Il calorico è solo un inutile idea del passato. O no?

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Claudio Della Volpe

Forse vi scandalizzerò, ma il mio primo approccio con la termodinamica è stato di delusione. Delusione per non tener fede al suo nome: termodinamica; dinamica del calore; ma dove è la dinamica in una situazione in cui l’oggetto dello studio sono gli equilibri, anzi l’equilibrio, una situazione fisica del tutto ipotetica e che si realizza solo parzialmente in particolari condizioni. E la dinamica che fine ha fatto? Questo mi sono chiesto per un po’.

E badate non sono il solo ad essersi posto questo problema apparentemente metafisico; me ne sono reso conto mentre studiavo per l’esame di Chimica Fisica. Nella Napoli del 1971, studente del terzo anno, avevo come insegnante il mitico Vincenzo Vitagliano (con cui ho poi collaborato per qualche anno da ricercatore); Vincenzo è un ricercatore in gamba, ma consentitemi di confessare che come insegnante era difficile da seguire. Io preferivo leggere i libri da solo e spulciando spulciando mi ero guardato il testo consigliato da lui “Lewis e Randall”(Lewis and Randall, Thermodynamics, nella revisione di Pitzer e Brewer ed. Wiley 1970), un testo ormai datato, ampio, classico, discorsivo che spesso sui punti chiave mi sembrava nicchiasse. Bello ampio, pieno di informazioni, ma dispersivo, e a volte anche vago, non mi era piaciuto. C’erano molti esercizi, questo si, ma mi sembrava fosse sfuggente in certe cose; so che non tutti saranno d’accordo.

Ho già trattato il tema dell’insegnamento della termodinamica. In particolare in un precedente gruppo di post (cercate nel blog “quanto è chimico il potenziale chimico” *) ho affrontato il tema di come presentare il potenziale chimico. Il potenziale chimico insieme con l’entropia si presenta come il concetto più astratto e difficile da presentare a tutti i livelli.

L’entropia è un classico dell’astrazione e della difficoltà formale; allo studente universitario che ha da poco superato l’apprendimento del calcolo differenziale ed integrale si apre uno scenario ancora più complesso con l’introduzione dei differenziali incompleti o non esatti, le famigerate (ma come vedremo non troppo) grandezze di processo, calore e lavoro; nella maggior parte dei casi questo concetto rimarrà un punto oscuro.

Ma è necessario un così astratto trattamento dell’entropia?

Ci sono varie soluzioni al problema:

1) l’approccio di Callen; è un approccio ancora molto formale, ma nel quale almeno la parte matematica viene chiarita e formalmente strutturata; le proprietà matematiche delle funzioni vengono introdotte usando essenzialmente il calcolo differenziale tradizionale; alcuni aspetti, come l’importanza della proprietà di omogeneità del primo ordine** (in pratica il modo matematico di introdurre le grandezze estensive (omogenee del primo ordine) e di differenziarle da quelle intensive (omogenee di ordine zero)) che non sono assolutamente presenti nel trattamento storico vengono introdotti e ben fondati, così come la relazione formale fra le varie funzioni (le funzioni tradizionali, entalpia, energia libera, etc. introdotte come trasformate di Legendre dell’energia o dell’entropia, dunque sostituendo ad una o più variabili estensive alcune variabili intensive, come hamiltoniano e laplaciano in meccanica). Il libro è molto ben scritto, anche se denso e compatto, analizza le questioni della stabilità dei sistemi e nella sua seconda edizione si estende alle proprietà di simmetria, al teorema di Noether perfino, ma anche per esempio ad argomenti tabù in certi settori di ricerca come il criterio endoreversibile per le macchine termiche, un approccio che tenta di superare ancora una volta l’astrattezza del teorema di Carnot sull’efficienza usando una geniale idea: la irreversibilità nei processi termomeccanici è essenzialmente concentrata nei salti termici, non nel dispositivo meccanico che, specie quando usato alla massima potenza, può essere assimilato ad un dispositivo ideale. In questo modo ed applicando un semplice criterio di linearità nello scambio di calore fra sorgente e macchina termica, i valori effettivi di efficienza delle macchine termiche diventano calcolabili senza modellazioni sofisticate e complesse. In fisica tecnica la cosa non ha avuto successo, ma non me ne meraviglio, gli ingegneri sono (in genere) sostanzialmente conservatori, più attenti alle applicazioni che ai principi. Herbert Callen, Termodinamica, pubblicato negli anni 60 è diventato con lenta sicurezza un classico.

Il libro aveva un sottotitolo: “an introduction to the physical theories of equilibrium thermostatics and irreversible thermodynamics”.

Questa cosa mi predispose bene; era un libro scritto da uno che si era posto il mio stesso problema!

(un breve riassunto del Callen lo trovate in J. Non-Newtonian Fluid Mech. 96 (2001) 5–17 Equilibrium thermodynamics — Callen’s postulational approach Robert J.J. Jongschaap, Hans Christian Öttinger)

2) l’approccio di Prigogine; qua si va verso lo scandalo; Prigogine introduce il tempo fin dall’inizio, non ci sono grandezze di stato e di processo, i differenziali sono tutti esatti; il calore o il lavoro corrispondono semplicemente all’energia termica o meccanica trasferita nell’unità di tempo; e dunque la legge del trasferimento termico o la potenza meccanica vengono usate per esprimere queste grandezze; la differenza fra reversibilità ed irreversibilità è chiarita secondo me in modo trasparente; il libro originale di Prigogine e Kondepudi (MODERN THERMODYNAMICS From Heat Engines to Dissipative Structures, Wiley 1988)e anche la seconda edizione (INTRODUCTION TO MODERN THERMODYNAMICS, Kondepudi, 2008 ed Wiley) scritta dal solo Kondepudi (che è l’autore fra l’altro di un bel lavoro sulla rottura di simmetria nei sistemi chimici, con l’esempio di come la semplice agitazione in un sistema sovrasaturo di clorato di sodio può catalizzare la formazione di cristalli di un solo tipo chirale, Kondepudi, D. K., Kaufman, R. J. & Singh, N. (1990). “Chiral Symmetry Breaking in Sodium Chlorate Crystallization”. Science 250: 975-976), tuttavia presentano un elevato numero di errori di stampa che ne indeboliscono e rendono difficoltoso l’uso (i segni sbagliati possono essere micidiali) ; ma se corretti (e spero lo siano stati nelle ristampe successive) comunque questi libri sono molto utili nel superare la assurda dicotomia fra processi di equilibrio e di non equilibrio.

3)La terza soluzione è la più recente e per me anche la più stimolante; si tratta della scuola tedesca, Hermann e Fuchs in particolare; teniamo presente che i tedeschi hanno conservato una tradizione incredibile nella quale la didattica della fisica è non solo studiata come disciplina a parte, ma è basata su centri di eccellenza e gruppi di ricerca che ne fanno una disciplina viva; i fisici hanno questa tradizione in tutto il mondo, ma in certi paesi più che in altri; noi chimici dovremmo imparare da loro e non considerare chi studia la didattica uno studioso di serie b: al contrario insegnare bene le cose necessita non solo di averle ben capite ma anche di riuscire a comprendere come insegnarle: scienza e pedagogia. Nel caso della termodinamica stiamo parlando di libri come quello recente di Hans U. Fuchs. The dynamics of heat (sottotitolo: A unified approach to thermodynamics and heat transfer) ed. Springer, 2010.

Qua si parte dall’idea di dare una visione unificata della meccanica, dell’elettricità e della termodinamica basata sulle “grandezze che fluiscono”, la quantità di moto, la carica, il calore; si dimostra che da questo punto di vista le varie discipline fisiche usano il medesimo approccio concettuale e arrivano perfino a scrivere le stesse relazioni matematiche.

La scuola tedesca in questo caso arriva ad una conclusione importante: la entropia di oggi non è altro che il calorico di due secoli fa.

Mentre il libro di Fuchs è massiccio, quasi 700 pagine, vi consiglio, se volete entrare in questo punto di vista un articoletto tutto sommato datato (G. Falk, Entropy, a resurrection of caloric, Eur. J. Phys (1985)108-115).

L’idea che il vecchio calorico fosse in realtà una concezione sbagliata del calore ma una molto precisa dell’entropia non è nuova.

Nel 1911 H.L. Callendar (padre del Guy Callendar che per primo rese quantitativa l’dea del ruolo serra del diossido di carbonio antropogenico e di altri gas) nella cerimonia con cui accettava la prestigiosa carica di presidente della società inglese di Fisica (Proc. Phys. Soc London, 23, 153-189) arrivò essenzialmente alla medesima conclusione, che Carnot cioè avesse sviluppato in realtà sulla base del calorico una visione moderna ed aggiornata, solo che stava chiamando calorico l’entropia. Analogamente K. Schreber, che tradusse in tedesco nel 1926 il lavoro di Clapeyron del 1834 con cui illustrava per la prima volta i risultati del defunto Carnot (Clapeyron E. 1834, J. de l’Ecole polytechnique 14) scriveva (Ostwalds Klassiker 216, 41) che gli sarebbe sembrato meglio usare il termine entropia invece che calorico nella presentazione del lavoro di Carnot e che questo avrebbe ridotto le differenze fra le idee di Carnot e quelle moderne nell’analisi dei processi termici.

