Chimica e didattica della chimica

1. Luca Fiorani Chimica e didattica della chimica Verso le analisi quantitative

2. La scoperta dello stato aeriforme • Nella terminologia usata dagli alchimisti (arie, vapori, spiriti) erano insiti sia il dubbio che potessero esistere diverse sostanze aeriformi, sia un alone di mistero • Jan Baptista Van Helmont (1577-1644) capisce che la caratteristica delle sostanze aeriformi e di non avere né una forma, né un volume definiti (le chiamò "caos", da cui "gas") 2

3. La scoperta dello stato aeriforme • Se Van Helmont è interessato alle caratteristiche chimiche dei gas, Evangelista Torricelli (1608-47) e Otto von Guericke (1602-86) si dedicano a studiarne le caratteristiche fisiche 3

4. La scoperta dello stato aeriforme • Nel 1643 Torricelli dimostra che anche i gas hanno un peso e quindi possono esercitare una pressione: a lui si deve l'invenzione del barometro e la dimostrazione della capacità dell'aria di sostenere una colonna di mercurio alta 760 mm • Nel 1654 von Guericke inventa una pompa pneumatica per diminuire la pressione all'interno dei recipienti 4

5. La scoperta dello stato aeriforme • Robert Hooke (1635-1703) e John Mayow (1641-79) si accorgono che per la combustione è indispensabile l'aria • Hooke sostiene che i corpi combustibili si dissolvono a contatto con una sostanza nitrosa presente nell'aria • Per Mayow l'aria è costituita da due tipi di sostanze: una parte inerte e una composta da particelle nitro-aeree e, nella combustione, la componente solforosa delle sostanze combustibili reagisce con le particelle nitro-aeree 5

6. Boyle, il chimico scettico • Robert Boyle (1627-91) si occupa delle proprietà dei gas • Nell'opera "Difesa della dottrina relativa all'elasticità e al peso dell'aria" (1662) Boyle individua la relazione tra pressione e volume di un gas a temperatura costante: il volume e la pressione sono inversamente proporzionali 6

7. Boyle, il chimico scettico • Boyle lavora con un tubo a U contenente mercurio che esercita una determinata pressione sull'aria: variando la pressione varia anche il volume secondo la legge:P × V = kdetta legge di Boyle 7

8. Boyle, il chimico scettico • Edme Mariotte (1635-84) scopre autonomamente la stessa legge (per questo detta anche legge di Boyle-Mariotte) • Gli studi di Boyle sono importanti perché: • è forse la prima volta che i chimici cercano di dare una forma matematica e una misura quantitativa a quello che sperimentano • le sue osservazioni contribuiscono alla diffusione della teoria atomica (Boyle ipotizza che i gas siano costituiti da particelle infinitesime chi si avvicinano e si allontanano) 8

9. Boyle, il chimico scettico • Nell'opera "Il chimico scettico" (1661): • elimina il prefisso "al" • afferma che l'esperienza "è la sola sulla quale si fondano i chimici" • prende le distanze dagli alchimisti che spiegavano tutte le sostanze con S, Hg e NaCl • si avvicina alla definizione moderna di elemento • distingue composti e miscugli • intuisce che l'aria è indispensabile per le fiamme • conia il termine "analisi" • introduce indicatori per l'acidità e la basicità 9

10. La chimica pneumatica e il flogisto • A metà del Seicento, con l'invenzione della macchina a vapore, l'uomo impara a sfruttare la combustione e gli scienziati si interrogano sulla natura del fuoco • Georg Ernst Stahl (1660-1734) chiama flogisto il principio di infiammabilità • Nella combustione si libera il flogisto che è catturato dall'aria e non è più presente nella cenere • La teoria del flogisto spiega perché i solidi perdono massa nella combustione 10

11. La chimica pneumatica e il flogisto • Stahl capisce il legame tra combustione e formazione della ruggine: il ferro si trasforma nella ruggine perdendo il flogisto • Problema: la ruggine pesa più del ferro • Ipotesi: esistono due flogisti, uno di massa positiva e uno di massa negativa • Anche se in errore, i sostenitori della teoria del flogisto fanno scoperte importanti 11

12. La chimica pneumatica e il flogisto • Stephen Hales (1677-1761) dimostra che l'aria partecipa alle reazioni chimiche • Joseph Black (1728-99) si accorge che nella combustione si forma CO2 che chiama aria fissa perché: • è più pesante dell'aria • non favorisce la combustione • è un componente dell'aria • Henry Cavendish (1731-1810) isola H2 che chiama aria infiammabile 12

13. La chimica pneumatica e il flogisto • Indipendentemente e nello stesso anno Joseph Priestley (1733-1804) e Carl Wilhelm Scheele (1742-86) isolano O2 • Priestley osserva che O2 alimenta la combustione e lo chiama aria deflogisticata (la mancanza di flogisto nell'aria ne facilita la liberazione) • Scheele individua N2 e O2 chiamando quest'ultimo aria di fuoco 13

14. La bilancia di Lavoisier • Antoine Lavoisier (1743-1794) è il padre della chimica moderna: • introduce l'uso sistematico dell'analisi quantitativa (bilancia) che sfocerà nella legge di conservazione della massa, enunciata nel suo "Trattato elementare di chimica" (1789) • riconosce i gas presenti nell'aria (e conia i nomi "azoto", "ossigeno" e "idrogeno") • fonda la nomenclatura chimica 14

15. La bilancia di Lavoisier • Lavoisier comprende la conservazione della massa studiando il riscaldamento del gesso (CaSO4•2H2O): la massa che il gesso perde corrisponde alla massa dell'acqua che si libera • Facendo bruciare un metallo in un recipiente chiuso, trova che il sistema ha la stessa massa prima e dopo la reazione • L'ossido di metallo pesa di più del metallo, come se un gas passasse dall'aria al metallo e non il flogisto dal metallo all'aria 15

16. Fine della lezione… 16