variando la quantità dell'altro secondo multipli o sottomultipli interi rispetto a quella presente nel composto di partenza.
Questa legge fu di fondamentale importanza perché era una delle prime evidenze che supportavano l'idea che la materia fosse composta da particelle discrete (atomi) che si combinano in proporzioni definite e costanti.
La legge di Gay-Lussac sulle combinazioni gassose stabilisce che, quando due o più sostanze gassose reagiscono tra loro, in condizioni di temperatura e pressione costanti, i volumi dei gas coinvolti stanno tra loro in rapporti espressi da numeri interi piccoli. Questo vuol dire che nel gas risultante dalla reazione, supponendo di riuscir a isolare il volume dei due gas di partenza, troveremmo che il rapporto tra questi due è un rapporto tra numeri interi e piccoli.
Ad esempio consideriamo la reazione di formazione dell'acqua dall'idrogeno e dall'ossigeno:
2H₂ + O₂ → 2H₂O
Secondo la legge di Gay-Lussac, se misuriamo i volumi dei gas coinvolti (mantenendo temperatura e pressione costanti), osserveremo che due volumi di idrogeno reagiscono con 1 volume di ossigeno formando così due volumi di acqua.
Questa osservazione sperimentale fu rivoluzionaria perché fornì un'importante conferma della teoria atomico-molecolare. Avogadro spiegò successivamente questo fenomeno con la sua ipotesi: volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole. Questa connessione tra volumi macroscopici e numeri di particelle microscopiche rappresentò un ponte fondamentale tra il mondo osservabile e quello atomico.
La chimica, attraverso il suo approccio sperimentale e teorico, rappresenta un ponte tra il mondo astratto dei modelli e la realtà concreta dei fenomeni materiali. Dalle intuizioni degli antichi filosofi greci alla formalizzazione delle leggi di Lavoisier, Proust, Dalton e Gay-Lussac, questa scienza ha progressivamente decifrato la natura della materia, svelandone struttura, proprietà e trasformazioni. La classificazione degli stati di aggregazione, la distinzione tra sostanze pure e miscele, e l’evoluzione della teoria atomica hanno permesso di costruire un sistema coerente per interpretare e prevedere il comportamento della materia. I pilastri della chimica—conservazione della massa, proporzioni definite, proporzioni multiple e leggi volumetriche—non sono solo regole empiriche, ma fondamenti che riflettono l’essenza discreta e ordinata della materia. Essi dimostrano come modelli semplici, pur essendo astrazioni, riescano a spiegare complessità apparentemente caotiche, aprendo la strada a innovazioni tecnologiche e alla comprensione di processi naturali.
