Worth H. Rodebush e l’elettronegatività

Rinaldo Cervellati

Per imparare la chimica, si procurarono il corso di Regnault ed appresero dapprima che “i corpi semplici sono forse composti”; si distinguono in metalli e metalloidi, differenza “che non ha nulla di assoluto”, dice l’autore; lo stesso vale per gli acidi e le basi “poiché un corpo può comportarsi come un acido o come una base secondo le circostanze”

  1. Flaubert, Bouvard et Pécuchet, Paris, 1881, Chap. 3

Il motivo per cui alcuni elementi mostrano una maggior tendenza a combinarsi fra loro rispetto ad altri è stato oggetto di primario interesse dei chimici fin dalle origini della scienza chimica. Per esempio Etienne Francois Geoffroy (1672-1731) presentò all’Accademia Francese delle Scienze nel 1718 e nel 1720 la Tabula affinitatum (in francese table des rapports).

Figura 1 Tabula affinitatum

Questa tabella era stata compilata sulla base di osservazioni sperimentali sulle mutue azioni delle sostanze l’una con l’altra, riportando i vari gradi di affinità mostrati da corpi analoghi per diversi reagenti (figura 1). La Tabula fu una guida per i chimici fino alla fine del XVIII inizio XIX secolo, quando fu superata dalle idee di C.L. Berthollet (1748-1822) e H. Davy (1778-1829), che misero in relazione l’affinità rispettivamente con le proprietà acido-base e con le proprietà elettriche rispettivamente.

Oggi si ragiona in termini di elettronegatività, che ci fa venire subito in mente Linus Pauling (1901-1994), colui che propose una scala basata sulle energie di legame nell’ambito della teoria quantomeccanica del legame di valenza [1a,b]. Lo storico della chimica Willam B. Jensen fa notare che in nessuna parte del lavoro di Pauling è riportata la definizione del concetto di elettronegatività. Egli ha proceduto come se esso fosse auto-evidente ai suoi lettori, e a buon diritto visto che di elettronegatività i chimici ne discutevano fin da prima della sua introduzione, dovuta a J.J. Berzelius (1779-1848), circa 125 anni prima di Pauling [2]. A proposito di questa lunga storia, scrive Jensen:

Yet this early pre-Pauling history seems to have almost completely dropped out of sight, at least as far as the modern textbook and electronegativity literature are concerned.

The intent of this paper is to try to recapture some of this lost history and, in so doing to remind to modern theorist that those to ignore history always run the risk of repeating it, a cliché no doubt, but unhappily one that embodies a sizable, albeit depressing amount of truth. [2, p. 11]

Non riassumeremo qui la preistoria, rimandando gli interessati al lungo lavoro di Jensen che avrebbe dovuto comprendere tre parti, ma ne risultano pubblicate solo due [2,3]. È importante tuttavia ricordare, come fa Jensen, il contributo di Amedeo Avogadro (1776-1856) allo sviluppo del concetto. Egli fu il primo a notare il parallelismo fra la neutralizzazione di un acido con una base e quella fra una carica negativa e una positiva. Avogadro non solo suggerì che carattere acido o basico erano concetti puramente relativi, ma anche che potevano essere generalizzati per poterli applicare a tutte le interazioni chimiche, sia fra sostanze semplici sia fra composti. Jensen dà ampio spazio al lavoro di Avogadro, con molte citazioni al suo lavoro del 1809. [4]

In un precedente post abbiamo ricordato le proposte di Worth H. Rodebush (1887-1959) riguardo una forma compatta di tavola periodica contenente le informazioni essenziali per comprendere la chimica degli elementi. Nei due articoli che Rodebush pubblicò a tale proposito è però contenuto anche un metodo per quantificare l’elettronegatività. Scrive Rodebush nel 1924:

In ogni caso, con nient’altro che la legge di Coulomb e il concetto di gusci elettronici successivi possiamo prevedere qualitativamente l’elettronegatività di ogni elemento. Avevo sperato che potessimo sostituire l’affinità elettronica e il potenziale di ionizzazione con una qualche valutazione dell’elettronegatività, perché queste quantità vengono misurate allo stato gassoso e le proprietà chimiche ordinarie riguardano prevalentemente fasi condensate. Ad esempio, l’affinità elettronica dell’atomo di cloro è minore del potenziale di ionizzazione del sodio, in modo che un atomo di cloro non potrebbe mai sottrarre l’elettrone all’atomo di sodio, eppure nulla è più sicuro che ciò avvenga formandosi cloruro di sodio. [5, p. 430]

