PRESENTAZIONE
Per molti millenni gli uomini si sono interrogati sulla natura delle cose ed in
particolar modo sulla struttura della materia; a causa soprattutto della visione
attraverso i sensi della realtà e degli oggetti che ci circondano, l'opinione
prevalente definiva la materia come un continuo o meglio come un corpo unico
delimitato nello spazio da precise dimensioni. Per la verità l'esistenza
dell'atomo (che in greco antico significa "non divisibile"), era già stata
ipotizzata da filosofi e poeti greci e latini, fra cui Democrito, Leucippo e
Lucrezio (nella sua opera De rerum natura); ma non esistendo all'epoca nessuno
strumento tecnico in grado di dimostrare la veridicità di queste teorie, il
concetto di materia composta da atomi fu accettato come una semplice
supposizione. Proprio a causa dell'arretratezza della tecnologia, la posizione
degli scienziati di allora, riguardo a questo problema, è paragonabile a quella
di due uomini che osservano a cento metri di distanza un cumulo di pietre. Non
avendo a disposizione un cannocchiale e non potendo avvicinarsi, i nostri due
osservatori non potranno far altro che formulare delle ipotesi sulla natura del
cumulo: così, mentre il primo sosterrà che l'ammasso di pietre è un unico
oggetto, il secondo potrebbe supporre che sia composto da più sassi sovrapposti.
Questa seconda supposizione è senza dubbio la più coraggiosa, in quanto va
contro la visione concreta delle cose. Abbandoniamo l'esempio del cumulo di
pietre e proviamo ad immaginarci una superficie di marmo; chi sosterrebbe, dopo
averla vista, toccata, e averne constatato le caratteristiche di compattezza,
che non è un oggetto continuo ma l'unione di tante piccole parti? Il primo vero
passo avanti risale tuttavia alla fine dell'Ottocento, quando, nel corso di
alcuni studi chimici, si verificarono determinati fenomeni che non si sarebbero
potuti spiegare se non ammettendo che la materia avesse una struttura di tipo
atomico. Lo sviluppo delle ricerche in questo campo permise infine ai fisici
Bohr e Rutherford di determinare quasi esattamente la struttura dell'atomo. I
due fisici rivelarono che la struttura di un atomo è molto simile ad un sistema
planetario, in cui la parte del sole viene svolta da un nucleo, attorno al quale
ruotano, come se fossero pianeti, degli elettroni.
PROTONI NEUTRONI ED ELETTRONI
Una volta accettata la struttura atomica scoperta da Bohr e Rutherford, i fisici
incominciarono a chiedersi quali fossero le leggi che determinano i
comportamenti degli elettroni e degli atomi in generale, e da che cosa fosse
composto il nucleo. Una volta stabilito che tutti gli atomi di uno stesso
elemento semplice (idrogeno, ferro, calcio, ecc.) sono uguali fra loro e hanno
la stessa disposizione all'interno della molecola, passiamo all'analisi degli
elementi che compongono un atomo. Essi sono tre: i protoni, i neutroni e gli
elettroni. Il nucleo di un atomo è costituito da protoni e neutroni strettamente
legati fra loro; potremmo inoltre dire che i protoni sono carichi di energia
positiva mentre i neutroni (come lo stesso loro nome suggerisce) sono
elettricamente neutri. Attorno al nucleo ruotano gli elettroni, che sono carichi
negativamente e la cui massa è di circa 2.000 volte inferiore a quella di un
protone. I fisici hanno calcolato che un elettrone pesa mediamente 9X10-28
grammi, il che significa che per ottenere un grammo di elettroni dovremmo
accumularne novecento miliardi di miliardi di miliardi. Gli elettroni, il cui
numero varia da elemento a elemento, sono in continuo movimento e ruotano
attorno al nucleo come i pianeti intorno al sole, con la sola differenza che le
orbite sono meno precise. Le ridottissime dimensioni e l'altissima velocità,
tipiche degli elettroni, fanno si che l'orbita tracciata da questa piccola
particella appaia all'occhio umano come una specie di onda luminosa, in cui è
impossibile individuare la posizione dell'elettrone. Un elettrone, che possiede
una carica negativa, è trattenuto nella sua orbita dai protoni del nucleo
carichi positivamente; elettricamente le cariche di un elettrone e di un protone
si equivalgono e in condizioni di equilibrio un atomo possiede tanti elettroni
quanti protoni ci sono nel nucleo. Il numero di protoni nel nucleo è detto
numero atomico e si abbrevia con la lettera maiuscola Z; avendo già detto che
tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni nel
