La Chimica nelle cose. Recensione.

Margherita Venturi.

La Chimica nelle cose – Dal vissuto di un chimico, la materia al di là delle apparenze

Fabio Olmi, PM Edizioni, Collana scientifica Albatros

pag. 246 euro 20

 

Recensione

La collana scientifica Albatros della PM Edizioni consta di due tipologie di libri: una è rivolta a lettori “non addetti ai lavori”, ma curiosi di conoscere il mondo delle scienze, mentre l’altra è dedicata a docenti di discipline scientifiche della scuola secondaria, desiderosi di approfondire e aggiornare le proprie conoscenze.

Il libro di cui vi parlo oggi “La Chimica nelle cose – Dal vissuto di un chimico, la materia al di là delle apparenze” di Fabio Olmi fa parte della prima tipologia; infatti con il suo stile semplice e coinvolgente, senza però perdere mai la rigorosità scientifica, l’autore raggiunge pienamente l’obiettivo di incuriosire anche chi di scienza sa poco o nulla. Sicuramente questa bravura gli deriva dalla lunga esperienza acquisita come docente di scienze al liceo scientifico “Leonardo da Vinci” di Firenze, che l’ha messo di fronte alla necessità di coinvolgere e appassionare i giovani di varie generazioni: ha insegnato per oltre 38 anni!

Ma Olmi non è stato solo un bravo docente; da sempre si è dato da fare per migliorare il nostro sistema scolastico e soprattutto l’insegnamento delle discipline scientifiche, battendosi per introdurre attività laboratoriali e per aumentare le ore di scienze (sforzi che le ultime riforme scolastiche hanno purtroppo totalmente vanificato). Nel lontano 1980 sosteneva già l’importanza di inserire l’educazione ambientale nel curricolo di scienze della scuola secondaria di secondo grado; è stato un propugnatore dell’insegnamento inter- e trans-disciplinare e, forse, il primo docente di scuola superiore a parlare della necessità di affrontare con gli studenti i temi legati ai risvolti sociali della scienza. È stato socio fondatore della Divisione di Didattica della SCI e, in quest’ambito, ha svolto un’intensa attività di ricerca didattica e formazione docenti, fornendo contributi significativi per quanto riguarda le metodologie didattiche delle discipline scientifiche, in particolare della chimica, l’analisi storico-epistemologica dei concetti chimici essenziali, le metodologie e gli strumenti per una razionale verifica degli apprendimenti e per la valutazione delle competenze. Ho avuto il piacere di incontrare molte volte Olmi, soprattutto durante i lavori della Divisione di Didattica, ed ho sempre apprezzato il fatto che non facesse mai pesare “il suo sapere” conservando un atteggiamento riflessivo, quasi umile, ma al tempo stesso signorile, anche nelle discussioni più accese.

Durante il Convegno della SCI, che si è tenuto a Paestum nel settembre 2017, ha ricevuto la Medaglia Gabriello Illuminati per i suoi contributi alla didattica della chimica e, anche in quell’occasione in cui io ero presente, Olmi non si è smentito; ha ringraziato commosso, ma soprattutto si è scusato più volte per il fatto di non poter tenere la relazione richiesta ai premiati; il cardiologo gli aveva infatti assolutamente proibito di subire stess o eccessive emozioni e lui candidamente ha detto: ubbisco agli ordini, anche se la più grande emozione è quella di essere qui a ricevere il premio; certamente il tenere una relazione sarebbe stato il male minore. Come non sentire simpatia e affetto per una persona del genere! Allora, quando a Paestum mi ha regalato, quasi con pudore, il suo ultimo libro, mi sono ripromessa che, dopo averlo letto, ne avrei certamente fatto la recensione ed eccomi qui a mantenere la parola.

Il libro ha una bella prefazione di Giorgio Nebbia, un chimico noto internazionalmente, ormai ultra novantenne, che fa parte del nostro blog e che, per la sua vivacità intellettuale, di anni ne dimostra molti, ma molti meno. Anche per Giorgio provo una grande stima e un grande affetto, non smetto mai di imparare da lui e così è successo per queste due pagine di prefazione; con poche parole è riuscito a sintetizzare l’oggetto e lo scopo del libro: presentare la chimica come la scienza e la narrazione delle “cose” e accompagnare il lettore dalla natura, fonte di tutte le “cose utili” e di ogni “valore d’uso”, ai processi di produzione di materie organiche ed inorganiche, ai processi di uso dei beni materiali e all’effetto di tutte queste operazioni sulla natura e sull’ambiente.