Occorre sostituire il calore non con un differenziale inesatto, ma con il corrispondente flusso entropico.

Carnot non aveva l’idea dell’energia; non a caso il suo libro più famoso si chiama: Riflessioni sulla potenza motrice del fuoco, il termine energia non compare nelle sue riflessioni. Fu solo dopo il 1840 che la scoperta di Mayers e Joule della conservazione dell’energia cambiò le cose. Il calorico non si conservava se non a metà, poteva essere prodotto ma non poteva essere distrutto, solo scambiato. Lavorando in condizioni adiabatiche si può dimostrare che esso viene prodotto, ma non può essere distrutto. Gli esperimenti a riguardo sono suggestivi e quella linea di ricerca è stata poi completamente cambiata dall’uso del concetto di energia. Chi ricorda più oggi il tentativo di Davy (On Heat, Light and Combinations of Light,” 1799) di dimostrare che strisciando due pezzi di ghiaccio fra di loro a zero gradi si ottiene fusione del ghiaccio? Chi ricorda più la lampada pneumatica? Ossia la accensione di un pezzo di stoffa ottenuto in un cilindro trasparente di vetro tramite la compressione dell’aria contenuta con un pistone scorrevole? Si tenga infine presente che il calorico era a sua volta diviso in due tipologie: libero, legato alla temperatura e legato, connesso ad altre transizioni.

La questione fondamentale può esser posta così: nell’approccio di Carnot il calorico è una forma di energia?

Noi oggi diciamo che la variazione di energia interna di un corpo è data dalla somma di calore più lavoro; e dunque anche se lo consideriamo una grandezza di processo diamo al calore le stesse unità di misura dell’energia.

Ma ragioniamo con un approccio da calorico, consideriamo questo fluido immaginario, ma non più della carica elettrica o della quantità di moto.

Paragoniamo tre processi: accelerare una pietra, caricarla elettricamente e riscaldarla; nel primo cediamo quantità di moto alla pietra ed essa viene accelerata; nel secondo ancora più chiaramente se carichiamo elettricamente la pietra, la sua energia aumenta ma noi le abbiamo introdotto della carica elettrica che ovviamente non è energia.

Se cediamo calorico alla pietra essa si riscalda; in tutti i casi la sua energia aumenta, ma nel primo abbiamo ceduto momento e nel secondo carica, nel terzo calorico e come il momento o la carica elettrica non sono energia così non lo è il calorico.

Un altro modo di comprendere la cosa è paragonare il flusso di massa in un salto di potenziale e quello di calorico nel produrre energia; nel primo caso l’energia è proporzionale al potenziale gravitazionale gh secondo la massa, W= m(gh1-gh2); nel caso del calorico il fluido o la grandezza estensiva è il calorico stesso e il potenziale la differenza di temperatura: W=q*(T1-T2); ma questa equazione equivale a considerare che le dimensioni del calorico q* siano q/T, ossia un’entropia (si veda anche Eur. J. Phys. 30 (2009) 713–728 -Carnot to Clausius: caloric to entropy, Ronald Newburgh).

Il fluido che Carnot avrebbe immaginato di cedere alla pietra è nient’altro che l’odierna entropia.

Insomma una unica intuizione, una unica descrizione concettuale per proprietà meccaniche, termiche od elettriche aiuta a meglio comprendere il comportamento dei sistemi e chiarisce che il vecchio calorico non era un modello sbagliato di calore ma un modello, sia pur primitivo, e certamente originale ed avanzato per i suoi tempi, di entropia.

Qualcuno oggi tenta di riutilizzare a scopo didattico questo modello concettuale. Pensiamoci.

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* https://ilblogdellasci.wordpress.com/2013/10/10/quanto-e-chimico-il-potenziale-chimico-1-parte/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2013/10/17/quanto-e-chimico-il-potenziale-chimico-2-parte/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2013/10/25/quanto-e-chimico-il-potenziale-chimico-3-parte/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2014/04/28/quanto-e-chimico-il-potenziale-chimico-iv/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2014/06/17/quanto-e-chimico-il-potenziale-chimico-v/

**omogeneità del primo ordine equivale a dire che se in una funzione U(S,V,N) moltiplico per una costante a ciascuna variabile indipendente allora tutta la funzione U viene moltiplicata per la medesima variabile, a1; aU= U(aS,aV,aN), U è estensiva; il primo ordine è l’esponente della a; ordine zero vuol dire che se faccio lo stesso per una funzione poniamo T(S,V,N), allora la funzione rimane moltiplicata per a0 e dunque non cambia valore, T è intensiva. T=T(aS,aV,aN).

 

Dal macro al micro attraverso il simbolico

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Silvana Saiello

E’ noto da tempo che l’apprendimento dei concetti scientifici passa attraverso la conoscenza delle relazioni tra i tre aspetti , macro, sub-micro e simbolico, come è sottolineato da A.H. Johnstone fin dal 1991 e come è ripreso in quasi tutte le overview sul argomento http://www.rsc.org/images/AHJ%20overview%20final_tcm18-52107.pdf

Slide1La mancanza di attenzione alla collocazione di un concetto chimico al interno di ciascuno di questi tre livelli crea troppo spesso confusione nella testa degli studenti.

E’ per questo che ho scelto di condividere questo problema con alcuni insegnanti della Scuola nel corso della progettazione comune di un piccolo pezzetto di percorso formativo che realizzeranno nelle loro classi con il tutoring di alcuni docenti universitari.

La parte finale di questo percorso può essere sintetizzato con la frase:

” Dal macro al sub-micro attraverso il simbolico”

Il punto di partenza sono le leggi fondamentali della Chimica e il concetto operativo di Sostanza elementare

Un racconto a cui gli studenti possono/devono credere è quello che i primi Chimici provavano a trasformare la materia in maniera controllata. Osservavano con attenzione i risultati delle loro trasformazioni sia dal punto di vista delle proprietà delle sostanze che manipolavano sia dal punto di vista delle quantità di sostanza che si trasformavano e le quantità di sostanza che riuscivano ad ottenere.

I Chimici di un tempo lavoravano su sostanze di cui riconoscevano le proprietà e che si trasformavano in sostanze con proprietà completamente diverse.

Accadeva anche di trasformare un’unica sostanza in due sostanze completamente diverse che, a loro volta, potevano essere trasformate di nuovo nella sostanza che le aveva generate.

Una Cosa diventa Due Cose, Due Cose diventano Una Cosa … è questa la vera Magia della Chimica!

E’ ovvio che la curiosità spingeva a verificare fin dove era possibile realizzare questa “Magia”.

E da qui che si riuscì a mettere in evidenza che c’erano sostanze che non si riusciva a trasformare in alcun modo in Due Cose diverse.

Queste sostanze speciali sono le Sostanze Elementari.

Se guardiamo con una certa attenzione i numeri relativi alle trasformazioni di due sostanze elementari in una sostanza composta arriviamo dritti dritti a fare l’ipotesi che gli atomi esistono.

Non racconterò qui il “ragionamento numerico”, ma mostrerò come l’ipotesi che gli atomi esistono applicata alle relazioni numeriche che riassumono le leggi con cui avvengono le trasformazioni di sostanze in altre sostanze (le leggi fondamentali della Chimica) conduce al significato di formula chimica.

Il livello sub-micro collegato al livello macro conduce al livello simbolico.

Slide2E’ necessario, però, condividere una simbologia e un metodo.

  • Indichiamo con m* le masse di sostanze elementare che si trasformano in una sostanza composta.
  • Prendiamo in considerazione un caso specifico: la trasformazioni di Carbonio e Ossigeno in una sostanza A caratterizzata attraverso le sue proprietà macroscopiche
  • Applichiamo alle masse che si trasformano la relazione che esplicita l’ipotesi di esistenza degli atomi,
  • In questo modo trasformiamo le leggi fondamentali della Chimica che “raccontano” un livello macro in relazioni che raccontano un livello sub-micro

… e il gioco è fatto!

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In estrema sintesi il Rapporto di combinazione delle masse che si trasformano è qualcosa che posso determinare sperimentalmente, in questo esempio specifico il numero 0,750 è il risultato sperimentale (macro).

Se è vero che esistono gli atomi esiste un uguaglianza che lega questo livello macro al livello sub-micro.

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Guardiamo in dettaglio all’interno della relazione “sub-micro”, troviamo due rapporti, un rapporto tra le masse degli atomi che costituiscono la sostanza composta e un rapporto tra gli atomi di Carbonio e di Ossigeno che si legano per diventare la sostanza composta .

Esistono altre sostanze composte che si ottengono dalla trasformazione del Carbonio e dell’Ossigeno, ma, come è noto, il rapporto di combinazione delle masse delle sostanze elementari che si trasformano in una sostanza composta è diverso da sostanza a sostanza anche se entrambe sono costituite dallo stesso tipo di atomi, quindi il rapporto a/b è una caratteristica della sostanza A.

Nel caso in cui Carbonio e Ossigeno formano un’altra sostanza composta B, questa sarà caratterizzata da un altro rapporto di combinazione delle masse R*B ≠ R*A e poiché il rapporto tra le masse degli atomi di Carbonio e Ossigeno rimarrà lo stesso, quello che cambierà sarà solo il rapporto tra gli atomi di Carbonio e di Ossigeno che si legano ( c/da/b ).

