Le leggi della chimica

Lezioni d'Autoredi Giorgio Benedetti

LE TRASFORMAZIONI DEI METALLI

A partire dal XVI secolo lo sviluppo dell’estrazionemineraria, della fusione e della raffinazione dei metalliin Europa conobbe un forte incremento siaquantitativo che qualitativo, quale non si era mairegistrato in precedenza.

Ciò portò sia gli artigiani che gli studiosi a porreun’attenzione particolare ai fenomeni ditrasformazione che i metalli subivano per trattamentocon il fuoco in presenza di aria, insieme a quelle chepermettevano di ripristinare il metallo di partenza.

I TRATTAMENTI TERMICI DEI METALLI: LA CALCINAZIONE

Durante i trattamenti termici parte del metallo sitrasformava in scoria (calcinazione)

La somiglianza della scoria metallica con la cenereottenuta dalla combustione del legno ed il fatto cheentrambi avvenivano in presenza di aria, portò aritenere analoghi i due fenomeni.

Era noto che entrambi i processi, così come larespirazione, avvengono in presenza di aria. Tuttavia :

nella combustione si aveva una diminuzione delpeso del materiale di partenza

nella calcinazione dei metalli il peso aumentava

ALCUNE IPOTESI SULLA COMBUSTIONE

V. Biringuccio (1480-1537) nel suo trattato De lapirotecnia, spiegò questi risultati immaginando chel’azione del fuoco, allontanando le particelle acquose eaeree dal metallo ed essendo queste più leggere etendenti verso l’alto, lo rendessero più compatto e quindipiù pesante.

R. Boyle (1627-1691) ipotizzò che questo fosse dovutoall’incorporazione nei pori del metallo di particelle igneepresenti nella fiamma che a causa della loro sottigliezzariuscivano a passare attraverso i recipienti di vetro in cuisi effettuava la calcinazione.

R. Hooke (1635-1703), sostenne invece che vi fossenell’aria un gas responsabile della combustione edell’aumento di peso ottenuto dopo la calcinazione deimetalli.

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 dellamateria del Settecento, fu la scoperta del terzo statodella materia, quello gassoso e la nascita di un nuovofilone di ricerche, la chimica pneumatica.

Nel 1752 J. Black (1728–1799), sottoponendo lamagnesia alba (MgCO3) ad un forte riscaldamentoottenne la magnesia usta (MgO) ma anche una sostanzagassosa che chiamò aria fissata (l’anidride carbonica)

Nel 1766 H. Cavendish (1731–1810) facendo reagiredegli acidi con dei metalli, scoprì un’aria infiammabile(l’idrogeno)

Nel 1772 D. Rutherford (1749–1819) presentò lascoperta di un’altra nuova aria, detta mefitica oflogisticata (l’azoto)

Nel 1774 J. Priestly (1733–1804) scopre l’ossigeno, chechiama 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 ilmercurio mediante un riscaldamento prolungato,ottenendo una polvere rossa del metallo (ossido dimercurio) che successivamente riscaldòenergeticamente, rigenerando così il metallo e un gasche aveva la capacità di mantenere vivace lacombustione

Si trattava dell’ossigeno, una “porzione più puradell'aria”, che Lavoisier definirà anche “ariaeminentemente respirabile

Questo gli permise di dimostrare che una partedell’aria partecipava direttamente alla trasformazionee che pertanto i fenomeni di combustione potevanoessere spiegati senza la teoria del flogisto

ESPERIMENTI SULLA NATURA DELL’ACQUA

Nel 1783 H. Cavendish (1731–1810) realizzò unaserie di esperimenti sulla combustione dell’idrogeno inpresenza di ossigeno ottenendo l’acqua come risultatodella combinazione delle due arie e inserendo lascoperta all’interno della teoria del flogisto

Nello stesso anno Lavoisier ripete gli stessiesperimenti di Cavendish confermando la naturacomposta dell’acqua ma dando una spiegazionediversa, cioè che l’acqua era il risultato dell’unione didue sostanze elementari, l’idrogeno e l’ossigeno

Successivamente Lavoisier riuscì a realizzare ladecomposizione dell’acqua in idrogeno ed ossigenoconfermando in maniera definitiva la natura dell’acqua

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA

Queste scoperte porteranno Lavoisier a formulare, nelTraité Élémentaire de Chimie (1789), l’ipotesimoderna di elemento chimico, in cui esso diventasinonimo di corpo semplice, portatore dellecaratteristiche fondamentali, che lo distinguono daglialtri elementi e lo mettono in relazione con le sostanzecomposte che lo contengono.

Nello stesso trattato verrà enunciata una delle primeleggi fondamentali della chimica moderna, quella diconservazione della massa:

“Nulla si crea, nelle operazioni artificiali, né in quelle della natura, epossiamo porre come principio che in ogni operazione vi è una egualequantità di materia prima e dopo l'operazione; che la qualità e laquantità dei principi è la stessa e che vi sono soltanto dei cambiamenti,delle modificazioni. Su questo principio è fondata tutta l'arte di fareesperimenti in chimica: siamo obbligati a supporre in tutti una verauguaglianza o identità fra i principi dei corpi esaminati e quelli ottenutimediante l'analisi”.

INTRODUZIONE DEL METODO QUANTITATIVO IN CHIMICA

Con la teoria chimica di Lavoisier, la determinazionedel peso delle sostanze, che in precedenza era statoconsiderato una variabile non importante nellacomprensione dei fenomeni chimici, diventava lagrandezza fondamentale della chimica

L’entrata nella pratica e nella teoria della chimicadell’analisi ponderale pose la questione dellacomposizione quantitativa delle sostanze reagenti e diquelle prodotte in una reazione chimica

Questa consentì di evidenziare le regolarità che simanifestano nel corso delle reazioni chimiche e diformulare le prime leggi quantitative della chimicamoderna

LEGGE DI PROUST O DELLE PROPORZIONI DEFINITE

J. L. Proust (1754-1826) dal 1797al 1809 condusse una serie diricerche sulla composizione didifferenti ossidi metallici, arrivandoad enunciare la legge delleproporzioni definite, secondo laquale 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 sullanatura della materia, affermando chetutta la materia è formata daparticelle, gli atomi, intere indivisibilie indistruttibili, tutte uguali tra loro,aventi lo stesso peso, ma diverse daun elemento ad un altro

Sperimentalmente ricavò la leggedelle proporzioni multiple cheafferma:

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. Gay-Lussac 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 alchimico S. Cannizzaro (1826-1910), che espose alcongresso di Karlsruhe nel 1860 il suo metodo per ladeterminazione corretta delle masse degli elementibasato 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 unitàstrutturale fondamentale della materia collegata almondo degli atomi e dei corpi macroscopici

FINE