Urto efficace

L’intervista al filosofo Paolo Rossi è musica per le orecchie di chi nutre la passione per la storia delle idee. Ascoltatela: si tratta di circa due ore suddivise in quattro puntate, durante le quali il pofessore – venuto a mancare di recente – ci parla della sua vita e del percorso di ricerca che lo ha portato a studiare per molti anni le vie spesso tortuose attraverso le quali le teorie scientifiche nascono, muoiono, sono dimenticate, riemergono … Celebre è il suo libro “I filosofi e le macchine”, nel quale lo studioso prende in esame la rivoluzione scientifica del Seicento esplorando come questa si esplicitò attraverso l’ingegneria, le macchine appunto. Sino ad allora vigeva una rigida divisione (mai del tutto sradicata soprattutto in alcuni paesi) tra “arti liberali” e “arti meccaniche”: le prime – come la dialettica, la geometria e la musica - erano coltivate dagli uomini liberi; le seconde - alla base della costruzione di una casa o della coltivazione di un terreno – servivano, come diceva Aristotele, per apprestare le cose necessarie alla vita: un uomo può forse filosofare senza chi sbriga le faccende pratiche al suo posto? Non a caso la civiltà greca, così come tante altre, si reggeva sul lavoro degli schiavi, molti dei quali esperti nelle arti meccaniche. Eredità di questa concezione manichea della conoscenza (quella che realmente eleva l’uomo e quella che serve a fini pratici) fu il termine “meccanico” utilizzato in senso dispregiativo, come un insulto; nota è l’espressione manzoniana ”vile meccanico”, con la quale si designava colui che si occupava di questioni spesso fondamentali ed estremamente difficili, ma senza godere del prestigio dei veri intellettuali. Ma nel Seicento la figura del “meccanico” si impone all’attenzione pubblica: le arti meccaniche cominciano a conquistare il mondo. La tecnica esce finalmente dallo spazio angusto in cui era stata relegata a partire dai greci. Più tardi, Diderot e D’Alembert inclusero nelle voci della loro celebre Enciclopedia le questioni metafisiche così come la procedura per fabbricare un mulino. Una novità sconcertante in un tempo in cui la conoscenza era vista dai più a compartimenti stagni: quella elevata al piano superiore, la vile al piano terra. Incredibile, ma da noi, ahimè, c’è ancora qualcuno rimasto un pò indietro nella sua concezione del “vero” sapere.

Si dice che gli scienziati sono proiettati nel futuro mentre gli umanisti guardano al passato. In realtà questa suddivisione è tanto artificiosa quanto inutile: uno scienziato ha bisogno di conoscere le sue radici culturali quanto un umanista ne ha di sperare nell’avvenire. Paolo Rossi studiava il passato come un ricercatore esamina un campione di materia sconosciuto o quasi: cercando di conoscerne composizione, proprietà, provenienza; egli ha sempre mostrato una straordinaria capacità di esplorare il passato come si esplora un ”paese straniero”, per usare una sua metafora, pieno di voci in una lingua oscura. Riuscire a districarsi in questo vocio non è cosa da poco, soprattutto quando si cerca di costruire un’immagine di cosa è la scienza e di come è nata partendo dallo studio di grandi pensatori. Rossi ha scritto un altro celebre libro su  Francesco Bacone che scardinò parte degli aspetti cuciti addosso alla personalità di questo illustre filosofo, evidenziandone l’adesione e la contemporanea contrapposizione al mondo magico; il libro è “Francesco Bacone. Dalla magia alla scienza”. La scienza, dice Rossi, ha un debito verso la magia, anche se avversarla è stato necessario per la sua emancipazione. Un pò come un bambino diventa adolescente e poi uomo anche grazie alla contrapposizione agli adulti che cercano in qualche modo di frenarne lo sviluppo. Quando Bacone scrive che la scienza è potenza, prende letteralmente in prestito dai testi di magia la considerazione dell’uomo come ministro e interprete della natura, al quale spetta il compito di conoscere il mondo naturale al fine di dominarlo: un’idea da mago, non da filosofo aristotelico. Nella sua tensione al dominio della natura il  pensiero di Bacone ha molti punti in comune con quello del medico, filosofo e iatrochimico Paracelso: perennemente in bilico tra le vecchie idee e le nuove, tra magia e scienza. La stessa carenza degli aspetti quantitativi nella concezione baconiana della conoscenza richiama quelle pratiche magiche che lo stesso Bacone avversava in tutti i suoi aspetti; ad esempio nella concezione del mago solitario che parla solo a chi lo può capire. Al contrario, secondo Bacone la conoscenza deve essere nutrita da un continuo scambio comunicativo. Come non pensare al rapporto tra alchimia e chimica? Tra le pratiche magiche e misteriose degli alchimisti e l’universalità della conoscenza chimica? In effetti le scienze naturali si svilupparono per lungo tempo nella direzione adottata da Bacone. In particolare la chimica è profondamente debitrice del metodo induttivo di cui Bacone ha fornito le coordinate; inoltre essa non potè non essere baconiana per lunghissimo tempo, producendo conoscenze di tipo qualitativo e sostanziale: i primi chimici non avevano certo l’abitudine di soffermarsi sugli aspetti quantitativi (basti pensare alla teoria del flogisto); dobbiamo attendere la fine del diciottesimo secolo perché si abbia, con Lavoisier, un radicale cambiamento del ruolo della misura. Tuttavia già gli alchimisti, al tempo di Bacone, cominciavano a controllare il dato empirico in quanto tale, vedendo i fatti nella loro specificità e concretezza, comparando e classificando i fenomeni; in breve, prefigurando quella transizione a vera scienza di cui Bacone è stato in grossa parte responsabile. Possiamo dire che, al contrario di quanto comunemente si asserisce, la scienza moderna non ha un solo padre, Galilei. Alcune branche della scienza per le quali il dato qualitativo è stato (ed è in parte tuttora) fondamentale sono scienze baconiane prima ancora che galileiane: la chimica, la biologia, la medicina.