In definitiva mentre il rapporto a/b è caratteristico della sostanza A, il rapporto caratteristico della sostanza B sarà c/d .

Come rappresentiamo in maniera simbolica questa differenza?

Scriviamo le formule delle due sostanze A e B , che rispettivamente saranno CaOb e CcOd rappresentando con C l’atomo di Carbonio e con O l’atomo di Ossigeno.

A questo punto bisognerebbe aprire una discussione su formula minima, formula molecolare, ecc… ma a me basterebbe che ogni giovane che ha frequentato una classe di Chimica fosse in grado di leggere e di comprendere fino in fondo il significato di tutte le parole che formano una frase a prima vista banale ma che, a mio parere, rappresenta bene la sintesi dei tre livelli necessari a costruire il concetto di formula di una sostanza.

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E’ APERTA LA RACCOLTA DI FIRME PER LA PETIZIONE ALLA IUPAC per dare il nome Levio ad uno dei 4 nuovi elementi:FIRMATE!

https://www.change.org/p/international-union-of-pure-and-applied-chemistry-giving-name-levium-to-one-of-the-4-new-chemical-elements

 

Chimica tra padre e figlia…

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Mauro Icardi

Scrivere di chimica, appassionarsi alla materia, approfondirla sono tutte cose che continuo a fare da molti anni. Ho avuto la possibilità fino ad ora di lavorare in laboratorio continuando a sentire quella specie di fascino inspiegabile che tutto questo continua ad esercitare su di me. Seguendo negli anni l’evoluzione di questa scienza, ed applicandola nel contesto di un lavoro particolare quale è quello del tecnico che si occupa di depurazione delle acque reflue, campo nel quale le nozioni di chimica si accompagnano e si intersecano con molte altre quali l’ingegneria ambientale e la biologia tra tante.

pdrefiglia1In tutti questi anni ho aiutato molti studenti del corso di Ingegneria della sicurezza e dell’ambiente dell’Università di Varese a svolgere il loro lavoro di tesi presso l’impianto di depurazione dove lavoro. Con quasi tutti loro è rimasto un legame di amicizia e il ricordo di una bella collaborazione che è stata un arricchimento per entrambi. Ovvio che ad alcuni di essi io abbia dovuto insegnare anche a muoversi in laboratorio e ad utilizzare la strumentazione, aiutandoli anche ad avere quel minimo di manualità richiesta, anche se oggi le cose sono certamente più semplici di quelle di un tempo, visto il diffuso utilizzo di attrezzature quali kit analitici e pipette automatiche.

Ma il momento in cui uno si sente decisamente più emozionato è quando l’aiuto ti viene chiesto da tua figlia, studentessa al terzo anno di liceo scientifico alle prese con la nomenclatura dei composti inorganici.

Mi sono sentito ovviamente emozionato, ma ho anche pensato, chissà se non rischio di fare una brutta figura…

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Perché lei parte subito in quarta e mi parla di acido astatidrico! A quel punto uno ha l’impressione di stare parlando con un alieno, o meglio mi sento come un nativo americano che per la prima volta incontra Cristoforo Colombo. Passato il primo momento di sgomento la faccenda si chiarisce. I neuroni e la memoria del papà (e lo ammetto anche con l’ausilio dei mai venduti libri di testo e del web) si rimettono in moto. acidoastatidrico

Si parla di idracidi. E quindi diventa divertente e si stabilisce anche una bella complicità nel ricordare le regole di nomenclatura e aiutarla a risolvere gli esercizi che le sono stati assegnati. Alessia è brava, ha imparato in fretta le regole di nomenclatura e si destreggia bene con la sua tavola periodica in mano. Così per alcune sere questa complicità continua. E tra le desinenze oso ed ico i ricordi mi riportano ai miei anni di studio cercando di paragonarli ai suoi, a cosa è cambiato, a quali concetti siano stati abbandonati e a quale potranno essere le strade che la chimica percorrerà. Ma soprattutto una cosa mi fa davvero sorridere e mi da una strana sensazione di tenerezza. Gli esercizi che deve risolvere prevedono di dare il nome IUPAC ed il nome usuale a molecole semplici. Stiamo per terminare una serie di esercizi. Quindi le dico “Adesso fallo per la molecola NH3”.

Lei si mette immediatamente all’opera, commenta tra se e se, e con molta sicurezza mi dice quasi immediatamente il nome IUPAC :“Triidruro di azoto”. Bene. Ma quando arriva il momento di dire il nome comune ecco che il papà si prende una piccola rivincita. Ed ecco che il normalissimo ammoniaca lo suggerisco io con un sorriso, mentre lei si batte una mano sulla fronte come nell’ormai dimenticata pubblicità di un noto aperitivo. Queste piccole dimenticanze capitano.

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In altre serate quando lei non sarà alle prese con le tante cose che sta facendo, parleremo ancora di Chimica. Anzi leggeremo insieme le pagine di Primo Levi ne “L’altrui mestiere” ed in particolare i due bellissimi capitoli “La lingua dei chimici 1 e 2”. Sarà una bella cosa da fare insieme. Perché sono contento di come lei si stia approcciando allo studio della chimica, ma in fin dei conti dire acido cloridrico conserva un maggior fascino rispetto a cloruro di idrogeno.

Senza che la IUPAC se ne abbia a male.

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E’ APERTA LA RACCOLTA DI FIRME PER LA PETIZIONE ALLA IUPAC per dare il nome Levio ad uno dei 4 nuovi elementi:FIRMATE!

https://www.change.org/p/international-union-of-pure-and-applied-chemistry-giving-name-levium-to-one-of-the-4-new-chemical-elements

 

La mole nascosta

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Rinaldo Cervellati

Friedrich Wilhelm Ostwald (Riga2 settembre 1853 – Lipsia4 aprile 1932), insieme a Jacobus Henricus van’t Hoff (1852 – 1911) e a Svante Arrhenius (1859 – 1927)[1] sono generalmente considerati come i fondatori della physical chemistry (termodinamica, cinetica, elettrochimica). Ostwald fu insignito del Premio Nobel per la chimica nel 1909 con la seguente motivazione: « Per i suoi studi sul processo della catalisi e per l’approfondimento dei principi fondamentali che governano l’equilibrio chimico e la velocità di reazione ».

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Friedrich Wilhelm Ostwald Riga, 2 settembre 1853 – Lipsia, 4 aprile 1932

Le ricerche di Ostwald sulla sintesi dell’acido nitrico per ossidazione dell’ammoniaca in presenza di catalizzatori metallici e sulla relazione fra la costante di equilibrio e il grado di dissociazione di un elettrolita debole sono conosciute da tutti i chimici, meno conosciuto è che si deve a Ostwald l’introduzione del termine “mole” [2], attorno al 1900 [1].

Nel 1960 la mole (simbolo mol) fu introdotta come settima unità di misura fondamentale del Sistema Internazionale (SI) per la grandezza quantità di sostanza (simbolo n), definita come:

“…la quantità di sostanza che contiene un numero di entità elementari uguale al numero di atomi di carbonio contenuti in 0.012 kg di Carbonio-12. Le entità devono essere specificate e possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, altre particelle o gruppi specificati di queste particelle”. [2]

Quindi l’unità mol misura il numero relativo di particelle in confronto a quelle presenti in uno standard.

La grandezza “quantità di sostanza è definita come:

“…proporzionale al numero di specificate entità elementari di tale sostanza, essendo il fattore di proporzionalità lo stesso per tutte le sostanze”. [2]

É curioso che il termine “mol” sia stato introdotto proprio da Ostwald, assertore dell’energetismo, teoria che negava realtà agli atomi e alle molecole sostenendo il primato dell’energia sulla materia, la materia essendo soltanto una manifestazione dell’energia[3]. Tuttavia nel 1909 Ostwald riconobbe la realtà di atomi e molecole in base agli esperimenti sul moto browniano di J. Perrin [3].

Ostwald originariamente definì la mole in termini di grammi. Nel suo ponderoso libro “The fundamental principles of chemistry, an introduction to all text-book” è riportata la seguente definizione:

Il peso molare in grammi è di uso frequente nei calcoli chimici, ed è appropriato usare per esso il termine “mol”. Una soluzione di 1 mol per litro indica una soluzione contenente un numero di grammi per litro uguale al numero di unità nel peso molare della sostanza in questione. Una tale soluzione è chiamata una soluzione molare, e un’altra soluzione contenente 1/10 di mol per litro è chiamata una soluzione decimolare. Il nome “millimol”, la millesima parte di un mol, o peso molare in milligrammi, è usato quando sono richieste piccole quantità di sostanza e soluzioni diluite [4].

Ma il grammo è un’unità della grandezza massa e Ostwald non dice di quale grandezza la mol sia l’unità di misura, né nel 1900 [1], né nel 1909 [4]. Ostwald comunque preferiva il termine mol a quello di grammo-molecola già in uso dai chimici, poiché egli riteneva che non ci fossero sufficienti evidenze per l’esistenza di atomi e molecole (l’edizione tedesca del rif [4] è del 1907, precedente dunque alla “conversione” di Ostwald). Tuttavia i termini grammo-atomo, grammo-molecola, grammo-ione, ecc. fino a grammo-mole, hanno resistito fino a non molto tempo fa, generando ulteriore confusione.

