Nascita e sviluppo della chimica: comprendere, produrre, trasformare

Dai farmaci ai pesticidi, dalla plastica ai combustibili, la chimica è ovunque attorno a noi! Il pianeta che ci ospita, il cibo che mangiamo, l’aria che respiriamo, l’intero universo, inclusi i nostri stessi corpi, sono fondamentalmente composti dai 92 elementi chimici che troviamo nella Tavola Periodica. La percezione stessa che abbiamo del mondo con la sua straordinaria varietà di colori, odori e sapori è mediata da atomi e molecole. Affascinante e potente, sulla chimica è fondata la nostra comprensione degli intricati meccanismi della natura e delle sue trasformazioni.

Nell’insegnamento scolastico della chimica si potranno mettere in luce alcuni importanti collegamenti interdisciplinari: con l’epistemologia (razionalità e intelligibilità della natura), con l’estetica (la bellezza e la simmetria delle forme della chimica), con la società e il progresso umano (la chimica come trasformazione degli elementi naturali), con l’etica (la chimica al servizio della vita umana, dell’ambiente, dello sviluppo sostenibile), e anche con la religione cattolica (la visione del creato rivelata dalla chimica, la trasformazione della terra come parte del compito ricevuto da Dio di portare a compimento la creazione affidata all’uomo).

La storia della filosofia ci insegna che il primo pensiero critico sulla natura delle sostanze può essere attribuito ai filosofi greci a partire dal 600 a.C. circa. Talete di Mileto, Anassimandro, Empedocle e altri cominciarono a proporre teorie secondo le quali il mondo fosse costituito da quattro elementi fondamentali: terra, acqua, aria e fuoco. Leucippo e Democrito proposero successivamente una teoria materialistica in cui la realtà fosse composta da minuscole particelle indivisibili che chiamarono atomi. Le prime forme di sperimentazione "chimica" furono probabilmente quelle legate alla scoperta delle proprietà di minerali, piante e animali per la preparazione di coloranti e pigmenti, cosmetici e farmaci che gli antichi usavano per soddisfare i loro bisogni primari e il loro senso di curiosità per il mondo in cui vivevano.

Per migliaia di anni a seguire fabbri, artigiani, ceramisti e tintori continuarono a manipolare la materia perfezionando attraverso i loro mestieri la conoscenza dei processi chimici per via empirica. In epoca ellenistica e romana, tali abilità raggiunsero livelli avanzati dando via alla commercializzazione di sofisticati artefatti in ceramica e metalli così come prodotti alimentari e farmaci. Questo corpo di conoscenze empiriche sulle trasformazioni della materia noto come alchimia raggiunse un notevole sviluppo nel Medioevo europeo e nella civiltà islamica.

Robert Boyle (1627-1691) mise le basi per la formulazione del concetto di elemento chimico, ipotizzando che la materia avesse una natura corpuscolare ultima. Grazie al contributo di Boyle e Antoine Lavosier (1743-1794) iniziò una vera e propria rivoluzione basata soprattutto sulla capacità di pesare gli elementi e i loro composti. In seguito Dmitri Mendeleev (1834-1907) propose nel 1869 di organizzare i circa 60 elementi conosciuti all’epoca in modo da sottolineare la periodicità delle loro proprietà dando vita alla Tavola Periodica degli Elementi. La Tavola mostrò ben presto il suo carattere non solo "classificatorio", ma anche predittivo.

Il XX secolo fu segnato da una serie di straordinarie scoperte che portarono alla definizione della struttura atomica. Joseph J. Thomson (1856-1940) dimostrò l’esistenza degli elettroni e successivamente Ernest Rutherford (1871-1937) che la massa degli atomi era in effetti concentrata in una piccola frazione del suo volume, il nucleo, e che questo doveva quindi essere caricato positivamente. Niels Bohr (1885-1962) sviluppò ulteriormente il modello atomico di Rutherford proponendo che gli elettroni si muovessero attorno al nucleo in orbite circolari fisse. Infine Erwin Schrödinger (1887-1961) descrisse secondo i principi dalla meccanica quantistica la distribuzione degli elettroni attorno al nucleo in orbitali.

Con il XIX secolo, i chimici cominciarono a sintetizzare sempre più nuove molecole dando di fatto inizio alla chimica organica moderna. La storia della chimica organica avrà un grandissimo sviluppo con la scoperta del petrolio e la separazione delle sue frazioni secondo i punti di ebollizione che porterà all’industria petrolchimica e alla produzione delle plastiche. Alla fine del XIX secolo si afferma lo sviluppo dell’industria farmaceutica con la sintesi dell’aspirina.

Dalla fine del XIX secolo fino alla Prima guerra mondiale, l’attenzione della comunità chimica si spostò decisamente verso lo studio delle sostanze derivanti da piante e animali segnando la nascita della biochimica. Le biomolecole cominciarono così a essere classificate in grandi gruppi includendo proteine, lipidi e carboidrati. Ma sicuramente il momento più sensazionale nella storia del XX secolo per la biochimica fu la scoperta della struttura della doppia elica del DNA nel 1953 a opera di James Watson (1928- ) e Francis Crick (1916-2004). La comprensione del DNA e del codice genetico fornì il legame fondamentale per collegare per sempre chimica e biologia.

