Unità 1
La chimica
e
il metodo
sperimentale
1
Protagonisti e idee
2
La curiosità: guida della scienza
Di fronte alle multiformi manifestazioni del mondo, comunemente dette
“fenomeni” (dal greco fainómenon, “ciò che è visibile, che appare”),
ognuno di noi è, in genere, uno spettatore involontario. Il più delle volte,
infatti, guardiamo ciò che succede intorno a noi, ma non lo osserviamo.
Tutti abbiamo guardato l’acqua che bolle in una
pentola, ma forse non abbiamo mai osservato
che le bolle appaiono improvvisamente e si
sviluppano dal fondo del recipiente.
Scienza sperimentale
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Relativamente al fenomeno
dell’ebollizione ci si potrebbe chiedere,
per esempio:
• perché si formano le bolle?
• che cosa c’è al loro interno?
• come mai si originano dal basso?
• perché aumentano di numero e
dimensione quanto più riscaldiamo
l’acqua?
…
Scienza sperimentale
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La chimica e la fisica, con il supporto
della matematica, sono in un certo
senso la base di tutte le scienze e
permettono all’uomo di interpretare i
fenomeni osservati e di penetrare nella
complessità degli eventi che accadono
intorno a lui, nelle dimensioni sia del
“molto grande” sia del “molto piccolo”.
Osservando tali fenomeni, possiamo
notare delle regolarità al loro interno,
che definiamo leggi, sulla base delle
quali possiamo rappresentarli
attraverso modelli che li
semplificano, secondo un approccio
noto come metodo sperimentale.
Scienza sperimentale
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La chimica:
prospettive di sviluppo
La curiosità ha da sempre spinto l’uomo a interrogarsi
sul perché avvengano certi fenomeni, come per
esempio la combustione della legna o l’arrugginimento
del ferro. Tutte le domande che ci possiamo porre a
questo proposito ci conducono, però, a uno stesso
interrogativo: quali sono le proprietà delle sostanze che
ci circondano e secondo quali regole esse si
trasformano?
L’osservazione di ciò che è presente in natura, lo studio
del modo di ottenere i metalli, il tentativo di migliorarne
le caratteristiche, la scelta dei materiali più opportuni
per gli impieghi desiderati, la scoperta di nuove
sostanze hanno fornito conoscenze che, nel corso del
tempo, si sono andate organizzando nella chimica.
La chimica
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La chimica si è specializzata in differenti settori che rispondono a esigenze
diverse. Il suo sviluppo si è indirizzato agli ambiti della ricerca, della produzione
industriale e del controllo di parametri analitici per ogni sua branca specifica.
La chimica
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La chimica è una scienza sperimentale:
studio controllato dei fenomeni
La chimica è una scienza perché utilizza un metodo specifico chiamato
metodo sperimentale.
Ciò significa che è completamente fondata sull’evidenza sperimentale,
ossia che ogni sua affermazione si basa su esperimenti.
Un esperimento è un’esperienza
controllata, condotta in modo che sia
riproducibile da chiunque, in qualunque
luogo e in qualunque momento, purché
effettuata in condizioni identiche.
Il metodo scientifico
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Vogliamo ora prendere in esame i punti salienti del modo di operare del
chimico basato sul metodo sperimentale.
Considera, per esempio, questo fatto, facilmente osservabile: gli oggetti
di acciaio comune, esposti all’aria umida, si ricoprono generalmente di
ruggine.
Immagina di voler capire perché questo accade.
Prima di tutto, è necessario osservare bene il fenomeno, per raccogliere
quanti più dati è possibile.
Il metodo scientifico
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Un’indagine attenta e guidata dalla
curiosità, unita a qualche ricerca, potrebbe
portarti alle seguenti osservazioni:
a. la ruggine si forma quasi esclusivamente
su oggetti esposti all’aria;
b. la sua formazione è più veloce in
presenza di acqua;
c. la ruggine, analizzata, mostra una forte
presenza di ferro;
d. il ferro è il componente principale
dell’acciaio.
Nota inoltre che l’arrugginimento
dell’acciaio è un fenomeno del
tutto generale, riscontrabile cioè
sempre e ovunque,
indipendentemente da cause
particolari come, per esempio, la
forma degli oggetti.
Il metodo scientifico
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Queste osservazioni ti consentono di descrivere dettagliatamente il
fenomeno e soprattutto di formulare un’ipotesi interpretativa:
“La ruggine si forma dall’interazione del ferro presente nell’acciaio
con l’aria umida.”