Il problema della grandezza cui associare l’unità di misura mol nasce dal fatto che mentre quantità famigliari come ad es. massa e volume si riferiscono a “oggetti” che possono essere visti o in altri modi percepiti e le rispettive unità di misura nel SI hanno una connessione diretta con l’esperienza sensoriale, l’unità di misura mol è priva di tale connessione. La mole infatti misura una quantità di atomi o di particelle da essi derivate confrontandole con quelle contenute in una data massa di standard, ma le particelle non si possono vedere né contare direttamente[4]. Di conseguenza è un concetto puramente formale che si utilizza sempre in contesti di calcolo [5].

A causa del contenuto formale del concetto, esso costituisce un ostacolo alla sua comprensione da parte di studenti di 14-17 anni, in particolare se poco interessati alla chimica.

Insegnanti e studenti di varie nazionalità segnalano da anni le difficoltà con la grandezza “quantità di sostanza” e la sua unità di misura, la “mole”, sostenendo che questi concetti sono straordinariamente difficili da capire. Ricerche didattiche hanno evidenziato queste difficoltà a tutti i livelli scolastici [6]. Le citazioni in [6] sono solo un campione delle numerose ricerche sulle concezioni errate che hanno gli studenti sui concetti di quantità di sostanza e mole, chi è interessato può tenerne conto. Qui desidero solo ricordare che qualche anno fa sottoposi a un campione di 238 matricole iscritte ai corsi di laurea in chimica, fisica, astronomia e scienze biologiche un test d’ingresso contenente, fra le altre, la domanda aperta “Che cosa è la mole?”, ottenendo l’impressionante numero di 139 astensioni (58.4%). 22 studenti risposero “una quantità in grammi pari al peso molecolare”, 15 risposero “il peso molecolare espresso in grammi”, 13 “un numero di Avogadro di atomi/molecole”, i restanti 99 diedero risposte disperse da “una grammo-molecola” a “l’unità di misura dei chimici” a “il peso di un atomo/molecola/elemento”.

Diverse strategie sono state messe in atto per cercare di rendere più semplice o meno astratto il concetto di mole a livello di scuola secondaria superiore, usando per esempio modelli macroscopici con chiodini come standard e confrontando le masse di un numero uguale di chiodi di diverse dimensioni e riferire poi queste masse a quella dei chiodini scelti come standard [6 e)]. Un’altra strategia è quella delle analogie, molto usata è quella della “dozzina” scelta come unità di misura. Una panoramica di queste strategie si può trovare nel capitolo 9 del libro di Vanessa Kind [7].

Le due citate soffrono però di svantaggi, l’analogia della “dozzina” in quanto mole e dozzina si riferiscono a situazioni ben diverse: la dozzina è un numero che non ha alcuna relazione con la massa delle «entità elementari», e quindi non permette di stabilire una relazione tra massa e numero di unità costitutive, inoltre la dozzina è un numero adimensionale, un valore fisso per il conteggio, fissato in modo arbitrario; la costante di Avogadro è un valore determinato sperimentalmente con la sua incertezza. Lo stesso vale per altre analogie. Anche la costruzione di modelli al di fuori della chimica ha i suoi limiti: si rischia di confondere oggetti macroscopici con entità microscopiche per cui non valgono leggi identiche. Ne è una prova, ad esempio, spiegare lo spin dell’elettrone paragonandolo a una strana trottola, che si può trovare in molti libri di testo.

Nel 1985, Henry A. Bent, professore di chimica alla North Carolina State University a Raleigh pubblicò un articolo di una paginetta dal titolo volutamente provocatorio: Should the Mole Concept be X-Rated? (Il concetto di mole dovrebbe essere vietato ai minori?) [8]. La risposta immediata di Bent è Sì. Egli dice che questo concetto distrugge l’interesse [degli allievi] verso la chimica e quindi:

Per coloro che non proseguiranno gli studi in chimica il concetto di mole non è necessario”.

Proseguendo:

Il concetto di mole non è adatto per studenti che frequentano un corso iniziale di chimica… È una perdita di tempo cercare di insegnare il concetto di mole a soggetti che non sono in grado di pensare in termini di atomi, mentre è quasi banale insegnarlo a quanti sono in grado di farlo, cioè a studenti che proseguiranno lo studio della chimica in corsi avanzati, il concetto di mole deve ovviamente essere insegnato, e insegnato al meglio…

Per costoro il concetto di mole sarà semplicemente senso comune applicato al modello atomico – molecolare”.

Secondo Bent “scarsa è la preparazione dello studente alla chimica del college se la chimica che ha studiato al liceo è essenzialmente una chimica da college.

Bent termina con una sorta di raccomandazione agli insegnanti dei licei:

Infine non è il livello assoluto di conoscenze acquisito dagli studenti ciò che conta. Molta conoscenza dettagliata viene spesso dimenticata. Alla lunga ciò che è importante è il loro entusiasmo. Tutto ciò che danneggia l’entusiasmo degli studenti dovrebbe essere vietato”.

Come si può facilmente capire l’articolo di Bent suscitò in generale un vivace dibattito, anche negli USA, dove il sistema scolastico è profondamente diverso da quello europeo, e diverso da Stato a Stato. In linea di massima gli studenti affrontano tutte le materie nei primi anni di liceo ma negli ultimi ne scelgono alcune in funzione del corso di studi che intendono seguire al college, quindi sarebbe possibile differenziare il “programma” di chimica del biennio da quello dell’ultimo o degli ultimi anni. Il primo insegnamento di chimica potrebbe accogliere la proposta di Bent, evitando tutto ciò che compromette l’entusiasmo per la materia (mole compresa), un po’ come nel progetto inglese Salters’ O-Level di cui ho parlato in un precedente post [9] su questo blog.

La provocazione di Bent trovò un’immediata risposta negativa da parte di George Gorin, professore emerito di chimica all’Oklahoma State University [10]. Dice Gorin:

La chimica è una disciplina quantitativa e quindi le misure hanno una notevole importanza. Scienziati e tecnici di tutto il mondo si sono accordati su un sistema di unità di misura che sono state definite con grande precisione: il Sistema Internazionale (SI). In questo sistema vi sono sette unità «fondamentali» e la mole è una di queste. I chimici la usano ogni giorno, in quanto si tratta dell’unità più appropriata per i calcoli stechiometrici. Non vi è dubbio che alcuni studenti hanno delle difficoltà con il concetto di mole. Inoltre, alcuni insegnanti contribuiscono ad alimentare queste difficoltà con spiegazioni confuse o sbagliate”.

Gorin quindi imputa gran parte delle difficoltà di apprendimento del concetto di mole a insegnanti che non hanno le idee chiare, tuttavia egli è anche convinto che il termine “amount of substance” (“quantità di sostanza”) ingenera confusione con quello di massa e propone di sostituirlo con “chemical amount”.[5] (“ammontare chimico”, “quantità chimica”) [5].

Dunque un dibattito molto acceso che interessò i docenti di chimica di molti Paesi.

In Italia la frammentazione delle scuole secondarie superiori e la collocazione della chimica (quando c’è) in anni diversi (e quindi a età diverse) insieme alla completa liberalizzazione degli accessi all’università, pongono ulteriori problemi alla questione qui presa in esame. Tuttavia se la chimica deve far parte del bagaglio culturale di tutti i cittadini, nel ciclo scolastico dell’obbligo (oggi esteso a 16 anni), allora tutto ciò che impedisce l’entusiasmo dei ragazzi dovrebbe essere evitato o quantomeno ridimensionato.

Bibliografia.

[1] W. Ostwald, Grundlinien der anorganische chemie, Leipzig, Engelmann, 1900, p 163, 167-168.

[2] Comptes Rendus de Séances de la Onzième Conférence Générale des Poids et Mésures, Paris (1960), v. anche: Mills, I.; Cvitas. T.; Kallay N.; Homann, K.; Kuchitsu, K. IUPAC Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry; Oxford: Blackwell, 1988.

[3] M. Nye, M., Molecular Reality: A Perspective on the Scientific Work of Jean Perrin, London, MacDonald, 1972.

[4] W. Ostwald, The fundamental principles of chemistry, an introduction to all text-book, Longmans, Geen and Co., New York, 1909, p. 273 (tradotto dall’edizione tedesca da Harry W. Morse)

[5] G. Gorin, Mole and Chemical Amount, J. Chem. Educ., 1994, 71, 114-116.

[6] a) S. Novik, J. Menis, “A study of student perceptions of the Mole Concept”, J. Chem. Educ. 1976, 53,720 -722; b) R. Cervellati, A. Montuschi, D. Perugini, N Grimellini-Tomasini, B. Pecori-Balandi, Investigation of Secondary School Students’ Understanding of the Mole Concept in ltaly, J. Chem. Educ., 1982, 59, 852-856; c) P.G. Nelson, The Elusive Mole, Educ. Chem., 1991, 28, 103-104; d) C. Furiò, R. Azcona, J. Guisasola, The Learning and Teaching of the Concepts. Amount of Substance and Mole: A Review of The Literature,Chemistry Education: Research and Practice in Europe, 2002, 3, 277-292; e) E. Roletto, A. Regis, P.G. Albertazzi, Costruire il Concetto di Mole – un approccio empirico a un concetto formale, CnS-La Chimica nella Scuola, 2003, XXV, 148-156; e) K. Padilla, A.M. Ponce-de-León, F. Mabel Rembado, A. Garritz, Undergraduate Professors’ Pedagogical Content Knowledge: the case of ‘amount of substance’, Int. J. Sci. Educ., 2008, 30, 1389 – 1404; f) D. Bopegedera, Teaching the mole concept with your mouth shut!, 14th Biennial Conference on Chemical Education, Grand Valley University, Allendale, MI, 2014, 3-7 August, P789.

