Forse è impossibile quantificare quanto il mondo moderno si poggi sulle scoperte della chimica. Oggi proverò a rendere giustizia a questa opera monumentale raccontandovi due storie legate dal filo invisibile del progresso scientifico, di come la chimica è nata e di come ci ha salvati dalla fame.
La chimica moderna è una disciplina relativamente giovane. Prima della rivoluzione portata dallo scienziato francese Antoine-Laurent de Lavoisier, la chimica era una disciplina basata su idee antiche. Tali idee si fondavano quasi esclusivamente sull’osservazione dei fenomeni. Le grandi menti dell’antichità greca, mosse da grande curiosità, cominciarono a porsi la domanda: «cos’è la materia?». Osservazione e ragionamento filosofico trovarono una risposta elegante in grado di descrivere i tipi di materia e le interazioni tra di essa assegnandole cinque elementi costituenti. Aria, fuoco, terra, acqua e l’etere si combinavano dando vita a tutto ciò che ai tempi era chimica.
Questa idea non sopravvisse all’avvento del metodo scientifico, ma è interessante osservare come proprio nell’antica Grecia emerse la prima idea dell’atomo. Più che altro si trattava di un concetto, ovvero che la materia non può essere divisa all’infinito ma deve esistere una unità indivisibile che la compone. Un’idea filosofica semplice ma potente, partorita dalla mente di Democrito e formalizzata più di duemila anni più tardi da John Dalton. Nel corso dei secoli cominciarono ad emergere altri concetti fondamentali per la disciplina: la prima equazione chimica scritta da Jean Beguin, la definizione di pressione e vuoto di Torricelli (di cui si usa ancora l’unità di misura, il Torr), la comprensione dei gas e la correlazione tra pressione e volume di Robert Boyle, gli esperimenti di Volta con l’elettricità e l’esperimento di Lavoisier che ha cambiato tutto, mettendo una pietra tombale a idee bizzarre come l’alchimia ed il flogisto.
L’esperimento che “spense” il flogisto
Quando Lavoisier iniziò i suoi esperimenti sulla combustione, nel tardo 1700, la chimica europea era dominata da una teoria che si rivelò sbagliata: la teoria del flogisto. Si credeva che questa sostanza immateriale fosse contenuta in tutte le sostanze in grado di bruciare e venisse liberata durante la combustione. Lavoisier non era per niente convito da questa teoria. Deciso a scoprire la verità, fece qualcosa di rivoluzionario: non si limitò all’osservazione, ma pesò reagenti e prodotti con una precisione manicale. Gran parte degli strumenti che usò furono progettati su misura e realizzati con grande cura, delle vere opere d’arte.
Lavoisier prese del fosforo, come quello che potete osservare sulla punta dei fiammiferi e lo riscaldò in un sistema chiuso collegato a bilance estremamente sensibili. Osservò che il peso del sistema non cambò. Fin qui tutto come previsto. La sorpresa arrivò quando pesò solamente il residuo di combustione del fosforo: il peso risultava aumentato!
Se il fosforo perdesse qualcosa (il flogisto), la massa finale dovrebbe diminuire. Invece accadde il contrario: il fosforo “bruciato” pesava di più rispetto a prima. In sostanza, il fosforo si è combinato con l’ossigeno durante la combustione, catturandone la massa. Può sembrare scontato, ma ai tempi non era ancora noto che l’aria fosse una miscela di gas.
Lavoisier, a seguito di altri esperimenti con metalli e gas, e grazie alle scoperte di Henry Cavendish, capì quindi che l’aria è costituita da più elementi. Chiamerà la parte reattiva dell’aria osservata nei sui esperimenti ossigeno. Successivamente conierà anche i termini per l’azoto (scoperto da Rutherford) e per l’idrogeno (scoperto appunto da Cavendish). Gli esperimenti di Lavoisier sancirono tre concetti fondamentali per la neonata chimica: la combustione è una reazione chimica; l’aria non è una sostanza unica ma una miscela di gas; la massa si conserva. Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma.
Con la legge della conservazione della massa di Lavoisier nasce la chimica moderna, intesa come scienza quantitativa, fondata su misure riproducibili, bilanci di massa e linguaggio rigoroso. Non è un’esagerazione dire che, dopo questo esperimento, la chimica diventa finalmente una scienza nel senso moderno del termine. Tuttavia la storia è beffarda e il lavoro di Lavoisier venne interrotto prematuramente dalla lama della ghigliottina durante la rivoluzione Francese a causa della sua posizione aristocratica e di esattore di tasse.
Dalla comprensione della chimica alle necessità della società
Nel corso dell’Ottocento la chimica crebbe rapidamente. Furono scoperti nuovi elementi, si sviluppò la teoria atomica di Dalton, nacque la tavola periodica di Mendeleev. La chimica entrò nella vita quotidiana e diventò necessaria soprattutto nell’agricoltura. Le piante hanno infatti bisogno di azoto per crescere. L’azoto è ovunque, costituisce circa il 78% dell’atmosfera terrestre. Purtroppo per la maggior parte degli organismi viventi l’azoto gas è inutilizzabile, troppo stabile. I legami chimici più sono stabili e più sono difficili da spezzare per farci qualcosa di utile e l’azoto ne ha ben tre.
Le fonti di fertilizzazione naturale (fonti di azoto utile) cominciarono dell’Ottocento a non essere più sufficienti. La possibilità di incorrere in una catastrofe alimentare dovuta al rapido aumento della popolazione era al tempo. reale.
La sintesi dell’ammoniaca
Per fare qualcosa di utile con l’azoto è necessario trasformarlo nel suo derivato più semplice, l’ammoniaca. E ne servono quantità industriali. La reazione è semplice: azoto + idrogeno. Sulla carta basta mescolare un po’ di azoto e un po’ di idrogeno e lasciarli reagire. Nella pratica è una delle reazioni più difficili mai affrontate dall’industria chimica. Fortunatamente i chimici di inizio Novecento furono pronti a raccogliere questa sfida, armati con gli strumenti e le conoscenze sviluppati nel corso del secolo precedente e donati “indirettamente” da Lavoisier. Il chimico tedesco Fritz Haber a inizio del secolo scorso, trovò un modo per compiere la sintesi utilizzando alte pressioni, temperature elevate e la presenza un catalizzatore metallico.
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La svolta avvenne grazie alla presenza del metallo che fornisce un sito dove i gas possono entrare in contatto più facilmente reagendo in condizioni più blande. Questa branca della chimica, ovvero la catalisi eterogenea, è diventato il più importante strumento su cui si basa tutta l’industria chimica moderna. Carl Bosch, completò il lavoro industrializzando tutto il processo. L’ammoniaca prodotta con il processo Haber-Bosch diventò così la base dei fertilizzanti azotati, permettendo di aumentare drasticamente le rese agricole. Ad oggi è stimato che l’alimentazione di circa metà della popolazione mondiale dipenda indirettamente dal processo Haber–Bosch.