nucleo, possiamo stabilire che hanno anche lo stesso numero atomico; ad esempio,
tutti gli atomi di idrogeno hanno un solo protone nel nucleo (Z=1), mentre tutti
i nuclei degli atomi di uranio ne contano ben 92 (Z=92). I neutroni, che non
possiedono alcuna carica elettrica, hanno il compito di legare al nucleo più
protoni insieme, i quali avendo cariche dello stesso segno, tenderebbero
naturalmente ad allontanarsi gli uni dagli altri. A questo punto verrebbe
naturale domandarsi: ma come possono i neutroni, che non hanno nessuna carica, a
mantenere così saldamente uniti i protoni che invece tenderebbero ad
allontanarsi? Anche a questo quesito può rispondere la fisica: i protoni sono
legati fra loro da una forza cento volte più forte di quella elettrica; questa
forza misteriosa prende il nome di interazione forte. La caratteristica più
importante dell'interazione forte è che può agire solo da molto vicino; se
infatti potessimo porre due protoni a distanza l'uno dall'altro, noteremmo che
essi si respingono. Ma se invece riuscissimo ad avvicinarli sino ad una distanza
pari alla centomillesima parte di un miliardesimo di centimetro, essi si
attrarrebbero reciprocamente, dando origine ad un legame quasi inscindibile. La
fisica moderna, non contenta degli enormi progressi già compiuti in questo
secolo, sta cercando di capire la struttura interna dei protoni e dei neutroni.
Grazie ad approfonditissimi studi, oggi possiamo dire che all'interno di un
protone vi sono tre piccolissime particelle, che gli scienziati hanno chiamato
quark. Pur avendo stabilito che i quark di ogni protone sono tre e distinto due
categorie fondamentali di queste particelle (esistono infatti quark su e quark
giù), gli scienziati non sono ancora riusciti ad isolare un quark. La causa di
questo limite è molto semplice: la forza che tiene legati fra loro i tre quark
di un protone è troppo potente per essere vinta e studiata in laboratorio. In
sostanza potremmo affermare che i quark sono i veri depositari dell'interazione
forte.
La rotazione degli elettroni intorno al nucleo
ORBITALI ATOMICI
Parlando degli elettroni abbiamo detto che il loro numero negli atomi di un
elemento è identico a quello dei protoni nel nucleo, quindi al numero atomico;
l'ossigeno che ha Z=8, ha 8 protoni e 8 elettroni. Si è detto inoltre che gli
elettroni orbitano intorno al nucleo ad altissima velocità. Ma a questo punto
non si deve pensare che il moto degli elettroni sia simile a quello dei pianeti;
le orbite celesti sono perfettamente calcolabili così come la posizione di un
pianeta e la sua velocità lungo di esse. Di un elettrone invece, non ci è dato
di conoscere velocità e posizione in un dato istante (Principio di
Indeterminazione di Heisenberg); tutto quello che noi possiamo fare è calcolare
la posizione di spazio intorno al nucleo nella quale è molto probabile (ma non
certo) trovare un elettrone. Questa porzione viene chiamata orbitale. Ogni
orbitale è caratterizzato da una serie di parametri: i cosiddetti numeri
quantici. Il primo numero quantico (il numero quantico principale) indica il
volume dell'orbitale e il livello di energia ad esso associato; questo numero
può assumere determinati valori che vanno da 1 a 7. Alla conclusione che ad ogni
orbitale è associato un certo livello di energia, gli scienziati sono giunti
studiando i fenomeni di assorbimento ed emissione di luce da parte degli atomi.
Altri numeri quantici caratterizzano la forma dell'orbitale (n.q. angolare) e il
suo orientamento nello spazio rispetto agli altri (n.q. magnetico); tutti questi
valori dipendono comunque direttamente dal numero quantico principale. L'ultimo
numero quantico è detto di spin ed è associato al movimento degli elettroni e
non al numero quantico principale. Un elettrone non gira soltanto intorno al
nucleo ma anche su se stesso; tale rotazione è detta spin dell'elettrone. Dalla
fisica si sa che una carica elettrica in rotazione crea intorno a sé un campo
magnetico orientato a seconda del verso di rotazione della carica: quindi due
elettroni che ruotano su se stessi con versi opposti, creeranno due campi
magnetici di segno opposto. Ciascun orbitale può accogliere fino a due elettroni
purché essi possiedano un numero di spin opposto (principio di Pauli); se il
segno di spin fosse identico, i due elettroni finirebbero per respingersi come
due protoni in un nucleo sprovvisto di neutroni.
