chimica

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La scienza della trasformazione

Se chiediamo a un chimico cos'è la chimica molto probabilmente ci risponderà con tre parole: "Tutto è chimica!". La sua affermazione andrebbe corretta così: "Tutto è anche chimica", perché in realtà non c'è nulla nelle nostre case che non abbia in sé molta chimica: dalla carta delle pagine che stiamo leggendo al vetro delle finestre della nostra stanza. Eppure, malgrado la chimica sia così presente nella vita quotidiana, il suo stesso nome incute un certo timore, come se dietro il nome si nascondessero cose difficili da fare, più difficili da capire e ancora più difficili da controllare. Vediamo se questo timore è giustificato o no, cominciando dal fare della chimica

Fare chimica

Secondo la definizione più semplice, la chimica è la scienza che studia la trasformazione delle sostanze. Così potremmo chiederci quanta chimica ci sia nell'accendere il gas in cucina o nel cuocere un uovo. Da questo punto di vista l'umanità ha cominciato a 'fare chimica' fin dalla scoperta del fuoco, ma a noi qui interessa un 'fare chimica' consapevole, diretto a ottenere una sostanza importante o un materiale utile. Cinquemila anni fa sono stati inventati i primi processi metallurgici per ottenere il rame e il bronzo. Ancora a migliaia di anni fa risalgono altre produzioni di prodotti in cui la chimica degli artigiani aveva un grande rilievo: le ceramiche e le terrecotte con gli smalti colorati, i vetri multicolori, le bevande fermentate, i materiali da costruzione. Uno di questi materiali era la calce viva, che viene prodotta ancora adesso in enormi quantità con un procedimento non diverso da quello impiegato dai nostri antenati:

calcare → calce

La freccia → indica ciò che viene chiamato reazione chimica, la trasformazione di sostanze (a sinistra della freccia) in altre sostanze (a destra della freccia). Nel caso della produzione della calce, la reazione avviene soltanto se una certa roccia, il calcare, è riscaldata a temperatura molto alta. Procedimenti più complicati erano necessari per ottenere i vetri o per preparare medicamenti; per conservare la memoria di questi procedimenti si formò una tradizione artigianale, che di generazione in generazione tramandava i segreti del mestiere.

Dall'alchimia alla chimica

I procedimenti chimici interessarono anche studiosi che dedicarono la vita a cercare di comprendere cosa avveniva nelle sostanze quando si trasformavano. I loro studi costituirono un insieme di conoscenze pratiche e di false credenze che fu chiamato alchimia. Tra le false credenze vi era quella che fosse possibile trasformare il piombo o l'argento in oro, una credenza condivisa anche da Isaac Newton, il grande fisico inglese che aveva già scoperto le leggi fondamentali del movimento dei corpi. Ma all'inizio del Settecento si credeva ancora che tutti i corpi materiali fossero composti di quattro elementi, terra, acqua, fuoco e aria, e che l'aria che respiriamo fosse solo un mezzo di per sé inerte, privo di specifiche proprietà chimiche.

Un passo decisivo fu compiuto intorno al 1750 da un medico scozzese di nome Joseph Black. Fra le reazioni studiate da Black vi era proprio quella che trasformava il calcare in calce, e qui fece due importanti scoperte. La prima era che durante la reazione si sviluppava anche un gas che egli chiamò aria fissa (oggi chiamiamo questo gas anidride carbonica). La reazione doveva quindi essere descritta in questo modo:

calcare → calce + aria fissa

Questa reazione esprime un'analisi: un corpo, il calcare, si scinde in due diverse sostanze, la calce e l'aria fissa. Black andò oltre e fece la scoperta che la sostanza costituente il calcare si può riottenere con una reazione inversa, eseguita al contrario:

calce + aria fissa → calcare

Questa reazione esprime una sintesi: un corpo, il calcare, si può ottenere da due diverse sostanze, la calce e l'aria fissa.

L'indagine dei gas dimostrò che i costituenti principali dell'atmosfera sono l'azoto e l'ossigeno. L'ossigeno è il componente dell'aria per noi vitale, e la sua scoperta è merito di due scienziati, l'inglese Joseph Priestley e il francese Antoine-Laurent Lavoisier. Furono però i diversi contributi di Lavoisier a cambiare in profondità le conoscenze dei chimici.