Il libro, quindi, parla di “cose” e questo termine mi piace moltissimo perché rende gli oggetti di varia natura descritti da Olmi, anche estremamente complessi dal punto di vista scientifico, molto vicini alle persone comuni. Infatti come dice l’autore nell’introduzione: ho l’ambizione di rivolgermi ad un pubblico che vuole sconfinare per curiosità dal suo specifico campo … per assaporare e possibilmente gustare qualche semplice digressione chimica che affronta il perché le cose sono in un certo modo, il come e il perché si trasformano e perché sono importanti nella nostra vita.

Lo stile letterario, o meglio il felice artificio (per usare le parole di Nebbia) adottato da Olmi, è simile a quello usato da Primo Levi ne “Il Sistema Periodico”, da Oliver Sacks in “Zio Tungsteno” e da Hugh Aldersey-Williams in “Favole Periodiche” ed è così che il lettore scopre ciò che “sta dietro” alle cose che utilizza quotidianamente, imparando ad apprezzarle e, forse, anche a rispettarle, perchè capisce che nulla si ottiene gratis: c’è il grande lavoro della natura per creare tutte le cose utili e quello dell’uomo, altrettanto faticoso, per riuscire ad usare questo ben di Dio che la natura mette a disposizione.

La prima “cosa” utile di cui parla Olmi è il petrolio; si tratta della sua ossessione giovanile e questa attrazione appare chiaramente quando parla del fascino di poter carpire un segreto custodito dalla terra così bene che in superficie nulla fa trapelare la presenza in profondità dell’oro nero. Nonostante questa “attrazione fatale”, l’autore fa un’analisi oggettiva del petrolio sia come fonte energetica che come materia prima, affrontando vizi e virtù, speranze e delusioni, effetti positivi e negativi dal punto di vista dello sviluppo sociale e dell’ambiente.

Il discorso sulle fonti energetiche continua in altri capitoli. Per quanto riguarda il “Re carbone”, a cui si deve la Rivoluzione Industriale, l’autore si sofferma in dettaglio su come esso si è formato, sul suo uso come fonte energetica e sui problemi sanitari e ambientali connessi, concludendo il tema con una digressione sul grafene. Lo sguardo si sposta poi verso il futuro con il capitolo dedicato alle fonti rinnovabili, in particolare energia eolica e solare, sulle quali sono riposte le speranze per un mondo migliore, anche se ci sono molti problemi ancora da risolvere, come la necessità di disporre di sistemi di accumulo e/o di sistemi complessi di collegamento con le reti elettriche. Questo aspetto, dice giustamente l’autore, rappresenta un collo di bottiglia per l’utilizzo delle fonti rinnovabili; dimentica, però, di dire che c’è un altro collo di bottiglia da superare e che riguarda la disponibilità, purtroppo limitata, dei materiali necessari per convertire le fonti rinnovabili in energia utile.

Un corposo capitolo è dedicato a due risorse naturali che sono sicuramente “cose” indispensabili per la vita: aria e acqua. Qui, prendendo spunto da lavori realizzati con i suoi studenti, Olmi presenta in maniera semplice e accattivante le caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua, con particolare riguardo ai suoi stati di aggregazione, chiamati in modo molto azzeccato i “diversi abiti” che l’acqua può assumere, soffermandosi sull’acqua “fossile” intrappolata da migliaia di anni nei ghiacci delle regioni polari da cui è possible ricavare informazioni su quella che era la situazione del nostro pianeta in epoche anche molto lontane; passando poi all’altra risorsa, l’autore analizza la composizione dell’aria e come essa varia allontanandosi sempre più dalla superficie terrestre, introducendo il concetto di atmosfera; parla del continuo movimento dell’aria e dell’importanza che esso ha nel determinare il clima del nostro pianeta; sottolinea, inoltre, come l’aria sia un grande serbatoio di risorse, a cui l’uomo sta attingendo sempre più pesantemente, tanto da aver addirittura intaccato la quantità del suo componente principale, l’azoto. Ovviamente viene anche affrontato il grande pericolo che incombe su queste due risorse: l’inquinamento che sta mettendo a dura prova la sopravvivenza dell’umanità e del pianeta.

