Cos’è
il pH?
Che differenza c’è tra cibi e veleni?
Com’è fatta l’acqua?
Ci rispondono gli studi dei chimici
Qualche centinaio di
miliardi di miliardi di molecole: le state tenendo in mano o
sono appoggiate sul vostro tavolo.
Non le vedete una per una perché sono microscopiche, ma
messe insieme formano il vostro PC: molecole di ferro.
silicio, e altro.
Se leggete, è perché molte altre molecole compongono i
vostri occhi; altre ancora ricevono la luce emessa da
caratteri e illustrazioni, subiscono una trasformazione
chimica e innescano reazioni che lanciano un segnale al nervo
ottico.
Anch’esso fatto di molecole, come pure il vostro
cervello, dove il segnale arriva ed è elaborato fino a
produrre la rappresentazione psichica di queste pagine.
IL MONDO?
SONO SOLO 92 ATOMI Un grande merito della chimica
è stato quello di mostrare che tutto il mondo materiale,
compreso il nostro organismo, è costituito a partire da un
centinaio di elementi.
L’odorino che vi stuzzica l’appetito è l’effetto
di molecole che escono dalle pentole, si diffondono e si fissano
sui recettori del naso. La farfalla maschio del baco da seta
trova la femmina, anche se molto distante, seguendo la traccia di
molecole del feromone che quella dissemina nell’aria.
Con
tutta probabilità la prima reazione chimica sfruttata
dall’uomo fu la combustione di un pezzo di legno. Le
fiamme altro non sono che luce e calore emessi dai gas
surriscaldati che si generano mentre il materiale
combustibile reagisce con l’ossigeno dell’aria,
producendo per lo più anidride carbonica e vapore acqueo.
Per diventare una scienza, nel senso che
oggi diamo a questa parola, la chimica ha tuttavia impiegato
diversi millenni da quel primo tizzone. Fino ad arrivare
all’ultima parte del Settecento e al grande innovatore
Antoine-Laurent Lavoisier.
Prima di lasciare la testa
sotto la ghigliottina rivoluzionaria, ancorò le teorie
chimiche ai dati sperimentali, riconoscendo ad esempio il
ruolo dell’ossigeno nelle combustioni. La chimica si
confermava la scienza che studia natura, proprietà e
trasformazioni della materia.
LA CHIAVE
ERA NEL GAS Per gettare le basi
dell’interpretazione strutturale della materia e
comprenderne il comportamento mancava tuttavia la teoria
atomico-molecolare. Essa si sviluppò poco dopo grazie al
piemontese Amedeo Avogadro.
Nel 1811 egli ipotizzò che,
fissate temperatura e pressione, in un certo volume di
qualunque gas fosse contenuto lo stesso numero di molecole.
Trascorse però un altro mezzo secolo prima che il siciliano
Stanislao Cannizzaro riuscisse a far accettare
quest’ipotesi, che permise di determinare
sperimentalmente i pesi molecolari, e così di
risalire alle formule chimiche corrette.
LA
DIFFERENZA La più piccola porzione di un
elemento è infatti l’atomo: un
nucleo di protoni e neutroni circondato da elettroni. Atomi con un
diverso numero di protoni appartengono a elementi diversi e hanno
proprietà chimiche e fisiche differenti.
Viviamo respirando ossigeno,
ma moriremmo subito respirando fluoro, anche se ha solo un
protone in più. Protoni ed elettroni hanno carica elettrica
opposta, ma essendo in numero uguale si neutralizzano: l’atomo
è neutro.
SONO COME
CANI E TOPI La struttura dell’atomo è assimilabile a quella di un microscopico sistema
solare Ma un sistema solare pressoché vuoto: se il nucleo fosse
ingrandito fino a raggiungere le dimensioni di un cane il più
vicino elettrone si troverebbe a 100 km e avrebbe le dimensioni
di un topolino.
Se il nucleo fosse grande come il Sole, l’elettrone si
troverebbe oltre Plutone, il più lontano dei pianeti.
A MILIARDI
SU UNA RIGA Ma l’analogia è solo in
parte corretta. In
realtà la posizione dell’elettrone non è conoscibile: si trova in una sorta di nube che circonda il
nucleo. Essa è suddivisa in varie zone, dette comunemente
orbitali, che non hanno sempre la stessa forma: per esempio gli
orbitali "s" sono sferici, e quelli "p"
assomigliano a due gocce d’acqua unite tra loro.
Gli atomi sono piccolissimi:
il raggio di un atomo di carbonio è di soli 0,00000015 mm;
una riga a matita lunga 2 cm, larga un decimo di mm e spessa
un centesimo, ne contiene 6 miliardi di miliardi
in forma di molecole di grafite.
Nonostante la piccolezza degli atomi, i moderni microscopi
elettronici "a effetto tunnel" possono renderli
visibili. Altre tecniche permettono di riconoscerne
indirettamente la presenza (cromatografia e spettroscopia) e
dedurne la disposizione spaziale (cristallografia).
In altre parole, gli atomi sono molto
piccoli ma reali. Quando solleviamo una mela reggiamo il peso di
una galassia di atomi. Quando udiamo il mormorio dell’acqua
percepiamo le onde d’urto di una miriade di molecole. Quando
ci vestiamo ci stendiamo addosso una trama di puntini pressoché
infinitesimali, tenuti insieme dalla coalizione di minuscole forze.