Tre grandi scoperte di Lavoisier

Dobbiamo ricordare almeno tre scoperte fondamentali di Lavoisier, avvenute tutte un po' prima della Rivoluzione francese. Dopo millenni in cui si era pensato che l'acqua fosse un elemento non decomponibile, il chimico francese riuscì a realizzare l'analisi dell'acqua:

acqua → idrogeno + ossigeno

L'acqua è dunque un composto, in quanto è costituta da due elementi, l'idrogeno e l'ossigeno. E qui si è di fronte alla seconda importante proposta di Lavoisier: una sostanza è un elemento se non può essere ulteriormente decomposta. L'idrogeno è un elemento perché da un suo campione non si può ottenere che idrogeno, anche se scaldato a temperature altissime. La terza scoperta di Lavoisier è che durante una reazione chimica la quantità di materia coinvolta nella reazione non cambia. Se si decompongono 100 g di acqua, si devono ottenere complessivamente ed esattamente 100 g della miscela di idrogeno e di ossigeno.

La teoria atomica

Secondo Lavoisier gli elementi idrogeno e ossigeno erano contenuti nell'acqua: ma in qual modo quei due gas 'stavano dentro' una sostanza liquida? La soluzione di questo problema fu trovata all'inizio dell'Ottocento da John Dalton, un chimico inglese che diede veste scientifica a un'idea filosofica già presente nelle antiche culture della Grecia e dell'India: la materia è costituita di atomi, e cioè di particelle piccolissime e invisibili. Per Dalton ogni elemento chimico è caratterizzato da un particolare tipo di atomo. Noi ora sappiamo che in natura esistono quasi 90 elementi diversi, ciascuno dei quali è caratterizzato da un particolare tipo di atomo.

Dalton era uno scienziato e voleva misurare il peso degli atomi, però si rendeva conto che se un atomo era veramente piccolo non avrebbe mai potuto pesarlo. Tuttavia atomi diversi si possono combinare fra loro, costituendo le molecole caratteristiche di ciascuna sostanza, e l'analisi delle sostanze avrebbe permesso di determinare almeno il rapporto fra i pesi degli atomi. L'italiano Amedeo Avogadro e lo svedese Jöns Jacob Berzelius dimostrarono che la molecola dell'acqua è costituita da due atomi di idrogeno e da uno di ossigeno. A questo punto fu facile fare il conto: se il rapporto in peso fra idrogeno e ossigeno nell'acqua è di una parte di idrogeno per otto di ossigeno e gli atomi di idrogeno sono due, allora l'atomo di ossigeno pesa 16 volte un atomo di idrogeno.

Fu Berzelius a proporre i simboli degli elementi e le formule chimiche che usiamo ancora oggi. Per Berzelius, e per noi, il simbolo dell'idrogeno è H, quello dell'ossigeno è O, e la formula H₂O rappresenta una molecola di acqua composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Le reazioni che avevano attirato l'attenzione di Black sono ora scritte in questo modo:

CaCO₃ → CaO + CO₂

CaO + CO₂ → CaCO₃

dove il simbolo Ca rappresenta un atomo di calcio (l'elemento così importante per le nostre ossa), e il simbolo C indica un atomo di carbonio.

Un nuovo problema e la sua soluzione

Grazie alla teoria atomica e alle analisi sempre più accurate, i chimici del 1830 erano in grado di scrivere le formule di molti composti, e fu così che sotto gli occhi di Berzelius nacque un problema la cui soluzione impegnò i chimici per i successivi trent'anni!

Esistono sostanze che hanno la stessa formula chimica e tuttavia hanno proprietà del tutto diverse. L'alcool etilico e l'etere dimetilico sono sostanze con la stessa formula C₂H₆O. Però l'alcool etilico è un liquido commestibile presente in piccole percentuali nella birra e nel vino, mentre l'etere dimetilico è un gas pericoloso che, se viene respirato a lungo, può essere mortale! Per risolvere il problema basta pensare che nelle molecole delle due sostanze i nove atomi di carbonio, di idrogeno e di ossigeno siano legati fra di loro in modo diverso: in fin dei conti con nove pezzetti di Lego^© si possono fare molte piccole costruzioni diverse.