[7] V. Kind, Beyond Appearances: Students’ misconceptions about basic chemical ideas, 2nd Ed. 2004, School of Education, Durham University, Durham, UK. PDF scaricabile al sito: www.rsc.org/images/Misconceptions_update_tcm18-188603.pdf

[8] H. A. Bent, Should the Mole Concept be X-Rated?, J. Chem. Educ., 1985, 62, 59.

[9] https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/07/08/bufale-chimiche-di-chi-e-la-colpa-parte-ii/

[10] G. Gorin, Should We “Teach The Mole”?, J. Chem. Educ., 1985, 62, 192-196

Note

[1] Van’Hoff ottenne il Nobel nel 1901, Arrhenius nel 1903.

[2] Tuttavia, secondo lo storico della chimica William Jensen, il termine molare per indicare una massa macroscopica di sostanza in contrasto alla massa microscopica delle molecole (massa molecolare) fu introdotto attorno al 1865 dal chimico tedesco August Wilhelm Hofmann (1818-1892) (W.B. Jensen, J. Chem. Educ., 2004, 81, 1409). Va notato che pochi anni dopo la Conferenza di Karlsruhe (1860), la razionalizzazione di Cannizzaro fu universalmente accettata.

[3] Gli energetisti non erano poi così lontani dal vero se si considera la più famosa equazione di Einstein: E = mc2 (1905).

[4] Era quindi impensabile che Ostwald definisse la grandezza di cui mol è l’unità di misura in base alle conoscenze sulla natura particellare della materia ai primi del ‘900. Tuttavia è in fase avanzata un progetto per la ridefinizione dell’unità di massa (kg) che tiene conto della struttura particellare della materia, “contando” gli atomi di Si-28 contenuti in una sfera di questo isotopo attraverso la misura della distanza fra gli strati atomici con tecniche interferometriche e utilizzando la costante di Planck. http://www.inrim.it/events/insegnanti/INRIM-Cabiati-Il_futuro_del_SI.pdf
E’ curioso che una proposta molto simile fu avanzata nel 1963 dall’italiano C. Egidi (Phantasies on a Natural Unity of Mass, Nature, 1963, 200, 61-62)

[5] A quanto sembra la IUPAC sta considerando chemical amount come alternativa ad amount of substance, v. http://www.ulster.ac.uk/scienceinsociety/molepack.html

6 domande ai candidati presidenti.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Claudio Della Volpe

In questo periodo sono in corso le operazioni che porteranno alla elezione del nuovo Presidente della SCI; i due candidati fra i quali i soci chiamati a scegliere sono una donna Angela Agostiano e un uomo Alberto Albinati. La scelta consentirà al candidato di affiancarsi per un anno al presidente in corso per meglio svolgere poi il proprio ruolo.

Più che presentare ufficialmente i due soci, il blog vorrebbe, come è sua tradizione, stimolare un dialogo sui temi sui quali la SCI si troverà ad agire nel futuro e sui quali il nuovo presidente dovrà quindi fattivamente operare.

Per questo motivo presentiamo qui una intervista ai due candidati; le domande sono state formulate su una proposta di temi partita dalla redazione del blog. Ringraziamo i due candidati per il tempo e l’impegno che ci hanno dedicato.

Domanda 1): Nel 1896, quando si festeggiarono i 70 anni di Cannizzaro fra i chimici italiani c’era solo una donna, la prof. Bakunin; oggi abbiamo la possibilità, sia pur per la prima volta di eleggere una presidente donna per la SCI; cosa pensa dei problemi di genere nella Scienza, problemi che specie negli ultimi anni sono venuti spesso alla ribalta proprio nel mondo della Chimica e possono essere sintetizzati nel termine “tetto di cristallo”; il tetto di cristallo esiste ancora in Chimica?

s200_angela.agostiano Il fatto che siano più uomini che donne che vogliono occuparsi di scienza è senza dubbio un pregiudizio. Basta guardare il numero degli iscritti o dei laureati a corsi di laurea come chimica, fisica, matematica per rendersi conto che il numero delle donne è superiore a quello degli uomini. E’ certamente vero però che un problema di genere esiste se si guarda alla possibilità di far carriera. Oggi la stragrande maggioranza delle posizioni apicali è occupata da uomini. Il numero di donne che raggiungono posizioni di rilievo sta progressivamente aumentando, ma la cinetica del processo è talmente lenta da far ipotizzare che ci vorranno non meno di venti anni per colmare il divario. Credo che ci debba far rifletter il fatto stesso che io sia stata la prima donna a ricoprire il ruolo di vicepresidente della SCI (ed oggi a candidarsi per la presidenza), nonostante le donne rappresentino circa la metà dei suoi iscritti.

Nonostante la mia esperienza personale mi porti a dire che più che con ostacoli oggettivi legati al fatto di essere donna ho dovuto fare i conti con l’assenza di strutture e servizi che mi permettessero di inserire il lavoro nella mia vita privata senza corse, ansie o condizionamenti, è obbiettivamente vero che il tetto di cristallo ancora esiste, ed il suo sfondamento non può che passare attraverso un cambiamento delle regole del gioco, con l’abbandono del metodo della cooptazione per passare a quello della valutazione trasparente del merito. Credo però che il raggiungimento delle pari opportunità nella carriera non debba significare necessariamente un adeguamento a modelli maschili: io ho sempre preferito il concetto di autorevolezza a quello di autorità.

alberto albinati

Vorrei per prima cosa ricordare il ruolo del Presidente della SCI che è quello di coordinare ed indirizzare le attività della Società che vengono svolte attraverso le divisioni, gli organi periferici, i Tavoli di Lavoro e le commissioni. Tutte le iniziative vengono discusse e rese operative dal Consiglio Centrale. Senza questo prezioso lavoro sarebbe inimmaginabile affrontare i molteplici temi di cui la SCI si occupa.

Negli ultimi decenni si è osservato un incremento notevole delle iscrizioni femminili ai corsi di chimica: da una percentuale, in molte sedi, del 10-20% negli anni sessanta, attualmente siamo oltre il 50%. Evidentemente è cambiato in modo drastico la percezione del ruolo della donna nella società e del suo inserimento nel mondo del lavoro anche se questo spesso ha portato ad un difficile equilibrio tra i diversi ruoli. Nella SCI fortunatamente è presente una numerosa e preziosa componente femminile nelle Divisioni, nei Gruppi Interdivisionali nelle Commissioni, componente che è aumentata rispetto al passato e certamente aumenterà. Sono convinto che il problema “dei tetti” sia purtroppo ancora presente in molte realtà ma che la SCI rappresenti un buon esempio (certamente migliorabile come ovvio) di rappresentatività che permette di scegliere non in base alla necessità di raggiungere “quote rosa” ma alle capacità delle persone.

Domanda 2): L’aggettivo “chimico” ha nel linguaggio comune una valenza negativa; questo probabilmente dipende dal fatto che il grande pubblico, al di là della diffusa ignoranza di merito non riesce a distinguere e separare le responsabilità della scienza da quelle di chi la applica nell’economia e nella produzione; cosa potrebbe fare una società scientifica per contribuire a superare questo problema? Come separare le  responsabilità di scienziati, professionisti o insegnanti da quelli che per motivi spesso di profitto inquinano o usano comunque male delle risorse?

s200_angela.agostianoPenso che tutte le discipline scientifiche soffrano del problema di una cattiva pubblicità derivante da un uso distorto dei risultati delle proprie ricerche. Alcune volte è anche doveroso riconoscere che si sono fatti degli errori che hanno avuto conseguenze molto negative e suscitato sospetto o diffidenza. La chimica forse più delle altre soffre di questo problema, perché ritenuta responsabile di inquinamento, sofisticazione di cibi, uso di concimi in agricoltura, tutti temi che colpiscono da vicino la sensibilità della gente. Contribuisce certamente alla diffusione di questa immagine negativa la poca chimica che è insegnata nelle scuole ma anche la poca correttezza dell’informazione che arriva attraverso i mezzi di comunicazione. Curare e promuovere l’immagine e la cultura della chimica deve rappresentare la missione di una società scientifica come la SCI, articolata strutturalmente al suo interno per un confronto continuo tra tutte le professioni su tutte le tematiche disciplinari. E’ importante però che l’attività non si sviluppi solo al suo interno. Quanto conti oggi non solo lavorare sui contenuti della didattica, ma anche appassionare ed entusiasmare i giovani lo dimostra il crescente successo dei giochi della chimica, costante terreno di confronto con le scuole a livello territoriale. Penso che la SCI abbia già e debba ulteriormente sviluppare gli strumenti per promuovere il ruolo della chimica verso la società civile e la politica, attraverso interventi puntuali e comprensibili su tutti i mezzi di comunicazione ed attraverso l’organizzazione di congressi ed iniziative divulgative aperte. Intervenire correttamente e proporre soluzioni puntali su tutti i temi, sia quelli legati alla vita di tutti i giorni sia quelli legati alle grandi sfide sociali, è a mio parere l’arma migliore per rafforzare e rendere credibile la comunità dei chimici.

