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L'origine della chimica

Isaac Asimov
1968

 Il testo che proponiamo qui di seguito è tratto da un piccolo libro di divulgazione scientifica scritto da Isaac Asimov negli anni Sessanta in cui l'autore traccia il sentiero che la chimica ha percorso fin dalle sue origini. Il primo capitolo, intitolato "Gli antichi" è, infatti, una breve ma precisa storia della scoperta degli elementi naturali e delle combinazioni tra di essi. 

      

Fuoco e pietra

Gli uomini primitivi, quando cominciarono a servirsi di utensili, accettavano la natura come la trovavano. Il femore di qualche grosso animale poteva servire da comodo bastone; lo stesso uso potevano avere i rami strappati agli alberi. Le pietre erano buone armi da lancio.
Col passare dei millenni, gli uomini impararono a foggiare le pietre in modo da dotarle di bordi taglienti oppure di impugnature. Trovarono il sistema di fissare delle pietre a manici di legno opportunamente adattati. Comunque, la pietra rimaneva pietra e il legno rimaneva legno.
A volte, tuttavia, la natura della materia si trasformava. Poteva accadere che un fulmine incendiasse una foresta, e allora la cenere e i resti carbonizzati non avevano niente in comune con il legno che era esistito prima dell'incendio, oppure un pezzo di carne guasta cominciava a puzzare, del succo di frutta inacidiva col passare del tempo, o diventava stranamente inebriante.
Questo genere di modificazione della natura della materia (accompagnato, come l'umanità arrivò a scoprire col passar del tempo, da fondamentali trasformazioni di struttura) costituisce l'oggetto della scienza detta chimica. Le alterazioni fondamentali nella natura e nella struttura delle sostanze costituiscono trasformazioni chimiche.
La possibilità di effettuare volontariamente vantaggiose trasformazioni chimiche si presentò dopo che l'uomo ebbe appreso l'arte di accendere e di tenere in vita il fuoco. (Sotto il profilo storico, questa fu la «scoperta del fuoco».) Una volta appresa quest'arte, l'uomo diventò chimico di professione, perché dovette escogitare sistemi che permettessero al legno e ad altri combustibili di combinarsi con l'aria a velocità abbastanza elevata da generare una quantità notevole di luce e di calore, oltre a cenere, fumo e vapori. Era quindi necessario essiccare il legno, ridurne in polvere una parte per preparare l'esca, portare la temperatura fino al punto di accensione per mezzo dello sfregamento o con altri metodi, e così via.
Si poteva utilizzare il calore generato dal fuoco per provocare ulteriori trasformazioni chimiche. Si cuoceva il cibo, alterandone in tal modo il colore, i tessuti e il sapore. Si poteva cuocere l'argilla per fare mattoni e vasellame. A lungo andare si arrivò alla produzione di oggetti di ceramica, di smalti, perfino di qualche tipo di vetro.
Le prime sostanze utilizzate dall'uomo furono quelle universalmente presenti nel suo ambiente: legno, ossa, pelli e pietre. Di queste sostanze la più durevole è la pietra: sono infatti gli utensili di pietra dell'uomo primitivo a fornirci, oggi, le più chiare testimonianze su quell'epoca ormai lontana. È per questa ragione che si parla di età della pietra.
L'umanità viveva ancora nell'età della pietra quando, verso l’8000 a.C., in alcune zone di quello che al giorno d'oggi si chiama Medio Oriente fu introdotta una rivoluzionaria innovazione nella produzione degli alimenti. Prima di allora l'uomo andava a caccia di cibo come qualsiasi altro animale. A questo punto imparò ad addomesticare gli animali e ad averne cura, in quanto fonti sicure di nutrimento e, cosa anche più importante, l'uomo imparò a coltivare le piante. Con lo sviluppo dell'allevamento del bestiame e dell'agricoltura si rese disponibile una fonte di alimenti più stabile e abbondante, e la popolazione aumentò. Inoltre, l'agricoltura esigeva che la popolazione fosse stabile, cosicché si cominciò a costruire abitazioni permanenti e sorsero le città. Questa evoluzione segna, letteralmente, l'inizio della civiltà, dato che «civiltà» deriva dalla parola latina che significa «città».
Per i primi duemila anni circa di questa antichissima civiltà, la pietra continuò ad essere la materia prima caratteristica dei vari utensili, anche te furono elaborate nuove tecniche per la sua lavorazione. Questa nuova età della pietra, o periodo neolitico, ha come caratteristica l'accurata levigazione della pietra. Anche nel vasellame si raggiunse un elevato grado di sviluppo. Poco per volta i progressi del periodo neolitico si diffusero a partire dal Medio Oriente. Nel 4000 a.C., ad esempio, le caratteristiche di questa cultura erano comparse nell'Europa occidentale. Ma ormai i tempi erano già maturi per nuovi cambiamenti nel Medio Oriente, cioè in Egitto e in Sumeria, la zona che corrisponde al moderno Iraq.
L'umanità cominciò ad imparare a servirsi di sostanze relativamente rare. Per poter sfruttare la proprietà di questi materiali nuovi, l'uomo imparò a sopportare tutte le difficoltà legate a noiose ricerche e lavorazioni. I materiali in questione si dicono metalli, parola che, di per sé, esprime questa remota evoluzione, poiché deriva probabilmente da una parola greca che significa «cercare».