LA VALENZA
Mentre il numero degli elementi semplici in natura è piccolo, quello dei
composti è invece enorme. Ma come fanno due atomi ad unirsi per formare una
nuova molecola? Si può pensare che gli atomi si attraggano perché contengono
cariche elettriche particolari, ma non è esatto: il numero degli elettroni
(negativi) e quello dei protoni (positivi) si equivalgono. La vera ragione
risiede nel fatto che per ogni atomo esiste una particolare configurazione
elettronica più stabile di altre possibili. La configurazione elettronica è la
disposizione degli elettroni negli orbitali intorno al nucleo. Un atomo, nella
sua configurazione elettronica più stabile, conta negli orbitali più esterni 8
elettroni; se ne ha di più o di meno, ricorrerà al "trucco" di cederli o
prenderli dall'orbita esterna di un altro atomo legandosi ad esso. Perché una
molecola sia stabile, tutti gli atomi che la compongono devono avere gli
orbitali esterni occupati da 8 elettroni (regola dell'ottetto); fa eccezione
l'idrogeno che ha un solo orbitale che può accogliere un unico elettrone visto
che è già parzialmente occupato. Gli unici elementi che naturalmente possiedono
il giusto numero di elettroni esterni nel pieno rispetto della regola
dell'ottetto sono i gas rari, o meglio detti inerti, Perché sono così stabili da
non avere bisogno di reagire con nessun altro atomo. Un modo alternativo di
enunciare la regola dell'ottetto dice che gli atomi cercano di raggiungere la
configurazione elettronica dei gas rari (l'idrogeno cerca di raggiungere quella
dell'elio, ecc.). Quando due atomi si uniscono, anche i loro orbitali si fondono
e danno luogo ad un unico orbitale ibrido, nel quale si trovano gli elettroni
esterni di entrambi. In senso più stretto, un legame si ha quando due atomi
condividono una coppia di elettroni formando un orbitale ibrido. Naturalmente
due atomi possono condividere tra loro più di una coppia di elettroni: in questo
caso si parlerà di doppio, triplo, quadruplo legame. Si è detto che un elemento
per raggiungere una stabile configurazione cede o chiede elettroni. Esistono
elementi a cui risulta più facile dare che ricevere e viceversa; la forza
necessaria per strappare a un atomo un elettrone esterno è detta potenziale di
ionizzazione. Atomi con basso potenziale di ionizzazione perdono più facilmente
gli elettroni di quelli con un potenziale più alto. L'elettronegatività è invece
la tendenza di un atomo a trattenere gli elettroni di legame. Atomi con un
numero diverso di elettroni e di protoni esistono e si chiamano ioni; uno ione è
positivo quando all'atomo mancano uno o più elettroni, mentre è negativo quando
gli elettroni sono presenti in numero eccedente. È ovvio che ioni dello stesso
segno si respingono, mentre due ioni di segno opposto si attraggono, formando un
legame di tipo ionico. Gli ioni di sodio (+) e cloro (-) si uniscono e danno
origine al cloruro di sodio. Un altro tipo di legame è quello covalente che si
forma tra atomi che hanno valori di elettronegatività non molto diversi; gli
atomi di una molecola d'acqua sono uniti da legami covalenti. Il legame
omopolare si forma tra atomi uguali. Per esempio, sia l'ossigeno che l'azoto
puri, cioè allo stato naturale, sono formati da molecole biatomiche composte
rispettivamente da soli atomi di ossigeno e azoto gli unici elementi che
esistono nella forma monoatomica sono i gas rari. Infine, un altro legame
importante è quello dativo, che però è troppo complesso per poter essere
descritto in queste pagine: si sappia però che i legami dativi si possono
trovare negli acidi solforico e nitrico.
LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI
Da quando Lavoisier dimostrò che ogni composto è costituito da elementi più
semplici, moltissimi furono i chimici che per tutto il corso del secolo si
sforzarono di identificarli. Man mano che venivano scoperti, ci si accorse che
alcuni di essi avevano comportamenti chimici molto simili; per esempio il cloro,
il bromo e lo iodio reagiscono con l'idrogeno per formare l'acido cloridrico,
iodidrico e bromidrico rispettivamente, tre composti dalla formula e struttura
chimica estremamente simile; un altro gruppo di elementi (litio, sodio e
potassio) reagiscono con l'acqua e i prodotti sono i rispettivi idrati, composti
basici fortemente caustici. Il chimico russo Mendeleev provò ad ordinare gli
elementi allora conosciuti (erano solo una settantina) secondo il peso atomico e
notò che periodicamente lungo la lista, esattamente ogni 8 elementi, i
comportamenti chimici si ripetevano. Proprio per questo motivo decise di
riordinare di nuovo gli elementi in una tabella in cui ogni riga, chiamata
periodo, ne conteneva fino a otto; le colonne della tabella sono dette gruppi e
in essi si trovano tutti gli elementi che presentano caratteristiche chimiche
simili. La tabella di Mendeleev è chiamata Tavola periodica degli elementi.
Tabella I
Gruppo Gruppo
I VIII
+--------+ +----+
¦ 1 ¦ ¦ 2 ¦
¦Idrogeno¦ Gruppo Gruppo Gruppo Gruppo Gruppo Gruppo ¦Elio¦
¦ (H) ¦ II III IV V VI VII ¦(He)¦
+--------+--------------------------------------------------+----¦
¦ 3 ¦ 4 ¦ 5 ¦ 6 ¦ 7 ¦ 8 ¦ 9 ¦ 10 ¦
¦ Litio ¦Berillo ¦ Boro ¦Carbonio¦Azoto ¦Ossigeno¦Fluoro¦Neon¦
¦ (Li) ¦ (Be) ¦ (B) ¦ (C) ¦ (N) ¦ (O) ¦ (F) ¦(Ne)¦
+--------+--------+---------+--------+------+--------+------+----¦
¦ 11 ¦ 12 ¦ 13 ¦ 14 ¦ 15 ¦ 16 ¦ 17 ¦ 18 ¦
¦ Sodio ¦Magnesio¦Alluminio¦Silicio ¦Fosfor¦ Zolfo ¦Cloro ¦Argo¦
¦ (Na) ¦ (Mg) ¦ (Al) ¦ (Si) ¦ (P) ¦ (S) ¦ (Cl) ¦(Ar)¦
+--------+--------+---------+--------+------+--------+------+----¦
¦ 19 ¦ 20 ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦Potassio¦ Calcio ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦ (K) ¦ (Ca) ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
+----------------------------------------------------------------+
Tabella II
+-------------------------------------------+
¦ Antimonio Sb Nichelio Ni ¦
¦ Argento Ag Oro Au ¦
¦ Arsenico As Osmio Os ¦
¦ Bario Ba Piombo Pb ¦
¦ Bismuto Bl Platino Pt ¦
¦ Bromo Br Plutonio Pu ¦
¦ Cadmio Cd Radio Ra ¦
¦ Carbonio C Rame Cu ¦
¦ Cobalto Co Selenio Se ¦
¦ Iodio I Stronzio Sr ¦
¦ Iridio Ir Tellurio Te ¦
¦ Manganese Mn Titanio Ti ¦
¦ Mercurio Hg Uranio U ¦
+-------------------------------------------+
Tabella III
+----------------------------------------------------------------+
¦Colonna ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦ della ¦Gruppo¦Gruppo¦Gruppo¦Gruppo¦Gruppo¦Gruppo¦Grppo¦Gruppo¦
¦classif.¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦period. ¦ I ¦ II ¦ III ¦ IV ¦ V ¦ VI ¦ VII ¦ VIII ¦
¦elementi¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
+--------+------+------+------+------+------+------+------+------¦
¦Capacitঠ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦di com- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦binazio-¦ ¦ ¦ ¦ + 4 ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦ne degli¦ + 1 ¦ + 2 ¦ + 3 ¦ ¦ - 3 ¦ - 2 ¦ - 1 ¦ 0 ¦
¦elementi¦ ¦ ¦ ¦ - 4 ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦ o ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
¦ valenza¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
+----------------------------------------------------------------+ La