alberto albinati In genere il grande pubblico e molta stampa percepiscono la chimica e in particolare l’industria chimica come un pericolo per l’ambiente, nonostante la ricerca scientifica in ambito chimico abbia sviluppato nuovi materiali che hanno portato ad un miglioramento della qualità della vita, ad applicazioni favorevoli all’ambiente e a risolvere problemi legati alla salute. Problemi quali la gestione dei rifiuti, il riciclo, l’efficienza energetica sono stati affrontati ottenendo buoni risultati proprio grazie alla ricerca chimica. Comunicare la corretta distinzione tra l’ottenere risultati scientifici (il “progresso scientifico”) e la responsabilità di un uso improprio o dannoso degli stessi, è un problema complesso che ha origini nella mancanza di cultura scientifica nella società italiana; non è facilmente risolvibile se non attraverso l’insegnamento nella Scuola, che formi una cultura scientifica di base, e una comunicazione riguardante la scienza accurata che deve raggiungere il grande pubblico in modo efficace. Il ruolo che la SCI può avere è quello di pubblicizzare gli aspetti positivi della ricerca scientifica, particolarmente quella chimica, rivolgendosi al pubblico non specializzato con l’organizzazione di seminari e conferenze sia in occasione dei Congressi SCI che con iniziative sul territorio e cercando di essere strumentale nel miglioramento della qualità della comunicazione scientifica da parte dei media. Molte iniziative sono state già messe in atto, dalle Divisioni e Sezioni, che dovranno non solo continuare ma aumentare. La collaborazione con l’Ordine dei Chimici è poi fondamentale come dimostrato, ad esempio, dal successo delle iniziative per l’EXPO.

Domanda 3): L’insegnamento della Chimica è oggetto di molte discussioni relative a metodi e ai contenuti; quale è la sua idea a riguardo? L’insegnamento della Chimica deve essere fatto dai Chimici? L’insegnamento della Chimica deve contenere riferimenti alla storia e quanti? L’insegnamento della Chimica quando dovrebbe cominciare? Insomma quali aspetti di questa tematica riterrebbe doveroso affrontare da parte della SCI?

s200_angela.agostianoLe tematiche relative all’insegnamento della chimica   devono e sono già tutte affrontate e continuamente oggetto di dibattito all’interno della SCI, attraverso il lavoro della divisione di didattica. L’argomento è veramente complesso, perché si intrecciano problematiche di natura culturale ed educativa in continua evoluzione che devono essere risolte in presenza di situazioni pregresse e consolidate di posti di lavoro e di una continua riduzione delle risorse. Inoltre la differenza di impostazione tra istituti tecnici e licei, rende quasi impossibile una risposta univoca a tutti i problemi. E’ quindi necessaria una continua interlocuzione con il mondo della scuola, i tavoli ministeriali ed i nostri rappresentanti all’interno del CUN. Personalmente sono sempre stata convinta che la conoscenza della disciplina non è da sola sufficiente a garantire la bontà di un insegnamento, ma è una condizione imprescindibile per poter trasferire agli studenti gli strumenti per elaborare criticamente le loro conoscenze. Credo anche che inquadrare storicamente quello che si insegna serva moltissimo a caratterizzare la specificità di una disciplina rispetto ad un’altra ed anche a meglio comprenderne il linguaggio. Proprio perché la chimica è chiave di lettura di tutti i fenomeni naturali, penso che il suo studio debba e possa cominciare con un approccio certamente sperimentale già dai primi anni del percorso educativo di ogni studente.

alberto albinati E’ non solo auspicabile ma fondamentale che tutti i corsi di insegnamenti chimici nei vari indirizzi scolastici debbano essere insegnati da chimici e per quanto possibile essere accompagnati da esperienze pratiche (laboratorio). Vi sono poi vari modi per facilitare l’apprendimento di questa materia, considerata spesso ostica dagli studenti; per esempio, l’insegnamento della chimica negli istituti di istruzione secondaria potrebbe essere organizzato a moduli, con moduli fruibili a partire dal 1° anno, integrare le lezioni con “applicazioni elettroniche” o privilegiare un approccio “problem solving” rispetto alle lezioni frontali. La SCI si occupa attivamente di questi problemi attraverso la Divisione di Didattica Chimica ma dovrà sempre più aprirsi al mondo della scuola ed ai suoi problemi.
I riferimenti storici sono importanti sia per ricordare gli scienziati come persone reali che per descrivere il percorso fatto per arrivare a teorie e a scoperte che non nascono nel vuoto ma sono influenzate da un ben preciso contesto storico-culturale e sociale. La natura e la “quantità” di questi “cenni storici” possono però essere solo decisi dal docente. Sarebbe poi auspicabile riuscire, ma è un progetto a lungo termine, ad arrivare ad un insegnamento di Storia della Chimica analogamente a quanto avviene, per esempio, con il corso di Storia della Fisica. La presenza di conferenze di carattere storico nei Congressi SCI (come avvenuto per esempio all’ultimo Congresso SCI) e divisionali è senz’altro una lodevole “abitudine” da incoraggiare.

Domanda 4): C’è una enorme valenza della storia della Chimica e del suo valore sia didattico che culturale e sociale, riguardo agli effetti della nostra disciplina nella vita dell’uomo; eppure non esiste un museo o un riferimento comunque vogliamo chiamarlo della nostra disciplina e delle sue applicazioni; esistono molte iniziative a riguardo, ma spesso non coordinate fra di loro; la scuola e l’università non si avvalgono di questo supporto o almeno in modo non sistematico; non ritiene che occorrerebbe fare qualche intervento in questo campo?

s200_angela.agostianoSono convinta che la conoscenza di ogni disciplina sia strettamente correlata con la conoscenza della sua storia. Questo è tanto più vero per la chimica, a causa dello stretto legame che lega la sua storia a quella dell’avanzamento della conoscenza e dello sviluppo economico e sociale. Stimolare la curiosità di uno studente portandolo a comprendere come si è evoluta nel tempo la materia che sta studiando è inoltre un formidabile strumento didattico. Ci sono certamente dei luoghi, come alcuni musei o cittadelle della scienza, in cui ci si può avvicinare alla conoscenza della storia della chimica, ma penso che la SCI dovrebbe sostenere iniziative volte alla creazione di luoghi dedicati a raccogliere documenti e testimonianze dello sviluppo della nostra disciplina, ed anche a collegare l’enorme patrimonio esistente presso le università (ma non solo) e renderlo accessibile facilmente a chi la chimica la studia e a chi la chimica la insegna o semplicemente a chi la vuole conoscere meglio. Ovviamente questo lavoro necessita della disponibilità di risorse umane ed economiche e di una progettualità che possa consentire l’accesso a finanziamenti ministeriali appositi, ma sarebbe culturalmente rilevante intraprendere azioni in tale senso e credo che la SCI abbia al suo interno le competenze necessarie per portarle avanti.

alberto albinati Esistono diversi musei della chimica associati alle università, ad esempio università di Firenze, Roma, Genova, “Ciamician” di Bologna, che raccolgono i materiale, le esperienze, i documenti dello sviluppo della chimica nel tempo. Certamente una rete che coordini queste iniziative sarebbe auspicabile così come il reperimento di finanziamenti ad hoc per il mantenimento del patrimonio scientifico in essi custodito. Per raggiungere l’obiettivo è necessario la disponibilità di soci a lavorare ad un progetto “musei” ed adeguate fonti di finanziamento.

Domanda 5): Ci sono almeno due temi ricorrenti in cui la nostra disciplina viene coinvolta come “responsabile” primaria: l’inquinamento ambientale e le tematiche del riscaldamento globale e dall’altra quello della crisi delle risorse; la nostra società spesso non si schiera apertamente a riguardo, basti pensare agli articoli di CI che ancora difendono una visione dei cambiamenti climatici come dovuti all’effetto del Sole o a cause non ben chiare, invece che all’azione dei gas serra prodotti dalla nostra produzione industriale ed agricola; cosa pensa di questi due temi: ambiente  e risorse, in rapporto al ruolo della Chimica?

s200_angela.agostianoCredo che l’approccio giusto per affrontare questi temi sia quello che la SCI ha già proposto in occasione della conferenza organizzata nel Novembre del 2014 a Roma dal titolo “Chemistry for the Future of Europe – Energy, Food, Environment” dove congiuntamente al Consiglio Nazionale dei Chimici ed all’ European Association for Chemical and Molecular Sciences” ( EUCHEMS), sono stati analizzati i vari e fondamentali contributi che i chimici possono dare per rispondere alle grandi sfide che l’umanità si trova ad affrontare nel campo dell’energia, del cibo e dell’ambiente, cercando di trovare univocamente risposte adeguate sotto il profilo tecnico e rilevanti sotto il profilo etico. Credo che la consapevolezza che noi tutti dovremmo avere dello stretto collegamento esistente tra l’attuale modello di sviluppo, legato ad uno sfruttamento intensivo delle risorse, ed i cambiamenti climatici ed ambientali, debba necessariamente portare ad assumerci la responsabilità di dare un contributo concreto alla creazione ed attuazione di un modello alternativo basato sulla riduzione dei consumi e la sostenibilità ed il controllo dei processi, che oltretutto, nel lungo termine è anche l’unico che possa anche rappresentare un modello alternativo di sviluppo economico.

alberto albinati Credo di avere già in parte risposto nel punto (2). Vorrei però sottolineare che la SCI è una società scientifica il cui dovere è quello di fornire evidenze scientifiche, dati obiettivi ed essere un tramite di discussione, non quello di formare “schieramenti”. Mi sembra comunque che sulle cause del riscaldamento globale antropogenico vi sia una posizione condivisa dalla comunità scientifica, dalle maggiori società scientifiche e la SCI non è un’eccezione. La Chimica e l’Industria sta svolgendo un rilevante ruolo culturale per i soci ed è un importante mezzo di interazione con l’ordine dei chimici (ora che le due riviste CI ed” Il chimico Italiano”, sono un unico volume) e deve essere un luogo dove possano avvenire discussioni scientifiche, il che vuol dire anche ospitare voci critiche.
Ambiente e Risorse sono due temi fondamentali per la stessa sopravvivenza della società e temi fondamentali per le Divisioni ed i Gruppi Interdivisionali della SCI.

