Le sostanze chimiche, elementi e composti, si possono individuare mediante il criterio di invarianza

galileodi Francesco Giuliano.

 

Le sostanze chimiche si possono individuare applicando il criterio di invarianza delle proprietà che le caratterizzano. Esse si dividono in due categorie, quella degli elementi chimici che attualmente sono 118 (considerando quelli artificiali), e quella dei composti chimici, il cui numero è molto grande ed indeterminato dato che ogni giorno nei laboratori di tutto il mondo si sintetizzano nuovi composti.

 

Come si applica questo criterio?

Nell’ambito macroscopico della chimica, ci si riferisce ai vari procedimenti utilizzati in passato dagli alchimisti, che permettevano l’isolamento della sostanza da un dato miscuglio eterogeneo (ad esempio, da un minerale) come descritto nel romanzo L’intrepido alchimista[1].  Le tecniche diventilazione, levigazione, decantazione, filtrazione, ecc. erano adottate per ottenerela separazione del miscuglio delle parti omogenee.  Ciascuna di queste parti veniva sottoposta poi a ulteriori trasformazioni fisiche, come la sublimazione, la distillazione o la fusione e la solidificazione, mediante le quali si otteneva un’altra divisione in parti, ciascuna delle quali, nel caso avesse presentato determinate proprietà percepite empiricamente (per i metalli, ad esempio, la malleabilità, la duttilità, la resilienza, ecc.), veniva individuata come la sostanza cercata.  La manifestazione di talune proprietà, in definitiva, dava la conferma empirica di aver isolato la sostanza.  Dando ora a questa procedura i connotati scientifici, applicando cioè il criterio di invarianza delle proprietà fisiche si perviene alla definizione di sostanza pura. L’identificazione della composizione di un dato materiale richiede dei procedimenti operativi tendenti ad individuare prima le proprietà fisiche e poi quelle chimiche.  La determinazione di alcune proprietà fisiche del corpo, quali la densità, la temperatura di fusione, la temperatura di ebollizione, ecc., dà una prima indicazione identificativa e la possibilità di accomunare o di differenziare due corpi apparentemente simili come, ad esempio, l’acqua distillata e l’acqua di mare. A pressione costante, l’acqua distillata (sostanza pura), sottoposta a riscaldamento, bolle a temperatura costante, mentre l’acqua di mare (soluzione acquosa di diversi sali) bolle a temperatura variabile crescente; nel primo caso, in qualunque momento, riportando il liquido alla temperatura di partenza, la sua densità rimane costante, nel secondo caso, invece, raffreddando il liquido alla temperatura di partenza si constata una variazione della sua densità. Il primo campione mantiene invarianza nelle proprietà fisiche indagate, temperatura di ebollizione e densità, mentre il secondo campione con il riscaldamento presenta varianza nelle medesime proprietà.  L’invarianza delle proprietà fisiche del campione di acqua distillata o la varianza delle proprietà fisiche riscontrate nel campione di acqua di mare permette di capire che i due corpi liquidi, ambedue trasparenti, limpidi, incolori, apparentemente uguali, in effetti sono diversi (!). L’invarianza porta a pensare che il corpo è una sostanza pura, mentre la varianza fa considerare che il riscaldamento apporta una variazione nella composizione quantitativa del liquido, che si manifesta con la variazione dei valori numerici delle proprietà fisiche considerate e che, quindi, potrebbe trattarsi di un aggregato di sostanze.  Da questo esempio, si evince che per studiare un qualunque corpo materiale bisogna partire trattandolo come un aggregato di sostanze. Sarà la varianza o l’invarianza delle proprietà fisiche riscontrate, poi, che farà capire razionalmente se il corpo sia una sostanza pura o un miscuglio di sostanze pure. L’invarianzanel tempodelle proprietà fisiche determinate è il criterio che permetterà l’isolamento e la caratterizzazione di ogni componente di un dato miscuglio come diverso da qualunque altro. La sostanza pura, quindi, rappresenta un punto di arrivo e non un punto di partenza come invece viene presentata e definita in molti testi scolastici. Se la sostanza pura è un composto chimico, esso gode di una proprietà chiamata rapporto di combinazione.