Tabella I è una parziale riproduzione della tavola periodica degli elementi che
si arresta per semplicità al ventesimo elemento. In ogni casella viene indicato
il numero atomico dell'elemento corrispondente, mentre tra parentesi ne è
riportato il simbolo. Nella tabella II, a titolo di curiosità, sono riportati i
simboli di altri elementi che non compaiono nella tabella I. Come abbiamo già
osservato, la capacità di un elemento di combinarsi con altri è detta valenza
(tabella III). Nella tabella I, tutti gli elementi della prima colonna hanno una
capacità di combinazione equivalente a + 1 (cedono cioè un elettrone); quelli
della seconda colonna hanno capacità di combinazione + 2, ecc. Nella quarta
colonna, agli elementi sono state assegnate due valenze + 4 e - 4. In quanto
essi possono a seconda dei casi, cedere o catturare quattro elettroni. Gli
elementi della quinta colonna hanno valenza - 3, in quanto catturano tre
elettroni, quelli della sesta - 2, ecc. La valenza 0, attribuita nell'ottava
colonna, sta ad indicare che gli elementi in essa raggruppati non perdono né
catturano elettroni. Tutti gli elementi che hanno valenza positiva (Gruppi I,
II, III) vengono definiti metalli, mentre quelli con capacità di combinazione
negativa sono chiamati non metalli. Rimangono al di fuori di questa
classificazione i gas nobili (Gruppo VIII) e gli elementi del Gruppo IV che
hanno valenza negativa o positiva a seconda dei casi.
COS'È UNA REAZIONE CHIMICA
Prendiamo un atomo di sodio (numero atomico 11) e un atomo di cloro (numero
atomico 17); l'atomo di sodio, che ha le prime due orbite complete e un solo
elettrone sulla terza orbita, tenderà a cedere questo elettrone. D'altra parte,
il cloro necessita proprio di un solo elettrone per riempire la sua terza
orbita. Facilmente l'atomo di sodio cederà a quello di cloro il suo elettrone.
Conseguentemente l'atomo di sodio, avendo perduto un elettrone, si carica
positivamente e diventa uno ione positivo. L'atomo di cloro, invece, avendo
catturato l'elettrone perduto dal sodio, si carica negativamente e diventa uno
ione negativo. Considerando che cariche elettriche di segno opposto si
attraggono, lo ione di sodio e lo ione di cloro si legheranno strettamente fra
loro, dando origine a una reazione chimica. I due ioni di sodio e di cloro
formano una sola particella che viene chiamata molecola e danno origine a un
composto. Nel caso della reazione chimica illustrata la sostanza che si ottiene
è il cloruro di sodio, il comune sale da cucina.
Il museo della Scienza e della Tecnologia di Bagnoli
LA LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE
Quando Proust definì questa legge, nel 1799, essa non fu subito accettata da
tutti e suscitò vivaci polemiche. Per comprendere questa legge bisogna
riflettere sulla formula chimica che descrive un composto. Nel caso dell'acido
cloridrico, ad esempio, la formula ci rivela che la sua molecola contiene un
atomo di idrogeno e uno di cloro. Sarebbe possibile produrre acido cloridrico
con la molecola formata da due o tre atomi di idrogeno e da uno di cloro?
Evidentemente no. Questo significa che, perché reagiscano, l'idrogeno e il cloro
devono essere presi in quantità tali da contenere lo stesso numero di atomi.
L'idrogeno e il cloro in eccesso non partecipano alla reazione chimica. Si può,
quindi, concludere con Proust che, quando due elementi si combinano per dar
luogo a un composto, le loro quantità non sono arbitrarie: presa una certa
quantità del primo elemento, occorrerà prendere un ben determinato quantitativo
del secondo perché avvenga la reazione; cioè le quantità dei due elementi devono
essere in proporzione definita.