Nell’insegnamento della chimica non vanno trascurate le numerose riflessioni interdisciplinari suscitate dalla Tavola Periodica degli elementi. Essa rappresenta uno dei risultati più significativi della scienza e uno dei primi esempi di sistematica scientifica unificante. La Tavola costituisce una rappresentazione simbolica e una mappa accurata della nostra conoscenza della materia di cui è composto l'universo.

Dal punto di vista epistemologico, ma anche filosofico più generale, la Tavola Periodica rivela almeno due caratteristiche fondamentali della natura, sulle quali gli studenti sono chiamati a riflettere: a) la sua intelligibilità, cioè la possibilità per gli esseri umani di identificare gli elementi chimici fondamentali e di proiettarli in modo sistematico in una tavola organizzata in righe e colonne secondo il loro numero atomico e i loro elettroni; b) la sua relazionalità, in quanto gli elementi sono costituiti da componenti comuni (protoni, elettroni e neutroni) e allo stesso tempo sono organizzati in modo periodico (orizzontalmente) per numero atomico (cioè il numero di protoni in ogni nucleo) e verticalmente in gruppi secondo il numero di elettroni sui loro orbitali esterni (quindi elementi con reattività simile).

La chimica, inoltre, ancor prima che la biologia, consente di introdurre nello studio della natura l’importante concetto di “emergenza”, ovvero il fatto che incontriamo degli oggetti le cui caratteristiche, qualità e proprietà, sono maggiori di quelle associate alla somma dei componenti di cui sono formati. Il livello di analisi della chimica è il primo livello della scienza in cui nuovi aspetti del reale emergono come effetto della “complessificazione” della materia.

Il più elementare esempio di tale complessificazione è la formazione di molecole a partire da atomi. Quando gli elementi chimici reagiscono insieme per formare una nuova entità, ovvero un composto chimico, emergono nuove proprietà che non sono direttamente deducibili da quelle possedute dai rispettivi componenti.

Prendiamo ad esempio la molecola dell'acqua (H₂O). Essa è composta da un atomo di ossigeno (O) legato a due atomi di idrogeno (H) con un angolo tra loro di circa 105°. Ora, sia l'idrogeno che l'ossigeno sono presenti in natura (in condizioni normali) allo stato gassoso e sono infiammabili. Tuttavia, una volta che i due componenti reagiscono insieme, formano una molecola di acqua, che è un liquido e non più un gas, e non è infiammabile. Altre proprietà come la temperatura alla quale l'acqua bollirà (punto di ebollizione) o congelerà (punto di congelamento) non sono deducibili dalle caratteristiche dell'idrogeno e dell'ossigeno. Inoltre, le singole molecole dell’acqua non possiedono la proprietà dell’umidità, che rappresenta invece una proprietà concettualmente irriducibile del comportamento di un grande insieme di queste molecole.

Più di altre discipline, la chimica ha determinato negli uomini non solo la capacità di comprendere gli elementi della natura, ma anche la consapevolezza di poterli trasformare. Per tale ragione essa è entrata come protagonista in molte dinamiche del progresso umano, come mostrato ad esempio dalla “rivoluzione industriale” del XIX secolo e dalle sue conseguenze sul piano sociale e culturale. Chimica e società, pertanto, si sono evolute insieme, influenzandosi a vicenda in un rapporto di reciproca interdipendenza.

Negli ultimi due secoli il progresso nelle scienze chimiche ha dato un indiscutibile contributo al benessere e alla salute delle nostre società. Allo stesso tempo a essa sono legati grandi problemi della società moderna come l’inquinamento, le guerre e il terrorismo. Oggi sempre più troviamo all’interno della comunità dei ricercatori una rinnovata consapevolezza di dover utilizzare la chimica al servizio di uno sviluppo sostenibile, rispettoso dell’ambiente e di tutti gli essere umani.

In positivo, le scienze chimiche sono destinate a svolgere un ruolo sempre più centrale alla ricerca di un’innovazione tesa a risolvere le sfide legate alla salute, alle fonti di energia, ai cambiamenti climatici, all’acqua e alla produzione di cibo. Il magistero di papa Francesco ha preso una posizione molto chiara a favore della tutela dell'ambiente con l'Enciclica Laudato si' (2015). In questo documento il Papa riconosce gli enormi benefici che le scienze hanno portato alla società, esprimendo soddisfazione per i progressi della tecnologia (cf. Laudato si’, n. 102). Allo stesso tempo, però, egli chiede con urgenza un «nuovo dialogo su come stiamo costruendo il futuro del pianeta», e auspica «un confronto che ci unisca tutti, perché la sfida ambientale che viviamo, e le sue radici umane, ci riguardano e ci toccano tutti» (Laudato si’, n. 14).