Come sosteneva, con convinzione e scientificamente, il fondatore del metodo scientifico Galileo Galilei, nel Il Saggiatore, che “… l’universo … è scritto in lingua matematica e i caratteri son … figure geometriche … ma [ciò] non si può intendere se non si impara a intender la lingua e conoscere i caratteri nei quali è scritto”. Da ciò risulta, come sarà dimostrato in seguito, che anche per i composti chimici si può determinare a priori un’equazione lineare a cui, nel piano cartesiano (x,y), corrisponde una semiretta la cui origine coincide con l’origine degli assi (0,0). Tale equazione ha la forma implicita ax + by =0 e la forma esplicita y = mx. Da quest’ultima formula si ricava m = y/x, dove m è il coefficiente angolare, ovvero la pendenza della semiretta rispetto agli assi, mentre y e x, per un composto binario, sono le quantità massali rispettivamente dei due elementi chimici (o dei gruppi di elementi) che si combinano per dare quel composto. Tale combinazione deve rispettare il valore costante di m. In altre parole, ad ogni composto chimico è associato un determinato valore di m che lo caratterizza e che determina, per legge naturale, le quantità massali sia di x che di y. Il coefficiente angolare m, in definitiva, rappresenta un carattere incontrovertibile e immodificabile di ogni composto chimico ed esso corrisponde al rapporto di combinazione di un dato composto. Per questo ogni composto chimico si può considerare un individuo. Fu questa sensazionale scoperta che portò JosephL. Proust, chimico francese, a formulare la legge delle proporzioni definite (1799) che definisce appunto il composto. Secondo la quale, risulta che “…un composto è un prodotto privilegiato al quale la natura ha dato una composizione costante”. Ancor prima di Proust, il concetto di composto chimico era stato spiegato dal chimico irlandese Robert Boyle nel suo libro Il chimico scettico (The Sceptical Chymist, 1661).

A differenza degli individui umani, dunque, per i composti chimici, si può ricavare il coefficiente angolare della retta, ad essi corrispondente, a priori. Per tracciare la semiretta sul piano cartesiano corrispondente ad un composto chimico, premesso che “per due punti passa una e una sola retta”, e dato che l’origine degli assi (0,0) corrisponde alle quantità massali dei due elementi nulle, si determina sperimentalmente, come fece Proust, la coppia ordinata delle quantità massali (Mx,My) di combinazione degli elementi che costituiscono il composto e il rapporto My/Mx. Tracciato, nel piano cartesiano,il punto corrispondente a tale coppia di coordinate, si può disegnare la retta, o meglio la semiretta che dall’origine degli assi passa per quel punto. La semiretta rappresenta l’insieme dei punti, a ciascuno dei quali corrisponde una coppia ordinata di valori (Mx, My), dal cui rapporto si ricava il coefficiente angolare m (=My/Mx), che è il rapporto di combinazione di quel composto.

Prendendo, come esempio, alcuni composti noti come l’acqua (o ossido di idrogeno), l’acqua ossigenata (o perossido di idrogeno), anidride carbonica (o biossido di carbonio), il metano (o tetra-idruro di carbonio), l’ossido di calcio (meglio conosciuto come “calce viva”), e procedendo come esplicitato, si ricavano rispettivamente le seguenti equazioni, per l’acqua y=8x e per l’acqua ossigenata y=16x, per l’anidride carbonica y=2,67x, per il metano y=3x, per l’ossido di calcio y=2,5x.

figura Giuliano

Note: 

[1] F. Giuliano, L’intrepido alchimista, Sensoinverso Edizioni, 2014

 

(Tratto da: Francesco Giuliano, Le sostanze chimiche, elementi e composti, si possono individuare mediante il criterio di invarianza, in Scienze e Ricerche n. 9, luglio 2015, pp. 81-82)