IL PRINCIPIO DI LAVOISIER
Un pezzo di legno bruciato lascia come residuo solo un po' di cenere. Il peso
della cenere è decisamente minore di quello del pezzo di legno. A prima vista
sembrerebbe, dunque, che il fuoco abbia distrutto una parte di materia e,
infatti per secoli si è creduto che così avvenisse. Vi è un altro processo in
cui però la materia sembra che si crei. Infatti riscaldando un pezzo di rame o
ferro osserviamo che esso cambia colore e diventa più pesante. Il chimico
francese Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) intuì che la scomparsa di materia
nel primo caso e la creazione di materia nel secondo, fossero illusori. Egli
provocò, allora, la combustione del legno e il riscaldamento del rame in
recipienti chiusi ermeticamente. Pesò i recipienti sia prima che dopo questi
processi e verificò che il peso non si era modificato. Come interpretare,
dunque, i fenomeni osservati? Nel primo caso bisognava pensare alla formazione
di sostanze gassose che, in assenza di un recipiente a chiusura ermetica, si
disperdessero nell'aria; nel secondo caso, invece, dovevano essere dei gas
contenuti nell'aria ad associarsi col rame facendolo aumentare di peso. Gli
esperimenti condotti da Lavoisier gli permisero di giungere alle seguenti
conclusioni: nelle reazioni chimiche non si crea né si distrugge materia, ma
quest'ultima subisce solo delle trasformazioni. Il principio di conservazione
della materia o principio di Lavoisier è stato per oltre un secolo uno dei
pilastri fondamentali della chimica Oggi sappiamo che in certi casi la materia
può distruggersi trasformandosi in energia, come accade, ad esempio, nello
scoppio di una bomba atomica.
I GAS NOBILI
I gas nobili o gas inerti costituiscono un gruppo di elementi chimici,
precisamente il gruppo zero della tavola periodica. Sono tutti gas incolori e
inodori; le loro proprietà fisiche variano ordinatamente con il peso atomico
(che coincide col peso molecolare, dato che hanno tutti molecola monoatomica).
La struttura elettronica dei gas nobili è del tutto particolare: essi infatti
presentano la caratteristica di avere lo strato esterno di valenza completo con
gli otto elettroni (due per l'elio). Di qui nasce la loro scarsa reattività e la
loro molecola monoatomica: avendo già lo strato esterno completo non hanno
alcuna tendenza a cedere o prendere elettroni, né a metterne in comune, per
formare legami chimici. Essi quindi non reagiscono con altri atomi e non danno
origine a dei composti. Si dice, infatti, che questi elementi sono chimicamente
inerti. I gas nobili sono sei: elio (He), neo o neon (Ne), argo o argon (Ar o
A), cripto (Kr), xeno (Xe) e rado o radon (Rn), in ordine di peso molecolare
crescente. Essi sono presenti nell'aria atmosferica, della quale costituiscono
l'1% circa in volume al livello del mare e percentuali più elevate alle alte
quote. Piccolissime quantità si trovano anche nella crosta terrestre,
imprigionate in rocce. Tutti presentano almeno due isotopi stabili, ad eccezione
del rado che è un prodotto di fissione di radio e torio; il suo isotopo più
stabile, l'isotopo
226 Ra, ha un periodo di semi-trasformazione di
1.622 anni. Mentre nell'atmosfera (in realtà nella troposfera) e nella crosta
terrestre l'argo è presente in quantità relativamente molto più alta rispetto
agli altri, nell'universo la presenza è tanto minore quanto maggiore è il peso
atomico dell'elemento. In assoluto però questa presenza è elevata; l'elio è
l'elemento più abbondante nell'universo dopo l'idrogeno. D'altra parte nelle
parti più alte della stratosfera si ha una forte concentrazione di elio,
specialmente in corrispondenza alla regione equatoriale. L'elio d'altronde fu
scoperto spettrograficamente nel sole durante un'eclisse. La solubilità sia a
freddo che a caldo cresce regolarmente con il peso molecolare. La solubilità in
acqua è sempre scarsa per tutti i gas, naturalmente è maggiore a freddo che a
caldo. La solubilità negli altri solventi è molto meno regolare; ad esempio
l'elio è assorbito molto facilmente da platino sugnoso, il neo è solubile in
ossigeno liquido, in alcool etilico, acetone e benzene, l'argo è solubile in
alcool etilico, il cripto è leggermente solubile in alcool etilico ed in
benzene. Come si è detto i gas nobili presentano una grande inerzia chimica, in
omaggio al fatto che la loro struttura elettronica presenta lo strato esterno
completo. Fino a pochi anni or sono si riteneva che questi elementi non dessero
assolutamente composti (onde il nome di gas inerti). Poi si sono ottenuti i
primi composti come i fluoruri di xeno XeF
2, XeF
4
e XeF
6; indi si ottennero anche composti con l'ossigeno, tipo gli
xenati (ad es. Na
4 XeO
6). Altri composti di questi tipi
furono preparati anche con cripto e rado, e - con maggiori difficoltà - anche
con neo ed argo, ma attualmente non si è ancora riusciti con l'elio. D'altra
parte i composti dei gas nobili sono tutti dotati di scarsa stabilità, dato che
questi elementi non hanno tendenza a dare legami chimici. La produzione dei gas
è legata essenzialmente a quella di ossigeno ed azoto per liquefazione
dell'aria, dato che non esiste altro metodo utile di preparazione. In generale
quindi i grandi impianti di questo tipo hanno i gas nobili (principalmente argo,
di solito impuro) come sottoprodotto. Il consumo di elio, argo, neo, ma anche di
cripto e di xeno, è in continuo rapido aumento. Sono impiegati solitamente come
gas inerti sia per il riempimento di componenti microelettronici, che per la
saldatura a cannello (per formare uno schermo inerte) e tecnologie del genere.