Ci sono scienze da sempre, dice Rossi riferendosi ad esempio alla matematica o alla geometria, e scienze recenti. La chimica è una scienza recente: c’erano tintori, farmacisti, alchimisti, c’era gente che a vario titolo manipolava i materiali, ma … non c’era alcun trattato, alcun manuale che assomigliasse a un manuale di chimica. Era un mondo frantumato che non era ancora chimica ma conteneva in sè le premesse per diventarlo. Come fa qualcosa che non è scienza a diventarlo? Alla chimica è accaduto, con processi complicati e difficili da decifrare e spiegare. Alla fine viene fuori un manuale e, cosa stupefacente, quel manuale vale in ogni parte del mondo. La gente, rimarca il filosofo, non pensa mai a questo: se oggi uno prende un manuale scritto in una lingua accessibile può studiare a Tokio così come a Melbourne e a Roma: ve bene dappertutto! Nè le religioni nè la politica nè l’arte sono riuscite in questa impresa.

Altro genitore a cui è possibile far risalire parte della paternità delle scienze naturali è Giambattista Vico. Paolo Rossi ha elaborato una magistrale sintesi tra la geologia e il pensiero vichiano sulla nascita delle nazioni. E lo ha fatto partendo dalla “scoperta del tempo”. La storia della natura riguarda miliardi di anni, al confronto la storia umana è recente. Il prof. Rossi ha analizzato come, nel Seicento, si fece strada l’idea del tempo profondo: sino ad una certa epoca si credeva ad una interpretazione letterale della Bibbia, secondo la quale il mondo aveva poche migliaia di anni. La scoperta del tempo resa possibile grazie all’analisi delle rocce e alla scoperta dei fossili fu sconvolgente; Kant può essere annoverato tra i primi importanti filosofi ad avere la consapevolezza di questo immenso lasso temporale dinanzi al quale l’uomo fu costretto a ridimensionare ulteriormente la sua importanza nel regno naturale. Dato che recentemente ho avuto in dono una vecchia edizione de “La scienza nuova seconda” di Vico, mi affretterò a leggere l’opera di Rossi “I segni del tempo. Storia della Terra e storia delle nazioni da Hooke a Vico”, una originale chiave di interpretazione – nella cornice delle scienze naturali – del pensiero vichiano, spesso ostico da comprendere tramite la sola lettura diretta delle sue opere a causa della prosa particolarmente elaborata.

Rossi aveva un’alta considerazione del lavoro, cosa che talvolta lo portava a criticare – sempre con grande stile e discrezione – “quei professori che hanno scritto giusto un libro per vincere la cattedra e poi qualche articolo”. E poi, ha affermato nell’intervista, se non si fa bene il proprio lavoro viene a mancare la possibilità di qualche soddisfazione. E tra le soddisfazioni possiamo sicuramente annoverare quelle didattiche. Rossi teneva moltissimo al rapporto con gli studenti: a me è piaciuto fare il professore, – ha affermato – l’idea che uno lasci qualcosa a un altro è importante. Il filosofo paragona il rapporto insegnante-allievo al rapporto padre-figlio, con la differenza che nel primo caso la parentela è  “spirituale” e non carnale. Così come il bambino vede il padre come una figura superiore e sempre vincente poi via via ridimensionata nel tempo, anche l’allievo nutre nei confronti del suo maestro un rapporto simile: dapprima il maestro è insuperabile, ma quando l’allievo diventa suo pari (o pensa di esserlo divenuto) ecco che ne vede le lacune e le debolezze. Importanti erano per Rossi anche gli stimoli che venivano “dal basso”, cioè dai suoi studenti. Tanti anni fa un ragazzo gli chiese la disponibilità nel seguirlo in una tesi su Lavoisier; all’inizio Rossi rifiutò, ritenendo di non averne una conoscenza sufficiente. A un certo punto consigliò al laureando in filosofia di sostenere un esame di chimica generale se davvero voleva avventurarsi nell’impresa. Il ragazzo, Ferdinando Abbri, lo fece davvero; è poi diventato un docente universitario che ha pubblicato importanti lavori sulla storia e i fondamenti della chimica.

