Chimica

Chimica

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.


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