 

I metalli

I primi metalli devono esser stati rinvenuti sotto forma di pepite . Deve essersi trattato di pezzi di rame o di oro, dato che questi rientrano nel numero limitato dei metalli che si incontrano talvolta in natura allo stato libero. II colore rossastro del rame o quello giallastro dell'oro avranno certamente colpito l'attenzione dell'uomo primitivo, e la lucentezza metallica, tanto più bella e interessante del colore piatto e indefinito di quasi tutte le pietre, sarà stata motivo di ulteriore interessamento. È indubbio che i metalli vennero utilizzati in primo luogo come ornamento, indipendentemente dalla forma dei frammenti rinvenuti, così come venivano probabilmente usati i ciottoli colorati o le conchiglie di madreperla.
Il vantaggio dei metalli, rispetto ai vari pezzetti di qualsiasi altra sostanza di bell'aspetto, derivava tuttavia dal fatto che il rame e l'oro sono malleabili; ciò significa che è possibile batterli fino a ridurli in lamine sottili senza che si rompano . (Sottoposta allo stesso trattamento, la pietra si ridurrebbe in polvere, mentre il legno o l'osso si spaccherebbero, scheggiandosi.) Questa proprietà fu senza dubbio scoperta per caso, ma non dovette passare molto tempo dalla sua scoperta prima che il senso artistico dell'uomo lo spingesse a battere i frammenti di metallo, dando loro forme intricate che ne accrescessero la bellezza.
Era inevitabile che chi lavorava il rame si accorgesse che questo metallo era in grado di ricevere facilmente, con la battitura, un bordo più tagliente di quello che si poteva ricavare sugli utensili di pietra. Inoltre, le lame di rame, una volta smussate, potevano venire affilate di nuovo molto più facilmente che non i bordi taglienti degli strumenti di pietra. Soltanto la rarità del rame ne impediva l'utilizzazione su vasta scala negli utensili, oltre che negli ornamenti.
Il rame divenne meno raro, tuttavia, quando si scopri che non occorreva trovarlo necessariamente sotto forma di rame: era possibile attenerlo partendo dalla pietra. Non si sa esattamente come, dove, o quando fu fatta questa scoperta, e forse non si saprà mai.
Si può supporre che la scoperta abbia avuto origine in un fuoco di legna, acceso sopra uno strato di sassi comprendenti alcune pietre di colore azzurrognolo. Può darsi che poi, nella cenere, si siano trovate delle pallottolline lucenti di rame. Forse la cosa si ripeté molte volte prima che, alla fine, a qualcuno venisse in mente che, se si trovavano le pietre azzurre adatte, riscaldandole in un fuoco di legna si sarebbe ottenuto ogni volta del rame. La scoperta definitiva può aver avuto luogo verso il 4000 a.C. e può darsi che si sia verificata nella penisola del Sinai, ai confini orientali dell'Egitto, oppure nella zona montagnosa a est della Sumeria, nell'attuale Iran o forse la scoperta si verificò indipendentemente in entrambe le località.
In ogni caso, il rame divenne abbastanza comune da venire impiegato negli utensili, almeno nei centri di civiltà più progredita. Una padella di rame trovata in una tomba egiziana viene fatta risalire al 3200 a.C. Nel 3000 a.C. era già stata scoperta una qualità di rame particolarmente dura, prodotta (in principio per caso, senza dubbio) riscaldando insieme minerale di rame e minerale di stagno. Questa lega (si chiamano così le miscele di metalli) di rame e stagno prende il nome di bronzo. Nel 2000 a.C. il bronzo era già abbastanza comune da venire utilizzato nella fabbricazione di armi e di armature. Sono stati rinvenuti utensili egiziani di bronzo nella tomba del faraone Iteri, che regnò verso il 3000 a.C.
L'avvenimento più famoso dell'età del bronzo fu la guerra di Troia, combattuta da guerrieri muniti di armature e scudi di bronzo, che si scagliavano addosso lance dalla punta di bronzo. Un esercito privo di armi di metallo non sarebbe stato assolutamente in grado di resistere ai guerrieri armati di bronzo, e chi lavorava il metallo, in quei tempi, godeva di un prestigio paragonabile a quello dei fisici nucleari moderni. Il fabbro era un uomo veramente potente, e aveva perfino un posto tra gli dei. Efesto, il dio zoppo della fucina, era il fabbro divino della mitologia greca. Anche al giorno d'oggi non è un caso che «Smith» (fabbro), o il suo equivalente, sia il cognome più diffuso tra i popoli europei.