Un anno dopo Rodebush espone la sua proposta per calcolare l’elettronegatività:

Se possibile vorrei introdurre una formula [qualitativa] in una scienza che sta rapidamente diventando esatta, possiamo rappresentare l’elettronegatività in funzione di V/S dove V è il numero di elettroni di valenza e S il numero di gusci nell’atomo. La base di questa formula è la legge di Coulomb e credo che in pochi anni calcoleremo i cambiamenti energetici nelle reazioni chimiche per mezzo di essa. [6, p. 383].

Anzitutto, secondo W.B. Jensen [7], a cui si deve la riscoperta e la rivalutazione del lavoro di Rodebush, nella parola qualitativa della citazione precedente potrebbe esserci stato un errore di stampa per quantitativa, visto che subito dopo è riportata l’equazione V/S che implica appunto una formulazione quantitativa.

Ma sono altri i motivi per cui questa proposta è stata praticamente ignorata dai suoi contemporanei, cercherò di presentare sia quelli dello storico sia alcuni miei personali.

Non c’è dubbio che questo interessante suggerimento sia il risultato di un tentativo esplicito da parte di Rodebush di rendere più rigoroso il concetto di elettronegatività, come aveva già espresso di voler fare un anno prima. Ci si può chiedere quindi perché, dopo aver suggerito questa formula, egli apparentemente non ha fatto nulla di più, anche se ci vogliono solo pochi minuti per calcolare i valori di elettronegatività per gli elementi del blocco principale usando il numero di elettroni di valenza e i gusci di Bohr disponibili nel 1925, come mostrato nella tavola periodica proposta nello stesso articolo [6, p. 382]. Jensen ha fatto questi semplici calcoli ottenendo la tabella riportata in figura:

Figura 2 Elettronegatività (Rodebush) degli elementi del blocco principale [7]

Jensen ha trovato un coefficiente di correlazione r = 0.92 fra i valori in tabella e quelli riportati da Pauling nel suo libro del 1959 [1b], perfettamente in linea con i valori delle correlazioni fra le circa 25 scale moderne proposte per l’elettronegatività.

Certamente vi è un problema nell’applicazione della formula ai metalli di transizione, perché gli elettroni di valenza per questi atomi risiedono in due gusci differenti. L’uso di un numero medio di elettroni per i due gusci fornisce probabilmente risultati coerenti. Un altro problema è che l’equazione di Rodebush fornisce valori troppo bassi per gli elementi post-transizione (Zn, Cd, Hg; Ga, In, Tl) poiché non tiene conto degli effetti degli inserimenti degli elettroni nei blocchi d e f sulle costanti di schermo dei nuclei di questi elementi.

Anche il fatto che Rodebush appaia ironico nella frase riportata in [6, p. 383] e anche un po’ supponente nell’insistere che concetto e formula si basino semplicemente sulla legge di Coulomb, senza ulteriore spiegazioni, come fosse un’ovvietà, potrebbero aver influenzato l’oblio in cui sono caduti i suoi articoli. Ebbene, guardando il blocco principale nella tabella si vede che andando dal basso in alto in una colonna verticale V resta costante mentre S aumenta schermando di più l’effetto attrattivo della carica positiva del nucleo sugli elettroni di valenza, di conseguenza il rapporto V/S diminuisce. Andamento opposto andando da sinistra a destra in una colonna orizzontale dove V cresce mentre S resta costante. È la legge di Coulomb, bambini…

Jensen sostiene che la storia del concetto di elettronegatività sarebbe stata molto diversa se Rodebush avesse adeguatamente sviluppato il suo suggerimento. Avere una scala completa nel 1925, anche solo per gli elementi del blocco principale, avrebbe significato un notevole anticipo rispetto a quanto effettivamente è accaduto. In realtà Pauling, nel suo articolo originale del 1932 forniva i valori di elettronegatività per soli dieci elementi non metallici [1a], quelli per cui erano noti i dati sperimentali delle necessarie entalpie di legame. Nell’edizione del 1939 della sua famosa monografia, La natura del legame chimico, estese la sua scala a 33 elementi, anche se non pubblicò mai i calcoli su cui si basava questa estensione. Nel 1959, con la pubblicazione della terza edizione del libro, apparve finalmente una scala completa [1b].