Per quanto evidente possa sembrare
un’ipotesi interpretativa, tuttavia, in accordo
con il metodo sperimentale essa non può
essere accettata come vera se prima non
viene controllata.
In questo caso, dovrai verificare se, nelle
condizioni specificate (acciaio + aria umida),
si produce effettivamente il fenomeno
(arrugginimento).
Il metodo scientifico
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Per indagare il fenomeno dell’arrugginimento potresti allora, per esempio,
prendere un chiodo di acciaio ed esporlo a un ambiente umido, o
immergerlo in acqua.
Dopo poche ore, noterai sulla sua superficie alcuni punti rossastri, che
vanno espandendosi in chiazze.
È ruggine?
Il metodo scientifico
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Puoi avere la sicurezza di aver riprodotto il fenomeno solo analizzando
la patina rossastra e verificando se si ottengono gli stessi risultati
raggiunti negli altri casi già esaminati. Qualora la patina non risultasse
ruggine, non saresti riuscito a riprodurre il fenomeno e dovresti
concludere che la tua ipotesi interpretativa era sbagliata. In tal caso
dovresti formulare una nuova ipotesi per spiegare la formazione della
ruggine e sottoporre anch’essa a nuove verifiche.
Il metodo scientifico
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Se comunque desideri
raggiungere una
conoscenza più
approfondita, devi
prendere in considerazione
il fatto che l’aria è una
miscela costituita
prevalentemente da
ossigeno e azoto, oltre a
piccole quantità di altre
sostanze.
Potresti dunque ripetere
l’esperimento precedente
sostituendo all’aria solo
ossigeno o solo azoto.
Il metodo scientifico
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Osserveresti allora che la ruggine si forma solo in presenza di ossigeno.
La tua ipotesi interpretativa diverrebbe più o meno:
“La ruggine si forma dall’interazione del ferro presente nell’acciaio
con l’ossigeno atmosferico, in presenza di acqua”.
Questa ipotesi costituisce una buona descrizione del fenomeno, almeno
dal punto di vista qualitativo. Sinteticamente, potremmo esprimerla così:
ferro + ossigeno + acqua producono ossido ferrico idrato
dove “ossido ferrico idrato” è il nome chimico della ruggine; oppure,
utilizzando i simboli propri della chimica, che diverranno chiari in seguito:
Fe + O2 + H2O
Il metodo scientifico
Fe2O3 + H2O
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Quello che ancora ti manca è capire quanta acqua e quanto ferro sono
necessari perché si formi la ruggine. Ti serve, cioè, una descrizione
anche quantitativa del fenomeno.
Dovresti allora preparare una serie di esperimenti simili ai precedenti,
ma nei quali variare in modo controllato le quantità di ferro, di
ossigeno e di acqua impiegate, da misurare ogni volta con precisione.
Arriveresti in tal modo alla seguente espressione:
Sei giunto insomma a formulare una legge che descrive esattamente
quanto succede e consente di fare previsioni che, verificate
sperimentalmente, risultano corrette.
Il metodo scientifico
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Un’assunzione fondamentale della ricerca scientifica è che i fenomeni
naturali obbediscano a poche leggi del tutto generali.
Si tratta allora di trovare delle uniformità nelle osservazioni, pur
distinguendo ciò che differenzia tra loro i fenomeni.
Una volta formulata, una legge, grazie al suo potere predittivo, permette
di fare nuove ipotesi e spesso fornisce spunti per nuove osservazioni,
che conducono a formulare nuove leggi.
Così fu, per esempio, per le più importanti e note leggi della fisica, come
la legge di Newton o la legge di Ohm, e della chimica, come la legge
di Lavoisier.
Il metodo scientifico
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Per individuare le regolarità cui sono soggetti i fenomeni, tuttavia, la
semplice osservazione spesso non è sufficiente. I dati sperimentali
raccolti grazie a essa vanno infatti elaborati e interpretati.
Per farlo, la chimica, come tutte le scienze, fa uso di tabelle e grafici.
Questi ultimi, in particolare, aiutano a evidenziare l’andamento dei valori
riscontrati, mettono in luce i dati più significativi e quelli discordanti. Si
possono così più facilmente scoprire le eventuali regolarità che legano
tra loro le grandezze osservate.
Il metodo scientifico
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Una legge trovata
sperimentalmente descrive
correttamente un fenomeno (o una
classe di fenomeni).
Essa permette cioè di descrivere
che cosa succede quando quel
fenomeno si manifesta.
Ma la legge non spiega perché
avviene il fenomeno che descrive.