Il fulmine colpì due volte. Gli uomini dell'età del bronzo conoscevano un metallo ancora più duro del bronzo: era il ferro. Disgraziatamente, il ferro era troppo raro e prezioso perché potesse venire utilizzato su vasta scala nelle armature o almeno, sembrava raro, poiché gli unici campioni rinvenuti nell'antichità erano frammenti di meteoriti, che non sono molto frequenti, e pareva che fosse impossibile estrarre il ferro dalla pietra.
Il guaio è che il ferro è legato al minerale molto più strettamente che non il rame. Per fondere il minerale di ferro occorreva un calore più intenso che per la fusione del rame e il fuoco di legna era insufficiente; bisognava ricorrere al fuoco di carbone di legna, capace di raggiungere temperature più elevate, ma solo in condizioni di buona ventilazione.
Il segreto della fusione del ferro fu scoperto finalmente nell'Asia Minore orientale, forse già nel 1500 a.C. Gli Ittiti, un popolo che creò un grande impero in Asia Minore, furono i primi a fare largo uso del ferro nella produzione di utensili. Sono state rinvenute lettere spedite verso il 1280 a.C. da un re ittita al suo viceré in una zona montagnosa ricca di ferro, nelle quali viene esplicitamente citata la produzione di ferro.
Nella sua forma pura (ferro dolce) il ferro non è molto resistente. Tuttavia, gli utensili e le armi di ferro possono assorbire dal carbone di legna una quantità di carbonio sufficiente a formare uno strato superficiale della lega di ferro e carbonio chiamata acciaio. Questo rivestimento è più resistente della miglior qualità di bronzo, e conserva più a lungo un filo più tagliente. Questa scoperta del «rivestimento in acciaio», avvenuta in territorio ittita, rappresentò il punto cruciale dell'evoluzione della metallurgia del ferro. Gli eserciti forniti di corazze e armi di ferro duro avevano la ragionevole certezza di sconfiggere gli altri eserciti dotati di anni e corazze di bronzo. Sorse così l'età del ferro
La tribù barbarica greca dei Dori, equipaggiata con alcune armi di ferro, invase la penisola greca dal nord verso il Il00 a.C., travolgendo gradualmente i Greci di Micene, più civili ma dotati soltanto di armi di bronzo, che si erano stabiliti su quel territorio. Alcuni Greci si spinsero fino nella terra di Canaan, portando con sé armi di ferro. Erano questi i Filistei, che hanno una parte così importante nei primi libri della Bibbia. Contro di essi gli Israeliti non erano in grado di combattere, fino a quando non ottennero, a loro volta, armi di ferro, durante il regno di Saul.
Il primo esercito che venne dotato, su vasta scala, di armi di ferro di buona qualità fu quello degli Assiri, ai quali la superiorità delle armi permise di edificare, prima del 900 a.C., un potente impero.
Prima che spuntasse l'alba dello splendore greco, quindi, l'arte della chimica pratica aveva raggiunto un discreto grado di sviluppo, particolarmente in Egitto, dove si poteva notare un vivo interesse religioso per i metodi di imbalsamazione e di conservazione del corpo umano dopo la morte. Gli Egiziani erano esperti non soltanto in metallurgia, ma anche nella produzione di pigmenti minerali e nell'estrazione di succhi e infusi dal mondo vegetale.
Secondo una teoria, la parola khemeia deriva dal nome usato dagli Egiziani per indicare la propria terra, Kham. (È il nome che comparve anche nella Bibbia, sotto la forma Ham, nella versione di Giacomo I d'Inghil­ terra.) Khemeia potrebbe quindi essere «l'arte egiziana».
Un'altra teoria, assai più popolare al giorno d'oggi, afferma che khemeia deriva dal greco khumos, che significa «succo di pianta», cosicché la khemeia può essere considerata «l'arte di estrarre i succhi».
Può anche darsi che il «succo» al quale ci si riferiva fosse il metallo fuso, nel qual caso la parola potrebbe significare «l'arte della metallurgia».
Ma qualunque sia l'origine di khemeia, questa parola è l'antenata della nostra «chimica».