Un grande impiego ne è fatto anche nella produzione di lampade a fluorescenza
(dette di solito tubi al neon) per la loro alta conducibilità elettrica e la
bassa tensione cui s'innesca l'arco. Per questo uso è comune l'argo (che è il
più abbondante, e quindi il meno costoso) ma vengono impiegati anche gli altri
per impartire diverse colorazioni alla luce emessa.
MISCUGLI E COMPOSTI
Quando si mescolano due o più sostanze spesso non si verifica alcuna reazione
chimica, ma si ottiene un miscuglio. L'aria, ad esempio, è un miscuglio di gas.
Nei miscugli, i diversi componenti, sia elementi che composti, non si legano
chimicamente fra loro: non avremo, quindi, molecole di aria ma molecole di
azoto, anidride carbonica, ossigeno, ecc., che mescolate insieme formano
l'atmosfera. Per preparare un miscuglio possiamo, inoltre, utilizzare le
sostanze in quantità arbitrarie; nei composti, invece, gli elementi che li
costituiscono devono essere sempre in proporzioni ben definite (legge di
Proust). Come è possibile separare le sostanze che compongono un miscuglio?
Generalmente si considera il fatto che hanno proprietà diverse. Per esempio, se
si vuole separare un miscuglio di sabbia e sale basterà versare il miscuglio in
una bacinella piena di acqua: il sale si scioglierà mentre la sabbia, insolubile
in acqua, si depositerà sul fondo.
GLI ACIDI E LE BASI
Fino al secolo scorso venivano chiamati genericamente acidi quei composti che
presentavano un sapore di tipo acido e che erano in grado di attaccare molti
metalli; basi le sostanze capaci di annullare le proprietà e gli effetti
caratteristici degli acidi. Successivamente si diede un significato più preciso
e si rivolse l'attenzione alle caratteristiche strutturali dei composti. Si
definiscono acidi i composti chimici la cui molecola contiene uno o più atomi di
idrogeno e che liberano in soluzione ioni H
+. Caratteristiche
principali sono il sapore acido, l'azione sugli indicatori colorati (colorazione
in rosso del tornasole e del metilarancio), l'azione su una base, per esempio la
soda, per dare uno o più sali (cloruro di sodio, fosfati di sodio). Si
definiscono basi le sostanze composte di un metallo e di un ossidrile (il
radicale monovalente OH); dissociandosi in soluzione forniscono ioni idrossido
OH
-. Tra le principali proprietà: sapore particolare di lisciva,
azione sugli indicatori colorati (colorazione in blu del tornasole, in giallo
del metilarancio, in rosso della fenolftaelina), reagiscono con gli acidi
formando dei sali ed eliminando acqua.
GLI OSSIDI E LE ANIDRIDI
Gli ossidi sono composti dell'ossigeno con elementi a carattere metallico che a
loro volta unendosi con l'acqua formano idrossidi a carattere basico. Le
anidridi sono invece composti dell'ossigeno a carattere non-metallico, anche se
recentemente nella moderna nomenclatura chimica questo termine è stato abolito
includendole nella categoria degli ossidi. Inoltre, sempre secondo l'attuale
nomenclatura, i singoli ossidi devono indicarsi con nomi che precisano sia il
numero di atomi di ossigeno che quello dell'altro elemento: SO
2 non
sarà quindi "ossido di zolfo" ma "biossido di zolfo".