6) Come vede il futuro della SCI? Cosa pensa del rapporto con gli ordini professionali? La SCI del futuro quale ruolo potrà svolgere per unificare (se lei pensa che debba farlo) chi lavora nella ricerca, nella scuola, nell’industria?

s200_angela.agostianoPenso che il futuro della SCI sia strettamente correlato alla sua capacità di rappresentare un luogo di incontro e di confronto fra diverse anime, sia per quel che riguarda il mondo della ricerca, nelle Università e negli Enti pubblici, che per il mondo delle professioni, nelle industrie e nei laboratori. Credo sia anche indispensabile un rafforzamento della sua presenza a livello internazionale, perché le principali direttrici di sviluppo scientifico, tecnologico e normativo vengono ormai elaborate e formalizzate in ambiti sovranazionali. Mantenere uno stretto rapporto di collaborazione e confronto con organizzazioni che aggregano settori più o meno estesi ma significativi di chimici come l’Ordine dei Chimici e Federchimica è non solo auspicabile , ma strettamente necessario anche per la programmazione di una didattica che possa offrire migliori possibilità ai nostri laureati nel momento in cui si affacciano al mondo del lavoro.

La SCI per la sua articolata organizzazione sia a livello territoriale che disciplinare, può e deve ambire a diventare la voce da interpellare a livello nazionale per tutto quello che riguarda la chimica, capace di dialogare con le Istituzioni elaborando proposte credibili e condivise e di influenzarne le decisioni.

alberto albinati La SCI dovrà essere il punto di riferimento per tutti i chimici italiani non solo nell’università ma nell’industria, nel CNR, nella professione e nella scuola. E’ necessario che la SCI aumenti il numero di iscritti ottenendo così una migliore rappresentatività di tutte le componenti, industria, scuola, professione ed università; una SCI più numerosa vuol dire un interlocutore più autorevole sia a livello nazionale che internazionale. Molto importante sarà continuare, per esempio, a rafforzare la cooperazione con gli ordini professionali attraverso tavoli di lavoro con rappresentanti dell’università e della professione su tematiche legate alle formazione ed iniziative comuni o con l’industria sulla ricerca e sulla formazione universitaria; alcune iniziative per altro sono già iniziate con successo.
Un traguardo importante per la SCI dovrà essere quello di favorire l’aggregazione di ricercatori o gruppi di ricercatori (universitari e non) attorno a progetti ed obiettivi di ricerca comuni e facilitare le interazioni con le imprese in modo da raggiungere quella massa critica necessaria per competere con successo nei finanziamenti europei.

Chimica e Matematica

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Rinaldo Cervellati

Without mathematics the sciences cannot be understood, nor made clear, nor taught, nor learned.

(Roger Bacon, 1214-1292)

 

Ritengo che tutti coloro che si occupano di scienze concordino con l’affermazione di Bacone, tuttavia ancora nei primi anni del ‘900 l’insegnamento della matematica non aveva un assetto definitivo nei corsi di laurea in chimica delle università italiane. Di questa mancanza si lamenta Mineo Chini (1866-1933)[1] nella prefazione al suo libro “Corso speciale di Matematiche con numerose applicazioni ad uso principalmente dei chimici e dei naturalisti” (R. Giusti Ed., Livorno 1904), attribuendola ai continui mutamenti ministeriali[2].

Nella prefazione l’autore si propone di soddisfare il bisogno per gli studenti di Chimica e di Scienze Naturali, che vogliano modernamente istruirsi, di acquistare la conoscenza almeno delle teorie matematiche sviluppate in questo libro. Afferma inoltre di aver cercato di esporre il materiale nella forma più semplice e meno arida possibile e di essersi sforzato d’illustrare, dove ha potuto, le varie teorie mediante opportuni esempi, tratti dalla Fisica, dalla Chimica…dalla Meccanica e dalla Termodinamica. Con ciò Chini vuole dare subito un’idea di come si possano utilizzare, fuori dal campo astratto, i risultati delle matematiche. Egli è consapevole che chimici, naturalisti e anche cultori di scienze sociali siano utilizzatori di matematica, cosa che a mio parere molti degli attuali docenti di matematica nei corsi di laurea in chimica tendono a dimenticare. Poiché Chini riconosce che gli argomenti presi come esempi esulavano dalla cerchia dei suoi studi abituali, dichiara di aver consultato con vantaggio il trattato di Nernst, il classico testo di Chimica Fisica di Van’t Hoff e quello di Chimica Generale di Ostwald.

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Il Corso Speciale di Matematiche è suddiviso in quattro parti: Complementi di Algebra, Elementi di Geometria analitica, Elementi di Calcolo differenziale, Elementi di Calcolo integrale.

I concetti e i teoremi matematici sono esposti con chiarezza senza troppe dimostrazioni ma con molti esempi numerici, seguiti da applicazioni a problemi di Fisica e di Chimica. Di seguito sono riportate alcune applicazioni in Chimica.

Nei Complementi d’Algebra, le progressioni sono applicate al Calcolo del numero di atomi di carbonio contenuti nelle molecole di una particolare serie di idrocarburi, i logaritmi alla Determinazione della quantità di una sostanza che decomponendosi dà luogo a un certo volume di gas in condizioni date di pressione e temperatura, i determinati al Calcolo del numero di componenti indipendenti di un sistema nella regola delle fasi, i sistemi lineari al Calcolo, mediante l’analisi indiretta delle quantità di due sali costituenti un dato miscuglio.

Negli Elementi di Geometria analitica le coordinate cartesiane dei punti nel piano sono applicate ai Diagrammi delle leggi di Boyle e di Gay-Lussac e alla legge di Berthelot sulle concentrazioni di due solventi a miscibilità parziale, le coordinate cartesiane dei punti nello spazio all’Immagine geometrica dell’equazione di stato del gas ideale, alcune curve speciali all’Equazione di Van der Waals, l’equazione generale del piano alla Immagine geometrica della condizione affinchè un miscuglio di cloro, ossigeno e azoto dia luogo a una reazione esauriente con una determinata quantità di idrogeno.

Negli Elementi di Calcolo differenziale i limiti delle funzioni sono applicati alla Teoria del lavaggio dei precipitati, le derivate delle funzioni al Calore specifico di un corpo, alla velocità delle reazioni chimiche, e alla velocità con cui varia la quantità di sostanza che può sciogliersi in un dato solvente al variare della temperatura, il differenziale di una funzione ai Calori specifici dei gas e all’espressione del lavoro elementare esterno di un gas.

Negli Elementi di calcolo integrale, gli integrali definiti sono applicati al Calcolo della quantità di sostanza che si produce in un dato tempo in una reazione chimica nota la velocità della reazione, le equazioni differenziali del 1° ordine all’inversione dello zucchero e alla dissociazione dell’acido iodidrico.

Ho personalmente utilizzato l’approccio di Mineo Chini nell’anno in cui, come incarico aggiuntivo, ho tenuto l’insegnamento di Matematica per il corso di laurea in Farmacia: enunciati chiari dei teoremi senza tante dimostrazioni, immediati esempi numerici e alcune applicazioni suggerite nel libro di Chini. I risultati sono stati soddisfacenti al di là delle mie aspettative. Non vorrei fare inorridire i matematici puri ma per un utilizzatore di matematica il concetto di funzione reale di una variabile reale è più chiaro con la definizione di Dirichlet che con quella della Teoria degli insiemi, in fondo la derivata di y = x2 è sempre dy/dx = 2x sia con l’uno sia con l’altro approccio.

Il volume di Mineo Chini ebbe un grandissimo successo, nel sito indicato in nota 1 è riportato che dell’opera uscirono sette edizioni, l’ultima nel 1923. In realtà le edizioni furono undici, l’ultima nel 1942. Confrontando le due edizioni in mio possesso, quella del 1904 (prima ed.) e quella del 1942 (undicesima ed. riv.), quest’ultima risulta arricchita di quattro capitoli nei Complementi d’Algebra e di due capitoli in Appendice riguardanti l’Integrazione dei differenziali esatti e gli Integrali curvilinei delle espressioni differenziali. Questi ultimi capitoli tengono conto degli sviluppi della Termodinamica chimico-fisica a quel tempo e contengono applicazioni all’Entropia di un sistema soggetto all’azione del calore e all’Espressione dell’entropia nel caso del gas ideale.