NON CASO,
MA COMBINAZIONE La maggior parte dei corpi è
costituita da molecole, cioè combinazioni di atomi dello stesso
tipo odi tipo diverso legati tra loro. Così l’acqua è una
combinazione di idrogeno e ossigeno, e l’aspirina di
carbonio, idrogeno e ossigeno.
Esistono milioni di tipi
diversi di molecole: alcune servono per scaldarci, come
quelle di metano. Altre caratterizzano un gusto, un
odore, un colore, o fungono da "mattoni" per
costruire molecole più complesse, come gli amminoacidi
per le proteine. Altre ancora, la cellulosa, ci
consentono di vivere su un pianeta coperto di piante.
Ciascun tipo di atomo porta una qualità particolare alla
sostanza di cui fa parte. La sostituzione di un solo atomo
può trasformare un combustibile in un veleno o rendere
commestibile una sostanza immangiabile.
SOTTO LO
STESSO OMBRELLO Solo nei primi decenni del
secolo si è capito che un certo tipo di legame fra due
atomi è dovuto alla condivisione di una coppia di elettroni
più esterni, che formando un’unica nube agiscono da
"colla". È un po’ come se una persona si offrisse
di dividere l’ombrello con un’altra. Il numero di
legami che un atomo può formare dipende dal numero di elettroni
(di "ombrelli") che può condividere.
Quali e quanti atomi facciano
parte di una molecola è scritto nella sua formula.
L’alcol etilico, quello delle bevande alcoliche, ha per
esempio 2 atomi di carbonio, 6 di idrogeno e 1 di ossigeno;
la sua formula bruta è dunque C2H6O, dove gli elementi sono
indicati con i rispettivi simboli. Con gli stessi
pezzi si possono infatti costruire oggetti diversi. Per
sapere come si legano gli atomi c’è bisogno della formula
di struttura, che permette anche di distinguere tra
molecole che pur avendo gli stessi ‘ingredienti"
hanno differenti proprietà (come l’etanolo e il
dimetiletere. Nella formula di struttura i legami tra atomi
sono indicati con trattini tra i relativi simboli chimici
(tanti trattini quante sono le coppie di elettroni
condivise).
È UNO
SCIPPO IONICO Anziché limitarsi a
condividere gli elettroni di altri atomi, in certi casi alcuni
elementi "egoisti" li strappano via: un vero e proprio
scippo. In questo modo si formano ioni, cioè atomi che
hanno perso o acquistato uno o più elettroni e quindi possiedono
una carica elettrica.
Può così accadere che scippato e scippatore risentano di una
reciproca attrazione elettrostatica, e formino un "legame
ionico". Un classico esempio è quello del sale da
cucina, o cloruro di sodio, in cui lo ione positivo del sodio (Na+)
è legato a quello negativo del cloro (Cl-).
C’è anche
un’attrazione tra molecole che va citata per la sua
importanza. Il legame a idrogeno che si può
paragonare a uno scippo non riuscito: l’atomo con cui
l’idrogeno ha in comune gli elettroni cerca di attrarli
a sé, ma senza riuscire a impossessarsene del tutto.
L’idrogeno si ritrova debolmente positivo e non può far
altro che attirare atomi appartenenti ad altre molecole se
hanno una sia pur debole carica negativa. Così si forma quel
legame intermolecolare che dà solidità al legno e impedisce
all’acqua di evaporare già a -80 °C. E che consente
la vita.
La materia si trasforma di continuo tramite
reazioni chimiche. E’ un succedersi di legami che si rompono
e nuovi legami che si formano: atomi si uniscono per dare
molecole; molecole si scindono per dare altre molecole e atomi.
MOLECOLE
DA GUINNESS Nascono anche molecole grandi,
come la stearina, un grasso composto da 57 atomi di carbonio, 6
atomi di ossigeno e 110 atomi di idrogeno, o addirittura
gigantesche come le proteine, con migliaia di atomi.
Le proteine sono
anche le unità fondamentali degli esseri viventi, cioè della
più complessa miscela di composti sulla Terra.
La chimica non si limita a studiare ciò
che esiste in natura; cerca di creare sostanze nuove che abbiano
proprietà utili all’uomo. Per esempio l’ortofosfato di
gallio, che non si trova in natura, ha qualità migliori del
quarzo; per cui potrebbe presto sostituirlo nei sensori di
pressione e nelle microbilance.
Un gruppo di ricercatori
olandesi costruisce addirittura "atomi" artificiali
intrappolando con campi elettrici gli elettroni in un
sottilissimo strato di materiale semiconduttore. Questi
"atomi", molto più grossi di quelli naturali, se
combinati in molecole (si sta cercando di farlo), potrebbero
dar vita a materiali impensabili. Purtroppo il procedimento
funziona solo a -272°C.
Negli ultimi due secoli la
chimica ha compiuto passi da gigante, dividendosi in parecchi
settori, sempre più specializzati.
E il futuro sembra riservare ancora sorprese. Kazunari Domen,
rispettato chimico giapponese, sostiene di essere riuscito a
scindere l’acqua a temperatura ambiente in ossigeno e
idrogeno semplicemente versandovi ossido rameoso in polvere e
agitando: reazione che altrimenti avviene a 3000°C.
Se fosse vero sarebbe l’inizio di una nuova branca della
chimica. Ma la prudenza è d’obbligo.
