La nascita della chimica

1. La nascita della chimica

2. Breve storia della chimica Nella storia della chimica, si possono identificare due ampi periodi: il primo, che dalle origini più remote giunge sino al XVIII secolo, caratterizzato dal fatto che i chimici non sono ancora consapevoli di praticare una nuova disciplina e sono essenzialmente dei tecnologi; il secondo s’identifica con la chimica moderna che dal secolo XVIII giunge sino a noi

3. Scoperta del fuoco • Controllare il fuoco allo scopo di produrre luce e calore è stata una delle prime grandi conoscenze apprese dal genere umano. • La scoperta del fuoco ha reso possibile migrazioni verso climi più freddi e ha dato agli uomini la possibilità di cuocere il cibo. I segnali prodotti con il fuoco furono un primitivo utilizzo del fuoco come mezzo di comunicazione. • Il fuoco rese presto possibile la metallurgia • Gli antenati dei moderni uomini come l'Homo erectus sembrerebbero avere imparato a controllare il fuoco circa 790.000 anni fa.

4. Estrazione dei metalli e formazione di leghe • Già nel IV millennio a.C., la chimica intesa come tecnologia aveva raggiunto un notevole livello di sviluppo. • Le popolazioni mesopotamiche (Sumeri e Assiri), gli Ebrei e gli Egizi non solo sapevano estrarre i metalli dai loro minerali e combinarli in leghe, ma erano in grado anche di ricavare succhi vegetali e pigmenti minerali e di utilizzarli come coloranti, come cosmetici e come farmaci. In particolare, chi possedeva queste conoscenze si riteneva detentore per volontà divina di un grande potere.

5. Età della pietra Età del rame Età del bronzo (Cu + Sn) Età del ferro Età dell'alluminio

6. Origine del nome • Secondo alcuni studiosi il termine chimica, deriverebbe da una parola egizia: Khemeia, cioè “appartenente all’Egitto”, oppure dal greco Khumos, “succo di pianta”, con riferimento all’estrazione e all’uso dei succhi vegetali.

7. Preistoria (IV-V sec. a.C.) • Gli elementi dei Greci • Tutta la materia si trasforma, deve esistere allora una sostanza prima, l’archè, da cui tutto deriva • Per Talete (640‑546 a.C.) tale sostanza prima è l’acqua. •  Per Anassimene, (570 a.c.) l'elemento fondamentale è l'aria; •  Per Eraclito, (ca 540‑475) la sostanza fondamentale è il fuoco poiché esso è alla base di tutte le principali trasformazioni. • Empedocle un discepolo di Pitagora (ca. 490‑430 a.C.) avanzò l’ipotesi che le sostanze-base siano quattro: l'acqua di Talete, l'aria di Anassimene, il fuoco di Eraclito, e la terra aggiunta dallo stesso Empedocle.

8. Aristotele (384-322 a.C.) • Riconobbe l’esistenza di qualità derivate dalla percezione tattile: caldo opposto a freddo, secco opposto a umido. • Queste qualità associandosi in coppie diverse ma non opposte, darebbero origine ai vari elementi: fuoco (caldo+secco), aria (caldo+umido), acqua (freddo+umido), terra (freddo+secco). Il concetto dei quattro elementi ha dominato le menti dell'umanità per duemila anni !!!

9. Alchimia (IV sec- XVII sec) • Gli alchimisti iniziarono a ad operare ad Alessandria in Egitto nel 200-300 d.C. • Arte legata alla religione • Incuteva timore e rispetto, chi la praticava sembrava depositario di arti segrete e di conoscenze pericolose • I sette metalli: oro, argento, mercurio, rame, ferro, stagno, piombo, erano in relazione con i sette astri: Sole, Luna, Mercurio, Venere, Marte, Giove, Saturno, ed entrambi connessi con le parti anatomiche e le viscere dell'uomo

10. Alchimia (IV sec- XVII sec) • Vi sono tre grandi obiettivi che si proponevano gli alchimisti: • conquistare l'onniscienza • creare la panacea universale, un rimedio cioè per curare tutte le malattie, per generare e prolungare indefinitamente la vita • trasmutare i metalli in oro o argento. • La pietra filosofale, sostanza di tipo etereo (che potrebbe essere una polvere, un liquido o una pietra), era la chiave per realizzare questi obiettivi

11. Età del flogisto (XVII sec- XVIII sec) • Durante il '700  i fenomeni più studiati erano quelli che coinvolgevano il calore. • Calcinazione: un metallo all'aria e in presenza di fuoco si trasforma in calce • Riduzione (nel senso di ripristinare, rigenerare) :una calce in presenza di opportuni materiali, ad esempio   il  carbone, con l'aiuto del fuoco si trasforma in metallo • Combustione: alcuni materiali (come ad esempio il legno) in presenza di fuoco e aria danno origine a ceneri

12. Il Flogisto • La teoria del flogisto fu elaborata dal chimico tedesco Georg Ernst Stahl (1660-1734) • ogni sostanza combustibile possiede un fattore comune, battezzato con il nome di flogisto (dal termine greco phlox indicante la fiamma) • Il flogisto, secondo Stahl, dà ai composti la capacità di infiammarsi • Il carbone, l'alcool e il legno erano considerati formati quasi esclusivamente dal flogisto in quanto altamente infiammabili. • Esclusi acqua, sale e sabbia ogni altro corpo animale, vegetale o minerale contiene, anche se in quantità diverse, il principio di infiammabilità.