 

Gli «elementi» dei Greci

Verso il 600 a.C. l'estrosa intelligenza dei Greci cominciava ad attirare la loro attenzione sulla natura dell'universo e sulla struttura delle sostanze che lo compongono. Gli studiosi greci, o «filosofi» (amanti della saggezza) si preoccupavano non tanto della tecnologia o della possibilità di applicazioni pratiche, quanto del «perché» dei vari fenomeni. In breve, furono i primi di cui si possa dire che abbiano studiato quella che oggi chiameremmo chimica teorica.
Questa teoria ebbe origine con Talete (ca. 640-546 a.C.). Può darsi che altri Greci prima di Talete, e magari anche altri uomini prima dei Greci, abbiano meditato profondamente, e a ragion veduta, sul significato delle trasformazioni della natura della materia, ma in questo caso i loro nomi e le loro meditazioni sono andati perduti.
Talete era un filosofo greco che viveva a Mileto nella Ionia, territorio sulla costa occidentale, bagnata dall'Egeo, della moderna Turchia. Talete deve essersi posto questa domanda: se una sostanza può trasformarsi in un'altra, come le pietre azzurrognole che si trasformano in rame rosso, qual è la vera natura della sostanza? È pietra o rame? Oppure si tratta di qualche cosa di completamente diverso? È possibile trasformare qualsiasi sostanza in qualsiasi altra sostanza (magari per fasi successive), in modo che tutte le sostanze risultino aspetti diversi di una sola materia fondamentale?
A Talete sembrava che la risposta all'ultima domanda dovesse essere positiva, se non altro perché così si sarebbe potuto introdurre nell'universo un ordine e una semplicità basilari. Rimaneva quindi da stabilire quale potesse essere la sostanza, o elemento, di base.
Talete decise che l'elemento in questione era l'acqua. Tra le sostanze, l'acqua sembrava essere quella presente in maggiore quantità. L'acqua circondava la terra; permeava l'atmosfera sotto forma di vapore; gocciolava attraverso il sottosuolo e senza di essa la vita era impossibile. Talete immaginava che la Terra fosse un disco piatto, sormontato da un emisfero di cielo e galleggiante su un oceano infinito di acqua.
La congettura di Talete sull'esistenza di un elemento base che costituisse tutte le sostanze fu accolta con notevole favore da vari filosofi di epoche posteriori. La sua affermazione, secondo cui l'elemento base sarebbe stato l'acqua, venne invece contestata.
Nel secolo dopo Talete il pensiero astronomico arrivò, poco per volta, alla conclusione che il cielo non era un emisfero, ma una sfera completa. La Terra, sferica anch'essa, era sospesa al centro della sfera cava del cielo. 
I Greci respingevano l'idea che potesse esistere il vuoto assoluto, o vacuo, e ritenevano di conseguenza che lo spazio compreso tra la Terra sospesa e il firmamento lontano non potesse essere vuoto. Dato che la porzione di spazio tra Terra e cielo direttamente accessibile all'esperienza umana conteneva aria, sembrava ragionevole supporre che tutto Io spazio contenesse aria.
Può darsi che sia stato un ragionamento di questo genere a convincere il filosofo greco Anassimene, anch'egli di Mileto, ad affermare verso il 570 a.C. che l'elemento dell'universo era l'aria. Secondo lui, verso il centro dell'universo l'aria veniva compressa, trasformandosi in sostanze di tipo più denso e duro, come l'acqua e la terra.
D'altra parte, il filosofo Eraclito (ca. 540-ca. 475 a.C.), della vicina città di Efeso, faceva un ragionamento diverso. Se la caratteristica dell'universo era la trasformazione, si doveva scegliere come elemento una sostanza in cui la trasformazione avesse le caratteristiche più salienti. Questa sostanza, secondo Eraclito, era il fuoco, sempre mutevole e sempre in movimento. Era il principio del fuoco, presente in ogni cosa, a rendere così inevitabile la trasformazione.