Un altro capitolo tratta del vino, la grande passione di Olmi; la cosa si avverte molto chiaramente dal modo, appunto appassionato, con cui l’autore descrive la cura e la fatica che servono per trasformare l’uva in un buon vino. Leggendo queste pagine mi è sembrato di vedere l’autore aggirarsi fra i suoi filari di viti selezionate per seguire con trepido amore il colorarsi al Sole dei grappoli d’uva e, poi, scendere in cantina per attuare tutte le operazioni necessarie affinché il processo della fermentazione, ben noto ad un chimico provetto come lui e così ben descritto in queste pagine, avvenga in maniera appropriata.

Il libro comprende inoltre tre capitoli espressamente dedicati allo sviluppo tecnologico. Uno riguarda il vetro, la “cosa” più utile e comune per il lavoro del chimico, ma anche la “cosa” più bella e affascinante che è parte integrante della nostra vita; oltre a descrivere il processo che permette di ottenere il vetro, i vari tipi di vetro e le applicazioni più recenti, Olmi affronta l’aspetto artistico, ricordando le vetrate colorate di molte vecchie cattedrali e i moderni grattacieli che grazie a questo materiale possono svettare luminosi e brillanti sempre più in alto verso il cielo. Un altro capitolo è interamente dedicato al cemento: di cosa è fatto, come viene utilizzato, i vari tipi di cemento; come nel caso del vetro, anche per il cemento l’autore si sofferma sulle opere artistiche realizzate in epoche diverse usando questo materiale.

Infine, un capitolo, l’ultimo del libro, tratta dei metalli più importanti dal punto di vista tecnologico, ripercorrendo in un certo qual modo la storia dell’umanità; l’autore infatti parte dal rame e dal bronzo, l’uso dei quali va molto indietro nel tempo, per passare poi al ferro fino ad arrivare ai nostri giorni e alle applicazioni tecnologiche più nuove basate su metalli dai nomi esotici appartenenti alle Terre Rare; fino a qualche tempo fa neanche chi studiava chimica all’università conosceva questi elementi, mentre ora sono i dominatori della scena e i pochi paesi ricchi dei loro giacimenti stanno tenendo in pugno il mondo.

Fra le applicazioni tecnologiche dei metalli c’è anche, purtroppo, quella che riguarda la produzione di armi e l’autore, a questo proposito, ricorda la visita fatta all’ex stabilimento della Società Metallurgica Italiana, diventato ora museo, dove per molti decenni sono stati fabbricati bossoli e proiettili di ogni tipo. Olmi dice di essere stato fortemente colpito da una frase letta nella guida al museo che, con grande enfasi, sottilineava il fatto che, quando era in attività, lo stabilimento ha prodotto munizioni per tutte le forze armate in tutti i conflitti. Il secco “no comment” dell’autore è molto esplicativo, anche perché, se lo stabilimento in questione è stato chiuso, non abbiamo smesso di produrre armi. Infatti, in un articolo molto interessante, uscito il 5 dicembre 2017 e intitolato “È questo il nostro Natale di pace?”, Alex Zanotelli denuncia il fatto che l’Italia si stia sempre più militarizzando, con ben 10 miliardi di euro destinati al Ministero della Difesa, sia per modernizzare le nostre armi che per costruire un sorta di Pentagono Italiano. Forse, o meglio sicuramente, se il nostro paese investisse di più nell’istruzione e nelle fonti rinnovabili, le cose andrebbero molto meglio! Ma lasciando da parte questa questione spinosa e ritornando al capitolo sui metalli, Olmi, molto giustamente, affronta anche un altro aspetto e cioè l’importanza biologica di molti rappresentanti di questa numerosa famiglia, concentrandosi sul rame e sul ferro. Per quanto riguarda quest’ultimo, si parla ovviamente di emoglobina e di quanto lavoro è stato necessario per risalire alla sua struttura e, allora, mi è tornato alla mente un bell’articolo, che ho letto anni fa, sulla figura di Max Ferdinand Perutz, lo scienziato che ha dedicato praticamente tutta la sua vita a studiare la struttura e la funzione biochimica dell’emoglobina, ricevendo per questo suo lavoro il premio Nobel per la Chimica nel 1962.

Mi sono dilungata anche troppo ed è meglio che vi lasci leggere il libro. Cosa dire per concludere? Potrei ripensare a cosa mi e piaciuto di più e cosa mi è piaciuto di meno.