Il pensiero che gli atomi potessero essere disposti diversamente nelle molecole venne già a Berzelius, che inventò il nome di isomeri per definire composti differenti per il comportamento chimico ma che hanno la stessa formula. Però gli atomi e le molecole non si vedono, e i chimici hanno dovuto studiare in migliaia di reazioni il comportamento delle sostanze (loro sì che si vedono!) per arrivare a descrivere come sono legati gli atomi tra loro: le particolari figure che si ottengono si chiamano formule di struttura delle molecole. L'alcool e l'etere di cui stiamo parlando hanno le formule di struttura che si vedono in figura, dove i trattini indicano i legami fra gli atomi. Possiamo osservare che le due sostanze, diversissime, hanno molecole che si differenziano solo per la posizione dell'atomo di ossigeno.

Il controllo delle reazioni e i catalizzatori

Nelle mani dei chimici, le formule di struttura funzionano come il progetto di una casa nelle mani di un architetto: in base al progetto l'architetto può far costruire la casa, e i chimici possono cercare di costruire questa o quella particolare sostanza la cui struttura molecolare è nota. I chimici non possono però appiccicare

gli atomi nelle molecole con 'pinzette magiche': devono far reagire le sostanze per trasformarne le molecole e fare entrare gli atomi giusti al posto giusto. La sintesi di una molecola complicata è un gioco affascinante, ed è così che i chimici ottengono i coloranti, i medicinali, le plastiche.

Non si possono però far reagire fra di loro due sostanze solo perché lo vogliamo noi; ma se reagiscono, allora possiamo cercare di controllare la reazione per mezzo di altre sostanze, la cui funzione è duplice: dirigere la reazione nel modo migliore (cioè secondo le nostre intenzioni) e rendere la reazione più veloce. Queste sostanze particolari sono chiamate catalizzatori e i fenomeni di cui esse sono protagoniste, scoperti proprio da Berzelius, vanno sotto il nome di catalisi.

La chimica e la società industriale

All'inizio del Novecento erano già disponibili i concetti fondamentali necessari per capire la chimica: elementi e atomi, sostanze e molecole, formule di struttura, reazioni, catalizzatori. Il secolo che è trascorso ha aumentato enormemente le conoscenze dei chimici, che ora gestiscono nei loro laboratori strumentazioni imponenti, dirette principalmente alla determinazione rapida e automatica delle caratteristiche molecolari delle sostanze.

I risultati di questa immensa quantità di conoscenze potrebbero essere riassunti nella frase già citata: "Tutto è anche chimica", ma vale la pena fare esempi concreti, riferendoci a qualcosa d'importante per tutti: un'automobile. I metalli e le leghe (acciaio, rame, alluminio, leghe leggere) sono prodotti dell'industria metallurgica, i cui processi sono totalmente chimici; i rivestimenti interni, le imbottiture, i paraurti e molte altre parti dell'automobile sono prodotti dalle industrie chimiche delle materie plastiche e delle fibre sintetiche; vernici di protezione, olio e benzina per il motore sono ancora una volta prodotti chimici.

Chi dicesse "Niente chimica per favore!" dovrebbe fare a meno delle automobili, ma le difficoltà non sarebbero finite: non potrebbe usare prodotti cosmetici, sapone da barba o cipria, dovrebbe andare in giro praticamente nudo e ‒ cosa peggiore ‒ non potrebbe curarsi con nessuna medicina acquistata in farmacia. Senza chimica si tornerebbe presto all'Età della Pietra.