A un ragazzo, dice Rossi, basta incontrare un solo professore nella vita: uno di quelli che ti apre la mente su nuove prospettive e con il quale esiste una impalpabile affinità di stile di pensiero. Rossi ammette, forse troppo modestamente, di non essere stato un alunno modello al liceo; però ebbe la fortuna di incontrare un professore di nome Carmelo Cappuccio, che nel dopoguerra era diventato popolare per aver scritto un testo di letteratura italiana molto diffuso nelle scuole superiori. Questo insegnante fu il primo che permise al futuro storico delle idee di affacciarsi al mondo della cultura. Ricordandolo Rossi afferma: avere un incontro così, che può anche avvenire per la matematica o per qualunque altra materia, è decisivo. Se questo incontro non avviene è impossibile uscire da quella che Rossi chiama infanzia culturale. Mi è piaciuta molto questa espressione: penso che il prof. Rossi volesse indicare quel particolare salto grazie al quale una persona istruita diventa colta. Non c’è niente di male, aggiunge, se questo passaggio non avviene. Ma se avviene ti si apre un mondo. Mi è venuto spontaneo immaginare come avrebbe reagito a queste parole il prof. Cappuccio. Ho anche riflettuto su questa asimmetria del rapporto docente-discente di cui ho già parlato: asimmetria che rappresenta un limite (è impossibile rendersi conto dell’influenza positiva o negativa su un allievo) e insieme una risorsa (un potente stimolo per impegnarsi al massimo nel proprio lavoro di insegnante).

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E’ piacevole svolgere all’aria aperta un compito che solitamente si esegue al chiuso. Pensiamo ad una lezione: all’arrivo dei primi caldi qualche docente può eccezionalmente trasferirsi con la classe in cortile; magicamente alla luce del sole la spiegazione diventa meno ostica, le parole assumono un altro suono. Liberata dalla costrizione delle quattro mura dell’aula, è come se la mente si librasse in alto con più naturalezza. Giacomo Ciamician ha fatto di più: ha trasferito in terrazza un intero laboratorio chimico. Nato a Trieste nel 1857 da una famiglia di origini armene, Ciamician svolse gli studi universitari a Vienna. Desideroso di ritornare in Italia, si impegnò per raggiungere il gruppo di chimici del grande Stanislao Cannizzaro, come dimostra la lettera ricevuta da quest’ultimo da un professore austriaco che esaltava le qualità del giovane triestino:

Tra gli allievi del mio collega prof. Barth c’è un giovane di Trieste, Ciamician, il quale si considera italiano e desidera far la sua carriera scientifica in Italia. Egli mi pare molto intelligente ed abile, si è occupato tanto di chimica organica quanto di studi chimico-spettroscopici, ed ha pubblicato una serie di lavori che certamente fanno molto onore ad un giovane di 22 anni.

Dunque il giovane chimico aveva approfondito lo studio dei composti organici e della spettroscopia, connubio che lo portò a fondare la fotochimica, il cui oggetto di studio è l’influsso e l’utilizzo della radiazione nelle reazioni chimiche. Essendo il Sole il maggior dispensatore di radiazione abbondante e gratuita, Ciamician cominciò a indagare in che modo la luce solare potesse promuovere particolari reazioni, ragione per cui attrezzò un laboratorio sui tetti:

Un allievo di Ciamician, Giuseppe Bruni, racconta:

Chi in quel periodo ha visto il Professor Ciamician sul terrazzo del suo laboratorio, fra le sue selve di tubi di vetro chiusi, contenenti le più svariate sostanze e miscele esposte alla luce e lo ha udito parlare dei suoi risultati e dei suoi progetti, può dire quale entusiasmo lo animasse. Ma solo chi vi ha assistito da vicino ha un’idea qual somma di lavoro, quale instancabile pazienza, e quale insuperabile abilità sperimentale, quale meraviglioso fiuto (al proprio e al figurato) fosse necessario per  [...] isolare e caratterizzare i vari prodotti di così complesse reazioni.