Forse il capitolo che mi ha creato più perplessità è quello dedicato al carbone: è troppo tecnico e anche un po’ distaccato, non a caso Olmi dice di non aver mai avuto un incontro ravvicinato con questa “cosa”; inoltre io non avrei concluso il capitolo parlando del grafene e delle forme allotropiche del carbonio, perché c’è il rischio che chi non è addetto ai lavori confonda il carbone con l’elemento chimico carbonio.

Mi è, invece, piaciuto molto il capitolo sulle fonti rinnovabili, in particolare per i brani di Tiezzi che l’autore ha selezionato e riportato per introdurre il tema; ricordo solo alcune frasi che a mio avviso non dovremmo mai dimenticare: la Terra non va vista come una nostra proprietà da sfruttare, ma come un capitale naturale avuto in prestito dai nostri genitori per i nostri figli, e ancora, la sfida culturale del terzo millennio è una sfida per mantenere per i figli che verranno questa meravigliosa eredità; una sfida scientifica ed etica ad un tempo; una sfida che non ci possiamo permettere il lusso di perdere.

Mi è anche piaciuto molto lo stile colloquiale e coinvolgente che Olmi ha usato, stemperando le nozioni scientifiche, spesso complesse, con aneddoti, curiosità e cenni storici; ma, soprattutto, mi è piaciuto il fatto che in tutto il libro aleggia una grande passione per la chimica. Per Olmi si è trattato di un amore tardivo, nato solo all’università perché, come lui stesso dice: fu una scoperta per me rivoluzionaria di una disciplina che al liceo mi avevano fatto odiare; la ricordo come una materia arida, fatta solo di formule e reazioni “gesso e lavagna”, mai un esperimento in laboratorio, tanti nomi per me privi di significato. Nonostante Olmi abbia dedicato tutta la sua vita a far sì che la chimica venga amata anche fra i banchi di scuola, purtroppo le cose non sono cambiate molto e c’è ancora un tanto lavoro da fare.

Henry A. Bent (1926-2015): un chimico poco noto− Parte II

Rinaldo Cervellati

Henry A. Bent, “il professore che ha provato come la chimica può essere divertente” [1], nella sua lunga carriera di docente e ricercatore ha pubblicato più di 60 articoli a carattere prevalentemente didattico sul Journal of Chemical Education, dal 1960 al 2007. Gli argomenti sono fra i più disparati: dall’analisi dei concetti e alla loro proponibilità nell’insegnamento scolastico, dalla convinzione che la chimica è un linguaggio alle sue proposte di esperimenti dimostrativi per studenti e un pubblico più vasto, alle recensioni di libri di testo. Illustrare in poco spazio questa incredibile mole (è il caso di usare questo termine) di lavoro è praticamente una “mission impossible”. Ci proverò scegliendo due contributi, il primo riguardante le fiamme, il secondo sul concetto di orbitale.

Bent e le fiamme

Bent e le fiamme

Nel primo dei due, intitolato Flames: A Demonstration Lecture for Young Students and General Audiences[1], l’autore si propone di mostrare come con materiali di uso comune (zucchero, acqua, bicarbonato, aceto, candela, più una striscia di magnesio) si può capire di cosa si occupa la chimica e anche iniziare a comprenderne il linguaggio [2].

Bent dice:

Bent e le fiamme

Lasciatemi però spiegare dapprima la differenza fra fisica e chimica.

La fisica è la scienza delle proprietà generali della materia – la gravitazione universale, per esempio. Lascio cadere questo fiammifero. Questa è fisica. La distanza di caduta s è proporzionale al quadrato del tempo di caduta t. La distanza e il tempo sono concetti familiari. Ora sfrego il fiammifero. Una fiamma! Calore e luce. È illuminante! Questa è chimica. La chimica, vorrei dire, è più spettacolare della fisica. La chimica è la scienza delle proprietà particolari della materia, l’infiammabilità per esempio. C’è molto di completamente nuovo nelle trasformazioni chimiche della materia. [2, p. 151]

Bent invita quindi il pubblico a guardare la fiamma di una candela[2].