13. Il Flogisto • Stahl riteneva che anche i metalli fossero corpi contenenti flogisto così come la “materia terrosa”; • quando si scalda fortemente un metallo, in fondo al crogiolo resta una terra, una calce da cui deriverà il termine calcinazione • L’aria ha la funzione di raccogliere il flogisto per trasferirlo ad altri corpi.

14. La calcinazione • un metallo (Me) all'aria e in presenza di fuoco si trasforma in calce • 2Me + O2  2MeO • Era considerata come  l'emissione  di flogisto liberato dal metallo riscaldato all'aria

15. La riduzione • una calce in presenza di opportuni materiali, ad esempio il carbone, con l'aiuto del fuoco si trasforma in metallo • 2MeO + C   2 Me + CO2 • il flogisto viene ripristinato, dando di nuovo metallo, ossia la reazione inversa alla calcinazione

16. La combustione • alcuni materiali (come ad esempio il legno) in presenza di fuoco e aria danno origine a ceneri • CH4 + O2     CO2 + H2O • in base alla teoria del flogisto la reazione di combustione avviene tra un materiale “ricco di flogisto” in grado di bruciare (combustibile) con un materiale “deflogisticante” (comburente) e di un innesco per la reazione (accensione e fuoco)

17. La calcinazione secondo il flogisto • era considerata come l'emissione di flogisto liberato dal metallo riscaldato all'aria e cioè: Metallocalce+flogisto Ma la calce pesa di più del metallo !!

18. Lavoisier (1743-1794) Antoine Laurent Lavoisier riconobbe l’importanza delle misurazioni accurate e fece una serie di esperimenti sulla combustione. Lavoisier riscaldò dei metalli (stagno o piombo) in recipienti chiusi con quantità limitate di aria. La calce che si formava pesava di più del metallo originale, ma il peso dell’intero recipiente era immutato. Analogamente bruciando la legna la cenere residua era più leggera del legno di partenza ma il peso del recipiente rimaneva lo stesso. La trasformazione del metallo (o della legna) non era conseguenza della perdita di flogisto ma dell’acquisto di una parte di aria (ossigeno).

19. Esperimento di Lavoisier sull’ossido di mercurio (1775) Un “esperimento cruciale” nella storia della chimica che permetterà il passaggio dalla teoria del flogisto alla legge di conservazione degli elementi

20. Esperimento di Lavoisier sull’ossido di mercurio (1775) FASE 1 Il mercurio[Hg] venne introdotto nella storta il cui lungo collo "pesca" nella campana di vetro piena d'aria e isolata dall'esterno. Dopo un lungo riscaldamento (dodici giorni!), Lavoisier osservò la presenza di una polvere rossa nella storta pari a 45 grani e trovò che il volume di aria, presente nella campana di vetro, era diminuito di 8- 9 pollici cubici, pari ad un sesto del volume di partenza.

21. Esperimento di Lavoisier sull’ossido di mercurio (1775) FASE 2 Nella seconda fase la polvere rossa  venne  pesata, rimessa in una storta  e  riscaldata energeticamente. Dopo un po' di tempo Lavoisier osservò la formazione di mercurio metallico e contemporaneamente una produzione di "aria", che andava esattamente a bilanciare la quantità consumata nella reazione precedente. Inoltre determinò che l'ossido di mercurio aveva una massa superiore al mercurio di partenza e la differenza era di un dodicesimo rispetto alla massa del mercurio di partenza.

22. La scoperta dell’ossigeno (1775) Dall’esperimento sull’ossido di mercurio Lavoisier traeva la conclusione che l'aria assorbita era più respirabile, più combustibile e di conseguenza "più pura anche dell'aria nella quale noi viviamo...questo principio che si combina con i metalli...non è altra cosa della porzione più pura dell'aria stessa che ci circonda... ". Lavoisier introdusse così il termine ossigeno unendo due termini greci: oxys (acido) e gennan (generare)

23. Lavoisier è il padre della rivoluzione chimica Provò sperimentalmente che durante le reazioni la massa si conserva, in quanto si conservano i principi elementari ( in seguito si scoprirà la conservazione del tipo e del numero degli atomi) Individuò l'elemento ossigeno e gli assegnò il ruolo di componente reattivo dell'aria sia per le combustioni, sia per le calcinazioni e smentì le ipotesi che consideravano l'aria poco più che un mezzo per fare avvenire le reazioni

24. Lavoisier è il padre della rivoluzione chimica Introdusse un simbolismo che semplificava il linguaggio dei chimici e che contemporaneamente acquistava un significato fisico Introdusse come criterio, per classificare le sostanze ed assegnare loro un nome, la tendenza di queste a dare particolari  reazioni, cioè la loro reattività

25. Leggi ponderali della chimica • Legge della conservazione della massa (Lavoisier, 1789): la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti. • Legge delle proporzioni definite (Proust, 1799): in un composto, gli elementi che lo costituiscono sono presenti secondo rapporti in peso definiti e costanti.

26. Leggi ponderali della chimica Legge delle proporzioni multiple (Dalton, 1808):quando due elementi si combinano per dare origine a più di un composto, le quantità di uno dei due elementi che si combinano con la stessa quantità dell’altro elemento stanno in un rapporto esprimibile con numeri interi e piccoli. Rapporto tra le masse di ossigeno che si combinano con 32 g di zolfo è 2:3

27. Leggi ponderali della chimica Legge dell’invariabilità delle sostanze elementari nelle comuni reazioni chimiche non nucleari un elemento non può essere trasformato in un altro. Gli atomi si possono trasferire da una specie chimica all’altra ma il numero totale deve rimanere inalterato. Deve rimanere uguale anche la carica totale nei reagenti e nei prodotti