Giuseppe Bruni, autore di un celebre trattato su cui si sono formati tantissimi chimici, fu uno dei numerosi allievi che raccolsero l’eredità di Ciamician. Un altro allievo è Riccardo Ciusa, che ho ricordato poco tempo fa in Puglia, dovendo parlare di alcuni chimici pugliesi celebri già citati in questo blog. In questa foto sono ritratti insieme Giacomo Ciamician e Riccardo Ciusa durante una lezione accompagnata da dimostrazioni pratiche:

L’interesse dello scienziato per la luce solare nacque da quello per le piante. Mentre la maggior parte delle reazioni di laboratorio necessitano di temperature elevate, determinati valori di pH ed altre particolari condizioni, le piante dalle piccole tracce di acido carbonico che offre loro l’aria, dalle piccole quantità di sali che esse sottraggono al terreno, dall’acqua ovunque presente, e per mezzo della luce riescono a preparare con apparente facilità tante svariate sostanze che noi a stento riusciamo a riprodurre. Sappiamo infatti che i vegetali, a differenza degli organismi animali, non hanno la necessità di muoversi per procurarsi il nutrimento, essendo capaci di sintetizzare una grande varietà di composti a partire da semplici sostanze chimiche. La nostra vita dipende dalla quantità e qualità del cibo ingerito: è il prezzo da pagare per l’altissimo grado di specializzazione raggiunto dai nostri organi. E’ stato una specie di baratto: siamo diventati schiavi della ricerca di cibo per ottenere un grado di evoluzione superiore  a quello di qualsiasi altro organismo; la nostra biochimica è talmente complessa da non lasciare spazio alla possibilità di ottenere il composito carburante di cui necessitiamo da poche sostanze coadiuvate dalla luce del sole. Questa particolare autosufficienza delle piante rende lo studio della biochimica vegetale particolarmente promettente per eventuali applicazioni alla fotochimica di laboratorio, e Ciamician fu il primo a intuirlo con stupefacente lucidità.

Terminati gli studi a Vienna Ciamician ottenne una sede italiana (mi viene spontaneo pensare ai tanti nostri talenti che invece non riescono a tornare dopo anni di ricerca all’estero …): dopo alcuni anni trascorsi a Roma e Padova si stabilì definitivamente a Bologna, scelta motivata da particolari interessi “scientifici” che confidò anni dopo all’allievo Bruni:

Si figuri che la ragione che mi spinse più di tutte fu che a Bologna c’era la Società del Quartetto e che vi si poteva sentire più buona musica che in ogni altra città d’Italia; ma non mi attentai a dirlo a nessuno per non farmi canzonare, e diedi l’altra ragione di cui in realtà m’importava poco.

Ovviamente “l’altra ragione” era legata all’attività di ricerca … ma lo scienziato nutriva anche altri interessi, e non solo musicali. Vi includerei anche la poesia, poesia in prosa. Leggendo gli scritti di Ciamician si ha infatti la sensazione di trovarsi di fronte ad uno scienziato visionario, capace di conferire un’aura poetica ed un grande potere immaginifico alle ricerche di cui si occupava. Un esempio? Nel corso di una conferenza avvenuta in un’epoca anteriore a quella del petrolio (La fotochimica del futuro, 1912), lo scienziato cominciò con il prefigurare l’esaurimento del carbon fossile, “sorgente precipua di forza e di ricchezza” di cui l’uomo si è servito con “crescente avidità e spensierata prodigalità per la conquista del mondo”; secondo i suoi studi “la quantità di energia solare che arrivava annualmente in un piccolo territorio tropicale che abbia una superficie grande come quella del Lazio equivale alla produzione annuale mondiale di carbon fossile”. Detto questo, Ciamician diede libero sfogo alle sue visioni immaginando nei territori desertici grandi oasi di vetro al cui interno sofisticati meccanismi immagazzinano e sfruttano l’energia del sole:

Sull’arido suolo sorgeranno colonie industriali senza fuliggine e senza camini: selve di tubi di vetro e serre di ogni dimensione – camere di vetro – s’innalzeranno al Sole ed in questi apparecchi trasparenti si compiranno quei processi fotochimici di cui fino allora le piante avevano il segreto ed il privilegio, ma che l’industria umana avrà saputo carpire: essa saprà farli ben altrimenti fruttare, perché la natura non ha fretta mentre l’umanità è frettolosa. E se giungerà in un lontano avvenire il momento in cui il carbone fossile sarà esaurito, non per questo la civiltà avrà fine: ché la vita  e la civiltà dureranno finché splende il Sole! E se anche alla civiltà del carbone, nera e nervosa dell’epoca nostra, dovesse far seguito quella forse più tranquilla dell’energia solare, non ne verrebbe un gran male per il progresso e la felicità umana.

Probabilmente se allora qualche romanziere si fosse interessato di fotochimica ne avrebbe tratto un racconto alla Jules Verne. Oggi quelle visioni sono molto vicine alla realtà: pensiamo ai pannelli fotovoltaici, di cui finalmente anche le scuole si stanno dotando, come ci racconta la prof.ssa Magni nel suo post.