Al tempo di Anassimene i Persiani avevano conquistato la costa ionica. Dopo il fallimento di una rivolta ionica, la dominazione persiana divenne rigida, e sotto l'oppressione le tradizioni scientifiche si estinsero, non prima, tuttavia, che l'emigrazione ionica avesse trapiantato in occidente queste tradizioni. Pitagora di Samo (ca. 582-ca. 497 a.C.), nato su un'isola al largo della Ionia, lasciò Samo nel 529 a.C. e si trasferì nell'Italia meridionale, dove il suo insegnamento diede vita a una importante scuola di pensiero.
Il più importante tra i seguaci dell'insegnamento di Pitagora fu il filosofo greco Empedocle (ca. 490-ca. 430 a.C.), nato in Sicilia. Anch'egli affrontò il problema dell'elemento che doveva essere alla base della costituzione dell'universo. Di fronte all'impossibilità di scegliere tra le alternative proposte dai filosofi ionici, Empedocle trovò una soluzione di compromesso.
Perché doveva esistere un solo elemento? Perché non quattro? Poteva esserci il fuoco di Eraclito, l'aria di Anassimene, l'acqua di Talete e la terra, aggiunta dallo stesso Empedocle .
La dottrina dei quattro elementi fu accettata dal più grande dei filosofi greci, Aristotele (384-322 a .C.). Aristotele non credeva che gli elementi fossero letteralmente le quattro sostanze citate. Egli non pensava, cioè, che l'acqua che possiamo toccare e sentire fosse effettivamente l'elemento «acqua»: era semplicemente la sostanza reale più somigliante ad esso. Aristotele considerava gli elementi come combinazioni di due coppie di caratteri opposti: caldo e freddo, asciutto e bagnato. Non riteneva che un carattere potesse combinarsi con il proprio opposto, cosicché nel suo schema erano possibili quattro combinazioni, ciascuna delle quali rappresentava un diverso elemento. Caldo-e-asciutto era il fuoco caldo-e-bagnato l'aria, freddo-e-asciutto la terra, e freddo-e-bagnato l'acqua.
Aristotele fece ancora un passo avanti. Ciascun elemento possedeva una serie di proprietà congenite. Così, ad esempio, era naturale che la terra cadesse e che il fuoco salisse. I corpi celesti, tuttavia, possedevano proprietà che sembravano differire da quelle di qualsiasi sostanza terrestre. Invece di cadere o di salire, i corpi celesti sembravano descrivere attorno alla Terra orbite circolari costanti.
Pertanto Aristotele argomentò che il firmamento doveva essere composto di  quinto elemento, che chiamò «etere» (da una parola che significa «brillare», dato che la proprietà più caratteristica dei corpi celesti era di essere luminosi). Poiché il firmamento sembrava immutabile Aristotele giudicò l'etere perfetto, eterno e incorruttibile a differenza dei quattro elementi imperfetti della Terra stessa.
Il concetto dei quattro elementi dominò le menti dell'umanità per duemila anni. Anche se ora è morto, per quanto riguarda la scienza, il concetto vive ancora nelle nostre espressioni comuni. Parliamo, ad esempio, dello «scatenarsi degli elementi», quando vogliamo dire che il vento (aria) e le onde (acqua) infuriano sul mare in burrasca. Per quanto riguarda il «quinto elemento» (l'etere), questa espressione diventa quinta essentia in latino, e noi ne riconosciamo ancora la perfezione aristotelica quando parliamo della «quintessenza» di qualsiasi cosa, per indicare che si tratta della forma più pura e concentrata della sostanza in questione.

