2 - qualche tappa "preistorica" e "storica" della teoria atomica

Esaminare la storia della elaborazione di un modello è importante per rendersi conto di come avvenga lo sviluppo della conoscenza scientifica ed anche per capire che ogni modello non può essere considerato definitivo e perfetto: lo è solo fino a quando i dati sperimentali rientrano nel modello disegnato ed accettato; quando essi divergono, occorre modificarlo o, addirittura, cambiarlo totalmente.

 

Fig.2.1 Schematizzazione dei processi che portano alla costruzione e al mantenimento di un modello scientifico.

Lo schema rappresenta una elaborazione delle teorie di Popper:

la realtà (cioè uno o più fenomeni reali), mediante processi di analogia, viene rappresentata in un modello; questo viene implementato (costruito razionalmente), generalizzato (anche ad altri fenomeni analoghi) e codificato (mediante strumenti e conoscenze matematiche viene espresso in modo "formale"); questa sequenza di processi porta ad una teoria.

Ogni teoria deve essere poi falsificata (messa in crisi con nuove esperienze o utilizzando nuovi dati sperimentali), particolarizzata (applicata al fenomeno specifico) ed estesa (ad altri fenomeni). Se questa sequenza regge, il modello viene mantenuto; se non regge il modello deve essere adeguato (modificandolo) oppure può essere necessario anche cambiarlo totalmente.

costruzione di un modello scientifico

 

L'esempio della teoria atomica è esemplare ed emblematico, tanto più che copre un arco temporale enorme, di circa 2500 anni; ma il processo di costruzione di ogni modello ha avuto traversie simili, seppure in un arco di tempo più ridotto.

Quasi sempre esso è ricostruibile attraverso il pensiero e le opere di grandi personaggi della storia della scienza. Verranno ricordate solo alcune delle moltissime tappe significative; dei vari personaggi inoltre verranno menzionate solo le idee che possono riferirsi agli attuali modelli: ovviamente essi hanno espresso anche idee contrastanti o devianti rispetto ai modelli, ma sarebbe troppo dispersivo citarle.

 

Democrito (460-370 a.C.): descrive un primo completo e coerente sistema materialistico: esistono "atomi" (dal greco a-tomos = indivisibile) immersi in uno spazio vuoto; dal loro movimento derivano tutte le cose, in modo meccanico e deterministico.

 

Epicuro (341-270 a.C.): l'universo è eterno ed immutabile ed è costituito da atomi immutabili; questi sono di infinite forme, pesi e grandezze; gli atomi, cadendo, possono deviare dalla loro traiettoria, creando eventi imprevedibili (il determinismo non è più rigido). Nella cultura latina la filosofia epicurea è stata diffusa  da Tito Lucrezio Caro, noto semplicemente come Lucrezio, nello splendido poema "De rerum natura".

 

***Occorre notare che queste "teorie atomistiche" sono puramente filosofiche, poiché escludono l'esperimento per confermarle (lo escludono in quanto non lo prendono nemmeno in considerazione: le attività manuali erano considerate di basso livello, inadatto ai cultori della sapienza, cioè ai "filosofi").

L'atomismo influenzò sempre gli studiosi, ma nel Medio evo fu accettata la teoria aristotelica dei "principi" (anche Dante la seguì), teoria più coerente con le idee della Chiesa e non "atea" e "materialistica". Questo fatto ha condizionato pesantemente il progresso delle teorie atomiche e della scienza in generale.

 

Fig.2.2 Rappresentazione delle categorie del mondo naturale secondo Aristotele e delle possibili trasformazioni che in esso avvengono.

 

Sono rappresentati i quattro elementi di Aristotele: fuoco (IGNIS), aria (AER), acqua (AQUA), terra (TERRA).

Sono indicati i passaggi da un elemento all'altro per somma (SUMMA) o perdita (REMISSA) di una delle quattro qualità: caldo (CALIDITAS), umido (HUMIDITAS), freddo (FRIGIDITAS), secco (SICCITAS).

Inoltre compaiono le combinazioni possibili e impossibili  (COMBINATIO POSSIBILIS, verticali od orizzontali, e IMPOSSIBILIS, diagonali) fra diverse qualità.

(G.W.Leibniz in Dissertatio de arte combinatoria, 1666)

le categorie del mondo secondo Aristotele

 

Pierre Gassendi (1592-1635) fisico e filosofo francese, diffonde la teoria, cercando di conciliarla con la religione (gli atomi sono creati da Dio); esistono atomi di varie forme, anche con uncini (concetto di legame); unendosi formano particelle più grandi, "molecole" (il termine fu codificato solo molto più tardi, ma per molto tempo, fino agli inizi del 1800, si continuò a usare indifferentemente i termini atomo, elemento, molecola); queste molecole possono essere così grandi da essere percettibili dall'uomo, magari migliorando l'"enghiscopio", antenato del microscopio, che lui stesso usava.