In classe

I numerosi esperimenti di Giacomo Ciamician gli permisero di scoprire un gran numero di reazioni. Un insegnante di chimica organica può proporne alcune, tra le quali le quattro elencate di seguito, rispettivamente di idrolisi, condensazione, disproporzione, ossidazione:

Dopo aver identificato le famiglie di appartenenza delle molecole coinvolte riportandone i nomi, è interessante ricercare le condizioni di reazione per ottenere gli stessi prodotti per via non fotochimica: si constata facilmente che solo l’opportuno intervento della luce rende possibile l’ottenimento degli stessi prodotti in condizioni blande. Ancora più interessante è valutare l’utilità dei composti ottenuti, e di conseguenza l’interesse a sintetizzarli in grande quantità con processi poco dispendiosi.

In laboratorio

Una tipica reazione catalizzata dalla luce è l’ossidoriduzione reversibile della tionina, un composto organico che può esistere in due forme, una ossidata di colore porpora e una ridotta incolore. Quando un agente riducente come lo ione ferroso è aggiunto ad una soluzione acida di tionina, questa molecola accetta due atomi di idrogeno riducendosi nella forma incolore (in chimica organica nella maggioranza dei casi la riduzione di una molecola si realizza tramite aumento del numero di idrogeni legati ad uno o più atomi in essa contenuti, mentre l’ossidazione si realizza tramite aumento del numero di ossigeni). La decolorazione della soluzione di tionina avviene solo in presenza di una intensa sorgente di luce. La reazione della tionina è la seguente:

Materiale occorrente: solfato di ferro (II) eptaidrato, FeSO4 . 7H2O – acido solforico 95%, H2SO4 – soluzione di tionina – lampada o luce solare diretta

Procedimento

In un becher si prepara una soluzione 0,001 M di tionina sciogliendone 0,023 g in 100 ml di acqua distillata, ottenendo un colore porpora. A 5 ml di tale soluzione si aggiungono 250 ml di acqua e 5 ml di acido solforico 3 M (preparato aggiungendo 10 ml di acqua a 1,7 ml di acido solforico al 95%). Infine si aggiungono 0,4 g di solfato di ferro eptaidrato e si agita fino a completa dissoluzione del sale. Si pone il becher sotto la luce di una lampada o alla luce diretta del sole: dopo pochi secondi si osserva la decolorazione della soluzione. Spegnendo la lampada ricompare il colore porpora.

Domande&Riposte:

Una volta conclusa l’esperienza è utile porre le seguenti domande (in verde le risposte):

1. Nella reazione considerata si ha conversione tra due particolari forme di energia: quali? L’energia luminosa è convertita in energia chimica.

2. Da quale osservazione si deduce che la reazione è reversibile? Dal fatto che rimuovendo la sorgente di luce la soluzione riassume il colore porpora.

3. Qual è l’agente ossidante e qual è il riducente? Nella reazione diretta l’agente ossidante è la tionina (che si riduce), mentre lo ione ferroso è l’agente riducente (che si ossida a ione ferrico); nella reazione inversa la tioninaH2+ agisce da riducente, lo ione ferrico da ossidante.

4. Quali atomi variano il proprio numero di ossidazione? Il numero di ossidazione del ferro passa da + 2 a + 3 (e viceversa). Nella tionina due dei tre atomi di azoto (quelli che si legano agli idrogeni nel prodotto della reazione diretta) variano il numero di ossidazione: uno dei due, dapprima legato a due carboni con un legame singolo e uno doppio, risulta poi legato a due carboni e un idrogeno con tre legami singoli; il numero di ossidazione dell’azoto subisce una riduzione in quanto subentra il legame con l’idrogeno, meno elettronegativo del carbonio. L’altro azoto, dapprima legato a un carbonio con legame doppio e a due idrogeni con legame singolo, nella forma ridotta è legato al carbonio e a tre idrogeni con quattro legami singoli; il numero di ossidazione dell’azoto diminuisce a causa del legame con un ulteriore idrogeno.

5. Perché la tionina è una molecola carica? Un atomo di azoto di valenza 3 è legato, sia nella forma ossidata sia nella forma ridotta della tionina, con quattro legami (tutti singoli nella forma ridotta, uno doppio e due singoli nella forma ossidata). Questa situazione conferisce all’atomo di azoto una carica formale pari a + 1, in quanto esso viene privato della coppia solitaria presente nella situazione elettricamente neutra.

Risorse

Le citazioni sono riportate negli atti del convegno storico-scientifico in occasione dei 150 anni dalla nascita di Ciamician (Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician” dell’Università di Bologna, 16-18 settembre 2007): Ciamician – Profeta dell’energia solare, a cura di Margherita Venturi. Tra gli atti troviamo quello del prof. Marco Taddia (Ciamician, un chimico di vario sapere) e quello dei proff. Vincenzo Balzani, Maria Teresa Gandolfi, Margherita Venturi (Energia: la profezia di Giacomo Ciamician, le difficoltà del presente, le speranze per il futuro). Il primo è particolarmente utile per ricostruire il tempo nel quale lo scienziato è vissuto, mentre il secondo opera una proiezione del suo pensiero e delle sue ricerche nel futuro, evidenziando come alcune delle profezie di Ciamician si siano già avverate.