        

Gli «atomi» dei Greci

Tra i filosofi greci sorse un'altra questione importante, quella relativa alla divisibilità della materia. I frammenti di una pietra spaccata in due, o anche ridotta in polvere, erano sempre pietra, e ciascun frammento poteva venire ulteriormente suddiviso. Era possibile prolungare all'infinito questa divisione e suddivisione della materia?
Sembra che il filosofo ionico Leucippo (ca. 450 a.C.) sia stato il primo a mettere in dubbio la convinzione, a prima vista naturale, che qualsiasi pezzo di materia, per quanto piccolo, potesse venire diviso in parti ancora più piccole. Leucippo affermò che si sarebbe ottenuto, a lungo andare un frammento di dimensioni minime, non suscettibile di ulteriori divisioni.
Il suo discepolo Democrito (ca. 470-ca. 380 a.C.) di Abdera, città del­ l'Egeo settentrionale, continuò il ragionamento nella medesima direzione, e chiamò atomos (cioè «indivisibili» ) le particelle minime della materia; noi abbiamo ereditato questa parola sotto forma di atomo. La dottrina secondo la quale la matèria è costituita, in ultima analisi, da particelle piccolissime indivisibili, prende il nome di atomismo.
Democrito riteneva che gli atomi di ciascun elemento fossero diversi per forma e dimensione, e che proprio questa diversità spiegasse le differenti proprietà dei vari elementi. Le sostanze reali che siamo in grado di vedere e di toccare erano composte, secondo Democrito, di miscugli di atomi dei vari elementi, e si poteva trasformare una sostanza in un'altra modificando la natura del miscuglio.
Tutto questo ci sembra straordinariamente moderno, ma Democrito non aveva la possibilità di ricorrere agli esperimenti per dimostrare la validità delle sue teorie. (l filosofi greci non effettuavano esperimenti, ma giungevano alle loro conclusioni con il ragionamento, partendo da premesse fondamentali.)
Per la maggior parte dei filosofi, e specialmente per Aristotele, il concetto che un pezzetto di materia non si potesse dividere in frammenti ancora più piccoli era talmente paradossale che essi si rifiutarono di accettarlo. Quindi la teoria atomistica rimase impopolare e, per i duemila anni successivi al periodo di Democrito, ben pochi ne sentirono parlare.
L'atomismo non morì completamente, tuttavia. Il filosofo greco Epicuro (ca. 342-270 a.C.) accolse l'atomismo nel suo modo di pensare, e nei secoli successivi l'epicureismo ebbe molti seguaci. Uno di essi fu il poeta romano Tito Lucrezio Caro (ca. 95-ca. 55 a.C.), noto, di solito, semplicemente come Lucrezio. Egli espose la dottrina atomistica di Democrito e di Epicuro in una lunga composizione poetica intitolata De Rerum Natura ( «Sulla natura delle cose»), che molti considerano il più bel poema didascalico che sia mai stato scritto.
In ogni caso, mentre le opere di Democrito e di Epicuro sono andate perdute, e di esse rimangono soltanto frammenti e citazioni, il poema di Lucrezio è arrivato intero fino a noi, conservando la teoria atomistica fino all'epoca moderna, la quale ha visto entrare in lizza nuovi metodi scientifici che hanno permesso il definitivo trionfo dell'atomismo. 

   


Da I. ASIMOV, Breve storia della chimica, Zanichelli, Bologna, 2016 (ed. or. 1965), pp. 1-11.