L’incandescenza della candela proviene dalla presenza nelle parti luminose della fiamma di particelle calde e solide. Possiamo raccoglierle con una spatola. A temperatura ambiente sono nere. Le chiamiamo fuliggine. È carbonio quasi puro, uno degli elementi chimici. Sopra la parte incandescente della fiamma, la fuliggine calda viene ossidata dall’ossigeno dell’aria formando un gas invisibile, il biossido di carbonio. I chimici scrivono:

C(s) + O2(g) → CO2(g) p

Possiamo dimostrare la presenza di biossido di carbonio nei prodotti finali della combustione della candela raccogliendoli in un pallone rovesciato. Poi aggiungiamo una soluzione di idrossido di calcio, comunemente chiamata calce, e scuotiamo. L’acqua di calce diventa presto color bianco latteo. Il precipitato bianco è carbonato di calcio, CaCO3. Il carbonato di calcio è il componente principale del calcare. Il calcare costituisce la maggior parte di molte delle nostre montagne.

La cera di candela è costituita da sostanze che sono principalmente composti del carbonio e dell’idrogeno. Il calore della fiamma della candela fonde la cera. Ulteriore calore vaporizza la cera dalla sporgenza. Infine, il calore trasforma le molecole del vapore di cera in carbonio e piccole molecole contenenti carbonio e idrogeno. Tali intermedi sono infine ossidati dall’ossigeno dell’aria sovrastante in anidride carbonica e acqua. [2, p. 152]

Bent continua a usare la candela in questo modo: un pezzo di cera viene posto in un becher che viene riscaldato con una fiamma esterna:

La cera fonde rapidamente in un liquido incolore. Il liquido comincia a fumare. Nelle pareti superiori fredde del becher parte del vapore si condensa in piccole particelle di cera liquida e solida. Continuando il riscaldamento, il vapore della cera, il fumo e l’aria formano una miscela combustibile, sviluppando una fiamma nel becher, che allontana momentaneamente il fumo. Ora abbiamo una fiamma continua: una fiamma di candela senza candela. Ma, a differenza della fiamma di candela, questa fiamma non è autosufficiente. Rimuovendo il calore ausiliario, la fiamma si spegne. [2, p. 152]

La dimostrazione prosegue:

Guardiamo ora cosa succede se spruzziamo un poco di acqua liquida con uno spruzzatore sulla cera nel becher. Il fuoco non si spegne ma si disperde in tanti fuocherelli appena l’acqua ha toccato il grasso. Le gocce d’acqua si sono messe a bollire trasformandosi in vapore spruzzando intorno goccioline di grasso infiammabili ravvivando il fuoco. Si tratta di “iniezione di carburante per generazione di vapore”. Un processo largamente sfruttato nell’industria. Non è certo il modo per allontanare l’ossigeno molecolare dal grasso caldo. Un panno umido sopra il becher avrebbe funzionato meglio.[2, p. 152].

A questo punto Bent spiega, con esempi pratici come l’aumento di contatto fra due o più corpi favorisce il verificarsi di trasformazioni chimiche:

Gran parte della moderna civiltà-scientifica, industriale, e tecnologica, deriva dal riconoscimento chimico che le molecole per reagire devono prima collidere, urtarsi.

Si passa quindi alle fiamme degli idrocarburi della serie del metano ma Bent inizia spiegando che le singole molecole della cera di candela contengono circa 18 atomi di carbonio, legati fra loro in catene a zig-zag.

Le molecole del polietilene dello spruzzatore contengono migliaia di atomi di carbonio, ciascuno legato ad atomi di idrogeno. È anche combustibile, vedete… Andando a pesi molecolari inferiori, otteniamo liquidi come il kerosene. Il cherosene, come la candela, non è molto volatile. Ha un valore relativamente alto di punto di infiammabilità. Possiamo costruire un fiammifero con il kerosene, ma non provate con la benzina!

L’idrocarburo più semplice è CH4, chiamato metano o gas naturale. È il gas per cui è stato costruito il bruciatore Bunsen nel quale entra un flusso del gas. Premesso che dalla base del bruciatore si può regolare la quantità d’aria che si mescola col gas, se si lascia che tutta l’aria entri, il metano brucia con una fiamma molto calda e relativamente poco luminosa, come quella che abbiamo visto con l’accendino a propano (a destra in figura). Bloccando l’ingresso dell’aria, il metano brucia con fiamma meno calda e luminosa, simile a quella della candela. Evidentemente, in queste condizioni si forma una certa quantità di fuliggine (a sinistra in figura) [2, p.152-153].