Approfondimenti

Energia solare, fra scienza ed etica – del prof. Luigi Cerruti

Sono nipote di Ciamician anch’io – del prof. Giorgio Nebbia

Prophet of Solar Energy: A Retrospective View of Giacomo Luigi Ciamician (1857–1922), the Founder of Green Chemistry, on the 150th Anniversary of His Birth – di Giorgio Nebbia e George B. Kauffman (Chem. Educator 2007, 12, 362–369)

L’esempio di Giacomo Ciamician, articolo di Marco Taddia segnalatomi da Il dentista di provincia in un commento al precedente post.

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L’articolo della collega Francesca Magni – Unità di misura in definizione – mi ha indotto a scrivere sullo stesso argomento. La definizione delle unità di misura è solitamente considerata una parte noiosa del programma di fisica o chimica. Al contrario io credo che possa appassionare gli studenti non solo perchè, come fa notare la prof.ssa Magni, i riferimenti alle unità di misura devono essere continuamente rivisti e perfezionati; anche la storia delle unità di misura è appassionante, se si pensa che sin dai tempi antichi ogni popolo ha riconosciuto la necessità di sceglierle adeguatamente. In questo breve articolo riporterò dunque degli esempi di come alcune unità sono state inizialmente definite, in modo che gli studenti percepiscano gli sforzi e la passione che si celano dietro questa affannosa ricerca della perfezione. Sappiamo che in ambito scientifico le misure devono essere il più possibile precise e inequivocabili. Per questo motivo nel 1954 è stato completato l’elenco delle grandezze fisiche fondamentali (ad eccezione della mole) che costituiscono il “Sistema Internazionale di unità di misura”, ufficialmente nato nel 1960 e conosciuto con il nome francese di Système International d’Unités (abbreviato in SI). Il nome ufficiale è francese in quanto il SI viene gestito da un organismo, la Conférence Générale des Poids et des Mesures (CGPM, Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure) facente capo al Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure) che ha sede a Sèvres, nei pressi di Parigi. La CGPM ha inizialmente stabilito degli “standard” al fine di fissare le unità di misura in modo univoco. Ad esempio è stato realizzato uno standard in metallo per il metro; su questa base sono costruiti i nostri strumenti di misura, che rappresentano degli standard secondari (righelli, squadre e quant’altro serva a misurare distanze). Prima di costruire lo standard la grandezza in questione deve essere correttamente definita. I primi tentativi di definire una unità di misura in maniera univoca risalgono a due secoli fa, in Francia, e riguardarono proprio il metro.

Una spedizione scientifica per definire il metro!

Verso la fine del XVIII secolo l’Accademia delle Scienze di Parigi costituì una prestigiosa commissione di scienziati, la quale propose di definire il metro come undiecimilionesimo della distanza fra il Polo Nord e l’equatore misurata a livello del mare. In quel periodo i Poli non potevano ancora essere raggiunti, ma misurando una parte della distanza considerata si poteva ricavare il resto applicando le conoscenze matematiche e geometriche. Si decise di fare riferimento a una distanza ben precisa, visto che la lunghezza misurata poteva variare a seconda della posizione geografica a causa della non perfetta sfericità della Terra. Si decise quindi di effettuare la misurazione lungo il meridiano che passava per Parigi, lungo la direttrice tra Barcellona (Spagna) e Dunkerque (Francia). La spedizione, iniziata nel 1792, si concluse nel 1798 tra mille difficoltà: era impossibile evitare le catene montuose, senza considerare che alcuni membri della spedizione furono catturati a causa della Rivoluzione Francese. Tra i maggiori protagonisti di questa avventura troviamo gli astronomi e matematici Jean-Baptiste Delambre e Pierre Méchain (in alto). Dopo la loro liberazione si poté ragionare sulle rilevazioni effettuate: nel 1798 si costruì una barra di platino che potesse fungere da standard, il cui valore di lunghezza corrispondeva a quello calcolato tramite i dati raccolti durante la spedizione. Dato che i metalli si dilatano con il calore si convenne di misurare la lunghezza dello standard a 0 °C; circa un secolo dopo si decise di assumere come standard una barra di platino-iridio, una lega più resistente all’usura del tempo. Nel 1983 la CGPM ha definito il metro come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un tempo pari a una frazione di 1/299 792 458 s (circa un trecento milionesimo di secondo!). E’ evidente come la definizione di una unità di misura apparentemente banale come il metro implichi conoscenze scientifiche e mezzi tecnologici di altissimo livello, che alla fine del ‘700 non erano disponibili