Pur condividendo le opinioni di Jensen penso che il concetto di elettronegatività e la formula di Rodebush siano stati ignorati perché l’autore non ha voluto presentarli in modo adeguato. Il termine elettronegatività non è esplicitato nei titoli dei due articoli, il primo dei quali è la trascrizione di una conferenza e il secondo viene pubblicato da una rivista nata da poco più di un anno, il Journal of Chemical Education, che inizia le pubblicazioni nel 1924. Inoltre, il brano che riporta l’equazione è al termine dell’articolo che per tutto il resto riguarda una sistemazione compatta della tavola periodica. Il perché di queste scelte non ci è dato sapere, Rodebush ha continuato l’attività di ricerca in termochimica e spettroscopia infrarossa fino alla sua scomparsa.

Lascio invece ai filosofi della scienza commentare questa citazione [8]:

…mentre la definizione di elettronegatività di Rodebush è un esempio di ciò che Ferreira chiama una definizione primaria, vale a dire basata su proprietà atomiche fondamentali e con una chiara giustificazione teorica, la definizione termochimica di Pauling è in realtà un esempio di una definizione secondaria, cioè basata su una correlazione empirica tra una proprietà macroscopica di qualche tipo (nello specifico energie di legame da misure termochimiche) e l’elettronegatività e che pertanto non presenta una chiara giustificazione teorica.

Bibliografia

[1] a) L. Pauling, The Nature of the Chemical Bond. IV. The Energy of Single Bonds and the Relative Electronegativity of Atoms”. J. Am. Chem. Soc.1932, 54, 3570–3582; b) L. Pauling, La natura del legame chimico, Edizioni Italiane, Roma, 1960, pp. 84-109 (trad. italiana sulla 3a ed. americana, 1959)

[2] W.B. Jensen, Electronegativity from Avogadro to Pauli. Part I: Origins of the Electronegativity Concept, J. Chem. Educ., 1996, 73, 11-20.

[3] W.B. Jensen, Electronegativity from Avogadro to Pauling: II. Late Nineteenth- and Early Twentieth-Century Developments, J. Chem. Educ., 2003, 80, 279-287.

[4] A. Avogadro, Idée sur l’acidité, Journal de Chimie, de Physique, d’Histoire Naturelle et des Arts, 1809, 69, 142-148, cit. in [2].

[5] W.H. Rodebush, The Subject Matter of a Course in Physical Chemistry, Science, 1924, 59, 430-433

[6] W.H. Rodebush, A Compact Arrangement of the Periodic Table, J. Chem. Educ., 1925, 2, 381-383

[7] W.B. Jensen, When Was Electronegativity First Quantified? I., J. Chem. Educ., 2012, 89, 94-96.

[8] R. Ferreira, “Electronegativity and Chemical Bonding,” Adv. Chem. Phys., 1967, 13, 55-84, cit in [7].

3 thoughts on “Worth H. Rodebush e l’elettronegatività

  1. Sul tema generale dell’affinità merita una segnalazione il contributo di Antonio di Meo,
    “Dalla qualità alla quantità: le vicissitudini dell’affinità chimica”
    Rendiconti Accademia Nazionale delle Scienze detta dei XL, Memorie di Scienze Fisiche e Naturali
    132° (2015), Vol. XXXVIII, Parte II, pp. 183-194.
    Presentato in occasione della Giornata di Studio organizzata dal Gruppo di Fondamenti e Storia della Chimica per il 150° dalla pubblicazione del primo articolo di Guldberg e Waage.
    Si può scaricare dal link
    http://media.accademiaxl.it/memorie/S5-VXXXVIII-P2-2014/DiMeo183-194.pdf

  2. Grazie Marco per la precisazione. Vorrei anche ricordare che il collega Prof. Marco Ciardi, Dipartimento di Filosofia, Università di Bologna, è uno dei maggiori studiosi dell’opera di Amedeo Avogadro. Un suo intervento sui lavori di Avogadro riguardo l’affinità chimica sarà oltremodo gradito.

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