E quando più leggi concernono
fenomeni simili, cerchiamo in che
modo possano essere correlate tra
loro. Ne cerchiamo cioè delle radici
comuni, che possano spiegarle.
In tutti questi casi, siamo spinti a
formulare un’ipotesi più ampia e
articolata, una teoria, che possa
spiegare tutti i fenomeni descritti
dalle diverse leggi trovate.
Il metodo scientifico
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Per tornare all’esempio della ruggine, potresti progettare nuove
esperienze, analoghe a quelle condotte, per studiare il comportamento
dell’acciaio in presenza di altre sostanze, diverse dall’acqua.
Individueresti così una serie di
leggi capaci di descrivere, nel
loro insieme, il comportamento
generale del ferro (che, come
ricorderai, è il principale
componente dell’acciaio).
Si possono ‘unificare’, cioè
ricondurre a una spiegazione
comune?
Il metodo scientifico
U01 Chimica e metodo sperimentale 20
La risposta è sì: esiste una teoria che spiega il comportamento del ferro
in tutti i casi studiati. Essa, tuttavia, rimanda alla struttura intima delle
particelle (atomi) che costitueiscono la sostanza “ferro” e richiede,
dunque, conoscenze che ancora non hai, ma che acquisirai nel seguito
di questo Corso.
Il metodo scientifico
U01 Chimica e metodo sperimentale 21
In base al metodo scientifico, una teoria è
considerata corretta fino a quando riesce a
spiegare tutti i fenomeni osservati e a
formulare previsioni corrette su fenomeni
nuovi.
Quando si osservano fenomeni che la
contraddicono – ovvero che, come si dice,
la falsificano – la teoria va abbandonata.
Ricorda che un numero qualunque di
verifiche positive, per quanto grande sia,
non è sufficiente a far accettare come
valida in modo definitivo un’ipotesi o una
teoria: basta infatti una sola prova
contraria per falsificarla, vanificando
quanto accettato fino a quel momento.
Secondo la definizione oggi più diffusa, una
teoria può dirsi scientifica solo se è
falsificabile, ossia solo se è possibile
smentirne sperimentalmente le previsioni.
Il metodo scientifico
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Una nuova via: la chimica sostenibile
A causa anche di incidenti quali quelli di Bhopal, la chimica è spesso
associata, nei mezzi d’informazione, all’inquinamento e al pericolo.
Green Chemistry
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La chimica viene messa in relazione con la contaminazione di vaste
aree per la fuoriuscita di petrolio,
le piogge acide,
la corrosione dei monumenti,
l’inquinamento da metalli.
Green Chemistry
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Essa, però, è anche la scienza dei motori a idrogeno,
delle sostanze che combattono l’inquinamento e che aumentano la
produttività dei terreni,
dei prodotti ignifughi,
dei farmaci salvavita.
Green Chemistry
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È anche la scienza dell’aria pulita e dell’acqua pura, necessarie alla
nostra stessa vita.
Green Chemistry
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Oggi è necessario sperimentare con urgenza nuove vie per migliorare
i processi di trasformazione chimica, ottimizzando il recupero di
materiali e di energia.
Non mancano esempi virtuosi, che però prevedono ancora costi elevati
e non hanno trovato il pieno e consapevole coinvolgimento dei cittadini.
Green Chemistry
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Ne sono esempio i nuovi inceneritori, che consentono di smaltire i rifiuti
nel pieno rispetto dell’ambiente.
Sarà anche grazie al nostro impegno se in un futuro prossimo potremo
renderli competitivi con gli impianti e i sistemi attualmente in uso.
La chimica dà all’uomo il potere di agire sul mondo che lo circonda.
Maggiore è il potere,
però, maggiore è
anche il rischio a cui
un suo cattivo
impiego ci espone.
Solo una buona
conoscenza della
chimica e dei suoi effetti
permette di cercare il
migliore compromesso
fra rischi e vantaggi e di
agire di conseguenza.
Green Chemistry
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Per limitare i rischi, inoltre, molti ricercatori e molte aziende si sono dati
un codice etico di comportamento che, in qualche caso, è addirittura
più restrittivo delle leggi di controllo promulgate dai Paesi nei quali
operano.
Green Chemistry
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Green Chemistry
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Protagonisti e idee
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Protagonisti e idee
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Protagonisti e idee
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L’Accademia dei
Lincei, fondata nel
1603, è la più antica
accademia scientifica
del mondo; annoverò
tra i suoi primi Soci
Galileo Galilei.
Protagonisti e idee
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Protagonisti e idee
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