 

Robert Boyle (1627-1691), irlandese: in "The Sceptical Chymist" afferma che le reazioni avvengono quando atomi con minore "affinità" sono sostituiti da atomi con affinità maggiore; (in quel periodo erano molto diffuse le "Tabulae affinitatum", nelle quali varie sostanze ed elementi erano tabulate su colonne; per ogni sostanza veniva messa in sequenza l'affinità, cioè la capacità di reagire, di varie altre sostanze; esempi di tabulae affinitatum compaiono più avanti, nelle figure 2.7, 2.9, 2.10); spiega le proprietà con le forme e il movimento dei corpuscoli; deve però "purgare" la teoria dall'"atomismo" di Epicuro; infatti subì un processo per eresia in cui dovette abiurare dalla teoria di Epicuro.

 

Isaac Newton (1642-1727), fisico inglese: i corpi sono formati da particelle primordiali (che chiama "minima") "tanto dure che non si logorano mai e mai si rompono in frammenti"; "i corpi composti possono frammentarsi... solo dove queste particelle sono a contatto..."; "l'agganciamento delle particelle è dovuto al fatto che esse si attraggono l'un l'altra con una forza che è molto grande... quando sono a contatto" (Newton cercò di generalizzare anche al mondo microscopico le sue teorie sulla gravitazione universale).

 

Leonhard Euler (1707-1783), matematico svizzero tedesco (anche un matematico, speculatore astratto, si pone problemi estremamente concreti; sembra un vero "chimico di laboratorio"): "per la conoscenza degli elementi è necessario... il maggiore numero di esperienze nelle quali decomporre i corpi fino a ridurli ai loro principi... che potranno venire considerati elementi...; esistono tanti elementi quanti tipi di atomi esistono..."

 

Michail V. Lomonosov (1711-1765), russo: "il fondamento di ciò che è proprio ai corpi naturali va ricercato nelle qualità dei corpuscoli che li compongono e nel modo della loro reciproca disposizione; un "principio" è formato da corpuscoli eguali, un "corpo misto" è costituito da due o più diversi principi..."

 

Bryan e Williams Higgins, fisici inglesi seguaci di Newton dal 1775 al 1995: gli atomi di tutti gli elementi sono solidi e hanno forma sferica o quasi sferica; gli atomi si attraggono con forze inversamente proporzionali al quadrato delle distanze (teorie gravitazionali).

 

*** E' da notare che, finora, nessuno di questi scienziati è stato definito "chimico", dato che allora la chimica moderna non si poteva considerare ancora nata; i primi pensatori o scienziati erano di formazione "fisici" (che si interessavano cioè della Natura e delle sue leggi, in greco "fisis" fusis) o medici o matematici.

 

Fig.2.3 Un ritratto di John Dalton

John Dalton (1766-1844) scienziato inglese, fondatore dell'atomistica chimica moderna; usando miscele gassose (inizia con lui quella che viene chiamata "chimica pneumatica", dal greco "pneuma" pneuma, aria), studia e chiarisce le relazioni ponderali fra elementi; nel 1801-2 enuncia la "legge delle pressioni parziali"; afferma, sbagliando (anche gli errori sono importanti, purché vengano poi riconosciuti!), che il numero di particelle di vari gas in un dato volume sia diverso; afferma che è necessario determinare numero e peso di tutti gli elementi, che gli atomi di elementi diversi sono diversi per qualità e peso specifico, che atomi di una stessa sostanza sono identici, che atomi diversi hanno la capacità di combinarsi in rapporti diversi (giustificando la legge delle "proporzioni multiple"), che gli atomi sono inalterabili e indivisibili (giustificando la "legge della conservazione di massa" di Lavoisier), che atomi di sostanze diverse hanno pesi atomici diversi.

John Dalton

Dalton effettua il primo calcolo del rapporto fra questi pesi e quello dell'atomo di idrogeno, compilando una prima tabella di pesi atomici, il 6 settembre 1803, tabella affetta da errori concettuali, ma fondamentale perché la prima che sia stata elaborata (gli errori sono legati alla convinzione che il numero di particelle di vari gas in un dato volume possa essere diverso; d'altronde non aveva conoscenza dell'esistenza di molecole biatomiche, perciò interpretò le sue esperienze sulla base che il gas idrogeno fosse H e non H2)

atomo primario

peso atomico

note

idrogeno

1

da acqua, come HO
ossigeno

5,66

 
azoto

4

da ammoniaca ,come NH
carbonio

4,5

da H2CO3, usando 5,66 per O
acqua

6,66

come HO
ammoniaca

5

come NH
ossido nitrico

13,66

come N2O
zolfo

17

da acido solforoso come SO
acido solforoso

22,66

come SO
acido solforico

28,32

come SO2
acido carbonico

15,8

come CO2
ossido di carbonio

10,2

come CO

Fig.2.4 Prima tabella dei pesi atomici elaborata da Dalton (1803).