Fiamme bunsen

Bent mostra ora le fiamme prodotte dalla combustione di acetilene, alcol isopropilico e zucchero, facendo notare che tutte le sostanze usate contengono carbonio e idrogeno e le fiamme sono causate dalla reazione chimica con l’ossigeno dell’aria.

La combustione dello zucchero ha portato a una massa nera di carbonio in fondo alla provetta e a goccioline di acqua di condensa nella parte superiore. Introduce il termine carboidrati.

A questo punto proverà a bruciare separatamente carbonio e idrogeno.

Il semplice riscaldamento della provetta contenente il carbonio mostra che la sua ossidazione è molto lenta. Dobbiamo fornire più ossigeno al carbonio. Facciamo scorrere l’ossigeno nella provetta attraverso un tubo di vetro collegato a una bombola di ossigeno. È spettacolare! È la reazione di C + O2, solo con ossigeno puro, piuttosto che in miscela con aria. Il carbonio sta ora bruciando con un colore rosso fuoco. La provetta si è deformata ma non si è rotta. Alla fine è pulitissima, tutto il carbonio ha reagito. [2, p. 153]

Lampadine Edison a filamenti di carbonio

L’idrogeno si ottiene facilmente, basta avere un opportuno metallo e una soluzione acquosa di un acido forte, per esempio zinco e acido cloridrico. Mescoliamoli:

Si ottiene una massa frizzante, il metallo si scioglie e si sviluppano bollicine di un gas incolore e inodore, il gas più leggero conosciuto, l’idrogeno. Possiamo raccoglierne un poco in un bicchiere capovolto. Nel frattempo, riempiamo un piccolo palloncino con idrogeno proveniente da una bombola, e poi avviciniamo un fiammifero. Boom! Piccola esplosione e luce. Chiaramente anche l’idrogeno ha un’alta affinità per l’ossigeno! I chimici scrivono

H2(g) + 1/2O2(g) ® H2O(g)

La luminosità che abbiamo notato è probabilmente dovuta in gran parte alla polvere che impregna i palloncini per impedire di attaccarsi a se stessi o ad altri. La polvere riscaldata dall’esplosione della miscela idrogeno-ossigeno diventa luminosa. L’idrogeno puro brucia in ossigeno con una fiamma quasi incolore, come si vede se accendiamo la miscela idrogeno-aria nel becher dove avevamo raccolto un po’ di idrogeno. E che cosa si è depositato nelle pareti più fredde del becher? Sembra una rugiada fine. È acqua liquida. Come indicato dalla nostra ultima equazione, l’acqua è l’unico prodotto della combustione dell’idrogeno nell’ossigeno.[2, p. 153].

Bent passa poi a mostrare la reazione fra un pezzettino di potassio metallico e acqua tracciata con poche gocce di fenolftaleina. Fa avvenire la reazione sia in un becher sia in una capsula Petri posta su una lavagna luminosa:

In entrambi i casi si nota una reazione violenta, il pezzetto di potassio si incendia girando vorticosamente sulla superficie dell’acqua che si colora in viola, segno che è diventata basica. I chimici scrivono:

2K(s) + H2O(l) ® H2(g) + 2KOH(aq)

Infine il potassio sparisce del tutto.

Il potassio brucia in acqua

Nella capsula Petri il calore della lavagna luminosa fa rapidamente evaporare l’acqua lasciando un residuo bianco di idrossido di potassio.[2, p. 154].

Scaldiamo un sottile nastro di magnesio, esso brucia in aria rapidissimamente e con una straordinaria brillantezza formando una polvere bianca chiamata ossido di magnesio. I chimici scrivono:

2Mg(s) + O2(g) ® 2MgO(s)

Questo fenomeno è stato ampiamente sfruttato nei flash delle macchine fotografiche.

Lampo di magnesio

Dagli effetti provocati dalla combustione del magnesio si potrebbe pensare che esso abbia un’affinità per l’ossigeno maggiore rispetto al carbonio e all’idrogeno.[2, p. 154].

Per verificare l’ipotesi, Bent fa un ulteriore esperimento.