Le grandezze fondamentali

Il metro è una delle sette grandezze fisiche fondamentali, elencate nella tabella sottostante. All’inizio di un corso di scienze è impossibile comprendere il funzionamento dei sistemi presi a riferimento nel definirli, tuttavia è bene leggerli per farsi una seppur vaga idea. Si noti la frequente presenza delle sostanze chimiche: platino, iridio, cesio, acqua, carbonio. Anche se non specificato nella definizione contenuta nella tabella, lo stesso metro fa riferimento alla luce emessa da una sostanza chimica pura: oggi il BIPM consiglia, a chi volesse ottenere uno standard del metro, di usare le radiazioni emesse da elementi (iodio, stronzio, itterbio, krypton, mercurio, ecc…) o da particolari composti chimici (metano, etilene, ecc…). I progressi della chimica hanno quindi rivestito un ruolo fondamentale nel far sì che l’intero corpo delle conoscenze scientifiche poggiasse su basi quantitative solide.

Il lavoro di Lavoisier

Particolarmente interessante è il modo in cui fu inizialmente ricavata l’unità di misura della massa. Tra il 1792 e il 1793 il grande chimico francese Antoine-Laurent de Lavoisier lavorò per la definizione del grammo, ottenendo un risultato con un errore piccolissimo rispetto al valore che oggi conosciamo. Il metodo di Lavoisier servì da modello per la definizione del kilogrammo. Nel 1795 il kilogrammo era definito come la massa di un decimetro cubo di acqua pura a + 4 °C, temperatura di massima densità. Non era però possibile costruire un cubo di acqua a quella temperatura, trattandosi di un corpo liquido; questo impediva di valutare precisamente il kilogrammo. Tra il 1798 e il 1799 Lefèvre-Gineau riprese il lavoro di Lavoisier sfruttando il noto principio di Archimede, in base al quale un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verso l’alto uguale al peso del liquido spostato. Pertanto Lefèvre-Gineau preparò un cilindro di ottone di dimensioni e volume noti il cui peso gli permettesse appena di affondare in acqua. Lo pesò prima in aria, quindi in acqua, calcolò la differenza tra i due pesi, da questa riuscì a ricavare il peso del liquido spostato e per proporzione quello di 1 dm3, che definirà il chilogrammo.

Novità per il kilogrammo …

In seguito furono costruiti pesi standard cilindrici prima usando il platino, poi la lega platino-iridio. Le tecnologie moderne hanno rivelato un lieve errore teorico: infatti un decimetro cubo di acqua misura leggermente meno di un kilogrammo (circa lo 0,000028% in meno). Sapevo che si stavano tentando nuove vie per definire l’unità di massa in modo più preciso. Una di queste aveva come protagonista un altro elemento chimico: si voleva definire il kilogrammo costruendo un cubo con un numero preciso di atomi di silicio.  Ora vengo a sapere da Francesca Magni che il kg si definirà molto probabilmente in riferimento alla costante di Planck. Questo consente senza dubbio di definire l’unità di massa in modo assoluto, come avviene per le restanti grandezze del SI, senza dover fare riferimento a degli standard fisici soggetti all’usura del tempo e a variazioni dovute a eventuali cambiamenti ambientali (temperatura, umidità, ecc…).

… e per il kelvin

Anche la definizione del kelvin è basata sulla misura della proprietà di una sostanza chimica, l’acqua (precisamente il suo “punto triplo”); dunque le caratteristiche che questa sostanza deve avere per poter fungere da riferimento per la definizione del kelvin sono state descritte con un altissimo livello di dettaglio da parte della IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata). Si tratta di una organizzazione non governativa il cui scopo è favorire l’applicazione della chimica al servizio dell’umanità, oltre ad attribuire il nome alle sostanze chimiche secondo regole chiare e condivise tra i vari paesi. Recentemente la stessa IUPAC stia valutando la possibilità di definire il kelvin relativamente alla costante di Boltzmann; anche in questo caso, il riferimento a costanti fisiche piuttosto che a sostanze chimiche elimina molti inconvenienti.

E la mole?

Per il suo ruolo centrale in chimica, la mole vi accompagnerà finché studierete questa disciplina. Finalmente la mole sarà ufficialmente definita in base al numero di Avogadro e non più rispetto al carbonio-12; almeno così è stato annunciato. Il numero di Avogadro (NA) è pari a 6,022 141 79 x 1023. L’esponente 23 significa che per scrivere estesamente NA occorre spostare la virgola del numero 6,022 141 79 di ben 23 posizioni. Si tratta di un numero grandissimo, che rappresenta il numero di particelle contenute, ad esempio, in appena 18 g circa di acqua, più o meno il peso di una goccia. Il numero NA fa da “interprete” tra la bilancia e le particelle contenute in una certa quantità di una data sostanza. E’ difficile rendersi conto di quanto queste particelle siano piccole e, di conseguenza, di quanto NA sia elevato. Basti pensare che se potessimo distribuire il numero di molecole contenute in una goccia d’acqua tra tutti gli uomini della Terra, ciascuno ne avrebbe circa 200 miliardi; oppure, se contassimo queste molecole al ritmo di una al secondo, occorrerebbero quasi 32.000 anni per contarle tutte!