Egli usò inoltre simboli nuovi per identificare gli atomi, ma anche per alcuni composti, poiché non esistevano ancora metodi per individuarli come tali, per esempio KOH e NaOH; adottò anche un modello simbolico per mostrare che gli atomi potevano unirsi in rapporti diversi, pur immaginando "molecole" assolutamente improbabili e, alla luce delle attuali conoscenze, impossibili.

Fig.2.5 Simboli adottati da Dalton per identificare elementi o sostanze e molecole ipotetiche tra atomi diversi.

La notazione è mista: per ogni elemento la base è un cerchio, ma prevede anche lettere e simboli grafici aggiuntivi.

Nella prima riga, da sinistra, i primi simboli sono O, H, N, C, S e P.

Il primo della seconda riga è Hg. 

Alcuni simboli corrispondono a composti, allora ancora non identificabili come tali, per esempio KOH e NaOH, ultimi due della terza riga; barite, il terzo e MgO, l'ultimo della quarta riga.

alcuni simboli adottati da Dalton
Fig.2.6 Molecole poliatomiche ipotizzate da Dalton espresse con i simboli della figura 7a.

Nella parte riguardante i composti sono indicati possibili combinazioni di atomi:

nella prima serie, O con H;

nella seconda O con N;

nella terza O con C ed S;

nella quarta O con P a sinistra e H con N e C a destra;

nella quinta H con S e P a sinistra, S con P a destra.

Molte combinazioni sono assolutamente fantastiche, per esempio OH, O2H, O3H, O4H o ancora HN e HC, HS e HS2, PS e PS2.

Altre combinazioni rappresentano invece molecole realmente esistenti, come diversi ossidi di N, di S e di C.

molecole poliatomiche ipotizzate da Dalton

 

Per capire l'importanza del contributo di Dalton allo sviluppo della moderna chimica, con la sua innovativa simbologia, basti pensare che, prima di lui, vigeva ancora l'abitudine di tentare di "comunicare" mediante simbologie che si rifacevano all'alchimia ed all'astrologia, con descrizioni di processi che sembravano più racconti fantastici che esperienze reali e con simboli fantasiosi e mitologici, più o meno comprensibili anche per gli "addetti ai lavori".

Fig.2.7 Esempio di "Tabula affinitatum" tra sostanze diverse (E.F.Geoffroy, 1718) di uso comune ancora alla fine del 1700

Nella riga in alto compaiono simboli di sostanze o elementi; nelle colonne, in corrispondenza ad ogni singolo elemento o sostanza, l'affinità nei suoi riguardi di altre sostanze o elementi.

Quello che ha la massima affinità si trova nella seconda riga, poi nella terza e così via, fino alla sostanza o all'elemento che ha la minima affinità fra quelli considerati.

Il concetto usato nella costruzione della tabula era che la sostanza che ha maggiore affinità sposta quella che ha minore affinità.

La simbologia usata è quella generalmente in uso nell'alchimia (Au = Sole; Ag = Luna; Fe = Marte; Cu = Venere, etc.)

un esempio di Tabula affinitatum

Per una lettura della tabula, potremmo nominare le colonne secondo le lettere dell'alfabeto, le righe con i numeri interi cominciando da uno, secondo lo schema:

a b c d e f g h i l m n o p q r
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Fig.2.8 Schema per la lettura della Tabula affinitatum.

Così, utilizzando le regole degli scacchi o della "battaglia navale", e tenendo presente che la riga 1 corrisponde alla sostanza in oggetto, possiamo individuare un riquadro qualsiasi, per osservare per esempio che:

- per HCl "acido del sale marino", colonna b, la massima affinità è presentata da Sn (b2), minore da Cu (b4), poi Ag (b5), Hg (b6) e, molto lontano, Au (b9).

- per Na carbonato "sale alcalino fisso", colonna f, la massima affinità è dell'acido solforico (vitriolico) (f2), poi del nitrico (f3), del cloridrico (f4), dell'acetico (f5, spirito di aceto di vino).

- per Hg, colonna l, teniamo presente che il mercurio fa amalgama soprattutto con i metalli nobili: primo Au (l2), Ag (l3), Pb (l4), Cu (l5), Zn (l6), Sb (l7).

- per Ag, colonna o, primo Pb (o2), poi Cu (o3), con i quali fa leghe; per il resto non ha affinità con altro o quasi: infatti è un metallo nobile, inattaccabile normalmente anche dagli acidi.

Addirittura non esiste nemmeno una colonna per Au, essendo praticamente inutile. Si può tentare facilmente di dare una interpretazione ad altre parti della tabula, alla luce delle conoscenze attuali, per osservare altre corrispondenze a reazioni note.