Mettiamo un po’ acqua a bollire in un becher. Il vapore eliminerà tutta l’aria quindi ora sarà pieno di molecole di H2O. Un fiammifero acceso immerso in questo vapore si spegne immediatamente. Guardiamo cosa fa il magnesio. Sorpresa! Il magnesio brucia ancora più vigorosamente nel vapore acqueo che nell’aria! In aria solo un quinto delle molecole contiene ossigeno. Nel vapore tutte le molecole contengono ossigeno. I chimici scrivono:

Mg(s) + H2O(g) ® H2(g) + MgO(s)

L’ossido di magnesio non è molto solubile in acqua. Però con l’aggiunta di qualche goccia di fenolftaleina diventa rosa. Questo è caratteristico delle soluzioni di ossidi metallici, essi formano idrossidi che neutralizzano gli acidi. Una sospensione di idrossido di magnesio in acqua si chiama latte di magnesia e viene usato per combattere l’acidità di stomaco. [2, p. 154]

Per controllare se il magnesio è in grado di sottrarre ossigeno al carbonio serve una sorgente di biossido di carbonio. Si può facilmente ottenere facendo reagire il carbonato di calcio con acido cloridrico oppure, più semplicemente bicarbonato di sodio con aceto.

L’aceto è una soluzione di acido acetico, mettiamone un poco in un becher e aggiungiamo il bicarbonato, l’anidride carbonica che si forma è più densa dell’aria e tende a concentrarsi nel fondo del becher. Un fiammifero acceso immerso in CO2 si spegne subito. E il magnesio? Il magnesio brucia nel biossido di carbonio. Si forma lo stesso ossido bianco insieme a chiazze nere. Come la fuliggine queste sono formate da carbonio. I chimici scrivono:

2Mg(s) + CO2(g) ® 2MgO(s) + C(s)

Ecco il motivo per cui non si possono spegnere gli incendi da magnesio con acqua o anidride carbonica. Se ne sono accorti i britannici durante la battaglia delle Isole Falkland. Alcune navi britanniche avevano sovrastrutture in leghe leggere contenenti magnesio e altri metalli che hanno affinità per l’ossigeno. Quando una delle navi è stata colpita da un missile, le sovrastrutture si sono incendiate bruciando sul ponte producendo più danni del missile stesso. [2, p. 154]

Il secondo contributo, del 1984, è intitolato Should Orbitals be X-Rated in Beginning Chemistry Courses? [3]

Bent affida inizialmente la risposta a Linus Pauling, definendolo, a ragione, “the father of the mathematical theory of orbitals for molecules”:

Non vedo alcun motivo per menzionare gli orbitali molecolari in un corso iniziale in chimica, scrive Linus Pauling in un recente numero di The Science Teacher [4]. Gli orbitali molecolari hanno un valore speciale nella discussione degli stati eccitati delle molecole, continua il padre della teoria matematica degli orbitali molecolari, ma sono piuttosto fuori luogo in un testo elementare di chimica.

Scrive Bent:

È vero tuttavia che l’apprendimento passivo e la ripetizione delle proprietà geometriche degli orbitali ibridi danno agli studenti la sicurezza di partecipare ad un’attività sofisticata con regole definite e facilmente memorizzabili. Dà agli insegnanti la sicurezza di fare domande con risposte definite e facilmente classificabili. Inoltre, permette a studenti e insegnanti di non insistere per avere un insegnamento pratico in laboratorio evitando le difficoltà di preparare da un lato e valutare dall’altro esercitazioni di laboratorio. Sicuramente, taglia i costi della scuola. Ma a quale prezzo? A costo di non sapere come funziona la scienza. E continua:

È stato detto che l’educazione è ciò che si ricorda dopo che tutto ciò che si è imparato è stato dimenticato. Quindi, come sono educati i nostri studenti di chimica? Che cosa ricordano dopo che tutto quello che gli è stato detto sugli orbitali è stato dimenticato? Che la chimica è un mistero, da memorizzare? Il problema non è lì. Gli orbitali sono il paradigma attuale. Il problema è come ci si arriva. Il gioco degli orbitali, per parafrasare Pauli, non è nemmeno sbagliato. È un gioco, tutto lì. Ma non è il gioco della scienza. La regola suprema, la regola generale, la regola del gioco, è assente.[4, p. 421].

Questa regola o Regola della Restrizione e stata enunciata da Lavoisier[3]:

Nel cominciare lo studio [o la presentazione] di una scienza fisica, ha scritto Lavoisier, non dobbiamo formulare [o anticipare] nessuna idea, ma quali sono le conseguenze e gli effetti immediati di un esperimento o una osservazione [5].

