In molti modi, la storia della civiltà è la storia della chimica – lo studio della materia e delle sue proprietà. Gli esseri umani hanno sempre cercato di identificare, usare e cambiare i materiali nel nostro ambiente. I primi vasai trovarono bellissimi smalti per decorare e conservare i loro oggetti. Pastori, birrai e viticoltori usavano tecniche di fermentazione per fare formaggio, birra e vino. Le casalinghe leccavano la liscivia dalla cenere di legno per fare il sapone. I fabbri impararono a combinare rame e stagno per fare il bronzo. Gli artigiani impararono a fare il vetro; i pellettieri conciarono le pelli.
Nell’ottavo secolo dopo Cristo, Jābir ibn Hayyān, un astronomo, filosofo e scienziato musulmano, divenne uno dei primi ad usare metodi scientifici per studiare i materiali. Conosciuto anche con il suo nome latinizzato, Geber, è conosciuto come il “padre della chimica”. Si pensa che sia l’autore di 22 pergamene che descrivono i metodi di distillazione, cristallizzazione, sublimazione ed evaporazione. Ha inventato l’alambicco, un dispositivo utilizzato per distillare e studiare gli acidi. Ha anche sviluppato un primo sistema di classificazione chimica utilizzando le proprietà dei materiali che studiava. Le sue categorie erano:
- “Spiriti” – materiali che vaporizzavano se riscaldati.
- “Metalli” – tra cui ferro, stagno, rame e piombo.
- Sostanze non malleabili – materiali che potevano essere trasformati in polvere, come la pietra.
Oggi potremmo chiamare materiali simili “sostanze chimiche volatili, metalli e non metalli.”
Chimica classica
In Europa, lo studio della chimica era condotto dagli alchimisti con l’obiettivo di trasformare i metalli comuni in oro o argento e inventare un elisir chimico che avrebbe prolungato la vita. Anche se questi obiettivi non furono mai raggiunti, ci furono alcune importanti scoperte fatte nel tentativo.
Robert Boyle(1627-1691) studiò il comportamento dei gas e scoprì la relazione inversa tra volume e pressione di un gas. Affermò anche che “tutta la realtà e il cambiamento possono essere descritti in termini di particelle elementari e del loro movimento”, una prima comprensione della teoria atomica. Nel 1661, scrisse il primo manuale di chimica, “The Sceptical Cymist”, che spostò lo studio delle sostanze dalle associazioni mistiche con l’alchimia verso l’indagine scientifica.
Nel 1700, l’Età dei Lumi aveva messo radici in tutta Europa. Joseph Priestley (1733-1804) confutò l’idea che l’aria fosse un elemento indivisibile. Dimostrò che era invece una combinazione di gas quando isolò l’ossigeno e continuò a scoprire altri sette gas discreti. Jacques Charles continuò il lavoro di Boyles ed è noto per aver affermato la relazione diretta tra temperatura e pressione dei gas. Nel 1794, Joseph Proust studiò i composti chimici puri e dichiarò la Legge delle Proporzioni Definite – un composto chimico avrà sempre il suo rapporto caratteristico di componenti elementari. L’acqua, per esempio, ha sempre un rapporto di due a uno tra idrogeno e ossigeno.
Antoine Lavoisier (1743-1794) fu un chimico francese che diede importanti contributi alla scienza. Mentre lavorava come esattore delle tasse, Lavoisier aiutò a sviluppare il sistema metrico decimale per assicurare pesi e misure uniformi. Fu ammesso all’Accademia Francese delle Scienze nel 1768. Due anni dopo, all’età di 28 anni, sposò la figlia tredicenne di un collega. Marie-Anne Lavoisier è nota per aver assistito il marito nei suoi studi scientifici, traducendo documenti inglesi e facendo numerosi disegni per illustrare i suoi esperimenti.
L’insistenza di Lavoisier sulla misurazione meticolosa portò alla sua scoperta della legge di conservazione della massa. Nel 1787, Lavoisier pubblicò “Metodi di nomenclatura chimica”, che includeva le regole per nominare i composti chimici che sono ancora in uso oggi. Il suo “Trattato elementare di chimica” (1789) fu il primo libro di testo di chimica moderna. Definì chiaramente un elemento chimico come una sostanza che non può essere ridotta in peso da una reazione chimica ed elencò ossigeno, ferro, carbonio, zolfo e quasi 30 altri elementi allora conosciuti. Il libro aveva però alcuni errori: elencava la luce e il calore come elementi.
Amedeo Avogadro (1776-1856) era un avvocato italiano che iniziò a studiare scienza e matematica nel 1800. Espandendo il lavoro di Boyle e Charles, chiarì la differenza tra atomi e molecole. Ha continuato ad affermare che volumi uguali di gas alla stessa temperatura e pressione hanno lo stesso numero di molecole. Il numero di molecole in un campione di 1 grammo di peso molecolare (1 mole) di una sostanza pura è chiamato costante di Avogadro in suo onore. È stato determinato sperimentalmente essere 6,023 x 1023 molecole ed è un importante fattore di conversione usato per determinare la massa dei reagenti e dei prodotti nelle reazioni chimiche.