I SALI
Prendono il nome di sali quei composti chimici che derivano dalla sostituzione
degli atomi di idrogeno ionizzabili di un acido con ioni metallici. Sono
sostanze cristalline che hanno struttura di reticolo tridimensionale. I sali
sono detti "acidi" se contengono un acido; "basici" se contengono una base e
"doppi o tripli" se corrispondono a miscele di due o tre sali distinti. Le
reazioni che portano alla formazione di sali vengono dette reazioni di
salificazione. Fra i principali sali ricordiamo: - cloruro di sodio NaCl -
solfato di zinco ZnSO
4 - solfato di calcio CaSO
4
LAVOISIER: UN GENIO ALLA GHIGLIOTTINA
Laurent Antoine Lavoisier, il padre della chimica moderna, nacque il 26 agosto
del 1743 da una famiglia piuttosto agiata; sin dalla più giovane età si dedicò
agli studi scientifici e contemporaneamente si laureò in giurisprudenza per
succedere al padre nella carica statale di procuratore delle imposte. Fu proprio
l'impopolarità tipica del suo lavoro, che gli costò le antipatie dei suoi
concittadini che lo accusarono, ingiustamente, di illeciti arricchimenti. Ma
nonostante ciò Lavoisier, aiutato dalla moglie Marie Anne, continuò i suoi studi
sulla chimica e divenne uno dei più importanti uomini di cultura del suo tempo.
Ben presto il grande chimico si trovò a dover fare i conti con il crescente
malcontento francese, che portò alla rivoluzione del 1789. Ai primi di settembre
del 1793 la Convenzione ordinò il sigillo a tutte le carte degli appaltatori
generali; anche la casa di Lavoisier fu perquisita e alcuni suoi documenti
sequestrati. L'odio alimentato nei suoi confronti da Marat e da Fourcroy, costò
a Lavoisier la qualifica di contro-rivoluzionario e l'implicita condanna a
morte. Il processo contro il padre della chimica fu basato su accuse aleatorie e
a Lavoisier non fu data neppure la possibilità di difendersi. Il 24 novembre del
1793 fu spiccato il mandato di cattura contro di lui e il 6 maggio 1794 fu
imprigionato nel carcere della Conciergerie. Anche la moglie di Lavoisier fu
arrestata e costretta a subire una pena detentiva; Marie Anne era ancora in
carcere quando fu tagliata la testa a suo marito Antoine e a suo padre. Liberata
qualche mese dopo, nell'aprile del 1796, le furono restituiti i mobili, le
carte, i libri e gli oggetti del laboratorio: nel decreto di restituzione era
scritto "Alla vedova di Lavoisier, ingiustamente condannato".
JOHN DALTON: INSEGNANTE A DODICI ANNI
John Dalton, uno dei massimi ingegni della storia della chimica e padre della
teoria atomica moderna, nacque il 6 settembre del 1766 in un piccolissimo
paesino del Cumberland, Eaglesfield, nella numerosa famiglia di un artigiano
tessitore. Molte famiglie di Eaglesfield erano adepte fedeli alla setta dei
Quaccheri. Le loro abitudini erano molto semplici, propagandavano la
non-violenza e soprattutto erano assertori della necessità che tutti
possedessero una cultura almeno sufficiente per poter leggere e meditare le
Sacre Scritture. Nel 1778 la cittadina di Eaglesfield rimase senza maestro e, a
causa della misera paga che veniva offerta, non fu possibile trovarne un altro
nei paesi vicini. Dopo una riunione cittadina si stabilì di affidare l'incarico
alla persona più istruita del villaggio: il compito toccò a John Dalton che
all'epoca aveva solo dodici anni. Mentre insegnava a scrivere e a leggere ai
suoi compaesani, Dalton leggeva e studiava voracemente quanto il tempo e i libri
a disposizione gli consentivano: imparò il latino e il greco e approfondì le
scienze a lui più care, quali la matematica e la chimica. Appena quindicenne
Dalton lasciò Eaglesfield e si trasferì a Kendal, una cittadina che offrì a
Dalton la possibilità di approfondire ulteriormente le proprie conoscenze. In
seguito John Dalton fu riconosciuto come uno degli scienziati più importanti del
suo tempo e fu accolto sia nella Literary and Philosophical Society sia
all'Università di Oxford. Quando morì, nel 1844, la sua fama e il suo prestigio
erano tali che ai funerali parteciparono più di quarantamila persone.
La rotazione degli elettroni intorno al nucleo