Per approfondire:

La misura di tutte le cose. L’avventurosa storia dell’invenzione del sistema metrico decimale, di Ken Alder (Ed. Rizzoli)

Il metro del mondo, di Denis Guedj (Ed. Longanesi)

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Quale figura storica può fungere da trait d’union tra il 150-esimo anniversario dell’Unità d’Italia e l’Anno Internazionale della Chimica? È il grande Camillo Benso, conte di Cavour. Non a tutti è noto che Cavour svolse un ruolo determinante non solo nel Risorgimento italiano, ma anche nello sviluppo della chimica agraria. Il contributo di Cavour all’agricoltura ha investito molti settori: dalla messa a punto del barolo alla sistemazione idrogeologica del territorio risicolo piemontese; dalla lotta all’epidemia di oidio che attaccò la viticoltura italiana a metà dell’Ottocento alla fabbricazione di tubi per il drenaggio. Spicca tra queste attività, che Cavour poté intraprendere grazie a un’ampia conoscenza diretta dell’agricoltura (praticata nella gestione delle proprietà di famiglia a Leri e a Grinzane), l’attenzione riservata ai fertilizzanti. La Biblioteca Gabriele Goidanich della Facoltà di Agraria di Bologna rende omaggio a Cavour e la chimica dei fertilizzanti con una mostra bibliografica che presenta anche campioni delle sostanze utilizzate per concimare i terreni dall’Ottocento fino al 1940. Una prima sezione presenta le varie attività di Cavour in agricoltura, si prosegue percorrendo il cammino della chimica agraria dall’insegnamento del celebre Justus von Liebig fino ai trattati tecnici e divulgativi dei primi decenni del ‘900. La chiusura della mostra è stata prorogata al 10 maggio 2010, chi abita a Bologna e dintorni si affretti!

P.S.: per chi ancora non lo sapesse, a questo indirizzo ci sono le informazioni necessarie per partecipare al XIV Convegno di Storia e Fondamenti della Chimica, che si svolgerà a Rimini dal 21 al 23 Settembre 2011. Per l’iscrizione c’è tempo fino al 30 Giugno. E’ prevista una riduzione per i soci SCI.

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Il libro European Women in Chemistry, pubblicato in occasione dell’International Year of Chemistry, comprende le biografie di molte importanti protagoniste della ricerca chimica più o meno note. Il volume, curato da Jan Apotheker (Royal Netherlands Chemical) e Livia Simon Sarkadi (Hungarian Chemical Society), è stato recensito dal prof. Francesco De Angelis (Università dell’Aquila), il quale ha scritto:

I was fascinated by all these inspirational women who … managed to reach an outstanding level of scientific achievement only through their intelligence and strong determination. During the last century – in particular, the first half – the upper classes were dominated by men, and women were generally excluded from performing serious activities, even from studying! The biographs of 54 women in chemistry (or alchemy, interestingly, for some women from many centuries ago) are reported in the book: scientists from all over Europe, who often also moved through Europe from one university to another to follow their thirst for culture, personal inspiration, and their desire to do something important in science. They were all gifted with intelligence accompanied by deep scientific curiosity, but always had to fight within, and sometimes against, a world that was thoroughly dominated by men.

Godibile e spiritoso è Letters to a Young Chemist, una serie di missive scritte da luminari della chimica ad una ipotetica studentessa di nome Angela. Nelle lettere si dispensano consigli alla studentessa sulle possibili carriere da seguire una volta conseguita la laurea. Il libro, dallo stile leggero e divertente, offre una panoramica sui temi più attuali nelle varie branche della chimica (organica, inorganica, computazionale, analitica ecc…) riservando un particolare occhio alle sfide nel campo della produzione di energia pulita. Come hanno scritto due docenti di chimica del Massachusetts Institute of Technology, Stephen J. Lippard e Arthur Amos Noyes, “Letters to a Young Chemist” offers significant ammunition for motivating young people to consider chemistry as a career. … This book should also be required reading for all faculty members who teach chemistry in high schools, colleges, and universities.

Insomma, mentre la carrellata delle donne chimico ci offre un appassionante spaccato storico del femminile nella scienza, la panoramica sulle professioni del secondo libro ci proietta verso il futuro. E forse non è un caso che Abhik Ghosh, l’autore di Letters to a Young Chemists, abbia scelto come destinataria delle missive proprio una donna, Angela.

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