Nel 1803, un meteorologo inglese iniziò a speculare sul fenomeno del vapore acqueo. John Dalton (1766-1844) era consapevole che il vapore acqueo fa parte dell’atmosfera, ma gli esperimenti dimostrarono che il vapore acqueo non si sarebbe formato in certi altri gas. Egli ipotizzò che questo avesse a che fare con il numero di particelle presenti in quei gas. Forse in quei gas non c’era spazio per far penetrare le particelle di vapore acqueo. O c’erano più particelle nei gas più “pesanti” o quelle particelle erano più grandi. Usando i suoi dati e la Legge delle Proporzioni Definite, determinò le masse relative delle particelle per sei degli elementi conosciuti: idrogeno (il più leggero e gli fu assegnata una massa di 1), ossigeno, azoto, carbonio, zolfo e fosforo. Dalton spiegò le sue scoperte enunciando i principi della prima teoria atomica della materia.
- Gli elementi sono composti da particelle estremamente piccole chiamate atomi.
- Gli atomi dello stesso elemento sono identici per dimensioni, massa e altre proprietà. Gli atomi di elementi diversi hanno proprietà diverse.
- Gli atomi non possono essere creati, suddivisi o distrutti.
- Gli atomi di elementi diversi si combinano in semplici rapporti di numeri interi per formare composti chimici.
- Nelle reazioni chimiche gli atomi vengono combinati, separati o riorganizzati per formare nuovi composti.
Dmitri Mendeleev (1834-1907) era un chimico russo noto per aver sviluppato la prima tavola periodica degli elementi. Ha elencato i 63 elementi conosciuti e le loro proprietà su delle carte. Quando dispose gli elementi in ordine di massa atomica crescente, poté raggruppare elementi con proprietà simili. Con poche eccezioni, ogni settimo elemento aveva proprietà simili (L’ottavo gruppo chimico – i gas nobili – non era ancora stato scoperto). Mendeleev si rese conto che se lasciava degli spazi per i posti in cui nessun elemento conosciuto rientrava nello schema, questo era ancora più esatto. Usando gli spazi vuoti nella sua tabella, fu in grado di predire le proprietà degli elementi che dovevano ancora essere scoperti. La tabella originale di Mendeleev è stata aggiornata per includere i 92 elementi presenti in natura e i 26 elementi sintetizzati.
Descrivere l’atomo
Nel 1896, Henri Becquerel scoprì la radiazione. Insieme a Pierre e Marie Curie, ha dimostrato che alcuni elementi emettono energia a tassi fissi. Nel 1903, Becquerel condivise il premio Nobel con i Curie per la scoperta della radioattività. Nel 1900, Max Planck scoprì che l’energia deve essere emessa in unità discrete che chiamò “quanti” (poi chiamati fotoni) e non in onde continue. Sembrava che gli atomi fossero costituiti da particelle ancora più piccole, alcune delle quali potevano allontanarsi.
Nel 1911, Ernst Rutherford dimostrò che gli atomi consistevano in una piccola regione densa e carica positivamente circondata da aree relativamente grandi di spazio vuoto in cui si muovono particelle ancora più piccole e cariche negativamente (elettroni). Rutherford ipotizzò che gli elettroni orbitassero attorno al nucleo in orbite separate e ordinate, proprio come i pianeti orbitano attorno al sole. Tuttavia, poiché il nucleo è più grande e più denso degli elettroni, non riusciva a spiegare perché gli elettroni non fossero semplicemente tirati nel nucleo, distruggendo così l’atomo.
Il modello atomico di Niels Bohr (1885-1962) risolse questo problema usando le informazioni di Planck. I fotoni vengono emessi da un atomo stimolato elettricamente solo a certe frequenze. Egli ipotizzò che gli elettroni abitano livelli energetici distinti e la luce viene emessa solo quando un elettrone “eccitato” elettricamente è costretto a cambiare livello energetico.
Gli elettroni nel primo livello energetico, più vicino al nucleo, sono strettamente legati al nucleo e hanno un’energia relativamente bassa. Nei livelli più lontani dal nucleo gli elettroni hanno un’energia crescente. Gli elettroni nel livello energetico più lontano dal nucleo non sono legati così strettamente e sono gli elettroni coinvolti quando gli atomi si legano insieme per formare i composti. La natura periodica delle proprietà degli elementi è il risultato del numero di elettroni nel livello energetico esterno che possono essere coinvolti nei legami chimici. Anche se i modelli di Bohr sono stati sostituiti da modelli atomici più accurati, i principi sottostanti sono solidi e i modelli di Bohr sono ancora usati come diagrammi semplificati per mostrare i legami chimici.
La nostra comprensione dell’atomo ha continuato ad essere raffinata. Nel 1935, James Chadwick ha ricevuto il premio Nobel per la sua scoperta che ci sono un numero uguale di particelle elettricamente neutre nel nucleo di un atomo. Poiché i neutroni sono elettricamente neutri, non vengono deviati né dagli elettroni né dai protoni. Inoltre, i neutroni hanno più massa dei protoni. Questi fatti si combinano per rendere possibile ai neutroni di penetrare negli atomi e rompere il nucleo, rilasciando grandi quantità di energia. Negli ultimi anni, è sempre più evidente che i protoni, neutroni ed elettroni della chimica classica sono costituiti da particelle subatomiche ancora più piccole. Le scienze della chimica e della fisica sono sempre più intrecciate e le teorie si sovrappongono e si scontrano mentre continuiamo a sondare i materiali di cui è fatto il nostro universo.
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