La regola di restrizione di Lavoisier è il regno sovrano della scienza. È la regola del buon senso di non saltare a conclusioni prima di conoscere i fatti. È stato solo attenendosi a questa regola che sono state formulate la teoria della termodinamica, della relatività di Einstein, della meccanica quantistica di Heisenberg, dell’operativismo di Bridgman.

Ma, prosegue Bent, la regola di Lavoisier è una regola difficile da giocare. La scienza (e l’insegnamento scientifico) non sono affatto facili.

Purtroppo la popolarità della volgarizzazione degli orbitali nel corso di chimica nei licei dipende anche dai contenuti del syllabus e dei test previsti dagli Advanced Placement Exams il cui superamento è richiesto da molti College e Università. Scrive Bent:

Il gioco di raccontare e ripetere piace tanto a insegnanti e studenti perché permette di ottenere voti alti agli esami. Il punteggio di quattro o cinque negli esami AP può essere dovuto all’esposizione delle regole per la formazione di orbitali, purtroppo nella mente di molti studenti questo può essere il loro uso principale. Insiste Bent:

L’adesione rigorosa alla Regola di Lavoisier richiede che i fatti siano esposti in modo induttivo, per catturare le idee, non di formulare ipotesi in modo meramente deduttivo.

Per esempio, c’è un solo isomero con formula molecolare CH2C12, da questo fatto i chimici hanno supposto che l’atomo di carbonio ha una struttura tetraedrica. Questa supposizione, basata sui fatti, ha dato luogo alla branca della stereochimica.

Solo molto più tardi fu riportato da Pauling e Slater, che la più semplice descrizione delle valenze tetraedricamente dirette dell’atomo di carbonio in termini di armoniche sferiche centrate su esso potevano essere interpretate da orbitali ibridi sp3. L’ibridazione è conseguente ai fatti, non i fatti dall’ibridazione.[4, p. 422]

Dopo altri esempi, Bent conclude:

È un fatto che gli studenti arrivano al college con una scarsa conoscenza della chimica descrittiva. Con riluttanza, il Comitato per la Formazione Professionale (CPT) dell’American Chemical Society ha raccomandato una maggior flessibilità nei programmi dei corsi di chimica di base valorizzando gli argomenti di chimica descrittiva, istituendo eventualmente corsi avanzati per approfondimenti.

Se la raccomandazione fosse accolta, dice Bent, ci sarebbero meno ripetizioni. Infatti, tutto il discorso sui moderni “orbitali molecolari” (e anche sulla termodinamica formale), viene generalmente ripetuto all’università. [4, 422]

Non mi sembra che la raccomandazione del CPT e le considerazioni di Bent siano state recepite, voi che ne dite?

 

Bibliografia

[1]”Pitt professor proved chemistry can be fun”, nel titolo del necrologio sulla scomparsa di Bent pubblicato dalla Pittsburg Post-Gazette l’11 gennaio 2015 a firma Jill Harkins.

http://www.post-gazette.com/news/obituaries/2015/01/11/Pitt-professor-proved-that-science-can-be-fun/stories/201501080119

[2] H.A. Bent, Flames: A Demonstration Lecture for Young Students and General Audiences, J. Chem. Educ., 1986, 63, 151-155

[3] H.A. Bent, Should Orbitals be X-Rated in Beginning Chemistry Courses?, J. Chem. Educ., 1984, 61, 421-423

[4] L. Pauling, Throwing the Book at Elementary Chemistry, The Science Teacher, 1983, 50, 25-29

[5] A.L. Lavoisier, Traité Elémentaire de Chimie, Couchet, Paris, 1789, pp.vi e viii, scaricabile da

http://www.labirintoermetico.com/01Alchimia/Lavoisier_A_L_de_Traite_elementaire_de_chimie(1789).pdf

 

 

 

 

 

 

[1] L’articolo è basato su una conferenza dimostrativa tenuta alla Gonzaga University Spokane, Washington, 7 marzo 1985.

[2] L’osservazione e la descrizione della fiamma di candela è un fenomeno molto utilizzato nelle dimostrazioni. Per molti anni Faraday ha tenuto una serie di Christmas Lectures per un pubblico giovane su “La storia chimica di una candela” [2, p.151].

[3] In realtà Lavoisier non ha mai chiamato Regola il suo pensiero espresso nella citazione [5] che invece, più argomentato, si trova precisamente dove l’ha trovato Bent nella traduzione inglese del famoso Traité Elémentaire de Chimie (Elements of Chemistry, Dover, 1965).