Un lavoro come quello di Chini non è affatto semplice, richiede tempo, costanza, consapevolezza che si va a insegnare matematica a non matematici il che significa interessarsi a materie diverse dalla propria. Non a caso la prefazione della prima edizione del 1904 termina con la seguente frase: Oso sperare che il presente libro abbia favorevole accoglienza…ciò costituirebbe…il più ambito compenso, in un lavoro al quale dedicai buona parte del tempo lasciatomi libero dalle mie molteplici occupazioni…lavoro che non fu sempre agevole.

Oggi, in Italia, sarebbe impensabile un libro di matematiche con l’approccio di quello di Chini. I docenti sono ingabbiati in settori scientifici disciplinari o settori concorsuali, il docente di matematica per un corso di laurea diverso è designato dalla Scuola (nello specifico la Scuola di Scienze) su proposta del Dipartimento di riferimento (nello specifico il Dip. di Matematica). Non è infrequente il caso in cui l’insegnamento viene affidato a un docente che ha competenze di Geometria piuttosto che di Analisi Matematica. Inoltre i docenti universitari vivono una situazione kafkiana, pagati per l’attività di insegnamento ma con progressione di carriera valutata praticamente solo dall’attività di ricerca[3]. Ne consegue che troppo spesso l’insegnamento è percepito come una seccatura che toglie tempo alla ricerca.

In Inghilterra sono più pragmatici: nel 1997 la Oxford University Press pubblicò il volume The Chemistry Maths Book (Erich Steiner, lecturer Department of Chemistry, University of Exeter, 528 pp.)[4].

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Il volume tratta la matematica necessaria per affrontare l’intera gamma di argomenti che fanno parte di un corso di laurea in chimica. É stato progettato come libro di testo per i corsi di “matematica per chimici”: la filosofia del volume di Steiner è infatti analoga a quella del libro di Chini anche se, ovviamente, è molto più completo trattando anche la matematica necessaria ad affrontare la chimica quantistica. Ognuno dei 21 capitoli inizia con i concetti e l’illustrazione del significato dei teoremi, prosegue con i metodi matematici facendo largo uso di esempi chimici e chimico fisici. Gli esercizi al termine di ogni capitolo, 900 in tutto il volume, sono un elemento essenziale dello sviluppo dell’argomento, progettato per dare allo studente una confidenza pratica con il materiale nel testo.

É interessante notare che in ogni capitolo sono inserite diverse note storiche sulla matematica (a piè di pagina)[5].

Sarebbe auspicabile che qualche docente di matematica per gli altri corsi di laurea (ma anche qualche docente di chimica) prendesse visione dei libri di Chini e di Steiner, forse renderebbe la matematica più piacevole a molti studenti…

[1] Una biografia del matematico Mineo Chini si trova in: http://www.treccani.it/enciclopedia/mineo-chini_(Dizionario-Biografico)/

[2] Che novità…

[3] Uno dei tanti guasti provocati dalla “riforma” Gelmini, la tizia del tunnel sotterraneo da Ginevra al Gran Sasso per far correre i neutrini (lei però dopo questa castroneria non è corsa via, purtroppo). Naturalmente la “riforma” non è stata il frutto della Gelmini, ma di un gruppo di “poteri forti” con lo scopo di affossare l’università pubblica, libera e democratica. Non sono certamente l’unico a pensarla così.

[4] Il libro è stato un successo, nel 2008 è stata pubblicata una seconda edizione aggiornata e ampliata.

[5] Stanislao Cannizzaro “…era assolutamente convinto che i suoi studenti dovessero tenere a mente e considerare la storia della chimica…osservava che la mente di chi sta imparando una scienza deve passare per tutte le fasi che quella stessa scienza ha attraversato nel corso della sua evoluzione storica.” (cit. da Oliver Sacks, Zio Tungsteno, Adelphi, Milano, 2002, p. 177). Evidentemente Steiner la pensa allo stesso modo, ma i chimici nostrani…

Riflessioni estive di un chimico.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Luigi Campanella, ex Presidente SCI

Ieri 30 agosto Oliver Sacks ci ha lasciato; pensavo proprio a lui in questi giorni di vacanza in cui ho avuto l’opportunità di leggere molto di chimica e di  riflettere su alcune notizie, confermandomi nella convinzione che la nostra è una disciplina veramente affascinante per chi l’affronta senza pregiudizi e preconcetti.

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Oliver Wolf Sacks è stato un neurologo scrittore e chimico inglese di fama mondiale. Trai suoi libri più celebri si deve  citare “Risvegli” da cui è stato tratto il film magistralmente interpretato da Robert De Niro. Nell’ultimo suo libro “On the move” Sacks, che è ammalato di tumore ,racconta come alla sua malattia il grande conforto lo trova nei minerali ed  in quei regali che riceve ad ogni  compleanno dai suoi amici con la tradizionale espressione “happy birthday” seguita da un campione dell’elemento di numero atomico corrispondente all’anno di compleanno. Così il tallio all’81esimo è motivo per dubitare di arrivare al polonio (numero atomico 84)-per fortuna aggiunge-,ma forse neanche al bismuto (83) ,per guardare con rimpianto all’anno del berillio, l’anno della sua infanzia,infine per confrontare lo  sviluppo del suo tumore attraverso un confronto fra gli elementi con il numero atomico corrispondente ai vari compleanni.

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La chimica per Sacks è come una preghiera: il suo conforto diventa  la Tavola periodica di Mendeleev, da  lui definita “un mondo senza morte”. Sorprende che gli elementi chimici possano  essere tradotti in traguardi della vita: in fondo solo 6 di essi contano veramente fino a rappresentare il 99% del nostro corpo. Scrive Sacks:”ora che la morte non è più un concetto astratto,ma una presenza per  me sono tornato  a circondarmi di metalli e minerali,come quando ero ragazzo,piccoli emblemi di  eternità”.

Non tutti ugualmente accetti: così nella sua  attenzione per il bismuto si esplicita la sua predilezione di medico per i malati negletti e dimenticati.
Ho ripensato molto a Sacks quando mi è capitato di entrare in un blog gestito da  un chimico farmaceutico inglese Niraj Naik. Il nome del blog era già tutto un programma The Renegade Pharmacist: viene descritto uno studio chimico sugli effetti nell’ora successiva all’assunzione di una lattina di coca cola.

Che salto,ho pensato dalle stelle di Sacks! Ma non si tratta di scendere nelle stalle, come si potrebbe pensare: la descrizione è meticolosa e particolareggiata, con il solo dubbio della verifica sperimentale di quanto riportato. Nei primi 10 minuti entra in circolo una dose di zucchero pari a quella consigliata per un intera giornata, circa 10  cucchiaini. In 20 minuti si ha come conseguenza un picco insulinico nel sangue. Il fegato risponde trasformando ogni zucchero in grasso. Entro 40 minuti viene completato l’assorbimento di caffeina. Sale la pressione sanguigna ed il fegato scarica più zuccheri nel sistema circolatorio. Dopo 3 quarti d’ora aumenta la produzione di dopamina stimolando i centri del piacere situati nel cervello. In un’ora l’acido fosforico lega calcio, magnesio e zinco nell’intestino e questo accelera il metabolismo con il conseguente rilascio dei 3 metalli destinati alle ossa. Appena diminuisce l’eccitazione  crolla la glicemia e rischia di divenire antipatici o irritabili. Quante esperienze si devono o dovrebbero condurre per definire questo bio-percorso? Non credo sia facile dare una risposta. Credo però che la domanda più importante sia un’altra: per arrivare a conclusioni accurate su un processo così complesso le tecnologie  di cui disponiamo sono sufficienti? Anche questa risposta non è semplice da fornire, ma certo proprio questa incertezza  giustifica la massima attenzione che la comunità chimica deve prestare verso nuovi metodi di indagine  e di studio. coke1hr3-1024x1024

Proprio in questa direzione mi ha colpito una recente ricerca svolta presso il Dip.to di Chimica dell’Università di Oslo tesa a studiare i processi cellulari con un sistema innovativo di monitoraggio, definito a fluttuazioni. Tutti i processi cellulari sono governati dal moto browniano. Il movimento browniano delle proteine e delle particelle all’interno di una cellula o in prossimità di essa è regolato dalle proprietà fisiche del citoplasma della membrana cellulare e del mezzo extracellulare. Focalizzando in prossimità di una cellula in una ben determinata posizione vicino od  a contatto con essa una particella, questa può funzionare da antenna delle fluttuazioni della cellula essenziali a livello della microscala per comprendere i processi cellulari.

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L’insieme di queste considerazioni mi riporta al punto di partenza: la chimica è affascinante, sta a chi la insegna farne comprendere ed apprezzare questo fascino. Ritorna prepotente il rapporto fra didattica della chimica e scuola. La Divisione di  Didattica della SCI è impegnata perchè questo rapporto si mantenga virtuoso ed il recente decreto legge ha posto alla nostra attenzione ulteriori elementi di riflessione. Come direttore del giornale Chimica nella Scuola cercherò di cogliere questa contingenza per contribuire al lavoro della DD-SCI per allargare il dibattito e per fare sentire nelle sedi decisionali la nostra voce.

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