Ambiente, inquinamento e sicurezza

Come tutte le attività importanti dell'umanità, il far chimica non ha soltanto il volto luminoso del progresso e del benessere di cui abbiamo trattato finora. Fino a pochi decenni fa, i chimici nei loro laboratori hanno sottovalutato i rischi delle manipolazioni lì effettuate per la loro stessa salute e sicurezza, e gli industriali chimici hanno spesso trascurato i pericoli per la salute dei lavoratori e i danni all'ambiente causati da impianti inquinanti. Questi atteggiamenti poco scrupolosi sono stati aggravati dalla quasi totale ignoranza di molti che hanno utilizzato malamente e in quantità eccessive prodotti chimici per l'agricoltura (fertilizzanti, diserbanti) o per la casa (detersivi, materiali plastici). Infine si deve ricordare il fatto che vere e proprie organizzazioni criminali si sono arricchite fingendo di disporre rifiuti tossici secondo la legge, per poi abbandonarli nelle cave o riversarli nei fiumi.

I movimenti ecologisti, una legislazione più severa e una presa di coscienza di chimici e industriali hanno portato a un codice di comportamento internazionale ‒ a cui aderisce anche l'industria chimica italiana ‒ che ha nettamente migliorato la situazione dal punto di vista della sicurezza dei lavoratori e della protezione dell'ambiente. Contemporaneamente scienziati e tecnici hanno cominciato a mettere a punto processi di produzione chimica più sicuri e meno inquinanti. Rimane del tutto aperta la grave questione dell'uso sconsiderato di prodotti chimici da parte di persone prive di qualsiasi conoscenza chimica.

La chimica affronta grandi problemi

Il flusso continuo di prodotti utili per l'umanità non deve far dimenticare che la chimica ha davanti a sé grandi problemi, scientifici e pratici, ancora da risolvere. L'industria chimica ha usato finora processi spesso molto costosi dal punto di vista del consumo di energia. Dentro di noi avvengono migliaia di reazioni diverse, che si sviluppano in modo 'dolce' alla temperatura del nostro corpo. I chimici stanno cercando di realizzare reazioni di interesse industriale imitando il comportamento 'dolce' della natura, con un forte risparmio di energia e nessun danno per l'ambiente. Il cammino per raggiungere questo obbiettivo è lungo, ma la strada è già stata aperta.

Un altro problema insoluto della chimica è tra i più importanti delle scienze sperimentali: la vita sulla Terra ha avuto origine dallo svilupparsi spontaneo di reazioni sempre più complicate? Le molecole sempre più complesse nate da queste reazioni si sono aggregate in minuscoli organismi in grado di riprodursi? Le prime risposte a questi interrogativi sono promettenti e di anno in anno nei laboratori chimici si conferma che le domande sull'origine della vita sono serie, difficili ma anche entusiasmanti.

La chimica di Goethe e di Primo Levi

Il fascino delle chimica ha colpito molti scrittori. All'inizio dell'Ottocento lo scrittore tedesco Goethe pubblicò Le affinità elettive, un romanzo ispirato alle teorie chimiche del tempo, considerato uno dei più belli della letteratura occidentale. Ma l'autore che ha maggiormente riversato nei suoi scritti lo spirito forte e un po' elusivo della chimica è stato l'italiano Primo Levi. Reduce da un campo di concentramento nazista, Levi ha dato alla letteratura mondiale un capolavoro dal titolo Se questo è un uomo, in cui racconta come gli sia stato possibile rimanere vivo grazie al suo essere un chimico. A Levi dobbiamo anche una splendida raccolta di brevi racconti, Il sistema periodico, ciascuno dei quali è dedicato a un elemento chimico; nel racconto intitolato Argento scrive che lo scopo del libro è "convogliare ai profani il sapore forte ed amaro del nostro mestiere di chimici, che è poi un caso particolare, una versione più strenua del mestiere di vivere".

La cultura chimica dei cittadini

Nella nostra società tutto ciò che si usa nell'agricoltura, nell'industria e nella vita quotidiana può avere un risultato più o meno positivo, a seconda delle sue specifiche proprietà chimiche e del modo con cui è impiegato. Come consumatori consapevoli dei nostri diritti dobbiamo esigere che ogni prodotto in commercio sia accompagnato da precise informazioni sulle sue caratteristiche chimiche e sul modo corretto di usarlo. Però come cittadini possiamo esercitare questi nostri diritti soltanto conoscendo quei principi fondamentali della chimica che permettono di capire se siamo tutelati o se siamo ingannati.