E' interessante notare che molti metalli utilizzano simboli astrologici di pianeti, della luna e del sole: l'oro ha il simbolo del sole (b9), l'argento quello della luna (b5), il ferro quello di Marte (c2), il rame quello di Venere (b4), il piombo quello di Saturno (c4), lo stagno quello di Giove (b2), il mercurio quello di...Mercurio (c5).

Fig.2.9 Altro esempio di "Tabula affinitatum", detta anche "Table de rapports", tratta dalla famosa "Encyclopédie ou Dictionnaire raisonné des sciences des arts et des métiers" di Diderot e D'Alembert, edita a Lucca 1758-1776

Il metodo di lettura è lo stesso e uguale è la simbologia.

un'altra Tabula afinitatum

 

Fig.2.10 Un altro esempio, molto raffinato dal punto di vista dell'immagine, è quello a fianco, " Tabula affinitatum inter differentes substantias", che si trova presso il Museo delle scienze di Firenze. e ancora un'altra Tabula affinitatum

Ma si trattava, comunque di simboli convenzionali che solo pochi potevano comprendere. L'adozione di simboli per comunicare con tutta la comunità degli studiosi è equivalente alla costruzione di una lingua in una società: non esiste progresso se non esiste comunicazione.

 

Fig.2.11 Un famoso ritratto di Lavoisier con la moglie, opera di Jacques-Louis David (ora al Metropolitan Museum of Art di New York)

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794): chimico francese, fu ghigliottinato alla fine della Rivoluzione Francese; studia le reazioni chimiche e formula il principio della conservazione della massa nelle reazioni chimiche; genialmente riesce a coordinare in un sistema razionale esperienze e teorie parziali di molti scienziati europei, creando le basi della "chimica" propriamente detta; corregge, benché a fatica, data la diffidenza del mondo scientifico verso i cambiamenti, molti errori concettuali (per esempio la teoria del flogisto, ancora imperante fra esìmi chimici anche dopo la sua morte, per esempio Stahl).

Antoine Laurent Lavoisier

 

Joseph Louis Proust (1754 -1826): formula la legge delle proporzioni definite (per il rapporto in peso degli elementi costituenti un composto); ciò comporta che esista discontinuità nella materia: è necessario perciò ipotizzare l'esistenza di "atomi" come costituenti.

 

Amedeo Avogadro (1776 - 1856) avvocato torinese: deduce, dalle esperienze sui gas di Joseph Louis Gay-Lussac, chimico francese (combinazioni di sostanze gassose sempre in rapporti definiti e semplici) e dalle teorie di Dalton che: volumi eguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di pressione e di temperatura, contengono lo stesso numero di particelle, come aveva già pensato il grande chimico svedese Jacob Berzelius, che però sbagliava in quanto si riferiva ad atomi e non a molecole; Avogadro infatti ipotizza (1811) che le molecole di gas usate siano biatomiche (H2, Cl2, HCl...); in particolare lui parla di "molecole integranti" o "costituenti" (molecole), composte da "molecole elementari" o "parziali" o "semplici" (atomi); in questo modo l'ipotesi è verificabile. Ma la sua idea non viene accettata dal mondo scientifico.

 

Fig.2.12 Stanislao Cannizzaro in una sua foto

Stanislao Cannizzaro (1826 - 1910) palermitano, seguì studi di medicina, poiché a Palermo non esisteva altro insegnamento scientifico; poi ebbe la possibilità di trasferirsi in Piemonte dove ebbe una vera formazione chimica;

stabilisce un metodo di deduzione dei pesi atomici relativi; riesce a convincere il mondo scientifico della validità dell'ipotesi di Avogadro e della teoria atomica al primo congresso internazionale di chimica a Karlsruhe, in Germania, nel 1860.

In tale occasione vengono prese anche altre importanti decisioni, per esempio sui simboli chimici che saranno convenzionalmente usati a livello mondiale, sul concetto di "equivalente", sui metodi di determinazione dei pesi atomici, tanto che a quella data si può far risalire la nascita della chimica moderna.

Stanislao Cannizzaro

 

Queste sono solo alcune delle tappe nello sviluppo iniziale del modello atomistico; moltissimi altri scienziati hanno dato il loro contributo nello stesso periodo di tempo considerato e ancora più negli anni successivi; tutti questi contributi hanno permesso l'elaborazione del modello attualmente accettato.

Alcuni testi di riferimento (ma ne esistono molti altri):

J.I. Solov'ev, L'evoluzione del pensiero chimico dal '600 ai giorni nostri, EST Mondadori, Milano, 1976.

A. Di Meo (a cura di), Storia della chimica in Italia, Gruppo Ferruzzi, Edizioni Theoria, Roma Napoli, 1989.


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